شبیه‌سازی کیفیت آب سطحی با استفاده از مدل QUAL2KW (رودخانه ارداک استان خراسان رضوی)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره یازده، بهمن ماه 98

شبیه­سازی کیفیت آب سطحی با استفاده از مدلQUAL2KW

(رودخانه ارداک استان خراسان رضوی)

مرتضی نیک اختر [1]

سیده هدی رحمتی [2] ^*

rahmati@srbiau.ac.ir

علیرضا مساح بوانی[3]

چکیده

زمینه و هدف: با توجه به این که رودخانه و سد ارداک از منابع تامین کننده آب شرب شهر مشهد می‌باشد، حفظ کیفیت آب این رودخانه قبل‌‌‌از‌سد اقدام بزرگی در جهت تامین آب این کلان شهر مذهبی خواهد بود. این تحقیق با معرفی مدلی برای شبیه سازی کیفی منابع آب رودخانه ارداک و با استفاده از ابزار­های مناسب و مرتبط، با مشخص کردن میزان پارامتر­های مختلف کیفیت آب در طول رودخانه، وسیله مناسبی برای ارزیابی رفتار آب در برابر ورود آلاینده­های مختلف و همچنین برای تصمیم گیری­های آتی می باشد.

روش بررسی: در این تحقیق از مدل دینامیکی Qual2kw استفاده گردید که برای واسنجی از اطلاعات موجود در شرکت آب منطقه ای خراسان رضوی (آبان ماه 93) استفاده و برای صحت­سنجی، پس از نمونه­برداری و آزمایش پارامتر­های مختلف کیفیت آب (اردیبهشت 95)، از اطلاعات بدست آمده استفاده گردید.

یافته ها: اطلاعات بدست آمده نشان داد که مدل در مورد پارامتر­های DO، PH، COD و NO₃ تطابق خوبی با واقیعت داشته و قادر است به‌خوبی وضعیت پارامتر­های کیفی آب را در هر دو شاخه از رودخانه ارداک شبیه­سازی نماید.

بحث و نتیجه گیری: آب رودخانه در شاخه آبقد به سبب استقرار جمعیت و منابع آلاینده کم‌تر از کیفیت بالاتری برخوردار بوده و کیفیت آب در هر دو شاخه رودخانه بیش‌تر تحت تاثیر آلاینده­های کشاورزی، باغ‌داری و دفع فاضلاب­های روستایی می باشد.

واژه های کلیدی: رودخانه ارداک، کیفیت آب، شبیه­سازی، Qual2kw.

Simulating of Surface Water Quality Using QUAL2KW

 (Ardak River, Khorasan Razavi Province)

Morteza Nikakhtar [4]

Seyedeh Hoda Rahmati[5] ^*

rahmati@srbiau.ac.ir

Ali reza Massah Bovani[6]

Abstract       

Background and Objective: Considering the importance of ARDAK River and dam in supplying drinking water of MASHHAD city as one of the biggest and most densely populated religious city of the world, preserving and maintaining water quality of this river is an essential task for providing water. This case study provides a model for water quality of ARDAK River by using appropriate and relevant tools which could calculate the values of water quality parameters along the entire length of main branches and it can be a beneficial approach for monitoring water responses to various contaminants and also for future decision making.

Method: In this research QUAL2KW dynamic model has calibrated with available previous data (July 2014) and verified by results of field sampling which has been conducted in April 2016 for different aspects of water quality.

Findings: Obtained results showed that this model made a good agreement with observed data such as DO, PH, COD and NO₃ and it was able to simulate water quality for both river branches.

Discussions and Conclusions: Abghad branch condition gets better due to less local population and contaminants, moreover agricultural, gardening and rural wastewater has affected both main branches of the river.

Keywords: Ardak River, modeling, Qual2kw, water quality

مقدمه

امروزه رودخانه­ها به عنوان مهم‌ترین منبع تامین و انتقال آب مصرفی در بخش­های صنعت، کشاورزی و شهری از اهمیت خاصی برخوردار هستند. رودخانه­ها  نه­تنها تأمین کننده مصارف مختلف هستند، بلکه به عنوان مجاری طبیعی در انتقال پساب­ها و فاضلاب­های تولید شده عمل می­نمایند. اما گسترش فزاینده فعالیت­های کشاورزی و صنعتی و افزایش حجم فاضلاب­های شهری موجب آلودگی رودخانه­ها گردیده، به نحوی که کیفیت این منابع حیاتی آب را مورد مخاطره جدی قرار داده است. تخلیه انواع آلاینده­های کشاورزی، صنعتی و پساب­های شهری به رودخانه­ها باعث شده است که در حال حاضر رودخانه­ها به عنوان یکی از کانون­های بحرانی از نقطه­نظر آلودگی­ها مطرح باشند (1). تأمین آب‌آشامیدنی، ارتقاء فعالیت­ها و کاربری­های تفریحی و ایجاد یک اکوسیستم مناسب برای ماهیان و حیات­وحش، مستلزم حفظ کیفیت آب رودخانه می­باشد. به این دلیل، آگاهی از روند تغییرات کیفی آب رودخانه­ها همراه با شناسایی عوامل اصلی آلودگی آن از اهمیت بسیاری برخوردار می­باشد. از طرف دیگر، هزینه­های پایش و کنترل محیط زیست به طور مداوم در حال افزایش بوده و تاثیرات زیست محیطی ناشی از اشتباه در قضاوت و تفسیر نتایج بسیار شایع گردیده است. از این رو مدیریت کیفی زیست­محیطی بایستی به ابزار­های موثر و قدرتمندی مجهز شود تا میزان خطا­های مذکور به حداقل برسد. ابزار­های مذکور باید بر اساس درک درستی از جنبه­ها و خصوصیات زیست­محیطی طراحی شده و توانایی اداره شرایط دشوار را نیز داشته باشند (2). یکی از این ابزار­ها شبیه‌سازی و استفاده از مدل­های کامپیوتری می باشد. اطلاعات بدست آمده بوسیله مدل­سازی نه تنها باعث صرفه­جویی در هزینه­های بعدی می­شود بلکه دیدگاه بسیار خوبی در مدیریت حوضه آبریز و در تصمیم­سازی‌های آینده برای چگونگی حفظ کیفیت و گسترش منابع و فعالیت­های آتی منطقه را فراهم می‌آورد. آگاهی از روند کیفیت در نقاط‌‌‌مختلف‌رودخانه و نحوه استقرار منابع مختلف پخش و انتشار آلودگی و بررسی هم‌پوشانی‌ها تاثیر بسزایی در ارزیابی­های دقیق و اقدامات بهتر سازمان­ها و ذی­نفعان مربوط دارد. در سال­های گذشته مدل­های بسیار زیادی با اهداف متفاوت در مباحث مختلف کمی و کیفی آب مورد‌استفاده قرار گرفته­اند (2). مدل کیفیQUAL2K  یک مدل دینامیکی و یک­بعدی است که قادر است پارامتر­های مختلف کیفیت آب یک‌رودخانه را تحت شرایط جریان پیوسته و در حالت اختلاط کامل شبیه­سازی نماید. این مدل که توسط Chapra و همکاران توسعه یافته است در سال­های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته و در موارد مختلفی از قبیل شبیه­سازی میزان و اثر­گذاری شاخص­های مختلف کیفیت آب، کنترل و مدیریت ورود آلاینده­های نقطه­ای و غیر نقطه­ای، مطالعه اثرات تغییر اقلیم بر کیفیت آب و ... مورد استفاده قرار گرفته است (3). از‌آنجایی که تا کنون جنبه­های کیفی به اندازه کافی تحت پوشش تحقیقات و بررسی­ها قرار نگرفته­اند آگاهی از روند تغییرات کیفی آب رودخانه­ها همراه با شناسایی عوامل اصلی آلودگی آن از اهمیت بسیاری برخوردار می­باشد و می­توان با استفاده از نتایج آن راهکار­های مناسبی برای حفظ کیفیت منابع آب سطحی ارایه نمود (4). این موضوع در سال­های گذشته توجه محققین داخلی بیش‌تری را به سوی خود جلب نموده است به­طوری‌که، در مطالعاتی که بر روی رودخانه گرگر خوزستان انجام شد، کفیت آب این رودخانه به وسیله مدل یاد شده شبیه­سازی گردیده و با استفاده از نتایج بدست آمده مهم ترین آلاینده های موجود شناسایی شدند (5). همچنین با استفاده از اطلاعات کیفیت آب رودخانه کارون مدل مذکور برای پارامتر­های مختلف صحت­سنجی گردید و از نتایج بدست آمده برای مدیریت کیفی رودخانه استفاده شد (6). در تحقیق دیگری که بر روی رودخانه چالوس انجام شد با استفاده از ایجاد مدل کیفی آب سطحی، از نتایج آن برای ارزیابی میزان خودپالایی استفاده گردید (2). در این تحقیق از مدل دینامیکی QUAL2kW در طول رودخانه ارداک که یکی از منابع تامین آب شرب شهر مشهد مقدس می‌باشد استفاده شده است و همچنین دفع پساب­های روستایی، باغ‌داری و کشاورزی موجود در منطقه مورد شناسایی و ارزیابی قرار‌گرفته­اند. با‌استفاده از مدل فوق پارامتر­های مختلف کیفیت آب این رودخانه برای اولین بار شبیه­سازی گردیده و مورد واسنجی و صحت­سنجی قرار گرفته­اند که می­تواند پایه و اساسی برای اتخاذ بهترین تدابیر و رویکرد­های آتی منطقه باشد.

روش بررسی

1- معرفی منطقه مورد مطالعه

حوضه آبخیز ارداک چناران تقریبا در فاصله 45 کیلومتری شمال غرب شهرستان مشهد و با مساحتی در حدود 24/479 کیلومتر مربع در حوضه آبخیز کشف­رود و از نظر سیاسی در محدوده دو شهرستان مشهد و چناران در بخش مرکزی واقع شده است (شکل 1). رودخانه ارداک یکی از سرشاخه­های کشف رود است که از سمت چپ (شمال) به این رودخانه می­پیوندد. کشف­رود پس از عبور از دشت مشهد و رشته کوه­های مزدوران به هریرود پیوسته و وارد دشت قره­قوم می­شود. رودخانه ارداک خود از دو شاخه به نام­های میان­مرغ (شاخه اصلی) به طول 24 کیلومتر از سمت شمال غرب و آبقد به طول 10 کیلومتر از سمت شمال شرق تشکیل یافته، این دو تقریباً در منتهی­الیه جنوب شرقی حوضه بهم‌پیوسته‌و پس از طی حدود 3 کیلومتر وارد دشت می­شود (شکل 1).

شکل 1- رودخانه ارداک و انشعابات فرعی آن

Figure1. Ardak River and its different tributaries

2- ایستگاه­های هیدرومتری و نمونه­برداری

در این تحقیق برای مرحله واسنجی مدلQual2kw در شاخه­های آبقد و میان­مرغ، از اطلاعات ایستگاه­های نمونه­برداری و هیدرومتری که در جدول 1 مشخص شده­اند استفاده شد. با این توضیح که ایستگاه­های ذکر شده با استفاده از روش ساندرس (7) مکان­یابی گردیده­اند، برای مرحله صحت­سنجی در اردیبهشت­ماه 1395در هر دو شاخه رودخانه، عملیات نمونه­برداری کیفی و برآورد دبی به وسیله دستگاه مولینه انجام شد. نمونه­های جمع­آوری شده در شرایط استاندارد^[7] به آزمایشگاه آب منطقه­ای خراسان رضوی جهت تجزیه انتقال داده شد. جدول 1 مختصات جغرافیایی و میزان دبی اندازه­گیری شده را در ایستگاه­های نمونه­برداری رودخانه­های میان­مرغ و آبقد را نشان می­دهد.

جدول 1- مختصات جغرافیایی و مشخصات ایستگاه‌‌های آب­سنجی و نمونه­برداری حوضه آبخیز ارداک

Table 1. Geographical coordinates and characteristics of hydrometric and sampling stations in Ardak watershed

3- منابع آلاینده:

با توجه به این‌که محدوده مورد مطالعه یک منطقه طبیعی و فاقد هر گونه منبع آلاینده صنعتی و معدنی بوده بنابراین عمدتا آلاینده­های رودخانه از نوع فاضلاب­های روستایی و زه­آب کشاورزی می­باشد. مواردی چون دفع نا­مناسب زباله در محدوده روستا­های حوضه، تخلیه فاضلاب روستا­های حاشیه رودخانه، زه­آب باغات در مسیر رودخانه که از کود و سموم استفاده می­نمایند، پرورش و چرای دام در منطقه و آرامستان‌های‌موجود که از طریق نفوذ آب باران و امکان ورود زه­آب ناشی از آن به رودخانه، می­توانند سبب آلودگی رودخانه شوند. با توجه به موارد فوق پارامتر­های DO، PH، NO3 و COD در آب رودخانه اهمیت زیادی داشته که نسبت به شبیه­سازی آن‌ها اقدام گردید.

شکل 3- موقعیت منابع آلاینده نقطه­ای و گسترده در بازه­های مختلف شاخه های آبقد و میان مرغ

Figure 2. Location of point and nonpoint source of pollution in different reaches of abghad and mianmargh branches

4- معرفی مدل Qual2kw

یکی از روش­های مدل­سازی کیفیت آب، استفاده از تبادلات بین مواد و کمیت­ها و روابط ریاضی موجود در بین آن‌ها، برای محاسبه میزان پارامتر­ها می­باشد (3). در حال حاضر مدل­های زیادی با قابلیت­ها و توانایی­های مختلف بر این اساس طراحی شده­اند که یکی از آن‌ها مدل Qual2kw می­باشد (3). مدل مذکور که ویرایش مدرنی از برنامه معروف کیفیت آب رودخانه­ها یعنی QUAL2E است، توسط چاپرا و همکاران اولین بار در سال 2006 ارایه گردیده است. یکی از آخرین ویرایش­های این برنامه (که در این مطالعه از آن بهره گرفته شده است) نسخه 5.1 آن می­باشد. این برنامه، انتقال و زوال آلاینده­های معمول (یعنی غیر­سمی) را شبیه­سازی می­کند.

مدلQUAL2K  رودخانه را به‌صورت یک­بعدی، همراه با جریان دایمی غیر­یکنواخت شبیه­سازی می­کند و می­تواند اثر بار­گذاری را به دو صورت نقطه­ای و غیر نقطه­ای در­نظر بگیرد (8،3) . همچنین قادر است تغییرات را به‌صورت روزانه و با گام­های زمانی کم‌تر از یک ساعت شبیه­سازی نماید (3).

1-4- موازنه­ی جریان و بازه­بندی رودخانه:

برای تولید مدل که در واقع همان فرمول­ها و روابط ریاضی کنترل کننده میزان پارامتر­ها می­باشند، اولین قدم ساده­سازی سیستم ورودی­ها و خروجی­ها به منظور فرموله کردن ریاضی آن است. بدین منظور Qual2kw رودخانه را به صورت تعدادی بازه^[8] در نظر می­گیرد (3). این‌تقسیم­بندی می­تواند در نقاطی که مشخصات هیدرولیکی جریان دچار تغییر می­شود مانند نقاط ورود و یا خروج جریان صورت گیرد، لذا مدل‌رودخانه را به صورت یک­سری بازه به­هم­پیوسته در نظر گرفته و شماره­گزاری آن‌ها از بالادست به طرف پایین­دست جریان انجام می­شود ‌(8). سپس مدل از طریق حل معادلات انتشار و انتقال و با در نظر گرفتن منابع تولید و استهلاک^[9] موجود در هر بازه، اقدام به شبیه­سازی پارامتر­های‌مختلف کیفیت آب در طول رودخانه می­نماید. همچنین مدل می­تواند هر بازه­ای را به تعداد دلخواهی عنصر با حجم کنترل (واحد محاسباتی بنیادی مدل)  تقسیم­بندی کند، که موازنه جریان در طول هر بازه از طریق واحد­های محاسباتی و با استفاده از روابط 1، 2 و 3 انجام می­شود (3).

شکل 3- موازنه جریان در هر عنصر

Figure 3. Reach flow balance

: Qin,iکل جریان ورودی از منابع نقطه­ای و غیر نقطه­ای به عنصر i (m³/d)

: Qab, iکل جریان خروجی از منابع نقطه­ای و غیر نقطه­ای به عنصر i (m³/d)

:Qi-1 میزان جریان خروجی از عنصر i-1 (m³/d

:Qiمیزان جریان خروجی از عنصرi-1  (m³/d)

مدل Qual2k ورودی­ها و یا خروجی­های غیر نقطه­ای را به صورت خطی شبیه­سازی می­کند. شروع و پایان این منابع را به صورت شکل 4 در‌ نظر گرفته و با توجه به بار ورودی به هر عنصر، به آن وزن می­دهد. بنابر­این باید طول منابع ورودی یا خروجی غیر نقطه­ای معلوم باشد (3).

شکل 4- طریقه توزیع جریان­های منابع غیر­نقطه­ای در یک بازه

Figure 4. Distribution manner of nonpoint sources stream in a reach

2-4- معادلات تعادل جرم

معادله اصلی که مدل مذکور، به حل آن می­پردازد، معادله جابجایی/ پخش یک­بعدی است که شامل جملات جابجایی، پخش، چشمه/چاه داخلی و چشمه/چاه خارجی است. این معادله برای هر ماده آلاینده c به‌صورت رابطه 4 است(3)

که در آن c غلظت ماده آلاینده (mg/l)، t زمان (sec)، A سطح مقطع المان عمود بر جریان (m2)، D_L ضریب پراکندگی (m2/s)، x طول رودخانه (m)، u سرعت متوسط جریان (m/s)، s جمله چشمه یا چاه خارجی (mg) و V حجم المان (m3) هستند. جملات سمت راست معادله به ترتیب عبارتند از: پراکندگی، جابجایی، چشمه/چاه درونی و چشمه/چاه بیرونی. عبارت dc/dt بیان‌گر تغییرات غلظت ماده آلاینده تحت فرآیند­های محیط­زیستی است و برای هر ماده­ای، بر حسب فرآیند­های تولید یا مصرف آن متفاوت است و نباید آن‌را با ترم سمت چپ یعنی  اشتباه گرفت که بیان‌گر گرادیان غلظت است.

3-4- مدل­سازی دما

همان‌طور که در شکل 5 مشاهده می­شود موازنه دما از طریق انتقال دما از بازه­های مجاور، ناخالصی­ها، جریان­های خروجی، هوا و رسوبات انجام می­شود. برای یک بازه معادله موازنه دما به صورت رابطه (5) نوشته می­شود (3):

که در آن T_i دما در بازه i بر حسب[^oC]، tزمان بر حسب روز، E’_iضریب پراکندگی توده بین بازه­های iو i + 1، بر حسب [m³/d]، W_h,i دمای خالص انتقالی از منابع آلاینده نقطه­ای و غیر نقطه­ای به بازه، i بر حسب کالری بر روز، r_wچگالی آب بر حسب[g/cm³]، C_pwدمای‌ویژه‌آب بر حسب [cal/(g ^oC)]، J_h,i شار حرارتی آب- هوا بر حسب [cal/(cm² d)] و J_s,i  شار حرارتی آب- رسوب بر حسب [cal/(cm² d)] می­باشد.

شکل 5- موازنه دما

Figure 5.  Heat balance.

4-4- ورودی­های مدل

از آنجا­یی که شرایط هیدرولیکی رودخانه ارداک در شاخه­های میان­مرغ و ارداک در همه­جای آن یکسان می­باشد با تقسیم شاخه میان­مرغ به 24 بازه یک­کیلومتری و نیز شاخه آبقد به 10 بازه یک­کیلومتری کار ادامه یافت (شکل 2). اطلاعات مورد نیاز این مدل عبارتند از: داده­های هندسی رودخانه، داده­های هیدرولیکی، داده­های هواشناسی، داده­های کیفی آب رودخانه، ضرایب سینیتیکی که مورد استفاده در معادلات مدل بوده و داده­های کمی و کیفی منابع ورودی به رودخانه می­باشند (8).

5-4- واسنجی و صحت­سنجی مدل

پس از وارد کردن تمامی اطلاعات جمع­آوری شده در مرحله واسنجی، مدل برای آبان ماه 1393 اجرا شد. سپس مقادیر شبیه­سازی شده با‌مقادیر مشاهداتی یعنی مقادیر ثبت شده در ایستگاه­های هیدرومتری مقایسه شد. هر چه اختلاف این دو کم‌تر باشد یعنی شبیه­سازی به‌واقعیت نزدیک­تر بوده و قابل پذیرش است. تغییر ضرایب و پارامتر­های مدل در بازه­های مجاز به نحوی که اختلاف بین داده­های مشاهداتی و اطلاعات شبیه­سازی شده حداقل شود را واسنجی یا کالیبراسیون می‌گویند (3). در نرم‌افزارQUAL2K  کالیبراسیون به دو صورت دستی و خودکار انجام می­شود (8،3). در روش خودکار که بر پایه الگوریتم ژنتیک است با تعریف تابعی به نام fitness (رابطه شماره6) درصفحه­ای از نرم­افزار که با همین عنوان طراحی شده، انجام می‌گردد (4،3). مقدار این تابع میزان انطباق دو دسته داده­های مشاهداتی و شبیه­سازی شده را مشخص می­نماید. نرم­افزار از طریق مقدار این تابع و سایر گزینه­های مربوط به الگوریتم ژنتیک اقدام به اصلاح ضرایب می­نماید (4،3).  قبل از عمل کالیبراسیون ابتدا می‌بایستی دبی جریان واسنجی شود، که این کار از طریق ضریب مانینگ انجام می‌شود، به نحوی که با تغییر این‌ضریب،‌داده­های مشاهداتی مربوط به نمودار Travel time با اطلاعات شبیه­سازی شده این پارامتر بیش‌ترین تطابق را خواهند یافت (8،3). پس از واسنجی مدل به روش خودکار، با استفاده از داده­های اردیبهشت 1395مدل مورد صحت­سنجی قرار گرفت بدین­صورت که ضرایب بدست آمده در مرحله قبلی را ثابت در نظر گرفته و مدل را با داده­های مشاهداتی جدید اجرا و میزان تطابق داده­های مشاهداتی و شبیه­سازی شده بررسی می­شود (9). برای ارزیابی خطا از شاخص مجذور میانگین مربع خط (RMSE[10] )استفاده گردید (رابطه شماره7)، که اگر اختلاف مقدار این شاخص در مرحله صحت­سنجی با مقدار آن در مرحله واسنجی به­اندازه 20 درصد باشد نتایج مرحله صحت­سنجی را قبول کرده و مدل پذیرفته می­شود و در غیر این صورت مدل بیان‌گر واقعیت موجود در محل نمی­باشد (9).

5- نتایج

1-5- رودخانه یا شاخه­ی آبقد

نتایج اجرای مدل برای پارامتر­های مورد نظر این پژوهش در هر دو مرحله صحت­سنجی و واسجی شاخه آبقد در شکل­های 6 و 7 نشان داده شد. لازم به ذکر است که محور افقی نمودار­ها، فاصله نسبت به انتهای مسیر یا همان ورودی سد ارداک را نشان می­دهد. شکل های فوق تغییرات پارامتر­های مختلف کیفیت آب را در شاخه آبقد، از بالادست (کیلومتر 10) تا پیوستن آن به دریاچه سد ارداک (کیلومتر صفر) را نشان می­دهند.

همان‌طور که در شکل­های A6 و A7 مشاهده می­شود، میزان اکسیژن محلول DO)) در بالادست رودخانه آبقد دارای غلظت بالایی است که علت آن می­تواند عدم وجود منابع آلاینده از جمله فاضلاب­های روستایی در این شاخه باشد. همپنین تجاوز غلظت اکسیژن محلول از غلظت‌اکسیژن اشباع در طول مسیر را می­توان به گیاهان موجود در بستر رودخانه نسبت داد. شکل­های B6 و B7، به ترتیب روند تغییرات پارامتر PH در شاخه آبقد را در طی دوره­های واسنجی و صحت­سنجی نشان می­دهند. همان‌طور که در نمودار­های نیترات (شکل­های C6 و C7) مشخص است میزان این کمیت در بالادست رودخانه زیادتر از سایر نقاط آن می­باشد. علت در آن است که در حاشیه این مسیر از رودخانه جمعیت چندانی ساکن نبوده و عمده­ترین منبع ایجاد نیترات، فعالیت­های کشاورزی و باغ‌داری است که اکثرا در مناطق بالادست این شاخه از رودخانه مستقر می­باشند. در بررسی نمودار­های COD مشخص است که این پارامتر روندی صعودی، از بالادست به سمت­پایین دست رودخانه دارد. بررسی و هم‌پوشانی منابع آلاینده این قسمت از رودخانه نشان می­دهد که تنها روستای موجود در حاشیه این شاخه، تقریبا در میانه مسیر آن واقع گردیده و دفع مواد آلاینده از جمله مواد آلی سبب ایجاد این روند افزایشی گردیده است (شکل­های D6 و D7). تجزیه مواد آلی فرآیندی کاملا بی­هوازی است (10) و در نتیجه، در نقاطی که مقدار مواد آلی بالا است کاهش میزان DO مشاهده می­گردد.

شکل 6-  تغییرات پارامتر­های مختلف کیفی در شاخه آبقد در مرحله واسنجی

Figure 6. Changes of different Qualitative parameters in Abghad Branch during calibration period

شکل 7- تغییرات پارامتر­های مختلف کیفی در شاخه آبقد در مرحله صحت­سنجی

Figure 7. Changes of different Qualitative parameters in Abghad Branch during verification period

جدول 2- میزانRMSEپارامتر­های مختلف در دوره­های مختلف واسنجی، صحت­سنجی و ارزیابی مدلدر شاخه آبقد

Table 2.  RMSE value of different parameters during calibration and verification periods and model evaluation in Abghad branch

2-5- رودخانه یا شاخه­ی میان­مرغ:

شکل­های 8 و 9 وضعیت تغییرات پارامتر­های مختلف کیفیت آب در طول شاخه میان­مرغ را از بالادست تا پیوستن این شاخه به دریاچه سد ارداک نشان می­دهد. نقاط مینیمم در نمودار DO (شکل هایA8 و A9)، عمدتا به علت وجود روستا­های مستقر در حاشیه رودخانه و تخلیه فاضلاب­های آن‌ها است که باعث کاهش اکسیژن محلول در برخی از نقاط رودخانه شده است. با بررسی نمودار­های PH (شکل‌های B8 و B9) در مسیر میان­مرغ مشخص است که میزان آن علی­رغم وجود نوسانات در طول مسیر، کمی از حد خنثی بالاتر و کمی قلیایی می­باشد. علت این امر به خاطر انحلال کربنات­ها و بی‌کربنات­های قلیایی موجود در خاک منطقه و بستر مسیر رودخانه می­باشد.

بررسی نمودار­های مربوط به نیترات ( شکل­های C8 و C9 ) نشان دهنده کاهش میزان این پارامتر از بالادست به سمت پایین­دست رودخانه است. بیش‌ترین میزان نیترات در قسمت بالایی رودخانه و در اثر آلودگی­های ناشی از پساب­های روستایی رخ داده است. تغییرات نیترات در سایر‌مناطق رودخانه دارای شیب ملایمی است که در اثر منابع آلاینده گسترده مانند کشاورزی و باغ‌داری است که در طول رودخانه و در دو‌طرف آن مستقر هستند.

بررسی نمودار­های COD ( شکل­های D8و D9) نیز مکان دفع آلودگی­ها را تایید نموده و نشان دهنده علت افت محتوای اکسیژن محلول آب در برخی از نقاط رودخانه می­باشند.

شکل 8- تغییرات پارامتر­های مختلف کیفی در شاخه میان­مرغ در مرحله واسنجی

Figure 8. Changes of different Qualitative parameters in Mianmargh Branch during calibration period

شکل 9- تغییرات پارامتر­های مختلف کیفی در شاخه میان­مرغ در مرحله صحت­سنجی

Figure 9. Changes of different Qualitative parameters in Mianmargh Branch during verification period

جدول 3- میزانRMSEپارامتر­های مختلف در دوره­های مختلف واسنجی، صحت­سنجی و ارزیابی مدلدر شاخه میان­مرغ

Table 3. RMSE value of different parameters during calibration and verification periods and model evaluation in Mianmargh branch.

بحث و نتیجه­گیری

بررسی مقادیرRMSE  در مراحل واسنجی و صحت­سنجی، اختلاف بسیار جزعی (20 درصد  یا کم‌تر) را ما­بین مقادیر ذکر شده نشان داد (جدول­های 2 و 3) و لذا مدل­های تولید شده در مورد پارامتر­های DO، COD، NO₃ و PH که به خوبی منعکس کننده وضعیت طبیعی موجود در محل می­باشند را می­پذیریم.

نتایج این تحقیق نشان داد که در شاخه آبقد، آب از کیفیت بالاتری نسبت به رودخانه میان‌مرغ برخوردار است. علت این امر می‌تواند در اثر عدم‌وجود و استقرار جمعیت روستایی و منابع آلاینده کم‌تر در این شاخه از رودخانه باشد. هر چند مسایلی مانند عدم رعایت شیوه‌های‌بهداشتی دفع زباله و تصفیه فاضلاب‌های روستایی و کشاورزی در این قسمت نیز به چشم می‌خورد، وجود مقادیر بالای DO و غلظت­های کم NO₃ و COD حاکی از عدم آلودگی منابع آب سطحی این منطقه می‌باشد. در شاخه میان‌مرغ مقادیر بیش‌تری از NO₃ و COD در بالادست رودخانه مشاهده می‌گردد که علل آن‌را می‌توان در وجود روستا‌های پر‌جمعیت و گسترش مناطق کشاورزی و باغ‌داری در این قسمت از رودخانه جستجو نمود. بنابراین اتخاذ روش‌های محدود کننده مقادیر فوق مانند جلوگیری از ورود فاضلاب‌های تصفیه نشده، محافظت از خاک‌های بدون پوشش و کاهش ورود مواد مغذی ناشی از فعالیت‌های کشاورزی، باغ‌داری و دامداری باید مد نظر قرار گیرد. کاربری شرب آب سد ارداک که از دو‌شاخه مورد مطالعه آبقد و میان‌مرغ آبگیری می‌نماید، لزوم توجه هر چه بیش‌تر به این رودخانه و شاخه­های اصلی آن را بیش از پیش ضروری می‌نماید. محدودیت سیستم‌های تصفیه آب در کاهش مقدار بسیاری از آلاینده‌ها، لزوم احداث سیستم‌های تصفیه فاضلاب و دفع بهداشتی زباله در روستا‌های بالادست رودخانه را واضح و روشن می‌نماید. از دیگر مسایل شایان‌توجه احداث پل و یا انحراف راه به محل­هایی خارج از رودخانه است که رفت و آمد کم‌تر در مسیر رودخانه و در نتیجه آلودگی کم‌تری را در بر خواهد داشت. احداث پارکینگ‌های مناسب برای گردش‌گران و جلوگیری از ورود و توقف اتومبیل‌ها که در بعضی از مناطق رودخانه به وفور دیده می‌شود نیز می‌تواند موثر واقع شود.

Reference

1. Giraldo-B LC, Palacio CA, Molina R, Agudelo RA. Water quality modeling of the Medellin river in the Aburrá Valley. UNIVERSIDAD NATIONAL DE CLOMBIA, DYNA. 2015.
2. Mirbagheri Sa, Mahmoodi S, Khezri Sm. Modeling of nitrate and phosphorus in chaloos river using QUAL2K. Jurnal of civil and environment. 2011. (In Persian)
3. Pelletier G, Chapra S. QUAL2KW theory and documentation (version 5.1). Environmental Assessment Program Olympia. Washington Publication. 2008.
4. Pelletier G, Chapra S, Tao H. QUAL2KW A framework for modeling water quality in streams and rivers using a genetic algorithm for calibration. Researchgate http://www.researchgate.net/publication/222978409. 2006.
5. Shokri s, Hooshmand A, Moazed H. Simulation of ammonium and nitrate in gargar river using QUAL2KW. scientific research journal of wetland's ecobiology. 2015. (In Persian)
6. Bagherian Marzouni M, Akhoundalib M, Moazed H, Jaafarzadeh N, Ahadian J, Hasoonizadeh H. Evaluation of karun river water quality scenarios using simulation model results. journal of Advanced Biological and Biomedical Research. 2014; 2(2): p. 339-358.
7. Sanders TG, Ward RC, Loftis JC, Steele TD, Adrian DD, Yevjevich V. Design of Networks for Monitoring Water Quality: Water Resources research; 1987.
8. Pelletier G, Chapra S. QUAL2KW user manual (version 5.1) A modeling framework for simulating river and stream water quality. Washington; 2008.
9. Prakash R, Kannel S, Lee Y, Lee S, Kanel SR, Pelletier GJ. Application of automated QUAL2Kw for water quality modeling and management in the Bagmati River, Nepal. Ecological modelling. 2007.
10. Nuzhat P, Singh S. Development of Enhanced DO model for Gomti River at Lucknow Stretch, India. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES. 2016.
11. Kalburgi PB, Shareefa RN, Deshannavar UB. Development and Evaluation of BOD–DO Model for River Ghataprabha near Mudhol (India), using QUAL2K. Modern Education and computer Science. 2015.
12. Masamba WRL, Mazvimavi D. Impact on water quality of landuses along Thamalakane-Boteti River, An outlet of the Okavango Delta. Physics and Chemistry of the Earth. 2008.
13. Fereidoon M, Khorasani G. Water quality simulation in qarresu river and the role of wastewater treatment plants in reducing the contaminants concentrations. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). 2013; 3(5).
14. Ribeiro CHA, Araujo M. Mathematical Modeling as a Management Tool for Water Quality Control of The Tropical Beberibe Estuary. Ne Brazil, Hydrobiologia. 2002.
15. Turner D, Pelietier G, Kasper B. Disolved Oxygen and PH Modeling of a Periphyton Dominated, Nutrient Enriched River. Jurnal of Environmental Engineering. August 2009.
16. Zhang R, Qian X, Yuan X, Ye R, Xia B, Wang Y. Simulation of water environmental capacity and pollution load reduction using QUAL2K for water environmental management. international journal of environmental research and public health. 2012.
17. Zipper C, Holtzman E, Golde I, Patrick D, Gildea F, Stewart JJ, et al. Virginia USA Water Quality, 1978 to 1995. Regional Interpretation. 2002.