A VÍZMINŐSÉG VIZSGÁLATÁRA ALKALMAZHATÓ MODELLEK - KÖRNYEZET - 2026

A vízminőségi modellek matematikai készítmények, amelyek szimulálják a szennyező anyagok viselkedését és hatásait a vízben. Ebben az értelemben bemutatjuk a szennyező anyagok hatásának lehetséges forgatókönyveit, különféle képletek alkalmazásával, amelyek bizonyos paraméterektől és változóktól kezdődnek.

A vízminőség különféle modelljei vannak, a szennyezés forrásától és az értékelni kívánt víztesttől függően. Ezek a modellek matematikai algoritmusokon alapuló számítógépes programokból állnak.

A vízminőség értékelése. Forrás: CSIRO

A modellek integrálják a különféle változók és tényezők terepi adatait, valamint bizonyos bemeneti feltételeket. Ezen adatok alapján a modellek generálják a lehetséges forgatókönyveket, az adatokat időben és térben extrapolálva a valószínűségek alapján.

A víztest szennyezettségének értékelésére a leginformatívabb paraméter a biokémiai oxigénigény (BOD). A modellek többsége a BOD változásának becslését tartalmazza kritériumként a forgatókönyveik elkészítéséhez.

A kormányok vízminőségi szabályokat állapítottak meg, amelyeket be kell tartani a potenciálisan szennyező tevékenységek végzéséhez szükséges engedélyek megszerzéséhez. Ebben az értelemben a modellek hasznos eszközök az adott tevékenység vízminőségre gyakorolt ​​lehetséges hatásainak megértéséhez.

Matematikai alapok

A vízminőség viselkedésének előrejelzésére használt modellek differenciálegyenletekre épülnek. Ezek az egyenletek az egyik függvényben bekövetkező változás mértékét a másikban bekövetkező változás nagyságához viszonyítják.

A vízminőségi modellekben nemlineáris differenciálegyenleteket használunk, mivel a vízszennyezés folyamatainak összetettsége (nem reagálnak a lineáris ok-okozati összefüggésre).

paraméterek

Egy bizonyos modell alkalmazásakor figyelembe kell venni a paraméterek sorozatát.

Általában becsüljük meg az olyan alapvető paramétereket, mint a biológiai oxigénigény (BOD), a kémiai oxigénigény (COD), a nitrogén és a foszfor.

A BOD az egyik legfontosabb szennyeződés-mutató, mivel a magas értékek nagyszámú mikroorganizmust jeleznek. A COD a maga részéről jelzi az oxigén mennyiségét, amely a szerves anyagok kémiai oxidációjához szükséges.

Az értékelendő paraméterek a víztest típusától függenek, legyen az lenti (tavak, tavak, mocsarak) vagy lotikus (folyók, patakok). Az áramlást, a lefedett területet, a vízmennyiséget, a hőmérsékletet és az éghajlatot szintén figyelembe kell venni.

Azt is figyelembe kell venni, hogy értékelni kell-e a szennyezés forrását, mivel minden szennyező anyag viselkedése és hatása eltérő.

A víztestbe történő kibocsátás esetén a kibocsátás típusát, a benne lévő szennyező anyagokat és térfogatát kell figyelembe venni.

Osztályozás

Számos matematikai modell létezik a szennyező anyagok viselkedésének szimulálására a víztestekben. Besorolhatók az alkalmazott eljárás típusától függően (fizikai, kémiai, biológiai) vagy az oldat módszerétől (empirikus, hozzávetőleges, egyszerűsített).

E modellek osztályozásakor figyelembe veszik a dinamikát és a dimenziósságot.

Dinamikus

A helyhez kötött modellek szerint elegendő megállapítani a szennyező anyag állapotának valószínűségi eloszlását egy adott pillanatban vagy térben. Ezt követően extrapolálja ezt a valószínűség-eloszlást, figyelembe véve, hogy ugyanaz a víztest minden időben és térben.

A dinamikus modellekben feltételezzük, hogy a szennyezőanyag viselkedésének valószínűsége időben és térben megváltozhat. A kvázi-dinamikus modellek részben elvégzik az elemzést, és részleges közelítést generálnak a rendszer dinamikájához.

Vannak olyan programok, amelyek dinamikus és kvázi-dinamikus modellekben egyaránt működhetnek.

dimenzionalitás

A modell által figyelembe vett térbeli mérettől függően vannak dimenzió nélküli, egydimenziós (1D), kétdimenziós (2D) és háromdimenziós (3D).

A dimenzió nélküli modell úgy véli, hogy a közeg minden irányban homogén. Az 1D modell leírhatja a folyó mentén a térbeli változásokat, de nem függőleges vagy keresztmetszetében. A 2D modell e dimenziók közül kettőt veszi figyelembe, míg a 3D modell mindegyiket magában foglalja.

Példák

Az alkalmazandó modell típusa a vizsgálandó víztesttől és a vizsgálat céljától függ, és minden egyes körülményhez kalibrálni kell. Ezen felül figyelembe kell venni az információk elérhetőségét és a modellezendő folyamatokat.

Az alábbiakban néhány példát mutatunk be a folyók, patakok és tavak vízminőségének vizsgálatára szolgáló modellekre:

QUAL2K és QUAL2Kw (vízminőségi modell)

Szimulálja az összes vízminőségi mutatót egy szimulált állandó áramlás mellett. A BOD két szintjét szimulálja a folyó vagy a patak képességének forgatókönyveinek kidolgozására a szerves szennyező anyagok lebontására.

Ez a modell lehetővé teszi a kapott szén, foszfor, nitrogén, szervetlen szilárd anyagok, fitoplankton és detritus mennyiségének szimulálását is. Hasonlóképpen, szimulálja az oldott oxigén mennyiségét, ami előrejelzi a lehetséges eutrofizációs problémákat.

Más változókat, például a pH-t vagy a kórokozók eliminációs képességét szintén közvetett módon vetítik be.

STREETER-PHELPS modell

Ez egy nagyon hasznos modell egy adott szennyező anyag koncentrációjának viselkedésének értékeléséhez a folyóba történő kibocsátás hatása területén.

Az egyik szennyező anyag, amely a legjelentősebb hatást gyakorolja, a szerves anyag, tehát ebben a modellben a leginformatívabb változó az oldott oxigénigény. Ezért magában foglalja a folyóban feloldott oxigénnel kapcsolatos főbb folyamatok matematikai megfogalmazását.

MIKE11 modell

Különféle folyamatokat szimulál, mint például a szerves anyag lebontása, a vízi növények fotoszintézise és légzése, a nitrifikáció és az oxigéncsere. Jellemzője a szennyező anyagok átalakulási és diszperziós folyamatainak szimulálása.

RIOS modell

Ezt a modellt a vízgyűjtő-gazdálkodás összefüggésében hozták létre, és ötvözi a biofizikai, társadalmi és gazdasági adatokat.

Hasznos információkat generál a helyreállítási intézkedések megtervezéséhez, és olyan paramétereket tartalmaz, mint például az oldott oxigén, a BOD, a koliformák és a mérgező anyagok elemzése.

QUASAR modell (Minőségszimuláció folyó mentén)

A folyót szakaszokra bontják, amelyeket a mellékfolyók, vízgyűjtő utak és nyilvános bevezetések határozzák meg, amelyek megérkeznek vagy indulnak tőle.

Egyéb paraméterek mellett figyelembe veszi az ammónia, a nitrátok, az Escherichia coli és az oldott oxigén áramlását, hőmérsékletét, pH-ját, BOD-ját és koncentrációját.

WASP (vízminőség-elemző szimulációs program)

A víztest vizsgálatához különböző méretekben (1D, 2D vagy 3D) lehet megközelíteni. Használatakor a felhasználó választhat állandó vagy időben változó kinetikus transzportfolyamatok bevitelére.

Beépíthető a pont és nem pont hulladék kibocsátása, és alkalmazásuk különféle fizikai, kémiai és biológiai modellezési kereteket tartalmaz. Itt különféle aspektusokat, például eutrofizációt és mérgező anyagokat lehet bevonni.

AQUASIM modell

Ezt a modellt mind a folyók, mind a tavak vízminőségének tanulmányozására használják. Úgy működik, mint egy folyamatábra, lehetővé téve számos paraméter szimulálását.

Irodalom

1. Castro-Huertas MA (2015) A QUAL2KW alkalmazása a Guacaica folyó vízminőségének modellezésében, Kolumbia, Caldas megye. Fokozat munka. Mérnöki és Építészmérnöki Kar, Vegyészmérnöki Tanszék, a Kolumbiai Nemzeti Egyetem. Colombia. 100 p.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick és RV Thomann (1981) Vízminőség-elemzési szimulációs program (WASP) és modell-ellenőrző program (MVP) - dokumentáció. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, az USA EPA-nak, Duluth, MN, 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García és FJ Cervantes-Carrillo (szerk.) (2017). Biológiai szennyvíztisztítás. Alapelvek, modellezés és kialakítás. IWA Publishing. 580 p.
4. Matovelle C (2017) A vízminőség matematikai modellje a Tabacay folyó mikro-medencéjében. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J és M Palacios-Quevedo (2017) Vízminőségi modell. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH konzorcium. Dupla úttest. Rumichaca-Pasto. Nariño Osztály. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 p.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Felhasználói kézikönyv, számítógépes program a vízi rendszerek azonosítására és szimulálására, Svájci Szövetségi Környezettudományi és Technológiai Intézet (EAWAG), Svájc.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) A tavak és a tározók vízminőségének matematikai modelljei. Tézis. Mérnöki Kar. Mexikói Nemzeti Autonóm Egyetem. Mexikó, DF 95 p.