بررسی خودپالایی جریان‌های رودخانه‌ای با توسعه و کاربرد مدل‌های ریاضی مطالعه موردی: رودخانه پسیخان- گیلان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب

2 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشگاه تهران

3 استاد گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشگاه تهران

چکیده

ظرفیت خودپالایی رودخانه­ها تابع عوامل زمانی و مکانی، نوع و شدت بار آلاینده­های ورودی و نیز شرایط محیطی بستر رودخانه است.  در حقیقت، ارزیابی خودپالایی رودخانه تعیین مقدار اکسیژن محلول در طول آن است که بر اساس این ظرفیت می­توان دریافت رودخانه از لحاظ آلودگی در چه وضعیتی است و در چه نقاطی وضعیت بحرانی کمبود اکسیژن محلول وجود دارد.  از طرف دیگر، برایتعیینعکس­العملقابلانتظاررودخانهبهورودآلاینده­ها و شبیه­سازی پارامترهای کیفی، استفادهازمد­ل­هایریاضیضروریاست.  در این مورد تئوری استریتر- فلپس از مبانی شناخته شده و معروف در محاسبات خودپالایی است.  محدودیت روش پیشنهادی استریتر- فلپس صرف­نظر کردن از ترم­های انتقال و پخش است.  در تحقیق حاضر در مرحلۀ اول رابطۀ کلاسیک استریتر- فلپس به روش تحلیلی مدل شد.  پس از آن با افزودن ترم­های انتقال و پخش به رابطۀ مذکور، رابطۀ حاصل با استفاده از روش­های عددی FTCS، Upstream، Lax & Wendroff و QUICKESTتوسعه داده و مدل شد.  برای تأمین داده­های میدانی نیز در مهر و آبان 1389، در بازه­ای به طول 2 کیلومتر از رودخانۀ پسیخان نمونه­برداری و پارامترهای DO، BOD، NO3- و PO4- در آزمایشگاه اندازه­گیری شد.  با مقایسه مقادیر پیش­بینی شده غلظت اکسیژن محلول توسط
مدل­های عددی دارای ترم­های انتقال و پخش با مقادیر حل تحلیلی رابطه کلاسیک استریتر- فلپس در مقابل داده­های میدانی، مشخص شد که افزودن ترم­های انتقال و پخش سبب افزایش قابل توجه دقت پیش­بینی­ها می­شود.  نتایج همچنین نشان
می­دهد که همۀ روش­های عددی مورد استفاده دقت خوبی دارند و اختلاف بین آن­ها اندک است.  هرچند از میان روش­های عددی مورد استفاده، روش Upstreamبیشترین دقت را از خود نشان داده است.  علاوه بر آن، با توجه به روند تغییرات غلظت اکسیژن محلول مشخص شد که رودخانۀ پسیخان در بازه مورد نظر ظرفیت خودپالایی نسبتاً خوبی دارد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Mathematical Model for River Flow Assimilation: A Case Study of Pasikhan River, Iran

چکیده [English]

The self-purification capacity of rivers is a function of time, space, nature, intensity of the pollution load and the condition of the river bed. Evaluating a river self-purification rate requires determination of the dissolved oxygen levels. The level of pollution and oxygen shortages at critical points along the river should be investigated. In the other words, the estimation of river contaminants is based on the self-purification capacity. The Streeter-Phelps method is a well-known approach for evaluating the level of dissolved oxygen in a river and it can be restricted to ignore advection and dispersion terms. It is possible to model the self-purification process knowing the aquatic parameters and pollutants. In this paper, the basic Streeter-Phelps equation has been analytically solved. Advection and dispersion terms have been included in the equation to increase the accuracy of the predictions. The new equation was then modeled using FTCS, Upstream, Lax & Wendroff, and QUICKEST numerical methods. A 2 km section of the Pasikhan River was chosen for field testing and the required water samples were taken and lab tested for DO, BOD5, NO3 and PO4. The analytical and numerical results for  predicting dissolved oxygen were compared with the field data. The results showed that all numerical predictions were in good agreement with the measured data, but the Upstream method showed the best results. Furthermore, the results indicated that the numerical methods performed better than the Streeter-Phelps base model. This may have been caused by the addition of the advection and dispersion terms to the Streeter-Phelps base model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • dissolved oxygen
  • Mathematical Model
  • Numerical methods
  • Pasikhan River
  • Self-purification
  • Streeter-Phelps model
Abbott, M. ­B­. and Basco, D­. ­R. 1989. Computational Fluid Dynamics an Introduction for Engineers. Longman Singapore Pub. Harlow.

Anderson, M. P. and Woessner, W. W. 1992. Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport. Academic Press, Inc. San Diego. Calif.

Anon. 1997. Technical Guidance Manual for Developing Total Maximum Daily Loads (TMDLs). United State Environmental Protection Agency (EPA).

Boulton, N. S. 1954. The drawdown of the water table under non-steady condition near a pumped well in an unconfined formation. Porc. Inst. Civil Eng. 3(4): 564-579.

Chapra, C. S., 1997. Surface Water Quality Modeling. The McGraw-Hill Company. Inc.

Langbein, W. B. and Duram, W. H. 1967. The Aeration Capacity of Streams. U. S. Department of Interior. Geological Survey. Washington D. C.

Gotovtsev, A. V. 2010. Modification of the streeter–phelps with the aim to account for the feedback between dissolved oxygen concentration and organic matter oxidation rate. Water Resour.
37(2): 245–251.

Kashefipour, S. M. and Falconer, R. A. 2002. Longitudinal dispersion coefficient in natural channels. Water Res. 36(6): 1596-1608.

Khatami. S. H. 2007. Stream Self-Purification. Iran Department of the Environment. (in Farsi)

Ling, L., Chunli. Q., Qidong. P., Zhifeng. Y. and Qianhong, G. 2010. Numerical simulation of dissolved oxygen supersaturation flow over the three gorges dam spillway. Tsinghua Sci. Technol.
15(5): 574-579.

Maleki, R. 2007. Comparison between WASP6 and MIKE11 softwares in water quality simulation: case study: Fomanat basin. M. Sc. Thesis. Tarbiat Modares University. Tehran. Iran. (in Farsi)

Misra, A. K., Chandra, P. and Shukla, J. B. 2006. Mathematical modeling and analysis of the depletion of dissolved oxygen in water bodies. Nonlinear Analysis: Real World Applications. 7, 980-996.

Mostofizadeh, Sh. and Kashefipour, S. M. 2008. Numerical methods on accurately prediction advection- dispersion equation. Proceeding of the First Iranian National Conference on Applied Researches in Water Resources. Kermanshah. Iran. (in Farsi)

Nazari–Alavi, A. Mirzai, M. Sajadi, S. A. A. and Alamolhoda, A. A. 2007. Surveying the Jagrood river’s self-purification. Proceeding of the 6th International Conference on Environmental Informatics. Nov. 21-23. Bangkok. Thailand. 5, 605- 611.

O'Connor, D. J. 1976. The concentration of dissolved solids and river flow. Water Resour. Res. 12(2):
279-294.

Pei, F. and Xiao, R. 2007. Experiment of impact of river hydraulic characteristics on nutrients purification coefficient. J. Hydrodynamics. 19(3): 387-393.

Serkon, N. and Evine, N. 2009. Water quality modeling and dissolved oxygen balance in streams: a point source streeter-phelps application in the Harsit stream. Clean- Soil Air Water. 37(1): 67– 74.

Streeter, H. W. and Phelps, E. B. 1925. A Study of the Pollution and Natural Purification of the Ohio Rivers. III. Factors Concerned in the Phenomena of Oxidation and Reaeration. U. S. Public Health Service. Bulletin. 146.

Tuchkovenko, Y. S. and Lonin, S. A. 2003. Mathematical model of the oxygen regime of Cartagena Bay. Ecol. Model. 165 (1): 91-106.

Yu, L. and Salvador, N. N. B. 2005. Modeling water quality rivers. Am. J. Appl. Sci. 2(4): 881-886.