Quali tipi di modelli dovrebbero essere applicati allo studio della qualità dell'acqua?

I modelli per la qualità dell'acqua sono formulazioni matematiche che simulano il comportamento e gli effetti dei contaminanti nell'acqua. In questo senso, vengono presentati i possibili scenari dell'impatto degli inquinanti, utilizzando diverse formule che partono da determinati parametri e variabili.

Esistono diversi modelli di qualità dell'acqua in base alla fonte di contaminazione e al corpo idrico che si desidera valutare. Questi modelli consistono in programmi per computer basati su algoritmi matematici.

I modelli integrano i dati di campo di varie variabili e fattori, oltre a determinate condizioni di ingresso. Da questi dati, i modelli generano i possibili scenari, estrapolando i dati nel tempo e nello spazio in base alle probabilità.

Il parametro più informativo per valutare la contaminazione di un corpo idrico è la domanda biochimica di ossigeno (BOD). La maggior parte dei modelli include la stima della variazione del BOD come criterio per generare i propri scenari.

I governi hanno stabilito norme sulla qualità dell'acqua che devono essere soddisfatte per ottenere i permessi per l'esecuzione di attività potenzialmente inquinanti. In questo senso, i modelli sono uno strumento utile per comprendere il possibile impatto sulla qualità dell'acqua di una determinata attività.

Fondamento matematico

I modelli utilizzati per prevedere il comportamento della qualità dell'acqua si basano su equazioni differenziali. Queste equazioni mettono in relazione la quantità di cambiamento di una certa funzione con la grandezza della variazione in un'altra.

Nei modelli di qualità dell'acqua vengono utilizzate equazioni differenziali non lineari, poiché i processi di inquinamento idrico sono complessi (non rispondono a una relazione di causa-effetto lineare).

parametri

Quando si applica un determinato modello è necessario tenere conto di una serie di parametri.

In generale, i parametri di base sono stimati come la richiesta biologica di ossigeno (BOD), la domanda chimica di ossigeno (COD), l'azoto e il fosforo presenti.

Il BOD è uno dei più importanti indicatori di inquinamento, in quanto valori elevati indicano una grande quantità di microrganismi. Da parte sua, il COD indica la quantità di ossigeno necessaria per ossidare la sostanza organica con mezzi chimici.

I parametri da valutare dipendono dal tipo di corpo idrico, sia esso lentic (laghi, lagune, paludi) o lotici (fiumi, torrenti). Anche il flusso, l'area coperta, il volume di acqua, la temperatura e il clima devono essere presi in considerazione.

È inoltre necessario considerare la fonte di contaminazione da valutare, poiché ciascun inquinante ha un comportamento e un effetto diversi.

Nel caso di scarichi nel corpo idrico, vengono considerati il ​​tipo di scarico, i contaminanti che contiene e il suo volume.

classificazione

Esistono numerosi modelli matematici per simulare il comportamento degli inquinanti nei corpi idrici. Possono essere classificati in base al tipo di processo che considerano (fisico, chimico, biologico) o al tipo di metodo di soluzione (empirico, approssimativo, semplificato).

I fattori che vengono presi in considerazione per classificare questi modelli sono la dinamica e la dimensionalità.

dinamico

I modelli stazionari ritengono che sia sufficiente stabilire la distribuzione di probabilità dello stato dell'inquinante in un dato tempo o spazio. Successivamente, estrapola quella distribuzione di probabilità considerandola uguale in tutto il tempo e lo spazio di quel corpo idrico.

Nei modelli dinamici, si presume che le probabilità di comportamento dei contaminanti possano cambiare nel tempo e nello spazio. I modelli quasi-dinamici eseguono le analisi in parti e generano una parziale approssimazione alla dinamica del sistema.

Esistono programmi che possono funzionare sia in modelli dinamici che quasi-dinamici.

dimensionalità

A seconda delle dimensioni spaziali considerate dal modello, esistono dimensioni adimensionali, unidimensionali (1D), bidimensionali (2D) e tridimensionali (3D).

Un modello adimensionale ritiene che il mezzo sia omogeneo in tutte le direzioni. Un modello 1D può descrivere la variazione spaziale lungo un fiume, ma non nella sua sezione trasversale o verticale. Un modello 2D prenderà in considerazione due di queste dimensioni, mentre una 3D includerà tutte queste dimensioni.

Esempi

Il tipo di modello da utilizzare dipende dal corpo idrico da studiare e dall'obiettivo dello studio, e deve essere calibrato per ogni particolare condizione. Inoltre, deve essere presa in considerazione la disponibilità di informazioni e i processi da modellare.

Alcuni esempi di modelli per gli studi sulla qualità dell'acqua in fiumi, torrenti e laghi sono descritti di seguito:

Modello QUAL2K e QUAL2Kw (modello di qualità dell'acqua)

Simula tutte le variabili di qualità dell'acqua sotto un flusso costante simulato. Simula due livelli di BOD per sviluppare scenari di capacità fluviale o corrente di degradare gli inquinanti organici.

Questo modello consente inoltre di simulare la quantità risultante di carbonio, fosforo, azoto, solidi inorganici, fitoplancton e detriti. Similmente, simula la quantità di ossigeno disciolto, che prevede potenziali problemi di eutrofizzazione.

Altre variabili come il pH o la capacità di eliminare gli agenti patogeni sono anche proiettate indirettamente.

Modello STREETER-PHELPS

È un modello molto utile per valutare il comportamento della concentrazione di un inquinante specifico nell'area di influenza di uno scarico in un fiume.

Uno degli inquinanti che produce un effetto più significativo è la materia organica, quindi la variabile più informativa in questo modello è la richiesta di ossigeno disciolto. Pertanto, include una formulazione matematica dei principali processi associati all'ossigeno disciolto in un fiume.

Modello MIKE11

Simula vari processi come la degradazione della sostanza organica, la fotosintesi e la respirazione delle piante acquatiche, la nitrificazione e lo scambio di ossigeno. È caratterizzato dalla simulazione dei processi di trasformazione e dispersione degli inquinanti.

Modello RIOS

Questo modello è stato progettato nel contesto della gestione dei bacini idrografici e combina dati biofisici, sociali ed economici.

Genera informazioni utili per pianificare misure di risanamento e include parametri come ossigeno disciolto, BOD, coliformi e analisi di sostanze tossiche.

Modello QUASAR (simulazione di qualità lungo i sistemi fluviali)

Il fiume è modellato separatamente in sezioni, definite dagli affluenti, dalle discariche e dagli sbocchi pubblici che arrivano o partono da esso.

Considerare tra gli altri parametri la portata, la temperatura, il pH, il BOD e la concentrazione di nitrati di ammoniaca, Escherichia coli e ossigeno disciolto.

WASP (programma di simulazione dell'analisi della qualità dell'acqua)

È possibile avvicinarsi allo studio del corpo idrico in diverse dimensioni (1D, 2D o 3D). Usandolo, l'utente può scegliere di inserire nel tempo processi di trasporto cinetici costanti o variabili.

Si possono includere scarichi di rifiuti puntuali e non puntuali e le loro applicazioni comprendono diversi fotogrammi di modellizzazione fisica, chimica e biologica. Qui puoi includere diversi aspetti come l'eutrofizzazione e le sostanze tossiche.

Modello AQUASIM

Questo modello viene utilizzato per studiare la qualità dell'acqua nei fiumi e nei laghi. Funziona come un diagramma di flusso, consentendo di simulare un gran numero di parametri.