ТИПЫ МОДЕЛЕЙ, ПРИМЕНИМЫХ К ИЗУЧЕНИЮ КАЧЕСТВА ВОДЫ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2025

Модели качества воды - это математические формулы, моделирующие поведение и воздействие загрязнителей в воде. В этом смысле представлены возможные сценарии воздействия загрязняющих веществ с использованием различных формул, начинающихся с определенных параметров и переменных.

Существуют разные модели качества воды в зависимости от источника загрязнения и оцениваемого водоема. Эти модели состоят из компьютерных программ, основанных на математических алгоритмах.

Оценка качества воды. Источник: CSIRO

Модели объединяют полевые данные из различных переменных и факторов, а также определенные входные условия. На основе этих данных модели генерируют возможные сценарии, экстраполируя данные во времени и пространстве на основе вероятностей.

Наиболее информативным параметром для оценки загрязнения водного объекта является биохимическая потребность в кислороде (БПК). Большинство моделей включают оценку вариации БПК в качестве критерия для создания своих сценариев.

Правительства установили правила качества воды, которые необходимо соблюдать для получения разрешений на осуществление потенциально загрязняющей деятельности. В этом смысле модели являются полезным инструментом для понимания возможного воздействия на качество воды той или иной деятельности.

Математическая основа

Модели, используемые для прогнозирования поведения качества воды, основаны на дифференциальных уравнениях. Эти уравнения связывают величину изменения одной функции с величиной изменения другой.

Нелинейные дифференциальные уравнения используются в моделях качества воды, поскольку процессы загрязнения воды сложны (они не реагируют на линейную причинно-следственную связь).

параметры

При применении определенной модели необходимо учитывать ряд параметров.

В целом оцениваются такие основные параметры, как биологическая потребность в кислороде (БПК), химическая потребность в кислороде (ХПК), наличие азота и фосфора.

БПК является одним из наиболее важных показателей загрязнения, поскольку высокие значения указывают на большое количество микроорганизмов. Со своей стороны, ХПК указывает количество кислорода, необходимое для химического окисления органических веществ.

Оцениваемые параметры зависят от типа водоема: проточного (озера, пруды, болота) или проточного (реки, ручьи). Также необходимо учитывать расход, площадь покрытия, объем воды, температуру и климат.

Также необходимо учитывать источник загрязнения, который необходимо оценить, поскольку каждый загрязнитель имеет разное поведение и эффект.

В случае сбросов в водный объект учитывается тип сброса, содержащиеся в нем загрязнители и его объем.

классификация

Существует множество математических моделей для моделирования поведения загрязнителей в водоемах. Их можно классифицировать в зависимости от типа рассматриваемого процесса (физический, химический, биологический) или типа метода решения (эмпирический, приблизительный, упрощенный).

Факторами, которые принимаются во внимание при классификации этих моделей, являются динамика и размерность.

Динамический

Стационарные модели считают, что достаточно установить распределение вероятностей состояния загрязнителя в данный момент времени или в данном пространстве. Впоследствии он экстраполирует это распределение вероятностей, считая его одинаковым для всего времени и пространства этого водоема.

В динамических моделях предполагается, что вероятность поведения загрязнителя может изменяться во времени и пространстве. Квазидинамические модели выполняют анализ по частям и генерируют частичное приближение к динамике системы.

Есть программы, которые могут работать как в динамической, так и в квазидинамической модели.

Размерность

В зависимости от пространственных размеров, которые учитывает модель, бывают безразмерные, одномерные (1D), двухмерные (2D) и трехмерные (3D).

Безразмерная модель считает среду однородной во всех направлениях. Одномерная модель может описывать пространственные изменения вдоль реки, но не в ее вертикальном или поперечном сечении. 2D-модель будет учитывать два из этих измерений, а 3D-модель будет включать все из них.

Примеры

Тип используемой модели зависит от исследуемого водоема и цели исследования и должен быть откалиброван для каждого конкретного условия. Кроме того, необходимо учитывать доступность информации и моделируемые процессы.

Некоторые примеры моделей для исследования качества воды в реках, ручьях и озерах описаны ниже:

QUAL2K и QUAL2Kw (модель качества воды)

Моделирует все переменные качества воды при моделированном постоянном потоке. Моделирует два уровня БПК для разработки сценариев способности реки или ручья разлагать органические загрязнители.

Эта модель также позволяет моделировать результирующее количество углерода, фосфора, азота, неорганических твердых веществ, фитопланктона и детрита. Аналогичным образом, он моделирует количество растворенного кислорода, что позволяет прогнозировать возможные проблемы эвтрофикации.

Другие переменные, такие как pH или способность устранять патогены, также прогнозируются косвенно.

Модель STREETER-PHELPS

Это очень полезная модель для оценки поведения концентрации конкретного загрязнителя в зоне воздействия сброса в реку.

Одним из загрязнителей, оказывающих наиболее значительное влияние, является органическое вещество, поэтому наиболее информативной переменной в этой модели является потребность в растворенном кислороде. Таким образом, он включает математическую формулировку основных процессов, связанных с растворенным кислородом в реке.

Модель MIKE11

Он моделирует различные процессы, такие как разложение органических веществ, фотосинтез и дыхание водных растений, нитрификацию и кислородный обмен. Для него характерно моделирование процессов трансформации и рассеивания загрязняющих веществ.

Модель RIOS

Эта модель была разработана в контексте управления водоразделом и объединяет биофизические, социальные и экономические данные.

Он генерирует полезную информацию для планирования восстановительных мероприятий и включает такие параметры, как растворенный кислород, БПК, бактерии кишечной палочки и анализ токсичных веществ.

Модель QUASAR (качественное моделирование вдоль речных систем)

Река моделируется разделенной на участки, определяемые притоками, водосбросами и общественными водозаборами, которые прибывают или отходят от нее.

Среди других параметров он учитывает расход, температуру, pH, БПК и концентрацию аммиака, нитратов, Escherichia coli и растворенного кислорода.

WASP (Программа моделирования анализа качества воды)

Вы можете подойти к изучению водоема в разных измерениях (1D, 2D или 3D). При его использовании пользователь может выбрать постоянные или изменяющиеся во времени кинетические процессы переноса.

Могут быть включены точечные и неточечные сбросы отходов, а их приложения включают различные основы физического, химического и биологического моделирования. Сюда могут быть включены различные аспекты, такие как эвтрофикация и токсичные вещества.

Модель AQUASIM

Эта модель используется для изучения качества воды как в реках, так и в озерах. Он работает как блок-схема, позволяя моделировать большое количество параметров.

Ссылки

1. Castro-Huertas MA (2015) Применение QUAL2KW в моделировании качества воды реки Гуакайка, департамент Калдас, Колумбия. Дипломная работа. Факультет инженерии и архитектуры, факультет химического машиностроения, Национальный университет Колумбии. Колумбия. 100 р.
2. Ди Торо Д.М., Дж. Дж. Фитцпатрик и Р. В. Томан (1981) Программа моделирования анализа качества воды (WASP) и Программа проверки моделей (MVP) - Документация. Hydroscience, Inc., Вествуд, штат Нью-Йорк, для Агентства по охране окружающей среды США, Дулут, Миннесота, контракт № 68-01-3872.
3. Лопес-Васкес CM, G Buitrón-Méndez, HA García и FJ Cervantes-Carrillo (ред.) (2017). Биологическая очистка сточных вод. Принципы, моделирование и дизайн. Издательство IWA. 580 с.
4. Matovelle C (2017) Математическая модель качества воды, применяемая в микробассейне реки Табакай. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ордоньес-Монкада Дж. И М. Паласиос-Кеведо (2017) Модель качества воды. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH Консорциум. Двусторонняя проезжая часть. Румичака-Пасто. Департамент Нариньо. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 стр.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Руководство пользователя, компьютерная программа для идентификации и моделирования водных систем, Швейцарский федеральный институт экологических наук и технологий (EAWAG), Швейцария.
7. Рендон-Веласкес CM (2013) Математические модели качества воды в озерах и водохранилищах. Тезис. Инженерный факультет. Национальный автономный университет Мексики. Мексика, DF 95 p.