بررسی قابليت مدل­ها، شاخص ها و معادلات کیفی آب- کیوان خلیلی، نسرین فتح الله زاده عطار، ذبیح الله خانی تملیه

0

پايش كيفيت آب فعاليت متمركزي است، كه براي بررسي ويژگي هاي فيزيكي، شيميايي و زيستي آب در ارتباط با بهداشت انساني، شرايط اكولوژيكي و كاربري آب انجام مي شود، نوع اطلاعاتي كه از يك برنامه پايش كيفيت به دست مي آيد، بستگي كامل به اهداف برنامه پايش دارد. اين اطلاعات محصول جمع آوري نمونه هاي آب، آناليز و تفسير داده هاي كيفي آب مي­باشد. کیفی

هم چنين اطلاعاتي كه از اين نمونه هاي آب به دست مي­آيد، ممكن است، تطابق كامل با كل بدنه آب  مورد پايش نداشته باشد. چرا كه وضعيت كيفي آب هم در بدنه و هم در نمونه هاي آب تحت تاثيرعوامل مختلف زماني و مكاني قرار دارند. بنابراين، به دست آوردن اطلاعات كافي و قابل اعتماد از نمونه هاي آب بستگي زيادي به طراحي مناسب شبكه پايش دارد. طراحي شبكه پايش كيفيت در اولين مرحله برنامه پايش انجام مي شود، ولي تاثير به سزايي در كل برنامه پايش دارد. جايگاه طراحي برنامه پايش كيفيت بسيار فراتر از آن است كه صرفا فرايندي براي تعيين محل نمونه برداري، شاخص هاي كيفي و فاصله زماني نمونه برداري ها محسوب گردد. از اینرو لازمست که مطالعات خود پالایی صورت گیرد، ضمن آنكه تعيين خود پالايي نيازمند يك سري ابزارها مانند مدلهاي كيفي مي­باشد، تا بتوان در شرايط مختلف كيفيت آب را پيش بيني كرد .در این تحقیق اين تحقيق ارزیابی مدلهای کیفی آبهای سطحی آب، شاخص­ها و همچنین معادلات حل آلودگی مورد مطالعه قرار گرفته است، از جمله مدلهای  EXPRESS,SWMM,HSPF,WASP,QUAL2E,WQAM و همچنین روش کوادراچر( Quadrature) و استفاده از این روش برای حل عددی معادلات انتقال پخش  و شاخصهای کیفیت آب ازجملهTRIXو… اشاره کرد.

کلمات کليدي: مدلهای کیفی، شاخص، پالایش 

 

 

  • مقدمه

حيات موجودات و سلامتي انسان ها بيش از هر چيز به آب سالم و بهداشتي بستگي دارد (Dehghani وهمکاران 2010). به موازات افزايش جمعيت در دنيا، نياز آبي در بخش هاي خانگي، صنعتي و کشاورزي نيز به شکل قابل توجهي افزايش يافته که اين امر استفاده بيش از حد از منابع آبي را به همراه داشته است (Mehdi Heydari و همکاران 2012). از این رو بهره برداري بهينه از منابع آب و مديريت كيفي سيستم هاي رودخانه هاي در دهه هاي گذشته مورد توجه محققين و سياست­گذاران بخش آب قرار داشته است.  از جهت ديگر، كيفيت آب نيز از پارامترهاي مهمي است كه بسته به مورد استفاده، از طريق ارگان هاي مختلف داراي محدوديت هايي است. بدين معني كه براي مصارف مختلف استانداردهاي مختلفي براي كيفيت آب تعيين گرديده است. از اين رو، كيفيت آب نيز از پارامترهاي تعيين كننده در تعيين سياست بهره برداري از منابع  آب موجود است(مهردادی و همکاران، 1389). بنابراین  تحلیل پارامترهای کیفی آب، براساس مدلها و شاخص ها و معادلات مختلف  امری ضروری بنظر می رسد که در این تحقیق مدل هاي كيفي آب به بررسی عملکرد آنها پرداخته شد.

معمولاً برحسب پيچيدگي ، پارامترهاي كمي و كيفي آب پذيرنده شا مل (اكسيژن محلول، مواد مغذي و … ) طبقه بندي مي شوند، اگر مدل داراي پيچيدگي بيشتر ي باشد. موجب مي شود كه مدل سخت تر و گران­تر شود و براي بكارگيري به­صرفه نباشد. مدل هاي كيفي آب معمولا بر اساس چهار فاكتور زير طبقه بندي مي شوند: تعداد و نوع شاخص هاي كيفيت آب، تعداد وجزئيات فاصله اي منابع آلودگی، تعداد و جزئيات موقتي، پيچيدگي بدنه آب بصورت تحليلي(ترابیان وهمکاران 1381).

  • بررسی شاخص ها

2-1.محاسبه شاخص TRIX

براي ارزیابی کیفیت آب و اثر بر نواحی ساحلی ضروري است، که از یک شاخص حالت تروفیکی براي نوترینتها استفاده شود. شاخص TRIX یکی از شاخصهاي رایج مورد استفاده براي حالت تروفیکی بوده و توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا  مورد استفاده قرار می گیرد. وضعیت تروفیکی ناحیه ساحلی، با استفاده ازTRIX به صورت زیر تعریف می شود(Vollenweider، 1992).

Chla= غلظت کلروفیل بر حسب mg/m3

D%O= انحراف غلظت اکسیژن محلول از حالت اشباع

DIN= غلظت نیتروژن غیر آلی محلول بر حسب mg/m3

Tp= غلظت فسفر کل بر حسب mg/m3

این شاخص فاکتورهاي مهم و تیپیک پدیده یوتروفیکاسیون را خلاصه می کند .فاکتورهاي تولید شامل بیومس به صورت غلظت کلروفیل a ، اکسیژن محلول به صورت انحراف مطلق از وضعیت اشباع و فاکتورهاي مربوط به مواد مغذي (غلظت نیتروژن غیر آلی محلول و فسفر کل). این شاخص عددي از 0تا8 و محدوده وسیعی از شرایط تروفیکی از اولیگوتروفی تا یوتروفی را پوشش می دهد، این شاخص به طور روزانه براي ارزیابی سواحل در کشور ایتالیا استفاده می­شود.

:NSFWQI2-2شاخص

این شاخص در سال 1970 با حمایت سازمان بهداشت ملی آمریکا توسط براون و همکارانش براساس نظرسنجی از تعداد زیادی از متخصصین با تخصص­های گوناگون در این زمینه ارائه شد و از 9پارامتر مهم آب با وزن دهی مناسب به این منظور استفاده گردید. و وضعیت بسیار خوب آب را با رنگ آبی، وضعیت خوب را با رنگ سبز و وضعیت متوسط را با رنگ زرد، وضعیت بد را با رنگ نارنجی و وضعیت خیلی بد را با رنگ قرمز به شرح جدول 1 نشان داده شد(Kumar، 2011).

جدول 1-کلاس بندی کیفی آب براساس شاخص NSFWQI

رنگ مشخصه مقدار عددی وضعیت
آبی روشن 100-90 بسیار خوب
سبز 90-70 خوب
زرد 70-50 متوسط
نارنجی 50-25 بد
قرمز 25-0 بسیار بد

2-3شاخص کیفیت آب WQI

با استفاده از روش شاخص وزنی به منظو ر تعیین مناسب بودن آبهاي  زیرزمینی براي مقاصد شرب محاسبه می شود، در این شاخص نه پارامترها ي کیفیت آب شامل PH،TDS، قلیائیت، سختی کل، سختی کلسیم، منیزیم سختی، نیترات، کلرید و سولفات مورد استفاده قرار میگیرد (Chaterjeeو همکاران 2002).

2-4شاخص مالزي O-WQI

شاخص كيفيت آب ارگن يك عدد منفرد مي باشد، كه با استفاده از هشت پارامتر كيفي آب قابل محاسبه است.( دما،DO، BOD، pH، كليفرم روده ای، آمونياك+نيتروژن نيتراتي، جامدات كل و فسفر كل) شاخص كيفيت آب ارگن در  اوايل دهه 1970بدست آمد و با توجه به پيشرفت هاي علمي در زمينه دانش كيفيت آب، اين شاخص نيز توسعه يافت.

  • OWQI= نتایج شاخص کیفیت آب ارگن
  • n= تعداد زيرشاخصها
  • SIi= زيرشاخص براي پارامتر كيفي iاُم می­باشد.

(4)

جدول 2- روابط شاخص كيفيت آب O-WQI(Cude,، 2001 )

پارامتر دامنه كاربرد رابطه  پارامتر مورد نظر
T SIT=76.54+4.172T-01623T2-2.055E-3T2
T SIT=10
BOD BOD SITBOD=100exp(BOD*-0.1993)
BOD BOD SITBOD=100
PH 7 SIPH=100
PH 8 SIPH=100exp((PH-8)*-0.1993)
N 3mg/l  N SIN=100*exp(N×-0.4605)
N N>3mg/l SIN = 10
P 0.25mg/l  P SIP = 100-299.5P-0.1384P2
P 5(100mg/l)  FC SIFC=98
FC 1600(100mg/l) 50  FC SIFC=100*exp((FC-50)*(9.9178E-4))

 

2-5 شاخص CWQI

 یک کمیته ازکارشناسان کیفیت آب از سراسر کانادا شاخص کیفیت آب را در سال 1990 توسعه دادند. شاخص CWQI  ابزاري ارزشمند براي ارتباط با نتایج حاصل از برنامه بزرگ و پیچیده نظارت بر کیفیت آب می­باشد، که از رابطه زیر محاسبه می­شود، جدول 3 کلاس بندی کیفی آب براساس شاخص CWQI (Rickwood ، 2011).

جدول 3 -کلاس بندی کیفی آب براساس شاخص CWQI

بیان وضعیت محدوده شاخص
عالی 100-91
خوب 90-71
متوسط 70-51
بد 50-26
خیلی بد 25-0

3-مدلها:

3-1مدل  MIKE11:

بسته نرم افزاری DHI توسط موسسه هیدرولیک دانمارکی(Danish Hydraulic Institute)  برای شبیه سازی جریان، انتقال رسوب و کیفیت آب در مصب رودخانه ها، رودخانه، سیستم آبیاری و آب مشابه توسعه یافته است. کاربری  ابزار پسند جهت طراحی، مدیریت و بهره برداری از حوضه رودخانه و کانال شبکه. مایک 11 شامل ماژول های زیر است. HD: شبیه سازی هیدرو دینامیکی جریان ناپایدار در یک شبکه ای از کانال های باز.  براساس نتایج سری زمانی داده های جریان (دبی و سطح آب) است. AD:پراکندگی فرارفتWQ: کیفیت آب ویژگیهاي این مدل عبارتند از : غیر دایمی بودن مدل در مقایسه با مدلهاي دیگر،نمایش اطلاعات بصورت جدولی و گرافیکی، دیجیتایز کردن شبکه رودخانه ها و ارتباطات بین شاخه ها، تعریف سازه ها و پدیده هاي هیدرولیکی بیشتر نسبت به سایر مدلها، توانایی شبیه سازي فرایند پیشروي سیلاب در سیلاب دشت با روش هاي مختلف، تعریف نقاط ورودي جریان به حوضه (براي مدل بارندگی- رواناب).(DHI ،2007 ).

3-2مدل SWMM:

مدل مديريت سيلابي آب سطحي EPA يك مدل ديناميكي شبيه ساز بارش – رواناب است، كه براي شبيه سازي مقدار و كيفيت رواناب اعم از كوتاه مدت و بلند مدت (بادوام) در سطح شهر مورد استفاده قرار مي گيرد. مولفه رواناب SWMM از يك كلكتور اصلي سطح حوزه كه همه بار آلودگي و بارش را دريافت مي كند، استفاده مي شود. بخش عادي انتقال رواناب ، از سيستم لوله ها، كانال ها، تاسيسات ذخيره، تصفيه، پمپ ها و تنظيم كننده ها مي باشد. SWMM مقدار وكيفيت آب هر يك از حوزه ها را بر اساس موارد زير محاسبه مي­كند: ميزان جريان، عمق جريان، كيفيت آب در هر لوله، كانال در طول يك دوره شبيه سازي با تناوب زماني. SWMM اولين بار در سال 1971 مورد استفاده قرار گرفت و از آن زمان تا كنون به زير مجموعه هايي تقسيم بندي شده است. از اين مدل بطور گسترده براي نقشه كشي و آناليز، طراحي شبكه رواناب سطحي، شبكه هاي مختلط (درهم)، شبكه هاي شهري و ديگر سيستم هاي زهكش در سطح شهر مورد استفاده قرار مي گيرد، البته براي سطوح غير شهري نيز مدل اين قابليت ها را داراست .قابليت هاي مدل :زمان هاي مختلف بارش، تغيير آب سطحي در حال سكون،تجمع برف و ذوب شدن آن، قطع بارش و كاهش حجم ذخيره اي مخزن، نفوذ بارش از لايه هاي خاك غير اشباع ، تراوش نمودن آب به لايه هاي آب زير زميني،جريان ورودي بين آب زير زميني و سيستم زهكشي(Lewis، 2010).

3-3مدل نسبت –تجارت:

یکی از روشهای موثر در زمینه مدیریت کیفی رودخانه که با رویکرد اقتصادی به آن پرداخته می­شود، برنامه های تجارت مجوز قابل انتقال تخلیه بار آلودگی است.( Transferable/Tradable Discharge Permit (TDP)). ایده اصلی این نوع برنامه های تجارت بار آلودگی به 1968 بر می­گردد، یعنی زمانیکه  اولین بار بحث حق آلودگی (Pollution Right) توسط دالس مطرح شد. با این  ایده مجوز تخلیه فاضلاب مانند کالا قابل خرید و فروش می گردید(Dales، 1968).

در سیستم جریان رودخانه چونکه جریان یک جهته است برای کنترل مواد آلاینده می­توان از سیستم نسبت تجارت که توسط هونگ و شو که در سال 2005 ارائه شد استفاده نمود. این سیستم با در نظر گرفتن میزان خودپالایی رودخانه و چگونگی پخش وانتقال آلاینده نسبت- تجارت بین واحدها را تعیین می­کند و به کمک روشهای بهینه سازی، الگوی بهینه تجارت را ارئه می دهد(Hung و همکاران 2005).

  • سیستم TRS(Trading – Ratio System) سه ویژگی بارز دارد که عبارتند از:
  • ظرفیت پذیرش بار آلودگی هر ناحیه با در نظر گرفتن بار انتقال آلودگی بالادست جهت محاسبات 2- تعیین ضرائب تجارت بین نواحی مختلف با توجه به ضرائب انتقال 3- تجارت مجوز بین واحدها علاوه بر اینکه استانداردهای زیست محیطی را ارضاء کند هزینه کل سیستم را نیز حداقل نماید.

در این سیستم رودخانه را به چند بازه تقسیم نموده که اولین بازه بازه ای است که در بالادست قرار دارد.

تعریف ضرایب انتقال بین واحدهای انتشار و مناطق مختلف:

  • به طور کلی، ضریب انتقال حاکی از درصد بار آلودگی منتقل شده از بالادست پس از عبور از یک فاصله که با توجه به کاربرد آن در تجارت آلودگی از جنبه های زیر به آن اشاره می­کنیم:

1) بین ایستگاه ترمینال(پایانی) مناطق تعریف شده 2) بین واحدهای انتشار موجود در یک منطقه و یا مناطق مختلف

3)  واحد انتشار به ایستگاه ترمینال(پایانی) در محل  مناطقی که در آن واقع شده است(Riyaziو همکاران 2014).

(7)

  • Lj = بار آلودگی تخلیه j ام ( از منطقه پایین دست)
  • Li= بار آلودگی تخلیه j ام ( از منطقه بالا دست)

3-4مدل MONERIS:

ارزیابی غذایی( نیتروژن و فسفر) توسط مدل مونیرس (MONERIS) انجام می شود. ازجمله مطالعات انجام شده با این میتوان به مطالعه رودخانه Elbe  در آلمان اشاره کرد، Elbe –DSS  ابزاری برای مدیریت یکپارچه حوضه بخشی از رودخانه Elbe در آلمان است. اهداف مدل های شبیه سازی های مختلف به ارزیابی تاثیر اقدامات مانند احیای جنگل، تغییرات استفاده کشت و شیوه­ها و یا بهره وری از گیاهان درمان فاضلاب و از حالات خارجی در مجموعه ای از مدیریت است. برای ارزیابی مواد مغذی و آلاینده بارهای و اثرات، آنهاست(Behrendt، 1999).

3-5مدل SWAT:

یک مدل شبیه‌سازی پیوسته‌ی حوضه با پایه‌ی فیزیکی است، توسعه یافته توسط سرویس تحقیقات کشاورزی وزارت کشاورزی ایالت متحده.، مورد استفاده برای پیش‌بینی تاثیر برنامه‌های مدیریت زمین بر آب، رسوب و بازده مواد شیمایی کشاورزی. قابل استفاده در حوضه‌های پیچیده با ساختمان خاک‌، کاربری اراضی و شرایط مدیریتی مختلف می­باشد. اجزای اصلی مدل شامل تولید داده های  آب و هوا، هیدرولوژی، رسوب، رشد محصول، مواد مغذی و آفت کش ها و زیر مجموعه آنها است. بمنظور دقت در شبیه سازی کیفیت و کمیت آب، SWAT نیاز به اطلاعات خاص در مورد توپوگرافی، آب و هوا(بارش، دما) ، هیدروگرافی (ذخایر آب زیرزمینی، کانال مسیریابی، استخر و یا مخازن، مخازن،الگوهای رسوب)، خواص خاک (ترکیب، رطوبت و مواد مغذی، درجه حرارت،پتانسیل فرسایش)، محصولات کشاورزی، پوشش گیاهی و شیوه های زراعی (خاکورزی، حاصلخیزی، کنترل آفات) است(Singhو همکاران 2005).

3-6مدل MIKE SHE:

MIKE SHE یک  مدل  قطعی، مبتنی بر خصوصیات  فیزیکی است.، مدل های توزیع برای شبیه سازی متفاوت اند، که در فرآیندهای چرخه هیدرولوژیکی در فاز زمین بکار می روند. فرآیندهای هیدرولوژیکی توسط  تفاضل محدود و معادلات دیفرانسیل جزئی برای قانون بقای جرم، تکانه و انرژی، علاوه بر این در برخی از معادلات تجربی  بکار می­روند (Golmohammadi و همکاران 2014).

3-7مدل :Wqam

روش شناسي ارزيابي كيفيت آب (Wqam) يك روش صفحه اي براي آلاينده هاي متداول و سمي در آبهاي سطحي يا زير زميني است، كه بر اساس جمع آوري فرمول ها، جداول و نمودارها مي باشد، كه طراحان مطابق با آن مي توانند يك ارزيابي ابتدائی از كيفيت آب سطحي و زيرزميني در حوزه هاي بزرگ رودخانه ها داشته باشند. اين صفحه متناسب با محاسبات دستي جهت تطبيق سازي با محاسبات كامپيوتري است،كتاب راهنما شامل يك بخش شيمي محيط زيست، سنتز شيميايي آلي و فلزات است. يك فصل به فن تخمين آلودگي منبع مواد زائد اختصاص دارد و روش هاي ساده براي ارزيابي آلاينده هاي بعدي در رودخانه ها، درياچه ها، مصب ها)  خورها(و آب زيرزميني است. تكنيك هاي تحليلي رودخانه يا نهر شامل ذرات تجمعي، دماي آب، اكسيژن مورد نياز بيوشيميايي، اكسيژن محلول، كل جامدات معلق، باكتريهاي كليفرم، مواد مغذي و مواد شيميايي آلي سمي و فلزات مي باشد. روش هاي تحليل درياچه شامل لايه بندي دمايي، تجمع ته نشست ها ، مواد شيميايي آلي سمي، تغيير جزئي فسفر، قابليت اوتريفيكاسيون، اكسيژن محلول و هيپوليميون است (Jayakumar، 2013 ).

3-8 مدل HSPF(Hydrological Simulation Program–Fortran):

برنامه شبيه سازي هيدرولوژيكي به زبان فرترن HSPF)  (برنامه اي است كه براي شبيه سازي هيدرولوژيکی حوزه آبريز وكيفيت آب (آلاينده هاي متداول وآلاينده هاي آلي سمي) بكارمي­رود. اين مدل مي تواند بطور همزمان كيفيت آب و هيدرولوژي حوزه را شبيه سازي كند و فرآيندهاي قبلي و بعدي ر ا در نهرها و آبگيرهاي كاملاً مختلط ، با توجه به هيدرولوژي زمين، شبيه سازی نمايد. مدل HSPF در مقياس حوزه آبريز به دو مدل تحليلي  NPS, ARM كه شامل آلودگي و انتقال يك بعدي آن در كانالهاي زهكش مي باشد طبقه بندي مي شود. اين تنها مدلي است كه هيدرولوژي حوزه آبريز و كميت آب، زمين و خاك آلوده ناشي از رواناب و فر آيندهاي متقابل هيدروليك نهرها و فرآيند شيميايي – ته نشيني را شبيه سازي مي كند. اين مدل پارامترهاي بار ته نشيني، غلظت هاي مواد مغذي و غلظت هاي آفت كش را در نقطه ورود به حوزه آبريز از لحاظ كمي و كيفي شبيه سازي مي كند. HSPF سه نوع ته نشيني (ماسه ، سيلت و رس) را علاوه بر آلودگي های  شيميايي آلي و انتقال آن شبيه سازي مي كند (Cole و همکاران، 2000).

3-9مدل شبیه سازی WASP:

WASP یکی از مدل های تدوین شده توسط سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا برای شبیه سازی کیفی  سیستم های منابع آب می باشد. و مخفف عبارت water quality Analysis Simulation Program می باشد.این مدل بر خلاف مدل شبیه سازی qual2e امکان شبیه سازی کیفی دو بعدی و سه بعدی منابع آب را نیز دارا می باشد و به راحتی میتواند برای شبیه سازی هیدرولیکی و کیفی مخازن و خورها نیز مورد استفاده قرار گیرد. این مدل قابلیت شبیه سازی مجموعه ای متنوع از متغیرهای کیفی شامل دما مواد جامد محلول،اکسیژن محلول،چرخه ی نیتروژن،چرخه ی فسفر، فیتوپلانکتونها، زئوپلانکتونها، فلزات سنگین، کلیفرم و سموم را دارا می باشد. برنامه شبیه سازی تحلیل کیفیت آب (WASP) به کاربر کمك می­کند که در تصمیم گیری­های مختلف در زمینه مدیریت آلودگی، واکنش کیفی سیستم­های آبی را نسبت به پدیده­های طبیعی و فعالیتهای انسانی، تفسیر و پیش بینی کند، این مدل دینامیکی، این قابلیت را دارد که شبیه سازی کیفی را در ستون آب و در لایه کف (بستر) انجام دهد(Singh و همکاران 2005).

3-10 مدل :Qual2K

سري اول مدلهاي Qual بنام مدل Qual-I توسط سازمان توسعه آب تگزاس تهیه شده است و سپس سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا با تغییراتی درآن مدل Qual-II را تهیه کرد و  به تبع آن مدل توسط یافته Qual-II بنام Qual2E با تلاش چندین ساله پژوهگرانی تهیه شد و اکنون آخرین نسخه از این مدل با قابلیت هاي جدید وتحت سیستم عامل Windows به نام Qual2K تهیه شده است. در این مدل رودخانه شبیه سازي شده به تعدادي بازه reach)) و هربازه  به تعدادي المان (Elment)  تقسیم می شود و عمل شبیه سازي انجام می­شود . شرایط هندسی درهرشاخه ثابت است و المان­ها کوچکترین بازه هاي محاسباتی مدل محسوب می شوند،که معادله ي انتقال جرم درمورد هریک اجرا می شود وعمل شبیه سازي انتقال آلاینده و جرم انجام می گیرد، دراین نرم افزار جریان رودخانه بصورت یک بعدي و دائم شبیه سازي شده و بارهاي ورودي نیز دردو دسته نقطه اي وگسترده تقسیم شده اند(Chapra و همکاران 2006، Linfieldو همکاران 1987، EPA) .

این مدل انتقال و فاکتور هایی از قبیل دما ،اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی DOB)) واکسیژن محلول در آب (DO) و فیتوپلانکتون ها وحالت هاي مختلفی از مواد مغزي نیتروژن دار و فسفردار و حتی PH و ذرات معلق غیر آلی وجلبک کف بستر را شبیه سازي می کند

(8)

:ci غلظت پارامتر کیفی در المان i (g/m3)               Vi: حجم المان i (m3) t   :زمان (day)

Ei: ضریب انتشار بین المان  i و i+1 (m3/day)  Wi: بارگذاری خارجی به  المان i (m3/day)

Si: تولید و مصرف پارامتر کیفی در اثرواکنش­ها و مکانیسم های انتقال جرم در المان i (g/m3/d)

:CE-QUAL-W2 مدل 3-11

اين مدل در پايگاه آزمايشات آبراهه هاي آمريكا ساخته شده است .يك مدل عددي، دو بعدي)متوسط گيري در عرض) هيدروديناميك، كيفيت آب می باشد، مدل شامل ماژول كيفيت آب و ماژول هيدروديناميك است. محاسبات هيدروديناميك آن تحت تأثير چگالي متغير ناشي از دما، شوري، مواد محلول و معلق است، اين مدل عمدتاً براي مخازن ساخته شده است، اما مي توان براي رودخانه ها و خورهاي رودخانه اي كم عرض نيز بكار رود،  به لحاظ هيدروديناميك این مدل مي تواند تغييرات تراز سطح آب، سرعت و دما را پيش بيني كند .به دليل اثر دما بر چگالي آب، محاسبات مربوط به دما در زير سامانه هيدروديناميك گنجانده شده و نمي توان و نبايد آن را از فرآيند محاسبات حذف كرد. به لحاظ بررسي هاي كيفي آب عملاً هر تركيبي از عوامل كيفي را مي توان در شبيه سازي منظور و يا از مرحله شبيه سازي حذف كرد. اثرهاي شوري يا كل جامدات محلول بر چگالي و هيدروديناميك فقط موقعي منظور خواهد شد كه آنها نيز درمدول كيفيت آب مورد شبيه سازي قرار گرفته باشند. الگوريتم مورد استفاده در بررسي كيفي آب كاملا مولفه ای است و لذا به سادگي امكان اضافه كردن عوامل كيفي ديگر در قالب زير برنامه هاي اضافي وجود دارد. همچنين شبيه سازي  مسايل كيفي مختلف (رديابها ، كليفرم CBODجلبک، اكسيژن محلول، نيترا ت -نيتريت، فسفر آلي، جامدات معلق معدني، گاز هاي محلول، آهن و… مي­باشد (Cole و همکاران 2008، Ostfeld و همکاران 2005).

.

: EXAMS – PRZM Exposure Simulation Sheu )Express( 3-12 مدل

برنامه هاي مركز آفت كش (opp) محيط زيست و تقسيم اثرات (EFED) آن را كه طريقه مناسبي براي رديف كردن و تعيين مناسب اندازه مدل مورد نياز براي ارزيابي مخاطرات براي يك آفت كش است، را گسترش مي دهد. اين دسترسي طبقه بندي شده براي كمتر نمودن تحليل هاي مورد نياز جهت ارزيابي هر ماده شيميايي طراحي شد ه است. هريك از  اين طبقه بندي ها درخارج صفحه با توجه به نياز و ميزان پيچيدگي بيشتر بر اي تحقيق ، تنها براي اينكه از صفحه طبقه بندي شده قبلي خارج نکرديم طراحي مي شود . هر صفحه طبقه بندي شده يك درصدي از آفت كش ها را براي ثبت و يا ثبت مجدد بطور  دقيق مرور مي كند. گذر  از يك ارزيابي طبقه بندي شده  احتمال ضعيف وجود يك اعلام مخاطره براي محيط زيست آبي است . اين ضعف يك برنامه ارزيابي طبقه بندي شده نيست هر چند كه ضرورتاً به اين معني است كه مواد شيميايي عامل مشكلات محيط زيست مي باشد و  صرفاً ارزيابي بايد بطور  مستمر و بر طبقه ارزيابي بالاتر بعدي صورت پذيرد. براي تحليل هاي طبقه بندي ، اثرات زيست محيطي EFED)) از طريق اتحاديه متحده آمريكا انجام مي شود(Suárez، 2005).

4-حل عددی معادله انتقال آلودگی به روش کوادراچر(Quadrature)

4-1 روش کوادراچر(Quadrature)

یکی دیگر از روش‌های تبدیل معادله دیفرانسیل بر حسب مکان به معادلات جبری روش دیفرانسیلی کوادراچر می‌باشد.در این روش برای محاسبه مشتق‌های مرتبه اول و یا بالاتر در هر نقطه دلخواه از تابع، در راستای متغیر مستقل مشتق گرفته می‌شود به صورت جمع خطی وزنی مقادیر این توابع دران نقاط نوشته می‌شود.به عنوان مثال اگر مشتق در راستای محور x ها باشد و منطقه محاسباتی را به  Nقسمت تقسیم کنیم.مشتق اول تابعی مانند   uبر اساس تعریف یاد شده به صورت زیر خواهد بود.

(9)

در این رابطه :Cijضرایب وزنی در نقاط حل، i :اندیس مشتق و j: نقاط تعریف شده در راستای x می‌باشد. برای محاسبه مقادیر uj در این نقاط ، ابتدا باید مقادیر وزنی حساب شود. در روش کوادراچر مهم‌ترین بخش محاسبات مربوط به تعیین کردن همین ضرایب وزنی می‌باشد.که بر اساس انتخاب تابع‌های وزنی و یا آزمایشی می‌باشد.فرض می‌کنیم که این توابع و یا چند جمله‌ای‌های ضرایب وزنی را بتوان با Fk نشان داد و فرض بر این است که توابع آزمایشی در رابطه (9) صدق کنند در حالت کلاسیک معمولاً تابع آزمایشی به صورت تابع توانی نوشته می‌شود.

(10)

قراردادن تابع‌های آزمایشی به حای u(x) در رابطه (9) باعث به وجود آمدن معادلات جبری خطی می‌شوند که با حل این معادلات خطی به تعداد N*N ضریب وزنی حساب خواهد شد. اگر در ماتریس ایجاد شده N مرتبه بالایی داشته باشد به علت بد خو بودن ماتریس ضرایب از روش‌های خاصی استفاده می‌شود، به همین علت از تابع‌های آزمایشی مختلفی در حل مسایل استفاده می‌شود(پارسائی و همکاران، 1391).

4- 2 روش دیفرانسیلی کوادراچر(QD) و ضرایب وزنی:

همچنان که گفته شد برای توابع وزنی آزمایشی از چند جمله‌ای‌های اورتوگونال استفاده می‌شود، در بین این چند جمله‌ای‌ها چند جمله‌ای لاگرانژ بیشتر مد نظر می‌باشد. اگر تعداد نقاط حل N باشد تابع لاگرانژ از درجه N-1 به صورت زیر خواهد بود.

(11)

که با ترکیب معادله (9) و (11) ضرایب وزنی به صورت زیر خواهد بود.

(12)

پس از ساده سازی به صورت زیر در می‌آید

(13)

اگر فرمول (13) را در رابطه (9) قرار دهیم فرمول مشتق در نقاط شبکه بدست می‌آید.با استفاده مجدد از رابطه لاگرانژ می‌توان مشتق‌های مرتبه بالاتر را نیز محاسبه کرد.در حالت کلی برای مشتق مرتبه‌ام Mداریم:

(14)

از چند جمله‌ای لاگرانژ و مشتق‌های آن، ضرایب وزنی با روابط زیر مشخص می‌شوند.برای حالت ij

(15)

و برای المان قطری داریم:

(16)

در روابط فوق بالانویس m معرف درجه مشتق می‌باشد. به عنوان مثال با تقسیم منطقه حل، به سه قسمت مساوی برای مشتق مرتبه اول ودوم ضرایب وزنی را محاسبه کرده فرم گسسته مشتق را بدست می آوریم، فرمول‌های مشتق بدست آمده از این روش را با روش تفاضل محدود مقایسه کنیم. از چند جمله‌ای لاگرانژ برای N=3خواهیم داشت.

(17) کیفی

(18) کیفی

طول المان‌ها مساوی برابر با h فرض می‌شود، در این صورت داریم:  برای گره دوم داریم:

(19) کیفی کیفی

طول المان‌ها مساوی برابر با h فرض می‌شود، در این صورت داریم:  برای گره سوم داریم:

(20) کیفی

برای  محاسبات بترتیب زیر خواهد بود. برای گره اول داریم:

(21) کیفی

طول المان‌ها مساوی برابر با h فرض می‌شود در این صورت داریم:  برای گره دوم داریم:

(22) کیفی

برای گره دوم خواهیم داشت،  با توجه به این که طول المان‌ها برابر می‌باشند C22=0 محاسبه می‌شودو برای گره سوم خواهیم داشت.

(23) کیفی

برای این حالت نیز ضریب ثابت بصورت زیر خواهد بود، با روشی مشابه برای  محاسبات به تر تیب زیر خواهد بود:

(24) کیفی

طول المان‌ها مساوی برابر با h فرض می‌شود در این صورت داریم:  برای گره دوم داریم:

(25) کیفی

طول المان‌ها مساوی برابر با h فرض می‌شود در این صورت داریم:  برای گره سوم داریم:

(26) کیفی

و در نهایت مشتق مرتبه اول به صورت زیر با استفاده از روش کوادراچر و میان یابی لاگرانژ به صورت زیر محاسبه می‌شود.

(27) کیفی

با محاسبه ضریب وزنی برای فواصل و جایگزین در رابطه (9) فرمول مشتق مرتبه اول به صورت زیر بدست می‌آید

(28) کیفی

اگر مسئله با تفاضل محدود پیشرو نیز حل شود به جواب فوق خواهیم رسید، در حقیقت در روش کوادراچر وقتی فضای  پیوسته میدان جریان به فضای گسسته محاسبات عددی تبدیل می شود، برای محاسبه و تخمین پارامترهای هیدرولیکی در یکه گره از شبکه از گره های های مجاور استفاده می شود، با این تفاوت که ضرایب وزنی هرگره با توجه به تئوری لاگرانژ انتخاب می شود که به مراتب از روشهای تفاضل محدود کلاسیک دقیق تر می باشد.برای محاسبه مشتق های مرتبه دوم توابع چند جمله ای لاگرانژ را استفاده نموده وبا روشی مشابه ضرایب وزنی را محاسبه می نماییم. کیفی

(29) کیفی

(30) کیفی

جواب فوق با جواب تفاضل محدود پیشرو یکسان می باشد با روشی مشابه می توان مشتق دوم را در سایر نقاط استخراج نمود.همین عملیات گسسته سازی مکان را عیناً می توان برای معادلات دیفرانسیل وابسته به  زمان هم  انجام داد همانند سری تیلور که هم برای پارامترهای مکان و هم برای پارامترهای مربوط به زمان قابل بکار گیری ی باشد.که این بار در اینجا با گسسته سازی مشتق زمان فقط در هر گام زمانی دو جمله کناری را بااستفاده از توری لاگرانژدر محاسبات دخالت داده که به همین منظور رابطه تفاضل پیشرو به دست آمده است، که به علت سهولت استخراج  از کودراچر از آوردن جزئیات خود داری می شود(پارسائی و همکاران، 1391).

(31)

4-3 معادله انتقال و پخش در حالت یک بعدی کیفی

(32)                                                                                                                                    

در این معادله Cغلظت آلاینده در مسیر رودخانه طولی،DL ضریب پخشیدگی،t مدت زمان سپری‌شده بعد از تزریق آلودگی و Xفاصله از نقطه تزریق آلودگی می‌باشد معادله انتقال و پخش آلودگی از ترکیب معادله پیوستگی و قانون اول فیک بدست می‌آید.حل تحلیلی معادله (9) با انواع شرایط مرزی موجود می‌باشد و منجر به یک توزیع نرمال گوسی می‌شود، که به حل  گوسی هم معروف می‌باشد (چانسون2004). کیفی

(33)                                                                                                                                                                                                             (34)

4-4حل عددی معادله انتقال پخش به روش Quadrature

با توجه به استخراج روابط گسسته شده از تئوری Quadrature برای مشتق‌های جزئی حال می‌توان به توسعه مدل عددی برای معادله انتقال آلودگی پرداخت.برای جایگزینی مشتق مرتبه اول رابطه (24) و برای مشتق مرتبه دوم رابطه (26) در نظر گرفته می‌شود. کیفی

(35)

و یامی‌توان با استفاده از تکنیک Time Splittingبا توجه به اینکه شم‌های ضمنی برای مدل سازی‌ترم پخش معادله انتقال مناسب‌تر می‌باشد، برای هر کدام از ترم‌های معادله انتقال شم مناسب را در نظرگرفت و سپس با تکنیکTime Splitting نتیجه نهایی را استخراج نمود. کیفی

(36)

شم صریح مناسب برای ترم انتقال معادله انتقال _ پخش. کیفی

(37)                                                                                                

5-روشVOF

این روش بر اساس تكنيك رديابي سطحي هر فاز استوار است، بدين صورت كه سطح مشترك بين فازها با استفاده از حل معادله پيوستگي براي كسر حجمي يك يا چند فاز طبق معادله زير بدست مي آيد.

(38)

كه در اين معادله mpi  انتقال جرم از فاز pبه فازi   و mipانتقال جرم از فاز iبه فازp است. به صورت پيش فرض مقدار Sai برابر صفر است، در اين مطالعه براي گسسته سازي بعد زمان از روش صريح و آپويند مرتبه دوم استفاده شده است و معادله كلي به صورت زير است.

(39)

 

كه در آن n+1  گام زمان فعلي و n گام زمان مرحله قبلي مي­باشد، V حجم سلول محاسباتي و Uf فلاكس حجمي از سطح مي باشد كه بر اساس سرعت نرمال محاسبه مي شود.

خواص ظاهر شده در معادلات انتقال بر اساس حضور هر فاز در دامين محاسباتي تعيين مي شود. براي مثال در يك سيستم دوفازي از روابط زير براي تعيين خواص سيالات استفاده  ميشود.

(40)

 

برای یک سیستم n  فازی رابطه كلي زير برقرار است:

(41)

براي ويسكوزيته نيز روابط مشابهي بدست مي آيد. معادله ممنتوم به صورت كلي زير مي باشد كه از حل آن يك توزيع سرعت مشترك براي فازها بدست مي آيد.( Fanghui، 2002)

(42)

در جدول 4 روابط محقیقنی که بر روی پیش بینی ضریب پخش تحقیق و پزوهش انجام داده اند، آورده شده است. (پارسائی و همکاران، 1391)

معادله نام محقق سال ارائه رابطه ضریب پراکندگی طولی
2 الدر 1959                                                                                                         

 

3 کوئین و کیفر 1975                                                 

                                                                                          

4 فیشر 1977  

 

5 لیو وچین 1980  

                                                                                                             

 

6 لیو 1990                                                              

 

7 اواسا و ایا 1991                                                                                                 

 

8 سئو وچانگ 1998                                                     

 

9 کاسیز و رودریگز 1998                                                                                             

 

10 هانگ ولی 1999  

                                                               

 

11

کاشفی پور و فالکتز 2002                                                 

    

 

12 توکلی زا ده وکاشفی پور 2007

6- نتیجه گیری:

توسعه مدل عددی برای معادله انتقال پخش با استفاده از Quadrature طبق مطالعات انجام شده با بررسی نتایج حاصل از مدل و حل تحلیلی دقت مدل قابل قبول می‌باشد از مقایسه بین نتایج حاصل از حل تحلیلی با مدل عددی به دقت بسیار زیاد روش Quadrature  را نشان داده است، همچنین طبق مطالعات انجام گرفته، نکته کلی که در روش‌های حل عددی معادله انتقال پخش وجود دارد این است که هرچه ضریب پخش بیشتر باشد چون سهم پخشیدگی در معادله گسسته شده انتقال بیشتر می‌شود و خود پخشیدگی مقداری از خطای‌ترم انتقال را هم می گیر د، پس برآورد دقیق این ترم خود تأثیر به سزایی در مدل سازی عددی دارد. از طرفی  در روش Quadrature با افزایش دادن تعداد تقسیمات مر بوط به ناحیه حل جریان می توان باز هم دقت محاسبات را افزایش داد . کیفی

تحلیل مدیریتی مدلها:

در رودخانه ها و نهرها این مدلها کاربرد دارند: WQAM، QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM،  EXPRESS

درياچه ها و مخازن: WQAM، QUAL2E، WASP، HSPF،  EXPRESS.

خورها و سواحل: WQAM، WASP، HSPF،EXPRESS .

اثرات يك پارامتر: WQAM، QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM، EXPRESS.

اثرات چند پارامتر: QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM،

استاتيك: WQAM، QUAL2E، WASP ديناميك :  WASP، HSPF، SWMM، EXPRESS

معين: WQAM، QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM، EXPRESS.

اتفاقي: QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM، EXPRESS .

پارامترهاي كيفي:

اكسيژن محلول، اكسيژن مورد نياز  بيولوژيكي (BOD)، دما، نيتروژن آمونياكي، غلظت هاي جلبكي:

WQAM، QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM، EXPRESS

نيترات، فسفات:

QUAL2E، WASP، HSPF، SWMM، EXPRESS

تركيبات آلي سمي:

WASP، HSPF

فلزات سنگين:

WASP، SWMM، EXPRESS

منابع

پارسائی،ع. احمدی،م و قادری،ک.(1391)  “حل عددی معادله انتقال آلودگی به روش کوادراچر” يازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران ارومیه.

پارسائی،ع. احمدی،م و قادری،ک.(1391)” استخراج معادله پیش بینی ضریب پخش آلودگی در رودخانه‌ها به کمک رگرسیون غیر خطی” يازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران ارومیه .

جرج ال بووي وهمكاران، ترجمه دكتر علي ترابيان و مهندس سيد حسين هاشمي،(1381 ) ، “مدل سازي كيفي آبهاي سطحي” دانشگاه تهران، مؤسسه انتشارات و چاپ، ، چاپ اول.

مهردادي، ن.، خاكپور، ا.،(1389 ) ، بررسي توان خودپالايي رودخانه گرگان رود، چهارمين همايش تخصصي مهندسي محيط زيست تهران.

Behrendt, H., P.-H. Huber, D. Opitz, O. Schmoll, G. Scholz and R. Uebe,Nährstoffbilanzierung der Flussgebiete Deutschlands, UBA Texte 75/99, Berlin, Germany, 1999.

Chanson, H. (2004). Environmental Hydraulics of Open Channel Flows. Elsevier Butterworth-Heinemann

Chapra, S.C., Pelletier, G.J. and Tao, H., (2006). “QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality, Version 2.04: Documentation and Users Manual”. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University.

Chaterjee.c  and Raziuddin , M(2002). “Determination of Water Quality Index (WQI) of a degraded river  in Asonal industrial area”. Ranigang , Burdan West  Bengal . Nature Environment  and  Pollution  Technology, 1(2) : 181-189

Cole, T.M, Wells, S.A., CE-QUAL-W2: A Two-Dimensional, Laterally Averaged, Hydrodynamic and

Cude,C.G.,(2001). “Oregon Water Quality Index” : A Tool Evaluating Water Quality Management

Dales, J. H. (1968). “Land, water and ownership.” the Canadian J. of Economics / Revue Canadienne d’Economique, 1(4), 791-804.

Dehghani MH, Ghaderpoori M, Fazl Zade M, Gol Mohammadi S.(2010). “Survey microbial quality of drinking water in villages Saqez”. Health and Environment;2(2):132-9 (In persian)

DHI, (2007), Water & Environment, MIKE11 Reference Manual, “Hydrodynamic reference.A Modeling System for River and Channels, DHI Software, Denmark”

Efficiencies “, Journal of American Water Resources Association.Vol.37,No.1,Pp125-137.

EPA, StreamWater Quality Model (QUAL2K). [Online].

<http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/index.html>.

Fanghui Chen, PoojithaD.Yapa, (2002) A model for simulating deepwater oil and gas blowouts – Part II:Comparison of numerical simulations with “Deepspill” field experiments, Journal of Hydraulic Research Vol.41, No. 4, pp. 353–365

  1. Golmohammadi , S. Prasher , A. Madani and R. Rudra(2014). Evaluating Three Hydrological Distributed Watershed Models: MIKE-SHE, APEX, SWAT, Hydrology 2014, 1, 20-39; doi:10.3390/hydrology1010020. ISSN 2306-5338.

Hung M.F., and Shaw, D. (2005). “A trading-ratio system for trading water pollution discharge

Kumar rai,Raveendra.Upadhyay,Alka.P.Ojha,C.Shekhar.P.Singh,Vijay(2011). “The Yamuna River Basin”: Water Resources And EnvironmentPp 308-317.

Lewis A. Rossman(2010) “STORM WATER MANAGEMENT MODEL”  USER’S MANUAL Version 5.0  Water Supply and Water Resources Division National Risk Management Research Laboratory Cincinnati, OH 45268.

Linfield, C.Brown and Thomas, O.Barnwell Jr., (1987). “The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2E-Uncas. Documentationed and User Manual”.EPA/600/3-87/007.

Mehdi Heydari M, Bidgoli HN.(2012). “Chemical Analysis of Drinking Water of Kashan District, Central Iran”. World Applied Sciences Journal16(6):799-805 (In persian)

Ostfeld.A, Salomons,Sh,( 2005)., A hybrid genetic—instance based learning algorithm for CE-QUALW2 calibration, Journal of Hydrology 310 ,122–142.

permits.” J. of Environmental Economics and Management, 49, 83-102 USEPA (1996) (U.S. Environmental ProtectionAgency). “Draft Framework for Watershed based Trading”. EPA 800-R-96-001, Office of Water, Washington D.C: USEPA;.

R.Jayakumar et.al / International Journal of Engineering and Technology (IJET) (2013)Website Quality Assessment Model (WQAM) for Developing Efficient E-Learning Framework- A Novel Approach.

Rickwood, C., & Carr, G. (n.d.).(2011). “United Nations Environment Programme” GEMS/WATER. United Nations Environment Programme GEMS/WATER. Retrieved August 9, from http://www.gemswater.org

Riyazi .Y, Karimzadegan. H, Shobeiri . SM, Meiboudi .H and Sadeghiyekta T.(2014). “Water Quality Trading Using Tradable Permit in Biodiversity of River and Assessment of Efficiency of Expense”. Journal Homepage: http://jhygiene.muq.ac.ir Arch Hyg Sci 2014;3(3):91-100.

Suárez, L. A. (2005). PRZM-3, “A Model for Predicting Pesticide and Nitrogen Fate in the Crop Root and Unsaturated Soil Zones”: Users Manual for Release 3.12.2. EPA/600/R-05/111. U.S. Environmental Protection Agency, National Exposure Research Laboratory, Athens, Georgia.

http://www.epa.gov/ceampubl/gwater/przm3/index.htm.

http://www.epa.gov/ceampubl/gwater/przm3/prz3reln.htm

http://www.epa.gov/exposure-assessment-models

USEPA (U.S. Environmental ProtectionAgency).( 1996) “Draft Framework for Watershed based Trading”. EPA 800-R-96-001, Office of Water, Washington D.C: USEPA;.

Vollenweider R.A., (1992), Coastal marine eutrophication, principles and control, PP.1-20, In,

marine coastal Eutrophication. Elsevier, London

Washington State Department of Ecology(2002). “Introduction to Water Quality Index. Retrievedon January 20, 2008, from http://www.fotsch.org/WQI.htm

Erb, K., Ronk, E., Koundinya, V., & Luczaj, J. (2015). “Groundwater Quality Changes in a Karst Aquifer of Northeastern Wisconsin, USA: Reduction of Brown Water Incidence and Bacterial Contamination Resulting from Implementation of Regional Task Force Recommendations”. Resources, 4(3), 655-672.

Ford, D.C., Williams, P.W., (2007), “Karst Hydrology and Geomorphology”, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, England.

Karacaglu,F,(1999). “REVIEW OF GROUNDWATER POLLUTION AND PROTECTION IN

KARST AREAS”, Water, Air, and Soil Pollution 113: 337–356,.

Milanovic, P.T.,. Karst Hydrogeology. (1981).Water Resources Publications, Littleton, Co, 1981.

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

Call Now Button