TYPEN MODELLEN DIE VAN TOEPASSING ZIJN OP DE STUDIE VAN WATERKWALITEIT - MILIEU - 2025

Modellen voor waterkwaliteit zijn wiskundige formuleringen die het gedrag en de effecten van verontreinigende stoffen in water simuleren. In die zin worden mogelijke scenario's van de impact van polluenten gepresenteerd aan de hand van verschillende formules die uitgaan van bepaalde parameters en variabelen.

Er zijn verschillende modellen van waterkwaliteit, afhankelijk van de bron van verontreiniging en het te beoordelen water. Deze modellen bestaan ​​uit computerprogramma's die zijn gebaseerd op wiskundige algoritmen.

Evaluatie van waterkwaliteit. Bron: CSIRO

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

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

Overheden hebben waterkwaliteitsregels opgesteld waaraan moet worden voldaan om vergunningen te verkrijgen voor het uitvoeren van mogelijk vervuilende activiteiten. In die zin zijn modellen een handig hulpmiddel om de mogelijke impact op de waterkwaliteit van een bepaalde activiteit te begrijpen.

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 in de ene functie aan de grootte van de verandering in een andere.

Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen worden gebruikt in waterkwaliteitsmodellen, omdat waterverontreinigingsprocessen complex zijn (ze reageren niet op een lineaire oorzaak-gevolgrelatie).

Parameters

Bij het toepassen van een bepaald model is het noodzakelijk om rekening te houden met een reeks parameters.

In het algemeen worden basisparameters zoals biologisch zuurstofverbruik (BZV), chemisch zuurstofverbruik (CZV), aanwezige stikstof en fosfor geschat.

BZV is een van de belangrijkste besmettingsindicatoren, aangezien hoge waarden duiden op een groot aantal micro-organismen. CZV geeft van zijn kant de hoeveelheid zuurstof aan die nodig is om organisch materiaal langs chemische weg te oxideren.

De te evalueren parameters zijn afhankelijk van het type waterlichaam, hetzij lentisch (meren, vijvers, moerassen) of lotisch (rivieren, beken). Er moet ook rekening worden gehouden met het debiet, de oppervlakte, de hoeveelheid water, de temperatuur en het klimaat.

Er moet ook rekening worden gehouden met de bron van de verontreiniging die moet worden beoordeeld, aangezien elke verontreiniging een ander gedrag en effect heeft.

Bij lozingen op het waterlichaam wordt gekeken naar het type lozing, de verontreinigende stoffen die het bevat en het volume ervan.

Classificatie

Er zijn talrijke wiskundige modellen om het gedrag van verontreinigende stoffen in waterlichamen te simuleren. Ze kunnen worden geclassificeerd afhankelijk van het type proces dat ze beschouwen (fysisch, chemisch, biologisch) of het type oplossingsmethode (empirisch, benaderend, vereenvoudigd).

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

Dynamisch

Stationaire modellen achten het voldoende om de kansverdeling van de toestand van de verontreinigende stof op een bepaald moment of in een bepaalde ruimte vast te stellen. Vervolgens extrapoleert hij die kansverdeling, gezien het in alle tijd en ruimte van dat waterlichaam hetzelfde.

In dynamische modellen wordt aangenomen dat de kans op vervuilend gedrag kan veranderen in tijd en ruimte. Quasi-dynamische modellen voeren de analyse in delen uit en genereren een gedeeltelijke benadering van de dynamiek van het systeem.

Er zijn programma's die zowel in een dynamisch als in een quasi-dynamisch model kunnen werken.

Dimensionaliteit

Afhankelijk van de ruimtelijke dimensies die het model in overweging neemt, zijn er dimensieloos, eendimensionaal (1D), tweedimensionaal (2D) en driedimensionaal (3D).

Een dimensieloos model beschouwt het medium als homogeen in alle richtingen. Een 1D-model kan de ruimtelijke variatie langs een rivier beschrijven, maar niet in zijn verticale of dwarsdoorsnede. Een 2D-model houdt rekening met twee van deze dimensies, terwijl een 3D-model ze allemaal omvat.

Voorbeelden

Het type te gebruiken model hangt af van het te bestuderen waterlichaam en het doel van het onderzoek, en moet voor elke specifieke conditie worden gekalibreerd. Daarnaast moet rekening worden gehouden met de beschikbaarheid van informatie en de te modelleren processen.

Enkele voorbeelden van modellen voor onderzoek naar waterkwaliteit in rivieren, beken en meren worden hieronder beschreven:

QUAL2K en QUAL2Kw (waterkwaliteitsmodel)

Simuleert alle variabelen van de waterkwaliteit onder een gesimuleerde constante stroom. Simuleert twee niveaus van BZV om scenario's te ontwikkelen van het vermogen van de rivier of beek om organische verontreinigende stoffen af ​​te breken.

Dit model maakt ook de simulatie mogelijk van de resulterende hoeveelheid koolstof, fosfor, stikstof, anorganische vaste stoffen, fytoplankton en afval. Evenzo simuleert het de hoeveelheid opgeloste zuurstof, wat mogelijke eutrofiëringsproblemen voorspelt.

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

STREETER-PHELPS-model

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

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

Model MIKE11

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

RIOS-model

Dit model is ontworpen in de context van stroomgebiedbeheer en combineert biofysische, sociale en economische gegevens.

Het genereert nuttige informatie om saneringsmaatregelen te plannen en omvat parameters zoals opgeloste zuurstof, BZV, coliformen en analyse van giftige stoffen.

QUASAR-model (kwaliteitssimulatie langs riviersystemen)

De rivier is gemodelleerd in secties, gedefinieerd door de zijrivieren, afvoerkanalen en openbare inlaten die er aankomen of vertrekken.

Naast andere parameters houdt het rekening met de stroom, temperatuur, pH, BZV en concentratie van ammoniak, nitraten, Escherichia coli en opgeloste zuurstof.

WASP (Water Quality Analysis Simulation Program)

U kunt de studie van het waterlichaam in verschillende dimensies (1D, 2D of 3D) benaderen. Bij gebruik kan de gebruiker ervoor kiezen om constante of in de tijd variërende kinetische transportprocessen in te voeren.

Punt- en niet-puntafvallozingen kunnen worden opgenomen en hun toepassingen omvatten verschillende fysische, chemische en biologische modelleringskaders. Hierbij kunnen verschillende aspecten zoals eutrofiëring en giftige stoffen worden meegenomen.

AQUASIM-model

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

Referenties

1. Castro-Huertas MA (2015) Toepassing van QUAL2KW bij het modelleren van de waterkwaliteit van de Guacaica-rivier, departement Caldas, Colombia. Graad werk. Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, Afdeling Chemische Technologie, Nationale Universiteit van Colombia. Colombia. 100 p.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick en RV Thomann (1981) Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) en Model Verification Program (MVP) - Documentatie. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, voor US EPA, Duluth, MN, contractnr. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García en FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologische afvalwaterzuivering. Principes, modellering en ontwerp. IWA Publishing. 580 p.
4. Matovelle C (2017) Wiskundig model van waterkwaliteit toegepast in het microbekken van de Tabacay-rivier. Killkana technisch tijdschrift 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J en M Palacios-Quevedo (2017) Waterkwaliteitsmodel. Concesionaria Flacon Unión del Sur. SH Consortium. Dubbele rijbaan. Rumichaca-Pasto. Afdeling Nariño. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 p.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Gebruikershandleiding, computerprogramma voor de identificatie en simulatie van watersystemen, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), Zwitserland.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Wiskundige modellen van waterkwaliteit in meren en reservoirs. Scriptie. Faculteit Ingenieurswetenschappen. Nationale Autonome Universiteit van Mexico. Mexico, DF 95 p.