- Matematički temelj
- parametri
- Klasifikacija
- Dinamičan
- Dimenzionalnost
- Primjeri
- QUAL2K i QUAL2Kw (model kvalitete vode)
- STREETER-PHELPS model
- Model MIKE11
- RIOS model
- QUASAR model (Simulacija kvalitete uz riječne sustave)
- WASP (Simulacijski program analize kvalitete vode)
- AQUASIM model
- Reference
Modeli za kvalitetu vode matematičke su formulacije koje simuliraju ponašanje i učinke zagađivača u vodi. U tom su smislu prikazani mogući scenariji utjecaja onečišćujućih tvari pomoću različitih formula koje polaze od određenih parametara i varijabli.
Postoje različiti modeli kakvoće vode ovisno o izvoru onečišćenja i vodnom tijelu koje treba procijeniti. Ovi se modeli sastoje od računalnih programa temeljenih na matematičkim algoritmima.
Procjena kakvoće vode. Izvor: CSIRO
Modeli integriraju podatke polja iz različitih varijabli i faktora, plus određeni ulazni uvjeti. Iz tih podataka modeli generiraju moguće scenarije, ekstrapolirajući podatke u vremenu i prostoru na temelju vjerojatnosti.
Najinformativniji parametar za procjenu onečišćenja vodnog tijela je potreba za biokemijskim kisikom (BPK). Većina modela uključuje procjenu varijacije BPK-a kao kriterij za generiranje njihovih scenarija.
Vlade su utvrdile propise o kvaliteti vode koje je potrebno ispuniti kako bi se dobile dozvole za obavljanje djelatnosti koje potencijalno zagađuju. U tom su smislu modeli koristan alat za razumijevanje mogućeg utjecaja na kvalitetu vode određene aktivnosti.
Matematički temelj
Modeli koji se koriste za predviđanje ponašanja kakvoće vode temelje se na diferencijalnim jednadžbama. Ove jednadžbe odnose količinu promjene u jednoj funkciji na veličinu promjene u drugoj.
Nelinearne diferencijalne jednadžbe koriste se u modelima kakvoće vode, jer su procesi onečišćenja vode složeni (ne odgovaraju linearnom odnosu uzroka i učinka).
parametri
Pri primjeni određenog modela potrebno je uzeti u obzir niz parametara.
Općenito, procjenjuju se osnovni parametri kao što su biološka potražnja za kisikom (BPK), potražnja za kemijskim kisikom (COD), dušik i fosfor.
BPK je jedan od najvažnijih pokazatelja kontaminacije, jer visoke vrijednosti ukazuju na veliki broj mikroorganizama. Sa svoje strane, COD označava količinu kisika potrebnu za oksidaciju organske tvari kemijskim putem.
Parametri koji se procjenjuju ovise o vrsti vodnog tijela, bilo lenticno (jezera, ribnjaci, močvare) ili lotsko (rijeke, potoci). Također se moraju uzeti u obzir protok, prekrivena površina, količina vode, temperatura i klima.
Također je potrebno uzeti u obzir i izvor onečišćenja jer se svaki kontaminant ima različitog ponašanja i učinka.
U slučaju ispusta u vodno tijelo razmatra se vrsta ispuštanja, zagađivači koje sadrži i njegov volumen.
Klasifikacija
Postoje brojni matematički modeli koji simuliraju ponašanje zagađivača u vodenim tijelima. Mogu se klasificirati ovisno o vrsti postupka koji smatraju (fizičkim, kemijskim, biološkim) ili vrsti metode otopine (empirijskoj, približnoj, pojednostavljenoj).
Čimbenici koji se uzimaju u obzir pri razvrstavanju tih modela su dinamika i dimenzionalnost.
Dinamičan
Stacionarni modeli smatraju da je dovoljno utvrditi raspodjelu vjerojatnosti stanja onečišćujućih tvari u datom trenutku ili prostoru. Nakon toga, on je ekstrapolirao tu distribuciju vjerojatnosti smatrajući je istom u svim vremenima i prostorima tog vodenog tijela.
U dinamičnim modelima pretpostavlja se da se vjerojatnost ponašanja onečišćujućih tvari može promijeniti u vremenu i prostoru. Kvazi-dinamički modeli izvode analizu u dijelovima i generiraju djelomičnu aproksimaciju dinamike sustava.
Postoje programi koji mogu raditi i u dinamičnom i u kvazi-dinamičkom modelu.
Dimenzionalnost
Ovisno o prostornim dimenzijama koje model razmatra, postoje bezdimenzionalni, jednodimenzionalni (1D), dvodimenzionalni (2D) i trodimenzionalni (3D).
Model bez dimenzija smatra da je medij homogen u svim smjerovima. 1D model može opisati prostorne varijacije duž neke rijeke, ali ne u vertikalnom ili presjeku. 2D model razmotrit će dvije od tih dimenzija, dok će 3D model uključiti sve te dimenzije.
Primjeri
Vrsta modela koji će se koristiti ovisi o vodostaju koji se proučava i cilju ispitivanja, a mora se kalibrirati za svako pojedino stanje. Uz to se moraju uzeti u obzir dostupnost informacija i procesi koji će se modelirati.
Nekoliko primjera modela za ispitivanje kakvoće vode u rijekama, potocima i jezerima opisano je u nastavku:
QUAL2K i QUAL2Kw (model kvalitete vode)
Simulira sve varijable kvalitete vode pod simuliranim stalnim protokom. Simulira dvije razine BPK-a za razvoj scenarija sposobnosti rijeke ili potoka za razgradnju organskih zagađivača.
Ovaj model također omogućava simuliranje rezultirajuće količine ugljika, fosfora, dušika, anorganskih krutih tvari, fitoplanktona i detritusa. Isto tako, simulira količinu otopljenog kisika, što predviđa moguće probleme eutrofikacije.
Ostale varijable poput pH ili sposobnost eliminiranja patogena također se projiciraju neizravno.
STREETER-PHELPS model
Vrlo je koristan model za procjenu ponašanja koncentracije određenog zagađivača u području utjecaja ispusta u rijeku.
Jedno od zagađivača koje proizvodi najznačajniji učinak je organska tvar, pa je najinformativnija varijabla u ovom modelu otopljena potreba za kisikom. Stoga uključuje matematičku formulaciju glavnih procesa povezanih s otopljenim kisikom u rijeci.
Model MIKE11
Simulira različite procese poput razgradnje organske tvari, fotosinteze i disanja vodenih biljaka, nitrifikacije i razmjene kisika. Karakterizira ih simuliranje procesa transformacije i raspršivanja onečišćujućih tvari.
RIOS model
Ovaj je model osmišljen u kontekstu upravljanja vodama i objedinjuje biofizičke, društvene i ekonomske podatke.
Dobiva korisne informacije za planiranje mjera sanacije i uključuje parametre kao što su otopljeni kisik, BPK, koliformi i analiza otrovnih tvari.
QUASAR model (Simulacija kvalitete uz riječne sustave)
Rijeka je modelirana odvojena u dijelove, definirane pritokama, prelivima i javnim usjecima koji iz nje dolaze ili odlaze.
Među ostalim parametrima, ona uzima u obzir protok, temperaturu, pH, BPK i koncentraciju amonijaka, nitrata, Escherichia coli i otopljenog kisika.
WASP (Simulacijski program analize kvalitete vode)
Možete pristupiti ispitivanju vodnog tijela u različitim dimenzijama (1D, 2D ili 3D). Kada ga upotrebljavate, korisnik može izabrati unos stalnih ili vremenski različitih procesa kinetičkog transporta.
Mogu se uključiti točkaste i ne točkaste otpadne emisije i njihove primjene uključuju različite fizičke, kemijske i biološke okvire modeliranja. Ovdje se mogu uključiti različiti aspekti poput eutrofikacije i toksičnih tvari.
AQUASIM model
Ovaj se model koristi za proučavanje kakvoće vode u rijekama i jezerima. Djeluje kao dijagram toka, omogućava simuliranje velikog broja parametara.
Reference
- Castro-Huertas MA (2015) Primjena QUAL2KW u modeliranju kakvoće vode rijeke Guacaica, departman Caldas, Kolumbija. Stupanj rada. Tehnički i arhitektonski fakultet, odsjek za kemijsko inženjerstvo, Nacionalno sveučilište u Kolumbiji. Kolumbija. 100 str.
- Di Toro DM, JJ Fitzpatrick i RV Thomann (1981) Simulacijski program analize kvalitete vode (WASP) i program verifikacije modela (MVP) - Dokumentacija. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, za američko EPA, Duluth, MN, ugovor br. 68-01-3872.
- López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García i FJ Cervantes-Carrillo (ur.) (2017). Biološko pročišćavanje otpadnih voda. Načela, modeliranje i dizajn. IWA Publishing. 580 str.
- Matovelle C (2017) Matematički model kakvoće vode primijenjen u mikro slivu rijeke Tabacay. Killkana tehnički časopis 1: 39-48.
- Ordoñez-Moncada J i M Palacios-Quevedo (2017) Model kvalitete vode. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH Konzorcij. Dvostruko kolovoz. Rumichaca-Pasto. Odjel Nariño. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 str.
- Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Korisnički priručnik, računalni program za identifikaciju i simulaciju vodenih sustava, Švicarski savezni institut za znanost i tehnologiju okoliša (EAWAG), Švicarska.
- Rendón-Velázquez CM (2013) Matematički modeli kakvoće vode u jezerima i akumulacijama. Teza. Strojarski fakultet. Nacionalno autonomno sveučilište u Meksiku. Meksiko, DF 95 str.