بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي کیفی پارامترهاي PH، BOD و DO رودخانه بابلرود توسط نرمافزار
QUAL2K
چکیده
رودخانه بابلرود یکی از رودخانههاي مهم استان مازندران میباشد که از آب این رودخانه جهت کشاورزي در روستاهاي اطراف استفاده میشود. با توجه به بحران کمبود آب انجام تحقیقاتی جامع پیرامون آلودگیهاي آن از لحاظ کمی و کیفی و استفاده از ابزارهاي مدیریتی همچون مدلهاي ریاضی و کامپیوتري به منظور
پیشبینی وضعیت کیفی آب این رودخانه و پیشگیري از آلودگی فزاینده آن امري ضروري به نظر میرسد. در این تحقیق از مدل کیفی qual2k جهت شبیهسازي پارامترهاي کیفی PH، BOD، DO و همچنین دبی
استفاده شده است. از مقادیر پارامترهاي کیفی رودخانه و سایر اطلاعات به دست آمده از مطالعات صحرایی
جهت واسنجی و پیش بینی مدل استفاده گردیده است. نتایج حاصل از مدل تا حدود زیادي گویاي شرایط واقعی رودخانه میباشد که این امر نشان دهنده توانا بودن مدل qual2k در شبیهسازي پارامترهاي کیفی
است. با در نظر گرفتن اینکه اندازهگیري عوامل کیفی آب در رودخانهها بسیار پرهزینه میباشد، میتوان براي کاهش این هزینهها استفاده از مدل qual2k را در پیش بینی پارامترهاي کیفی توصیه نمود. طبق بازدیدهاي
به عمل آمده، عمده آلودگی رودخانه بابلرود نـه از واحدهاي صنعتی، بلکه از فاضلابهاي شهري میباشد که یا مستقیماً توسط ساکنین کنار رودخانه، به آن وارد میگردنـد و یا به وسیله کانالهاي شهري جمعآوري شده، سپس در یک نقطه وارد رودخانه میشود. با توجه بـه نتـایج حاصل از شبیـهسازي میتوان گفت که کیفیت آب رودخانـه بابلرود بـراي کشاورزي از وضعیت مناسبی بـرخوردار است ولی بـرخی از نقـاط آن براي عبور آبـزیان نقاط بحرانی محسوب میشونـد که افـزایش اکسیـژن محلول سرآب رودخانـه تا 5 mg/L و همچنین افزایش اکسیژن محلول فاضلاب شهري ورودي تا حـد 3 mg/L باعث از بین رفتن نقاط بحرانی میشود..
کلمات کلیدي :
QUAL2K، شبیهسازي، آلودگی، رودخانه بابلرود.
.1 مقدمه
رودخانه بابلرود در شمال ایران و در جنوب دریاي مازندران قرار دارد و بخشی از حوزه آبریز دریاي مازندران را تشکیل
میدهد. این رودخانه از دامنه شمالی البرز سرچشمه گرفته و از دو شاخه اصلی خود به اسامی بابلک و کرسنگ تشکیل میگردد. رژیم این رودخانـه عمدتاً باران بوده و کمتـر تحت تأثیر ذوب برف قرار دارد .[1,2]
در بالاتـر از محلی بـه نام پل محمد حسن خان در اطراف بابل، از سمت غرب رودخانـههاي سجـادرود و کلارود بـه آن متصل میشونـد. قبل از پیوستن کلارود بـه رودخانه بابلرود، آب مسیلهاي متالون و بزرود به آن ریختـه میشوند. آب رودخانـه گرمرود که بـه جهت احـداث سـد داراي اهمیت خاصی میباشد (تـوسط مهنـدسین مشاور مهاب قـدس مطالعـات اولیـه در این مورد انجـام شـده است)، در حوالی شهر بابل به رودخانه بابلرود افزوده میشود .[3]
از آب بابـلرود در دشتهـاي اطراف جهت مصارف کشاورزي بـرداشت میشـود. ایـن رودخانـه در بابلسـر وارد دریـاي مازنـدران میشود. منشأ آبی این حـوزه در ارتفاعـات بـرخلاف حـوزههاي دیگر که برفی است، فقط باران است و داراي جریانهاي برف مقطعی و ناپایدار است و در حوزههاي کم ارتفاع و دشت نیز طبیعتًا بارانی است. بیش از 60 درصد آب این رودخانـه از شاخههاي فرعی تأمین میشود و داراي رژیم تقریباً دائمی محسوب میشود. هر چند در سالهاي اخیر به دلایل کاهش میزان بـارنـدگی و بـه خصوص افـزایش فواصل باران و همچنین افـزایش سطح زیـر کشت حـوزه، کل جریان آبی در
مقاطعی از سال قطع میگردد که همین مسئله موجب قطع حیات موجودات زنـده میشود، اما در بعضی از مقاطع سال نیـز حالت طغیـانی داشته و بسیـاري از بتهها و حواشی رودخانه را شستـه و در مناطق پایینتـر رسوب میگذارد .[1,2,3]
بستـر رودخانـه بابـلرود در قسمـتهاي بالادست متشکل از سیستـمهاي خاکستـري و مـارنـی است که بـا ماســه و سنگهاي آهکی و خاکستري تیـره همـراه است و در پاییـندست از سنگهاي دولومیتی و آهکی پوشیـده شده است. ضریب فرسایش این رودخانه نسبت بـه رودخانـههاي دیگر کمتـر است (یعنی حدود (%1 و بار رسوبی آن به 392000 تـن میرسد که در مسیـر، خصوصاً در پاییـندستها بـه صورت شن و ماسه بـرداشت میشود اما هنگـام طغیـان و یـا جریانهاي شدید، مصالح ریزدانهتر به سمت مصب هدایت میشوند و به همین خاطر غالبًا در مصب رسوبگذاري وجود دارد که البته برخی از این رسوبات مربوط به خاکریزها و سدهاي خاکی موقت بستـر رودخانه براي جمعآوري و هدایت آب براي کارهاي کشاورزي است که به هنگام بارندگی به همراه جریان آب به سمت مصب هدایت میشوند. در هر حال این بستـر و جریان آبـی و شرایط حاشیـههاي رودخانـه از نظر گیاهی محیط مناسبی را بـراي زیست آبــزیان تشکیل میدهد. [1,3]
.2 مبانی نظري
میـزان بارگذاري قابل تحمل بـراي رودخانـههاي مختلف تابـع عوامل زمانی و مکانی مختلف مرتبط بـا نوع و شدت بار آلودگی ورودي و همچنین شرایط محیطی داخل رودخانه است .[4] با توجه بـه تنوع و تعدد منابع آلوده کننده و متفاوت و متغیر بودن توان خودپالایی رودخانهها از جنبه مکانی و زمانی، اجراي استانداردهاي تخلیـه پساب، بـراي جلوگیـري از تخریب کیفیت آب رودخانهها و حفظ و سلامت این اکوسیستمها در کلیه نقـاط و شرایط کافی نیست. از این رو، علاوه بر ضرورت اعمال استانـداردهاي تخلیـه پساب بـراي کنتـرل آلاینـدههاي نقطهاي و اجراي اقـدامات مدیریتی در سطح حوضه آبـریـز بـراي کنتـرل آلاینـدههاي غیرنقطهاي، متناسب کردن میـزان بارگـذاري آلاینـده با توان خودپالایی یک رودخانـه بـا توجـه بـه وضعیت اقلیمی و ویـژگیهاي هیـدرولـوژیکی، هیـدرولیکی و هنـدسی رودخانـه، اهمیت نسبی فرآینـدهاي فیـزیکی،
شیمیـایی و بیـولوژیکی دخیـل و شرایـط اقتصـادي، اجتمـاعی و سیـاسی، بـراي حفـظ سلامت اکوسیستـم و کیفیت آب رودخانـه بـر اساس استانـداردهـاي کیفیت آب مربوط به کاربـريهاي موجود یا آینـده امري ضروري است .[9,10]
براي تعیین عکسالعمل قابل انتظار بر اثر ورود آلاینـدهها، استفاده از مدلهاي ریاضی ضروري است. این مدلها نه تنها امکان پیشبینی آثار بارگـذاريهاي آتـی را فـراهم میسازنـد، بلکه کیفیت آب حاصل از شرایطی که در گذشتـه پایش نشده
(مثل شرایط بحرانی دبی کم) را میتوان با استفاده از این ابزار تخمین زد .[5]
ورود پسابهاي صنعتی به منابع پذیرنده به دلیل تهدید اکوسیستمهاي طبیعی آنها، مشکلات فراوانی را موجب گردیده است. تخلیه پسابهاي حاوي فلزات سنگین به رودخانهها، آلودگی شدید آبـزیان و تهدید سلامت برداشت کننـدگان از آن را به دنبال دارد. در مورد رودخانهها و جریانهاي آب سطحی، چنانچه بار تخلیـه مواد آلاینـده اکسیـژنخـواه (مواد آلی موجود در فاضلاب) بیش از توان خودپالایی رودخانـه گردد، ضمن تسریع در رشد جلبکها و گیاهان آبزي، موجب کاهش اکسیـژن
محلول، ایجاد شرایط بیهوازي و مرگ و میـر آبزیان خواهد شد، در نتیجـه بررسی قابلیت خودپالایی رودخانهها از جایگاه خاصی در مدیریت حذف آلایندهها برخوردار میباشد .[10,11]
با اینکه رودخانه بابلرود یکی از رودخانههاي مهم استان مازندران میباشد ولی تاکنون تحقیقاتی جامع پیرامون کیفیت آب این رودخانه از لحـاظ زیستمحیطی و اکولوژي رودخانـه و سلامتی حوضه آبریز آن و شنـاخت منـابع آلاینـده این رودخانـه صورت نگرفتـه است. بـه علت کمبـود اطلاعات و تحقیقات مشابه قبلی در این زمینه، ضرورت تحقیق بیش از پیش آشکار میگردد.
در این تحقیـق سعـی شـده است علاوه بـر شنـاسایی منـابع آلاینـده اعم از آلاینـدههاي نقطـهاي و یا غیرنقطـهاي به شبیهسازي کیفیت آب رودخانه توسط مدل QUAL2K پرداختـه شود. با استفاده از این مدل نه تنها امکان پیشبینی آثـار
بارگذاريهاي آتـی فراهم میشـود، بلکه کیفیت آب حاصل از شرایطی که در گذشتـه پایش نشـده را میتـوان بـا استفاده از این ابزار تخمین زد. در نهایت با توجه بـه نتایج به دست آمده و شناسایی منابع آلاینـده، راهکارهاي مناسب جهت حفظ و یا
بهبـود کیفیت آب این رودخانه ارائه خواهد شد.
مدل Qual-I در دهه 1960 توسط مؤسسه توسعه آب تگزاس تهیه و پس از آن ویرایشهاي متعددي از این مدل ارائه
شد که پس از مطالعه و بررسی کامل سري Qual-II که توسط EPA نیـز پشتیبانی میشد، بـه طور گستـردهاي مورد استفاده قرار گرفت. ویرایش بعدي این مدل، Qual2E میباشد که مدل نسبتًا جامعی در زمینه کیفیت آب رودخانهها است و میتواند تا پانزده پارامتر کیفی آب را شبیهسازي نماید .[12,13]
این مدل یک قطعه از رودخانه را بـه تعدادي المانهاي محاسباتی تقسیم میکند و براي هر المان موازنه هیدرولوژیکی را بر حسب دبی (m3/s)، موازنه حرارتی را بـر حسب دما (ºC) و موازنه جـرم را بر حسب غلظت (mg/l) انجام میدهد.
معـادله اصلی مدل Qual2K معـادله انتقال جرم، پخش- جـابجـایی یک بعـدي است که بـه صورت عددي براي هر پارامتـر کیفی آب نسبت بـه مکان و زمان نوشتـه میشود. براي هر پارامتـر کیفی آب (C)، این معادله به صورت زیر نوشته میشود :[14]
مدل Qual2K یک برنامه نرمافزاري میباشد که توسط زیربرنامههاي مختلفی که هر یک وظیفـه حل معادلات مربوطه را دارنـد تشکیل شده است. این مدل واکنشهاي اصلی چرخه غذایی، تولیـد جلبک، اکسیـژنخـواهـی رسـوبـات کف، مصرف اکسیژن کربنی، بـازدمـش اتمسفري، نیتـریفیـکاسیـون، دنیتریفیکاسیون و … و آثار آنهـا را بـر روي اکسیژن محلول در نظر میگیـرد. اطلاعات و دادههاي مورد نیاز مدل شامل ضرایب سینیتیکی، دادههاي هواشناسی، جغرافیایی، مقادیر دبی، غلظت
پسابها و برداشتهاي آب از رودخانه میباشد که با استفـاده از مطالعـات هواشنـاسی، هیدرولوژي و برنامهریزي منابع آب و همچنین نتـایج نمونهبرداري کیفی آب به دست میآیـد .[14,16]
.3 بحث و آنالیز دادهها
شکل 1 نشاندهنده تغییرات دبی در طول مورد مطالعه از رودخانه بابلرود است. در بازه کیلومتراژ 2.5 تا 3.5، فاضلاب شهري وارد رودخانه میشود که باعث ایجاد شکستگی در نمودار شده است. در سایر بازهها از رودخانـه هیچ دبی از آن خارج نمیشود و آبهاي زیرزمینی در طول مسیـر بـه عنوان دبی ورودي به آن اضافه میگردند، به همین دلیل نمودار دبی، یک سیـر صعودي را طی میکند.
شکل 2 تغییرات دما را در طول رودخانـه نشان میدهد. با توجه به اینکه کلیـه واکنشهاي شیمیایی و بیولوژیکی تابعی از درجه حرارت میباشنـد، بنابراین تعیین درجه حرارت آب از پارامترهاي بسیار مهم در شبیـهسازي دیگر پارامتـرهاي کیفی میباشنـد .[6] درجه حرارت آب بـه عوامل مختلفی از جمله دماي اولیه آب، دماي هوا، دماي آلایندههاي ورودي به
رودخانه، شدت نور، عمق جریان، سطح در تماس با هوا، طول روز، صاف یا ابري بودن هوا و درصدي از رودخانه که در سایه قرار دارد، بستگی دارد. دماي رودخانه در سرآب که 23.5 درجـه سانتیگراد میباشد، به مدل داده شده است و در اثر عوامل مختلفی که ذکر شد، دچار تغییر شده و نمودار آن به صورت زیر درآمده است.
