TYPER MODELLER SOM GJELDER FOR STUDIET AV VANNKVALITET - MILJØ - 2026

Modeller for vannkvalitet er matematiske formuleringer som simulerer oppførsel og effekter av miljøgifter i vann. På denne måten presenteres mulige scenarier for virkningen av miljøgifter, ved bruk av forskjellige formler som tar utgangspunkt i visse parametere og variabler.

Det er forskjellige modeller av vannkvalitet, avhengig av forurensningskilde og vannmasse som skal evalueres. Disse modellene består av dataprogrammer basert på matematiske algoritmer.

Evaluering av vannkvalitet. Kilde: CSIRO

Modellene integrerer feltdata fra forskjellige variabler og faktorer, pluss visse inngangsforhold. Fra disse dataene genererer modellene de mulige scenariene, og ekstrapolerer data i tid og rom basert på sannsynligheter.

Den mest informative parameteren for å evaluere forurensning av en vannmasse er biokjemisk oksygenbehov (BOD). De fleste av modellene inkluderer estimering av variasjonen av BOD som kriterium for å generere deres scenarier.

Regjeringer har etablert forskrifter for vannkvalitet som må oppfylles for å få tillatelse til å utføre potensielt forurensende aktiviteter. I denne forstand er modeller et nyttig verktøy for å forstå den mulige påvirkningen på vannkvaliteten til en gitt aktivitet.

Matematisk grunnlag

Modellene som brukes til å forutsi atferdskvaliteten til vannkvalitet er basert på differensialligninger. Disse ligningene relaterer endringsmengden i en funksjon til størrelsen på endringen i en annen.

Ikke-lineære differensialligninger brukes i vannkvalitetsmodeller fordi vannforurensningsprosesser er komplekse (de reagerer ikke på et lineært forhold mellom årsak og virkning).

parametere

Når du bruker en viss modell er det nødvendig å ta hensyn til en serie parametere.

Generelt estimeres grunnleggende parametere som Biologisk oksygenbehov (BOD), kjemisk oksygenbehov (COD), nitrogen og fosfor.

BOD er ​​en av de viktigste forurensningsindikatorene, siden høye verdier indikerer et stort antall mikroorganismer. For sin del angir COD mengden oksygen som er nødvendig for å oksidere organisk materiale med kjemiske midler.

Parametrene som skal evalueres avhenger av type vannmasse, enten lentisk (innsjøer, dammer, sumper) eller lotic (elver, bekker). Flyten, dekket areal, vannmengde, temperatur og klima må også tas med i betraktningen.

Det er også nødvendig å vurdere forurensningskilden som skal evalueres, siden hver forurensning har en annen oppførsel og effekt.

Ved utslipp til vannmassen vurderes utslippstypen, miljøgiftene den inneholder og volumet.

Klassifisering

Det er mange matematiske modeller for å simulere atferden til miljøgifter i vannmasser. De kan klassifiseres avhengig av type prosess de vurderer (fysisk, kjemisk, biologisk) eller type løsningsmetode (empirisk, omtrentlig, forenklet).

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

dynamisk

Stasjonære modeller vurderer at det er tilstrekkelig å etablere sannsynlighetsfordelingen for forurensningens tilstand på et gitt tidspunkt eller rom. Deretter ekstrapolerer han den sannsynlighetsfordelingen med tanke på den samme i all tid og rom for den vannmassen.

I dynamiske modeller antas det at sannsynligheten for forurensende atferd kan endre seg i tid og rom. Kvasi-dynamiske modeller utfører analysen i deler og genererer en delvis tilnærming til dynamikken i systemet.

Det er programmer som kan fungere i både en dynamisk og en kvasidynamisk modell.

dimensionality

Avhengig av de romlige dimensjonene som modellen vurderer, er det dimensjonsløse, endimensjonale (1D), todimensjonale (2D) og tredimensjonale (3D).

En dimensjonsløs modell anser mediet som homogent i alle retninger. En 1D-modell kan beskrive den romlige variasjonen langs en elv, men ikke i vertikal eller tverrsnitt. En 2D-modell vil vurdere to av disse dimensjonene, mens en 3D-modell vil inkludere alle dem.

eksempler

Hvilken modell som skal brukes avhenger av vannmassen som skal studeres og målet med studien, og må kalibreres for hver spesielle tilstand. I tillegg må tilgjengeligheten av informasjon og prosessene som skal modelleres tas i betraktning.

Noen eksempler på modeller for studier av vannkvalitet i elver, bekker og innsjøer er beskrevet nedenfor:

QUAL2K og QUAL2Kw (vannkvalitetsmodell)

Simulerer alle vannkvalitetsvariablene under en simulert konstant strøm. Simulerer to nivåer av BOD for å utvikle scenarier for elven eller bekkenes evne til å nedbryte organiske miljøgifter.

Denne modellen tillater også å simulere den resulterende mengden karbon, fosfor, nitrogen, uorganiske faste stoffer, planteplankton og detritus. På samme måte simulerer den mengden oppløst oksygen, som spår mulige overgjødslingsproblemer.

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

STREETER-PHELPS modell

Det er en veldig nyttig modell for å evaluere oppførselen til konsentrasjonen av et spesifikt miljøgifter i påvirkningsområdet for et utslipp i en elv.

Et av forurensningene som gir den mest betydningsfulle effekten er organisk materiale, så den mest informative variabelen i denne modellen er det oppløste oksygenbehovet. Derfor inkluderer det en matematisk formulering av hovedprosessene assosiert med oppløst oksygen i en elv.

Modell MIKE11

Den simulerer forskjellige prosesser som nedbrytning av organisk materiale, fotosyntese og respirasjon av vannplanter, nitrifikasjon og oksygenutveksling. Det er preget av å simulere prosessene for transformasjon og spredning av miljøgifter.

RIOS-modell

Denne modellen ble designet i sammenheng med vannskiltstyring og kombinerer biofysiske, sosiale og økonomiske data.

Den genererer nyttig informasjon for å planlegge saneringstiltak og inkluderer parametere som oppløst oksygen, BOD, coliforms og analyse av giftige stoffer.

QUASAR-modell (Quality Simulation Along River Systems)

Elven er modellert skilt i seksjoner, definert av sideelver, sølvganger og offentlige inntak som ankommer eller avgår fra den.

Blant andre parametere vurderer den strømning, temperatur, pH, BOD og konsentrasjon av ammoniakk, nitrater, Escherichia coli og oppløst oksygen.

WASP (simuleringsprogram for vannkvalitetsanalyse)

Du kan tilnærme deg studiet av vannmassen i forskjellige dimensjoner (1D, 2D eller 3D). Når du bruker den, kan brukeren velge å gå inn i konstante eller tidsvarierende kinetiske transportprosesser.

Punktutslipp og ikke-punktutslipp kan inkluderes, og bruksområdene deres inkluderer forskjellige fysiske, kjemiske og biologiske modelleringsrammer. Her kan forskjellige aspekter som overgjødsling og giftige stoffer inkluderes.

AQUASIM-modell

Denne modellen brukes til å studere kvaliteten på vann i både elver og innsjøer. Det fungerer som et flytskjema, slik at du kan simulere et stort antall parametere.

referanser

1. Castro-Huertas MA (2015) Anvendelse av QUAL2KW i modellering av vannkvaliteten til elven Guacaica, avdeling Caldas, Colombia. Gradearbeid. Fakultet for ingeniørvitenskap og arkitektur, Institutt for kjemiteknikk, National University of Colombia. Colombia. 100 s.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick og RV Thomann (1981) Simuleringsprogram for vannkvalitetsanalyse (WASP) og modellverifiseringsprogram (MVP) - Dokumentasjon. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, for US EPA, Duluth, MN, kontrakt nr. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García og FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologisk avløpsrensing. Prinsipper, modellering og design. IWA Publishing. 580 s.
4. Matovelle C (2017) Matematisk modell av vannkvalitet anvendt i Tabacay-mikrotekken. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J og M Palacios-Quevedo (2017) Vannkvalitetsmodell. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH-konsortiet. Dobbelt kjørebane. Rumichaca-Pasto. Nariño avdeling. HMS, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 s.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Brukerhåndbok, dataprogram for identifisering og simulering av akvatiske systemer, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), Sveits.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematiske modeller for vannkvalitet i innsjøer og reservoarer. Avhandling. Fakultet for ingeniørvitenskap. National Autonomous University of Mexico. Mexico, DF 95 s.