TYPY MODELOV, KTORÉ SA VZŤAHUJÚ NA ŠTÚDIUM KVALITY VODY - PROSTREDIE - 2026

Modely kvality vody sú matematické formulácie, ktoré simulujú správanie a účinky znečisťujúcich látok vo vode. V tomto zmysle sú prezentované možné scenáre vplyvu znečisťujúcich látok pomocou rôznych vzorcov, ktoré vychádzajú z určitých parametrov a premenných.

Existujú rôzne modely kvality vody v závislosti od zdroja kontaminácie a útvaru vody, ktorý sa má hodnotiť. Tieto modely pozostávajú z počítačových programov založených na matematických algoritmoch.

Hodnotenie kvality vody. Zdroj: CSIRO

Modely integrujú údaje z terénu z rôznych premenných a faktorov plus určité vstupné podmienky. Z týchto údajov modely generujú možné scenáre, extrapolujú údaje v čase a priestore na základe pravdepodobností.

Najinformatívnejším parametrom na vyhodnotenie kontaminácie vodného útvaru je biochemická spotreba kyslíka (BSK). Väčšina modelov obsahuje odhad variácie BSK ako kritérium na vytvorenie ich scenárov.

Vlády zaviedli predpisy o kvalite vody, ktoré musia byť splnené, aby získali povolenie na vykonávanie potenciálne znečisťujúcich činností. V tomto zmysle sú modely užitočným nástrojom na pochopenie možného vplyvu danej činnosti na kvalitu vody.

Matematické základy

Modely použité na predpovedanie správania sa kvality vody sú založené na diferenciálnych rovniciach. Tieto rovnice súvisia s veľkosťou zmeny v jednej funkcii s veľkosťou zmeny v inej funkcii.

Nelineárne diferenciálne rovnice sa používajú v modeloch kvality vody, pretože procesy znečistenia vody sú zložité (nereagujú na lineárny vzťah príčina-následok).

parametre

Pri použití určitého modelu je potrebné zohľadniť rad parametrov.

Všeobecne sa odhadujú základné parametre, ako je biologická spotreba kyslíka (BSK), chemická spotreba kyslíka (COD), dusík a fosfor.

BSK je jedným z najdôležitejších ukazovateľov kontaminácie, pretože vysoké hodnoty naznačujú veľké množstvo mikroorganizmov. COD označuje množstvo kyslíka potrebné na oxidáciu organickej hmoty chemickými prostriedkami.

Parametre, ktoré sa majú hodnotiť, závisia od typu vodného útvaru, buď lentického (jazerá, rybníky, močiare), alebo lotického (rieky, potoky). Zohľadniť sa musí aj prietok, pokrytá plocha, objem vody, teplota a podnebie.

Je tiež potrebné brať do úvahy zdroj kontaminácie, ktorý sa má vyhodnotiť, pretože každá kontaminant má odlišné správanie a účinok.

V prípade vypúšťania do vodného útvaru sa berie do úvahy typ vypúšťania, znečisťujúce látky, ktoré obsahuje, a jeho objem.

klasifikácia

Existuje mnoho matematických modelov, ktoré simulujú správanie znečisťujúcich látok v vodných útvaroch. Môžu sa klasifikovať v závislosti od typu procesu, ktorý zvažujú (fyzikálny, chemický, biologický) alebo od typu roztoku (empirický, približný, zjednodušený).

Faktory, ktoré sa berú do úvahy pri klasifikácii týchto modelov, sú dynamika a rozmernosť.

dynamický

Stacionárne modely sa domnievajú, že je postačujúce stanoviť rozdelenie pravdepodobnosti stavu znečisťujúcej látky v danom okamihu alebo priestore. Následne extrapoluje toto rozdelenie pravdepodobnosti, pričom ho považuje za rovnaké vo všetkých časoch a priestore tohto vodného útvaru.

V dynamických modeloch sa predpokladá, že pravdepodobnosť správania sa znečisťujúcich látok sa môže meniť v čase a priestore. Kvázodynamické modely vykonávajú analýzu v častiach a generujú čiastočné priblíženie k dynamike systému.

Existujú programy, ktoré môžu pracovať v dynamickom aj kvázi dynamickom modeli.

rozmerom

V závislosti od priestorových rozmerov, ktoré model zvažuje, existujú bezrozmerné, jednorozmerné (1D), dvojrozmerné (2D) a trojrozmerné (3D).

Bezrozmerný model považuje médium za homogénne vo všetkých smeroch. Model 1D môže opisovať priestorové variácie pozdĺž rieky, ale nie v jej vertikálnom alebo priereze. 2D model bude brať do úvahy dve z týchto dimenzií, zatiaľ čo 3D model bude zahŕňať všetky z nich.

Príklady

Typ modelu, ktorý sa má použiť, závisí od vody, ktorá sa má študovať, a od cieľa štúdie a musí sa kalibrovať pre každú konkrétnu podmienku. Okrem toho sa musí zohľadniť dostupnosť informácií a procesy, ktoré sa majú modelovať.

Niektoré príklady modelov na štúdium kvality vody v riekach, potokoch a jazerách sú opísané nižšie:

QUAL2K a QUAL2Kw (model kvality vody)

Simuluje všetky premenné kvality vody pri simulovanom konštantnom prietoku. Simuluje dve úrovne BSK, aby sa vytvorili scenáre schopnosti rieky alebo potoka degradovať organické znečisťujúce látky.

Tento model tiež umožňuje simuláciu výsledného množstva uhlíka, fosforu, dusíka, anorganických pevných látok, fytoplanktónu a detritu. Rovnako simuluje množstvo rozpusteného kyslíka, čo predpovedá možné problémy s eutrofizáciou.

Nepriamo sa premietajú aj ďalšie premenné, ako napríklad pH alebo schopnosť eliminovať patogény.

Model STREETER-PHELPS

Je to veľmi užitočný model na hodnotenie správania koncentrácie konkrétnej znečisťujúcej látky v oblasti vplyvu vypúšťania do rieky.

Jednou z znečisťujúcich látok, ktorá produkuje najvýznamnejší účinok, je organická hmota, takže najinformatívnejšou premennou v tomto modeli je spotreba rozpusteného kyslíka. Preto zahŕňa matematické zloženie hlavných procesov spojených s rozpusteným kyslíkom v rieke.

Model MIKE11

Simuluje rôzne procesy, ako je degradácia organických látok, fotosyntéza a dýchanie vodných rastlín, nitrifikácia a výmena kyslíka. Vyznačuje sa simuláciou procesov transformácie a disperzie znečisťujúcich látok.

Model RIOS

Tento model bol navrhnutý v kontexte manažmentu povodia a kombinuje biofyzikálne, sociálne a ekonomické údaje.

Vytvára užitočné informácie na plánovanie nápravných opatrení a zahŕňa parametre, ako je rozpustený kyslík, BSK, koliformné baktérie a analýza toxických látok.

Model QUASAR (Simulácia kvality pozdĺž riečnych systémov)

Rieka je rozdelená na úseky definované prítokmi, preliačkami a verejnými príjmami, ktoré z nej prichádzajú alebo odchádzajú.

Medzi ďalšie parametre patrí tok, teplota, pH, BSK a koncentrácia amoniaku, dusičnanov, Escherichia coli a rozpusteného kyslíka.

WASP (Program simulácie analýzy kvality vody)

K štúdiu vodného útvaru sa môžete dostať v rôznych rozmeroch (1D, 2D alebo 3D). Pri jeho používaní si môže používateľ zvoliť vstup do konštantných alebo časovo premenlivých kinetických transportných procesov.

Môžu sa zahrnúť bodové a ne bodové vypúšťania odpadu a ich aplikácie zahŕňajú rôzne rámce fyzikálneho, chemického a biologického modelovania. Tu môžu byť zahrnuté rôzne aspekty, ako je eutrofizácia a toxické látky.

Model AQUASIM

Tento model sa používa na štúdium kvality vody v riekach a jazerách. Funguje to ako vývojový diagram, ktorý umožňuje simulovať veľké množstvo parametrov.

Referencie

1. Castro-Huertas MA (2015) Aplikácia QUAL2KW pri modelovaní kvality vody rieky Guacaica, departement Caldas, Kolumbia. Diplomová práca. Fakulta inžinierstva a architektúry, Katedra chemického inžinierstva, Národná kolumbijská univerzita. Colombia. 100 s.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick a RV Thomann (1981) Simulačný program analýzy kvality vody (WASP) a program verifikácie modelu (MVP) - dokumentácia. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, pre US EPA, Duluth, MN, zmluva č. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García a FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologické čistenie odpadových vôd. Princípy, modelovanie a dizajn. Publikovanie IWA. 580 s.
4. Matovelle C (2017) Matematický model kvality vody uplatňovaný v mikroregióne Tabacay. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J a M Palacios-Quevedo (2017) Model kvality vody. Concesionaria Vial Unión del Sur. Konzorcium SH. Dvojitá vozovka. Rumichaca-Pasto. Nariño Department. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 s.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Používateľská príručka, počítačový program na identifikáciu a simuláciu vodných systémov, Švajčiarsky federálny inštitút pre vedu a techniku ​​životného prostredia (EAWAG), Švajčiarsko.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematické modely kvality vody v jazerách a nádržiach. Práca. Fakulta inžinierstva. Národná autonómna univerzita v Mexiku. Mexico, DF 95 s.