ВИДОВЕ МОДЕЛИ, КОИТО СЕ ПРИЛАГАТ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА КАЧЕСТВОТО НА ВОДАТА - ОКОЛЕН СВЯТ - 2025

Модели за качеството на водата са математически състави, които симулират поведението и ефектите на замърсителите във водата. В този смисъл са представени възможни сценарии на въздействието на замърсителите, като се използват различни формули, които започват от определени параметри и променливи.

Има различни модели на качеството на водата в зависимост от източника на замърсяване и тялото на водата, което трябва да бъде оценено. Тези модели се състоят от компютърни програми, базирани на математически алгоритми.

Оценка на качеството на водата. Източник: CSIRO

Моделите интегрират полеви данни от различни променливи и фактори, плюс определени условия за въвеждане. От тези данни моделите генерират възможните сценарии, екстраполирайки данни във времето и пространството въз основа на вероятностите.

Най-информативният параметър за оценка на замърсяването на водно тяло е биохимичната нужда от кислород (БПК). Повечето от моделите включват оценка на вариацията на БПК като критерий за генериране на техните сценарии.

Правителствата са установили правила за качеството на водата, които трябва да бъдат спазени, за да получат разрешителни за извършване на потенциално замърсяващи дейности. В този смисъл моделите са полезен инструмент за разбиране на възможното въздействие върху качеството на водата на дадена дейност.

Математическа основа

Моделите, използвани за прогнозиране на поведението на качеството на водата, се основават на диференциални уравнения. Тези уравнения свързват размера на промяната в една функция с величината на промяната в друга.

В моделите за качество на водата се използват нелинейни диференциални уравнения, тъй като процесите на замърсяване на водата са сложни (те не реагират на линейна причинно-следствена връзка).

Параметри

При прилагането на определен модел е необходимо да се вземе предвид серия от параметри.

Като цяло се изчисляват основните параметри като биологично търсене на кислород (БПК), търсене на химически кислород (ХПК), азот и фосфор.

БПК е един от най-важните показатели за замърсяване, тъй като високите стойности показват голям брой микроорганизми. От своя страна, COD показва количеството кислород, необходимо за окисляване на органичната материя по химически начин.

Параметрите, които трябва да се оценяват, зависят от вида на водното тяло, или лещови (езера, водоеми, блата) или лотични (реки, потоци). Потокът, покритата площ, обемът на водата, температурата и климатът също трябва да се вземат предвид.

Също така е необходимо да се вземе предвид източникът на замърсяване, който трябва да бъде оценен, тъй като всеки замърсител има различно поведение и ефект.

В случай на зауствания във водното тяло се вземат предвид вида на изхвърлянето, замърсителите, които съдържа и обемът му.

класификация

Съществуват множество математически модели за симулиране на поведението на замърсители във водни тела. Те могат да бъдат класифицирани в зависимост от вида процес, който те считат (физичен, химичен, биологичен) или вида на метода на разтвор (емпиричен, приблизителен, опростен).

Факторите, които се вземат предвид при класифицирането на тези модели, са динамика и размерност.

динамичен

Стационарните модели считат, че е достатъчно да се установи разпределението на вероятността на състоянието на замърсителя в даден момент или пространство. Впоследствие той екстраполира това разпределение на вероятностите, като го счита за едно и също през цялото време и пространство на това водно тяло.

В динамичните модели се приема, че вероятността от поведение на замърсителите може да се промени във времето и пространството. Квази-динамичните модели извършват анализа на части и генерират частично приближение към динамиката на системата.

Има програми, които могат да работят както в динамичен, така и в квази-динамичен модел.

измеренията

В зависимост от пространствените размери, които моделът има предвид, съществуват безразмерни, едномерни (1D), двумерни (2D) и триизмерни (3D).

Безразмерният модел счита средата за хомогенна във всички посоки. 1D модел може да опише пространственото изменение по протежение на река, но не и във вертикала или напречното сечение. 2D модел ще разгледа две от тези измерения, докато 3D модел ще включва всички тях.

Примери

Типът на модела, който ще се използва, зависи от водното тяло, което ще се изследва, и целта на изследването и трябва да се калибрира за всяко конкретно състояние. Освен това трябва да се вземе предвид наличието на информация и процесите, които ще бъдат моделирани.

Някои примери за модели за проучване на качеството на водата в реки, потоци и езера са описани по-долу:

QUAL2K и QUAL2Kw (Модел за качество на водата)

Симулира всички променливи за качеството на водата при симулиран постоянен поток. Симулира две нива на БПК за разработване на сценарии на способността на реката или потока да разграждат органичните замърсители.

Този модел позволява също да се симулира полученото количество въглерод, фосфор, азот, неорганични твърди вещества, фитопланктон и детрит. По същия начин симулира количеството разтворен кислород, което предсказва възможни проблеми с еутрофикацията.

Други променливи като рН или способността за елиминиране на патогени също се проектират индиректно.

Модел STREETER-PHELPS

Това е много полезен модел за оценка на поведението на концентрацията на конкретен замърсител в зоната на влияние на изпускане в река.

Един от замърсителите, който произвежда най-значителен ефект, е органичната материя, така че най-информативната променлива в този модел е нуждата от разтворен кислород. Следователно тя включва математическа формулировка на основните процеси, свързани с разтворен кислород в река.

Модел MIKE11

Симулира различни процеси като разграждане на органични вещества, фотосинтеза и дишане на водни растения, нитрификация и обмен на кислород. Характеризира се със симулиране на процесите на трансформация и дисперсия на замърсители.

Модел RIOS

Този модел е проектиран в контекста на управлението на водоемите и съчетава биофизични, социални и икономически данни.

Той генерира полезна информация за планиране на мерки за възстановяване и включва параметри като разтворен кислород, БПК, колиформи и анализ на токсични вещества.

Модел QUASAR (Симулация на качеството по речни системи)

Реката е моделирана разделена на участъци, дефинирани от притоци, преливни канали и обществени приеми, които пристигат или се отклоняват от нея.

Наред с другите параметри той разглежда потока, температурата, pH, БПК и концентрацията на амоняк, нитрати, ешерихия коли и разтворен кислород.

WASP (симулационна програма за анализ на качеството на водата)

Можете да се обърнете към изследването на водното тяло в различни измерения (1D, 2D или 3D). Когато го използва, потребителят може да избере да въведе постоянни или вариращи във времето процеси на кинетичен транспорт.

Могат да бъдат включени точкови и неточкови изхвърляния на отпадъци и техните приложения включват различни физически, химични и биологични рамки за моделиране. Тук могат да бъдат включени различни аспекти като еутрофикация и токсични вещества.

Модел AQUASIM

Този модел се използва за изследване на качеството на водата както в реките, така и в езерата. Той работи като блок-схема, което позволява да се симулира голям брой параметри.

Препратки

1. Castro-Huertas MA (2015) Приложение на QUAL2KW при моделирането на качеството на водата на река Гуакаика, департамент Калдас, Колумбия. Степен на работа. Факултет по инженерство и архитектура, Катедра по химическо инженерство, Национален университет в Колумбия. Колумбия. 100 стр.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick и RV Thomann (1981) Симулационна програма за анализ на качеството на водата (WASP) и програма за проверка на модела (MVP) - Документация. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, за US EPA, Duluth, MN, договор № 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García и FJ Cervantes-Carrillo (ред.) (2017). Пречистване на биологични отпадни води. Принципи, моделиране и дизайн. ИУА Издателство. 580 стр.
4. Matovelle C (2017) Математически модел на качеството на водата, приложен в микробасейна на река Табакай. Техническо списание Killkana 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J и M Palacios-Quevedo (2017) Модел за качество на водата. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH Консорциум. Двойна пътна алея. Rumichaca-Пасто. Отдел Нариньо. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 стр.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Ръководство за потребителя, компютърна програма за идентификация и симулация на водни системи, Швейцарски федерален институт за екологична наука и технологии (EAWAG), Швейцария.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Математически модели на качеството на водата в езера и резервоари. Теза. Инженерен Факултет. Национален автономен университет в Мексико. Мексико, DF 95 p.