بخشی از مقاله
مدلسازی کمی و کیفی سیلاب شهری با مدل EPA-SWMM
مطالعه موردی بخشی از منطقه 22 تهران
چکیده:
با گسترش شهرنشینی و کاهش سطوح نفوذپذیر، در هنگام بارندگی مشکلاتی از قبیل آلودگی شدید کانالها و انهار سطحی در اثر ورود زبالههای شهری و فاضلابها رخ میدهد. محور تحقیق این پژوهش انتخاب بهترین راهکارهای مدیریتی 1BMPها، که یکی از راهکارهای نوین و مؤثر مدیریت کمی و کیفی رواناب شهری است، میباشد. در این مطالعات با استفاده از نرم افزار EPA-SWMM 2 دو راهکار جوی باغچه و سیستم ماند بیولوژیکی (پشت بام سبز) در کنترل دبی جریان و بار آلودگی، غلظت کل جامدات معلق((3TSS بخشی از حوضه آبریز شهر تهران واقع در منطقه 22 شهرداری تهران مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که راهکار مدیریتی پشتبام سبز با متوسط کاهش 18/2 درصد نسبت به جوی باغچه با متوسط کاهش9/7 درصد، از عملکرد بهتری در کاهش پیک رواناب اوج خروجی از حوضه برخوردار است. همچنین راهکار مدیریتی پشتبام سبز بطور متوسط 18/7درصد و جوی باغچه 12 درصد غلظت کل جامدات معلق (TSS) را کاهش دادهاند. پس راهکار مدیریتی پشت بام سبز کارایی بیشتری در حذف TSS را دارا میباشد. لذا راهکار مدیریتی پشت بام سبز به عنوان بهترین و کاراترین BMP برای محدوده مورد مطالعه انتخاب گردید.
کلمات کلیدی: بهترین راهکارهای مدیریتی((BMP، سیلاب شهری، رواناب سطحی، جوی باغچه، پشت بام سبز
-1 مقدمه
امروزه با رشد جمعیت و به تبع آن توسعه شهرنشینی، رواناب به مشکل جدی در عرصه مدیریت شهری تبدیل شده است؛ لذا کنترل و مدیریت رواناب چه از لحاظ کمی و چه از لحاظ کیفی از اهمیت خاصی برخوردار است. امروزه، برای رفع این قبیل مشکلات از راهکارهای مدیریتی جدید از جمله استفاده از روسازیهای نفوذپذیر، جویباغچهها و ... استفاده میگردد. هدف از طراحی این نوع راهکارهای مدیریتی، کاهش حجم رواناب، کاهش پیک جریان، کاهش آلودگیهای با منبع غیرمتمرکز از طریق تبخیر و تعرق، نفوذ آب و تصفیه یا عملیات بیولوژیکی و شیمیایی میباشد. زارع و همکاران در سال1390 به بیان راهکارهای عملی در خصوص مدیریت سیلاب و استفاده از بیمه سیلاب پرداخته اند. بهاره کمالی وهمکارانش در سال 1390 به بررسی تاثیر نمونههایی از BMP/LID ها بر بهبود کمیت روانابهای شهری با استفاده از قابلیت نرم افزار SWMM پرداختند. هوو و زوو در سال2013 به بررسی (LID4) بر روی مدیریت سیلاب شهری در مقایسه با سیستم های زهکشی شهری پرداختند. آنها اثرات LID را بر روی زمین های گود ومرطوب، آسفالت نفوذ پذیر، پشت بام سبز انجام دادهاند: همهی موارد بررسی شده در کاهش حجم رواناب موثر اند، ولی در شدت پیک با هم متفاوت میباشند. اسلام و همکاران در سال 2013 به منظور تضمین آب آشامیدنی سالم 5SWP مطالعه و بررسی مهمی در این راستا انجام داده اند. این مدل بر اساس کاهش بارهای آلاینده با استراتژی SWP انتخاب شده است. این مدل پیشنهادی میتواند به تصمیم گیری آگاهانه در مورد استفاده از زمین و تخصیص منابع کمک کند. لی و همکاران در سال 2012 شناسایی بهترین شیوههای مدیریت شهری برای دستیابی به کاهش آلایندههای سیلاب شهری، تعیین LID/BMPs بهینه برای کاهش حجم و پیک رواناب ناشی از سیلابهای شهری، بررسی مزایای LID/BMPs در مقدار حجم آب و کیفیت آب در روانابهای شهری، مطالعه نمودند. اس تی سی و همکاران در سال 2011 به بررسی سیلاب شهری به عنوان یک منبع غیر نقطه ای با نام اختصاری (NPS6) پرداخته اند. اسوالد و همکاران در سال 2011 به بررسی یک روش جدید برای به حداقل رساندن تاثیر بر کیفیت آب در مناطق شهری در حال توسعه پرداختند که با وجود آلایندههایی نظیر نیتروژن (TN)، فسفر((TP و رسوبات معلق (TSS) میتواند افزایش یابد. لی و همکاران در سال2010 با استفاده از مدل SWMM صرفه اقتصادی BMP ها را بررسی کردند. مولن و مجیا در سال 2009 به بررسی اثر توسعه شهرنشینی و کاهش مناطق نفوذناپذیر پرداختند و بهینه کردن کاربری اراضی، تأثیر آن بر روی کمیت و کیفیت سیلاب را بررسی کردند.
-2 معرفی نرم افزار EPA- SWMM
EPA- SWMM برای شبیه سازی و مدیریت بارش رواناب، برنامه ریزی، تجزیه و تحلیل و طراحی روانابهاو فاضلاب های سطحی و سیستم های زهکشی در حوضههای شهری به کار می رود. برای نخستین بار در سال 1971 ارائه گردید. قابلیت ها: سادگی محیط کاری، حجم کم، آسانی نصب و رایگان بودن و قدرت بالا در شبیه سازی مدل های کمی و کیفی
-3 محدوده مورد مطالعه
منطقه 22 شهرداری، واقع در شمالغرب تهران با وسعتی حدود ده هزار هکتار معادل یک هفتم مساحت شهر را تشکیل میدهد. این منطقه با شرایط ویژه اقلیمی و جغرافیایی از شمال به ارتفاعات 1400-1800 متر کوهپایههای البرز،از جنوب به آزاد راه تهران-کرج، از شرق به مسیل کن و از غرب به حوزه استحفاظی شهرستان کرج محدود میگردد.
این منطقه از دهه 1340 مورد توجه دستاندرکاران توسعه شهر تهران قرار داشته است. محدوده مورد مطالعه در قسمت غربی دریاچه مصنوعی خلیج فارس قرار دارد.
شکل -1 محدوده مورد مطالعه
-4 فرآیند شبیهسازی
جهت شبیه سازی کمی و کیفی سیلاب شهری کلیه مراحل زیر باید انجام گردد.
· رسم شماتیک منطقه مورد مطالعه(محل زیر حوضهها، مشخصات زیر حوضهها شکل و طول اتصالات و گره ها.)
· تعیین الگوی بارش و توزیع زمانی براساس اطلاعات هواشناسی و معرفی به مدل به فرم سری زمانی
· ورود اطلاعات مورد نیاز ارزیابی کیفی (شاخص های کیفی) و تعیین درصد مناطق توسعه یافته و توسعه نیافته و تعیین توابع تجمع آلایندهها و آبشویی
· تعریف راهکارهای مدیریتیBMPs
· تعیین روش روندیابی(پایدار-موج سینماتیک-موج دینامیک) محاسبه نفوذ (هورتن- گرین امپت-شماره منحنی) محاسبه افت(دارسی وایسباخ- هیزن ویلیامز) تنظیمات پردازش
· آنالیز حساسیت
· تعریف سناریوهای کمی و کیفی
· صحت سنجی مدل
· اجرای مکرر مدل و استخراج مشخصات نهائی هر مسیر.
· ارزیابی راهکارهای مدیریتی و انتخاب بهترین و کاراترین راهکار مدیریتی
-1-4اطلاعات و دادهها
-1-1-4 داده های کمی
اطلاعات مربوط به شبکه جمع آوری آبهای سطحی و فایل CAD محدوده مورد مطالعه از شهرداری منطقه 22 دریافت گردید. کلیه اتصالات شبکه جمع آوری آبهای سطحی محدوده مورد مطالعه به شکل مستطیل سر پوشیده با ضریب زبری 0/013 می باشد آمار و اطلاعات بارندگی مورد استفاده برای این تحقیق از سازمان هواشناسی کشور و شرکت مدیریت منابع آب ایران تهیه شده است. از اطلاعات ایستگاه بارانسنجی مهرآباد برای این مطالعات استفاده شده است. اطلاعات مذکور شامل بارش 6 ساعته با دوره بازگشت 2، 5 و 10 ساله میباشد. شکل 2 رگبار 6 ساعته با فواصل زمانی 15 دقیقه با دوره بازگشت 10 ساله مورد استفاده در مدل را نمایش میدهد.
شکل-2 بارش 6 ساعته با دوره بازگشت 10 ساله
-2-1-4داده های کیفی
از پارامترهای کیفی اندازه گیری شده در سال1386 که در جدول 1 آمده است به منظور مدلسازی کیفی استفاده شده است.
جدول -1ویژگیهای رواناب شهر تهران
-5 تعریف شبکه جمع آوری آبهای سطحی در مدلSWMM
پس از فراخوان کردن فایل CAD حوضه مورد مطالعه به مدل SWMM، شماتیک زیرحوضههای محدوده مورد مطالعه رسم و کلیه گرهها، اتصالات و خروجی به کمک ابزارهای این مدل ترسیم گردید (شکل .(3 جدول2مشخصات شبکه جمع آوری آبهای سطحی را نمایش می دهد.
شکل -3 شماتیک منطقه مورد مطالعه
جدول -2مشخصات شبکه جمع آوری آبهای سطحی
-6 تعیین پارامترهای کمی و کیفی و انتخاب روش شبیه سازی رواناب شهری
در بخش کمی برای مدلسازی نفوذ در SWMM از روش عدد منحنی7 (روش (SCS و در مورد مسیریابی هیدرولیکی از روش موج دینامیکی8 استفاده شده است میزان CN برای کل شبکه در حالت بدونBMP ، 80 و در بخش کیفی مدل، حذف شاخص جامدات معلق کل( TSS ) 9 در نظر گرفته شد.بمنظور شبیه سازی کیفی، پارامتر افزایش تدریجی آلاینده10 از تابع نمایی و برای شبیه سازی شستشوی آلایندهها11 از روش بار متعادل)12میانگین غلظت رخداد) بکار رفته است.
-1-6معیار انتخاب BMP -ها
با توجه به مشکل کم آبی بهتر است از BMP هایی که قابلیت تغذیه سفره آب زیرزمینی را دارند، استفاده گردد. این فرآیند طبیعی در پایداری طولانی مدت منابع آب زیرزمینی تأثیرگذار است چرا که نرخ برداشت از منابع آب زیرزمینی نباید از نرخ تغذیه آن تجاوز کند. گروه خاکی منطقه غالبا از نوع B,C است و پتانسیل تولید رواناب در این منطقه متوسط است لذا روسازی متخلخل و حوضچه نفوذ در مناطقی با پتانسیل تولید رواناب بالا کاربردی است، در محدوده مورد مطالعه توصیه نمیشود. در این
مطالعات با توجه به شرایط منطقه که ذکر گردید، مقدار فضا و تجهیزات در دسترس از دو نوع BMP جوی باغچه و پشت بام سبز استفاده گردیده است. در جدول 3 مشخصات BMPs (جوی باغچه و پشت بام سبز) ارائه شده است.
آنالیز حساسیت
جهت سناریوسازی مناسب، ابتدا بایستی میزان تأثیر پارامترهای مختلف در بهکارگیری BMP ها سنجیده شود. مورد 1 و 2 بعنوان متغییر کمی و کیفی و مورد 3 فقط بعنوان متغییر کیفی مورد بررسی قرار گرفته است. مورد 2 تأثیر نواحی نفوذپذیر و نفوذناپذیر را بر حوضه نمایان میسازد. طبیعی است که با افزایش نواحی نفوذناپذیر، پیک و مقادیر آلایندههای خروجی افرایش یابد. در مورد 3 نحوهی تغییرات در مدل بدین صورت است که کاربری زیرحوضهها از صد در صد مسکونی با تراکم کم تا صد در صد مسکونی با تراکم زیاد متغیر میباشداساساً. همانطور که مشاهده میشود درصد نفوذناپذیری بیشترین حساسیت را در پیک رواناب خروجی پدید می آورد. و تاثیر مورد 2 و 3 بر روی میزان کل جامدات معلق تقریبا برابر است.
تعریف سناریوها و شبیه سازی آن ها
در این مطالعات بعد از ترسیم کامل شبکه جمع آوری آبهای سطحی و آنالیز حساسیت، 6 سناریو 3) سناریو جهت بررسی خصوصیات کمی و 3 سناریو جهت بررسی خصوصیات کیفی)با رگبار 6 ساعته، با دوره بازگشت 2، 5 و 10 ساله جهت تحلیل کمی و کیفی در نظر گرفته شده است. جدول 5 خصوصیات سناریوها را نمایش میدهد. جهت مقایسه بهتر BMPها درصد پوشش زیر حوضهها برای دو راهکار مدیریتی جوی باغچه و پشت بام سبز، برابر در نظر گرفته شده است.
سناریو اول:
این سناریو ویژگیهای هیدرولیکی و هیدرولوژیکی رواناب شهری بدون وجودBMP ها و فاکتوهای کیفی، را ارائه میکند. پیک رواناب کل شبکه آبهای سطحی منطقه مورد مطالعه در این سناریو به عنوان مبنا جهت مقایسه با دیگر سناریوها مورد استفاده قرار میگیرد. جدول 6 میزان رواناب کلیه زیر حوضهها برای دوره بازگشت مختلف را ارائه میدهد.
