SUPERVISOR
Jahangir Abedi-Koupai,Mohammad Javad Zareian,Saeed Soltani Kopaei
جهانگیر عابدی کوپائی (استاد راهنما) محمد جواد زارعیان (استاد مشاور) سعید سلطانی کوپائی (استاد مشاور)
STUDENT
Sara Bazargani
سارا بازرگانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Application of MUSIC model for urban flood management (case study: Sepahan Shahr)
Urban growth in watershed basins has left many negative impacts on water resources throughout the world and has reduced permeability. Increasing the area of impermeable surfaces is influential on both runoff characteristics, quantity and quality. Several studies have shown that urban runoff contamination is comparable with sewage pollution. As a result, modern runoff management should simultaneously manage flood and pollution. In this research, source control methods are used to control quantitative and qualitative flood. Best Management Practices or BMPs are referred to as a set of structural and non-structural measures that are used to improve the quality and quantity of runoff. Three types of BMPs are discussed in this study. Bioretention systems, wetlands and Infiltration systems. Each of these BMPs has different requirements for installation, cost and reduction efficiency. The purpose of this research is to find the least costly combination of these three types of BMPs that can satisfy the EPA quality standards of surface water in Sepahan-Shahr area. The MUSIC model was used to obtain the ability of BMPs to remove the pollutants. This elimination was calculated as the percentage of removal of various pollutants by BMP and also the concentration of each pollutant at the outlet point. It is necessary to model the number of combinations from a BMP to be able to omit the collective of them. Considering that no quantitative and qualitative characteristics of the urban flood in the study area have been systematically recorded, design and selection of the best combinations of BMPs was undertaken based on three suggested concentrations in urban basins by the US Environmental Protection Agency (EPA). The LINGO model was used to find the optimal answer. The outputs of the quality model were entered as inputs to the LINGO optimizer and with the lifetime expense of each BMPs, the least costly combination was selected in each of the three scenarios mentioned. Sensitivity analysis was done on some variables, which may affect final results. The results show that when the amount of pollutants is at its lowest level, the construction of 3 biological systems with a total area of 600 square meters is the least costly option. Also, a combination of four biological systems and one infiltration system with a total area of 900 square meters is selected for the time when the pollutants have a moderate concentration. When pollutants have the highest observed concentration in urban areas, 10 biological systems with a total area of 2000 square meters are selected as the most optimal combination. The overall results showed that bioretention systems are the best method for treatment of water in the study area. This is due to the relatively low cost of bioretention systems compared to other BMPs and the high ability to remove pollutants. Also, the results of sensitivity analysis showed that changing the permeability and the quality standards affect the final results of modeling and the result of the model is sensitive to these parameters. But considering the renewal and decommissioning cost, life cycle change, as well as changing the inflation rate and interest do not affect the final results of the model. Key Words Urban runoff, BMP, Contaminant, Modelling, Bioretention system, MUSIC,LINGO, Life Cycle Cost.
رشد شهری در حوضههای آبریز، اثرات منفی بسیاری در منابع آب سراسر دنیا بر جای گذاشته است و باعث کاهش نفوذپذیری شدهاست. افزایش پوشش سطوح نفوذناپذیر بر هر دو ویژگی رواناب یعنی کمیت و کیفیت آن تأثیرگذار میباشد. مطالعات متعددی ثابت کردهاند که میزان آلودگی رواناب شهری با آلودگی فاضلاب قابل مقایسه است. در نتیجه، مدیریت مدرن رواناب باید به طور همزمان به کنترل سیلاب وکنترل آلودگی بپردازد. بهترین راهکارهای مدیریتی یا BMP به مجموعهای از اقدامات سازهای و غیر سازهای گفته میشود که بهمنظور بهبود کیفیت و کمیت رواناب بکار گرفته میشود. سه نوع از انواع BMP در این تحقیق مورد بحث قرار گرفتهاند: سیستم ماند بیولوژیکی، تالاب و سیستم نفوذ. هر کدام از این BMP ها ملزومات نصب، هزینه و بازدهی حذف متفاوتی دارند. هدف این تحقیق یافتن کمهزینهترین ترکیب این سه نوع BMP است که بتواند استانداردهای کیفی آبهای سطحی EPA را در منطقه سپاهانشهر ارضا کنند. مدل MUSIC برای به دست آوردن توانایی BMP ها در حذف آلایندهها به کار گرفته شد. این حذف به صورت درصد حذف آلایندههای مختلف توسطBMP ها و همچنین غلظت هر یک از آلایندهها در نقطه خروجی محاسبه شد. لازم است تعداد ترکیبهای مختلف از یک BMP مورد مدلسازی قرار گیرد تا توان حذف مجموعهای از BMP ها به دست آید. برای مدلسازی کیفی برخی مشخصات خاک، آبهای زیرزمینی و رواناب منطقه مورد مطالعه مورد نیاز است. با توجه به اینکه هیچگونه اندازه گیری و ثبت مشخصات کیفی سیلاب شهری در منطقه مورد مطالعه به طور مدون انجام نگرفته، طراحی و انتخاب بهترین ترکیب BMP ها بر اساس سه مقدار غلظت پیشنهاد شده در حوضههای شهری توسط سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا انجام گرفت. برای یافتن جواب بهینه از مدل LINGO استفاده شد. خروجیهای مدل کیفی به عنوان ورودی به بهینهساز LINGO داده شده و با کمک هزینه دوره عمر هر یک از BMP ها کمهزینهترین ترکیب در هر یک از سه سناریوی ذکرشده انتخاب شد. همچنین تحلیل حساسیت بر روی برخی از متغیرها که ممکن است تغییر آنها بر نتایج نهایی مدل تاثیرگذار باشد انجام گرفت. نتایج نشان میدهد زمانی که مقدار آلایندهها در پایینترین حد خود قرار دارد، احداث سه سیستم ماند بیولوژیکی با مجموعه مساحت 600 متر مربع، کمهزینهترین گزینه میباشد. همچنین ترکیب چهار سیستم ماند بیولوژیکی و یک سیستم نفوذ با مجموع مساحت 900 متر مربع برای زمانی که آلایندهها دارای غلظت متوسط باشند، انتخاب میشود. برای حالتی که آلایندهها بیشترین حد غلظت مشاهده شده در مناطق شهری را دارا باشند، ده سیستم ماند بیولوژیکی با مجموعه مساحت 2000 متر مربع به عنوان بهینهترین ترکیب انتخاب میشود. نتایج کلی نشان داد که سیستمهای ماند بیولوژیکی بهترین روش برای تصفیه آب در منطقه مطالعاتی میباشند. این امر به علت هزینه نسبتا کم سیستمهای ماند بیولوژیکی نسبت به BMP های دیگر و توانایی زیاد در حذف آلایندهها میباشد. همچنین نتایج آنالیز حساسیت نشان داد که تغییر درصد نفوذ پذیری و تغییر استانداردهای کیفی بر نتایج نهایی مدلسازی تاثیرگذار بوده و نتیجه مدل نسبت به این پارامترها حساس میباشد. ولی در نظر گرفتن هزینه بازسازی و تخریب، تغییر طول عمر و همچنین تغییر نرخ تورم و بهره بر نتایج نهایی مدل تاثیر گذار نیستند. کلمات کلیدی : رواناب شهری، BMP، آلاینده، مدلسازی، سیستم ماند بیولوژیکی، MUSIC، LINGO، هزینه دوره عمر.