مقاله معرفی اجزا و قابلیتهای مدل QUAL2K در شبیهسازی کیفی آبهای سطحی ( مطالعه موردی : رودخانه بولدر کریک ، آمریکا )

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

معرفی اجزا و قابلیتهای مدل QUAL2K در شبیهسازی کیفی آبهای سطحی (مطالعه موردی: رودخانه بولدر کریک، آمریکا)

چکیده:

رودخانهها به عنوان یکی از مهمترین منابع تامین و انتقال آب از اهمیت خاصی برخوردار میباشند. استفاده بیرویه و آلـوده کردن این منابع حیاتی به وسیله فاضلابها، پسابهای صنعتی و انسانی میتواند سلامتی تمام اقشار یک جامعه را تهدید کند. لذا محافظت و کنترل کیفیت آب رودخانهها از اولویت و اهمیت ویژهای برخوردار است. از این رو نیاز به استفاده از ابزارهای مدیریتی از جمله مدلهای شبیهسازی کیفیت آب به طور چشمگیری افزایش یافته است. در این تحقیق ابتدا به تعریف برخی اصـطلاحات متداول در مبحث کیفیت آب پرداخته میشود. سپس به معرفی انواع مدلهای شبیهسازی کیفیت آب پرداخته شده، مـدل مـورد استفاده در این تحقیق((QUAL2K به طور کامل شرح داده میشود. در ادامه نتایج مطالعات محققین مختلف در زمینـه شـبیه-سازی کیفیت آب با مدلهای مختلف مورد بررسی قرار میگیرد و نهایتا نتایج حاصل از اجـرای مـدل QUAL2K بـا اسـتفاده از اطلاعات مربوط به یک رودخانه واقع در ایالت کلرادوی آمریکا به صورت نمودارهای گرافیکی ارائه میگردد . نتایج نشان دادند کـه مقادیر پیشبینی شده توسط مدل با مقادیر مشاهده شده تطابق خیلی خوبی دارند. استفاده از این مدل با توجـه بـه هزینـههـای زیادی که اندازهگیری پارامترهای کیفی آب به همراه دارد، توصیه میشود.

واژههای کلیدی: شبیهسازی کیفی، مدل QUAL2K، قابلیتها و تئوری حاکم، رودخانه بولدر کریک

.1 مقدمه

با افزایش جمعیت، بالا رفتن سطح زندگی و افزایش فعالیتهای صنعتی و کشـاورزی، وضـعیت نـامطلوبی از نظـر کمیت و کیفیت آب در بسیاری از نقاط جهان به وجود آمده است و آلودگیهای زیست محیطـی را بـه عنـوان یکـی از عوارض پیشرفت صنعتی برای بشر به ارمغان آورده است. از طرفی امروزه آب به عنوان یکی از سه عامل اصلی تشکیل و بقای محیط زیست(خاک، آب و هوا) بیش از هر زمان دیگر مورد توجه میباشد و رودخانهها به عنوان یکی از مهمتـرین منابع تامین و انتقال آب از اهمیت خاصی برخوردارند. به همین دلیل پاکسازی و محافظت از کیفیت آب رودخانههـا از اهمیت ویژهای برخوردار شده است. از طرفی استفاده بیرویه از رودخانهها و آلوده کردن این منبـع حیـاتی بـه وسـیله فاضلابها، پسابهای صنعتی و انسانی میتواند سلامتی تمام اقشار یک جامعه را تهدید کنـد. لـذا محافظـت و کنتـرل کیفیت آب رودخانهها بخصوص در مناطقی که در مجاورت مراکـز صـنعتی و شـهری قـرار دارنـد و ارتبـاط مسـتقیم و نزدیکی با سلامت عمومی دارند، از اولویت و اهمیت ویـژهای برخـوردار اسـت. از ایـن رو نیـاز بـه اسـتفاده از ابزارهـای مدیریتی از جمله مدلهای شبیهسازی کیفیت آب به طور چشمگیری افـزایش یافتـه اسـت. در ایـن میـان اسـتفاده از کامپیوتر و علوم وابسته به منظور مدلسازی شرایط واقعی به صورت ابزاری در دست بهره برداران، فزونی یافته است. در این تحقیق ابتدا به بیان مفاهیم و تعاریف مربوط به بحث کیفیت آب پرداخته و در ادامه ضمن معرفی مدلهای کیفـی آب، تحقیقاتی را که در این زمینه توسط محققین مختلف صورت گرفته است بررسی مینماییم. سپس به معرفی مـدل مورد استفاده در این تحقیق و قابلیتهای آن پرداخته میشـود. در نهایـت بـا اسـتفاده از دادههـای رودخانـه Boulder Creek توانایی مدل QUAL2K را در شـبیهسـازی کیفـی ایـن رودخانـه بررسـی مـینمـاییم. در انتهـا نتـایج بصـورت نمودارهای گرافیکی ارائه میشود.

.2تعاریف و مفاهیم کلی کیفیت آب: کیفیت آب عبارتی است که برای توصیف ویژگیهای آب با توجه به تناسب آب با کاربریهای سودمند آن

استفاده میشود. در بررسی کیفیت آب، کیفیت فیزیکی، کیفیت شیمیائی و کیفیت باکتریولوژیک آب مد نظر میباشـد. اهمیت کیفیت مناسب آب در مصارف آشامیدنی بر همگان آشکار است. در مورد مصارف کشاورزی نیز بایستی گفت که در تعیین الگوی کشت مناسب با کیفیت منابع آب موجود، حفاظت از منابع آب بـا کیفیـت مناسـب، طراحـی سیسـتم آبیاری مناسب با کیفیت آب قابل دسترسی از لحاظ نوع سیستم و ظرفیت(ایستگاه کنترل مرکزی) بایستی مد نظر قرار گیرد. بطور کلی شاخصهای کیفیت آب را میتوان در سه دسته فیزیکی، شیمیایی و زیسـتی طبقـه بنـدی نمـود کـه مهمترین آنها رنگ، طعم و بو، دما، کدورت، کل مواد جامد معلـق، اسـیدیته، هـدایت الکتریکـی آب، سـختی، فلـزات، اکسیژن محلول، مواد آلی، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی، مواد مغـذی، باکتریهـا، ویروسـها، پروتوزاها، کرمهای انگلی، پاتوژن میباشند.
آلودگی آب: تغییر مواد محلول یا معلق یا درجه حرارت و دیگر خواص فیزیکی، شیمیایی و زیستی آب در حـدی کـه آن را برای مصرفی که برای آن مقرر است مضر یا غیر مفید سازد با نام آلودگی آب شناخته میشود.

آلاینده: هر نوع مواد یا عوامل فیزیکی، شیمیایی و زیستی که باعث آلودگی آب گردیده یا به آلودگی آن بیافزایـد یـک آلاینده محسوب میشود. آلایندههای آب میتوانند منابع مختلفی داشته باشند.

.1-3 معرفی مدلهای عددی مرتبط با کیفیت آب و مدل مورد استفاده در این تحقیق

در سالهای اخیر مطالعات زیادی در زمینه شبیهسازی کیفی آبهای سطحی و زیرزمینی صورت گرفته که برآیند این تحقیقات معرفی مدلهای مختلف و متنوع یک بعدی، دوبعدی و سه بعدی در این زمینه مـیباشـد کـه در بعضـی موارد قادرنـد پارامترهـای مربـوط بـه کیفیـت آب را بـا دقـت بـالایی شـبیهسـازی و پـیشبینـی کننـد. مـدل کیفـی )EXPRESSمدلی است دینامیکی که از ترکیبات سمی فقط فلزات سنگین را پیش بینی می نمایـد. ایـن مـدل بیشـتر برای بررسی رفتار آفت کشها در محیط استفاده میشود )، مـدل )SWMMبـرای شـبیهسـازی کمـی و کیفـی روانـاب سطحی حوزههای شهری)، مدل )HSPFبرای شبیهسازی هیدرولوژیک حوضههای آبریز و کیفیت آب برای آلایندههـای معمولی و سمی)، مدل )QHMجهت شبیهسازی کمی و کیفی آب برای مدیریت حوضههای آبریز و طراحی سیلابها)، مدل )RMTبرای پایش کیفی آب و مدیریت رودخانه)، مدل )SPARROWبرای پایش و شبیهسازی کیفی رودخانههـا و آلایندهها)، مدل )WASPشبیه سازی کیفی دوبعدی و سه بعدی مجموعه ای متنوع از متغیرهای کیفی شامل دما، مـواد جامد محلول، اکسیژن محلول، چرخه نیتروژن، چرخه فسفر، فیتوپلانکتونها، زئوپلانکتونها، فلزات سـنگین، کلیفـرم و سموم)، مدل )CE-QUAL-W2مدل دو بعدی شبیهسازی کیفی مخازن، دریاچه ها و رودخانه های عمیق) از جمله مهم-ترین این مدلها میباشند. در شکل ( (1 مدلهای دیگـر معرفـی شـدند. در جـدول (1) قابلیـتهـای انـواع مـدلهـای کامپیوتری در شبیهسازی کیفیت آب بررسی شدهاند.

شکل-1 مدلهای شبیهسازی کیفی

جدول - 1 مجموعهای از مدلهای کامپیوتری جهت شبیهسازی کیفیت آب رودخانهها

اصولا شکل ریاضی همه مدلها یکسان بوده و همه آنها دارای مجموعهای از معادلات دیفرانسیل و همچنین معادلاتی برای هر ماده و یا موجود زنده هستند که بایستی به طور واضح در چارچوب مدل منظور گردند. انتخاب مدل مناسب بستگی به هدف مطالعات و پروژه مورد نظر دارد. بهترین معیار جهت انتخاب مدل انتخاب سادهترین مدل است که در مسئله مورد نظر کاربرد قابل ملاحظهای داشته باشد. مدل QUAL-I در دهه 1960 توسط موسسه توسعه آب تگزاس تهیه و بعد از آن ویرایشهای متعددی از این مدل ارائه شد که پس از مطالعه و بررسی کامل، سری QUAL-II که توسط سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا((EPA نیز پشتیبانی میشد، بطور گستردهای مورد استفاده قرار گرفت. ویرایش بعدی این مدل QUAL2E میباشد که مدل نسبتا جامعی در زمینه کیفیت آب رودخانهها میباشد و قادر است تا پانزده پارامتر کیفی آب را شبیهسازی نماید. مدل QUAL2K آخرین مدل از سری مدلهای QUAL میباشد که در سال 2006 ارائه و امروزه به طور گستردهای جهت شبیهسازی کیفیت آب رودخانهها مورد استفاده قرار میگیرد. این برنامه قادر است واکنشهای اصلی چرخه غذایی، تولید جلبک، اکسیژنخواهی رسوبات کف، مصرف اکسیژن کربنی، بازدمش اتمسفری، نیتریفیکاسیون، دنیتریفیکاسیون، اکسیژن محلول، دما، اسیدیته، مواد معلق، فسفر کل، فسفر آلی، نیتروژن کل، نیتروژن آمونیاکی، نیتروژن نیتراتی، نیتروژن نیتریتی و نیتروژن آلی را در شبکه رودخانه شبیهسازی کند. این برنامه همچنین قادر است پخش طولی مواد، اکسیژن مورد نیاز رسوبات، ته نشینی مواد کربنی، نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون را در شبیهسازی پارامترهای کیفی آب به حساب آورد. این مدل توسط زیر برنامه-

های مختلفی که هر یک وظیفه حل معادلات خاصی را دارند تشکیل شده است. اطلاعات و دادههای مورد نیاز مدل شامل ضرایب سینتیکی، دادههای هواشناسی، جغرافیایی، مقادیر دبی، غلظت پسابها و برداشتهای آب از رودخانه میباشد که با استفاده از مطالعات هواشناسی، هیدرولوژی و برنامهریزی منابع آب و همچنین نتایج نمونهبرداری کیفی آب به دست میآید. Q2K در محیط ویندوز مایکروسافت اجرا و محاسبات عددی مربوط به مدل در فرترن 90 توسعه یافته است. از EXCEL به عنوان رابط گرافیکی برای وارد کردن دادهها و مشاهده خروجی برنامه استفاده شده است. کلیه عملیات ارتباطی در ماکروی مجموعه OFFICE توسط ویژوال بیسک نوشته شده است. این مدل علاوه بر شبیه-سازی یک بعدی جریان در حالت ماندگار و غیر یکنواخت، رودخانه را به بازههای مختلفی تقسیم بندی میکند که هر یک از این بازهها داری شرایط هیدرولیکی یکسانی میباشد(مانند شیب طولی، عرض کف، شیب دیوارهها و ...). این بازهها به ترتیب از بالادست به پاییندست شمارهگذاری میشوند و منابع آلاینده و تخلیهکنندههای نقطهای یا غیر نقطهای میتوانند در هر قسمت رودخانه وارد شده و یا از آن خارج گردند.

.2-3 تئوری حاکم بر مدل QUAL2K

QUAL2K یک قطعه از رودخانه را به تعدادی المان محاسباتی تقسیم میکند( شکل (2 و برای هر المان موازنه هیدرولوژیکی را بر حسب دبی((m3/s، موازنه حرارتی را بر حسب دما((0C و موازنه جرم را بر حسب غلظت((mg/Lit انجام میدهد. معادله اصلی مدل QUAL2K معادله انتقال جرم، پخش-جابجایی یک بعدی است که بصورت عددی برای هر پارامتر کیفی نسبت به مکان و زمان نوشته میشود. برای استفاده از این مدل نیازی به نصب آن نیست و همه محاسبات، ورودیها، نتایج و خروجیها در کاربرگهای اکسل صورت میگیرد. شاخههای فرعی و انشعابات رودخانه به صراحت مدل نمیشوند ولی میتوانند به عنوان منابع نقطهای در مدل دخالت داده شوتد.

موازنه جریان: برای هر المان از رودخانه موازنهای برای جریان به صورت رابطه (1) نوشته میشود:

که در آن Qi دبی خروجی از بازه i که به بازه پاییندست i+1 میریزد. Qi-1 دبی ورودی به بازه i از بازه بالادست i-1، Qin,i کل دبی ورودی به بازه i از طریق منابع نقطهای و غیر نقطهای و Qab,i کل دبی خروجی از بازه i که بصورت نقطهای یا غیر نقطهای میباشد.کل دبی ورودی از منابع به صورت زیر محاسبه میشود:

که در آن Qps,i,j عبارتست از j امین منبع نقطهای که به بازه i میریزد. psi مجموع تعداد منابع نقطهای که به بازه i میریزند. Qnps,i,j، jامین منبع غیر نقطهای که به بازه i میریزد. npsi مجموع تعداد منابع غیر نقطهای که به بازه i میریزند. به همین ترتیب کل دبی خروجی از خروجیها بصورت زیر محاسبه میشود:

که در آن Qpa,i,j عبارتست از j امین منبع نقطهای که از بازه i خارج میشود. pai مجموع تعداد خروجیهای نقطـهای که که از بازه i خارج میشوند. Qnps,i,j، j امین خروجی غیر نقطهای که از بازه i خارج مـیشـود. npai مجمـوع تعـداد خروجیهای غیر نقطهای که به بازه i میریزند. در این مدل ورودی و خروجیهای غیر نقطهای بر اساس کیلومتر ابتدا و انتهای آنها به صورت یک منبع خطی مدل میشوند. جریان در طول این مسیر بصورت طولی-وزنی توزیع میشود.

وقتی که دبی خروجی از هر المان بدست آمد، عمق و سرعت جریان به یکی از سه روش: رابطه عمومی سرریزها، روابط منحنیهای سنجه و یا معادله مانینگ محاسبه میشود.

زمان پیمایش: زمان پیمایش مدت زمانی است که طول میکشد تا یک جزء از رودخانه از بالادست به پاییندست برسد و برای هر بازه از رودخانه به صورت زیر تعریف میشود:

که در آن Tk زمان پیمایش بازه k، Vk حجم آب موجود در بازه k که برابر با مساحت سطح مقطع جریان ضربدر طول بازه میباشد، Qk دبی جریان در بازه k و نهایتا tt,i زمان پیمایش کل رودخانه میباشد.

مدل دما: عواملی که در تعیین میزان درجه حرارت موثرند عبارتند از دمای اولیه آب، دمای هوا، دمای سـطح زمـین و بستر رودخانه، دمای منابع نقطه ای و غیر نقطه ای، ورودی به رودخانه، شدت جریان نور خورشید، وضعیت جوی هـوا، طول روز و... . در این مدل، تبادل دمایی بین بازههای مجاور هم، اتمسفر و رسوبات کف صورت مـیگیـرد. ایـن تعـادل گرمایی را در بازه i بصورت زیر مینویسند:

که در آن Ti دما در بازه i، t زمان بر حسب روز، Eʼi ضـریب بالـک انتشـار1 بـین بـازههـای i و i+1، Wh,i بـار خـالص گرمایی از منابع نقطهای و غیر نقطهای ورودی به بازه i، w چگالی آب، Cpw گرمای ویژه آب، Jh,i تبادل گرمـایی آب و هوا و Js,i تبادل گرمایی آب و رسوب میباشد. در این رابطه ضریب بالک پخشیدگی برابر است با:

تبادل گرمایی سطح آب: عوامل موثر بر تبادلات گرمایی بین سطح آب و اتمسفر ترکیبی از 5 پارامتر است که در رابطه (8) نشان داده شده است:

که در آن I0 تشعشع طول موج کوتاه خورشیدی1 که به سطح آب میخورد، Jan تشعشع خالص طول موج بلند اتمسفری2، Jbr بازتاب تشعشع از سطح آب3، Jc انتقال4 و Je تبخیر.5

تبادل گرمایی رسوب- آب: تبادل گرما بین رسوبات کف و ستون آب از رابطه زیر پیروی میکند:

که در آن T2,i دمای رسوبات موجود در کف بازه i، Js,i شار گرمایی آب-رسوب6، Jhyp,i شار گرما بین آب و رسوب ناشی از تبادلات مواد ریز مغذی موجود در رسوبات7، s چگالی رسوبات، Cps گرمای ویژه رسوبات، H2,i ضخامت موثر لایه رسوب میباشد.

مدلسازی فعل و انفعالات زیستی: برای نشان دادن واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی که در مدلسازی اتفاق می-افتد از روابط و معادلات زیر استفاده شده است:

فتوسنتز و تنفس گیاه:

تولید و مصرف اکسیژن: میزان تولید و مصرف اکسیژن برای مدل بایستی لحاظ شود. میزان اکسیژن تولیدی و مصرفی در حالتهای زیر توسط مدل محاسبه میگردد:

مدل اکسیژن مورد نیاز رسوبات کف و فلاکس مواد مغذی