بررسی اثرات کنترل منابع آلاینده نقطه‎ ای بر کیفیت منابع آب حوضه آبریز مبتنی بر مدل هیدرولوژیکی و کیفیت آب SWAT؛ مطالعه موردی: حوضه سیمره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

2 دانشیار گروه آب و محیط زیست، دانشکده عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

چکیده

فراوانی بارهای فسفر، نیتروژن و رسوبات در سطح حوضه‌های آبریز متأثر از مراکز آلاینده نقطه‌ای و غیرنقطه‌ای و ناشی از فعالیت‌های کشاورزی، دامپروری، توسعه صنعت و غیره، تهدیدهای فزاینده‌ای را متوجه منابع آب‌های سطحی در کشور نموده است. در این کار تحقیقاتی مدل‌سازی شرایط هیدرولوژیکی، رسوب و مواد مغذی در منابع آب حوضه آبریز سیمره در مقیاس گسترده مکانی و زمانی در مدل SWAT، توسعه یافته و سپس واسنجی و اعتبارسنجی شده است. عملکرد مدل در شبیه‌‎سازی دبی جریان، رسوب و مواد مغذی در ایستگاه‌های مختلف آب‌سنجی، رسوب‌سنجی و کیفیت منابع آب با استفاده از شاخصه‎‌های آماری R2 (ضریب همبستگی) و NS (نش-ساتکلیف) مورد ارزیابی قرار گرفته است. واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT با استفاده از مدل SWAT-CUP و تکنیک SUFI2 انجام پذیرفته است. ضریب NS در کلیه ایستگاه‌های هیدرومتری برای دبی، رسوب، نیتروژن کل و فسفر کل به ترتیب بیش از 0/51، 0/53، 0/52 و 0/47 و ضریب R2 بیش از 0/59 ، 0/61،  0/6 و 0/67 برای دوره واسنجی بوده است. بر اساس نتایج حاصل، حذف کامل بار فسفر پنج واحد آلاینده نقطه‌ای مهم سبب کاهش متوسط غلظت فسفر خروجی از حوضه از 1/34 میلی‌گرم در لیتر به 1/14 میلی‌گرم در لیتر خواهد شد. همچنین، فاضلاب شهری کرمانشاه نقش به مراتب حائز اهمیتی در میان منابع آلاینده نقطه‌ای در تخریب کیفیت آب حوضه دارد. بارهای آلاینده غیرنقطه‌ای (کشاورزی و دامپروری) و فرسایش خاک نیز، نقش قابل توجهی در زوال کیفیت منابع آب حوضه در مقایسه با واحدهای آلاینده نقطه‌ای دارند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Studying the Effects of Point Source Pollution on Water Quality in River-basin Scale based on Hydrological and Water Quality Model, SWAT; Seymareh River-Basin as a Case Study

نویسندگان [English]

  • Tayebeh Ganjaee 1
  • Motahareh Saadatpour 2
1 M.Sc. in Water Resources Management and Engineering, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

The abundance of phosphorus, nitrogen and sediment loads in the watershed affected by point and non-point pollution sources due to agricultural activities, animal breeding, urban and industrial development have led to increasing threats to surface water resources in the country. In this research, the spatiotemporal hydrological, sediment and nutrients modelling of water resources has been developed in SWAT environment for the Seymareh River-basin. The SWAT model performances in simulating the flow rate, sediment, and nutrients in different hydrometric and water quality monitoring stations have been evaluated using statistical indicators R2 (correlation coefficient) and NS (Nash-Sutcliffe). The SWAT model calibration and validation was accomplished by SWAT-CUP tool and SUFI2 technique. According to SWAT model results, the NS coefficients in various hydrometric/monitoring stations for calibration stage are more than 0.51, 0.53, 0.52, and 0.47 respectively for flow rate, sediment, total nitrogen (TN), and total phosphorus (TP). The results demonstrated that the complete removal of the phosphorus loads in 5 important point contaminant sources will reduce the average phosphorus concentration from 1.34 mg/L to 1.14 mg/L in the monitoring point (river basin outlet). Furthermore, the effects of Kermanshah City sewage on water quality degradations in the Seymareh control point are dominant in comparison to other pollution point sources. Non-point pollution sources (agriculture drainage, animal breeding, and soil erosions) have significant contribution in water quality deteriorations in the Seymareh River-basin compared to point sources

کلیدواژه‌ها [English]

  • Point and Non-point Pollutants
  • Water Quantity and Quality Modelling
  • SWAT
  • SWAT-CUP
Abbaspour KC, Rouholahnejad E, Vaghefi S, Srinivasan R, Yang H and Kløve B (2015) A continental-scale hydrology and water quality model for Europe: Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model. Journal of Hydrology, Elsevier B.V., 524:733–752
Addab H and Bailey RT (2022) Simulating the effect of subsurface tile drainage on watershed salinity using SWAT. Agricultural Water Management 262:107431
Arnold JG, Srinivasan R, Muttiah RS, Williams JR. Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development 1. Journal of the American Water Resources Association. 1998 Feb; 34(1):73-89.
Ashrafi S, Pourmighim P, Behboudian M, and Motlaghzadeh K (2022) Evaluating and improving the sustainability of ecosystem services in river basins under climate change. Science of The Total Environment 806:150702
Castillo CR, Güneralp I, and Güneralp B (2014) Influence of changes in developed land and precipitation on hydrology of a coastal Texas watershed. Applied Geography 47(4):154–167
Duan Z, Song X, and Liu J (2009) Application of SWAT for sediment yield estimation in a mountainous agricultural basin. Proceedings of 17th International Conference on Geoinformatics
IRDoE (IRAN Department of Environmental) (2009) Final report of Karkheh River pollution prevention, control and reduction plan. (In Persian)
Goodwin SA (2011) Excess nutrients and cultural eutrophication of the Cache La Poudre River : A Study of the Occurrence and Transport of Phosphorus. MSc Thesis, Colorado State University, Colorado, USA
Hanief A and Laursen AE (2017) SWAT modeling of hydrology, sediment and nutrients from the grand river, Ontario. Water Quality Research Journal 52(4):243–257
Himanshu SK, Pandey A, and Shrestha P (2017) Application of SWAT in an Indian river basin for modeling runoff, sediment and water balance. Environmental Earth Sciences 76(3):1-18
IWRMC (Iran Water Resources Management Company) (2003) Geological report of Seymareh Dam reservoir. (In Persian)
Meshesha TW, Wang J, Melaku ND, and McClain CN (2021) Modelling groundwater quality of the Athabasca River Basin in the subarctic region using a modified SWAT model. Scientific Reports 11
Molina-Navarro E, Trolle D, Martínez-Pérez S, Sastre-Merlín A, and Jeppesen E (2014) Hydrological and water quality impact assessment of a Mediterranean limno-reservoir under climate change and land use management scenarios. Journal of Hydrology 509:354–366
Nazari-Sharabian M, Taheriyoun M, Ahmad S, Karakouzian M, and Ahmadi A (2019) Water quality modeling of Mahabad Dam watershed-reservoir system under climate change conditions, using SWAT and system dynamics. Water 11(2):394
Olaoye IA, Confesor RB, and Ortiz JD (2021) Impact of seasonal variation in climate on water quality of Old Woman Creek Watershed Ohio using SWAT. Climate 9(3):50
Ouyang W, Skidmore AK, Toxopeus AG, and Hao F (2010) Long-term vegetation landscape pattern with non-point source nutrient pollution in upper stream of Yellow River basin. Journal of Hydrology 389(3-4):373-380
Raja O, Parsinejad M, Tajrishi M (2022) Multipurpose calibration of SWAT model in estimating runoff, evapotranspiration, and crop yield (A case study: Mahabad Plain). Iran-Water Resources Research 17(4):11-34(In Persian)
Salimirad H, Dehvari A, Galavi H, Ebrahimian M (2020) Identification and uncertainty analysis of sensitive parameter of SWAT model in Kardeh streamflow simulation. Iran-Water Resources Research (In Persian) 16(3):212-221
Spruill CA, Workman SR, and Taraba JL (2000) Simulation of daily and monthly stream discharge from small watersheds using the SWAT model, Biosystems and Agricultural Engineering Faculty Publications.43(6):1431-1439
Wu Y and Chen J (2013) Investigating the effects of point source and nonpoint source pollution on the water quality of the East River (Dongjiang) in South China. Ecological Indicators 32:294–304