Hvilke typer modeller skal brukes til studier av vannkvalitet?

Modeller for vannkvalitet er matematiske formuleringer som simulerer oppførsel og virkninger av forurensninger i vann. I denne forstand presenteres mulige scenarier av virkningen av forurensende stoffer, ved hjelp av forskjellige formler som starter fra visse parametere og variabler.

Det finnes forskjellige modeller av vannkvalitet avhengig av forurensningskilden og vannkilden du vil evaluere. Disse modellene består av dataprogrammer basert på matematiske algoritmer.

Modellene integrerer feltdata av ulike variabler og faktorer, pluss visse inngangsbetingelser. Fra disse dataene genererer modellene mulige scenarier, ekstrapolerer data i tid og rom basert på sannsynligheter.

Den mest informative parameteren for å vurdere forurensningen av en vannmasse er den biokjemiske oksygenbehovet (BOD). De fleste modeller inkluderer estimeringen av BOD-varianten som et kriterium for å generere sine scenarier.

Regjeringene har etablert regler for vannkvalitet som må oppfylles for å få tillatelser for gjennomføring av potensielt forurensende aktiviteter. I denne forstand er modellene et nyttig verktøy for å forstå mulig innvirkning på vannkvaliteten til en gitt aktivitet.

Matematisk grunnlag

Modeller som brukes til å prognose oppførsel av vannkvalitet er basert på differensialligninger. Disse ligningene relaterer mengden av endring av en bestemt funksjon med størrelsen på endringen i en annen.

I vannkvalitetsmodeller benyttes ikke-lineære differensialligninger fordi vannforurensningsprosessene er komplekse (de reagerer ikke på et lineært årsak-forholdsforhold).

parametere

Ved bruk av en bestemt modell er det nødvendig å ta hensyn til en rekke parametere.

Generelt estimeres grunnparametere som biologisk oksygenbehov (BOD), kjemisk oksygenbehov (COD), nitrogen og fosfor tilstede.

BOD er ​​en av de viktigste forurensningsindikatorene, siden høye verdier indikerer en stor mengde mikroorganismer. For sin del angir COD mengden oksygen som trengs for å oksidere organisk materiale ved hjelp av kjemiske midler.

Parametrene som skal vurderes, avhenger av hvilken type vannkilde, det er lentisk (innsjøer, laguner, myrer) eller lotiske (elver, bekker). Strømmen, arealet dekket, vannvolum, temperatur og klima må også tas i betraktning.

Det er også nødvendig å vurdere at forurensningskilden skal vurderes, siden hver forurensende har en annen oppførsel og effekt.

Ved utslipp til vannkilden, vurderes typen av utslipp, forurensninger og dens volum.

klassifisering

Det finnes mange matematiske modeller for å simulere forurensningens virkemåte i vannkropper. De kan klassifiseres avhengig av hvilken type prosess de vurderer (fysisk, kjemisk, biologisk) eller typen løsningsmetode (empirisk, omtrentlig, forenklet).

Faktorene som tas i betraktning for å klassifisere disse modellene, er dynamikk og dimensjonalitet.

dynamisk

Stasjonære modeller anser at det er nok å fastslå sannsynlighetsfordelingen av forurensningens tilstand på et gitt tidspunkt eller rom. Deretter ekstrapolerer denne fordeling av sannsynligheten vurderer den lik i all tid og plass i den vannkroppen.

I dynamiske modeller antas det at sannsynlighetene for forurensende atferd kan endres i tid og rom. De kvasidynamiske modellene utfører analysene i deler og genererer en delvis tilnærming til dynamikken i systemet.

Det finnes programmer som kan fungere i både dynamiske og kvas dynamiske modeller.

dimensionality

Avhengig av de romlige dimensjonene som modellen vurderer, er det dimensjonsløs, endimensjonal (1D), todimensjonal (2D) og tredimensjonal (3D).

En dimensjonsløs modell vurderer at mediet er homogent i alle retninger. En 1D-modell kan beskrive romlig variasjon langs en elv, men ikke i tverrsnitt eller vertikal. En 2D-modell vil vurdere to av disse dimensjonene, mens en 3D-en vil inkludere dem alle.

eksempler

Typen av modell som skal brukes, avhenger av vannkilden som skal studeres og målet for studien, og det må kalibreres for hver spesiell tilstand. I tillegg må tilgjengeligheten av informasjon og prosessene som skal modelleres, tas i betraktning.

Noen eksempler på modeller for vannkvalitetsstudier i elver, bekker og innsjøer er beskrevet nedenfor:

Modell QUAL2K og QUAL2Kw (vannkvalitetsmodell)

Simulerer alle vannkvalitetsvariabler under en simulert konstant strømning. Simulerer to nivåer av BOD for å utvikle scenarier av elv eller nåværende kapasitet for å nedbryte organiske forurensninger.

Denne modellen tillater også å simulere den resulterende mengden karbon, fosfor, nitrogen, uorganiske faste stoffer, fytoplankton og detritus. På samme måte simulerer mengden oppløst oksygen, som forutsier potensielle problemer med eutrofiering.

Andre variabler som pH eller evnen til å eliminere patogener er også projisert indirekte.

Modell STREETER-PHELPS

Det er en veldig nyttig modell for å vurdere oppførselen til konsentrasjonen av et bestemt forurensende stoff i påvirkning av utslipp til en elv.

En av forurensningene som gir en mer signifikant effekt er organisk materiale, så den mest informative variabelen i denne modellen er etterspørselen etter oppløst oksygen. Derfor inneholder den en matematisk formulering av hovedprosessene forbundet med oppløst oksygen i en elv.

Modell MIKE11

Simulerer ulike prosesser som nedbrytning av organisk materiale, fotosyntese og respirasjon av vannplanter, nitrifikasjon og oksygenutveksling. Den er preget av å simulere prosessene for transformasjon og spredning av forurensende stoffer.

RIOS modell

Denne modellen ble utformet i sammenheng med vannsikkerhetsstyring og kombinerer biofysiske, sosiale og økonomiske data.

Det genererer nyttig informasjon for å planlegge tiltaksmidler og inkluderer parametere som oppløst oksygen, BOD, koliformer og analyse av giftige stoffer.

QUASAR-modell (kvalitetssimulering langs elveanlegg)

Elva er modellert separat i seksjoner, definert av bifloder, deponier og offentlige uttak som kommer eller avgår fra den.

Vurder blant annet parametere strømningshastighet, temperatur, pH, BOD og konsentrasjon av ammoniakknitrater, Escherichia coli og oppløst oksygen.

WASP (Vannkvalitetsanalysesimuleringsprogram)

Du kan nærme seg studiet av vannmassen i forskjellige dimensjoner (1D, 2D eller 3D). Ved å bruke det, kan brukeren velge å angi konstante eller variable kinetiske transportprosesser over tid.

Utslipp av punktlig og ikke-punktlig avfall kan inngå og deres anvendelser inkluderer flere rammer for fysisk, kjemisk og biologisk modellering. Her kan du inkludere forskjellige aspekter som eutrofiering og giftige stoffer.

Modell AQUASIM

Denne modellen brukes til å studere vannkvalitet i elver og innsjøer. Det fungerer som et flytdiagram, som gjør det mulig å simulere et stort antall parametere.