مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه با استفاده از مدل QUAL2Kw(مطالعه موردی: رودخانه شاهرود)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

2 استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران*(مسئول مکاتبات)

3 دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

10.22034/jest.2018.30267.3894

چکیده

زمینه و هدف: مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه‌ها می‌تواند به‌عنوان یکی از مؤثرترین ابزارها در جهت مدیریت کیفیت آب رودخانه‌ها و کاهش تبعات مسایل محیط زیستی ناشی از ورود آلاینده‌ها به آن مورد استفاده قرار گیرد. هدف از مقاله حاضر استفاده از مدل معتبر QUAL2Kw.5.1 در راستای مدل‌سازی کیفیت آب در رودخانه شاهرود می‌باشد.
روش بررسی: در مقاله حاضر ازمدل QUAL2Kw.5.1  برای مدل‌سازی هفت پارامتر کیفیت آب شامل اکسیژن محلول، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی، قلیاییت، کل مواد جامد محلول، هدایت الکتریکی، فسفر کل و نیتروژن کل در چهار دوره زمانی در رودخانه شاهرود استفاده شده است. به منظور واسنجی مدل از داده‌های آبان 1386 و تیر 1387 و برای صحت‌سنجی مدل از داده‌های شهریور 1387 و مهر 1387 استفاده شده است. واسنجی خودکار ضرایب مدل با استفاده از الگوریتم ژنتیک موجود در مدل انجام شده است. به منظور مقایسه نتایج شبیه‌سازی شده مدل با داده‌های مشاهداتی از دو پارامتر آماری شامل ضریب تبیین و میانگین قدرمطلق خطا استفاده شده است.
یافته‌ها: مهم‌ترین ضرایب واسنجی شده در مدل مربوط به مواد جامد معلق، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی، نیتروژن و فسفر می‌باشد. مدل در شبیه‌سازی پارامترهای pH و هدایت هیدرولیکی با مقادیر میانگین قدرمطلق خطای 19/0 و 89/163 در مرحله صحت‌سنجی به‌ترتیب بیش‌ترین و کم‌ترین دقت را از خود نشان داد. به طور میانگین حداقل و حداکثر اکسیژن محلول اندازه‌گیری شده در رودخانه شاهرود در شهریور 1387 و مهر 1387 و به‌ترتیب برابر 93/6 و 99/9 میلی‌گرم بر لیتر اندازه‌گیری شده است. همچنین بیش‌ترین و کم‌ترین دقت مدل در شبیه‌سازی این پارامتر مربوط به تیر و مهر 1387 با میانگین قدرمطلق خطای برابر 86/0 و 29/1 می‌باشد. همچنین نتایج نشان داده که مدل‌سازی هیدرولیکی دقیق از تغییرات پارامترهای هیدرولیکی رودخانه و جریان در طول رودخانه تأثیر زیادی در مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه دارد.
بحث و نتیجه‌گیری: نتایج مقاله حاضر دقت مناسب مدل QUAL2Kw.5.1را در شبیه‌سازی پارامترهای کیفیت آب رودخانه شاهرود نشان می‌دهد. از طرف دیگر دقت شبیه‌سازی هر پارامتر با توجه به مقدار تغییرات آن در طول رودخانه متغیر می‌باشد. به نحوی‌که هر چه تغییرات یک پارامتر در طول رودخانه و در بازه‌های مختلف کم‌تر باشد، دقت مدل در شبیه‌سازی این پارامتر بیش‌تر خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره هفت، مهر ماه 98

مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه با استفاده از مدل QUAL2Kw

(مطالعه موردی: رودخانه شاهرود)

 

رزیتا آریایی نژاد[1]

 مهدی سرائی تبریزی[2]*

M.sarai@srbiau.ac.ir

 حسین بابازاده[3]

تاریخ دریافت: 29/06/96

تاریخ پذیرش:08/09/96

چکیده

زمینه و هدف: مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه‌ها می‌تواند به‌عنوان یکی از مؤثرترین ابزارها در جهت مدیریت کیفیت آب رودخانه‌ها و کاهش تبعات مسایل محیط زیستی ناشی از ورود آلاینده‌ها به آن مورد استفاده قرار گیرد. هدف از مقاله حاضر استفاده از مدل معتبر QUAL2Kw.5.1 در راستای مدل‌سازی کیفیت آب در رودخانه شاهرود می‌باشد.

روش بررسی: در مقاله حاضر ازمدل QUAL2Kw.5.1  برای مدل‌سازی هفت پارامتر کیفیت آب شامل اکسیژن محلول، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی، قلیاییت، کل مواد جامد محلول، هدایت الکتریکی، فسفر کل و نیتروژن کل در چهار دوره زمانی در رودخانه شاهرود استفاده شده است. به منظور واسنجی مدل از داده‌های آبان 1386 و تیر 1387 و برای صحت‌سنجی مدل از داده‌های شهریور 1387 و مهر 1387 استفاده شده است. واسنجی خودکار ضرایب مدل با استفاده از الگوریتم ژنتیک موجود در مدل انجام شده است. به منظور مقایسه نتایج شبیه‌سازی شده مدل با داده‌های مشاهداتی از دو پارامتر آماری شامل ضریب تبیین و میانگین قدرمطلق خطا استفاده شده است.

یافته‌ها: مهم‌ترین ضرایب واسنجی شده در مدل مربوط به مواد جامد معلق، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی، نیتروژن و فسفر می‌باشد. مدل در شبیه‌سازی پارامترهای pH و هدایت هیدرولیکی با مقادیر میانگین قدرمطلق خطای 19/0 و 89/163 در مرحله صحت‌سنجی به‌ترتیب بیش‌ترین و کم‌ترین دقت را از خود نشان داد. به طور میانگین حداقل و حداکثر اکسیژن محلول اندازه‌گیری شده در رودخانه شاهرود در شهریور 1387 و مهر 1387 و به‌ترتیب برابر 93/6 و 99/9 میلی‌گرم بر لیتر اندازه‌گیری شده است. همچنین بیش‌ترین و کم‌ترین دقت مدل در شبیه‌سازی این پارامتر مربوط به تیر و مهر 1387 با میانگین قدرمطلق خطای برابر 86/0 و 29/1 می‌باشد. همچنین نتایج نشان داده که مدل‌سازی هیدرولیکی دقیق از تغییرات پارامترهای هیدرولیکی رودخانه و جریان در طول رودخانه تأثیر زیادی در مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه دارد.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج مقاله حاضر دقت مناسب مدل QUAL2Kw.5.1را در شبیه‌سازی پارامترهای کیفیت آب رودخانه شاهرود نشان می‌دهد. از طرف دیگر دقت شبیه‌سازی هر پارامتر با توجه به مقدار تغییرات آن در طول رودخانه متغیر می‌باشد. به نحوی‌که هر چه تغییرات یک پارامتر در طول رودخانه و در بازه‌های مختلف کم‌تر باشد، دقت مدل در شبیه‌سازی این پارامتر بیش‌تر خواهد بود.

واژه‌های کلیدی:رودخانه شاهرود، مدل QUAL2Kw.5.1مدل‌سازی کیفیت آب، صحت‌سنجی، واسنجی.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.7,September, 2019

 

 

 

 


Modeling Water Quality of Rivers Using QUAL2Kw Model (Case Study: Shahroud River)

 

Rozita Aryaee Nezhad[4]

 Mahdi Sarai Tabrizi[5]*

M.sarai@srbiau.ac.ir

 Hossein Babazadeh[6]

Accepted:2017.09.13

Received:2017.11.29

 

Abstract

Background and Objective: Modeling water quality of rivers can be used as one of the most effective tools for water quality management in rivers and reducing the environmental impacts of entering pollutants. The purpose of this paper is to use the valid QUAL2Kw 5.1 model to model water quality in Shahrood River.

Method: In this paper, seven parameters of water quality have been used including dissolved oxygen (DO), biochemical demand oxygen (BOD), pH, total dissolved solids (TDS), total phosphorus, and total nitrogen four times in Shahrood River. Data from October of 2007 and July of 2008 were used to calibrate and data from September and October of 2008 were used to verify the model. Auto-calibration of model coefficients was done using genetic algorithm of the model. In order to compare simulated results with the observed data, determination coefficient and mean absolute error were used.

Findings: The most important calibration coefficients of the model were related to TSS, BOD, total nitrogen and phosphorus. This model in simulation of pH and EC with mean absolute error of 0.19 and 163.89 during verification stage showed the most and the least accuracy, respectively. On average the minimum and maximum DO were measured 6.93 and 9.99 mg/L in September and October of 2008 respectively in Shahroud River. Also the highest and lowest accuracy of the model in simulating these parameters were related to July and October of 2008 with mean absolute error of 0.86 and 1.29, respectively. In addition the results showed accurate hydraulic modeling of hydraulic parameters changes of the river along the river had a great influence on modeling of the water river quality.

Discussion and Conclusion: The results of this paper show the accuracy of the QUAL2Kw model in simulating water quality parameters of Shahrood River. On the other hand, the accuracy of the simulation of each parameter varies with the amount of its variation along the river so that the less the changes in a parameter along the river and at different intervals, the higher the accuracy of the model in simulating this parameter will be.

Keywords: Shahrood River, QUAL2Kw Model, Water Quality Modeling, Verification, Calibration

 

مقدمه

 

ورود انواع مختلف آلاینده­های کشاورزی، صنعتی و پساب­های شهری به رودخانه‌ها که یکی از منابع اصلی تأمین آب آشامیدنی، صنعتی و کشاورزی می­باشند، باعث ایجاد بحران ‌محیط‌زیستی در عصر حاضر شده است. واحدهای صنعتی، کشاورزی و مسکونی واقع در حوضه رودخانه از نظر مصرف آب به رودخانه وابسته می‌باشند. زهکش‌های کشاورزی، پساب‌های صنایع و خانگی و غیره وارد رودخانه شده و آلودگی رودخانه ها را همراه با مصارف آب تشدیدکرده است (1).

شکری و همکاران (1393) به شبیه­سازی کیفی آمونیوم و نیترات در طول رودخانه گرگر با استفاده از مدل QUAL2KW پرداختند. نتایج حاصل از صحت­سنجی ایشان نشان داد که مدل تطابق خوبی با واقعیت دارد و با توجه به مطالعات به عمل آمده بیش‌تر منابع آلوده کننده رودخانه گرگر را می­توان فاضلاب­های روستاهای مسیر، پساب­ها و فاضلاب­های ماهی­سراها و حوضچه­های پرورش ماهی و زهکش­های کشاورزی دانست(2). خدام­محمدی و همکاران (1395) به ارزیابی توان خودپالایی و نقش اکسیژن محلول در کیفیت آب رودخانه کر (مطالعه موردی: پایین دست سد درودزن تا دریاچه طشک- بختگان) به کمک مدل کیفی QUAL2K پرداختند. نتایج تحقیق ایشان نشان داد که وجود پل‌ها و تأسیسات آب‌بند مانند بند امیر، پل رحمت آباد و بند حسن­آباد می­تواند باعث افزایش تلاطم و افزایش هوادهی و قدرت خودپالایی رودخانه کر و در نتیجه افزایش میزان اکسیژن محلول در رودخانه شود (3).

حسینی و همکاران (1395) با بررسی کارایی مدل QUAL2Kw در خودپالایی رودخانه (مطالعه موردی رودخانه کارون در بازه زرگان-کوت امیر) دریافتند که این مدل کارایی خوبی برای بررسی خودپالایی رودخانه دارد. در این تحقیق پارامترهایEC، NO3، TSS، BOD، DO،pH  و دما توسط مدل شبیه­سازی و واسنجی شده است. خروجی مدل به طور کلی حکایت از عدم خودپالایی رودخانه در پارامترهای pH وBOD  داشته و خودپالایی کم در پارامترهای TSS  و  NO3با توجه به بار آلودگی ورودی در این بازه از رودخانه داشته است (4). حسینی و همکاران (1396) به بررسی تغییرات توان خودپالایی رودخانه کارون در سال‌های 87 و 92 با استفاده از مدل QUAL2KW در محدوده شهر اهوازرودخانه کارون پرداختند. نتایج تحقیق ایشان نشان‌دهنده عدم خودپالایی پارامتر EC در رودخانه کارون برای سال 87 و عدم خودپالایی پارامتر BOD در سال 92 بوده است. همچنین بهترین شبیه‌سازی مدل برای پارامتر pH بدست آمد و در رتبه‌های بعدی به‌ترتیب پارامتر BOD و EC قرار گرفتند (5).

عاشق‌معلا و همکاران (2015) در تحقیقی دو رودخانه­ی سبزکوه در چهارمحال­و­بختیاری و رودخانه قشلاق در کردستان را با مدل QUAL2KW شبیه­سازی کردند. نتیجه این شبیه­سازی نشان داد که رعایت استانداردهای تخلیه پساب، شرایط کیفی مناسب رودخانه قشلاق را به خوبی حفظ می­کند. اما در رودخانه سبزکوه به دلیل میزان توان خودپالایی و تعداد زیاد منابع آلاینده موجود، رعایت استانداردهای تخلیه پساب، نه تنها کمکی به حفظ کیفیت آب نمی­کند، بلکه تاثیر بسیار منفی بر کیفیت آب رودخانه خواهد گذاشت. سپس، با استفاده از شبیه سازی کیفی رودخانه، حد مجاز مناسب هر رودخانه بر اساس توان خودپالایی رودخانه و تعداد و نوع منابع آلاینده موجود برآورد شد و نتایج نشان داد که در تدوین استانداردهای دقیق و کارآمد باید به توان خودپالایی رودخانه، تعداد منابع آلاینده حاشیه رودخانه و میزان بارگذاری مواد زاید و دیگر شرایط متفاوت رودخانه­ها نیز توجه نمود (6). مهراسبی و همکاران (2015) کیفیت آب رودخانه کینه‌ورز را با استفاده از مدل QUAL2KW شبیه‌سازی کردند. نتایج تحقیق ایشان نشان داد که نیتروژن کل و فسفر کل به‌ترتیب باید 76٪ و 93٪ کاهش یابد تا به هدف کیفیت آب مطلوب در رودخانه دست یافت (7).

ذوالفقاری‌پور و همکاران (2016) به منظور مدیریت کیفی رودخانه و حداقل‌سازی هزینه­های حفظ محیط زیست و تامین معیارهای کیفیت آب به مدل‌سازی با استفاده از نرم‌افزار QUAL2Kw پرداختند. ایشان به منظور لحاظ کردن نقش تخلیه­کنندگان بار آلودگی در تصمیم­گیری و افزایش قابلیت اجرا برای برنامه­های پیشنهادی تخصیص بار آلودگی در رودخانه از رویکرد گزینش اجتماعی استفاده کردند. برای هر تخلیه­کننده، سناریوهای مختلف تصفیه فاضلاب مشخص و گزینه­های ترکیبی تصفیه تعریف شدند. سپس با استفاده از مدل شبیه سازی کیفی QUAL2Kw، برای هر یک از گزینه­های تصفیه، مقادیر جریمه تخطی از استاندارد کیفی محاسبه شد. نتایج حاصل از کاربرد مدل پیشنهادی در یک مطالعه موردی که قسمتی از رودخانه زرجوب در شمال ایران بود، نشان داد که تدوین سیاست­های تخصیص در کاهش بار آلودگی رودخانه­ها کارآیی مناسبی دارد (8). محققانی در سال 2017 با مدل کردن کیفیت آب رودخانه یامیونا در هند به کمک مدلQUAL2Kw نشان دادند که پارامترهایTN ، CBODf،DO  و TC نسبت به جریان بالادست و کیفیت و موقعیت ورودی منبع آلاینده بسیار حساس است (9).

هدف اصلی پژوهش حاضر شبیه‌سازی پارامترهای کیفیت آب شامل هفت پارامتر اکسیژن محلول[7]، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی[8]، قلیاییت[9]، کل مواد جامد محلول[10]، هدایت الکتریکی[11]، فسفر کل[12] و نیتروژن کل[13] در چهار دوره زمانی (آبان 1386، تیر 1387، شهریور 1387 و مهر 1387) در رودخانه شاهرود با استفاده از مدل QUAL2Kw 5.1 می‌باشد.

 

 

روش بررسی

معرفی رودخانه مورد مطالعه

حوضه آبریز رودخانه شاهرود بخشی از حوضه سفیدرود بزرگ بوده و با مشخصات طول جغرافیایی 30-49 الی 10-59 و عرض جغرافیایی 7-36 الی 45-36 قرار دارد که فاصله بین حد شرقی و غربی آن حدود 160 کیلومتر و عرض آن قریب به 25 کیلومتر می‌باشد. رودخانه شاهرود مهم‌ترین و پر آب‌ترین رودخانه استان قزوین است. رودخانه‌های الموت‌رود و طالقان‌رود در محل روستای شیرکوه به هم پیوسته و رودخانه شاهرود را تشکیل می‌دهند. شکل 1 موقعیت رودخانه شاهرود را به همراه ایستگاه‌های نمونه‌برداری نشان می‌دهد.

 

 

شکل 1- موقعیت ایستگاه‌های نمونه برداری آب

Figure 1- Location of water sampling stations

 

بازه‌بندی رودخانه شاهرود بر اساس 10 ایستگاه‌های نمونه‌برداری شامل 4 ایستگاه روی شاخه اصلی رودخانه شاهرود و 6 ایستگاه رویدو شاخه ورودی به این رودخانه (2 ایستگاه روی الموت‌رود و 4 ایستگاه روی طالقان‌رود) انجام شده است. موقعیت ایستگاه‌های نمونه‌برداری در شکل 1 و مشخصات بازه‌های رودخانه شاهرود در جدول 1 نشان داده شده است. مطابق با جدول 1، طول کل مسیر مورد بررسی در رودخانه شاهرود برابر 13/189 کیلومتر می‌یاشد.


 

جدول 1- مشخصات بازه‌های رودخانه شاهرود مورد استفاده در مدل کیفی

Table 1- Characteristics of Shahrood River range used in qualitative model

ردیف

رودخانه

کد ایستگاه

عرض جغرافیایی

طول جغرافیایی

فاصله از پایین‌دست(کیلومتر)

طول بازه (کیلومتر)

ارتفاع (متر)

شیب بازه

۱

طالقان رود

SS1

18/36

88/50

13/189

-

۱۹۴۰

-

۲

طالقان رود

SS2

17/36

75/50

59/176

54/12

۱۷۹۶

09/0

۳

طالقان رود

SS3

20/36

63/50

10/164

49/12

۱۶۹۳

12/0

۴

الموت رود

SS4

40/36

68/50

48/129

62/34

۱۶۳۶

61/0

۵

الموت رود

SS5

39/36

39/50

49/102

99/26

۱۰۷۸

05/0

۶

طالقان رود

SS6

39/36

39/50

98/101

50/0

۱۰۵۸

03/0

۷

شاهرود

SS7

40/36

17/50

46/85

52/16

۹۲۰

12/0

۸

شاهرود

SS8

61/36

75/49

50/26

96/58

۴۸۶

14/0

۹

شاهرود

SS9

62/36

52/49

89/0

61/25

۳۲۶

16/0

۱۰

شاهرود

SS10

62/36

51/49

00/0

89/0

۲۷۹

02/0

 

 

نمونه­برداری از رودخانه شاهرود طی چهار دوره در آبان‌ماه 1386، تیرماه 1387، شهریورماه 1387 و مهر ماه 1387 توسط سازمان حفاظت محیط زیست انجام شده است. زمان‌های نمونه‌برداری با توجه به تغییرات دبی رودخانه و نوع منبع آلاینده و زمان‌های تاثیرپذیری آن‌ها انتخاب شده است. اکسیژن محلول، اکسیژن

خواهی بیوشیمیایی[14]، قلیاییت، کل مواد جامد محلول، هدایت الکتریکی، کدورت، فسفر کل و نیتروژن کل از مهم­ترین پارامترهای اندازه­گیری شده در نمونه­ها می­باشد. جدول 2 لیست داده­های مورد استفاده و مشخصات آماری آن‌ها را نشان می­دهد.


جدول 2- خلاصه آماری داده‌های رودخانه شاهرود (سازمان حفاظت محیط زیست، 1389)

Table 2- Summary of Statistical data of Shahrood River (Environmental Protection Agency, 2010)

تاریخ نمونه‌برداری

آماره

Q

(m3/s)

T

(0C)

DO

(mg/l)

BOD

(mg/l)

pH

EC

(dS/m)

TS

(mg/l)

Turbidity

(NTU)

TP

(mg/l)

TN

(mg/l)

آبان 1386

مینیمم

88/0

3/6

1/6

0/9

7/7

۰.۳۹

۳۴۴

۱۰

02/0

65/0

ماکزیمم

20/9

8/9

7/9

0/38

2/8

۰.۸۷

۱۴۵۰

۸۸۰

05/0

04/2

میانگین

92/3

5/8

6/7

3/18

9/7

۰.۶۸

۷۷۵

۳۱۳

03/0

25/1

انحراف معیار

67/2

2/1

2/1

7/8

2/0

۰.۲۰

۴۱۸

۳۲۲

01/0

45/0

تیر 1387

مینیمم

54/0

3/13

4/6

5/18

0/8

۰.۶۰

۳۸۰

۲

04/0

69/0

ماکزیمم

10/5

3/27

9/7

0/84

5/8

۱.۳۴

840

۱۸۰

06/0

34/1

میانگین

70/2

5/19

4/7

5/59

2/8

92/0

۶۱۴

۴۶

05/0

04/1

انحراف معیار

61/1

1/5

5/0

9/28

2/0

27/0

۲۱۲

۵۹

01/0

26/0

شهریور 1387

مینیمم

21/0

0/12

0/6

5/11

8/7

61/0

۳۸۵

۲

05/0

36/0

ماکزیمم

76/4

0/27

8/7

5/22

2/8

30/1

824

90

13/0

05/1

میانگین

84/1

1/20

9/6

8/18

9/7

00/1

۶۴۶

۳۹

۰.۰۷

62/0

انحراف معیار

39/1

8/4

6/0

5/3

2/0

26/0

۱۷۷

۴۱

03/0

21/0

مهر 1387

مینیمم

83/2

5/13

8/7

4/2

9/7

46/0

۲۲۷

۳

89/0

13/1

ماکزیمم

19/9

5/23

3/11

8/42

4/8

74/0

۴۲۸

92

32/1

38/8

میانگین

29/5

0/19

0/10

8/9

1/8

62/0

۳۳۲

۴۱

07/1

37/3

انحراف معیار

34/2

1/4

0/1

1/13

1/0

10/0

۷۴

۴۰

17/0

14/2

* در جدول 2، واحد درجه حرارت آب درجه سانتی­گراد، دبی مترمکعب بر ثانیه، اکسیژن محلول و اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی میلی­گرم بر لیتر و هدایت الکتریکی دسی زیمنس بر متر می­باشد.

 

 

معادله هندرسون– هاسلبالخ [15] برای محاسبه pH یک محلول با استفاده از ثابت تفکیک اسیدی بر اساس رابطه (1) استفاده می‌شود.

(1)                             

در رابطه (1)،  [HA] غلظت مولی اسید نامحلول ضعیف،[A⁻]  

غلظت باز مزدوج این اسید و pKaثابت تفکیک اسیدی می‌باشد.

مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه شاهرود با استفاده از نرم‌افزار QUAL2Kw 5.1

در مقاله حاضر مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه شاهرود با استفاده از نرم‌افزار QUAL2Kw 5.1، در پنج مرحله کلی انجام شده است.
این مراحل در شکل 2 به صورت فلوچارت نشان داده شده است.

 

 

 

شکل 2- فلوچارت مراحل مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه با استفاده از مدل QUAL2Kw

         Figure 2- Flowchart of river water quality modeling process using QUAL2Kw model  

 

 

در مقاله حاضر برای واسنجی مدل از داده‌های آبان 1386 و تیر 1387 و برای صحت‌سنجی مدل از داده‌های شهریور 1387 و مهر 1387 استفاده شده است. واسنجی خودکار ضرایب مدل با استفاده از الگوریتم ژنتیک موجود در مدل انجام شده است. به منظور مقایسه نتایج شبیه‌سازی شده مدل با داده‌های مشاهداتی از دو پارامتر آماری شامل ضریب تبیین (R2) و میانگین قدرمطلق خطا (MAE) مطابق روابط 1 و 2 استفاده شده است.

(2)

 

(3)

 

که در روابط (2) و (3)،، ، ،  به‌ترتیب مقادیر مشاهداتی، شبیه‌سازی شده، میانگین مشاهداتی‌ها و
میانگین شبیه‌سازی شده‌ها در ایستگاه iام و N تعداد داده‌ها می‌باشد.

یافته‌ها

در نرم‌افزار QUAL2Kw.5.1  تعداد زیادی ضریب و پارامتر
قابلیت انتخاب جهت واسنجی شدن را دارند. مقادیر تعدادی از مهم‌ترین پارامترهای واسنجی شده در مدل مقاله حاضر با استفاده از روش واسنجی خودکار توسط الگوریتم ژنتیک در جدول3 ارایه شده است.

 

 

جدول 3- مقادیر پارامترهای واسنجی شده در مدل QUAL2Kw.5.1 با استفاده از الگوریتم ژنتیک

Table 3 - The values of calibrated parameters in the QUAL2Kw model using the genetic algorithm

ردیف

دسته‌بندی پارمتر

ضریب

واحد

حداقل

حداکثر

مقدار واسنجی‌شده

1

جامدات معلق غیرآلی

سرعت ته‌نشینی

متر بر روز

0

2

06/0

2

اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی کربنی

نرخ هیدرولیز

یک بر روز

0

5

93/1

3

نرخ اکسیداسیون

یک بر روز

0

5

54/0

4

نیتروژن آلی

نرخ هیدرولیز

یک بر روز

0

5

84/0

5

نرخ ته‌نشینی

متر بر روز

0

2

25/0

6

آمونیوم

نرخ نیتریفیکاسیون

یک بر روز

0

10

15/2

7

نیترات

نرخ دنیتریفیکاسیون

یک بر روز

0

2

03/1

8

فسفر آلی

نرخ هیدرولیز

یک بر روز

0

5

44/3

9

فسفر غیرآلی

نرخ ته‌نشینی

متر بر روز

0

2

014/0

 

 

جدول 3 نشان می‌دهد که مهم‌ترین ضرایب واسنجی شده در مدل مربوط به مواد جامد معلق، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی، نیتروژن و فسفر می‌باشد. از جمله مهم‌ترین پارامترهایی که اثر زیادی بر محیط زیست سالم در یک رودخانه دارد، می‌توان به دمای آب، اکسیژن محلول، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی و نیتروژن کل اشاره کرد که در ادامه نمودارهای مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده این پارامترها ارایه شده است.شکل 3 مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده پارامتر دمای آب را در چهار دوره اندازه‌گیری شده نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل 3- مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده دمای آب در چهار دوره واسنجی و صحت‌سنجی

Figure 3 - Observed and Simulated Water Temperature in Four Calibration and Validation Periods

 

دمای آب یکی از مهم‌ترین پارامترهایی است که روی سایر پارامترهای کیفیت آب رودخانه تأثیرگذار است. به طور معمول هر چه دمای آب بالاتر باشد، سرعت واکنش‌های شیمیایی در آب بیش‌تر می‌شود. شکل 3 نشان می‌دهد که به طور میانگین کم‌ترین و بیش‌ترین دمای آب اندازه‌گیری شده در رودخانه شاهرود مربوط به آبان 1386 و شهریور 1387 و به‌ترتیب برابر 71/8 و 56/19 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. همچنین با توجه به میانگین قدرمطلق خطا (MAE)، بیش‌ترین و کم‌ترین دقت شبیه‌سازی مدل مربوط به آبان 1386 و مهر1387 و به‌ترتیب برابر 15/1 و 16/4 می‌باشد. شکل 4 مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده پارامتر اکسیژن محلول را در چهار دوره مدل‌سازی شده نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل 4- مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده اکسیژن محلول در چهار دوره واسنجی و صحت‌سنجی

Figure 4 - Observed and Simulated Dissolved Oxygen (DO) Values in Four Calibration and Validation Periods

 

 

پارامتر اکسیژن محلول آب با توجه به این‌که برای هر نوع واکنش شیمیایی و همچنین حیات موجودات زنده در آب ضروری است، یکی از پارامترهای بسیار مهم در بین سایر پارامترهای کیفیت آب می‌باشد. غلظت اکسیژن محلول در آب به طور مستقیم به برخی از سایر پارامترهای کیفی از جمله دمای آب وابسته است. با توجه به شکل 4، به طور میانگین حداقل و حداکثر اکسیژن محلول اندازه‌گیری شده در رودخانه شاهرود در شهریور 1387 و مهر 1387 و به‌ترتیب برابر 93/6 و 99/9 میلی‌گرم بر لیتر اندازه‌گیری شده است. همچنین بیش‌ترین و کم‌ترین دقت مدل در شبیه‌سازی پارامتر اکسیژن محلول مربوط به تیر 1387 و مهر 1387 با میانگین قدرمطلق خطای برابر 86/0 و 29/1 می‌باشد. شکل 5 مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده پارامتر اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی را در چهار دوره مدل‌سازی شده نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل 5- مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی در چهار دوره مدل‌سازی شده

Figure 5 - Observed and simulated biochemical oxygen demand (BOD) Values in Four Calibration and Validation Periods

 

 

غلظت پارامتر اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی (BOD) در آب به طور مستقیم به میزان فعالیت میکروارگانیسم‌های موجود در آب وابسته است به طوری‌که هر چه فعالیت‌های موجودات زنده و واکنش‌های شیمیایی در آب بیش‌تر باشد، مقدار مصرف اکسیژن محلول بیش‌تر و اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی بیش‌تر می‌شود. شکل 5 نشان می‌دهد که به طور میانگین بیش‌ترین و کم‌ترین مقادیر اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی در تیر 1387 و مهر 1387 و به‌ترتیب برابر 78/52 و 80/9 میلی‌گرم بر لیتر اندازه‌گیری شده است. مدل بیش‌ترین و کم‌ترین دقت شبیه‌سازی اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی را به‌ترتیب در شهریور 1387 و تیر 1387 و با میانگین قدرمطلق خطای برابر 20/5 و77/36 داشته است. شکل 6 مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده پارامتر نیتروژن کل را در چهار دوره مدل‌سازی شده نشان می‌دهد.

 

 

 

 

 

شکل 6- مقادیر مشاهداتی و شبیه‌سازی شده نیتروژن کل در چهار دوره مدل‌سازی شده

Figure 6 - Observed and simulated total nitrogen Values in Four Calibration and Validation Periods

 

پارامتر نیتروژن کل از مجموع چهار فرم نیتروژن شامل نیتروژن آلی، نیتروزن آمونیاکی، نیتریت و نیترات بدست می‌آید. با توجه به شکل 6 بیش‌ترین و کم‌ترین غلظت نیتروژن کل به‌ترتیب در مهر 1387 و شهریور 1387 برابر 37/3 و 65/0 میلی‌گرم بر لیتر اندازه‌گیری شده است. همچنین بیش‌ترین و کم‌ترین دقت مدل در شبیه‌سازی نیتروژن کل در تیر 1387 و مهر 1387 با میانگین قدرمطلق خطای برابر 59/0 و 23/5 بدست آمده است. نتایج آماری مراحل واسنجی و صحت‌سنجی مدل QUAL2Kw.5.1 برای پارامترهای مختلف در جدول 4 ارایه شده است.

 

                                                                          

جدول 4- نتایج آماری مراحل واسنجی و صحت‌سنجی مدل QUAL2Kw

Table 4- The statistical results of the calibration and verification procedures

 of the QUAL2Kw model

ردیف

زمان نمونه‌برداری

آماره

 

پارامترهای مدل‌سازی شده

T

pH

EC

TN

TP

CBODu

DO

1

آبان 1386(واسنجی)

MAE

15/1

43/0

140

92/0

0

19/6

04/1

ضریب همبستگی

12/0

3/0

23/0

05/0

45/0

03/0

13/0

2

تیر 1387(واسنجی)

MAE

99/3

2/0

33/233

59/0

0

77/36

86/0

ضریب همبستگی

33/0

12/0

12/0

32/0

31/0

33/0

14/0

3

شهریور 1387(صحت‌سنجی)

MAE

86/3

23/0

67/246

59/0

06/0

20/5

14/1

ضریب همبستگی

01/0

03/0

18/0

45/0

04/0

01/0

04/0

4

مهر 1387(صحت‌سنجی)

MAE

16/4

14/0

11/81

23/5

07/1

21/7

29/1

ضریب همبستگی

81/0

26/0

27/0

61/0

11/0

23/0

23/0

داده‌های واسنجی

MAE

57/2

32/0

67/186

75/0

0

48/21

96/0

ضریب همبستگی

23/0

21/0

18/0

19/0

38/0

18/0

13/0

داده‌های صحت‌سنجی

MAE

02/4

19/0

89/163

91/2

565/0

18/4

12/3

ضریب همبستگی

41/0

15/0

23/0

53/0

075/0

12/0

14/0

 

مقدار میانگین قدرمطلق خطا هر چه به صفر نزدیک‌تر و مقدار ضریب همبستگی هر چه به یک نزدیک‌تر باشند حاکی از دقت بیش‌تر نتایج مدل به داده‌های اندازه‌گیری شده می‌باشد. جدول 4 نشان می‌دهد که بیش‌ترین همبستگی برای پارامتر دمای آب در مهر 1387 و برابر 81/0 بدست آمده است. همچنین نتایج جدول 4 نشان می‌دهد که دقت مدل در شبیه‌سازی مقادیر هدایت الکتریکی دقت کم‌تری نسبت به سایر پارامترها داشته است.

 

 

بحث و نتیجه‌گیری

در مقاله حاضر مدل  QUAL2Kw.5.1دقت بالایی در

شبیه‌سازی پارامتر pH از خود نشان داد که با نتایج حسینی و همکاران (1396) مطابقت دارد. همچنین نتایج تحقیق حاضد نشان داد که مهم‌ترین ضرایب واسنجی شده در مدل مربوط به مواد جامد معلق، اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی، نیتروژن و فسفر می‌باشد که با نتایج شارما و همکاران (2017) هم‌خوانی دارد. نتایج مقاله حاضر دقت مناسب مدل  QUAL2Kw.5.1را در شبیه‌سازی پارامترهای کیفیت آب رودخانه شاهرود نشان می‌دهد که شکری و همکاران (1393) چنین نتیجه‌ای را در مورد شبیه­سازی کیفی آمونیوم و نیترات در طول رودخانه گرگر با استفاده ازمدل QUAL2Kw.5.1عنوان کرده بودند. دقت شبیه‌سازی هر پارامتر با توجه به مقدار تغییرات آن در طول رودخانه متغیر می‌باشد. به نحوی‌که هر چه تغییرات یک پارامتر در طول رودخانه و در بازه‌های مختلف کم‌تر باشد، دقت مدل در شبیه‌سازی این پارامتر بیش‌تر خواهد بود. داشتن داده‌های دقیق از تغییرات پارامترهای هیدرولیکی رودخانه و جریان در طول رودخانه تأثیر زیادی در مدل‌سازی هیدرولیکی و بالتبع در مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه دارد. همچنین دقت مدل در مرحله صحت‌سنجی به نوع داده‌های مورد استفاده در مرحله واسنجی، مشخصات الگوریتم ژنتیک مورد استفاده در مرحله واسنجی تعداد ضرایب واسنجی شده، و تغییرات داه‌های مرحله صحت‌سنجی بستگی دارد.

 

تشکر و قدردانی

داده‌ها و اطلاعات مورد استفاده در این مقاله از سازمان حفاظت محیط‌زیست تهیه شده است که به این وسیله تشکر و قدردانی می‌شود.

 

منابع

  1. Hashemi, S. H., Ghasemi Ziarani, E., 2011. Contamination of load input from sub-basins to Samadirkabir reservoir by using QUAL2K model. Journal of Environmental Studies; 37 (57): 1-8 (in Persian).
  2. Shokri, S., Hooshmand, A., Moaz, H., 2015. Qualitative simulation of ammonium and nitrate in the Gregor River using the QUAL2KW model. Journal of Wetland Ecobiology; 7 (68): 23-57 (in Persian).
  3. Khodam Mohammadi, M., Boustani, F., 2016. Assessment of self-healing power and the role of dissolved oxygen in the quality of water in the river of Khor (Case
    study: Droodzan Dam down to Lake Tashkh-Bakhtegan). Journal of Water Resources Engineering; 7 (27): 85-98 (in Persian).
  4. Hosseini, P., Ildoromi, A.R., Hosseini, Y., 2016. The Study of Qual2kw Model Efficacy on River Self-purification (A Case Study of Karun River at Interval of Zargan to Kute Amir). Journal of Environmental Science and Technology; 18 (4): 103-122 (in Persian).
  5. Hosseini, P., Hosseini, Y., 2017. Investigating the variation of self-propagation power of Karun River in 87 and 92 years using QUAL2KW model in Ahvaz city. AmirKabir Journal of Civil Engineering; 49 (1): 35-46 (in Persian).
  6. Ashegh Moalla, M., Karimi, S., Malek Mohammadi, B., Jafari, H. R., 2015. Procedure of a comprehensive water quality management in rivers. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology (JMEST); 2(2): 4-8.
  7. Mehrasbi, M. R., Farahmand Kiaa, Z., 2015.Water Quality Modeling and Evaluation of Nutrient Control Strategies Using QUAL2K in the Small Rivers. Journal of Human, Environment and Health Promotion; 1(1): 1-11.
  8. Zolfagharipoor, M. A., Ahmadi, A., 2016.A decision-making framework for river water quality management under uncertainty: Application of social choice rules.Journal of Environmental Management; 183(1):152-163.
  9. Sharma, D., Kansal, A., Pelletier, G., 2017. Water quality modeling for urban reach of Yamuna River, India (1999–2009), using QUAL2Kw. Applied Water Science; 7(3): 1535–155

 

 



[1]- کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

[2]- استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران*(مسئول مکاتبات)

[3]- دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

 

[4]- MSc. Student Department of Water Engineering, Science and Reserch Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

[5]- Assistant Professor, Department of Water Engineering, Science and Reserch Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.* (Corresponding Author)

[6]- Associate Professor, Department of Water Engineering, Science and Reserch Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

[7]- Dissolved Oxygen (DO)

[8]- Biochemical Oxygen Demaon (BOD)

[9]- Potential of Hydrogen (pH)

[10]- Total Dissolved Solids (TDS)

[11]- Electrical Conductivity(EC)

[14]-Biochemical Oxygen Demand

[15]- Henderson–Hasselbalch equation

  1. Hashemi, S. H., Ghasemi Ziarani, E., 2011. Contamination of load input from sub-basins to Samadirkabir reservoir by using QUAL2K model. Journal of Environmental Studies; 37 (57): 1-8 (in Persian).
  2. Shokri, S., Hooshmand, A., Moaz, H., 2015. Qualitative simulation of ammonium and nitrate in the Gregor River using the QUAL2KW model. Journal of Wetland Ecobiology; 7 (68): 23-57 (in Persian).
  3. Khodam Mohammadi, M., Boustani, F., 2016. Assessment of self-healing power and the role of dissolved oxygen in the quality of water in the river of Khor (Case
    study: Droodzan Dam down to Lake Tashkh-Bakhtegan). Journal of Water Resources Engineering; 7 (27): 85-98 (in Persian).
  4. Hosseini, P., Ildoromi, A.R., Hosseini, Y., 2016. The Study of Qual2kw Model Efficacy on River Self-purification (A Case Study of Karun River at Interval of Zargan to Kute Amir). Journal of Environmental Science and Technology; 18 (4): 103-122 (in Persian).
  5. Hosseini, P., Hosseini, Y., 2017. Investigating the variation of self-propagation power of Karun River in 87 and 92 years using QUAL2KW model in Ahvaz city. AmirKabir Journal of Civil Engineering; 49 (1): 35-46 (in Persian).
  6. Ashegh Moalla, M., Karimi, S., Malek Mohammadi, B., Jafari, H. R., 2015. Procedure of a comprehensive water quality management in rivers. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology (JMEST); 2(2): 4-8.
  7. Mehrasbi, M. R., Farahmand Kiaa, Z., 2015.Water Quality Modeling and Evaluation of Nutrient Control Strategies Using QUAL2K in the Small Rivers. Journal of Human, Environment and Health Promotion; 1(1): 1-11.
  8. Zolfagharipoor, M. A., Ahmadi, A., 2016.A decision-making framework for river water quality management under uncertainty: Application of social choice rules.Journal of Environmental Management; 183(1):152-163.
Sharma, D., Kansal, A., Pelletier, G., 2017. Water quality modeling for urban reach of Yamuna River, India (1999–2009), using QUAL2Kw. Applied Water Science; 7(3): 1535–155