بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
معرفي و کاربرد مدل QUALK٢ جهت شبيه سازي کيفيت آب رودخانه ها
چکيده :
انجام تحقيقاتي جامع پيرامون کيفيت آب رودخانه ها با استفاده از ابزارهاي مديريتي همچون مدلهاي رياضي و کامپيوتري به منظور آگاهي از روند تغييرها و پيش بيني کيفيت آب آنها با توجه به برنامه هاي آينده توسعه شهري، کشاورزي، و صنعتي امري ضروري بنظر مي رسد. در خصوص آلودگي رودخانه ها مدلهاي فراواني وجود دارد که کاربرد و محدوديت هر کدام با توجه به اهداف پيش بيني شده در مدل مشخص مي شود. مدل QUALK٢ آخرين مدل از سري مدلهاي QUAL مي باشد که قابليت انجام تجزيه و تحليل عدم قطعيت را دارا مي باشد. اين مدل مي تواند معادلات مربوط به رودخانه ها را هم در شرايط دائمي و هم شبه ديناميکي حل کند. در اين مقاله ضمن شرح روابط حاکم بر مدلQUALK٢، به نحوه کاربرد آن در شبيه سازي کيفيت آب رودخانه قره آغاج در استان فارس پرداخته شده است و نشان داده شده که نتايج شبيه سازي با نتايج اندازه گيري مطابقت خوبي دارند.
کليد واژه ها: شبيه سازي، مدل رياضي ، QUALK٢، کيفيت آب
١- مقدمه
آلودگي آب، پديده اي است که در آن کيفيت شيميايي ، فيزيکي و بيولوژيکي آبهـاي طبيعـي بـه واسـطه ورود فاضـلابها، زباله ها و ديگر زائدات ناشي از فعاليتهاي صنعتي ، شهري و کشاورزي تغيير مـي کنـد. افـزايش جمعيـت و توسـعه شـهري، کشاورزي و صنعتي کشور اهميت توجه به کيفيت منابع آبي موجود را بيش از پيش نمايان ساخته است . ورود مواد مغذي و آلاينده هاي تجزيه پذير بيولوژيکي به رودخانه خصوصا فاضلاب بهداشتي ، پسابهاي کشاورزي و صنعتي باعـث آلـودگي رودخانه و ايجاد اختلال در توازن اکسيژن محلول مي شود. کاربرد بي رويه و بـيش از حـد مـواد شـيميايي در کشـاورزي، اکوسيستم خاک و آب، رودخانه ها و منابع آب زيرزميني را متاثر مي سازد. براي تعيين عکس العمل قابل انتظار رودخانـه بر اثر ورود آلاينده ها، استفاده از مدل هاي رياضي ضروري است . اين مدلها قادرند تا آثار بارگذاريهاي موجود و آتي و را شبيه سازي نموده و مديران و مسئولين را در تصميمگيريهاي خود ياري نمايند. در اين مقاله ضمن شـرح روابـط حـاکم بـر مدلQUALK٢، به نحوه کاربرد آن در شبيه سازي کيفيت آب رودخانه قره آغاج در استان فارس پرداخته شده است .
٢- معرفي مدل QUALK٢
مدل QUALK٢ آخرين مدل از سري مدلهاي QUAL مي باشد که قابليت انجام تجزيه و تحليل عدم قطعيت را دارا مي باشد. اين مدل مي تواند معادلات مربوط به رودخانه را هم در شرايط دائمي و هم شـبه دينـاميکي (در اينجـا منظـور ايـن است که مدل جهت شبيه سازي متغيرهاي کيفي در طول رودخانه ، در شرايط ديناميکي عمـل مـي کنـد؛ امـا دبـي رودخانـه ، منابع آلاينده نقطه اي و غير نقطه اي در طول شبيه سازي تغييري نکرده و ثابت در نظر گرفته مي شوند) حل کنـد. ايـن برنامـه قادر است پارامترهايي نظير اکسيژن محلول، نياز اکسيژنخواهي بيوشيميايي ، دما، اسيديته ، مواد معلق ، فسفر کل ، فسفر آلي ، نيتروژن کل ، نيتروژن آمونياکي ، نيتروژن نيتراتي ، نيتروژن نيتريتي ، نيتروژن آلي و جلبکها را در شبکه رودخانه شبيه سازي 1 کند. اين برنامه قادر اسـت پخـش طـولي مـواد، اکسـيژن مـورد نيـاز رسـوبات، تـه نشـيني مـواد کربنـي ، نيتريفيکاسـيون و دنيتريفيکاسيون ٢ را در شبيه سازي پارامترهاي کيفي آب به حساب آورد.
٢-١- پارامترهاي هندسي و هيدروليکي مدل
مدل QUALK٢ رودخانه را به بازههـاي مختلفـي تقسـيم بنـدي مـي کنـد کـه هـر يـک از ايـن بـازههـا داراي شـرايط هيدروليکي يکساني مي باشند (مانند شيب طولي ، عرض کف ، شيب ديوارهها و ...). اين بازهها به ترتيب از بالادست به پايين دست شماره گذاري مي شوند و منابع نقطه اي يا غيرنقطه اي مي تواننـد در هـر قسـمت رودخانـه وارد شـده يـا از آن خـارج گردند. مثلا براي هر المان موازنه جريان رودخانه طبق شکل ١ صورت مي گيرد. براي رودخانه هاي داراي شاخه هاي فرعي چگونگي تقسيم بندي رودخانه به بازههاي مختلف و نحوه شـماره گـذاري هـر بـازه در شـکل ٢ آورده شـده اسـت . مـدل
QUALK٢ براي هر يک از شاخه هاي فرعي همانند شاخه اصلي رودخانه ، شبيه سازي انجام داده و براي هـر يـک از آنهـا نمودارهاي جداگانه اي ترسيم مي کند.
٢-١-١- موازنه جريان
براي هر المان موازنه جريان رودخانه در حالت جريان پايدار طبق روابط زير صورت مي گيرد (شکل ٢):
Qi : ميزان جريان خروجي از المان i به المان ١+i
١−Qi : ميزان جريان خروجي از المان ١-i
Qin,i : کل جريان ورودي از منابع نقطه اي و غير نقطه اي به المان i
Qout,i : کل جريان خروجي از المان i به صورت نقطه اي يا غير نقطه اي
شکل ١- موازنه جريان براي هر المان
1 Nitrification
2 Denitrification
شکل ٢- چگونگي تقسيم بندي و شماره گذاري بازهها در يک رودخانه داراي شاخه هاي فرعي در مدل QUALK٢
٢-١-٢- معادله مانينگ
در هر مقطع از رودخانه مي توان با تعيين مشخصات هندسي رودخانه از قبيل عرض کف ، شيب طولي و شيب ديوارههـا و استفاده از معادله مانينگ ، سرعت جريان و عمق آب را تعيين نمود. با توجه به اينکه رودخانـه هـا شـکل هندسـي منظمـي
ندارند بايستي مقطع رودخانه را به شکل ذوزنقه اي در نظر گرفت که در هر بازه پارامترهاي هندسي آن مشخص مي باشد.
شکل ٣- کانال ذوزنقه اي و پارامترهاي هندسي آن
Ac : مساحت سطح مقطع ذوزنقه اي P : محيط تر شده
با جايگزيني معادلات ٥ و ٦ در معادله ٤ و حل اين معادله بر حسب عمق خواهيم داشت [٢٠٠٢ Canale&Chapra ]:
−
٢-٢- مدل درجه حرارت
يکي از پارامترهاي بسيار مهم در شبيه سازي کيفيت آب رودخانه ميزان درجه حرارت در هر نقطه اي رودخانه مي باشد.
تغييرات درجه حرارت بر کيفيت آب رودخانه ، ميزان اکسيژن محلول، نرخ کاهش BOD و .... تاثير گذار مي باشد. بنابراين تعيين ميزان درجه حرارت در هر بازه از رودخانه بسيار حائز اهميت مي باشد. عـواملي کـه در تعيـين ميـزان درجـه حـرارت مؤثرند عبارتند از: دماي اوليه آب رودخانه ، دماي هوا، دماي سطح زمين و بستر رودخانه ، دماي منابع نقطه اي و غير نقطه اي ورودي به رودخانه ، شدت جريان نور خورشيد، وضعيت جوي هوا، طول روز و ....
موازنه درجه حرارت براي المان i به صورت زير خواهد بود. شکل ٤ نيز عوامـل مـؤثر در درجـه حـرارت و چگـونگي موازنه آن را نشان مي دهد.
C
نقطه اي به المان i (d .cal ) (cal .cm2d )
شکل ٤- موازنه درجه حرارت براي يک المان [١٩٩٨ ,Cengel]
٢-٣- شبيه سازي پارامترهاي کيفي
٢-٣-١- پارامترهاي کيفي و موازنه جرم کلي
موازنه جرم در شکل ٥ و پارامترها و مولفه هاي کيفي مدل در جدول ١ آورده شده است .
شکل ٥- موازنه جرم [٢٠٠٣ ,.Chapra and Pelletier]
براي همه اين پارامترها به جز جلبکهاي کف يک موازنه جرم کلي براي هر المان به صورت زير نوشته مي شود:
که ميزان دبي جرمي ورودي به سيستم از رابطه زير محاسبه مي شود:
