TYPES DE MODÈLES QUI S'APPLIQUENT À L'ÉTUDE DE LA QUALITÉ DE L'EAU - ENVIRONNEMENT - 2025

Les modèles de qualité de l'eau sont des formulations mathématiques qui simulent le comportement et les effets des polluants dans l'eau. En ce sens, des scénarios possibles de l'impact des polluants sont présentés, à l'aide de différentes formules partant de certains paramètres et variables.

Il existe différents modèles de qualité de l'eau selon la source de contamination et la masse d'eau à évaluer. Ces modèles sont constitués de programmes informatiques basés sur des algorithmes mathématiques.

Évaluation de la qualité de l'eau. Source: CSIRO

Les modèles intègrent des données de terrain provenant de diverses variables et facteurs, ainsi que certaines conditions d'entrée. À partir de ces données, les modèles génèrent les scénarios possibles, extrapolant les données dans le temps et dans l'espace en fonction des probabilités.

Le paramètre le plus informatif pour évaluer la contamination d'une masse d'eau est la demande biochimique en oxygène (DBO). La plupart des modèles incluent l'estimation de la variation de la DBO comme critère pour générer leurs scénarios.

Les gouvernements ont établi des réglementations sur la qualité de l'eau qui doivent être respectées afin d'obtenir des permis pour mener des activités potentiellement polluantes. En ce sens, les modèles sont un outil utile pour comprendre l'impact possible sur la qualité de l'eau d'une activité donnée.

Fondation mathématique

Les modèles utilisés pour prévoir le comportement de la qualité de l'eau sont basés sur des équations différentielles. Ces équations relient la quantité de changement dans une fonction à l'ampleur du changement dans une autre.

Des équations différentielles non linéaires sont utilisées dans les modèles de qualité de l'eau, car les processus de pollution de l'eau sont complexes (ils ne répondent pas à une relation de cause à effet linéaire).

Paramètres

Lors de l'application d'un certain modèle, il est nécessaire de prendre en compte une série de paramètres.

En général, les paramètres de base tels que la demande biologique en oxygène (DBO), la demande chimique en oxygène (DCO), l'azote et le phosphore présents sont estimés.

La DBO est l'un des indicateurs de contamination les plus importants, car des valeurs élevées indiquent un grand nombre de micro-organismes. Pour sa part, la DCO indique la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder la matière organique par voie chimique.

Les paramètres à évaluer dépendent du type de plan d'eau, soit lentique (lacs, étangs, marécages) soit lotique (rivières, ruisseaux). Le débit, la surface couverte, le volume d'eau, la température et le climat doivent également être pris en compte.

Il est également nécessaire de considérer la source de contamination à évaluer, car chaque contaminant a un comportement et un effet différents.

Dans le cas des rejets dans la masse d'eau, le type de rejet, les polluants qu'il contient et son volume sont pris en compte.

Classification

Il existe de nombreux modèles mathématiques pour simuler le comportement des polluants dans les plans d'eau. Ils peuvent être classés en fonction du type de processus qu'ils envisagent (physique, chimique, biologique) ou du type de méthode de solution (empirique, approximative, simplifiée).

Les facteurs qui sont pris en compte pour classer ces modèles sont la dynamique et la dimensionnalité.

Dynamique

Les modèles stationnaires considèrent qu'il suffit d'établir la distribution de probabilité de l'état du polluant à un instant ou dans un espace donné. Par la suite, il extrapole cette distribution de probabilité en la considérant comme la même dans tout le temps et dans l'espace de cette masse d'eau.

Dans les modèles dynamiques, on suppose que la probabilité de comportement des polluants peut changer dans le temps et dans l'espace. Les modèles quasi-dynamiques effectuent l'analyse par parties et génèrent une approximation partielle de la dynamique du système.

Il existe des programmes qui peuvent fonctionner à la fois dans des modèles dynamiques et quasi dynamiques.

Dimensionnalité

En fonction des dimensions spatiales que le modèle considère, il existe sans dimension, unidimensionnel (1D), bidimensionnel (2D) et tridimensionnel (3D).

Un modèle sans dimension considère le milieu comme homogène dans toutes les directions. Un modèle 1D peut décrire la variation spatiale le long d'une rivière, mais pas dans sa section verticale ou transversale. Un modèle 2D tiendra compte de deux de ces dimensions, tandis qu'un modèle 3D les inclura toutes.

Exemples

Le type de modèle à utiliser dépend de la masse d'eau à étudier et de l'objectif de l'étude, et doit être calibré pour chaque condition particulière. De plus, la disponibilité des informations et les processus à modéliser doivent être pris en considération.

Quelques exemples de modèles pour les études de la qualité de l'eau dans les rivières, les ruisseaux et les lacs sont décrits ci-dessous:

QUAL2K et QUAL2Kw (modèle de qualité de l'eau)

Simule toutes les variables de qualité de l'eau sous un débit constant simulé. Simule deux niveaux de DBO pour développer des scénarios de la capacité de la rivière ou du ruisseau à dégrader les polluants organiques.

Ce modèle permet également de simuler la quantité résultante de carbone, de phosphore, d'azote, de solides inorganiques, de phytoplancton et de détritus. De même, il simule la quantité d'oxygène dissous, ce qui prédit d'éventuels problèmes d'eutrophisation.

D'autres variables telles que le pH ou la capacité d'éliminer les pathogènes sont également projetées indirectement.

Modèle STREETER-PHELPS

C'est un modèle très utile pour évaluer le comportement de la concentration d'un polluant spécifique dans la zone d'influence d'un rejet dans une rivière.

L'un des polluants qui produit l'effet le plus significatif est la matière organique. La variable la plus informative de ce modèle est donc la demande en oxygène dissous. Par conséquent, il comprend une formulation mathématique des principaux processus associés à l'oxygène dissous dans une rivière.

Modèle MIKE11

Il simule divers processus tels que la dégradation de la matière organique, la photosynthèse et la respiration des plantes aquatiques, la nitrification et l'échange d'oxygène. Il se caractérise par la simulation des processus de transformation et de dispersion des polluants.

Modèle RIOS

Ce modèle a été conçu dans le contexte de la gestion des bassins versants et combine des données biophysiques, sociales et économiques.

Il génère des informations utiles pour planifier les mesures d'assainissement et comprend des paramètres tels que l'oxygène dissous, la DBO, les coliformes et l'analyse des substances toxiques.

Modèle QUASAR (Simulation de la qualité le long des systèmes fluviaux)

La rivière est modélisée en sections, définies par les affluents, les déversoirs et les prises publiques qui en arrivent ou en partent.

Entre autres paramètres, il prend en compte le débit, la température, le pH, la DBO et la concentration d'ammoniac, de nitrates, d'Escherichia coli et d'oxygène dissous.

WASP (programme de simulation d'analyse de la qualité de l'eau)

Vous pouvez aborder l'étude de la masse d'eau dans différentes dimensions (1D, 2D ou 3D). Lors de son utilisation, l'utilisateur peut choisir d'entrer des processus de transport cinétique constants ou variant dans le temps.

Les rejets ponctuels et diffus de déchets peuvent être inclus et leurs applications incluent divers cadres de modélisation physique, chimique et biologique. Ici, différents aspects tels que l'eutrophisation et les substances toxiques peuvent être inclus.

Modèle AQUASIM

Ce modèle est utilisé pour étudier la qualité de l'eau des rivières et des lacs. Il fonctionne comme un organigramme, permettant de simuler un grand nombre de paramètres.

Références

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