بخشی از مقاله
مدلسازي آلودگی با استفاده از مدل QUAL2K رودخانه جاجرود تهران
چکیده
شبیه سازي پارامترهاي کیفی رودخانه، یکی از روشهاي مدیریت بهینه ي این سیستمهاي آبی بوده و میتواند مدیران را در تصمیم گیري درست کمک نماید. رودخانه جاجرود یکی از منابع مهم آب سطحی شهر تهران می باشد که با طول تقریبی 40 کیلومتر در 30 کیلومتري شمالشرق تهران واقع گردیده است. حوضه آبریز جاجرود تا محل سدلتیان در 51/22 الی 51/51 درجه طول جغرافیایی و 35/45 الی 36/50 درجه عرض شمالی واقع شده است مساحت کل حوزه بالادست سد براساس سطح سنجی نقشه هاي تهیه شده از روي عکسهاي هوایی برابر 710 کیلومترمربع میباشد. در این تحقیق از مدل کیفی QUAL2K جهت شبیه سازي پارامترهاي کیفی نیتروژن آمونیاکی و اکسیژن بیوشیمیایی موردنیاز استفاده شده است. نتایج حاصل از مدل تا حدود زیادي گویاي شرایط واقعی رودخانه میباشد. که این امر نشان دهنده توانا بودن مدل QUAL2K
در شبیه سازي پارامترهاي کیفی است. با در نظر گرفتن اینکه اندازه گیري عوامل کیفی آب در رودخانه ها بسیار پر هزینه می باشد، می توان براي کاهش این هزینه ها استفاده از مدل QUAL2K را در پیشبینی پارامترهاي کیفی توصیه نمود. تمامی داده هاي اولیه موردنیاز جهت مدلسازي بر مبناي هدف طرح تعیین گردید. مقادیر بار ورودي به رودخانه توسط منابع مختلف شامل پسابهاي شهري، پسابهاي صنعتی، پسابهاي کشاورزي و دیگر منابع آلوده کننده نقطه اي براساس آمارهاي موجود محاسبه گردید. براي کالیبراسیون مدل از نتایج آمار اندازه گیري شده به تعداد چهار بار در سال در ایستگاههاي منتخب استفاده گردید و مدل مورد استفاده کالیبره شد.
کلید واژه: QUAL2K،شبیه سازي، رودخانه جاجرود، نیتروژن آمونیاکی، اکسیژن بیوشیمیایی مورد نیاز
١
-1مقدمه
از آنجا که در دنیا آب و منابع آب، یکی از پایههاي اصلی توسعه پایدار به حساب میآید، سالهاست در زمینه برنامهریزي صحیح در مدیریت آب سرمایهگذاري میشود. یکی از این منابع تأمین کننده نیازهاي بشري، رودخانهها میباشند که علاوه بر کمیت و میزان آورد، پارامترها کیفی آنها نیز از مولفههاي حائز اهمیت بوده که میبایستی به دقت شبیهسازي و تخمین زده شود. تحقیقات زیادي در نقاط مختلف دنیا در این زمینه صورت گرفتهاست. طوریکه مدلسازي ریاضی کیفیت آب براي اهداف برنامهریزي و مدیریت، امري نو نمیباشد. اولین گام اساسی در انگلیس جهت فرموله کردن تعیین مقدار اکسیژن بیوشیمیایی موردنیاز توسط کمیسیون سلطنتی در دفع فاضلاب صورت گرفت. گام بعدي رابطه تعیین مقدار اکسیژن محلول و اکسیژن بیوشیمیایی موردنیاز توسط استریتر- فلپس صورت گرفت.
به این ترتیب مطالعات زیادي در ارتباط با روشهاي تحلیلی در دو دهه 50 و 60 صورت گرفت. ولی بطور کلی روش تحلیلی، پیچیده و نیازمند فرضیات سادهکننده، به ویژه در ارتباط با مدلسازي مسائل انتقال میباشد. تلاشهاي عمده که بعد از آن صورت گرفت، مربوط به روشهاي عددي همزمان با ظهور کامپیوتر بود. روشهاي تفاضل محدود و اجزاء محدود همراه با سريهاي زمانی یک مجموعه وسیعی از مدلهاي عددي را فراهم کرد.
مدلهاي کیفی قادر به پیش بینی تغییرات غلظت پارامترهاي مختلف در محیط آبی هستند و بنابراین هدف نهایی آنها ارائه راهکارهایی است تا بوسیله آنها بتوان این عدم تعادل و ناهماهنگی در محیط آبی مثل رودخانه را از بین برد.
-2مواد وروشها
در ابتداي کار قبل از شروع به تحقیق، اجراي یکسري اقدامات اولیه و اساسی از جمله تعیین یک پریود زمانی نمونه برداري کیفی از آب رودخانه و همچنین تعیین طول مشخصی از رودخانه جهت نمونهبرداري و مطالعه ضروري به نظر میرسد. در این تحقیق هدف، بررسی آلایندههاي ناشی از مراکز شهري و مناطق روستایی بر روي کیفیت آب رودخانه بودهاست براي این منظور بازه مورد نظر از ابتداي روستاي گرمابدره تا ابتداي ورودي دریاچه سد لتیان با طول تقریبی 30 کیلومتر در نظر گرفته شد. از علل مهم دیگر انتخاب این طول از رودخانه، این است که یکی از مهمترین منابع آب شرب شهر تهران میباشد که به واسطه مسائل و پتانسیل هاي ذکر شده بزرگترین مشکل آن آلودگی به مواد آلی و میکروبی میباشد. در واقع کیفیت آبی که براي شرب از رودخانه برداشت میشود داراي اهمیت میباشد. اصولاً دورههاي زمانی پایش کیفی بسته به نظر مجري طرح متفاوت است اما در حالت کلی دورههاي پایش کیفی یک ساله در نظر گرفتهمیشود. که در اینجا ما یک دوره یک ساله از بهار تا زمستان سال 1389 را درنظرگرفته اما در هر فصل یک ماه به عنوان مدل و شاخص استفاده شدهاست.
مدل QUAl2k سیستم رودخانهاي را به صورت بازهاي که هر بازه داراي خصوصیات هیدرولیکی ثابتی است در نظر میگیرد. بدین جهت به منظور بازهبندي طول انتخابی مورد نظر از رودخانه از نقشههاي توپوگرافی موجود در سازمان نقشه برداري استفاده گردید. به کمک سري نقشههاي موجود و براساس خصوصیات هیدرولیکی طول مورد نظر رودخانه به 7 بازه تقسیمبندي شد. بعد از بازهبندي سیستم رودخانهاي، مقدار شیب متوسط (متر بر متر) و طول (متر) براي هر بازه همچنین ارتفاع از سطح دریا (متر) و طول و عرض جغرافیایی (بر حسب درجه، دقیقه و ثانیه) در ابتدا و انتهاي هر بازه براساس نقشههاي موجود تعیین گردید. با توجه به اطلاعات سطح مقطع هاي مختلف رودخانه
رض بستر جانبی چپ و راست را با استفاده از محاسبه ریاضی تعیین گردید. مقدار ضریب زبري مانینگ (n) بر اساس جنس بستر رودخانه میزان 0/033 براي بازهها در نظر گرفته شده است.
(جدول 1) مشخصات هندسی، هیدرولیکی و توپوگرافی بازههاي رودخانه در محدود مورد مطالعه
داده هاي هیدرولیکی رودخانه
مدل QUAL2K به داده هاي هیدرولیکی جهت محاسبات انتقال انتقال و تشریح چگونگی حرکت آلاینده در پایین دست رودخانه نیازمند است.
(جدول 2) شدت جریان روزانه رودخانه ( m/ s )
داده هاي هواشناسی
درجه حرارت بر روي اکسیژن محلول اشباع و همچنین سرعت فرآیندهاي بیولوژیکی و شیمیایی که در رودخانهها به وقوع میپیوندد، اثر میگذارد. مدل QUAL2K و بسیاري از مدلهاي کیفی دیگر داراي بخشی براي شبیهسازي دما میباشند. اساسیترین دادههاي هواشناسی مورد نیاز براي مدل کیفی QUAL2K عبارتنداز: درجه حرارت هوا، دماي نقطه شبنم، پوشش ابري و سرعت باد.مقادیر متوسط پارامترهاي هواشناسی مورد نیاز مدل در (جدول(3 ارائه گردیدهاست.
(جدول3 ) مقادیر متوسط پارامترهاي هواشناسی موردنیاز، مربوط به روز نمونه برداري
شناسائی منابع آلاینده رودخانه جاجرود
منابع آلاینده به صورت زیر شناسائی گردید: -پساب خانگی روستاهاي اطراف رودخانه -پسبابهاي کشاورزي زمینهاي زراعی اطراف رودخانه -پسابهاي دامداري اطراف رودخانه -پساب کشتارگاه لشگرك -پساب پادگان لشگرك -آلودگی هاي طبیعی
که منابع آلاینده نقطهاي و غیرنقطهاي را شامل میشود که توضیحات مدل در این باره به شرح ذیل میباشد:
-1 منابع آلاینده نقطهاي
در محاسبه بار ورودي نقطهاي، رودخانههاي فرعی ورودي به رودخانه اصلی در نظر گرفته شدهاست که عبارتند از: شاخه فرعی آب نیک، لالان، روته، فشم، آهار و کلوگان
-2منابع آلاینده غیرنقطهاي
در بسیاري از شهرها و روستاهاي ایران از جمله روستاهاي واقع در حوضه آبریز رودخانه جاجرود روش دفع پساب انسانی و خانگی روش دفع سنتی و از طریق تخلیه به چاههاي جاذب است بنابراین دفع پساب انسانی اغلب از طریق حفر چاههایی به عمق کمتر از 15 متر صورت میگیرد و در صورت لزوم حفر چاهها در موارد ضروري تکرار میشود. این روش دفع فاضلاب داراي مشکلات اساسی است که مهمترین آنها آلودگی آبهاي زیرزمینی است و حصول اطمینان از اینکه فاضلاب تخلیه شده به آبهاي زیرزمینی راه نمییابد کاملاً غیرممکن است. همچنین بالا بودن سطح آبهاي زیرزمینی و یا بالا بودن کف بستر مشکل دیگري ایجاد میکند که حفر چاه و دفع پساب از این طریق را غیرممکن می سازد.
روستاهاي زایگان، فشم، اوشان، حاجی آباد، کمرخانی، رودك در اطراف رودخانه جاجرود واقع شدهاند و پساب آنها به طور مستقیم و یا غیرمستقیم بر رودخانه اثر میگذارند. پساب بعضی از این روستاها به طور مستقیم به رودخانه جاجرود تخلیه میگردد و پساب بعضی دیگر از این روستاها پس از تخلیه به چاه، به طور غیرمستقیم و از طریق جریانات زیرزمینی به آب رودخانه ارتباط پیدا کرده و سبب آلودگی آب رودخانه میشود.
داده هاي کیفی آب رودخانه و فاضلاب ورودي به آن
به منظور شبیهسازي کیفیت آب رودخانه توسط مدلهاي کیفی و واسنجی و تصدیق این گونه مدلها به پارامترهاي کیفی آب نیاز میباشد. بنابراین بایستی این پارامترها درنقاطی از رودخانه اندازهگیري شوند. پارامترهاي کیفی که جهت شبیهسازي کیفیت آب رودخانه جاجرود و واسنجی مدل براي این رودخانه به کار برده شدند عبارتند از: اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی کربوناسیون، آمونیاك میباشد.
