مدل ریاضی شبیه سازی انتقال و پخش آلودگی در مجاری روباز
چکیده
یکی از مسائل مهم در مهندسی منابع آب، بررسی مکانیزم انتقال و پخش آلودگی در آب های سطحی است. در چند دهه اخیر روش های مختلفی بر اساس مشاهدات میدانی، مدل های آزمایشگاهی، روشهای تحلیلی و مجموعه وسیعی از مدل های عددی، در جهت توصیف و پیش بینی حرکت آلودگی در منابع آب های سطحی توسعه یافته اند. مدل های ریاضی با کاهش زمان و هزینه های که صرف کار-های آزمایشگاهی می شود و همچنین قابلیت تکرار پذیری بالا، این امکان را فراهم کرده که بسیاری از پدیده های هیدرولیکی نظیر انتقال و پخش آلودگی شبیه سازی شوند. در این پژوهش ابتدا یک مدل ریاضی جهت روندیابی جریان در رودخانه تهیه شد، که درآن معادلات سنت- ونانت برای جریان در حالت غیر ماندگار حل می گردند. سپس با استفاده از حل معادله یک بعدی انتقال و پخش به روش-های عددی: forward time central space scheme(ftcs)، central scheme ،power-law scheme وquick scheme، مقدار غلظت ماده آلوده کننده در بازه های مکانی و زمانی شبیه سازی گردید. مدل-سازی برای سه حالت، جریان یکنواخت و مقطع منشوری، جریان غیر یکنواخت و مقطع منشوری و سیستم رودخانه ای با مقاطع نامنظم اجرا گردید. برای صحت سنجی مدل در حالت پخش آنی و پیوسته در حالت دائم از حل تحلیلی استفاده شد، نتایج نشان داد که روش quick در دو حالت نتایج بهتری می دهد و روش ftcs کمترین دقت را دارد. برای مدل سازی پخش و انتقال در جریان ماندگار از داده های اندازه گیری ماده ردیاب سدیم کلرید بصورت پخش آنی در یک کانال استفاده شد. تاثیر ابعاد شبکه در تخمین بهینه غلظت ردیاب نشان داد که بیشتر روش ها به تغییر گام زمانی حساسیت نشان می دهند و این حساسیت در روش ftcs بیشتر است. بعد از صحت سنجی و ارزیابی روش های منفصل سازی روش quick بعنوان مدل بهینه برای بررسی شبیه سازی جریان در حالت غیر ماندگار و رودخانه ای انتخاب گردید. در مدل سازی جریان غیر ماندگار نیز از یک سیل فرضی استفاده گردید. نتایج نشان داد هنگامی که هیدروگراف سیل به محل تزریق می رسد با افزایش دبی جریان چون جرم تزریق آلاینده ثابت و به همان نسبت مقدار غلظت نهایی اختلاط کم می شود. برای بررسی امکان شبیه سازی انتقال و پخش آلودگی در سیستم رودخانه، از داده های مطالعه میدانی که توسط اسمیت و پاتر (1998) بر روی فرآیند پخش و انتقال به صورت دو بعدی در پلان بر روی رودخانه آتاباسکا در کانادا انجام شده، استفاده گردید و با مدل های mike11 و sms مقایسه گردید. در مدل هیدرودینامیک نتایج شبیه سازی دارای دقت مناسب بهتر از دو مدل فوق ذکر می باشد. مقایسه نتایج مدل حاصل از ورود آنی ماده ردیاب نشان داد غلظت پیش بینی شده توسط مدل، مشابه نرم افزار mike11 است. اما مدل sms که در آن پخش عرضی در نظر گرفته می شود شکل منحنی با داده های اندازه گیری مشابهت بیشتری دارد.