CÁC LOẠI MÔ HÌNH ÁP DỤNG CHO NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG NƯỚC - MÔI TRƯỜNG - 2026

Mô hình chất lượng nước là các công thức toán học mô phỏng hành vi và ảnh hưởng của các chất ô nhiễm trong nước. Theo nghĩa này, các kịch bản có thể xảy ra về tác động của các chất ô nhiễm được trình bày, sử dụng các công thức khác nhau bắt đầu từ các thông số và biến số nhất định.

Có nhiều mô hình chất lượng nước khác nhau tùy thuộc vào nguồn ô nhiễm và vùng nước cần đánh giá. Các mô hình này bao gồm các chương trình máy tính dựa trên các thuật toán toán học.

Đánh giá chất lượng nước. Nguồn: CSIRO

Các mô hình tích hợp dữ liệu trường từ các biến và yếu tố khác nhau, cộng với các điều kiện đầu vào nhất định. Từ dữ liệu này, các mô hình tạo ra các tình huống có thể xảy ra, ngoại suy dữ liệu theo thời gian và không gian dựa trên xác suất.

Tham số thông tin nhất để đánh giá độ ô nhiễm của một vùng nước là nhu cầu oxy sinh hóa (BOD). Hầu hết các mô hình bao gồm ước tính sự thay đổi của HĐQT như một tiêu chí để đưa ra các kịch bản của chúng.

Các chính phủ đã thiết lập các quy định về chất lượng nước phải được đáp ứng để có được giấy phép thực hiện các hoạt động có khả năng gây ô nhiễm. Theo nghĩa này, các mô hình là một công cụ hữu ích để hiểu tác động có thể có đối với chất lượng nước của một hoạt động nhất định.

Nền tảng toán học

Các mô hình được sử dụng để dự báo hành vi của chất lượng nước dựa trên các phương trình vi phân. Các phương trình này liên hệ lượng thay đổi của một hàm với mức độ thay đổi của hàm khác.

Phương trình vi phân phi tuyến được sử dụng trong các mô hình chất lượng nước, bởi vì các quá trình ô nhiễm nước rất phức tạp (chúng không phản ứng với mối quan hệ nhân - quả tuyến tính).

Thông số

Khi áp dụng một mô hình nào đó cần phải tính đến một loạt các tham số.

Nói chung, các thông số cơ bản như Nhu cầu oxy sinh học (BOD), Nhu cầu oxy hóa học (COD), nitơ và phốt pho hiện có được ước tính.

BOD là một trong những chỉ số ô nhiễm quan trọng nhất, vì giá trị cao cho thấy một số lượng lớn vi sinh vật. Về phần mình, COD cho biết lượng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ bằng phương pháp hóa học.

Các thông số được đánh giá phụ thuộc vào loại nước, có thể là nước (hồ, ao, đầm) hoặc lotic (sông, suối). Cũng phải tính đến lưu lượng, diện tích bao phủ, khối lượng nước, nhiệt độ và khí hậu.

Cũng cần phải xem xét nguồn ô nhiễm được đánh giá, vì mỗi chất gây ô nhiễm có một hành vi và tác dụng khác nhau.

Trong trường hợp xả thải vào vùng nước, loại chất thải, chất ô nhiễm mà nó chứa và khối lượng của nó được xem xét.

Phân loại

Có rất nhiều mô hình toán học để mô phỏng hành vi của các chất ô nhiễm trong các vùng nước. Chúng có thể được phân loại tùy thuộc vào loại quá trình mà chúng xem xét (vật lý, hóa học, sinh học) hoặc loại phương pháp giải (thực nghiệm, gần đúng, đơn giản hóa).

Các yếu tố được tính đến để phân loại các mô hình này là động lực học và chiều.

Động

Mô hình tĩnh coi rằng chỉ cần thiết lập phân bố xác suất trạng thái của chất ô nhiễm tại một thời điểm hoặc không gian nhất định là đủ. Sau đó, ông ngoại suy phân bố xác suất đó coi nó là như nhau trong mọi thời gian và không gian của khối nước đó.

Trong các mô hình động, người ta giả định rằng xác suất của hành vi gây ô nhiễm có thể thay đổi theo thời gian và không gian. Mô hình gần như động thực hiện phân tích theo từng phần và tạo ra giá trị gần đúng một phần với động lực học của hệ thống.

Có những chương trình có thể hoạt động trong cả mô hình động và mô hình bán động.

Kích thước

Tùy thuộc vào các kích thước không gian mà mô hình xem xét, có không thứ nguyên, một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D).

Mô hình không thứ nguyên coi môi trường là đồng nhất theo mọi hướng. Mô hình 1D có thể mô tả sự biến đổi không gian dọc theo một con sông, nhưng không mô tả theo phương thẳng đứng hoặc mặt cắt ngang của nó. Mô hình 2D sẽ xem xét hai trong số các kích thước này, trong khi mô hình 3D sẽ bao gồm tất cả chúng.

Ví dụ

Loại mô hình được sử dụng phụ thuộc vào vùng nước được nghiên cứu và mục tiêu của nghiên cứu, và phải được hiệu chuẩn cho từng điều kiện cụ thể. Ngoài ra, sự sẵn có của thông tin và các quá trình được mô hình hóa phải được xem xét.

Dưới đây là mô tả một số ví dụ về mô hình nghiên cứu chất lượng nước sông, suối và hồ:

QUAL2K và QUAL2Kw (Mô hình chất lượng nước)

Mô phỏng tất cả các biến chất lượng nước dưới dòng chảy không đổi mô phỏng. Mô phỏng hai mức BOD để phát triển các kịch bản về khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ của sông hoặc suối.

Mô hình này cũng cho phép mô phỏng lượng carbon, phốt pho, nitơ, chất rắn vô cơ, thực vật phù du và mùn vụn. Tương tự như vậy, nó mô phỏng lượng oxy hòa tan, dự đoán các vấn đề phú dưỡng có thể xảy ra.

Các biến số khác như pH hoặc khả năng loại bỏ mầm bệnh cũng được dự báo gián tiếp.

Mô hình STREETER-PHELPS

Đây là một mô hình rất hữu ích để đánh giá hành vi của nồng độ của một chất ô nhiễm cụ thể trong vùng ảnh hưởng của việc xả thải vào sông.

Một trong những chất ô nhiễm tạo ra ảnh hưởng đáng kể nhất là chất hữu cơ, vì vậy biến số thông tin nhiều nhất trong mô hình này là nhu cầu oxy hòa tan. Do đó, nó bao gồm một công thức toán học về các quá trình chính liên quan đến oxy hòa tan trong sông.

Mô hình MIKE11

Nó mô phỏng các quá trình khác nhau như sự phân hủy chất hữu cơ, quá trình quang hợp và hô hấp của thực vật thủy sinh, quá trình nitrat hóa và trao đổi oxy. Nó được đặc trưng bởi mô phỏng các quá trình biến đổi và phân tán của các chất ô nhiễm.

Mô hình RIOS

Mô hình này được thiết kế trong bối cảnh quản lý lưu vực và kết hợp dữ liệu lý sinh, xã hội và kinh tế.

Nó tạo ra thông tin hữu ích để lập kế hoạch các biện pháp xử lý và bao gồm các thông số như oxy hòa tan, BOD, coliform và phân tích các chất độc hại.

Mô hình QUASAR (Mô phỏng chất lượng dọc theo hệ thống sông)

Con sông được mô hình hóa tách thành nhiều đoạn, được xác định bởi các phụ lưu, đập tràn và cửa hút công cộng đến hoặc đi từ nó.

Trong số các thông số khác, nó xem xét lưu lượng, nhiệt độ, pH, BOD và nồng độ của amoniac, nitrat, Escherichia coli và oxy hòa tan.

WASP (Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước)

Bạn có thể tiếp cận nghiên cứu vật thể của nước ở các chiều khác nhau (1D, 2D hoặc 3D). Khi sử dụng nó, người dùng có thể chọn nhập các quá trình vận chuyển động học không đổi hoặc thay đổi theo thời gian.

Các chất thải điểm và không điểm có thể được bao gồm và các ứng dụng của chúng bao gồm các khung mô hình vật lý, hóa học và sinh học khác nhau. Ở đây có thể bao gồm các khía cạnh khác nhau như hiện tượng phú dưỡng và các chất độc hại.

Mô hình AQUASIM

Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu chất lượng nước ở cả sông và hồ. Nó hoạt động giống như một lưu đồ, cho phép mô phỏng một số lượng lớn các tham số.

Người giới thiệu

1. Castro-Huertas MA (2015) Ứng dụng QUAL2KW trong mô hình hóa chất lượng nước của sông Guacaica, tỉnh Caldas, Colombia. Làm việc bằng cấp. Khoa Kỹ thuật và Kiến trúc, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Quốc gia Colombia. Cô-lôm-bi-a. 100 tr.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick và RV Thomann (1981) Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước (WASP) và Chương trình xác minh mô hình (MVP) - Tài liệu. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, cho US EPA, Duluth, MN, Hợp đồng số 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García và FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Xử lý nước thải sinh học. Nguyên tắc, mô hình hóa và thiết kế. Nhà xuất bản IWA. 580 tr.
4. Matovelle C (2017) Mô hình toán học về chất lượng nước ứng dụng trong vi lưu vực sông Tabacay. Tạp chí kỹ thuật Killkana 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J và M Palacios-Quevedo (2017) Mô hình chất lượng nước. Concesionaria Vial Unión del Sur. Tổ hợp SH. Đường đôi. Rumichaca-Pasto. Cục Nariño. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 tr.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Hướng dẫn sử dụng, chương trình máy tính để xác định và mô phỏng các hệ thống thủy sinh, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ (EAWAG), Thụy Sĩ.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Các mô hình toán học về chất lượng nước trong các hồ và hồ chứa. Luận văn. Khoa Kỹ thuật. Đại học Tự trị Quốc gia Mexico. Mexico, DF 95 tr.