مدل‌سازي كيفيت آب رودخانه با استفاده از مدل QUAL2Kw (مطالعه موردي: رودخانه شاهرود)

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

زمينه و هدف: مدل‌سازي كيفيت آب رودخانه‌ها مي‌تواند به‌عنوان يكي از مؤثرترين ابزارها در جهت مديريت كيفيت آب رودخانه‌ها و كاهش تبعات مسايل محيط زيستي ناشي از ورود آلاينده‌ها به آن مورد استفاده قرار گيرد. هدف از مقاله حاضر استفاده از مدل معتبر QUAL2Kw.5.1 در راستاي مدل‌سازي كيفيت آب در رودخانه شاهرود مي‌باشد. روش بررسي: در مقاله حاضر ازمدل QUAL2Kw.5.1 براي مدل‌سازي هفت پارامتر كيفيت آب شامل اكسيژن محلول، اكسيژن‌خواهي بيوشيميايي، قلياييت، كل مواد جامد محلول، هدايت الكتريكي، فسفر كل و نيتروژن كل در چهار دوره زماني در رودخانه شاهرود استفاده شده است. به منظور واسنجي مدل از داده‌هاي آبان 1386 و تير 1387 و براي صحت‌سنجي مدل از داده‌هاي شهريور 1387 و مهر 1387 استفاده شده است. واسنجي خودكار ضرايب مدل با استفاده از الگوريتم ژنتيك موجود در مدل انجام شده است. به منظور مقايسه نتايج شبيه‌سازي شده مدل با داده‌هاي مشاهداتي از دو پارامتر آماري شامل ضريب تبيين و ميانگين قدرمطلق خطا استفاده شده است. يافته‌ها: مهم‌ترين ضرايب واسنجي شده در مدل مربوط به مواد جامد معلق، اكسيژن‌خواهي بيوشيميايي، نيتروژن و فسفر مي‌باشد. مدل در شبيه‌سازي پارامترهاي pH و هدايت هيدروليكي با مقادير ميانگين قدرمطلق خطاي 0/19 و 163/89 در مرحله صحت‌سنجي به‌ترتيب بيش‌ترين و كم‌ترين دقت را از خود نشان داد. به طور ميانگين حداقل و حداكثر اكسيژن محلول اندازه‌گيري شده در رودخانه شاهرود در شهريور 1387 و مهر 1387 و به‌ترتيب برابر 6/93 و 9/99 ميلي‌گرم بر ليتر اندازه‌گيري شده است. همچنين بيش‌ترين و كم‌ترين دقت مدل در شبيه‌سازي اين پارامتر مربوط به تير و مهر 1387 با ميانگين قدرمطلق خطاي برابر 0/86 و 0/29 مي‌باشد. همچنين نتايج نشان داده كه مدل‌سازي هيدروليكي دقيق از تغييرات پارامترهاي هيدروليكي رودخانه و جريان در طول رودخانه تأثير زيادي در مدل‌سازي كيفيت آب رودخانه دارد. بحث و نتيجه‌گيري: نتايج مقاله حاضر دقت مناسب مدل QUAL2Kw.5.1را در شبيه‌سازي پارامترهاي كيفيت آب رودخانه شاهرود نشان مي‌دهد. از طرف ديگر دقت شبيه‌سازي هر پارامتر با توجه به مقدار تغييرات آن در طول رودخانه متغير مي‌باشد. به نحوي‌كه هر چه تغييرات يك پارامتر در طول رودخانه و در بازه‌هاي مختلف كم‌تر باشد، دقت مدل در شبيه‌سازي اين پارامتر بيش‌تر خواهد بود.

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. Autocalibration 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