ТИПИ МОДЕЛЕЙ, ЯКІ ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЯКОСТІ ВОДИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Моделі якості води - це математичні склади, що імітують поведінку та вплив забруднюючих речовин у воді. У цьому сенсі представлені можливі сценарії впливу забруднюючих речовин, використовуючи різні формули, що починаються від певних параметрів та змінних.

Існують різні моделі якості води залежно від джерела забруднення та об'єму води, що підлягає оцінці. Ці моделі складаються з комп'ютерних програм на основі математичних алгоритмів.

Оцінка якості води. Джерело: CSIRO

Моделі інтегрують польові дані від різних змінних та факторів, плюс певні умови введення. З цих даних моделі генерують можливі сценарії, екстраполюючи дані у часі та просторі на основі ймовірностей.

Найбільш інформативним параметром для оцінки забруднення водного об'єкта є біохімічна потреба в кисні (БПК). Більшість моделей включають оцінку варіації БПК як критерію для створення їх сценаріїв.

Уряди встановили норми якості води, які повинні бути дотримані для отримання дозволів на здійснення потенційно забруднюючих дій. У цьому сенсі моделі є корисним інструментом для розуміння можливого впливу на якість води даної діяльності.

Математичний фундамент

Моделі, що використовуються для прогнозування поведінки якості води, базуються на диференціальних рівняннях. Ці рівняння співвідносять величину зміни однієї функції з величиною зміни в іншій.

У моделях якості води використовуються нелінійні диференціальні рівняння, оскільки процеси забруднення води є складними (вони не відповідають лінійному причинно-наслідковому співвідношенню).

Параметри

При застосуванні певної моделі необхідно враховувати ряд параметрів.

Загалом, оцінюються основні параметри, такі як біологічний попит на кисень (БПК), попит на хімічний кисень (ХПК), азот та фосфор.

БПК - один з найважливіших показників забруднення, оскільки високі значення вказують на велику кількість мікроорганізмів. Зі свого боку, ХПК вказує кількість кисню, необхідного для окислення органічних речовин хімічним шляхом.

Параметри, що підлягають оцінці, залежать від типу водойми, чи то лінзові (озера, ставки, болота), так і лотичні (річки, струмки). Також слід враховувати потік, покриту площу, об'єм води, температуру та клімат.

Також слід врахувати джерело забруднення, яке слід оцінити, оскільки кожен забруднювач має різну поведінку та вплив.

У разі скидів у водойму розглядаються тип скиду, забруднювачі, які він містить, та його об'єм.

Класифікація

Існують численні математичні моделі для моделювання поведінки забруднюючих речовин у водоймах. Їх можна класифікувати залежно від типу розглянутого ними процесу (фізичного, хімічного, біологічного) або типу методу розчину (емпіричного, приблизного, спрощеного).

Факторами, які враховуються для класифікації цих моделей, є динаміка та розмірність.

Динамічний

Стаціонарні моделі вважають, що достатньо встановити розподіл вірогідності стану забруднювача в даний момент або простір. Згодом він екстраполює такий розподіл ймовірностей, вважаючи його однаковим у всі часи та простори цього водоймища.

У динамічних моделях передбачається, що ймовірність поведінки забруднюючих речовин може змінюватися у часі та просторі. Квазідинамічні моделі виконують аналіз по частинах і генерують часткове наближення до динаміки системи.

Є програми, які можуть працювати як в динамічній, так і в квазідинамічній моделі.

Розмірність

Залежно від просторових розмірів, які розглядає модель, існують безмірні, одновимірні (1D), двовимірні (2D) та тривимірні (3D).

Безрозмірна модель вважає середовище однорідним у всіх напрямках. 1D модель може описати просторову варіацію вздовж річки, але не у її вертикалі чи поперечному перерізі. 2D модель буде враховувати два з цих розмірів, а 3D-модель буде включати всі їх.

Приклади

Тип моделі, яка буде використовуватися, залежить від води, яку слід досліджувати, та мети дослідження, і вона повинна бути відкалібрована для кожного конкретного стану. Крім того, слід враховувати доступність інформації та процеси, що підлягають моделюванню.

Деякі приклади моделей досліджень якості води в річках, потоках та озерах описані нижче:

QUAL2K та QUAL2Kw (модель якості води)

Моделює всі змінні якості води під імітованим постійним потоком. Моделює два рівні БПК для розробки сценаріїв здатності річки чи русла руйнувати органічні забруднювачі.

Ця модель також дозволяє імітувати отриману кількість вуглецю, фосфору, азоту, неорганічних твердих речовин, фітопланктону та детриту. Аналогічно, він імітує кількість розчиненого кисню, що передбачає можливі проблеми евтрофікації.

Інші змінні, такі як рН або здатність елімінувати патогени, також прогнозуються опосередковано.

Модель STREETER-PHELPS

Це дуже корисна модель для оцінки поведінки концентрації конкретного забруднювача в зоні впливу скиду в річку.

Одним із забруднюючих речовин, який справляє найбільш значний ефект, є органічна речовина, тому найбільш інформативною змінною в цій моделі є потреба в розчиненому кисні. Тому вона включає математичну постановку основних процесів, пов'язаних з розчиненим киснем в річці.

Модель MIKE11

Він імітує різні процеси, такі як деградація органічних речовин, фотосинтез та дихання водних рослин, нітрифікація та обмін киснем. Він характеризується моделюванням процесів перетворення та диспергування забруднюючих речовин.

Модель RIOS

Ця модель була розроблена в контексті управління вододілом і поєднує біофізичні, соціальні та економічні дані.

Він генерує корисну інформацію для планування заходів з відновлення та включає такі параметри, як розчинений кисень, БПК, коліформи та аналіз токсичних речовин.

Модель QUASAR (Моделювання якості вздовж річкових систем)

Річка моделюється розділеною на ділянки, визначені притоками, переливами та громадськими водозаборами, які прибувають або відходять від неї.

Серед інших параметрів він розглядає витрату, температуру, рН, БПК та концентрацію аміаку, нітратів, кишкової палички та розчиненого кисню.

WASP (симуляційна програма аналізу якості води)

Ви можете підійти до вивчення водойми в різних розмірах (1D, 2D або 3D). Користуючись ним, користувач може вибрати введення постійних або часових процесів кінетичного транспорту.

Можуть бути включені точкові та неточкові скиди, і їх застосування включає різні структури фізичного, хімічного та біологічного моделювання. Тут можуть бути включені різні аспекти, такі як евтрофікація та токсичні речовини.

Модель AQUASIM

Ця модель використовується для вивчення якості води як річок, так і озер. Він працює як блок-схема, що дозволяє імітувати велику кількість параметрів.

Список літератури

1. Castro-Huertas MA (2015) Застосування QUAL2KW при моделюванні якості води річки Гуакаїка, департамент Кальдас, Колумбія. Ступінь роботи. Факультет інженерії та архітектури, кафедра хімічної інженерії, Національний університет Колумбії. Колумбія. 100 с.
2. Ді Торо Д.М., Дж. Дж. Фіцпатрік та Р. В. Томан (1981). Hydroscience, Inc., Westwood, NY, для EPA США, Duluth, MN, Контракт № 68-01-3872.
3. Лопес-Васкес CM, G Buitrón-Méndez, HA García та FJ Cervantes-Carrillo (ред.) (2017). Біологічна очистка стічних вод. Принципи, моделювання та дизайн. IWA Publishing 580 с.
4. Matovelle C (2017) Математична модель якості води, застосована в мікробасейні річки Табакай. Технічний журнал Killkana 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J та M Palacios-Quevedo (2017) Модель якості води. Концесіонерський флакон Unión del Sur. SH Консорціум. Подвійна проїжджа частина. Румічака-Пасто. Департамент Наріньо. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 с.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - керівництво користувача, комп'ютерна програма для ідентифікації та моделювання водних систем, Швейцарський федеральний інститут екологічних наук та технологій (EAWAG), Швейцарія.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Математичні моделі якості води в озерах та водоймах. Теза. Факультет Інженерії. Національний автономний університет Мексики. Мексика, DF 95 с.