ARTEN VON MODELLEN, DIE FÜR DIE UNTERSUCHUNG DER WASSERQUALITÄT GELTEN - UMGEBUNG - 2025

Modelle für die Wasserqualität sind mathematische Formulierungen, die das Verhalten und die Auswirkungen von Schadstoffen im Wasser simulieren. In diesem Sinne werden mögliche Szenarien der Auswirkungen von Schadstoffen anhand verschiedener Formeln dargestellt, die von bestimmten Parametern und Variablen ausgehen.

Abhängig von der Kontaminationsquelle und dem zu bewertenden Gewässer gibt es unterschiedliche Modelle der Wasserqualität. Diese Modelle bestehen aus Computerprogrammen, die auf mathematischen Algorithmen basieren.

Bewertung der Wasserqualität. Quelle: CSIRO

Die Modelle integrieren Felddaten aus verschiedenen Variablen und Faktoren sowie bestimmte Eingabebedingungen. Aus diesen Daten generieren die Modelle die möglichen Szenarien und extrapolieren Daten in Zeit und Raum basierend auf Wahrscheinlichkeiten.

Der aussagekräftigste Parameter zur Bewertung der Kontamination eines Gewässers ist der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB). Die meisten Modelle enthalten die Schätzung der Variation des BSB als Kriterium für die Erstellung ihrer Szenarien.

Die Regierungen haben Vorschriften zur Wasserqualität festgelegt, die eingehalten werden müssen, um Genehmigungen für die Durchführung potenziell umweltschädlicher Tätigkeiten zu erhalten. In diesem Sinne sind Modelle ein nützliches Werkzeug, um die möglichen Auswirkungen einer bestimmten Aktivität auf die Wasserqualität zu verstehen.

Mathematische Grundlage

Die Modelle zur Vorhersage des Verhaltens der Wasserqualität basieren auf Differentialgleichungen. Diese Gleichungen beziehen das Ausmaß der Änderung in einer Funktion auf das Ausmaß der Änderung in einer anderen.

Nichtlineare Differentialgleichungen werden in Wasserqualitätsmodellen verwendet, da Wasserverschmutzungsprozesse komplex sind (sie reagieren nicht auf eine lineare Ursache-Wirkungs-Beziehung).

Parameter

Bei der Anwendung eines bestimmten Modells müssen eine Reihe von Parametern berücksichtigt werden.

Im Allgemeinen werden grundlegende Parameter wie der biologische Sauerstoffbedarf (BSB), der chemische Sauerstoffbedarf (CSB), der vorhandene Stickstoff und der Phosphor geschätzt.

Der BSB ist einer der wichtigsten Kontaminationsindikatoren, da hohe Werte auf eine große Anzahl von Mikroorganismen hinweisen. CSB gibt seinerseits die Menge an Sauerstoff an, die erforderlich ist, um organische Stoffe auf chemischem Wege zu oxidieren.

Die zu bewertenden Parameter hängen von der Art des Gewässers ab, entweder Lentic (Seen, Teiche, Sümpfe) oder Lotic (Flüsse, Bäche). Der Durchfluss, die abgedeckte Fläche, das Wasservolumen, die Temperatur und das Klima müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Es ist auch notwendig, die zu bewertende Kontaminationsquelle zu berücksichtigen, da jeder Kontaminant ein anderes Verhalten und eine andere Wirkung hat.

Bei Einleitungen in das Gewässer werden die Art der Einleitung, die darin enthaltenen Schadstoffe und ihr Volumen berücksichtigt.

Einstufung

Es gibt zahlreiche mathematische Modelle, um das Verhalten von Schadstoffen in Gewässern zu simulieren. Sie können in Abhängigkeit von der Art des betrachteten Prozesses (physikalisch, chemisch, biologisch) oder der Art der Lösungsmethode (empirisch, ungefähr, vereinfacht) klassifiziert werden.

Die Faktoren, die bei der Klassifizierung dieser Modelle berücksichtigt werden, sind Dynamik und Dimensionalität.

Dynamisch

Stationäre Modelle halten es für ausreichend, die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Schadstoffzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Raum zu bestimmen. Anschließend extrapoliert er diese Wahrscheinlichkeitsverteilung, indem er sie in allen Zeiten und Räumen dieses Gewässers als gleich betrachtet.

In dynamischen Modellen wird angenommen, dass sich die Wahrscheinlichkeit des Schadstoffverhaltens zeitlich und räumlich ändern kann. Quasidynamische Modelle führen die Analyse in Teilen durch und erzeugen eine teilweise Annäherung an die Dynamik des Systems.

Es gibt Programme, die sowohl in einem dynamischen als auch in einem quasidynamischen Modell arbeiten können.

Dimensionalität

Abhängig von den räumlichen Dimensionen, die das Modell berücksichtigt, gibt es dimensionslose, eindimensionale (1D), zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D).

Ein dimensionsloses Modell betrachtet das Medium als in alle Richtungen homogen. Ein 1D-Modell kann die räumliche Variation entlang eines Flusses beschreiben, jedoch nicht in seinem vertikalen oder Querschnitt. Ein 2D-Modell berücksichtigt zwei dieser Dimensionen, während ein 3D-Modell alle dieser Dimensionen enthält.

Beispiele

Die Art des zu verwendenden Modells hängt vom zu untersuchenden Gewässer und dem Ziel der Studie ab und muss für jede bestimmte Bedingung kalibriert werden. Darüber hinaus müssen die Verfügbarkeit von Informationen und die zu modellierenden Prozesse berücksichtigt werden.

Einige Beispiele für Modelle zur Untersuchung der Wasserqualität in Flüssen, Bächen und Seen werden nachstehend beschrieben:

QUAL2K und QUAL2Kw (Wasserqualitätsmodell)

Simuliert alle Wasserqualitätsvariablen unter einem simulierten konstanten Durchfluss. Simuliert zwei BSB-Ebenen, um Szenarien für die Fähigkeit des Flusses oder Baches zu entwickeln, organische Schadstoffe abzubauen.

Dieses Modell ermöglicht auch die Simulation der resultierenden Menge an Kohlenstoff, Phosphor, Stickstoff, anorganischen Feststoffen, Phytoplankton und Detritus. Ebenso simuliert es die Menge an gelöstem Sauerstoff, die mögliche Eutrophierungsprobleme vorhersagt.

Andere Variablen wie der pH-Wert oder die Fähigkeit zur Beseitigung von Krankheitserregern werden ebenfalls indirekt projiziert.

STREETER-PHELPS-Modell

Es ist ein sehr nützliches Modell, um das Verhalten der Konzentration eines bestimmten Schadstoffs im Einflussbereich einer Einleitung in einen Fluss zu bewerten.

Einer der Schadstoffe, der den größten Effekt erzeugt, ist organische Substanz. Die aussagekräftigste Variable in diesem Modell ist daher der Bedarf an gelöstem Sauerstoff. Daher enthält es eine mathematische Formulierung der Hauptprozesse, die mit gelöstem Sauerstoff in einem Fluss verbunden sind.

Modell MIKE11

Es simuliert verschiedene Prozesse wie den Abbau organischer Stoffe, die Photosynthese und Atmung von Wasserpflanzen, die Nitrifikation und den Sauerstoffaustausch. Es zeichnet sich durch die Simulation der Prozesse der Umwandlung und Verteilung von Schadstoffen aus.

RIOS-Modell

Dieses Modell wurde im Rahmen des Managements von Wassereinzugsgebieten entwickelt und kombiniert biophysikalische, soziale und wirtschaftliche Daten.

Es generiert nützliche Informationen für die Planung von Sanierungsmaßnahmen und enthält Parameter wie gelösten Sauerstoff, BSB, Coliforme und die Analyse toxischer Substanzen.

QUASAR-Modell (Qualitätssimulation entlang von Flusssystemen)

Der Fluss wird in Abschnitte unterteilt modelliert, die durch die Nebenflüsse, Überläufe und öffentlichen Zuflüsse definiert werden, die von ihm ankommen oder abfließen.

Unter anderem werden Durchfluss, Temperatur, pH-Wert, BSB und Konzentration von Ammoniak, Nitraten, Escherichia coli und gelöstem Sauerstoff berücksichtigt.

WASP (Simulationsprogramm zur Analyse der Wasserqualität)

Sie können sich der Untersuchung des Gewässers in verschiedenen Dimensionen (1D, 2D oder 3D) nähern. Bei der Verwendung kann der Benutzer wählen, ob er konstante oder zeitlich variierende kinetische Transportprozesse eingeben möchte.

Punkt- und Nichtpunktabfalleinleitungen können einbezogen werden, und ihre Anwendungen umfassen verschiedene physikalische, chemische und biologische Modellierungsrahmen. Hier können verschiedene Aspekte wie Eutrophierung und toxische Substanzen einbezogen werden.

AQUASIM-Modell

Dieses Modell wird verwendet, um die Wasserqualität in Flüssen und Seen zu untersuchen. Es funktioniert wie ein Flussdiagramm und ermöglicht die Simulation einer großen Anzahl von Parametern.

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