أنواع النماذج التي تنطبق على دراسة جودة المياه - بيئة

نماذج جودة المياه هي صيغ رياضية تحاكي سلوك وتأثيرات الملوثات في الماء. بهذا المعنى ، يتم عرض السيناريوهات المحتملة لتأثير الملوثات ، باستخدام صيغ مختلفة تبدأ من معلمات ومتغيرات معينة.

هناك نماذج مختلفة لنوعية المياه تعتمد على مصدر التلوث وجسم الماء المراد تقييمه. تتكون هذه النماذج من برامج كمبيوتر تعتمد على خوارزميات رياضية.

تقييم جودة المياه. المصدر: CSIRO

تدمج النماذج بيانات الحقل من متغيرات وعوامل مختلفة ، بالإضافة إلى شروط إدخال معينة. من هذه البيانات ، تولد النماذج السيناريوهات المحتملة ، وتستنبط البيانات في الزمان والمكان بناءً على الاحتمالات.

المعلمة الأكثر إفادة لتقييم تلوث الجسم المائي هي الحاجة إلى الأكسجين الكيميائي الحيوي (BOD). تتضمن معظم النماذج تقدير تباين الطلب الأوكسجيني البيولوجي كمعيار لتوليد سيناريوهاتها.

وضعت الحكومات لوائح جودة المياه التي يجب الوفاء بها من أجل الحصول على تصاريح للقيام بأنشطة يحتمل أن تكون ملوثة. بهذا المعنى ، تعد النماذج أداة مفيدة لفهم التأثير المحتمل على جودة المياه لنشاط معين.

الأساس الرياضي

تعتمد النماذج المستخدمة للتنبؤ بسلوك جودة المياه على المعادلات التفاضلية. تربط هذه المعادلات مقدار التغيير في دالة ما بحجم التغيير في دالة أخرى.

تُستخدم المعادلات التفاضلية غير الخطية في نماذج جودة المياه ، لأن عمليات تلوث المياه معقدة (فهي لا تستجيب لعلاقة السبب والنتيجة الخطية).

المعلمات

عند تطبيق نموذج معين ، من الضروري مراعاة سلسلة من المعلمات.

بشكل عام ، يتم تقدير المعلمات الأساسية مثل الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) والطلب على الأكسجين الكيميائي (COD) والنيتروجين والفوسفور.

يعد الطلب الأوكسجيني البيولوجي أحد أهم مؤشرات التلوث ، حيث تشير القيم العالية إلى وجود عدد كبير من الكائنات الحية الدقيقة. من جانبها ، يشير COD إلى كمية الأكسجين اللازمة لأكسدة المواد العضوية بالوسائل الكيميائية.

تعتمد المعلمات التي سيتم تقييمها على نوع المسطح المائي ، سواء كان lentic (بحيرات ، برك ، مستنقعات) أو لوتيك (أنهار ، مجاري مائية). يجب أيضًا مراعاة التدفق والمساحة المغطاة وحجم المياه ودرجة الحرارة والمناخ.

من الضروري أيضًا النظر في مصدر التلوث المراد تقييمه ، نظرًا لأن كل مادة ملوثة لها سلوك وتأثير مختلف.

في حالة التصريف إلى المسطح المائي ، يؤخذ في الاعتبار نوع التصريف والملوثات التي يحتويها وحجمها.

تصنيف

هناك العديد من النماذج الرياضية لمحاكاة سلوك الملوثات في المسطحات المائية. يمكن تصنيفها اعتمادًا على نوع العملية التي يعتبرونها (فيزيائية ، كيميائية ، بيولوجية) أو نوع طريقة الحل (تجريبية ، تقريبية ، مبسطة).

العوامل التي تؤخذ في الاعتبار لتصنيف هذه النماذج هي الديناميات والأبعاد.

ديناميكي

تعتبر النماذج الثابتة أنه يكفي لتحديد التوزيع الاحتمالي لحالة الملوث في لحظة أو مساحة معينة. بعد ذلك ، استقرأ توزيع الاحتمالات معتبراً أنه هو نفسه في كل الزمان والمكان لذلك الجسم من الماء.

في النماذج الديناميكية ، يُفترض أن احتمال سلوك الملوثات يمكن أن يتغير في الزمان والمكان. تقوم النماذج شبه الديناميكية بإجراء التحليل على أجزاء وتوليد تقريب جزئي لديناميكيات النظام.

هناك برامج يمكن أن تعمل في نموذج ديناميكي وشبه ديناميكي.

الأبعاد

اعتمادًا على الأبعاد المكانية التي يعتبرها النموذج ، هناك أبعاد ، أحادية البعد (1D) ، ثنائية الأبعاد (2D) وثلاثية الأبعاد (3D).

يعتبر النموذج عديم الأبعاد أن الوسيط متجانس في جميع الاتجاهات. يمكن للنموذج 1D أن يصف التباين المكاني على طول النهر ، ولكن ليس في المقطع الرأسي أو العرضي. سيأخذ النموذج ثنائي الأبعاد في الاعتبار اثنين من هذه الأبعاد ، بينما سيشمل النموذج ثلاثي الأبعاد جميعها.

أمثلة

يعتمد نوع النموذج المستخدم على حجم الماء المراد دراسته والهدف من الدراسة ، ويجب معايرته لكل حالة معينة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار توافر المعلومات والعمليات التي سيتم تصميمها.

بعض الأمثلة على نماذج دراسات جودة المياه في الأنهار والجداول والبحيرات موصوفة أدناه:

QUAL2K و QUAL2Kw (نموذج جودة المياه)

يحاكي جميع متغيرات جودة المياه في ظل محاكاة التدفق المستمر. يحاكي مستويين من الطلب الأوكسجيني البيولوجي لتطوير سيناريوهات لقدرة النهر أو التيار على تحلل الملوثات العضوية.

يسمح هذا النموذج أيضًا بمحاكاة الكمية الناتجة من الكربون والفوسفور والنيتروجين والمواد الصلبة غير العضوية والعوالق النباتية والمخلفات. وبالمثل ، فإنه يحاكي كمية الأكسجين المذاب ، والتي تتنبأ بمشاكل التخثث المحتملة.

المتغيرات الأخرى مثل الرقم الهيدروجيني أو القدرة على القضاء على مسببات الأمراض يتم توقعها أيضًا بشكل غير مباشر.

نموذج STREETER-PHELPS

إنه نموذج مفيد للغاية لتقييم سلوك تركيز ملوث معين في منطقة تأثير التصريف في النهر.

تعتبر المادة العضوية من الملوثات التي تنتج التأثير الأكثر أهمية ، لذا فإن المتغير الأكثر إفادة في هذا النموذج هو الحاجة إلى الأكسجين المذاب. لذلك ، فهو يتضمن صيغة رياضية للعمليات الرئيسية المرتبطة بالأكسجين المذاب في النهر.

الموديل MIKE11

إنه يحاكي عمليات مختلفة مثل تدهور المواد العضوية ، والتمثيل الضوئي وتنفس النباتات المائية ، والنترة وتبادل الأكسجين. يتميز بمحاكاة عمليات التحول وتشتت الملوثات.

نموذج RIOS

تم تصميم هذا النموذج في سياق إدارة مستجمعات المياه ويجمع بين البيانات الفيزيائية الحيوية والاجتماعية والاقتصادية.

يولد معلومات مفيدة لتخطيط تدابير العلاج ويتضمن معلمات مثل الأكسجين المذاب ، BOD ، القولونيات وتحليل المواد السامة.

نموذج QUASAR (محاكاة الجودة على طول أنظمة الأنهار)

تم تقسيم النهر إلى أقسام ، تحددها الروافد والمجارير والمآخذ العامة التي تصل أو تغادر منه.

من بين المعلمات الأخرى ، فإنه يأخذ في الاعتبار التدفق ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة و BOD وتركيز الأمونيا والنترات و Escherichia coli والأكسجين المذاب.

WASP (برنامج محاكاة تحليل جودة المياه)

يمكنك الاقتراب من دراسة الجسم المائي بأبعاد مختلفة (1D أو 2D أو 3D). عند استخدامه ، يمكن للمستخدم اختيار إدخال عمليات نقل حركية ثابتة أو متغيرة بمرور الوقت.

يمكن تضمين تصريفات النفايات النقطية وغير النقطية وتشمل تطبيقاتها العديد من أطر النمذجة الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. يمكن هنا إدراج جوانب مختلفة مثل التخثث والمواد السامة.

نموذج AQUASIM

يستخدم هذا النموذج لدراسة جودة المياه في كل من الأنهار والبحيرات. إنه يعمل مثل مخطط التدفق ، مما يسمح بمحاكاة عدد كبير من المعلمات.

المراجع

Castro-Huertas MA (2015) تطبيق QUAL2KW في نمذجة جودة المياه لنهر Guacaica ، مقاطعة كالداس ، كولومبيا. العمل درجة. كلية الهندسة والعمارة ، قسم الهندسة الكيميائية ، جامعة كولومبيا الوطنية. كولومبيا. 100 ص.
Di Toro DM و JJ Fitzpatrick and RV Thomann (1981) برنامج محاكاة تحليل جودة المياه (WASP) وبرنامج التحقق من النماذج (MVP) - التوثيق. Hydroscience، Inc.، Westwood، NY، لصالح US EPA، Duluth، MN، عقد رقم 68-01-3872.
López-Vázquez CM و G Buitrón-Méndez و HA García و FJ Cervantes-Carrillo (محرران) (2017). معالجة مياه الصرف الصحي البيولوجية. المبادئ والنمذجة والتصميم. IWA للنشر. 580 ص.
Matovelle C (2017) نموذج رياضي لجودة المياه مطبق في الحوض الصغير لنهر Tabacay. مجلة Killkana الفنية 1: 39-48.
Ordoñez-Moncada J and M Palacios-Quevedo (2017) نموذج جودة المياه. Concesionaria Vial Unión del Sur. كونسورتيوم SH. طريق مزدوج. روميتشاكا باستو. قسم نارينيو. HSE، Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 ص.
Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - دليل المستخدم ، برنامج كمبيوتر لتحديد ومحاكاة النظم المائية ، المعهد الفيدرالي السويسري لعلوم وتكنولوجيا البيئة (EAWAG) ، سويسرا.
Rendón-Velázquez CM (2013) النماذج الرياضية لجودة المياه في البحيرات والخزانات. أطروحة. كلية الهندسة. جامعة المكسيك الوطنية المستقلة. المكسيك ، DF 95 ص.

أنواع النماذج التي تنطبق على دراسة جودة المياه - بيئة - 2026