Những loại mô hình nào nên được áp dụng để nghiên cứu chất lượng nước?



Các mô hình cho chất lượng nước là các công thức toán học mô phỏng hành vi và tác động của các chất gây ô nhiễm trong nước. Theo nghĩa này, các kịch bản có thể có về tác động của các chất ô nhiễm được trình bày, sử dụng các công thức khác nhau bắt đầu từ các tham số và biến số nhất định.

Có nhiều mô hình khác nhau về chất lượng nước tùy thuộc vào nguồn ô nhiễm và lượng nước mà bạn muốn đánh giá. Những mô hình này bao gồm các chương trình máy tính dựa trên các thuật toán toán học.

Các mô hình tích hợp dữ liệu trường của các biến và yếu tố khác nhau, cộng với các điều kiện đầu vào nhất định. Từ những dữ liệu này, các mô hình tạo ra các kịch bản có thể xảy ra, ngoại suy dữ liệu theo thời gian và không gian dựa trên xác suất.

Thông số thông tin nhất để đánh giá sự ô nhiễm của một vùng nước là nhu cầu oxy sinh hóa (BOD). Hầu hết các mô hình bao gồm ước tính biến thể của BOD làm tiêu chí để tạo ra các kịch bản của chúng.

Chính phủ đã thiết lập các quy định chất lượng nước phải được đáp ứng để có được giấy phép cho việc thực hiện các hoạt động gây ô nhiễm. Theo nghĩa này, các mô hình là một công cụ hữu ích để hiểu tác động có thể có đối với chất lượng nước của một hoạt động nhất định.

Chỉ số

  • 1 nền tảng toán học
    • 1.1 Thông số
  • 2 Phân loại
    • 2.1 Động lực học
    • 2.2 Kích thước
  • 3 ví dụ
    • 3.1 Mô hình QUAL2K và QUAL2Kw (Mô hình chất lượng nước)
    • 3.2 Model STREETER-PHELPS
    • 3.3 Mô hình MIKE11
    • Mô hình RIOS 3,4
    • Mô hình 3.5 QUASAR (Mô phỏng chất lượng dọc theo các hệ thống sông)
    • 3.6 WASP (Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước)
    • 3.7 Mô hình AQUASIM
  • 4 tài liệu tham khảo

Nền tảng toán học

Các mô hình được sử dụng để dự báo hành vi của chất lượng nước dựa trên các phương trình vi phân. Các phương trình này liên quan đến mức độ thay đổi của một hàm nhất định với độ lớn của sự thay đổi trong một hàm khác.

Trong các mô hình chất lượng nước, các phương trình vi phân phi tuyến tính được sử dụng, bởi vì các quá trình ô nhiễm nước rất phức tạp (chúng không đáp ứng với mối quan hệ nguyên nhân tuyến tính).

Thông số

Khi áp dụng một mô hình nhất định, cần phải tính đến một loạt các tham số.

Nhìn chung, các thông số cơ bản được ước tính như Nhu cầu oxy sinh học (BOD), Nhu cầu oxy hóa học (COD), nitơ và phốt pho hiện diện..

HĐQT là một trong những chỉ số ô nhiễm quan trọng nhất, vì giá trị cao cho thấy một lượng lớn vi sinh vật. Về phần mình, COD chỉ ra lượng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ bằng phương pháp hóa học.

Các thông số được đánh giá phụ thuộc vào loại nước, có thể là lentic (hồ, đầm, đầm lầy) hoặc lotic (sông, suối). Nó cũng nên tính đến dòng chảy, diện tích bao phủ, khối lượng nước, nhiệt độ và khí hậu.

Cũng cần phải xem xét nguồn gây ô nhiễm để được đánh giá, vì mỗi chất gây ô nhiễm có một hành vi và tác động khác nhau.

Trong trường hợp xả vào cơ thể nước, loại chất thải, chất gây ô nhiễm mà nó chứa và khối lượng của nó được xem xét..

Phân loại

Có rất nhiều mô hình toán học để mô phỏng hành vi của các chất ô nhiễm trong các vùng nước. Chúng có thể được phân loại tùy thuộc vào loại quy trình mà chúng xem xét (vật lý, hóa học, sinh học) hoặc loại phương pháp giải pháp (theo kinh nghiệm, gần đúng, đơn giản hóa).

Các yếu tố được tính đến để phân loại các mô hình này là tính năng động và chiều.

Động lực học

Các mô hình văn phòng phẩm xem xét rằng nó đủ để thiết lập phân phối xác suất trạng thái của chất ô nhiễm tại một thời điểm hoặc không gian nhất định. Sau đó, ngoại suy phân phối xác suất xem xét nó bằng nhau trong mọi thời gian và không gian của vùng nước đó.

Trong các mô hình động, người ta cho rằng xác suất của hành vi gây ô nhiễm có thể thay đổi theo thời gian và không gian. Các mô hình bán động thực hiện các phân tích trong các bộ phận và tạo ra một xấp xỉ một phần cho các động lực của hệ thống.

Có những chương trình có thể hoạt động trong cả mô hình động và bán động.

Kích thước

Tùy thuộc vào kích thước không gian được xem xét bởi mô hình, có các chiều không gian, một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D).

Một mô hình không thứ nguyên cho rằng phương tiện là đồng nhất theo mọi hướng. Mô hình 1D có thể mô tả sự thay đổi không gian dọc theo một con sông, nhưng không phải trong mặt cắt ngang hoặc dọc của nó. Mô hình 2D sẽ xem xét hai trong số các kích thước này, trong khi mô hình 3D sẽ bao gồm tất cả các kích thước đó.

Ví dụ

Loại mô hình được sử dụng phụ thuộc vào cơ thể của nước được nghiên cứu và mục tiêu của nghiên cứu, và nó phải được hiệu chuẩn cho từng điều kiện cụ thể. Ngoài ra, tính khả dụng của thông tin và các quy trình mà bạn muốn lập mô hình phải được xem xét.

Một số ví dụ về mô hình nghiên cứu chất lượng nước ở sông, suối và hồ được mô tả dưới đây:

Mô hình QUAL2K và QUAL2Kw (Mô hình chất lượng nước)

Mô phỏng tất cả các biến chất lượng nước theo dòng chảy liên tục mô phỏng. Mô phỏng hai cấp độ của BOD để phát triển các kịch bản về dòng sông hoặc năng lực hiện tại để làm giảm các chất ô nhiễm hữu cơ.

Mô hình này cũng cho phép mô phỏng lượng carbon, phốt pho, nitơ, chất rắn vô cơ, thực vật phù du và mảnh vụn. Tương tự, mô phỏng lượng oxy hòa tan, dự đoán các vấn đề tiềm ẩn của hiện tượng phú dưỡng.

Các biến khác như pH hoặc khả năng loại bỏ mầm bệnh cũng được dự kiến ​​gián tiếp.

Model STREETER-PHELPS

Đây là một mô hình rất hữu ích để đánh giá hành vi nồng độ của một chất ô nhiễm cụ thể trong khu vực ảnh hưởng của sự cố tràn ra sông..

Một trong những chất gây ô nhiễm tạo ra hiệu ứng đáng kể hơn là chất hữu cơ, do đó, biến số thông tin nhất trong mô hình này là nhu cầu oxy hòa tan. Do đó, nó bao gồm một công thức toán học của các quá trình chính liên quan đến oxy hòa tan trong một dòng sông.

Mẫu MIKE11

Mô phỏng các quá trình khác nhau như sự suy thoái của chất hữu cơ, quang hợp và hô hấp của thực vật thủy sinh, quá trình nitrat hóa và trao đổi oxy. Nó được đặc trưng bằng cách mô phỏng các quá trình biến đổi và phân tán các chất ô nhiễm.

Mô hình RIOS

Mô hình này được thiết kế trong bối cảnh quản lý đầu nguồn và kết hợp dữ liệu sinh lý, xã hội và kinh tế.

Tạo thông tin hữu ích để lên kế hoạch khắc phục và bao gồm các thông số như oxy hòa tan, BOD, coliforms và phân tích các chất độc hại.

Mô hình QUASAR (Mô phỏng chất lượng dọc theo các hệ thống sông)

Con sông được mô hình riêng biệt thành các phần, được xác định bởi các nhánh sông, bãi rác và các cửa hàng công cộng đến hoặc đi từ nó.

Xem xét trong số các thông số khác tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, pH, BOD và nồng độ nitrat amoniac, Escherichia coli, và oxy hòa tan.

WASP (Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước)

Bạn có thể tiếp cận nghiên cứu về cơ thể của nước theo các kích thước khác nhau (1D, 2D hoặc 3D). Khi sử dụng nó, người dùng có thể chọn nhập các quá trình vận chuyển động không đổi hoặc thay đổi theo thời gian.

Có thể bao gồm cả chất thải điểm và chất thải không điểm và các ứng dụng của chúng bao gồm một số khung mô hình vật lý, hóa học và sinh học. Ở đây bạn có thể bao gồm các khía cạnh khác nhau như phú dưỡng và các chất độc hại.

Mô hình AQUASIM

Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu chất lượng nước ở sông hồ. Nó hoạt động như một sơ đồ dòng chảy, cho phép mô phỏng một số lượng lớn các tham số.

Tài liệu tham khảo

  1. Fidel-Huertas MA (2015) Ứng dụng của Qual2KW trong mô hình hóa chất lượng nước của sông Guacaica, bộ phận Caldas, Colombia. Bằng cấp Khoa Kỹ thuật và Kiến trúc, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Quốc gia Colombia. Colombia 100 p.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước (WASP) và Chương trình xác minh mô hình (MVP) - Tài liệu. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, cho Hoa Kỳ EPA, Duluth, MN, Hợp đồng số 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García và FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Xử lý sinh học nước thải. Nguyên tắc, mô hình và thiết kế. Xuất bản IWA. 580 p.
  4. Matovelle C (2017) Mô hình toán học về chất lượng nước được áp dụng trong microbasin của sông Tab nuôi. Đánh giá kỹ thuật Killkana 1: 39-48.
  5. Mô hình chất lượng nước Ordoñez-Moncada J và M Palacios-Quevedo (2017). Công đoàn đường bộ phía Nam. Hiệp hội SH Đường đôi Rumichaca-Đồng cỏ. Sở Nariño. HSE, Tư vấn môi trường và Kỹ thuật S.A.S. 45 p.
  6. Re Richt P (1998) AQUASIM 2.0 - Hướng dẫn sử dụng, chương trình máy tính để nhận dạng và mô phỏng hệ thống thủy sinh, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ (EAWAG), Thụy Sĩ.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Các mô hình toán học về chất lượng nước trong hồ và hồ chứa. Luận văn Trường Kỹ thuật. Đại học tự trị quốc gia Mexico. Mexico, D.F. 95 p.