TYPY MODELŮ, KTERÉ SE VZTAHUJÍ NA STUDIUM KVALITY VODY - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Modely kvality vody jsou matematické formulace, které simulují chování a účinky znečišťujících látek ve vodě. V tomto smyslu jsou prezentovány možné scénáře dopadu znečišťujících látek pomocí různých vzorců, které vycházejí z určitých parametrů a proměnných.

Existují různé modely kvality vody v závislosti na zdroji kontaminace a těle vody, která má být hodnocena. Tyto modely sestávají z počítačových programů založených na matematických algoritmech.

Hodnocení kvality vody. Zdroj: CSIRO

Modely integrují data pole z různých proměnných a faktorů plus určité vstupní podmínky. Z těchto dat modely generují možné scénáře a extrapolovají data v čase a prostoru na základě pravděpodobností.

Nejinformativnějším parametrem pro vyhodnocení kontaminace vodního útvaru je biochemická spotřeba kyslíku (BSK). Většina modelů zahrnuje odhad variace BSK jako kritérium pro generování jejich scénářů.

Vlády zavedly předpisy týkající se kvality vody, které musí být splněny, aby získaly povolení k provádění potenciálně znečišťujících činností. V tomto smyslu jsou modely užitečným nástrojem k pochopení možného dopadu na kvalitu vody dané činnosti.

Matematický základ

Modely používané k predikci chování kvality vody jsou založeny na diferenciálních rovnicích. Tyto rovnice vztahují velikost změny v jedné funkci k velikosti změny v jiné.

Nelineární diferenciální rovnice se používají v modelech kvality vody, protože procesy znečištění vody jsou složité (neodpovídají na lineární vztah příčina-účinek).

Parametry

Při použití určitého modelu je třeba vzít v úvahu řadu parametrů.

Obecně se odhadují základní parametry, jako je biologická spotřeba kyslíku (BOD), chemická spotřeba kyslíku (COD), dusík a přítomný fosfor.

BSK je jedním z nejdůležitějších indikátorů kontaminace, protože vysoké hodnoty ukazují na velké množství mikroorganismů. COD indikuje množství kyslíku potřebné k oxidaci organické hmoty chemickými prostředky.

Parametry, které mají být vyhodnoceny, závisí na typu vodního útvaru, buď čočkového (jezera, rybníky, bažiny), nebo loterijního (řeky, potoky). Rovněž je třeba vzít v úvahu průtok, pokrytou plochu, objem vody, teplotu a klima.

Je také nutné zvážit, jaký zdroj kontaminace má být vyhodnocen, protože každá kontaminující látka má odlišné chování a účinek.

V případě vypouštění do vodního útvaru se zvažuje typ vypouštění, znečišťující látky, které obsahuje, a jeho objem.

Klasifikace

Existuje mnoho matematických modelů, které simulují chování znečišťujících látek ve vodních útvarech. Mohou být klasifikovány v závislosti na typu procesu, který zvažují (fyzický, chemický, biologický) nebo typu metody řešení (empirický, přibližný, zjednodušený).

Faktory, které jsou brány v úvahu při klasifikaci těchto modelů, jsou dynamika a rozměrnost.

Dynamický

Stacionární modely se domnívají, že je dostačující stanovit rozdělení pravděpodobnosti stavu znečišťující látky v daném okamžiku nebo prostoru. Následně extrapoluje toto rozdělení pravděpodobnosti a považuje ho za stejné ve všech časech a prostoru tohoto vodního útvaru.

U dynamických modelů se předpokládá, že pravděpodobnost chování znečišťujících látek se může měnit v čase a prostoru. Kvazi-dynamické modely provádějí analýzu po částech a generují částečné přiblížení k dynamice systému.

Existují programy, které mohou pracovat v dynamickém i kvazi-dynamickém modelu.

Dimenzionalita

V závislosti na prostorových rozměrech, které model zvažuje, jsou bezrozměrné, jednorozměrné (1D), dvourozměrné (2D) a trojrozměrné (3D).

Bezrozměrný model považuje médium za homogenní ve všech směrech. Model 1D může popsat prostorovou změnu podél řeky, ale ne ve svislém nebo průřezu. 2D model vezme v úvahu dvě z těchto dimenzí, zatímco 3D model bude zahrnovat všechny z nich.

Příklady

Typ modelu, který se má použít, závisí na těle vody, která má být studována, a na cíli studie a musí být kalibrován pro každou konkrétní podmínku. Kromě toho je třeba vzít v úvahu dostupnost informací a procesy, které mají být modelovány.

Níže jsou uvedeny některé příklady modelů pro studium kvality vody v řekách, potokech a jezerech:

QUAL2K a QUAL2Kw (model kvality vody)

Simuluje všechny proměnné kvality vody při simulovaném konstantním průtoku. Simuluje dvě úrovně BSK a vytváří scénáře schopnosti řeky nebo potoka degradovat organické znečišťující látky.

Tento model také umožňuje simulovat výsledné množství uhlíku, fosforu, dusíku, anorganických pevných látek, fytoplanktonu a detritu. Podobně simuluje množství rozpuštěného kyslíku, což předpovídá možné eutrofizační problémy.

Nepřímo se promítají i jiné proměnné, jako je pH nebo schopnost eliminovat patogeny.

Model STREETER-PHELPS

Je to velmi užitečný model pro vyhodnocení chování koncentrace specifické znečišťující látky v oblasti vlivu vypouštění do řeky.

Jednou z znečišťujících látek, která produkuje nejvýznamnější účinek, je organická hmota, takže nejinformativnější proměnnou v tomto modelu je spotřeba rozpuštěného kyslíku. Proto zahrnuje matematickou formulaci hlavních procesů spojených s rozpuštěným kyslíkem v řece.

Model MIKE11

Simuluje různé procesy, jako je degradace organické hmoty, fotosyntéza a dýchání vodních rostlin, nitrifikace a výměna kyslíku. Je charakterizována simulací procesů transformace a disperze znečišťujících látek.

Model RIOS

Tento model byl navržen v kontextu povodí a kombinuje biofyzikální, sociální a ekonomické údaje.

Vytváří užitečné informace pro plánování nápravných opatření a zahrnuje parametry, jako je rozpuštěný kyslík, BSK, koliformní formy a analýza toxických látek.

QUASAR model (Quality Simulation Along River Systems)

Řeka je modelována do úseků, definovaných přítoky, přelivy a veřejnými příjmy, které z ní přicházejí nebo odcházejí.

Mezi další parametry patří tok, teplota, pH, BSK a koncentrace amoniaku, dusičnanů, Escherichia coli a rozpuštěného kyslíku.

WASP (Program simulace analýzy kvality vody)

Můžete přistupovat ke studiu hladiny vody v různých rozměrech (1D, 2D nebo 3D). Při jeho použití si uživatel může vybrat, zda zadá konstantní nebo časově proměnné kinetické transportní procesy.

Mohou být zahrnuty bodové a ne-bodové vypouštění odpadů a jejich aplikace zahrnují různé fyzikální, chemické a biologické modelovací rámce. Zde lze zahrnout různé aspekty, jako je eutrofizace a toxické látky.

Model AQUASIM

Tento model se používá ke studiu kvality vody v řekách a jezerech. Funguje to jako vývojový diagram, který umožňuje simulovat velké množství parametrů.

Reference

Castro-Huertas MA (2015) Aplikace QUAL2KW při modelování kvality vody řeky Guacaica, oddělení Caldas, Kolumbie. Diplomová práce. Fakulta strojního a architektury, Katedra chemického inženýrství, Národní univerzita v Kolumbii. Kolumbie. 100 s.
Di Toro DM, JJ Fitzpatrick a RV Thomann (1981) Program simulace analýzy kvality vody (WASP) a program ověřování modelu (MVP) - dokumentace. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, pro US EPA, Duluth, MN, smlouva č. 68-01-3872.
López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García a FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologické čištění odpadních vod. Principy, modelování a design. Publikování IWA. 580 str.
Matovelle C (2017) Matematický model kvality vody aplikovaný v mikromasiu řeky Tabacay. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
Ordoñez-Moncada J a M Palacios-Quevedo (2017) Model kvality vody. Concesionaria Vial Unión del Sur. Konsorcium SH. Dvojitá vozovka. Rumichaca-Pasto. Nariño oddělení. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 str.
Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - uživatelská příručka, počítačový program pro identifikaci a simulaci vodních systémů, Švýcarský federální institut pro environmentální vědu a technologii (EAWAG), Švýcarsko.
Rendón-Velázquez CM (2013) Matematické modely kvality vody v jezerech a nádržích. Teze. Strojírenská fakulta. Národní autonomní univerzita v Mexiku. Mexico, DF 95 s.

TYPY MODELŮ, KTERÉ SE VZTAHUJÍ NA STUDIUM KVALITY VODY - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2025