Modele jakości wód jako narzędzie do identyfikacji zagrożeń i planowania ochrony hydrosfery

Zakres wykładu Podstawy teoretyczne Podział modeli Przykłady aplikacji

Kierunki migracji zanieczyszczeń w przyrodzie Aquasols i Areosol zawieszone w wodzie lub powietrzu drobne czastki stale. Technicznie, aerozol zawiesinę drobnych cząstek stałych lub kropelek cieczy w gazie. Przykładami są: dym, mgłę oceaniczny, zanieczyszczenie powietrza, smog i gazu CS. W ogóle rozmowy, aerozoli odnosi się zwykle do aerozolu mogą lub wyjście takie można. Aerozol słowo pochodzi od faktu, że sprawa "pływające" w powietrzu w postaci zawiesiny (mieszaniny, w której stałym, ciekłym lub w połączeniu stałych i ciekłych cząstek zawieszonych w cieczy). W celu odróżnienia od prawdziwego rozwiązania zawieszenia, termin sol ewoluowała-pierwotnie przeznaczone na pokrycie dyspersji małe (sub-mikroskopijne) cząsteczki w cieczy. Z badania dyspersji w powietrzu, termin ewoluował w aerozolu i teraz obejmuje zarówno kropelki cieczy, cząstek stałych i ich kombinacje.

Główne procesy związane z przemieszczaniem się zanieczyszczeń w ekosystemach wodnych Adsorpcja — to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia. Adsorpcji nie należy mylić z absorpcją, która jest procesem wnikania do wnętrza fazy. Adsporpcję, absorpcję i wymianę jonową przyjęło się wspólnie nazywać procesami sorpcji. Absorpcja (fizyka, chemia) (łac. absorbere, wchłaniać) to proces polegający na wnikaniu cząsteczek, atomów lub jonów do wnętrza innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą - (gazu, cieczy, ciała stałego itp.) Absorpcji nie należy mylić z adsorpcją, która jest zjawiskiem powierzchniowym. Absorpcja, adsorpcja i wymiana jonowa są wspólnie nazywane procesami sorpcji. Mechanizm absorpcji polega na podziale absorbowanego składnika pomiędzy dwie fazy (ośrodki) objętościowe. Zjawisko to opisuje prawo podziału Nernsta, a w szczególnym przypadku równowagi gaz/ciecz prawo Henry'ego. Zjawiska absorpcji są powszechne w naturze. Np: oddychanie jest procesem absorpcji tlenu do krwi. Absorpcja jest też stosowana na masową skalę w procesach technologicznych. Stanowi np. podstawowy mechanizm umożliwiający oczyszczanie związków chemicznych przez ekstrakcję Jest to proces dyfuzyjny zachodzący podczas bezprzeponowego zetknięcia cieczy z gazem zawierającym składnik, który chcemy z niego usunąć. Składnik gazowy pochłaniany przez ciecz nazywa się absorbatem, a ciecz używana do pochłaniania określonego składnika nazywa się absorbentem. W chemii mamy najczęściej do czynienia z absorbcją jednej substancji( absorbat) i przez (absorbent) znajdująca się w jednej fazie oraz z apsorbcją promieniowania (elektromagnetycznego, korpuskularnego,fal akustycznych) przez różne substancje. Absorpcja jest pochłanianiem całą obęjtością absorbentu, którym najczęściej jest ciecz (rzadko ciało stałe np. gazowy wodór pochłaniany przez pallad) absorbująca gazy lub inne ciecze. Metodą absorbcji można np. oczyszczać gazy selektywne, absorbując niepożądane składniki (np. tlenki siarki pochłaniane w roztworze wodorotlenku wapnia). Absorpcja jest związana z reakcjami chemicznymi pomiędzy absorbatem i absorbentem.

Czy to na pewno daje się modelować? (wg. Dojlido J. R. : Chemia wód powierzchniowych)

Czy to na pewno daje się modelować? (wg. Dojlido J. R. : Chemia wód powierzchniowych)

Czy to na pewno daje się modelować?

Podstawowe procesy transportu Adwekcja Makroskopowy ruch płynu przemieszczającego elementy płynu jako całość, nie zmieniający ich koncentracji. Zawartość zanieczyszczeń w każdym przemieszczającym się elemencie płynu nie zmienia się w czasie, natomiast zmienia się koncentracja w każdym nieruchomym punkcie przestrzeni wodnej Dyfuzja molekularna Przypadkowe molekularne przenoszenie cząstek z jednego miejsca na drugie. Dyfuzja w odróżnieniu od adwekcji jest procesem nieodwracalnym Dyfuzja turbulentna (wirowa) Przemieszczanie cząstek z jednego miejsca na drugie wywołane mikroskopową turbulencją Dyspersja Przenoszenie cząstek z jednego miejsca na drugie wywołane powtarzającą się dyfuzją turbulentną wzdłuż gradientu prędkości.

Schematy procesu adwekcji, dyfuzji turbulentnej i dyspersji

Schemat doświadczenia przeprowadzonego przez Fick’s w celu opisania transportu zanieczyszczeń z punktu a do b wywołanego dyfuzją

Schemat matematyczny elementu obliczeniowego Prawo zachowania masy w układzie zamkniętym - ilość powstałych produktów jest zgodna z ilością substratów wziętych do przeprowadzenia reakcji. Wynika z zasady zachowania energii (fizyka) oraz zasady równoznaczności materii i energii. W reakcjach chemicznych wymieniane ilości energii są na tyle małe, że nie dają się wykryć obecnie dostępnymi metodami jako zmiana masy układu: Przemiana 1 g masy na energię to równoważność energii Δm·c2 = 9·1010 kJ. Trudny do zmierzenia deficyt masy rzędu 0,000001 (10-6) jednostki masy atomowej odpowiada ok. 90 MJ/mol czyli 90000 kJ/mol, a więc około 100 do 1000 razy więcej niż energia typowej reakcji chemicznej (zobacz równanie Einsteina).

Podział modeli ze względu na cel zastosowań

Klasyfikacja technik symulacyjnych stosowanych w modelach Modele deterministyczne- wszystkie parametry traktowane są jako wielkości stałe możliwe do oszacowania w każdym konkretnym przypadku sytuacji decyzyjnej. Modele probabilistyczne – oprócz parametrów deterministycznych występują też parametry będące zmiennymi losowymi o znanych rozkładach prawdopodobieństwa. Modele statystyczne- występuje co najmniej jeden parametr będący zmienną losową o nieznanym rozkładzie prawdopodobieństwa. Modele strategiczne- występuje co najmniej jeden parametr taki, że w momencie podejmowania decyzji znany jest jedynie zbiór wartości które parametr może przyjąć.

Schemat podziału sieci rzecznej na elementy obliczeniowe

Schemat zależności chemicznych modelu Quale2eu

w modelach jednowymiarowych (wg. R..Kulikowskiego) Równanie dyfuzji turbulentnej w modelach jednowymiarowych (wg. R..Kulikowskiego)

Równanie dyfuzji turbulentnej w modelach dwuwymiarowych (wg. W.Czernuszenko)

Równanie dyfuzji turbulentnej w modelach trójwymiarowych gdzie: Dx,Dy,Dz - główne składowe tensora dyfuzji turbulentnej Vx, Vy, Vz - wektor prędkości strumienia rzecznego

Zestawienie porównawcze modeli jakości wód powierzchniowych

Zintegrowane modele jakości wód SWAT MIKE 11 AGNPS BASIN

Systemy zintegrowane z modelami jakości wody

Systemy zintegrowane z modelami jakości wody

Systemy zintegrowane z modelami jakości wody

Wyniki analiz modelu

Wyniki analiz modelu

Stężenie w punkcie mg/l Stężenie poszerzone na odcinek mg/l Przepływ m3/h Ładunek kg/s

M.O.Zielińska: Hydrologia stosowana,PWN, 1994 Warszawa Spis literatury A.James: An Introduction to Water Quality Modeling.Wiley,West Sussex 1993 S.C.Chapra: Surface Water - Quality Modeling.Mhcollege,1997 Singampore. http://www.mhcollege.com M.O.Zielińska: Hydrologia stosowana,PWN, 1994 Warszawa Instrukcje obsługi modeli znajdujące się na stronie: http://www.cee.odu.edu/cee/model/model.html