ارزیابی آلودگی منبع غیر نقطه ای
مطالعه موردی ۲ : ارزیابی آلودگی منبع غیر نقطه ای
آبهای سطحی می توانند توسط آلودگی منبع نقطه ای یا آلودگی منبع غیر نقطه ای یا هر دو آلوده شوند. آلودگی منبع نقطه‌ای ممکن است از هر وسیله قابل تشخیص، محدود و مجزا مانند لوله‌ها، خندق‌ها، کانال‌ها، تونل‌ها، مجراها، چاه‌ها، کانتینرها، انبارهای نورد و عملیات تغذیه حیوانات متمرکز باشد. آلودگی منبع غیر نقطه ای از منابع پراکنده، از جمله رواناب شهری، کشاورزی، صنعت، اصلاح هیدرولوژیکی، دفع مواد زائد جامد، رسوب جوی، فرسایش رودخانه ها و دفع فاضلاب جداگانه ناشی می شود. عمدتاً ناشی از بارندگی یا ذوب برف است که از روی زمین و از طریق زمین حرکت می کند و آلاینده های طبیعی و مصنوعی را با خود می برد و در نهایت آنها را به آب های مختلف می برد. آلاینده های غیر نقطه ای شامل نیتروژن (N)، فسفر (P)، فلزات سنگین و سایر مواد شیمیایی از منابع مختلف می باشند. برای مطالعه و مدلسازی آلودگی غیرنقطه‌ای می‌توان از رویکردهای متفاوتی استفاده کرد. اساساً، مدلهای آلودگی منبع غیر نقطه‌ای، فرآیندهای تبدیل رواناب بارندگی هیدرولوژیکی را با اجزای کیفیت متصل نشان می‌دهند(نوتوونی و چسترز، ۱۹۸۱). از آنجا که پراکندگی آلاینده های منبع غیر نقطه ای مربوط به فرآیندهای هیدرولوژیکی و الگوهای استفاده از زمین است، آلودگی منبع غیر نقطه ای اغلب با ادغام مدلهای حمل و نقل هیدرولوژیکی و آلاینده ها با GIS مدلسازی می شود. میشرا و همکاران (۲۰۱۰) چنین نمونه ای ارائه کرد. آنها مدل SWAT را همراه با ArcGIS برای تخمین بارهای منبع غیر نقطه ای N و P در یک حوضه کوچک در هند به کار بردند. آلودگی منبع غیر نقطه ای اغلب با ادغام مدلهای حمل و نقل هیدرولوژیکی و آلاینده ها با GIS مدلسازی می شود.
شکل ۱۰-۱ روش GIS برای مدل سازی رواناب
SWAT (ابزار ارزیابی خاک و آب) مقیاس حوضه آبریز است که به طور مشترک توسط USDA Agricultural Research Service و Texas A&M AgriLife Research برای شبیه سازی کیفیت و کمیت آبهای سطحی و زیرزمینی و پیش بینی تاثیر شیوه های مدیریت زمین و تغییرات آب و هوایی بر آب توسعه یافته است. رسوبات و عملکرد شیمیایی کشاورزی در حوضه های آبریز پیچیده با خاک های مختلف، کاربری زمین و شرایط مدیریت در دوره های طولانی (آرنولد و فوهرر، ۲۰۰۵). این مدل از نظر فیزیکی مبتنی است و به طور گسترده ای در ارزیابی فرسایش خاک، آلودگی منبع غیر نقطه ای و مدیریت منطقه ای در حوضه های آبریز مورد استفاده قرار می گیرد (http://swat.tamu.edu/).
SWAT اجازه می دهد تعدادی از فرایندهای فیزیکی مختلف در یک حوضه آبریز شبیه سازی شود، از جمله بارش، رواناب، فرسایش و فرآیندهای تغذیه ای ( نیتسچه و همکاران، ۲۰۱۱). مدل سازی آلودگی منبع غیر نقطه ای با SWAT شامل سه مدل خاص است : مدل رواناب بارندگی، مدل فرسایش و مدل بارگیری مواد مغذی (N یا P). SWAT از مدل شماره منحنی SCS که در مطالعه موردی یک به عنوان مدل رواناب بارندگی توضیح داده شده است، استفاده می کند. فرسایش ناشی از بارندگی و رواناب با معادله جهانی از دست دادن خاک (MUSLE) (ویلیامز، ۱۹۷۵) محاسبه می شود که به صورت زیر بیان می شود :
که در اینجا Y فرسایش و عملکرد رسوب (تن متریک) است، V حجم رواناب سطحی بر حسب مترمکعب، R مقدار اوج رواناب است که طی رویداد فرسایش به دست می آید (مترمکعب بر ثانیه)، K عامل فرسایش پذیری خاک، LS طول شیب – عامل شیب، C عامل کشت و مدیریت و P عامل تمرین کنترل فرسایش است. این مدل فرسایش از میزان رواناب برای شبیه سازی فرسایش و عملکرد رسوب استفاده می کند.
SWAT چرخه کامل مواد مغذی را برای نیتروژن و فسفر در خاک مدل می کند. مقدار NO3-N (نیتروژن نیترات) موجود در رواناب، جریان جانبی و نفوذ با ضرب حجم آب و غلظت متوسط نیترات در لایه مقدار NO3-N در رواناب فقط برای لایه ۱۰ میلی متری خاک با استفاده از معادله زیر برآورد شده است :
مقدار NO3-N با رواناب سطحی از لایه بالای خاک کجا از بین می رود، کل آب از دست رفته از لایه است و میانگین غلظت NO3-N در لایه است. آبشویی و زیر سطحی جانبی وارد می شود. لایه های پایین تر خاک همانند لایه بالایی بدون در نظر گرفتن رواناب سطحی در اتلاف آب محاسبه می شود.
انتقال N آلی با رسوب برای حوادث رواناب فردی با استفاده از عملکرد بارگیری زیر که توسط McElroy و همکاران ایجاد شده است، برآورد می شود. (۱۹۷۶) و اصلاح شده توسط ویلیامز و هان (۱۹۷۸) :
که در اینجا اتلاف رواناب N آلی از یک منطقه (kg N/ha) است، Y از معادله ۱۰-۳، A اندازه سطح (ha)، CON غلظت نیتروژن آلی در لایه بالایی خاک است. ( از خاک g N/metric) و Re نسبت غنی سازی است که به عنوان نسبت غلظت نیتروژن آلی منتقل شده با رسوب به غلظت در لایه سطح خاک تعریف شده و برای هر رویداد طوفان به صورت زیر محاسبه می شود (منزل، ۱۹۸۰):
که در اینجا Cs غلظت رسوب در رواناب سطحی (رسوبات بر حسب میلی گرم بر مترمکعب آب) است که به ص
ورت زیر محاسبه می شود :
مکانیسم اصلی حرکت P در خاک، انتشار است. رواناب سطحی فقط تا حدی با P محلول ذخیره شده در ۱۰ میلی متر بالای خاک در تعامل است. مقدار فسفر محلول از دست رفته در رواناب سطحی، YSP (kg P/ha)، در SWAT به صورت زیر محاسبه می شود :
که در اینجا CSP غلظت P محلول در ۱۰ میلی متر بالای خاک (گرم بر میلی گرم) است و Kd ضریب تقسیم فسفر خاک بر حسب میلی گرم بر متر مکعب است که غلظت P در رسوب تقسیم بر آب است. P آلی و معدنی متصل به ذرات خاک با رسوب و ممکن است توسط رواناب سطحی منتقل شود. مقدار P منتقل شده با رسوب ، YPSed (kg P/ha) ، با عملکرد بارگذاری زیر برآورد می شود:
که در آن CPSed غلظت فسفر متصل به رسوب در خاک ۱۰ میلی متری بالایی است (g P/metric ton soil).
میشرا و همکاران (۲۰۱۰) مدلهای SWAT فوق را در حوضه آبریز بانها واقع در منطقه نیمه مرطوب نیمه گرمسیری شمال هند اعمال کردند. این حوضه آبریز کوچکی است که مساحتی بالغ بر ۱۶۹۵ هکتار را پوشش می دهد. حدود ۴۰ درصد آبریز زیر کشت (عمدتا برنج)، ۵۰ درصد زیر درختچه ها و جنگل ها و ۱۰ درصد زیر زمینهای بایر است. گاوداری و مرغداری های اختصاصی تقریباً ۲۰ هکتار را اشغال می کنند. کودها، فضولات حیوانی، بقایای گیاهی و جنگلی و پساب خانه های فردی منابع اصلی نیتروژن و فسفر هستند که به طور بالقوه می توانند آب های سطحی و زیرزمینی را آلوده کنند. هدف از این مطالعه شبیه سازی رواناب، انتقال رسوب، نیتروژن نیترات (NO3-N )، P محلول در آب ، N آلی و P آلی با استفاده از مدل های SWAT و برای ارزیابی از دست دادن این آلاینده های غیر نقطه ای به آبهای پایین دست. انتظار می رود نتایج در توسعه استراتژی های مدیریت حوضه برای کاهش تلفات به عنوان مواد مغذی و همچنین آلودگی منابع آب مورد استفاده قرار گیرد. این مطالعه مراحل زیر را انجام داد :
- سوابق روزانه دما ، بارش ، جریان و انتقال رسوب را از ۱۹۹۱ تا ۲۰۰۱ جمع آوری کنید.
- نظارت و اندازه گیری NO3-N و غلظت فسفر محلول در آب و همچنین بازده رسوب در خروجی حوضه در طول ماه های موسمی ۲۰۰۰ و ۲۰۰۱٫
- غلظت NO3-N مرتبط با رواناب و فسفر محلول در آب را اندازه گیری کنید با تجزیه و تحلیل یون و روشهای استاندارد
- دیجیتالی کردن خطوط و اجسام آب از نقشه های توپوگرافی.
- نمونه برداری از خاک در دوازده مکان در حوضه، اندازه گیری خواص فیزیکی و شیمیایی لایه های سطحی و زیرسطحی خاک (تا عمق ۱۰۰ سانتی متر) و تهیه نقشه خاک.
- تهیه نقشه کاربری/پوشش زمین از تصاویر ماهواره ای IRS-1D.
- از ArcGIS برای ساختن DEM از خطوط دیجیتالی و استخراج شیب، جنبه، شبکه زهکشی و لایه های مرزی زیر حوضه آبریز استفاده کنید.
- از ArcGIS برای تولید سایر ورودی‌های دادههای مکانی (DEM، خاک و کاربری / پوشش زمین، دادههای ورودی اصلی هستند) برای مدلهای SWAT استفاده کنید.
- مدلهای هیدرولوژیکی و فرسایش SWAT (یعنی برآورد مقادیر ثابتها و پارامترهای مختلف در مدلها) را با سری زمانی جریان روزانه جریان و رسوب دادههای جمع آوری شده در مرحله ۱، تنظیم کنید.
- پیاده سازی مدلهای بارگیری مواد مغذی SWAT با مدلهای هیدرولوژیکی و فرسایش کالیبره شده برای تخمین بارهای آلایندههای منبع غیر نقطه ای (NO3-N ، P محلول در آب ، N آلی و P آلی) طی فصل بارندگی با آب روان و آب نفوذی از حوضه آبریز منتقل می شود.
- نتایج مدل سازی را با داده های اندازه گیری غلظت مواد مغذی ۲۰۰۰ و ۲۰۰۱ که در مراحل ۲ و ۳ جمع آوری شده است، معتبر کنید.
شکل ۱۰-۲ و ۱۰-۳ غلظت P3 محلول در آب اندازه گیری شده و SWAT شبیه سازی شده در خروجی حوضه آبریز در سالهای ۲۰۰۰ و ۲۰۰۱ را نشان می دهد. نتایج نشان داد که بار آلاینده غیر نقطه ای در رواناب تغییر کرده است.
با الگوهای مختلف بارندگی فصلی در طول دوره مطالعه ۲۰۰۰ و ۲۰۰۱، حداکثر تلفات فصلی N از حوضه آبریز حدود ۱۴/۱۴۹۸۴ کیلوگرم بود، در حالی که بار P 50/85 کیلوگرم بود. بنابراین از دست دادن عمده N تهدیدی جدی برای کیفیت آبهای سطحی و زیرزمینی در حوضه آبریز است.
مدل ها در SWAT با پارامترهای ورودی مدل تولید شده از ArcGIS پیاده سازی شدند. این مدلها همچنین می توانند مستقیماً در GIS از طریق جبر نقشه نوشته و پیاده سازی شوند. چالش برانگیزترین بخش چنین مدل سازی، جمع آوری داده ها است. کالیبراسیون و اعتبارسنجی مدل نیاز به سوابق داده های طولی دارد. در بسیاری از موارد سوابق مناسب بلند مدت ممکن است در دسترس نباشد. علاوه بر این مدل هایی که در زمینه ای غیر مکانی توسعه یافته اند مانند مدل های بارگیری مواد مغذی، ممکن است به داده های ورودی مفصل نیاز داشته باشند که به عنوان داده های مکانی وجود ندارد. علاوه بر این اندازه گیری برخی از مقادیر پارامترها در مدلها مانند مواردی که در MUSLE برای یک حوضه آبریز بزرگ وجود دارد، دشوار است. در این شرایط اغلب از معیارهای جایگزین و داده های درون یابی استفاده می شود. مثلا می توان فرض کرد که غلظت متوسط آلاینده منبع غیر نقطه ای مستقیماً با کاربری زمین مرتبط است. بنابراین می توان بر اساس مطالعات میدانی قبلی و اطلاعات کاربری زمین برآورد کرد.
بدون دیدگاه