סוגי דגמים החלים על חקר איכות המים - סביבה

מודלים לאיכות מים הם ניסוחים מתמטיים המדמים את התנהגותם והשפעותיהם של מזהמים במים. במובן זה מוצגים תרחישים אפשריים של השפעת מזהמים תוך שימוש בנוסחאות שונות המתחילות מפרמטרים ומשתנים מסוימים.

ישנם דגמים שונים של איכות מים בהתאם למקור הזיהום וגוף המים שיש להעריך. מודלים אלה מורכבים מתוכנות מחשב המבוססות על אלגוריתמים מתמטיים.

הערכת איכות המים. מקור: CSIRO

המודלים משלבים נתוני שדה ממשתנים וגורמים שונים, בתוספת תנאי קלט מסוימים. מנתונים אלה מייצרים המודלים את התרחישים האפשריים, ומחליפים נתונים בזמן ובמרחב על סמך הסתברויות.

הפרמטר האינפורמטיבי ביותר להערכת זיהום גוף מים הוא דרישת החמצן הביוכימית (BOD). מרבית המודלים כוללים הערכת הווריאציה של ה- BOD כקריטריון ליצירת התרחישים שלהם.

ממשלות קבעו תקנות לאיכות מים שיש לעמוד בהן כדי לקבל אישורים לביצוע פעולות שמזהמות. במובן זה, מודלים הם כלי שימושי להבנת ההשפעה האפשרית על איכות המים של פעילות מסוימת.

בסיס מתמטי

המודלים המשמשים לחיזוי התנהגות איכות המים מבוססים על משוואות דיפרנציאליות. משוואות אלה קושרות את כמות השינוי בפונקציה אחת לבין גודל השינוי בפונקציה אחרת.

משוואות דיפרנציאליות לא-לינאריות משמשות במודלים של איכות מים, מכיוון שתהליכי זיהום מים הם מורכבים (הם אינם מגיבים לקשר סיבתי-תוצאה ליניארי).

פרמטרים

כאשר מיישמים מודל מסוים יש לקחת בחשבון שורה של פרמטרים.

באופן כללי מעריכים פרמטרים בסיסיים כמו דרישת חמצן ביולוגית (BOD), דרישת חמצן כימית (COD), חנקן וזרחן שנמצאים.

BOD הוא אחד ממדדי הזיהום החשובים ביותר, מכיוון שערכים גבוהים מצביעים על מספר גדול של מיקרואורגניזמים. מצדו, COD מציין את כמות החמצן הדרושה לחמצון חומר אורגני באמצעים כימיים.

הפרמטרים שיש להעריך תלויים בסוג גוף המים, או עדשים (אגמים, בריכות, ביצות) או לוטיק (נהרות, נחלים). יש לקחת בחשבון גם את הזרימה, השטח המכוסה, נפח המים, הטמפרטורה והאקלים.

כמו כן יש לקחת בחשבון את מקור הזיהום שיש להעריך, מכיוון שלכל מזהם יש התנהגות והשפעה שונות.

במקרה של פריקות לגוף המים, יש לקחת בחשבון את סוג הפרשות, המזהמים שהוא מכיל ונפחו.

מִיוּן

ישנם מודלים מתמטיים רבים המדמים את התנהגותם של מזהמים בגופי מים. ניתן לסווג אותם בהתאם לסוג התהליך בו הם שוקלים (פיזיקלי, כימי, ביולוגי) או סוג שיטת הפתרון (אמפירי, משוער, מפושט).

הגורמים שנלקחים בחשבון לסיווג מודלים אלה הם הדינמיקה והמימד.

דִינָמִי

מודלים נייחים רואים שמספיק לקבוע את חלוקת ההסתברות של מצב המזהם ברגע מסוים או במרחב נתון. לאחר מכן, הוא מחדיר את חלוקת ההסתברות בהתחשב בזה בכל הזמן והמרחב של אותו גוף מים.

במודלים דינמיים מניחים כי ההסתברות להתנהגות מזהמת יכולה להשתנות בזמן ובמרחב. מודלים מעין-דינאמיים מבצעים את הניתוח בחלקים ויוצרים קירוב חלקי לדינמיקה של המערכת.

יש תוכניות שיכולות לעבוד גם במודל דינאמי וגם במודל מעין דינאמי.

ממדיות

בהתאם לממדים המרחביים שהדגם שוקל, ישנם חסרי ממדים, חד מימדיים (1D), דו מימדיים (2D) ותלת מימדיים (3D).

מודל חסר ממדים מחשיב את המדיום כהומוגני לכל הכיוונים. מודל 1D יכול לתאר את השונות המרחבית לאורך נהר, אך לא בחלק האנכי או בחתך שלו. דגם דו מימדי ישקול שניים מממדים אלה, ואילו מודל תלת מימד יכלול את כולם.

דוגמאות

סוג המודל שיש להשתמש בו תלוי בגוף המים הנלמד ובמטרה של המחקר, ויש לכייל אותו לכל מצב מסוים. בנוסף, יש לקחת בחשבון את הזמינות של המידע ואת התהליכים המיועדים למודל.

להלן מספר דוגמאות למודלים ללימוד איכות המים בנהרות, נחלים ואגמים:

QUAL2K ו- QUAL2Kw (דגם איכות מים)

מדמה את כל המשתנים באיכות המים תחת זרימה קבועה מדומה. מדמה שתי רמות BOD לפיתוח תרחישים של יכולת הנהר או הנחל להשפיל מזהמים אורגניים.

מודל זה מאפשר גם לבצע הדמיה של הכמות הנובעת מפחמן, זרחן, חנקן, מוצקים אנאורגניים, פיטופלנקטון ודטרוס. באופן דומה, הוא מדמה את כמות החמצן המומס, שמנבאת בעיות אאוטרופיקציה אפשריות.

משתנים אחרים כמו pH או היכולת לחסל פתוגנים מוקרנים גם הם בעקיפין.

דגם STREETER-PHELPS

זהו מודל שימושי מאוד כדי להעריך את התנהגות ריכוז המזהם הספציפי באזור השפעת הפרשות לנהר.

אחד המזהמים המייצר את האפקט המשמעותי ביותר הוא חומר אורגני, ולכן המשתנה האינפורמטיבי ביותר במודל זה הוא דרישת החמצן המומס. לכן הוא כולל ניסוח מתמטי של התהליכים העיקריים הקשורים לחמצן מומס בנהר.

דגם MIKE11

הוא מדמה תהליכים שונים כמו השפלה של חומר אורגני, פוטוסינתזה והנשמה של צמחי מים, nitrification וחילופי חמצן. הוא מאופיין על ידי הדמיה של תהליכי טרנספורמציה ופיזור של מזהמים.

דגם RIOS

מודל זה תוכנן בהקשר של ניהול פרוות מים ומשלב נתונים ביו-פיזיים, חברתיים וכלכליים.

הוא מייצר מידע שימושי לתכנון אמצעי התיקון וכולל פרמטרים כמו חמצן מומס, BOD, קוליפורמים וניתוח חומרים רעילים.

מודל QUASAR (הדמיית איכות לאורך מערכות נהר)

הנהר הוא מדגם מופרד לקטעים, מוגדר על ידי יובלים, זורמים ונמליות ציבוריים המגיעים אליו או היוצאים ממנו.

בין שאר הפרמטרים, הוא שוקל את הזרימה, הטמפרטורה, pH, BOD וריכוז אמוניה, חנקות, Escherichia coli, וחמצן מומס.

WASP (תוכנית סימולציה לניתוח איכות מים)

אתה יכול לגשת לחקר גוף המים בממדים שונים (1D, 2D או 3D). בעת השימוש בו המשתמש יכול לבחור להיכנס לתהליכי הובלה קינטיים קבועים או משתנים בזמן.

ניתן לכלול פריקת פסולת נקודה ולא נקודתית ויישומיהם כוללים מסגרות דוגמנות פיזיות, כימיות וביולוגיות שונות. כאן ניתן לכלול היבטים שונים כמו אאוטרופיקציה וחומרים רעילים.

דגם AQUASIM

מודל זה משמש לחקר איכות המים גם בנהרות וגם באגמים. זה עובד כמו תרשים זרימה, ומאפשר לדמות מספר גדול של פרמטרים.

הפניות

Castro-Huertas MA (2015) יישום של QUAL2KW בדוגמנות איכות המים של נהר גואקיקה, מחלקת קלדס, קולומביה. עבודת תואר. הפקולטה להנדסה ואדריכלות, המחלקה להנדסה כימית, האוניברסיטה הלאומית בקולומביה. קולומביה. 100 עמ '
Di Toro DM, JJ Fitzpatrick ו- RV Thomann (1981) תוכנית סימולציה לאיכות מים (WASP) ותכנית אימות מודלים (MVP) - תיעוד. Hydroscience, Inc., ווסטווד, ניו יורק, עבור ארה"ב EPA, דולות, מ.נ., חוזה מס '68-01-3872.
López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García ו- FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). טיפול בשפכים ביולוגיים. עקרונות, דוגמנות ועיצוב. הוצאת IWA. 580 עמ '.
Matovelle C (2017) מודל מתמטי של איכות מים המיושם במיקרו אגן הנהר טבקאי. מגזין טכני של קילקנה 1: 39-48.
Ordoñez-Moncada J ו- M Palacios-Quevedo (2017) דגם איכות מים. Concesionaria Vial Unión del Sur. קונסורציום SH. כביש מהיר כפול. רומיצ'קה-פסטו. מחלקת נרינו. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 עמ '.
Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - מדריך למשתמש, תוכנית מחשב לזיהוי וסימולציה של מערכות מים, המכון הפדרלי השוויצרי למדע וטכנולוגיה סביבתית (EAWAG), שוויץ.
Rendón-Velázquez CM (2013) מודלים מתמטיים של איכות מים באגמים ובמאגרים. תזה. הפקולטה להנדסה. האוניברסיטה האוטונומית הלאומית במקסיקו. מקסיקו, DF 95 עמ '.

סוגי דגמים החלים על חקר איכות המים - סביבה - 2025