بخشی از مقاله
مدلسازي آلودگي رودخانه جاجرود تهران با استفاده از مدل QUAL2K
چکيده
شبيه سازي پارامتر کيفي رودخانه ، يکي از روشهاي مديريت بهينه ي سيستم هاي آبي بوده و ميتواند مديران را در تصميم گيري درست کمک نمايد. رودخانه جاجرود يکي از منابع مهم آب سطحي شهر تهران مي باشد که در اين تحقيق از مدل کيفي QUAL2K جهت شبيه سازي پارامترهاي کيفي نيتروژن آمونياکي و اکسيژن بيوشيميايي موردنياز استفاده شده است . نتايج حاصل از مدل تا حدود زيادي گوياي شرايط واقعي رودخانه ميباشد. که اين امر نشان دهنده توانا بودن مدل QUAL2K در شبيه سازي پارامترهاي کيفي است . با در نظر گرفتن اينکه اندازه گيري عوامل کيفي آب در رودخانه ها بسيار پر هزينه مي باشد، مي توان براي کاهش اين هزينه ها استفاده از مدل QUAL2K را در پيش بيني پارامترهاي کيفي توصيه نمود. براي کاليبراسيون مدل از نتايج آمار اندازه گيري شده به تعداد چهار بار در سال در ايستگاههاي منتخب استفاده گرديد و مدل مورد استفاده کاليبره شد.
کلمات کليدي: QUAL2K،شبيه سازي، رودخانه جاجرود، نيتروژن آمونياکي ، اکسيژن بيوشيميايي مورد نياز
١. مقدمه
از آنجا که در دنيا آب و منابع آب، يکي از پايه هاي اصلي توسعه پايدار به حساب مي آيد، سالهاست در زمينه برنامه ريزي صحيح در مديريت آب سرمايه گذاري مي شود. يکي از اين منابع تأمين کننده نيازهاي بشري، رودخانه ها مي باشند که علاوه بر کميت و ميزان آورد، پارامترها کيفي آنها نيز از مولفه هاي حائز اهميت بوده که مي بايستي به دقت شبيه سازي و تخمين زده شود. [٢]تحقيقات زيادي در نقاط مختلف دنيا در اين زمينه صورت گرفته است . طوريکه مدلسازي رياضي کيفيت آب براي اهداف برنامه ريزي و مديريت ، امري نو نمي باشد. اولين گام اساسي در انگليس جهت فرموله کردن تعيين مقدار اکسيژن بيوشيميايي موردنياز توسط کميسيون سلطنتي در دفع فاضلاب صورت گرفت . گام بعدي رابطه تعيين مقدار اکسيژن محلول و اکسيژن بيوشيميايي موردنياز توسط استريتر- فلپس صورت گرفت .[٤]
به اين ترتيب مطالعات زيادي در ارتباط با روشهاي تحليلي در دو دهه ٥٠ و ٦٠ صورت گرفت . ولي بطور کلي روش تحليلي ، پيچيده و نيازمند فرضيات سادهکننده، به ويژه در ارتباط با مدلسازي مسائل انتقال مي باشد. تلاشهاي عمده که بعد از آن صورت گرفت ، مربوط به روشهاي عددي همزمان با ظهور کامپيوتر بود. روشهاي تفاضل محدود و اجزاء محدود همراه با سريهاي زماني يک مجموعه وسيعي از مدلهاي عددي را فراهم کرد.[١]
مدلهاي کيفي قادر به پيش بيني تغييرات غلظت پارامترهاي مختلف در محيط آبي هستند و بنابراين هدف نهايي آنها ارائه راهکارهايي است تا بوسيله آنها بتوان اين عدم تعادل و ناهماهنگي در محيط آبي مثل رودخانه را از بين برد.[٣]
٢. مواد وروشها
در ابتداي کار قبل از شروع به تحقيق ، اجراي يکسري اقدامات اوليه و اساسي از جمله تعيين يک پريود زماني نمونه برداري کيفي از آب رودخانه و همچنين تعيين طول مشخصي از رودخانه جهت نمونه برداري و مطالعه ضروري به نظر ميرسد. در اين تحقيق هدف، بررسي آلايندههاي ناشي از مراکز شهري و مناطق روستايي بر روي کيفيت آب رودخانه بودهاست براي اين منظور بازه مورد نظر از ابتداي روستاي گرمابدره تا ابتداي ورودي درياچه سد لتيان با طول تقريبي ٣٠ کيلومتر در نظر گرفته شد. از علل مهم ديگر انتخاب اين طول از رودخانه ، اين است که يکي از مهمترين منابع آب شرب شهر تهران ميباشد که به واسطه مسائل و پتانسيل هاي ذکر شده بزرگترين مشکل آن آلودگي به مواد آلي و ميکروبي ميباشد. در واقع کيفيت آبي که براي شرب از رودخانه برداشت مي شود داراي اهميت مي باشد. اصولاً دورههاي زماني پايش کيفي بسته به نظر مجري طرح متفاوت است اما در حالت کلي دورههاي پايش کيفي يک ساله در نظر گرفته مي شود. که در اينجا ما يک دوره يک ساله از بهار تا زمستان سال ١٣٨٩ را درنظرگرفته اما در هر فصل يک ماه به عنوان مدل و شاخص استفاده شدهاست .
مدل QUAL2K سيستم رودخانه اي را به صورت بازهاي که هر بازه داراي خصوصيات هيدروليکي ثابتي است در نظر مي گيرد. بدين جهت به منظور بازهبندي طول انتخابي مورد نظر از رودخانه از نقشه هاي توپوگرافي موجود در سازمان نقشه برداري استفاده گرديد. به کمک سري نقشه هاي موجود و براساس خصوصيات هيدروليکي طول مورد نظر رودخانه به ٧ بازه تقسيم بندي شد. بعد از بازهبندي سيستم رودخانه اي، مقدار شيب متوسط (متر بر متر) و طول (متر) براي هر بازه همچنين ارتفاع از سطح دريا (متر) و طول و عرض جغرافيايي (بر حسب درجه ، دقيقه و ثانيه ) در ابتدا و انتهاي هر بازه براساس نقشه هاي موجود تعيين گرديد. با توجه به اطلاعات سطح مقطع هاي مختلف رودخانه عرض بستر جانبي چپ و راست را با استفاده از محاسبه رياضي تعيين گرديد. مقدار ضريب زبري مانينگ (n) بر اساس جنس بستر رودخانه ميزان ٠.٠٣٣ براي بازهها در نظر گرفته شده است .
داده هاي هيدروليکي رودخانه
مدل QUAL2K به داده هاي هيدروليکي جهت محاسبات انتقال انتقال و تشريح چگونگي حرکت آلاينده در پايين دست رودخانه نيازمند است .
دادههاي هواشناسي
درجه حرارت بر روي اکسيژن محلول اشباع و همچنين سرعت فرآيندهاي بيولوژيکي و شيميايي که در رودخانه ها به وقوع مي پيوندد، اثر مي گذارد. مدل QUAL2K و بسياري از مدلهاي کيفي ديگر داراي بخشي براي شبيه سازي دما مي باشند.
اساسي ترين دادههاي هواشناسي مورد نياز براي مدل کيفي QUAL2K عبارتنداز: درجه حرارت هوا، دماي نقطه شبنم ، پوشش ابري و سرعت باد.مقادير متوسط پارامترهاي هواشناسي مورد نياز مدل در (جدول٣) ارائه گرديدهاست .
شناسائي منابع آلاينده رودخانه جاجرود
منابع آلاينده به صورت زير شناسائي گرديد:
-پساب خانگي روستاهاي اطراف رودخانه
-پسبابهاي کشاورزي زمينهاي زراعي اطراف رودخانه
-پسابهاي دامداري اطراف رودخانه
-پساب کشتارگاه لشگرک
-پساب پادگان لشگرک
-آلودگي هاي طبيعي
که منابع آلاينده نقطه اي و غيرنقطه اي را شامل ميشود که توضيحات مدل در اين باره به شرح ذيل مي باشد:
١- منابع آلاينده نقطه اي
در محاسبه بار ورودي نقطه اي، رودخانه هاي فرعي ورودي به رودخانه اصلي در نظر گرفته شدهاست که عبارتند از: شاخه فرعي آب نيک، لالان، روته ، فشم ، آهار و کلوگان
٢-منابع آلاينده غيرنقطه اي
در بسياري از شهرها و روستاهاي ايران از جمله روستاهاي واقع در حوضه آبريز رودخانه جاجرود روش دفع پساب انساني و خانگي روش دفع سنتي و از طريق تخليه به چاههاي جاذب است بنابراين دفع پساب انساني اغلب از طريق حفر چاههايي به عمق کمتر از ١٥ متر صورت مي گيرد و در صورت لزوم حفر چاهها در موارد ضروري تکرار مي شود. اين روش دفع فاضلاب داراي مشکلات اساسي است که مهمترين آنها آلودگي آبهاي زيرزميني است و حصول اطمينان از اينکه فاضلاب تخليه شده به آبهاي زيرزميني راه نمي يابد کاملاً غيرممکن است . همچنين بالا بودن سطح آبهاي زيرزميني و يا بالا بودن کف بستر مشکل ديگري ايجاد مي کند که حفر چاه و دفع پساب از اين طريق را غيرممکن مي سازد.
روستاهاي زايگان، فشم ، اوشان، حاجي آباد، کمرخاني ، رودک در اطراف رودخانه جاجرود واقع شدهاند و پساب آنها به طور مستقيم و يا غيرمستقيم بر رودخانه اثر مي گذارند. پساب بعضي از اين روستاها به طور مستقيم به رودخانه جاجرود تخليه مي گردد و پساب بعضي ديگر از اين روستاها پس از تخليه به چاه، به طور غيرمستقيم و از طريق جريانات زيرزميني به آب رودخانه ارتباط پيدا کرده و سبب آلودگي آب رودخانه مي شود.
داده هاي کيفي آب رودخانه و فاضلاب ورودي به آن
به منظور شبيه سازي کيفيت آب رودخانه توسط مدلهاي کيفي و واسنجي و تصديق اين گونه مدلها به پارامترهاي کيفي آب نياز مي باشد. بنابراين بايستي اين پارامترها درنقاطي از رودخانه اندازه گيري شوند. پارامترهاي کيفي که جهت شبيه سازي کيفيت آب رودخانه جاجرود و واسنجي مدل براي اين رودخانه به کار برده شدند عبارتند از: اکسيژن مورد نياز بيولوژيکي کربوناسيون، آمونياک مي باشد.
در اينجا سعي گرديد تعدادي ايستگاه محدود که در کل معرف شرايط رودخانه در بازه موردنظر باشد انتخاب گردد. بدين
منظور ٨ ايستگاه انتخاب گرديد:
سپس از نتايج مشاهدات بدست آمده در ايستگاههاي نمونه برداري جهت کاليبره و ارزيابي مدل براي رودخانه استفاده گرديد.
