وبلاگ

اصغری و همکاران (۱۳۸۴) در پژوهشی شبیه سازی آبخوان دشت برخوار واقع در شمال شرق اصفهان را برای تخمین ضرایب هیدرودینامیک و تهیه مدل پیش بینی و مدیریتی آبخوان به منطور بررسی وضعیت سطح آب سفره در سال های آینده مورد بررسی قرار دادند. از مهمترین دستاوردهای این تحقیق می توان به تخمین مقدار و توزیع ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان اشاره نمود. ضریب هدایت هیدرولیکی در ۴ محدوده متفاوت در منطقه قابل توزیع است و محدوده تغییرات کمی آن مطابقت نزدیکی با مقادیر به دست آمده از لوگ چاه های مشاهده ای دارد. بالا بودن ضریب همبستگی ۹۹ درصد بین مقادیر سطح آب مشاهده شده و شبیه سازی شده و همچنین پایین بودن شاخص آماری واریانس خطاها نشان داد که نتایج به دست آمده از واسنجی مدل در حالت ناماندگار دقت قابل قبولی دارند. با بررسی روند بهره وری مشخص شد که در سال های آتی بیشترین افت سطح ایستابی آبخوان در منطقه انتخابی، مربوط به ناحیه مرکزی می شود که علت آن برداشت بیش از حد آب های زیرزمینی این ناحیه است. با توجه به نتایج به دست آمده نتیجه گیری کردند که هر دو روش شبیه سازی و بهینه سازی در مطالعه و بهره برداری از آب های زیرزمینی جایگاه و قابلیت های خود را خواهند داشت و استفاده از مدل های شبیه سازی در تعیین راه کارهای بهره برداری پایدار بسیار محدود و همراه با هزینه های بیشتر خواهد بود.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

ماجدی و همکاران (۱۳۸۶) دو روش واسنجی دستی و خودکار را در شبیه سازی هیدرولیک جریان آب زیرزمینی با بهره گرفتن از کد کامپیوتری Modflow و PMWIN مقایسه کردند. نتایجی که از این پژوهش به دست آمد عبارت اند از ۱- استفاده از نرم افزار PMWIN به کاربر اجازه می دهد در هنگام واسنجی، امکان واسنجی همزمان دستی( سعی و خطا) و همچنین خودکار را در اختیار داشته و مدل های مفهومی متفاوتی را در الگوریتم مدل باز خورد نماید. ۲- پارامتری که در مرحله واسنجی مدل سازی بیشتر از بقیه پارامتر ها مورد ارزیابی و آنالیز حساسیت قرار گرفت هدایت هیدرولیکی بود چرا که آزمون های پمپاژ با وجود خوب بودن نتایج، ناکافی بوده و تعمیم پارامتر K و منطقه بندی را دشوار نموده بود. در نهایت انتخاب دوره زمانی مناسب و تعداد فصول تر و خشک در مرحله واسنجی موجب قطعیت مقادیر نهایی و تسریع نتیجه مناسب در مرحله صحت سنجی گردید. مقادیر آبدهی ویژه از ۳۶/۰ تا ۰۹/۰ و هدایت هیدرولیکی حداکثر ۲۲ و حداقل ۲ متر بر روز تخمین زده شد. در صد نفوذ ریزش های جوی نیز ۳۰% برآورد گردید.
Saghravani و Mustapha (2011) در تحقیقی حرکت فسفر در آب زیرزمینی که به صورت شیرابه در آن وارد شده، در محل دفن زباله های شهر Seri Petalling در مالزی را مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه مدل Visual MODFLOW در حالت همگام به منظور پیش بینی جابه جایی آلودگی سطحی و زیر سطحی در مدت ۱۰ سال اجرا شد. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل نمونه فسفر نشان داد که غلظت آن در محل دفن زباله ها ۳۸/۲ میلی گرم در لیتر است و این در حالی است که غلظت استاندارد ملی کیفیت آب مالزی برای فسفر حداکثر ۱/۰ میلی گرم در لیتر تعریف شده است. غلظت فسفر در گمانه ها تا قبل از ورود آب آلوده ۳۵/۰ میلی گرم در لیتر بود. نتایج نشان داد تا زمانی که چاه گمانه ای در محل دفن زباله باشد، فسفر جابجایی چندانی ندارد اما بعد از ۱۰ سال آلودگی ناشی از فسفر به جای رسیدن به آب های زیرزمینی، به سمت رودخانه در جنوب حرکت می کند. آن ها به این نتیجه رسیدند که مدل سازی انتقال مواد محلول و جریان آب زیرزمینی در ارزیابی و پیش بینی غلظت فسفر موثر است و با انجام مطالعات بیشتر می توان از گسترش فسفر در منطقه مورد مطالعه و ورود آن در آب آشامیدنی جلوگیری کرد.
Waily و Hatamleh (2007) حوزه شهر Azraq را با بهره گرفتن از مدل های MODFLOW (PM5) و MT3D مدل سازی کردند. این حوزه از مهمترین منابع آب زیرزمینی برای مصارف خانگی و کشاورزی در Jordan می باشد. در این منطقه ۶۰۰ حلقه چاه در حال بهره برداری از آب زیرزمینی است. در این مطالعه ۵ طرح مختلف پمپاژ برای سال های ۲۰۰۵ تا ۲۰۲۰ با بهره گرفتن از مدل MODFLOWبرای شبیه سازی جریان آب زیرزمینی اجرا و مدل MT3D برای حرکت مواد محلول در پیش بینی حرکت کل مواد محلول در نظر گرفته شد. این طرح ها شامل ۱- نگهداری مقدار پمپاژ موجود در منطقه برای دوره مطالعه ۲- کاهش پمپاژ به نصف مقدار موجود ۳- افزایش ۵۰ در صدی مقدار پمپاژ ۴- کاهش پمپاژ در چاه های عمومی به نصف مقدار موجود و ثابت ماندن پمپاژ در بقیه چاه ها ۵- کاهش ۵۰ درصدی پمپاژ در چاه های کشاورزی و ثابت ماندن پمپاژ در بقیه چاه ها.
نتایج نشان داد که طرح های ۱ و ۴ اثر مشابه روی افت سطح ایستابی دارند. همچنین طرح های ۱ و ۵ دارای اثر مشابه هستند و افت کمتر سطح ایستابی را ایجاد می کند. طرح سوم بدترین وضع را در کاهش سطح ایستابی ایجاد می کند و باید از اجرای آن جلوگیری کرد. همچنین مشخص شد که اثر طرح های مختلف روی مقادیر EC و مواد محلول بسیار کمتر از کاهش سطح ایستابی است.
فصل سوم
روش پژوهش
۳-۱- تاریخچه مدل های آب زیرزمینی
دوره جدید هیدرولوژی آب های زیرزمینی از سال ۱۹۳۵ با معادله تایس آغاز گردید. در دهه های ۴۰ و۵۰ میلادی ژاکوب و هانتوش روابطی را در زمینه حل مسایل جریان چاه ها ارائه نمودند. از همین زمان بود که روش های نظری در حل مسایل آب های زیرزمینی بسیار معمول گردید و اکثر فرمول ها و روش های تجربی در قالب معادلات ریاضی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در دهه ۱۹۵۰ میلادی بنت و اسکیویتزکی در سازمان زمین شناسی ایالات متحده، یک سامانه آبخوان را با بهره گرفتن از شبیه سازی الکتریکی که مجموعه ای از مقاومت ها و اسیلوسکوپ ها بود و بر اساس روش تفاضل محدود عمل می کرد، مدل سازی الکتریکی نمودند (Middlemis, 2000).
یکی از مزایای شبیه سازی مذکور در آن است که تفکیک زمانی صورت نگرفته و زمان به صورت پیوسته در نظر گرفته می شود که این مساله موجب می شد مدل بی قید و شرط ماندگار باشد. وجود ماشین های حسابگر سریع و رایانه های دیجیتال در دهه های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی باعث گردید که بسیاری از مسایل پیچیده آب های زیرزمینی مدل شود. در دهه ۱۹۵۰ ریاضی دانان و مهندسین مخازن نفت روش های حل عددی را برای معادله جریان در صنعت نفت مورد آزمایش قرار دادند و از آن زمان به بعد این روش نیز به مجموعه مدل ها پیوست. این در حالی بود که هنوز مدل های تشابهی برای حل جریان یک سیال منفرد استفاده می شد، ولی نمی توانست برای مسایل چند فازی به آسانی استفاده شود. این نارسایی موجب شد که مدل های عددی سیر تکاملی خود را تا امروز طی کنند، به طوری که از دهه ۱۹۷۰ به بعد استفاده از مدل های تشابهی تقریبا کنار گذاشته شد و روش های عددی در حل مسایل آب شناسی بسیار متداول شد و برنامه های زیادی به زبان های برنامه نویسی مختلف توسط افراد مختلف نوشته شد. مطالعات مدل سازی در ایران برای اولین بار در سال ۱۳۴۸ خورشیدی توسط سازمان خواروبار جهانی (FAO) انجام شده است. در پی این مطالعات مدل ریاضی دشت ورامین تهیه شد و در ادامه تعدادی مدل با همکاری مشاورین فرانسوی تهیه شده است. از آن به بعد تعداد زیادی آبخوان در سراسر کشور توسط دانشگاه ها در قالب پایان نامه های دانشجویی و طرح های پژوهشی در مراکز تحقیقاتی و شرکت های مشاوره ای و سازمان های آب منطقه ای شبیه سازی شده اند (وزارت نیرو، ۱۳۸۷).
۳-۲- مدل PMWIN
افزایش بی رویه جمعیت در کشور، محدودیت منابع آب های سطحی و بهره برداری بیش از اندازه از آبخوان ها باعث وارد آمدن خسارات جبران ناپذیری به منابع طبیعی کشور در سال های گذشته شده است. علاوه بر افت شدید سطح آب در آبخوان ها، فعالیت های کشاورزی، صنعتی و شهری آلاینده های مختلفی را به آبخوان ها تحمیل می کنند که برای جلوگیری از ادامه افت کمی و کیفی ، مدیریت بهره برداری و حفاظت از آب های زیرزمینی باید به عنوان یک اصل و پایه در برنامه ریزی های کشور قرار گیرد. در این رابطه، مدل ریاضی در صورت شناخت درست و به شرط آماده بودن زمینه، می تواند به عنوان یک ابزار کارا در اختیار مدیران قرار گیرد. مدل ریاضی آب زیرزمینی شبیه سازی یک سامانه هیدروژئولوژیکی است که از قوانین فیزیک و ریاضی کمک می گیرد. دو مولفه اساسی آن مدل مفهومی^[۳] و مدل ریاضی^[۴] می باشند. مدل مفهومی در حقیقت تصویر ساده شده ای از سامانه می باشد. مدل ریاضی، مجموعه ای ازفرمول های ریاضی است که با توجه به فرضیات خاص، به فرایندهای فیزیکی فعال دردرون سامانه آبخوان مقدار می بخشد. بدیهی است که مدل به خودی خود جزییات واقعی سامانه آب زیرزمینی را شامل نمی شود، ولی رفتار یک مدل معتبر تقریبا نشان دهنده رفتار آبخوان می باشد. مدل آب زیرزمینی ابزاری در اختیار قرار می دهد تا بتوان داده های موجود را تبدیل به ویژگی های عددی برای سامانه آب زیرزمینی نمود. چنین مدلی تا حد مقبولی نماینده سامانه آب زیرزمینی خواهد بود و این امکان را به کارشناس می دهد که بتواند واکنش سامانه در برابر تنش های هیدرولوژیکی پمپاژ را به صورت عددی نشان دهد (وزارت نیرو، ۱۳۸۷).
Modflow یک مدل سه بعدی جریان غیرماندگار در محیط متخلخل اشباع، غیراشباع، غیرهمگن و غیر ایزوتروپ می باشد. در این نرم افزار معادله اساسی حاکم بر جریان آب زیرزمینی به روش تفاضل محدود در شرایط مرزی و خواص مواد تعریف شده حل می گردد. این روش یک روش ریاضی از مجموع روش های عددی می باشد که تاکنون محققین بسیاری از آن در شبیه سازی جریان آب زیرزمینی استفاده کرده اند. به منظور شبکه بندی به روش تفاضل محدود فرض بر این است که خواص سفره ی آب زیرزمینی درتمامی نقاط داخل مرز مشخص باشد. نرم افزار PMWIN یکی از کاربردی ترین نرم افزار های شبیه سازی جریان در آبخوان می باشد که بر پایه کد Modflow به حل عددی معادلات دیفرانسیل حاکم بر جریان در فضای یک، دو یا سه بعدی در جریان های ماندگار و غیر ماندگار می پردازد(بهرامی وحسینی، ۱۳۸۹). در نرم افزار Modflow طبقات آبدار به شبکه ای از بلوکهای تفاضل محدود)سلول ها) و گره ها تقسیم می شود(محمد خانی و کتیبه، ۱۳۸۳).
نرم افزارModflow از یک برنامه اصلی و تعدادی زیربرنامه تشکیل شده است. در این مدل طول مدت زمانی که برای شبیه سازی انتخاب شده به تعدادی دوره پمپاژ تقسیم و هر یک از این دوره ها نیز به نوبه خود به تعدادی گام های زمانی تقسیم می شود. برای هر یک از گام های زمانی معادله دیفرانسیل جزئی جریان در محیط متخلخل اشباع از طریق روش تفاضل های محدود نوشته شده و حل می گردد (شمسایی و امیر بیکی، ۱۳۸۳).
شکل ۱-۳ مثالی از یک شبکه بندی و سلول ها و گره های مربوط به سفره ی آب زیرزمینی را نشان می دهد.

شکل ۱-۳- تقسیم بندی طبقات آبدار به شبکه هایی از سلول ها
بدین ترتیب هر سلول را می توان با اندیس گذاری به صورت (j ,i ,k) به ترتیبی که در شکل ۱-۳ نمایان است یعنی ابتدا شماره ستون، سپس شماره ردیف و شماره لایه، مشخص نمود. ابعاد سلول ها در شبکه بندی را می توان ثابت یا متغیر درنظر گرفت. این قابلیت به مدل ساز امکان می دهد که در نواحی دارای شرایط هیدروژئولوژیکی پیچیده ابعاد سلول ها را کوچکتر از سایر قسمت ها انتخاب نمود. مزیت این کار افزایش دقت و کاهش خطا در این نواحی است. مانند نواحی که دارای آهنگ تغییرات شدید یا به عبارت دیگر نواحی دارای گرادیان هیدرولیکی زیاد و یا در مرزهای با شکل هندسی پیچیده می بایست ابعاد سلول ها را کوچکتر انتخاب نمود. یکی دیگر از قابلیت های نرم افزار Modflowتوانائی پویا نمایی مدل ساخته شده، می باشد. اطلاعات ورودی به مدل بایستی برای تک تک سلول ها تعریف شوند. برای این کار از نرم افزار SURFERجهت آماده سازی داده های ورودی استفاده شده است (محمد خانی و کتیبه، ۱۳۸۳).
در ابتدا، مشخصات اصلی مدل از قبیل تعداد ردیف ها و ستون ها، تعداد لایه های آبدار، نوع رژیم هیدرولوژیکی مورد مطالعه با تعداد دوره های پمپاژ و روش حل معادلات به مدل داده می شود و در مرحله بعد، اطلاعات ثابت و مستقل از زمان مانند اندازه شبکه ها، ضریب هدایت هیدرولیکی، ضریب ذخیره، ضخامت لایه اشباع، شرایط مرزی و شرایط اولیه سطح آب سفره و از طریق زیر برنامه های نرم افزار به مدل داده می شود (شمسایی و بیکی، ۱۳۸۳).
اطلاعات مورد نیاز برای این مدل عددی به طور خلاصه عبارتند از :
-اطلاعات مربوط به تقسیم بندی زمانی.
– توپوگرافی سطح زمین و توپوگرافی کف آبخوان.
– تعریف شرایط مرزی آبخوان.
–تعیین شبکه بندی آبخوان در دو راستای X و Y و تبیین مقادیر xΔ و yΔ.
- تعیین پارامتر های هیدرولیکی مشخص.
– تعیین مقادیر تغذیه و تخلیه شبکه در هر یک از دوره های زمانی.
– عمق و هدایت هیدرولیکی زهکش و سطح آب در چاهک های مشاهده ای.
برای محاسبه دبی وارد شده از هر سلول به داخل زهکش، از روابط (۱-۳) و (۲-۳) که به نوعی رابطه دارسی است، استفاده می گردد و پارامترهای آن برای تمامی سلول هایی که حاوی زهکش می باشد، مورد محاسبه قرارمی گیرد:
(۱-۳)
(۲-۳)
(۳-۳)
که در آن دبی وارد شده از هر سلول به داخل زهکش، h بار هیدرولیکی در سلول آبخوان، هدایت هیدرولیکی خاک، طول زهکش در سلول و d ارتفاع زهکش در سلول است (فاصله زهکش از کف آبخوان). رسانایی هیدرولیکی زهکش است که به هدایت هیدرولیکی آبخوان نزدیک به زهکش و یا به تعبیری خصوصیات مصالح پر کننده(پوشش) که اطراف زهکش ها استفاده می شود بستگی دارد و معمولا این پارامتر نامشخص است و در زمان واسنجی مقدار آن مشخص می گردد. همچنین رابطه (۳-۳) تضمین می کند که اگر بارهیدرولیکی در آبخوان به کمتر از ارتفاع زهکش کاهش یافت جریان زهکشی متوقف شود (کریمی پور و رخشنده رو، ۱۳۹۰). مقدار جریان ورودی از مرزها نیز مشابه رابطه (۱-۳) به دست می آید با این تفاوت که مقدار به صورت بیان می شود و برابر رسانایی هیدرولیکی بین مرز ورود جریان و آبخوان می باشد و مقدار آن در هر دروه زمانی ثابت باقی می ماند. برای محاسبه این ضریب از رابطه (۴-۳) استفاده می شود:
(۴-۳)
(۵-۳)
که در آن بار هیدرولیکی در سلول، بار هیدرولیکی در مرز، K مقدار هدایت هیدرولیکی معادل، A مساحت ورود جریان به سلول و L فاصله از محل تغذیه تا سلول می باشد.
معادله حاکم بر جریان در محیط متخلخل اشباع در فرم سه بعدی به صورت معادله (۶-۳) می باشد:
(۶-۳)
که در آن ، و مقادیر هدایت هیدرولیکی در جهات سه گانه مختصات کارتزین ()، جریان حجمی بر واحد حجم ((، h بار هیدرولیکی(L) ، ذخیره ویژه مواد متخلخل() و t زمان می باشد (Anderson et al., 1992). بجز سیستم های خیلی ساده، حل تحلیلی معادله (۶-۳) ممکن نیست، بنابراین از روش های مختلف عددی برای حل تقریبی آن استفاده می شود. نرم افزار PMWIN برای حل این معادله از روش تفاضل محدود استفاده می کند (Mc Donald and Harbaugh, 1998).
برای واسنجی مدل Modflow دو روش وجود دارد که عبارتند از : ۱- روش خودکار (واسنجی به صورت خودکار با کد pest که یکی از بخش های مدل است انجام می شود)، ۲- روش سعی و خطا ، و براساس این روش، مدل هم در حالت همگام و هم در حالت غیر همگام واسنجی می شود. Pest یک بسته نرم افزاری برای برآورد پارامترهای غیر خطی می باشد که می تواند کنترل یک مدل را در دست گرفته و آن چنان که برای نزدیکی کامل پارامترهای محاسباتی و مشاهده ای مورد نیاز باشد مدل را به دفعات زیاد اجرا کند تا این که به کمترین مربعات وزن شده نائل گردد. با این عمل Pest پارامترهای گوناگون و مقادیر مختلف آن ها را مورد ارزیابی قرار داده و مدل های متنوعی را ارائه می دهد و با هم خوان کردن خود با شرایط حاکم بهترین مدل به دست آمده را انتخاب می نماید. این بسته نرم افزاری با اجرای یک واریانس قدرتمند ویژه (Gauss-Marquardt-Leven berg) با روش برآورد غیر خطی پارامتر ها می تواند ناهمگنی های موجود و پیچیده را تقریب بزند و به دلیل ارتباط آن با سایر نرم افزارهای مدل ساز نیازی به تهیه مجدد مدل و تعریف ساختار و شرایط اولیه ندارد، لذا از صرف بیشتر وقت جلوگیری می نماید (ماجدی و همکاران، ۱۳۸۶).
۳-۳- مدل Drainmod
یکی از مدل هایی که به منظور شبیه سازی مدیریت آب در سطح وسیعی به کار گرفته شده است، مدل Drainmod می باشد. این مدل می تواند موقعیت های مختلف سطح ایستابی را برای محاسبه بیلان آبی مقطعی از خاک که بین دو زهکش قرار گرفته است، در شرایط همگام شبیه سازی کند. یکی از معادلات پایه در مدل، معادله بیلان آبی است که برای مقطعی از خاک با سطح واحد در نقطه میانی بین دو زهکش در نظر گرفته شده است و از سطح زمین تا لایه غیر قابل نفوذ ادامه دارد. مدل Drainmod افزون بر اجزای هیدرولیکی، می تواند استراتژی های متفاوت مدیریت سطح ایستابی را در بازده محصول بررسی کند. الگوریتم مدل به گونه ای است که می تواند کاهش عملکرد را نیز در صورت وجود تنش آبی برآورد نماید .(Gayle et al, 1987)
۳-۳-۱- قابلیت ها و توانایی های مدل
مدل Drainmod قادر به شبیه سازی:
نوسانات سطح ایستابی
دبی خروجی از زهکش ها
رواناب سطحی ونفوذ یا نشت آب
برآورد تبخیر تعرق