Welke soorten modellen moeten worden toegepast op de studie van de waterkwaliteit?



De modellen voor waterkwaliteit zijn wiskundige formuleringen die het gedrag en de effecten van verontreinigingen in water simuleren. In deze zin worden mogelijke scenario's van de impact van vervuilende stoffen gepresenteerd, met behulp van verschillende formules die uitgaan van bepaalde parameters en variabelen.

Er zijn verschillende modellen van waterkwaliteit, afhankelijk van de bron van de vervuiling en de hoeveelheid water die u wilt evalueren. Deze modellen bestaan ​​uit computerprogramma's op basis van wiskundige algoritmes.

De modellen integreren veldgegevens van verschillende variabelen en factoren, plus bepaalde ingangsvoorwaarden. Uit deze gegevens genereren de modellen de mogelijke scenario's, extrapolerende gegevens in tijd en ruimte op basis van waarschijnlijkheden.

De meest informatieve parameter om de besmetting van een waterlichaam te beoordelen, is het biochemisch zuurstofverbruik (BZV). De meeste modellen bevatten de schatting van BOD-variatie als een criterium om hun scenario's te genereren.

Regeringen hebben waterkwaliteitsvoorschriften vastgesteld waaraan moet worden voldaan om vergunningen te verkrijgen voor de uitvoering van potentieel vervuilende activiteiten. In die zin zijn de modellen een nuttig hulpmiddel om de mogelijke impact op de waterkwaliteit van een bepaalde activiteit te begrijpen.

index

  • 1 Wiskundige basis
    • 1.1 Parameters
  • 2 Classificatie
    • 2.1 Dynamiek
    • 2.2 Dimensionaliteit
  • 3 voorbeelden
    • 3.1 Model QUAL2K en QUAL2Kw (waterkwaliteitsmodel)
    • 3.2 Model STREETER-PHELPS
    • 3.3 Model MIKE11
    • 3.4 RIOS-model
    • 3.5 QUASAR-model (kwaliteitssimulatie langs riviersystemen)
    • 3.6 WASP (Analyse simulatie waterkwaliteitsanalyse)
    • 3.7 AQUASIM-model
  • 4 Referenties

Wiskundige basis

De modellen die worden gebruikt om het gedrag van de waterkwaliteit te voorspellen, zijn gebaseerd op differentiaalvergelijkingen. Deze vergelijkingen relateren de hoeveelheid verandering van een bepaalde functie aan de grootte van de verandering in een andere.

In waterkwaliteitsmodellen worden niet-lineaire differentiaalvergelijkingen gebruikt, omdat de watervervuilingsprocessen complex zijn (ze reageren niet op een lineaire oorzaak-gevolg relatie).

parameters

Bij het toepassen van een bepaald model moet rekening worden gehouden met een reeks parameters.

In het algemeen worden de basisparameters geschat, zoals de Biological Oxygen Demand (BOD), de Chemical Oxygen Demand (COD), stikstof en fosfor die aanwezig zijn..

Het BZV is een van de belangrijkste vervuilingsindicatoren, omdat hoge waarden wijzen op een grote hoeveelheid micro-organismen. Op zijn beurt geeft de COD de hoeveelheid zuurstof aan die nodig is om organisch materiaal chemisch te oxideren.

De te evalueren parameters zijn afhankelijk van het type waterlichaam, hetzij lentic (meren, lagunes, moerassen) of lotic (rivieren, beken). Er moet ook rekening worden gehouden met de stroming, het gebied bedekt, het volume van het water, de temperatuur en het klimaat.

Het is ook noodzakelijk om de bron van de te onderzoeken verontreiniging te beoordelen, aangezien elke verontreinigende stof een ander gedrag en effect heeft.

Bij lozingen in het waterlichaam wordt rekening gehouden met het type lozing, verontreinigingen die het bevat en het volume ervan..

classificatie

Er zijn talloze wiskundige modellen om het gedrag van verontreinigende stoffen in waterlichamen te simuleren. Ze kunnen worden geclassificeerd op basis van het type proces dat zij overwegen (fysiek, chemisch, biologisch) of het type oplossingsmethode (empirisch, bij benadering, vereenvoudigd)..

De factoren waarmee rekening wordt gehouden bij het classificeren van deze modellen zijn dynamiek en dimensionaliteit.

dynamisch

Stationaire modellen zijn van mening dat het voldoende is om de waarschijnlijkheidsverdeling van de toestand van de verontreinigende stof op een bepaald tijdstip of in een bepaalde ruimte vast te stellen. Genereer vervolgens die waarschijnlijkheidsverdeling extrapolerend, aangezien deze gelijk is in alle tijd en ruimte van dat waterlichaam.

In dynamische modellen wordt verondersteld dat de kansen op contaminatiegedrag kunnen veranderen in tijd en ruimte. De quasi-dynamische modellen voeren de analyses in delen uit en genereren een gedeeltelijke benadering van de dynamiek van het systeem.

Er zijn programma's die kunnen werken in zowel dynamische als quasi-dynamische modellen.

dimensionaliteit

Afhankelijk van de ruimtelijke dimensies die door het model worden beschouwd, zijn er dimensieloos, eendimensionaal (1D), tweedimensionaal (2D) en driedimensionaal (3D).

Een dimensieloos model is van mening dat het medium in alle richtingen homogeen is. Een 1D-model kan ruimtelijke variatie langs een rivier beschrijven, maar niet in de dwarsdoorsnede of verticaal. Een 2D-model zal twee van deze dimensies beschouwen, terwijl een 3D-model ze allemaal zal omvatten.

Voorbeelden

Het type model dat moet worden gebruikt, is afhankelijk van het te bestuderen waterlichaam en het doel van de studie en moet voor elke specifieke situatie worden gekalibreerd. Daarnaast moet rekening worden gehouden met de beschikbaarheid van informatie en de processen die u wilt modelleren.

Enkele voorbeelden van modellen voor waterkwaliteitsstudies in rivieren, beken en meren worden hieronder beschreven:

Model QUAL2K en QUAL2Kw (waterkwaliteitsmodel)

Simuleert alle waterkwaliteitsvariabelen onder een gesimuleerde constante stroom. Simuleert twee BOD-niveaus om scenario's van rivier- of stroomcapaciteit te ontwikkelen om organische verontreinigende stoffen af ​​te breken.

Dit model maakt het ook mogelijk om de resulterende hoeveelheid koolstof, fosfor, stikstof, anorganische vaste stoffen, fytoplankton en afval te simuleren. Evenzo simuleert het de hoeveelheid opgeloste zuurstof, die potentiële problemen van eutrofiëring voorspelt.

Andere variabelen zoals pH of het vermogen om pathogenen te elimineren worden ook indirect geprojecteerd.

Model STREETER-PHELPS

Het is een zeer bruikbaar model om het gedrag van de concentratie van een specifieke verontreinigende stof in het invloedsgebied van een lozing in de richting van een rivier te evalueren.

Een van de verontreinigende stoffen die een belangrijker effect produceert, is organische stof, dus de meest informatieve variabele in dit model is de vraag naar opgeloste zuurstof. Daarom bevat het een wiskundige formulering van de belangrijkste processen die samenhangen met opgeloste zuurstof in een rivier.

Model MIKE11

Simuleert verschillende processen zoals de afbraak van organisch materiaal, fotosynthese en ademhaling van waterplanten, nitrificatie en zuurstofuitwisseling. Het wordt gekenmerkt door het simuleren van de processen van transformatie en dispersie van verontreinigende stoffen.

RIOS-model

Dit model is ontworpen in het kader van stroomgebiedbeheer en combineert biofysische, sociale en economische gegevens.

Genereert nuttige informatie om herstelmaatregelen te plannen en omvat parameters zoals opgeloste zuurstof, BOD, coliformen en analyse van toxische stoffen.

QUASAR-model (kwaliteitssimulatie langs riviersystemen)

De rivier is afzonderlijk gemodelleerd in secties, gedefinieerd door de zijrivieren, stortplaatsen en openbare verkooppunten die aankomen of ervan afwijken.

Beschouw onder andere parameters de stroomsnelheid, temperatuur, pH, BZV en concentratie van ammoniaknitraten, Escherichia coli, en opgeloste zuurstof.

WASP (Water Quality Analysis Simulation Program)

Je kunt de studie van het waterlichaam in verschillende dimensies benaderen (1D, 2D of 3D). Bij gebruik kan de gebruiker kiezen voor het invoeren van constante of variabele kinetische transportprocessen in de loop van de tijd.

Lozingen van punt- en niet-puntafval kunnen worden opgenomen en hun toepassingen omvatten verschillende kaders van fysieke, chemische en biologische modellering. Hier kunt u verschillende aspecten opnemen, zoals eutrofiëring en toxische stoffen.

Model AQUASIM

Dit model wordt gebruikt om de waterkwaliteit in rivieren en meren te bestuderen. Het werkt als een stroomdiagram, waardoor een groot aantal parameters kan worden gesimuleerd.

referenties

  1. Castro-Huertas MA (2015) Toepassing van de QUAL2KW in waterkwaliteitsmodellering van de Guacaica-rivier, departement Caldas, Colombia. Degree werk Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, Afdeling Scheikundige Technologie, Nationale Universiteit van Colombia. Colombia. 100 p.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Waterkwaliteitsanalysesimulatieprogramma (WASP) en modelverificatieprogramma (MVP) - documentatie. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, voor U.S. EPA, Duluth, MN, contractnr. 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García en FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologische behandeling van afvalwater. Principes, modellering en ontwerp. IWA Publishing. 580 p.
  4. Matovelle C (2017) Wiskundig model van waterkwaliteit toegepast in de microbekken van de rivier de Tabacay. Killkana Technical Review 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J en M Palacios-Quevedo (2017) Model waterkwaliteit. Southern Union Road Concessionaire. SH Consortium Dubbele weg Rumichaca-Pasto. Afdeling Nariño. HSE, Environmental Consulting and Engineering S.A.S. 45 p.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Gebruikershandleiding, computerprogramma voor de identificatie en simulatie van watersystemen, Zwitsers Federaal Instituut voor Milieukunde en -technologie (EAWAG), Zwitserland.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Wiskundige modellen van waterkwaliteit in meren en reservoirs. Thesis. School of Engineering. Nationale Autonome Universiteit van Mexico. Mexico, D.F. 95 p.