Investigating the Impacts of Urban Elements and Changes in Urban Land Use on the Water Quality of Runoff (Case Study: Tehran Metropolitan)

Document Type : *

Authors

• Sadegh Partani ¹
• Asiye Noruzi Kohne Quchan ²
• Roohollah Noori ³
• Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes ⁴

¹ Civil Eng. Dep., Faculty of Engineering, University of Bojnord, Iran

² Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Islamic Azad University of Mashhad, Iran

³ School of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran

⁴ Hydraulic and Sanitation Department, Federal University of Parana, Curitiba, Brazil

https://doi.org/10.22067/jgusd.2022.75116.1169

Abstract

One of the most important factors in the pollution of surface and groundwater resources is urban stormwater runoff. The aim of this research was to establish a practical relationship for estimating the quality of urban stormwater runoff across various land uses in cities. This study was conducted using a combined field and numerical research method. Three study paths were selected, consisting of areas with different urban land uses in Tehran city, and sampling points were determined according to maps and urban drainage structures. After 10 minutes of rainfall, runoff sampling was carried out at designated points, and the samples were transferred to the laboratory for measuring water quality parameters, including total suspended solids, total dissolved solids, chemical and biochemical oxygen demand, nitrate, and lead. Parameters such as acidity, temperature, dissolved oxygen, specific conductivity, and salt were determined on-site using measurement tools. The results indicated a significant relationship between land use and water quality variables (29% proportional increase). According to the results of this research, green spaces were found to be the primary influential factor in increasing the values of TDS, DO, EC, and salinity, with their values being nearly twice as high as other land uses. The highest impact, equivalent to 51%, for the water quality variables TSS, NO3, BOD5, COD, and Pb, was attributed to the percentage of administrative land use, and stormwater from areas with administrative land use had the highest chemical pollution (COD = 307 ppm). The results showed that green spaces with a 34% contribution were the most influential factor on water solids and nitrate, while transportation with a 29% contribution affected water solids and lead, as well as non-biodegradable organic variables. Population dynamics and land use had direct effects on the temperature and dissolved oxygen levels of stormwater. This research encourages urban managers and researchers to locally reuse urban stormwater before it is discharged to other regional collectors.

Keywords

• Land Use Change
• Urban Runoff
• Runoff Quality
• Urban Land
• Quality Parameters

References

1. اسکندری دامنه، ح.، زهتابیان، غ.، سلاجقه، ع.، قربانی م. و خسروی، ح. (2018). تأثیر تغییرات کاربری اراضی بر کمیت و کیفیت منابع آب زیرزمینی حوضۀ غرب تالاب جازموریان. مرتع و آبخیزداری، 71(3)، 563-578.‎
2. بحرینی، ح. (1392). تئوری شکل شهر. چاپ چهارم. تهران: انتشارات دانشگاه تهران.
3. بوژآبادی، ز.، حافظی مقدس، ن.، و غفوری م. (۱۳۹۳). بررسی کیفیت روان آب شهر نیشابور از لحاظ مصارف کشاورزی، شرب و صنعت. اولین کنفرانس ملی آسیب‌شناسی محیط‌زیست و آلودگی‌های شهری.
4. ترنجیان، ا.، و معروفی، ص. (1399). تحلیل آلودگی ناشی از نیکل و روی موجود در رواناب شهری با استفاده از توابع توزیع‌ احتمال (مطالعه موردی: شهر همدان). علوم و مهندسی آبیاری، 43(3)، 33-43.
5. حامدی، ح.، مبرقعی­دینان، ن.، رسولی، ع.، و رازقی، ن. (۱۳۹۱). آلودگی روان­آب‌های شهری و ارائه مناسب‌ترین اقدامات مدیریتی در کنترل آن‌ها. تهران: همایش ملی جریان و آلودگی آب.
6. خراسانی، ن.، شهبازی، ا.، سرتاج، م.، و نصرتی، ک. (1383). کاربرد مدل های رگرسیونی در برآورد بار آلودگی رواناب شهری. منابع طبیعی ایران، 57(3)، 479-490.
7. رازی، پ.، و تائبی، ا.، (1383). شست و شوی اولیه آلاینده ها توسط رواناب های سطحی. آب و فاضلاب، 4 (52)، 12-19.
8. رضوی‌زاده، س.، محسنی ساروی، م.، و سلاجقه، ع. (1392). بررسی تأثیر تغییر کاربری اراضی بر کیفیت آب رودخانه طالقان. پژوهش آب ایران، 7(1)، 213-217.
9. شمشیرساز، ع.، و نظری‌ها، م. (۱۳۹۳). اثر تغییر اقلیم بر کیفیت روان آب شهری (مسیل زرگنده)، دومین همایش منطقه‌ای تغییر اقلیم و گرمایش زمین، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه گاوازنگ، زنگ.
10. عالی پور اردی، م.، و جباریان، ب. (1400). بررسی تأثیر ترکیب کاربری سرزمین و سنجه‌های ساختار سیمای سرزمین در مدل‌سازی کیفیت آب رودخانه‌ها (مطالعه موردی: استان اردبیل). نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، 2(103)، 83-93.
11. عینلو، ف.، سلاجقه، ع.، ملکیان، آ.، و احدنژاد، م. (1395). بررسی اثر توسعه شهری بر تغییرات حجم رواناب با استفاده از مدل بارش-رواناب SWMM (مطالعه موردی: آبخیز شهری زنجان). مجله علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 10(33 )، 37-47.
12. فروغی، م.، حاجیان نژاد، م.، امین، م.، و طاهری، ا. (1391). بررسی کارایی نانو ذرات اکسید آهن به همراه میدان مغناطیسی در حذف آلاینده های رواناب شهری سنتتیک. سلامت و بهداشت اردبیل، 3(3)، 27-18.
13. میرزایی، م.، سلگی، ع.، و ماهینی عبدالرسول، س. (1395). بررسی ارتباط بین پارامترهای کیفی آب و تغییرات کاربری اراضی (حوزه آبخیز زاینده رود) ‏. مدیریت آب و آبیاری، 6(2)، 175-192.
14. یزدانبخش، ا. ر.، و رضایی س. (۱۳۹۳). بررسی مشخصات روان آب‌های سطحی شهر تهران و مقایسه با استاندارد آب کشاورزی. اولین همایش یافته‌های نوین در محیط‌زیست و اکوسیستم‌های کشاورزی.

 

15. Al Masum, A., Bettman, N., Read, S., Hecker, M., Brinkmann, M., & McPhedran, K. (2022). Urban stormwater runoff pollutant loadings: GIS land use classification vs. sample-based predictions. Environmental Science and Pollution Research, 1-15.
16. Charters, F. J., Cochrane, T. A. & Abd O'Sullivan, A. D. (2016). Untreated runoff quality from roof and road surfaces in a low intensity rainfall climate. Science of the Total Environment. 550, 265-272.
17. Charters, F. J., Cochrane, T. A. and O'Sullivan, A. D. (2021). The influence of urban surface type and characteristics on runoff water quality. Science of The Total Environment, 755, 142470.
18. He, H., Zhou J., Wu Y., Zhang, W., & Xie, X. (2008) Modelling the response of surface water quality to the urbanization in Xian, China. Environmental Management, 86, 731-749.
19. Müller, A., Österlund, H., Marsalek, J. & Viklander, M. (2020). The pollution conveyed by urban runoff: A review of sources. Science of the Total Environment, 709, 136125.
20. Müller, A., Österlund, H., Nordqvist, K., Marsalek, J., & Viklander, M. (2019). Building surface materials as sources of micropollutants in building runoff: A pilot study. Science of the Total Environment, 680, 190-197.
21. Nix S. J. (1994). Urban stormwater modeling and simulation. Boca Raton, Florida: Lewis Publishers.
22. Oluseyi, O.F. (2006). Urban land use change analysis of a traditional city from remote sensing data: The case of Ibadan metropolitan area, Humanity & Social Sciences Journal, 1(1), 42-64.
23. Pirnia, A., Solaimani, K., Habibnejad roshan, M., & Besalatpour, A. (2017). Investigating the contribution of climate variability and land use change in water quality changes of Haraz River (Mazandaran Province). Iranian Journal of Ecohydrology, 4(4), 1151-1163.
24. Razmkhah, R., Abrishamchi, A. and Torkian, T., (2010). Evaluation of spatial and temporal variation in water quality by pattern recognition techniques: A case study on Jajrood River (Tehran, Iran)., Environmental Management, 91(4), 852–860.
25. Regier, P. J., González-Pinzón, R., Van Horn, D. J., Reale, J. K., Nichols, J., & Khandewal, A. (2020). Water quality impacts of runoff from monsoon storms on arid-land rivers: Comparing urban and non-urban pulses in the Rio Grande. Science of The Total Environment, 138443.
26. Sayahi, A., Ardestani, M. and Partani, S. (2021). Developing a New Matrix Model to Estimate the Urban Run-Off Water Quality. Pollution, 7(1), 1-15.
27. Sun, G. and Caldwell, P. (2015). Impacts of Urbanization on Stream Water Quantity and Quality in the United States. Water Resources IMPACT, 17 (1): 17-20
28. Tom, M., Fletcher, T.D., & McCarthy, D.T. (2014). Heavy metal contamination of vegetables irrigated by urban stormwater: a matter of time? PlOS one, 9(11). 112441.
29. Valtanen, M., Sillanpaa, N., & Setala, H. (2014). The Effects of Urbanization on Runoff Pollutant Concentrations, Loadings and Their Seasonal Patterns Under Cold Climate. Journal of Water Air Soil Pollut, 225, 1–16.
30. Vuai SAH, I., & Mungai N.W. (2013). Influence of land use activities on spatial and temporal variation of nutrient deposition in Mwanza region: implication to the atmospheric loading to the Lake Victoria. Atmospheric and Climate Sciences, 3(2): 224
31. Yang, Y., and Toor, G.S. (2018). Stormwater runoff driven phosphorus transport in an urban residential catchment: Implications for protecting water quality in urban watersheds. Scientific reports, 8(1), 1-10.