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

محورهای موضوعی : آب و محیط زیست

رزیتا آریایی نژاد ¹ (کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران)
مهدی سرائی تبریزی ² (استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران*(مسئول مکاتبات))
حسین بابازاده ³ (دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران)

تاریخ دریافت : 1396/06/29 تاریخ پذیرش : 1396/09/08 تاریخ انتشار : 1398/07/01

کلید واژه: رودخانه شاهرود, صحت‌سنجی, مدل QUAL2Kw.5.1مدل‌سازی کیفیت آب, واسنجی,

چکیده مقاله :

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.

چکیده انگلیسی:

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.

منابع و مأخذ:

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