ประเภทของแบบจำลองที่ใช้ในการศึกษาคุณภาพน้ำ - สิ่งแวดล้อม

แบบจำลองคุณภาพน้ำเป็นสูตรทางคณิตศาสตร์ที่จำลองพฤติกรรมและผลกระทบของสารมลพิษในน้ำ ในแง่นี้สถานการณ์ที่เป็นไปได้ของผลกระทบของมลพิษจะถูกนำเสนอโดยใช้สูตรต่างๆที่เริ่มต้นจากพารามิเตอร์และตัวแปรบางตัว

มีแบบจำลองคุณภาพน้ำที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของการปนเปื้อนและปริมาณน้ำที่จะประเมิน แบบจำลองเหล่านี้ประกอบด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ตามอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์

การประเมินคุณภาพน้ำ ที่มา: CSIRO

แบบจำลองจะรวมข้อมูลภาคสนามจากตัวแปรและปัจจัยต่างๆรวมทั้งเงื่อนไขการป้อนข้อมูลบางอย่าง จากข้อมูลนี้แบบจำลองสร้างสถานการณ์ที่เป็นไปได้โดยประมาณข้อมูลในเวลาและพื้นที่ตามความน่าจะเป็น

พารามิเตอร์ที่ให้ข้อมูลมากที่สุดในการประเมินการปนเปื้อนในแหล่งน้ำคือความต้องการออกซิเจนทางชีวเคมี (BOD) แบบจำลองส่วนใหญ่มีการประมาณค่าความผันแปรของ BOD เป็นเกณฑ์ในการสร้างสถานการณ์จำลอง

รัฐบาลได้กำหนดกฎข้อบังคับด้านคุณภาพน้ำที่ต้องปฏิบัติตามเพื่อขอใบอนุญาตในการดำเนินกิจกรรมที่อาจก่อให้เกิดมลพิษ ในแง่นี้แบบจำลองเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อคุณภาพน้ำของกิจกรรมหนึ่ง ๆ

พื้นฐานทางคณิตศาสตร์

แบบจำลองที่ใช้ในการพยากรณ์พฤติกรรมของคุณภาพน้ำเป็นไปตามสมการเชิงอนุพันธ์ สมการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปริมาณการเปลี่ยนแปลงในฟังก์ชันหนึ่งกับขนาดของการเปลี่ยนแปลงในอีกฟังก์ชันหนึ่ง

สมการเชิงอนุพันธ์ไม่เชิงเส้นถูกนำมาใช้ในแบบจำลองคุณภาพน้ำเนื่องจากกระบวนการมลพิษทางน้ำมีความซับซ้อน (ไม่ตอบสนองต่อความสัมพันธ์ของสาเหตุ - ผลเชิงเส้น)

พารามิเตอร์

เมื่อใช้โมเดลบางอย่างจำเป็นต้องคำนึงถึงชุดของพารามิเตอร์

โดยทั่วไปจะมีการประมาณค่าพารามิเตอร์พื้นฐานเช่นความต้องการออกซิเจนทางชีวภาพ (BOD) ความต้องการออกซิเจนทางเคมี (COD) ไนโตรเจนและฟอสฟอรัสที่มีอยู่โดยประมาณ

BOD เป็นตัวบ่งชี้การปนเปื้อนที่สำคัญที่สุดตัวหนึ่งเนื่องจากค่าที่สูงบ่งบอกถึงจุลินทรีย์จำนวนมาก ในส่วนของซีโอดีระบุปริมาณออกซิเจนที่จำเป็นในการออกซิไดซ์สารอินทรีย์ด้วยวิธีทางเคมี

พารามิเตอร์ที่จะประเมินขึ้นอยู่กับชนิดของน้ำไม่ว่าจะเป็นเลนติก (ทะเลสาบสระน้ำหนองน้ำ) หรือโลทิก (แม่น้ำลำธาร) ทั้งนี้ต้องคำนึงถึงการไหลพื้นที่ครอบคลุมปริมาตรน้ำอุณหภูมิและสภาพอากาศด้วย

นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องพิจารณาแหล่งที่มาของการปนเปื้อนเพื่อประเมินเนื่องจากสารปนเปื้อนแต่ละชนิดมีพฤติกรรมและผลกระทบที่แตกต่างกัน

ในกรณีของการระบายออกสู่แหล่งน้ำจะมีการพิจารณาประเภทของการระบายสารมลพิษที่มีและปริมาตร

การจัดหมวดหมู่

มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มากมายเพื่อจำลองพฤติกรรมของสารมลพิษในแหล่งน้ำ สามารถจำแนกได้โดยขึ้นอยู่กับประเภทของกระบวนการที่พิจารณา (ทางกายภาพเคมีชีวภาพ) หรือประเภทของวิธีการแก้ปัญหา (เชิงประจักษ์โดยประมาณแบบง่าย)

ปัจจัยที่นำมาพิจารณาเพื่อจำแนกแบบจำลองเหล่านี้ ได้แก่ พลวัตและมิติ

พลวัต

แบบจำลองเครื่องเขียนพิจารณาว่าเพียงพอที่จะสร้างการกระจายความน่าจะเป็นของสถานะของสารมลพิษในช่วงเวลาหนึ่งหรือพื้นที่ที่กำหนด ต่อจากนั้นเขาคาดการณ์ว่าการกระจายความน่าจะเป็นโดยพิจารณาว่ามันเหมือนกันในทุกช่วงเวลาและพื้นที่ของแหล่งน้ำนั้น

ในแบบจำลองไดนามิกสันนิษฐานว่าความน่าจะเป็นของพฤติกรรมของสารมลพิษสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในเวลาและพื้นที่ แบบจำลองกึ่งไดนามิกทำการวิเคราะห์ในส่วนต่างๆและสร้างการประมาณค่าบางส่วนกับพลวัตของระบบ

มีโปรแกรมที่สามารถทำงานได้ทั้งในรูปแบบไดนามิกและแบบกึ่งไดนามิก

มิติข้อมูล

ขึ้นอยู่กับมิติเชิงพื้นที่ที่โมเดลพิจารณามีมิติหนึ่งมิติ (1D) สองมิติ (2D) และสามมิติ (3D)

แบบจำลองไร้มิติถือว่าสื่อเป็นเนื้อเดียวกันในทุกทิศทาง แบบจำลอง 1D สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ตามแม่น้ำ แต่ไม่ใช่ในแนวตั้งหรือส่วนตัดขวาง โมเดล 2 มิติจะพิจารณาสองมิติเหล่านี้ในขณะที่โมเดล 3 มิติจะรวมมิติทั้งหมดไว้ด้วย

ตัวอย่าง

ประเภทของแบบจำลองที่จะใช้ขึ้นอยู่กับเนื้อน้ำที่จะศึกษาและวัตถุประสงค์ของการศึกษาและต้องได้รับการสอบเทียบสำหรับแต่ละสภาวะโดยเฉพาะ นอกจากนี้ต้องคำนึงถึงความพร้อมใช้งานของข้อมูลและกระบวนการที่จะสร้างแบบจำลองด้วย

ตัวอย่างบางส่วนของแบบจำลองสำหรับการศึกษาคุณภาพน้ำในแม่น้ำลำธารและทะเลสาบมีการอธิบายไว้ด้านล่าง:

QUAL2K และ QUAL2Kw (แบบจำลองคุณภาพน้ำ)

จำลองตัวแปรคุณภาพน้ำทั้งหมดภายใต้การไหลคงที่จำลอง จำลอง BOD สองระดับเพื่อพัฒนาสถานการณ์ของแม่น้ำหรือความสามารถของลำธารในการย่อยสลายมลพิษอินทรีย์

แบบจำลองนี้ยังช่วยให้สามารถจำลองปริมาณคาร์บอนฟอสฟอรัสไนโตรเจนของแข็งอนินทรีย์แพลงก์ตอนพืชและเศษซากได้ ในทำนองเดียวกันมันจำลองปริมาณออกซิเจนที่ละลายน้ำซึ่งคาดการณ์ปัญหายูโทรฟิเคชันที่อาจเกิดขึ้นได้

ตัวแปรอื่น ๆ เช่น pH หรือความสามารถในการกำจัดเชื้อโรคก็ถูกคาดการณ์โดยอ้อมเช่นกัน

รุ่น STREETER-PHELPS

เป็นแบบจำลองที่มีประโยชน์มากในการประเมินพฤติกรรมของความเข้มข้นของสารมลพิษเฉพาะในพื้นที่ที่มีอิทธิพลต่อการปล่อยลงสู่แม่น้ำ

หนึ่งในมลพิษที่ก่อให้เกิดผลกระทบที่สำคัญที่สุดคือสารอินทรีย์ดังนั้นตัวแปรที่ให้ข้อมูลมากที่สุดในแบบจำลองนี้คือความต้องการออกซิเจนละลายน้ำ ดังนั้นจึงรวมสูตรทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการหลักที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจนละลายในแม่น้ำ

รุ่น MIKE11

เป็นการจำลองกระบวนการต่างๆเช่นการย่อยสลายสารอินทรีย์การสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจของพืชน้ำไนตริฟิเคชันและการแลกเปลี่ยนออกซิเจน โดดเด่นด้วยการจำลองกระบวนการเปลี่ยนแปลงและการกระจายตัวของสารมลพิษ

รุ่น RIOS

แบบจำลองนี้ได้รับการออกแบบในบริบทของการจัดการลุ่มน้ำและรวมข้อมูลทางชีวฟิสิกส์สังคมและเศรษฐกิจ

สร้างข้อมูลที่เป็นประโยชน์ในการวางแผนมาตรการแก้ไขและรวมถึงพารามิเตอร์ต่างๆเช่นออกซิเจนละลายน้ำ BOD โคลิฟอร์มและการวิเคราะห์สารพิษ

แบบจำลอง QUASAR (การจำลองคุณภาพตามระบบแม่น้ำ)

แม่น้ำถูกจำลองออกเป็นส่วน ๆ ซึ่งกำหนดโดยแควทางน้ำล้นและทางเข้าสาธารณะที่มาถึงหรือออกจากแม่น้ำ

ในบรรดาพารามิเตอร์อื่น ๆ จะพิจารณาการไหลอุณหภูมิ pH BOD และความเข้มข้นของแอมโมเนียไนเตรต Escherichia coli และออกซิเจนละลายน้ำ

WASP (โปรแกรมจำลองการวิเคราะห์คุณภาพน้ำ)

คุณสามารถเข้าใกล้การศึกษาแหล่งน้ำในมิติต่างๆ (1D, 2D หรือ 3D) เมื่อใช้งานผู้ใช้สามารถเลือกที่จะป้อนกระบวนการขนส่งทางจลศาสตร์คงที่หรือแปรผันตามเวลา

สามารถรวมการปล่อยของเสียแบบจุดและแบบไม่ใช้จุดและการใช้งานรวมถึงกรอบการสร้างแบบจำลองทางกายภาพเคมีและชีวภาพต่างๆ ในที่นี้สามารถรวมแง่มุมต่างๆเช่นยูโทรฟิเคชันและสารพิษ

แบบจำลอง AQUASIM

แบบจำลองนี้ใช้เพื่อศึกษาคุณภาพของน้ำทั้งในแม่น้ำและทะเลสาบ ทำงานเหมือนแผนภูมิการไหลซึ่งช่วยให้สามารถจำลองพารามิเตอร์จำนวนมากได้

อ้างอิง

Castro-Huertas MA (2015) การประยุกต์ใช้ QUAL2KW ในการสร้างแบบจำลองคุณภาพน้ำของแม่น้ำ Guacaica เขต Caldas ประเทศโคลอมเบีย งานปริญญา. คณะวิศวกรรมศาสตร์และสถาปัตยกรรมศาสตร์ภาควิชาวิศวกรรมเคมีมหาวิทยาลัยแห่งชาติโคลอมเบีย โคลอมเบีย 100 หน้า
Di Toro DM, JJ Fitzpatrick และ RV Thomann (1981) โปรแกรมจำลองการวิเคราะห์คุณภาพน้ำ (WASP) และ Model Verification Program (MVP) - เอกสาร Hydroscience, Inc. , Westwood, NY สำหรับ US EPA, Duluth, MN, สัญญาเลขที่ 68-01-3872
López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA Garcíaและ FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017) การบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ หลักการสร้างแบบจำลองและการออกแบบ สำนักพิมพ์ IWA 580 น.
Matovelle C (2017) แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของคุณภาพน้ำที่ใช้ในอ่างขนาดเล็กของแม่น้ำ Tabacay นิตยสาร Killkana Technical 1: 39-48
Ordoñez-Moncada J and M Palacios-Quevedo (2017) แบบจำลองคุณภาพน้ำ. Concesionaria Vial Unión del Sur SH Consortium. ถนนคู่ Rumichaca-Pasto กรมนาริโญ. HSE, AsesoríaและIngeniería Ambiental SAS 45 p.
Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - คู่มือการใช้งานโปรแกรมคอมพิวเตอร์สำหรับระบุและจำลองระบบสัตว์น้ำ Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG) ประเทศสวิตเซอร์แลนด์
Rendón-Velázquez CM (2013) แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของคุณภาพน้ำในทะเลสาบและอ่างเก็บน้ำ วิทยานิพนธ์. คณะวิศวกรรมศาสตร์. มหาวิทยาลัยอิสระแห่งชาติเม็กซิโก เม็กซิโก DF 95 หน้า

ประเภทของแบบจำลองที่ใช้ในการศึกษาคุณภาพน้ำ - สิ่งแวดล้อม - 2026