水質の研究に適用されるモデルのタイプ - 環境 - 2025

水質のモデルは、水中の汚染物質の挙動と影響をシミュレートする数学的な定式化です。この意味で、特定のパラメーターと変数から始まるさまざまな式を使用して、汚染物質の影響の考えられるシナリオが提示されます。

汚染源と評価される水域に応じて、水質の異なるモデルがあります。これらのモデルは、数学的アルゴリズムに基づくコンピュータープログラムで構成されています。

水質の評価。出典：CSIRO

モデルは、さまざまな変数や因子のフィールドデータに加えて、特定の入力条件を統合します。このデータから、モデルは可能なシナリオを生成し、確率に基づいて時間と空間のデータを推定します。

水域の汚染を評価するための最も有益なパラメータは、生化学的酸素要求量（BOD）です。ほとんどのモデルには、シナリオを生成するための基準としてBODの変動の推定が含まれています。

政府は、汚染の可能性がある活動を実施するための許可を得るために満たす必要がある水質規制を確立しています。この意味で、モデルは、特定の活動が水質に及ぼす可能性のある影響を理解するのに役立つツールです。

数学的基盤

水質の挙動を予測するために使用されるモデルは、微分方程式に基づいています。これらの方程式は、ある関数の変化量を別の関数の変化の大きさに関連付けます。

水質汚染プロセスは複雑であるため（線形の因果関係には反応しないため）、非線形微分方程式が水質モデルで使用されます。

パラメーター

特定のモデルを適用する場合、一連のパラメーターを考慮する必要があります。

一般に、生物学的酸素要求量（BOD）、化学的酸素要求量（COD）、存在する窒素とリンなどの基本的なパラメータが推定されます。

高い値は多数の微生物を示すため、BODは最も重要な汚染指標の1つです。CODは、化学的手段によって有機物を酸化するために必要な酸素の量を示します。

評価されるパラメータは、水域のタイプによって異なります。これは、静水域（湖、池、沼地）または水域（河川、小川）のいずれかです。流れ、覆われる面積、水量、温度、気候も考慮に入れられなければなりません。

また、汚染物質ごとに動作や効果が異なるため、評価する汚染源を考慮する必要があります。

水域への排出の場合、排出の種類、そこに含まれる汚染物質、およびその量が考慮されます。

分類

水域における汚染物質の挙動をシミュレートするための多数の数学モデルがあります。それらは、検討するプロセスのタイプ（物理的、化学的、生物学的）または解決方法のタイプ（経験的、概算、簡略化）に応じて分類できます。

これらのモデルを分類するために考慮される要因は、ダイナミクスと次元数です。

動的

定常モデルは、特定の瞬間または空間における汚染物質の状態の確率分布を確立することで十分であると見なします。その後、彼はその確率分布を、その水域のすべての時間と空間で同じと見なして外挿します。

動的モデルでは、汚染物質の挙動の確率は時間と空間で変化する可能性があると想定されています。準動的モデルは、部分的に解析を実行し、システムのダイナミクスの部分近似を生成します。

動的モデルと準動的モデルの両方で機能するプログラムがあります。

次元性

モデルが考慮する空間次元に応じて、無次元、1次元（1D）、2次元（2D）、および3次元（3D）があります。

無次元モデルでは、媒体はすべての方向で均一であると見なされます。1Dモデルは、川沿いの空間変動を記述できますが、その垂直または断面では記述できません。2Dモデルはこれらの2つの次元を考慮しますが、3Dモデルはそれらすべてを含みます。

例

使用するモデルのタイプは、調査する水域と調査の目的によって異なり、特定の条件ごとに調整する必要があります。さらに、情報の可用性とモデル化するプロセスを考慮する必要があります。

河川、小川、湖の水質を研究するためのモデルの例を以下に示します。

QUAL2KおよびQUAL2Kw（水質モデル）

シミュレートされた一定の流れの下ですべての水質変数をシミュレートします。BODの2つのレベルをシミュレートして、有機汚染物質を分解する川または小川の能力のシナリオを作成します。

このモデルでは、炭素、リン、窒素、無機固体、植物プランクトン、およびデトリタスの結果量をシミュレートすることもできます。同様に、溶存酸素の量をシミュレートし、富栄養化の問題の可能性を予測します。

pHや病原体を排除する能力などの他の変数も間接的に予測されます。

STREETER-PHELPSモデル

河川への放流の影響のある領域における特定の汚染物質の濃度の挙動を評価するのに非常に役立つモデルです。

最も重要な効果を生み出す汚染物質の1つは有機物であるため、このモデルで最も有益な変数は溶存酸素需要です。したがって、川の溶存酸素に関連する主要なプロセスの数学的定式化が含まれます。

モデルMIKE11

有機物の分解、水生植物の光合成と呼吸、硝化、酸素交換など、さまざまなプロセスをシミュレートします。それは汚染物質の変換と分散のプロセスをシミュレートすることを特徴としています。

RIOSモデル

このモデルは、流域管理のコンテキストで設計され、生物物理学的、社会的、経済的データを組み合わせています。

改善策を計画するための有用な情報を生成し、溶存酸素、BOD、大腸菌群、毒性物質の分析などのパラメーターを含みます。

QUASARモデル（河川システムに沿った品質シミュレーション）

川は、支流、余水路、およびそこから出入りする公共の取水口によって定義されるセクションに分割されてモデル化されます。

他のパラメーターの中で、流量、温度、pH、BOD、およびアンモニア、硝酸塩、大腸菌、溶存酸素の濃度が考慮されます。

WASP（水質分析シミュレーションプログラム）

さまざまな次元（1D、2D、3D）で水域の調査に取り組むことができます。それを使用するとき、ユーザーは一定または時間的に変化する動的輸送プロセスを入力することを選択できます。

ポイントおよび非ポイント廃棄物排出を含めることができ、それらのアプリケーションには、さまざまな物理的、化学的および生物学的モデリングフレームワークが含まれます。ここでは、富栄養化や有毒物質などのさまざまな側面を含めることができます。

AQUASIMモデル

このモデルは、河川と湖の両方の水質を研究するために使用されます。フローチャートのように機能し、多数のパラメーターをシミュレートできます。

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