Development of Water Quality Management Model for Wadi Al Rumah in Qassim Region, Saudi Arabia
No Thumbnail Available
Date
2023-02-06
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Saudi Digital Library
Abstract
تجري الأنهار غير الدائمة في المناطق القاحلة جريانا سطحيا خلال فترة المطر، وتستقبل مياه الصرف الصحي من المناطق الحضرية طوال العام. وتشكل مياه الصرف الصحي بركة في الفترة الجافة، وتكون تلك البركة أكثر امتدادًا في فترة المطر؛ تحتاج مثل تلك الأنهار إلى تطوير نموذجًا لإدارة الاستخدام المتعدد لتلك المياه خلال فترات الجفاف والمطر، وتحتاج محطات مياه الصرف الصحي إلى تبني تحسين الأداء المستمر (CPI) من أجل الاستدامة على المدى الطويل.
لذا طوّر البحث نموذجاً متكاملاً لإدارة جودة المياه للحالات االخاصة للأنهار الجافة في المناطق القاحلة، والتي تحتوي على الجريان السطحي خلال فترة المطر وتصريف مياه الصرف الصحي على مدار العام، وتم تطبيقه على وادي الرمة -كنهر جاف - في منطقة القصيم، في المملكة العربية السعودية، وتم تحديد الحوض الفرعي للوادي من دقة مكانية 30 × 30 متر من نموذج الارتفاع الرقمي DEM، وتم ايجاد معدلات الفواقد الهيدرولوجية والجريان السطحي باستخدام طرق منحنى الرقم لهيئة حفظ التربة SCS (CN) ووحدة الهيدروغرافيا SCS (UH) على التوالي، وبالنسبة لوقت جريان المياه تم استخدام معادلة كربشKirpich ، وقدّر برنامج المحاكاة الهيدرولوجي HEC-HMS تدفقات الجريان السطحي لعشر مرات هطول أمطار من منخفضة إلى متوسطة. وقدّر النموذج الهيدروديناميكي ثابت الحالة -بما يحتوي من تدفقات الوادي، وتدفقات مياه الصرف الصحي، وفواقد التبخر والتسرب- وقت الاحتفاظ الهيدروليكي للأحواض للحالة الصريحة لظروف برك الأنهار الجافة. ثم عرض البحث عمل توازن الكتلة و الخواص الحركية للتفاعل من الدرجة الأولى بنمذجة العناصر الفيزيائية (TDS، TSS) والكيميائية (BOD، DO، COD، NH3، PO4، (Cl2، والميكروبيولوجية (TC، FC). وتمت معايرة النموذج الهيدروديناميكي ومعاملات معدل الحركة الحيوية مع صور الأقمار الصناعية والمؤلفات المنشورة والقياسات الميدانية. تمت مقارنة النتائج بمعايير جودة المياه للاستخدامات المفيدة المختلفة وتقييمها باستخدام مؤشر جودة المياه الكندي. إن ملاءمة مياه الوادي لهذه الاستخدامات نتج عنها جودة مياه (جيدة جدًا) للري المقيد وغير المقيد، و (معتدلة) - أي: مطابقة لأغلب المعايير، وقد تفتقر لبعض المعايير- لشرب الماشية، و(هامشية) – أي: تفتقد لأغلب المعايير- لعيش الأسماك والترفيه خلال فترة الجفاف، بينما ظلت جودة المياه (هامشية) – أي: تفتقد لأغلب المعايير- لجميع الاستخدامات خلال الفترة الممطرة. وعلى هذا فإن إدارة جودة مياه الوادي تتطلب مراقبة منتظمة لجودة المياه، والتحسين المستمر لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي، وإدارة التعامل مع الفيضان من أجل الاستدامة طويلة الأجل للأنهار الجافة في المناطق القاحلة.
كما أن البحث الحالي اقترح إطارًا لتحسين الأداء المستمر (CPI) لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي التي تقوم بتصريف مياها في وادي الرمة، مستنندا إلى عملية قياس الأداء من أجل التحسين التدريجي. وقد تم وضع مؤشر رمادي لنوعية جودة المياه (GWQI) على أساس احتمالية التجاوز، وبالنسبة لتقدير الأوزان لأحدعشر عنصراً فيزيائياً وكيميائياً وبيولوجياً لجودة المياه، تم استخدام طريقة الإنتروبيا (entropy) بشكل فعال لتقدير التغيرات في الأهمية النسبية للعناصر لتطبيقات إعادة استخدام المياه المعالجة. وبالنسبة للسيناريوهات الموجودة حاليا في إعادة استخدام مياه الصرف المعالجة للري المقيد وغير المقيد، وجد أن قيم المؤشر الرمادي لنوعية جودة المياه تتفق مع النسخة المعدلة من المؤشر الكندي لنوعية جودة المياة (CWQI)، وأظهرت قيم المؤشرات (التي تصميمها يتراوح بين 0 و100) كفاءة تشغيل أكبر من 80 للأربع المحطات المعالجة لمياه الصرف الصحي في منطقة القصيم. وقد أظهر السيناريوهان الافتراضيان لمؤشر تحسين الأداء المستمر لتطبيقات إعادة الاستخدام في المستقبل (صلاحية المياه لعيش الأسماك وشرب الماشية والترفيه) انخفاضًا عامًا للأربع المحطات في متوسط قيم المؤشر الرمادي لنوعية جودة المياه GWQI (97 إلى 78)، والمؤشرالكندي لنوعية جودة المياه CWQI ( 85 إلى 60). وبالنسبة للسيناريوهات الحالية، تقترح نتائج التقييم للمحطات إلى مراقبة ورصد ممارسة الكلورة، وبالنسبة للأهداف المستقبلية، ينبغي تعزيز المعالجة الثلاثية بالنسبة للعناصر المغذية ولإزالة المواد الصلبة الذائبة الكلية. لذلك فإن إطار تحسين الأداء المستمر يوفر برنامجاً لبدء عملية قياس الأداء لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي على المستويين المحلي في المملكة العربية السعودية أو الإقليمي وغيرها.
Description
The non-perennial rivers in arid regions hold surface runoff during the wet (rainy) period and receive wastewater discharges from urban areas throughout the year. Wastewater discharge forms a pond in the dry period, and surface runoff shapes a more extended pond in the wet period. Therefore, in arid regions, such rivers need to develop a water quality management model for water quality assessment during dry and wet periods and wastewater treatment (WWT) facilities need to adopt continuous performance improvement (CPI) for long-term sustainability.
An integrated water quality management model was developed for the specific situations of the dry rivers in arid regions, which hold surface runoff during the wet period and wastewater discharges throughout the year, and applied to Wadi Rumah in Qassim Region of Saudi Arabia. The sub-basin of the study area was delineated from 30 m×30 m spatial resolution DEM. Hydrologic loss and runoff rates were determined using the Soil Conservation Service (SCS) curve number (CN) and SCS unit hydrograph (UH) methods, respectively, and the time of concentration using Kirpich formula. HEC-HMS software estimated the wet weather flows for ten low to medium rainfall events. A steady-state hydrodynamic model including, river flows, effluent discharge, and evaporation and infiltration losses estimated the hydraulic retention time for the explicit case of ponding conditions of dry rivers. Mass balance and first-order kinetics modeled the physical (TDS and TSS), chemical (BOD, DO, COD, NH3-N, NO3-N, PO4, and Cl2), and microbiological (TC and FC) parameters. The hydrodynamic model and bio-kinetic rate coefficients were calibrated with the satellite images, reported literature, and field measurements. The results were compared against the water quality standards for different beneficial uses and assessed using the Canadian water quality index. The suitability of wadi water for these uses yielded ‘very good’ water quality for restricted and unrestricted irrigation, ‘fair’ for livestock drinking, and ‘marginal’ for fishery and recreation for the dry period, while water quality remained ‘marginal’ for all the uses in the wet period. Water quality management implies regular water quality monitoring, continuous improvement of treatment facilities, and flood plain management initiatives for the long-term sustainability of dry rivers in arid regions.
The present research further has developed a CPI framework based on a performance benchmarking process for the stepwise improvement of WWT facilities discharging effluents into wadi Rumah. A grey rational analysis water quality index (GWQI) based on exceedance probability was developed. For weights’ estimation of 11 physical, chemical, and biological water quality parameters, the entropy method effectively accommodated the changes in relative importance of the parameters with including additional future reuse applications. For existing effluent reuse scenarios of restricted and unrestricted irrigation, the GWQI values were found consistent with the modified version of the Canadian WQI (CWQI). The indices’ values (ranged between 0 and 100) greater than 80 showed the efficient operation of four WWT plants. Two hypothetical CPI scenarios with future reuse applications (fishery, livestock drinking, and recreation) showed an overall decline in the average (of four plants) values of the GWQI (97 to 78) and CWQI (85 to 60). For existing scenarios, the assessment results suggest the facilities to control and monitor the chlorination practice. For future targets, tertiary treatment needs to be enhanced for desired nutrients and total dissolved solids removal. The proposed CPI framework provides a platform to initiate the performance benchmarking process for WWT facilities at local or regional levels in Saudi Arabia and elsewhere.
Keywords
Arid regions, water quality management, dry rivers, HEC-HMS, WQI, continuous performance improvement, wastewater treatment (WWT) facilities
Citation
Mohammed Al-Hetari. (2023). Development of Water Quality Management Model for Wadi Al Rumah in Qassim Region, Saudi Arabia. Qassim University, Saudi Arabia.