水質の研究にはどのような種類のモデルを適用すべきですか？



水質のモデルは、水中の汚染物質の挙動と影響をシミュレートする数学的公式です。この意味で、汚染物質の影響の可能なシナリオは、特定のパラメータと変数から始まるさまざまな式を使用して提示されます。.

汚染源や評価したい水域によって、水質のモデルは異なります。これらのモデルは、数学的アルゴリズムに基づいたコンピュータープログラムで構成されています。.

モデルは、さまざまな変数や要因のフィールドデータに加えて特定の入力条件を統合します。これらのデータから、モデルは可能性のあるシナリオを生成し、確率に基づいてデータを時間と空間で推定します。.

水域の汚染を評価するための最も有益なパラメータは、生化学的酸素要求量（BOD）です。ほとんどのモデルは、それらのシナリオを生成するための基準としてBOD変動の推定を含みます.

政府は、潜在的に汚染する活動の実行の許可を得るために満たさなければならない水質規制を確立しました。この意味で、モデルは与えられた活動の水質への影響の可能性を理解するための有用な道具です。.

索引

  • 1数学の基礎
    • 1.1パラメータ
  • 2分類
    • 2.1ダイナミクス
    • 2.2次元
  • 3例
    • 3.1モデルQUAL2KとQUAL2Kw（水質モデル）
    • 3.2モデルSTREETER-PHELPS
    • 3.3モデルMIKE11
    • 3.4 RIOSモデル
    • 3.5 QUASARモデル（河川システムに沿った品質シミュレーション）
    • 3.6 WASP（水質分析シミュレーションプログラム）
    • 3.7 AQUASIMモデル
  • 4参考文献

数学的基礎

水質の挙動を予測するために使用されるモデルは、微分方程式に基づいています。これらの方程式は、ある関数の変化量を他の関数の変化の大きさと関連付けます。.

水質モデルでは、水質汚染プロセスが複雑であるため、非線形の微分方程式が使用されます（それらは線形の因果関係には反応しません）。.

パラメータ

特定のモデルを適用するときは、一連のパラメータを考慮に入れる必要があります。.

一般に、生物学的酸素要求量（BOD）、化学的酸素要求量（COD）、存在する窒素およびリンなどの基本パラメータが推定されます。.

高い値は大量の微生物を示すため、BODは最も重要な汚染指標の1つです。その部分については、CODは化学的手段によって有機物を酸化するために必要な酸素の量を示します.

評価されるパラメータは、水の種類によって異なります。それは、レンズのようなもの（湖、ラグーン、湿地）またはロト（川、小川）です。それはまた流れ、覆われた面積、水の量、温度と気候を考慮に入れるべきです。.

各汚染物質は異なる振る舞いと影響を持っているので、評価する汚染源を考慮することも必要です。.

水域への排出の場合は、排出の種類、それに含まれる汚染物質、およびその量が考慮されます。.

分類

水域での汚染物質の挙動をシミュレートするための多数の数学モデルがあります。それらは彼らが考慮するプロセスのタイプ（物理的、化学的、生物学的）または解決方法のタイプ（経験的、近似的、単純化された）によって分類することができます。.

これらのモデルを分類するために考慮に入れられる要因は、ダイナミクスと次元です。.

ダイナミクス

定常モデルは、所与の時間または空間における汚染物質の状態の確率分布を確立するのに十分であると考えています。その後、その確率分布を、それがその水域のすべての時間と空間で等しいことを考慮して外挿します。.

動的モデルでは、汚染物質の挙動の確率は時間と空間で変化する可能性があると想定されています。準動的モデルは部分的に分析を実行し、システムのダイナミクスに対する部分近似を生成します。.

動的モデルと準動的モデルの両方で機能するプログラムがあります。.

次元

モデルによって考慮される空間寸法に応じて、無次元、一次元（１Ｄ）、二次元（２Ｄ）および三次元（３Ｄ）がある。.

無次元モデルは、媒体があらゆる方向で均質であると見なします。 1次元モデルでは、河川に沿った空間的変動を記述できますが、断面や垂直方向では記述できません。 2次元モデルはこれらの2つの次元を考慮しますが、3次元モデルはそれらすべてを含みます。.

例

使用するモデルの種類は、調査対象の水域と調査の目的によって異なります。また、特定の条件ごとに調整する必要があります。さらに、情報の可用性とモデル化するプロセスを考慮に入れる必要があります。.

河川、小川、湖沼における水質調査のためのモデルの例を以下に示します。

モデルQUAL2K、QUAL2Kw（水質モデル）

シミュレートされた一定の流れの下ですべての水質変数をシミュレートします。 2つのレベルのBODをシミュレートして、河川のシナリオまたは有機汚染物質を分解する現在の能力を開発します。.

このモデルでは、炭素、リン、窒素、無機固体、植物プランクトン、および破砕物の量もシミュレートできます。同様に、富栄養化の潜在的な問題を予測する溶存酸素量をシミュレートします。.

pHや病原体を除去する能力などの他の変数も間接的に予測されます.

STREETER-PHELPS形

河川への流出の影響のある地域における特定の汚染物質の濃度の挙動を評価することは非常に有用なモデルです。.

より重大な影響をもたらす汚染物質の1つは有機物です。したがって、このモデルで最も有益な変数は溶存酸素の需要です。したがって、それは川の溶存酸素に関連する主な過程の数学的定式化を含みます.

MIKE11形

有機物の分解、水生植物の光合成および呼吸、硝化および酸素交換などのさまざまなプロセスをシミュレートします。それは汚染物質の変換と分散の過程をシミュレートすることによって特徴付けられる.

RIOSモデル

このモデルは流域管理の文脈で設計され、生物物理学的、社会的、経済的データを組み合わせたものです。.

修復対策を計画するための有用な情報を生成し、溶存酸素、BOD、大腸菌群、有害物質分析などのパラメータを含みます。.

QUASARモデル（河川システムに沿った品質シミュレーション）

川は、支流、埋め立て地、およびそこから出入りする公的な排水口によって定義されるセクションに別々にモデル化されています.

他のパラメータの中でも、硝酸アンモニウムの流量、温度、pH、BOD、および濃度を考慮してください。, 大腸菌, 溶存酸素.

WASP（水質分析シミュレーションプログラム）

さまざまな次元（1D、2Dまたは3D）で水域の研究に取り組むことができます。それを使用するとき、ユーザーは経時的に一定または可変の動的輸送プロセスに入ることを選択できます.

点状および非点状廃棄物の排出を含めることができ、それらの用途には物理的、化学的および生物学的モデリングのいくつかの枠組みが含まれる。富栄養化や有害物質など、さまざまな側面を含めることができます。.

AQUASIM形

このモデルは河川や湖沼の水質を研究するために使われます。フロー図として機能し、多数のパラメータをシミュレートすることができます。.

参考文献

  1. Castro-Huertas MA（2015）コロンビア、カルダス県のグアカイカ川の水質モデリングにおけるQUAL2KWの適用。学位勤務コロンビア国立大学工学部建築工学部化学工学科。コロンビア100 p.
  2. Di Toro DM、JJ Fitzpatrick yRV Thomann（1981）水質分析シミュレーションプログラム（WASP）およびモデル検証プログラム（MVP） - ドキュメンテーション。米国ニューヨーク州ウェストウッドのハイドロサイエンス社。 EPA、ダルース、ミネソタ、契約番号68-01-3872.
  3. López-VázquezCM、GBuitrón-Méndez、HAGarcía、FJ Cervantes-Carrillo（編）（2017）。廃水の生物学的処理原理、モデル化および設計IWA出版580 p.
  4. Matovelle C（2017）Tabacay川の流域に適用された水質の数学モデル。キルカナテクニカルレビュー1：39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J and M Palacios-Quevedo（2017）水質モデル。サザンユニオンロードのコンセッショネア。 SHコンソーシアムダブルロードルミチャカ - 牧草地。ナリーニョ県。 HSE、環境コンサルティングおよびエンジニアリング45 p.
  6. Reichert P（1998）AQUASIM 2.0 - ユーザマニュアル、水系の同定とシミュレーションのためのコンピュータプログラム、スイス連邦環境科学技術研究所（EAWAG）、スイス.
  7. Rendón-VelázquezCM（2013）湖沼や貯水池の水質の数学モデル。論文工学部です。メキシコ国立自治大学。メキシコ、D.F. 95 p.