수질 연구에 적용되는 모델 유형 - 환경 - 2026

수질 모델은 수질 오염 물질의 거동과 영향을 시뮬레이션하는 수학적 공식입니다. 이러한 의미에서 특정 매개 변수 및 변수에서 시작하는 다양한 공식을 사용하여 오염 물질의 영향에 대한 가능한 시나리오가 제시됩니다.

오염원과 평가할 수역에 따라 다양한 수질 모델이 있습니다. 이러한 모델은 수학적 알고리즘을 기반으로하는 컴퓨터 프로그램으로 구성됩니다.

수질 평가. 출처 : CSIRO

이 모델은 다양한 변수 및 요인의 필드 데이터와 특정 입력 조건을 통합합니다. 이 데이터에서 모델은 확률을 기반으로 시간과 공간에서 데이터를 외삽하여 가능한 시나리오를 생성합니다.

수역 오염을 평가하는 가장 유익한 매개 변수는 생화학 적 산소 요구량 (BOD)입니다. 대부분의 모델은 시나리오를 생성하기위한 기준으로 이사회 변동 추정치를 포함합니다.

정부는 잠재적 인 오염 활동을 수행하기위한 허가를 얻기 위해 충족해야하는 수질 규정을 제정했습니다. 이러한 의미에서 모델은 주어진 활동의 수질에 미칠 수있는 영향을 이해하는 데 유용한 도구입니다.

수학적 기초

수질의 거동을 예측하는 데 사용되는 모델은 미분 방정식을 기반으로합니다. 이 방정식은 한 함수의 변화량을 다른 함수의 변화량과 관련시킵니다.

비선형 미분 방정식은 수질 모델에서 사용됩니다. 수질 오염 과정은 복잡하기 때문입니다 (선형 인과 관계에 반응하지 않음).

매개 변수

특정 모델을 적용 할 때 일련의 매개 변수를 고려해야합니다.

일반적으로 BOD (Biological Oxygen Demand), COD (Chemical Oxygen Demand), 질소 및 인 존재와 같은 기본 매개 변수가 추정됩니다.

높은 값은 많은 수의 미생물을 나타 내기 때문에 BOD는 가장 중요한 오염 지표 중 하나입니다. COD는 화학적 수단으로 유기물을 산화시키는 데 필요한 산소의 양을 나타냅니다.

평가할 매개 변수는 수역 (호수, 연못, 늪) 또는 로트 (강, 하천)의 수역 유형에 따라 다릅니다. 유량, 덮힌 면적, 물의 양, 온도 및 기후도 고려해야합니다.

또한 각 오염 물질은 행동과 효과가 다르기 때문에 평가할 오염원도 고려해야합니다.

수역으로 배출되는 경우 배출 유형, 포함 된 오염 물질 및 양이 고려됩니다.

분류

수역에서 오염 물질의 거동을 시뮬레이션하는 수학적 모델이 많이 있습니다. 고려하는 공정 유형 (물리적, 화학적, 생물학적) 또는 솔루션 방법 유형 (경험적, 근사치, 단순화)에 따라 분류 할 수 있습니다.

이러한 모델을 분류하기 위해 고려되는 요소는 역학과 차원입니다.

동적

고정 모델은 주어진 순간 또는 공간에서 오염 물질 상태의 확률 분포를 설정하는 것으로 충분하다고 간주합니다. 그 후, 그는 그 수역의 모든 시간과 공간에서 동일한 확률 분포를 고려하여 그 확률 분포를 외삽합니다.

동적 모델에서는 오염 물질 행동의 확률이 시간과 공간에 따라 변할 수 있다고 가정합니다. 준 동적 모델은 부분적으로 분석을 수행하고 시스템의 동역학에 대한 부분적인 근사치를 생성합니다.

동적 모델과 유사 동적 모델 모두에서 작동 할 수있는 프로그램이 있습니다.

차원

모델이 고려하는 공간 차원에 따라 무 차원, 1 차원 (1D), 2 차원 (2D) 및 3 차원 (3D)이 있습니다.

무 차원 모델은 매체가 모든 방향에서 균질하다고 간주합니다. 1D 모델은 강을 따라 공간적 변화를 설명 할 수 있지만 수직 또는 횡단면이 아닙니다. 2D 모델은 이러한 차원 중 두 가지를 고려하고 3D 모델은 모두 포함합니다.

예

사용할 모델 유형은 연구 할 수역과 연구 목적에 따라 다르며 각 특정 조건에 대해 보정해야합니다. 또한 정보의 가용성과 모델링 할 프로세스를 고려해야합니다.

강, 하천 및 호수의 수질 연구를위한 모델의 몇 가지 예가 아래에 설명되어 있습니다.

QUAL2K 및 QUAL2Kw (수질 모델)

시뮬레이션 된 상수 흐름에서 모든 수질 변수를 시뮬레이션합니다. 두 가지 수준의 BOD를 시뮬레이션하여 유기 오염 물질을 분해하는 강 또는 하천의 능력에 대한 시나리오를 개발합니다.

이 모델은 또한 탄소, 인, 질소, 무기 고형물, 식물성 플랑크톤 및 폐기물의 결과 량을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 마찬가지로, 가능한 부영양화 문제를 예측하는 용존 산소의 양을 시뮬레이션합니다.

pH 또는 병원균 제거 능력과 같은 다른 변수도 간접적으로 예측됩니다.

STREETER-PHELPS 모델

하천으로의 배출 영향 영역에서 특정 오염 물질의 농도 거동을 평가하는 데 매우 유용한 모델입니다.

가장 중요한 영향을 미치는 오염 물질 중 하나는 유기물이므로이 모델에서 가장 유익한 변수는 용존 산소 요구량입니다. 따라서 강의 용존 산소와 관련된 주요 과정의 수학적 공식을 포함합니다.

모델 MIKE11

유기물의 분해, 수생 식물의 광합성 및 호흡, 질화 및 산소 교환과 같은 다양한 과정을 시뮬레이션합니다. 오염 물질의 변형 및 분산 과정을 시뮬레이션하는 것이 특징입니다.

RIOS 모델

이 모델은 유역 관리의 맥락에서 설계되었으며 생물 물리학, 사회 및 경제 데이터를 결합합니다.

개선 조치를 계획하는 데 유용한 정보를 생성하고 용존 산소, BOD, 대장균 및 독성 물질 분석과 같은 매개 변수를 포함합니다.

QUASAR 모델 (하천 시스템을 따른 품질 시뮬레이션)

강은 지류, 배수로 및 강에 도착하거나 출발하는 공공 취수로 정의 된 섹션으로 분리 된 모델입니다.

다른 매개 변수 중에서 암모니아, 질산염, 대장균 및 용존 산소의 흐름, 온도, pH, BOD 및 농도를 고려합니다.

WASP (수질 분석 시뮬레이션 프로그램)

다양한 차원 (1D, 2D 또는 3D)으로 수역 연구에 접근 할 수 있습니다. 이를 사용할 때 사용자는 일정하거나 시간에 따라 변하는 운동 전송 프로세스를 입력하도록 선택할 수 있습니다.

점 및 비점 폐기물 배출을 포함 할 수 있으며 그 응용에는 다양한 물리적, 화학적 및 생물학적 모델링 프레임 워크가 포함됩니다. 여기에는 부영양화 및 독성 물질과 같은 다양한 측면이 포함될 수 있습니다.

AQUASIM 모델

이 모델은 강과 호수의 수질을 연구하는 데 사용됩니다. 플로우 차트처럼 작동하여 많은 수의 매개 변수를 시뮬레이션 할 수 있습니다.

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