هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

بررسی روند تغییرات آلودگی نفتی در رودخانه کرج با استفاده از مدل‌سازی عددی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران.
2 گروه مهندسی محیط زیست، واحدعلوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 گروه فیزیک، دانشکده علوم و فناوری های همگرا، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
4 سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی (AREEO)، مؤسسه تحقیقات حفاظت خاک و آب‌خیزداری، تهران، ایران.
چکیده
آلودگی نفتی آب‌های سطحی و رودخانه‌ها،از مهمترین چالش‌های محیط زیستی بوده و اثرات مخربی بر اکوسیستم و کیفیت آب داردرودخانه کرج از منابع تامین آب شرب کرج و تهران، طی سال‌های اخیر شاهد چندین رخداد نشت گازوئیل بوده است در تحقیق حاضرروند تغییرات مکانی/ زمانی آلودگی نفتی ناشی ازگازوئیل،درسه‌کیلومتری رودخانه کرج(سروداران ـ بیلقان)با استفاده از مدل‌سازی عددی یک‌بعدی در نرم افزار MIKE 11مورد بررسی قرار گرفتشبیه‌سازی جریان بر پایه حل معادلات پیوستگی و مومنتوم و شبیه‌سازی رفتار آلاینده بر اساس معادله انتقال–پخش یک‌بعدی وحل عددی معادلات حاکم با بهره‌گیری از روش تفاضلهای محدود و الگوی ضمنی Abbott–Ionescu صورت گرفت.دو سناریوی عددی شامل نشت آنی و نشت پیوسته گازوئیل با حجم ثابت شبیه‌سازی شد.نتایج نشان داد در سناریوی نشت آنیتغییرات غلظت در زمان رفتار شوک‌مانند داشته و غلظت آلاینده در حدود 10ثانیه پس از وقوع نشت به مقدار بیشینه Cmax=29.5mg/L می‌رسد و سپس تحت تأثیر فرآیندهای انتقال و زوال با ضریب عددی k=0.0003 کاهش یافته و پس از حدود 1/5 دقیقه به مقدار 12.6mg/Lدر پایین‌دست بازه مورد مطالعه می‌رسددر مقابل،در سناریوی نشت پیوسته، به‌دلیل توزیع زمانی یکنواخت‌تر آلاینده وهم‌زمانی با سرعت جریان متوسط U=3.3m/s،غلظت آلاینده سریع‌تر به شرایط شبه‌پایدار رسیده و مقدار آن در پایین‌دست به حدود 0.27mg/L کاهش می‌یابدبراساس تحلیل‌های عددی،مدل MIKE 11 با سطح انطباق  R^2 = 0.88 توانسته رفتار واقعی آلاینده را با اختلاف کمتر از ۲۵٪ پیش‌بینی نمایدونتایج بیانگر آن است که مدل‌سازی عددی می‌تواند ابزاری قابل اتکا برای تحلیل ریسک،پایش کیفی و طراحی سامانه‌های مدیریت بحران نشت آلودگی نفتی در رودخانه‌های تأمین‌کننده آب شرب ایران باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of Oil Pollution Trends in the Karaj River Using Numerical Modeling

نویسندگان English

Mohsen Asadi 1
Amir Hossein Javid 2
Sara Allahyari Beik 3
Mir Masoud Kheirkhah Zarkesh 4
1 Department of Environmental Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Department of Physics, Faculty of Convergent Sciences and Technologies SR.C, Islamic Azad University ,Tehran, Iran..
4 Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran.
چکیده English

Oil pollution in surface waters and rivers is one of the most critical environmental challenges, with severe impacts on aquatic ecosystems and water quality. The Karaj River, as a major drinking water source for the city of Karaj and parts of Tehran, has experienced several diesel spill incidents in recent years. In this study, the spatial and temporal evolution of diesel‑induced oil pollution along a 3‑km reach of the Karaj River (Saroudaran–Bilqan section) is investigated using one‑dimensional numerical modeling in the MIKE 11 software. Flow is simulated by solving the continuity and momentum equations, while pollutant transport is modeled using the one‑dimensional advection–dispersion equation. The governing equations are solved numerically with the finite‑difference method and the implicit Abbott–Ionescu scheme. Two numerical scenarios are considered: an instantaneous diesel spill and a continuous spill with constant volume. In the instantaneous spill scenario, concentration changes exhibit a shock‑like behavior, with the pollutant concentration reaching a peak value of 29.5 mg/L about 10 seconds after the spill. Subsequently, under the combined effects of advection and decay (k = 0.0003 s⁻¹), the concentration decreases and reaches 12.6 mg/L at the downstream end of the study reach after approximately 1.5 minutes. In the continuous spill scenario, the upstream concentration is 0.2 mg/L; due to its more uniform temporal distribution and consistency with the mean flow velocity (U ≈ 3.3 m/s), the concentration approaches a quasi‑steady state more rapidly, attaining about 3.1 mg/L at the downstream boundary. Model evaluation shows that MIKE 11 achieves a good level of agreement with observations (R² = 0.88), predicting pollutant behavior with a relative error of less than 25%. These results indicate that numerical modeling is a reliable tool for risk assessment, water quality monitoring, and the design of emergency management systems for oil spill events in drinking‑water supply rivers in Iran.

کلیدواژه‌ها English

Karaj River
Oil pollution
Pollutant transport
Diesel spill
Numerical modeling
MIKE 11
[1]Ahn JM, Kwon HG, Yang DS, Kim YS. Assessing environmental flows of coordinated operation of dams and weirs in the Geum River basin under climate change scenarios. Science of The Total Environment. 2018; 643: 912–25. 
[2] Effendi H, Mursalin M,   Hariyadi S. Rapid Water Quality Assessment as a Quick Response of Oil Spill Incident in Coastal Area of Karawang. Indonesia.Frontiers in Environmental Science.2022; 10: 757412.
[3] Camp JV, Abkowitz MD, Le Boeuf  EJ. Inland waterway resource and spill management needs in Southeastern USA. Disaster Prevention and Management.2010;19(4): 483–97.
[4]Iouzzi N, Ben Meftah M, Haffane M, Mouakkir L, Chagdali M,   Mossa M. Modeling of the Fate and Behaviors of an Oil Spill in the Azemmour River Estuary in Morocco. Water.2023; 15(9): 1776. https://doi.org/10.3390/w15091776
[5] Fingas M. Standard Handbook of Oil Spill Environmental Forensics. Elsevier. Oxford. UK.2017.
 [6] Cui F,  Geng X, Robinson B, King T, Lee K,  Boufadel M C. Oil Droplet Dispersion under a Deep-Water Plunging Breaker: Experimental Measurement and Numerical Modeling.  Journal of Marine Science and Engineering.2020; 8(4): 230. https://doi.org/10.3390/jmse8040230
[7] Kvočka D, Žagar D,   Banovec P. A review of river‑oil‑spill modeling. Water.2021; 13(12): 1620.
[8] Wylie EB. Unsteady Free-Surface Flow Computations. Journal of the Hydraulics Division. 1970; 96(11).
 [9] Sajikumar N,   Thandaveswara BS. A non-linear rainfall–runoff model using an artificial neural network. Journal of Hydrology.1999; 216(1-2): 32–50.
[10] Abbott MB, Ionescu F. On The Numerical Computation of Nearly Horizontal Flows. Journal of Hydraulic Research.1976; 5(2): 97-117. https://doi.org/10.1080/00221686709500195
[11] He F, Ma J, Lai Q, Shui J, Li W. Environmental Impact Assessment of a Wharf Oil Spill Emergency on a River Water Source.Water.2023; 15(2): 346. https://doi.org/10.3390/w15020346
[12]Patimah AS, Prasetya A,  Santosa SH. Environmental assessment of river water quality near oil and gas fields. Global Journal of Environmental Science and Management(GJESM).2023; 9(2): 275–86. https://doi.org/10.22034/gjesm.2023.02.07
[13] بهروز باقر، دلبری ابوالفضل، فیاض محمدی محمد. مدلسازی انتشار آلودگی نفتی در مکان های مختلف رودخانه اروندرود- ایران. پژوهش های محیط زیست. 1400؛ 12(23): 185-198.
Dor: 20.1001.1.20089597.1400.12.23.15.5
[14] رحیمی معظم پور صغری، نبوی سید محمد باقر، محمدی روزبهانی مریم، خدادادی مژگان، سبزعلیپور سیما. پهنه بندی و انتشار هیدروکربن های نفتی (TPHs) و فلزات سنگین در رسوبات سطحی رودخانه اروند. نشریه علمی اکوبیولوژی تالاب. 1400؛ 13(50): 69- 86.
[15] حمیدی کبری، چراغی میترا، الماسیه  کامران. ارزیابی مقایسه ای وضعیت رودخانه کارون براساس شاخص های کیفیت آب و آلودگی (مطالعه موردی: شهرستان باوی). فصلنامه علوم و مهندسی آبیاری. 1403؛47(3): 107-121.
doi: 10.22055/jise.2024.46748.2125
 [16] مروج مجتبی، کریمی راد ایمان، ابراهیمی کیومرث. ارزیابی وضعیت کیفی رودخانۀکارون براساس شاخص کیفیت آب و استفاده از GIS. اکوهیدرولوژی. 1396؛ 4(1): 225- 235.
[17] صادقی سید حمیدرضا، کیانی هرچگانی محبوبه، سعیدی پری. تغییرات زمانی و مکانی ارتباط غلظت رسوبات معلق با برخی آلاینده های رودخانه زاینده رود. مهندسی منابع آب. 1394؛8: 97-107.
[18]Chapra SC.Surface Water-Quality Modeling.Waveland Press, Illinois, USA. 2008.
]19 [شرکت مدیریت منابع آب تهران. مطالعات هیدرولوژی حوزه آبریز رودخانه کرج.  شرکت مهندسی مشاور جاماب.1401.
[20] Chanson H. Hydraulics of open‑channel flow. Elsevier.2004.
[21] French RH. Open-Channel Hydraulics. Mc Graw-Hill Book Company; 1986. p. 705.
[22]DHI.MIKE 11 – A Modelling System for Rivers and Channels: User Guide.Danish Hydraulic Institute, Denmark. 2017.

  • تاریخ دریافت 21 بهمن 1404
  • تاریخ بازنگری 22 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 12 فروردین 1405