بخشی از مقاله
چکیده - رودخانه کارده یکی از منابع تامین کننده آب شرب شهر مشهد واقع در 45 کیلومتری شمال آن است. جهت مدلسازی عددی رفتار خودپالایی رودخانه کارده، از نرم افزار MIKE 11 استفاده گردیده است. در این نرم افزار شرایط مرزی بالادست شامل دبی و آلودگی - Ecoli - و شرایط مرزی پایین شامل رقوم سطح آب و آلودگی بوده که از طریق اندازه گیری و نمونه برداری های صحرایی صورت گرفته است.
اندازه گیری دبی توسط مولینه در محل و میزان آلودگی با نمونه برداری، از آب رودخانه در مرداد ماه 1393 توسط آزمایشگاه با اخذ 36 نمونه از آب رودخانه کارده، انجام شده است. اندازه گیری های کیفی و کمی آب در بازه ای به طول 2740 متر بعنوان بازه مطالعاتی که نماینده و شبیه به کل رودخانه است صورت گرفته است. با مدلسازی رفتاری کیفی رودخانه در این بازه و کالیبره کردن نرم افزار MIKE 11 ، ضرایب پخش و انتقال آلودگی شامل فاکتور پخش و توان ضریب پخش و همجنین ضریب زوال آلودگی رودخانه کارده بدست آمد. سپس با تعمیم این ضرایب به کل رودخانه اقدام به مدل سازی عددی رفتار خودپالایی در کل رودخانه گردید.
-1 مقدمه
در حال حاضر بیماری های قابل انتقال از طریق آب یکی از شایع ترین عوامل تهدید کننده سلامت جامعه محسوب می شود از اینرو شناخت و درک بهتر نسبت به عوامل تولید کننده آلودگی میکروبی و نحوه ی سیر و حرکت پاتوژن ها در منابع آب خام حائز اهمیت می باشد. برای نمایش وضعیت میکروبی آب از باکتر های غیر پاتوژنی که اولا مرتبط با پاتوژن هایی می باشند که ازطریق آلودگی مدفوعی انسانی و حیوانی منتقل می شوند و ثانیا به راحتی نمونه گیری و سنجیده می شوند استفاده می کنند. باکتری هایی با مشخصات فوق را ارگانیزم های شاخص می گویند.
قدم اول در مدلسازی عددی آلودگی رودخانه، انتخاب شاخصی مناسب جهت آلودگی است. به طور معمول و متداول از باکتری های خانواده کلیفرم به عنوان میکروارگانیزم های شاخص استفاده می شود. باکتری های خانواده کلیفرم که قادر به تخمیر لاکتوز و تولید گاز دی اکسید کربن می باشند شامل خانواده باکتری کل، خانواده باکتری کلیفرم مدفوعی، و باکتری Ecoli می باشند. باکتری ها به صورت دو نیم شدن رشد و تکثیر می یابند. با این وجود عوامل محیطی فراوانی بر کاهش جمعیت آنها تاثیر گذار می باشند از آن جمله می توان به تاثیر دما[1]، تشعشع خورشید[2]، خاک و رطوبت، [3] PH، اکسیژن محلول [4] و مواد معلق و رسوبات[5] اشاره کرد.
بقای کلیفرم مدفوعی در دماهای پایین به علت کاهش متابولیسم جمعیت میکروبی بیشتر می باشد. در تحقیقات فراوان انجام گرفته نرخ زوال باکتری کلیفرم مدفوعی و تغییرات آن در دماهای مختلف اندازه گیری شده است. نتایج حاکی از ارتباط مستقیم نرخ زوال باکتری کلیفرم مدفوعی با دما می باشد.[1] تاثیر نور خورشید بر مرگ و میر باکتری کلیفرم مدفوعی بسیار چشمگیر می باشد. در این باره آزمایشات متعددی انجام گرفته است که همگی موید تاثیرات قابل توجه تشعشع خورشید بر نرخ زوال باکتری کلیفرم مدفوعی می باشدSiwak and .[2] Fujioka 1985 مقدار - زمانی که جمعیت میکروبی به یک دهم مقدار اولیه کاهش می باید - کلیفرم مدفوعی را در یکی دو ساعت تحت تشعشع خورشید برابر چندین روز در تاریکی تعیین کردند.
طبق نتایج آزمایشگاهی مقادیر PH بسیار بالا یا بسیار پایین زوال باکتری کلیفرم مدفوعی در خاک وآب را افزایش میدهد. Yates دریافت که PH در حدود 4-3 تاثیر مرگباری را بر روی بقای باکتری در آب و خاک دارد. در این شرایط در آب هایی که شیرابه های اسیدی به آن ها وارد می شود و منجر به کاهش PH آب به حدود 3 می شوند.[3] حضور اکسیژن محلول در آب روی بقای باکتری تاثیر منفی دارد. بارگذاری زیاد مواد مغذی منجر به کاهش اکسیژن و در نتیجه بقای بیشتر کلیفرم مدفوعی می شود. مجموعه مطالعات انجام گرفته نشان می دهد که مرگ و میر کلیفرم مدفوعی در آبهای غنی از اکسیژن بسیار بالاست.[4]
-2 مواد و روشها
-1-2 معادلات حاکم
در این مطالعه جهت تعیین پارامترهای پخش و انتقال و ضریب زوال آلودگی از شبیه سازی جریان در محیط نرم افزار MIKE11 استفاده شده است این بسته نرم افزاری توسط انستیتو هیدورلیک دانمارک - Danish Hydraulic Institute - DHI - تهیه شده است و قادر به شبیه سازی یک بعدی جریان، انتقال رسوبات و کیفیت آب به صورت غیردائمی در رودخانه ها، مصب ها و شبکه های آبیاری می باشد. این برنامه از روش اختلاف محدود - - Finite Difference برای حل یک بعدی معادلات جریان، انتقال رسوب و کیفیت آب استفاده می کند. مدل هیدرودینامیکی در واقع عنصر زیر بنائی تمام سیستم مذکور است و پایه ای برای سایر مدل های موجود در برنامه نظیر پخش و انتشار، کیفیت آب و حمل رسوبات می باشد.
معادله یک بعدی انتقال و پخش که نرم افزار MIKE11 جهت مدلسازی استفاده می کند معادله - 4 - است که از ترکیب معادلات - - 2 و - 3 - بدست می آید. معادله - 2 - نیز از ترکیب معادله پیوستگی - 5 - و معادله اندازه حرکت - 6 - که همان معادلات سنتونانت هستند بدست می آید .کانال کوچک است و بنابراین عمق جریان اندازه گیری شده به صورت قائم برابر با عمق جریان اندازه گیری شده عمود بر کف کانال در نظر گرفته میشود. -4 از معادله مانینگ به عنوان معادله مقاومت جریان استفاده می شود. -5 جریان به صورت همگن و غیر قابل تراکم در نظر گرفته می شود.[8]
-2-2 روش حل معادلات
S غلظت آلودگی - cfu/100ml - ، A سطح مقطع جریان و K ضریب زوال - day-1 - ، Q دبی جریان،ST منبع افزایش دهنده یا کاهش دهنده، DL ضریب پخشیدگی طولی وSL غلظت ورودی یا خروجی جانبی ماده آلوده کننده میباشد. و نیز t و x به ترتیب متغیرهای زمان و مکان، g شتاب گرانشی، Sf شیب اصطکاکی و h=y+Zb که در آن h تراز سطح آب اندازه گیری شده از سطح مبنای افقی، y عمق جریان و Zb تراز کف کانال بالای سطح مبنای افقی میباشند.
فرضیات اصلی استفاده شده در بدست آوردن معادلات سنتونانت عبارتاند از: -1 توزیع فشار هیدرواستاتیک است و از شتاب قائم ذرات آب صرف نظر میشود. -2 سرعت به صورت یکنواخت در مقطع کانال توزیع شده است. -3 متوسط شیب کف یکی از روشهایی که در حل عددی معادلهی انتقال-پخش مورد استفاده قرار میگیرد، الگوی Abbot- Ionescu می باشد. در این روش الگوی معادله پخش - انتقال مطابق شکل - 1 - می باشد. بنابراین ابتدا معادله پخش - انتقال که به شکل روابط - 2 - و - 4 - می باشد، با استفاده از روابط پاره سازی - 7 - تا - 10 - به شکل سه معادله کلی - 11 - ، - 12 - و - 13 - تبدیل شده که شکل ماتریسی این معادلات مطابق رابطه - 14 - خواهد بود.
