فصلنامه مدیریت محیط زیست شهری

ارزیابی کارایی مدل QUAL2Kw در شبیه‌سازی کیفیت آب رودخانه‌های کوهستانی با مورفولوژی پله-گوداب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 استادیار دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.48306/juem.2026.588676.1164
چکیده
رودخانه‌های کوهستانی با مورفولوژی پله-گوداب از پیچیده‌ترین سیستم‌های هیدرولیکی از نظر کیفیت آب محسوب می‌شوند، اما کارایی مدل‌های مرسوم کیفی مانند QUAL2Kw که بر اساس فرض جریان یکنواخت طراحی شده‌اند، در این بسترها به‌ندرت مورد ارزیابی قرار گرفته است. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی کارایی مدل QUAL2Kw در شبیه‌سازی کیفیت آب چنین رودخانه‌هایی انجام شده است. بدین منظور، بازه ۶۶ متری با ساختار پله-گوداب در رودخانه دوهزار استان مازندران انتخاب و نمونه‌برداری از چهار پارامتر کیفی دما، اکسیژن محلول، نیترات و فسفر غیرآلی در چهار ایستگاه (بالادست، بالای پله، پای پله و پایین‌دست) طی هشت ماه در شرایط کم‌آبی و پرآبی صورت گرفت. مدل، با استفاده از داده‌های چهار ماه نخست واسنجی و با داده‌های چهار ماه دوم صحت‌سنجی شد. نتایج نشان داد در شرایط کم‌آبی، مدل QUAL2Kw با ضرایب نش-ساتکلیف برای تمامی پارامترها بیش از ۸۴/۰ عملکرد قابل قبولی دارد. با این حال، شبیه‌سازی نیترات و فسفر غیرآلی نسبت به دما و اکسیژن محلول با خطای کمتری همراه بود که ناشی از افزایش زمان ماند و کاهش تلاطم است که به واکنش‌های سینتیکی فرصت کافی برای تأثیرگذاری می‌دهد. در شرایط پرآبی، مدل QUAL2Kw در تمامی پارامترهای کیفی، به‌ویژه در محل پله-گوداب، دچار بیش‌برآوردی گردید. این خطا ناشی از کاهش زمان ماند و غلبه فرآیندهای فیزیکی (تلاطم و اختلاط) بر واکنش‌های سینتیکی است. بر اساس یافته‌ها، مدل می‌تواند به‌عنوان ابزاری کارآمد برای شبیه‌سازی کیفیت آب رودخانه‌های کوهستانی در دوره‌های کم‌آبی مورد استفاده قرار گیرد و نتایج آن برای مدیریت زیست‌محیطی این اکوسیستم‌ها سودمند می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


1. Ejigu, M. T. (2021). Overview of water quality modeling. Cogent Engineering, 8(1), Article 1891711. https://doi.org/10.1080/23311916.2021.1891711
2. Sanchez Hernandez, E.P., Colmenarejo, M.F., Vicente, J., Rubio, A., et al., Use of the Water Quality Index and Dissolved Oxygen Deficit as Simple Indicators of Watershed Pollution. Ecological Indicators, 2007. 7(2): p. 315-328. DOI: 10.1016/j.ecolind.2006.02.005.
3. Viviroli, D., Archer, D.R., Buytaert, W., Fowler, H.J., Greenwood, G.B., Hamlet, A.F., Huang, Y., Koboltschnig, G., Litaor, M.I., López-Moreno, J.I., Lorentz, S., Schädler, B., Schreier, H., Schwaiger, K., Vuille, M., and Woods, R., Climate change and mountain water resources: overview and recommendations for research, management and policy. Hydrology and Earth System Sciences, 2011. 15(2): p. 471-504. DOI: 10.5194/hess-15-471-2011.
4. Schmeller, D.S., Loyau, A., Bao, K., Brack, W., Chatzinotas, A., De Vleeschouwer, F., Friesen, J., Gandois, L., Hansson, S.V., Haver, M., Le Roux, G., Shen, J., Teisserenc, R., and Vredenburg, V.T., People, pollution and pathogens – Global change impacts in mountain freshwater ecosystems. Science of The Total Environment, 2018. 622-623: p. 756-763. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.12.006.
5. Bui, H. H., Ha, N. H., Nguyen, T. N. D., Nguyen, A. T., Pham, T. T. H., Kandasamy, J., & Nguyen, T. V. (2019). Integration of SWAT and QUAL2K for water quality modeling in a data scarce basin of Cau River basin in Vietnam. Ecohydrology & Hydrobiology, 19(2), 210-223, DOI: 10.1016/j.ecohyd.2019.03.005.
6. Pelletier, G. J., Chapra, S. C., & Tao, H. (2006). QUAL2Kw – A framework for modeling water quality in streams and rivers using a genetic algorithm for calibration. Environmental Modelling & Software, 21(3), 419–425. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2005.07.002
7. Ye, H., Guo, S., Li, F., & Li, G. (2013). Water quality evaluation in tidal river reaches of Liaohe River estuary, China using a revised QUAL2K model. Chinese Geographical Science, 23(3), 301-311, DOI: 10.1007/s11769-013-0586-9.
8. Cho, J.H. and Ha, S.R., Parameter optimization of the QUAL2K model for a multiple-reach river using an influence coefficient algorithm. Science of The Total Environment, 2010. 408(8): p. 1985-1991. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2010.01.025.
9. Chapra, S. C., Pelletier, G. J., & Tao, H. (2008). QUAL2K: A modeling framework for simulating river and stream water quality, version 2.11: Documentation and user's manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA.
10. طاهری سودجانی، ه.، براتی، خ. و شایان‌نژاد، م.، معرفی معادلات اساسی و راهنمای کاربردی مدلQual2kw ، مجله آب و توسعه پایدار، 1394، 2 (2): ص. 3542. (DOI:  https://doi.org/10.22067/jwsd.v2i2.47011)
11. شاهی‌نژاد، ب.، ایزدی، ز.، و جوادی، ب. ارزیابی مدل QUAL2Kw در شبیه‌سازی کیفی رودخانه خرم‌آباد، مجله هیدروژئومورفولوژی، 1400، 26 (8)، ص. 165-181. (DOI: 10.22034/hyd.2021.44490.1576)
12. امامی‌قرا، ف.، فضل‌اولی، ر.، و خوش‌روش، م. بررسی روند تغییرات کیفی رودخانه نکا با استفاده از مدل QUAL2Kw در پایین‌دست سد گلورد، نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، 1402، 14 (1)، ص 266-283. (DOI: 10.22125/iwe.2023.369028.1686)
13. Kannel, P. R., Lee, S., Lee, Y. S., Kanel, S. R., & Khan, S. P. (2007). Application of automated QUAL2Kw for water quality modeling and management in the Bagmati River, Nepal. Ecological Modelling, 202(3–4), 503–517. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2006.12.033
14. Babamiri, O., Vanaei, A., Guo, X., Wu, P., et al., Numerical Simulation of Water Quality and Self-Purification in a Mountainous River Using QUAL2KW. Journal of Environmental Informatics, 2021. 37(1): p. 26-35. DOI: 10.3808/jei.202000435.
15. وانی، ع.، معروفی، ص. و آذری، آ.، شبیه‌سازی آلودگی در رودخانه‌های پر شیب کوهستانی با استفاده از مدل QUAL2Kw، علوم و مهندسی آبیاری، ۱۴۰۱، 45 (1)، ص. 19-34. (DOI: 10.22055/jise.2017.21674.1557)
16. Chow, V. T., Maidment, D. R., & Mays, L. W. (1988). Applied Hydrology. McGraw-Hill
17. O’Connor, D. J., & Dobbins, W. E. (1958). Mechanism of reaeration in natural rivers. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 123(1), 641–666.

  • تاریخ دریافت 05 تیر 1405
  • تاریخ بازنگری 14 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 26 تیر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 26 تیر 1405
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1405