بخشی از مقاله
شبیه سازی کیفی رودخانه کارون در بازه بند قیر- اهواز با استفاده از مدل
QUAL2K
چکیده
یک جنبه مهم در مدیریت کیفیت آب، مدلسازی تغییرات کیفی آب در رودخانه ها در ارتباط با ورودی طبیعی و انسانی می باشد. با مدلسازی سیستم های رودخانه، امکان ارزیابی ظرفیت محتمل این سیستم وجود داشته و بنابراین به پیش بینی اثرات اعمال شده از طریق رخدادهای طبیعی و انسانی کمک خواهد کرد. رودخانه کارون یکی از منابع مهم تامین آب استان خوزستان بوده و واحد های بزرگ صنعتی،کشاورزی و مسکونی متعددی در حاشیه این رودخانه قرار دارد. لذا انجام تحقیقاتی جامع پیرامون آلودگی های آن از لحاظ کیفی و کمی و استفاده از ابزارهای مدیریتی همچون مدل های ریاضی به منظور پیش بینی وضعیت کیفی آب و پیشگیری از آلودگی فزاینده آن امری ضروری به نظر می رسد. به منظور بررسی و ارزیابی ، مدل مذکور برای شبیه سازی، کیفی رودخانه کارون در بازه بندقیر -اهواز به طول تقریبی 80کیلومتر برای دو پارامتر نیترات و آمونیوم با توجه به توسعه کشاورزی در منطقه ی مورد نظر و استفاده از کودهای شیمیائی،فاضلاب های صنعتی و شهری برای مدلسازی انتخاب گردید. این پارامترها در طی مدت 5 ماه اندازه گیری شده و نتایج بدست آمده برای واسنجی(کالیبراسیون)، صحت یابی و اعتبار سنجی مدل بکار گرفته شده است. تحقیقات بر روی نتایج کالبراسیون و صحت سنجی نشان دهنده این مطلب بود که میزان آمونیوم و نیترات در پایین دست رودخانه افزایش چشمگیری نسبت به بالادست رودخانه از خود نشان می دهد و همچنین نتایج اعتبارسنجی نشان دهنده این مطلب است که به نتایج حاصل از مدل برای پیش بینی و اجرا در آینده می توان اعتماد کرد.
کلمات کلیدی: رودخانه کارون، نیترات، آمونیوم، شبیه سازی، QUAL2K
-1 مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از مدلهای ریاضی برای شبیهسازی پارامترهای کیفی در رودخانهها رشد چشمگیری داشته است و نرمافزارهای کیفی بهعنوان یک ابزار کارآمد در طراحی، کارکرد و کنترل سیستمهای منابع آب مورد استفاده قرار گرفته است. بهکمک این نرمافزارهای کیفی پارامترهای بیشتری را میتوان مورد بررسی قرار داد. اکثر مدلهای موجود بهعنوان ابزارهای مدلسازی هستند که برای حل سیستم معادلات این( معادلات معمولاً شامل مجموعهای از معادلات جبری یا معادلات دیفرانسیل جزئی یا معمولی میباشند) بهکار میروند. این مدلها توانایی ایجاد خروجی گرافیکی برای درک نتایج را دارند.
1-1 -مروری بر پیشینه موضوع
میرزایی و همکاران در تحقیقاتی جامع پیرامون آلودگی کیفی و کمی رودخانه بابل رود که از رودخانههای مهم استان مازندران میباشد با استفاده از مدل QUAL2K پرداختند و دریافتند که عمده آلودگیهای رودخانه بابل رود نه از واحدهای صنعتی، بلکه از فاضلابهای شهری میباشد که یا مستقماًی توسط ساکنین کنار رودخانه، به آن وارد می گرند یا بهوسیله کانالهای شهری جمعآوریشده، سپس در یک نقطه وارد رودخانه میشود. با توجه به نتایج حاصله میتوان گفت که کیفیت آب رودخانه بابل رود برای کشاورزی از وضعیت مناسبی برخوردار است ولی برخی از نقاط آن برای عبور آبزیان نقاط بحرانی محسوب میشود .[1] نجفی و محمود پور با بررسی مسائل کیفی رودخانه قرهسو دریافتند این حوزه در مسیر خودپذیرای آلودگیهای نقطهای و غیر نقطهای، شهرها، کارخانه جات صنعتی، اراضی کشاورزی و غیره است؛ و جهت درک بهتر مسائل کیفی رودخانه از مدل QUAL2K استفاده نموده و نتایج مدل نشان داد که مقدار اکسیژن محلول بهطورکلی از مقادیر مجاز 5) میلیگرم در لیتر) کمتر بوده و بحرانیترین بازه، بازه بعد از کرمانشاه است که بیشترین مقدار TN،TP و کمترین مقدار DO رادار است؛ و اعمال سناریوی کاهش بار آلودگیهای ورودی به رودخانه در اثر احداث تصفیهخانه سبب بهبود وضعیت کیفی رودخانه میشود. [2 ] سید حسین هاشمی و همکاران در سال 1391 برای ارزیابی کیفیت آب رودخانه کرج دادههای 14 پارامتر کیفیت آب در 42 ایستگاه با استفاده از مدل QUAL2K بررسی کرده، مقادیر ویژه بهدستآمده نشان داد پنج عامل اول 70 درصد تغییرات بین ایستگاهها را توجیه میکند. پارامترهای نیترات، نیاز اکسیژن خواهی شیمیایی و کدورت، مربوط به عامل اول 17.2 درصد واریانس، PH، اکسیژن اشباع، فسفات و سلیس مربوط به عامل دوم با 16 درصد واریانس و نیاز اکسیژن بیولوژیکی و هدایت الکتریکی مربوط به عامل سوم با 15 درصد واریانس مهمترین پارامترهای اثرگذار بر تغییر کیفیت آب تعیین شدند. مقایسه نتایج این پژوهش با نتایج مربوط به سهمبندی بار آلودگی ورودی از زیر حوضهها به مخزن سد امیرکبیر با استفاده از مدل QUAL2K نشان داد که تحلیل عاملی میتواند بهعنوان یک روش مناسب برای تعیین مهمترین پارامترهای مؤثر بر رتبهبندی کیفیت آب در ایستگاهها استفاده شود .[3] در سال 2012 روبین ژانگ و همکارانش در تحقیقی کیفیت رودخانه تایهو چین را با استفاده از مدل QUAL2K موردبررسی قرارداد، هدف از این مطالعه تسهیل در انتخاب برنامه مطلوب جهت بهبود کیفیت آب میباشد چون در سالهای اخیر کاهش کیفیت آب دریاچه تایهو چین نظر مردم و مسئولین را به خود جلب کرده بود. نتایج بهدستآمده از این تحقیق نشان داد تماس با اکسیداسیون در بالادست توسط محیطزیست به دنبال تشکیل بستر شناور و عمودی متحرک اکو تحت پاییندست. کاهش نرخ توسط این چرخه را به دنبال دارد و اکسیژن موردنیاز (BOD)، نیتروژن آمونیاک (NH3–N)، ازت و فسفر کل، (TN) و(TP )، به ترتیب 49/5٪، 32/81٪، %35/94 خواهد بود .[4] فان و همکاران در تحقیقی تحت عنوان مدلسازی با رویکردی ابتکاری با استفاده از ترکیب HEC-5 و QUAL2K برای شناسایی اثر جزر و مد بر شبیه سازی کیفیت آب رودخانه نشان دادند که ترکیب این دو مدل برای شبیه سازی کیفیت آب رودخانههای جزر و مدی نتیجه قابل قبولی برای شبیه سازی خصوصیات کیفی آب خصوصاً در رودخانههای آلوده خواهد داشت .[5] راج کانل و همکاران با بکارگیری مدل QUAL2Kw خودکار برای مدلسازی کیفی و مدیریت آب رودخانه باگماتی
نپال به نتیجه دست یافتند که اکسیژن دهی محلی بر بهبود غلظت اکسیژن محلول درآب )DO( موثر بوده و اختلاط فاضلاب اصلاح شده، افزایش جریان و اکسیژن محلی برای دست یابی به سطوح قابل قبول کیفیت آب مناسب میباشد .[6]
در این مقاله ازمدل QUAL2K به منظور بررسی وضعیت کیفی آب رودخانه کارون نسبت به پارامترهای آمونیوم، نیترات که در حقیقت از منابع آلاینده ی کشاورزی می باشند، استفاده شده است و امکان کاربرد آن در یکی ازرودخانه های ایران که در معرض آلودگی کشاورزی است بررسی می گردد.
-2 معرفی مدل QUAL2K
مدل QUAL2K آخرینمدل از سری مدلهای Q2E میباشد که توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا تهیه شده است Q2E در محیط ویندوز مایکروسافت اجرا و محاسبات عددی مربوط به مدل در فرترن 90 توسعه یافته اند. از Excelبه عنوان رابط گرافیکی برای وارد کردن داده ها و مشاهده ی خروجی برنامه استفاده شده است. کلیه عملیات ارتباطی در ماکروی مجموعه ی Office توسط ویژوال بیسیک نوشته شده است .[7 ] این مدل علاوه بر شبیه سازی یک بعدی جریان در حالت ماندگار و غیریکنواخت، ترکیبی از شاخه های اصلی و فرعی رودخانه را در نظر گرفته و رودخانه را به صورت تعدادی قطعه که دارای خصوصیات هیدرولیکی ثابت می باشند، نمایش می دهد .همانطور که در شکل (1) نشان داده شده است. قطعات به ترتیب صعودی با شروع از بالادست شاخه ی اصلی شماره گذاری می- شوند .منابع آلاینده و تخلیه کنندههای نقطه ای و غیرنقطهای می توانند در هر مکانی در طول مسیر اعمال شوند.Q2K علاوه بر اینکه سیستم رودخانه را به قطعات و المان هایی تقسیم می کند، در مقایسه با Q2E می تواند اندازه ی المان ها را از قطعه ای به قطعه ی دیگر متفاوت در نظر بگیرد . لازم به ذکر است که المان ها اجزاء کوچکتری هستند که درون قطعات در نظر گرفته می شوند مدلQUAL2K یک موازنه جرم کلی را برای هر یک از بازه ها با توجه به ثابتهای داده شده انجام می دهد .[8]
شکل 1) )نحوه تقسیم بندی رودخانه به المانهای محاسباتی
شکل (2)موازنه جرم
-3بررسی و ارزیابی منطقه مورد مطالعه
رودخانه کارون پرآبترین و بزرگترین رودخانه ایران است. این رود با طول 950 کیلومتر طولانیترین رودی است که در داخل ایران قرار دارد. این رودخانه در طی مسیر خود از مناطق مختلفی از کشور عبور کرده و پس از عبور از مناطق کوهستانی و پر پیچ و خم، در منطقهای به نام گتوند وارد دشت خوزستان میشود. رود کارون در شمال شوشتر به دو شاخه شطیط و گرگر تقسیم میشود. مهمترین شاخه فرعی کارون، رود دز است که پس از عبور از شهر دزفول در شمال اهواز به کارون ملحق میشود. شاخههای گرگر و شطیط و شاخه دز در محلی به نام بندقیر به هم پیوسته و کارون بزرگ را تشکیل میدهند. سپس این رود به سمت شهر اهواز حرکت کرده و پس از عبور از شهر اهواز در نزدیکی خرمشهر به دو شاخه حفار و بهمنشیر تقسیم میشود. شاخه بهمنشیر به طول تقریبی 80 کیلومتر و پهنای متوسط 600 متر به موازات اروندرود از شمال جزیره آبادان عبور کرده و به خلیجفارس میریزد. کانال حفار نیز از خرمشهر گذشته و در فاصله 70 کیلومتری خلیج فارس به اروندرود متصل شده و وارد خلیجفارس میشود. جزیره و شهر آبادان بین این دو شاخه کارون قرار گرفته است. محدوده مورد مطالعه شامل 80کیلومتر است که محدوده شهری اهواز را پوشش می دهد.شکل((3 منطقه مطالعاتی و ایستگاههای مانیتورینگ که تحت نظارت سازمان آب و برق خوزستان است را نشان می دهد.منطقه مطالعاتی شامل چهار ایستگاه و سه بازه است که انتهای بازه اول( ایستگاه ملاثانی ) در کیلومتراژ 8 و انتهای بازه دوم (ایستگاه زرگان) در کیلومتراژ 60/5 و انتهای بازه سوم (ایستگاه اهواز)در کیلومتراژ80 از مبدا بند قیر (ایستگاه بند قیر) قرار گرفته است.
شکل((3 منطقه مورد مطالعه و ایستگاههای مانیتورینگ
-4 مواد و روش ها
به منظورشناسایی موقعیت رودخانه کارون،حوضه آبریز این رودخانه،زمین های کشاورزی، راههای دسترسی به رودخانه، مراکز جمعیتی اطراف در ابتدا نفشه توپوگرافی1/25 000 تهیه گردید. برای شبیه سازی رودخانه کارون پارامترهای همچون
دبی،شیب طولی رودخانه بین هر ایستگاه، ضریب مانینگ، عرض کف،شیب طولی مسیر، شیب دیواره، فاصله بین هر کدام از ایستگاه ها ،دمای متوسط هوا، نقطه شبنم،دمای آب،سرعت باد،نیتروژن(نیترات و نیتریت)،آمونیوم،تعداد روزهای ابری،مورد نیاز مدل می باشند [9] .در بین این پارامترها ضریب مانینگ با توجه به وضعیت بستر و جدار رودخانه انتخاب شد، و پارامترهای همچون دمای آب،نیتروژن ،آمونیوم،در محل یا آزمایشگاه اندازه گیری شدند و سایر پارامترها با توجه ایستگاههای هواشناسی و نقشه برداری های صورت گرفته تعیین گردید.بعد از انجام کلیه آزمایشات و جمع آوری داده ها و اطلاعات، پارامترهای مورد نیاز مدل نرم افزاری QUAL2K در محیط Excel وارد شد.پس از آن با توجه به داده های اندازه گیری انجام شده و موجود، رودخانه به بازه های مختلفی که هر بازه دارای مشخصات هیدرولیکی ثابتی می باشد تقسیم بندی شد که در مورد رودخانه کارون کل رودخانه به 43 بازه تقسیم بندی شد. پس از آن با توجه به منابع آلاینده و موقعیت آنها و مشخصات کیفی اینگونه منابع و همچنین با توجه به اندازه گیری های صحرایی کیفیت آب رودخانه مدل مذکور کالیبره شده و جهت شبیه سازی کیفیت آب رودخانه مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای کیفی که در این شبیه سازی استفاده شده اند عبارتند از آمونیوم و نیترات که در یک بازه زمانی 5ماهه مربوط به ماههای رونق کشاورزی که بیشترین زه آب ایجاد می شود یعنی فروردین،اردیبهشت، خرداد،تیر،مرداد،1391استفاده شده و واسنجی برای سه ماه خرداد،تیر،مردادو صحت سنجی مدل با استفاده از داده های فروردین و اردیبهشت 1391 انجام شده است. و با داده های خرداد 1392 اعتبار سنجی صورت گرفته است.
-5نتایج هیدرولیکی مدل(واسنجی،صحت سنجی،اعتبار سنجی تحلیل حساسیت)
پس از محاسبه تمامی ضرایب و وارد کردن تمامی اطلاعات جمع آوری شده نسبت به اجرای مدل اقدام می شود. در مرحله اول پس از اجرای مدل نتایج حاصل از برنامه را با نقاط موجود مورد بررسی قرار داده شد، این نتیجه شبیه سازی باید تا حد امکان منطبق بر داده های بدست آمده از رودخانه باشد. برای اینکه نتایج مدل بر داده ها منطبق شود نیاز داریم تا کالیبراسیون انجام دهیم به مفهوم تنظیم نرخ ها و پارامترهای دخیل در معادلات شبیه سازی پارامترهای کیفی آب به صورتی که نتایج منطبق بر داده های کیفی رودخانه باشند بصورتی که ضرایب موجود با توجه به اطلاعات سطح مقطع های موجود مورد محاسبه قرار گرفته و سپس با تغییرات مکرر در مقدار آنها با نزدیک کردن نمودارها به نقاط موجود به کالیبراسیون مدل در برنامه اقدام می شود. پس از واسنجی صحت سنجی مدل نجام می شود،با در اختیار داشتن اطلاعات اندازه گیری شده ،آنها به دو زیر مجموعه برای واسنجی و صحت سنجی تقسیم می شوند، بطوریکه بخش اعظم آن برای قسمت اول مورد استفاده قرار می گیرد.پس از واسنجی مدل با اطلاعات اندازه گیری شده،می توان مدل را برای استفاده از باقی مانده اطلاعات اندازه گیری شده صحت سنجی نمود.یعنی بدون تغییر دادن پارامترهای واسنجی،مدل با شرایط جدید اجرا می شود.سپس با مقایسه نتایج به دست آمده از مدل و مقادیر اندازه گیری شده می توان صحت عملکرد مدل را برای شرایط جدید بررسی نموده و میزان اطمینان به مدل واسنجی شده را برآورد نمودحال که واسنجی و صحت سنجی مدل انجام شد نوبت به اعتبار سنجی مدل است. اعتبار سنجی به این صورت است که ابتدا مدل برای یک محدوده زمانی اجرا شده و نرخ های آن کالیبره شدند،این نرخ ها باید برای شرایط زمانی متفاوت از شرایط زمانی کالیبراسیون اجرا شود و نرخ های آن تعدیل شود.این نرخ ها باید دارای تفاوت ناچیزی با نرخ های کالیبراسیون باشند.اگر چنین بود مدل برای اجراهای آینده آماده است،اما در صورت برآورده نشدن چنین شرایطی،در نرخ های در نظر گرفته شده برای مدل باید تجدید نظر شود و کالیبراسیون مجددی نیاز است. آنالیز حساسیت مدل معمولا قبل شبیه سازی نهایی و حین کالیبراسیون انجام می شود تا بتوان درک درستی از تغییر هر پارامتر(مقادیر شبیه سازی) با تغییر نرخ ها داشت.گاهی ممکن است تغییر در مقدار یک نرخ نتایج معکوسی در پارامترهای مختلف داشته باشد، یعنی باعث افزایش در یک پارامتر و کاهش در پارامتر دیگر شود.[10]دراین تحقیق برای قابل حس بود
