دانلود ترجمه مقاله استفاده از GSFLOW برای مدل سازی دوره بازگشت طغیان آب های زیرزمینی
عنوان مقاله به انگلیسی:
Using GSFLOW to Model Groundwater Flooding Recurrence Intervals
عنوان مقاله به فارسی:
استفاده از GSFLOW برای مدل سازی دوره بازگشت طغیان آب های زیرزمینی
مقدمه:
Spring Green، در ویسکانسین (شکل 1) در سال های اخیر در مناطق واقع در خارج از محدوده ویژه خطر سیل که توسط آژانس مدیریت اضطراری فدرال (FEMA) در نقشه دیجیتالی نرخ بیمه سیل (DFIRM) برای رودخانه ویسکانسین مشخص گردیده، در معرض جاری شدن طغیان و سیلاب آب های زیرزمینی بوده است. این سیل ها ناشی از لبریز خودِ کرانه رودخانه ویسکانسین نبوده، بلکه ناشی از مجموعه عوامل خاک اشباع، طغیان آب های زیرزمینی، و رواناب جریان های سطحی زمین در دوران ذوب برف و بارش سنگین بوده است. جاری شدن سیلی تاریخی طی ماه ژوئن 2008 (شکل 2) نزدیک به 7 مایل مربع از منطقه Spring Green را با آبی ایستا به مدت 5 ماه زیر آب فرو برد که موجب نفوذ آلودگی به چاه های تأمین آب، از دست دادن محصولات کشاورزی، صدمه به خانه ها، ساختمان ها، و زیرساخت ها گشت. اهداف این مطالعه مدل کردن تعاملات آب های زیرزمینی و سطحی با استفاده از داده های تاریخی آب و هوایی برای پیش بینی مناطق مستعد و دارای ریسک بالای طغیان آب های زیرزمینی، همچنین توسعه نقشه مدل شده طغیان آب های زیرزمینی و محاسبه دوره بازگشت بر اساس مدل نوسانات سطح آب سفره ها بوده است. GSFLOW، مدلی توأم از آب های زیرزمینی و سطحی، ارائه شده از USGS می باشد که برای محاسبه دوره بازگشت رویدادهای طغیان آب های زیرزمینی به عنوان یک روش انتخاب گردیده است. این مقاله به مدل سازی آب های زیرزمینی-سطحی برای محاسبه دوره بازگشت رویدادهای سیل و پیش بینی مناطق در معرض خطر طغیان آب های زیرزمینی تمرکز دارد.
مواد و روش ها:
GSFLOW مدل توأم آب های سطحی و زیرزمینی بر اساس سیستم مدلسازی بارش-رواناب USGS (مدل PRMS) و مدولار مدل جریان آب های زیرزمینی (MODFLOW) است (Markstrom و همکاران، 2008). این مدل توأمان، برای مدل سازی نوسانات تاریخی آب های زیرزمینی در منطقه Spring Green جهت محاسبه دوره بازگشت بزرگی رخداد های طغیان آب های زیرزمینی با مقادیر بالا مورد استفاده قرار گرفته است. مکان های منتخب رخدادهای سیل آب های زیرزمینی که نگاشت شده است با فیلد مطالعه شده ی مناطق دارای ریسک بالا، مقایسه گردیده. وسعت محدوده مورد مطالعه با استفاده از مدل GSFLOW در شکل 3 به نمایش گذاشته شده است.
PRMS پاسخ هیدرولوژیکی آب های سطحی را در داخل محدوده مدل شبیه سازی می کند. مؤلفه آب سطحی از بالا توسط سایه بان برگ های گیاهی و از پایین توسط زون خاک محدود گردیده و اثر ترکیبات مختلف بارش، آب و هوا، و کاربری زمین را بر روی پاسخ حوضه، شبیه سازی می کند. حوضه به یک شبکه از واحدهای پاسخ هیدرولوژیکی (HRUs) که از ویژگی های هیدرولوژیکی و فیزیکی مانند مرزهای زهکشی، ارتفاعات زمین-سطح، شیب و جهت، نوع گیاه و تراکم پوشش، کاربری زمین، توزیع بارش، دما، تابش خورشیدی، مورفولوژی خاک، زمین شناسی، و جهت جریان، توسعه یافته است، تقسیم گشته. مدل PRMS تعادل روزانه آب و انرژی برای هرHRU را محاسبه می نماید و همچنین مشخص کننده این امر است که چه میزان از بارش به تبخیر، تعرق، رواناب، و یا تغذیه زیر سطحی (چه مناطق اشباع شده و چه مناطق اشباع نشده) تبدیل می شود.
HRUs از طریق یک سری از مراحل در ArcGIS با استفاده از DEM های 30 متری تهیه شد. مدل رقومی 30 متری با توجه به اندازه و داده های موجود برای حدود مدل مورد استفاده قرار گرفت. ابزار هیدرولوژی نرم افزار ArcGIS، جهت حرکت و جریان تجمعی را از قسمتی که مرز حوضه از آنجا ایجاد شده است محاسبه می کند. قطعات جریان و HRUs یا مناطق زهکشی به ویژه قطعات جریان برای ترسیم آب های سطحی نقش مهمی داشته اند. در مجموع 18 شاخص PRMS برای هر HRU استخراج شد، که برای تعیین تعادل آب و انرژی برای هر HRU مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای PRMS با استفاده از DEM و دیگر پوشش های GIS از جمله پوشش گیاهی و داده های خاک، و همچنین داده های آب و هوایی تعیین شد. داده های آب و هوایی، از جمله حداکثر روزانه یِ اندازه گیری شده و حداقل دمای هوا و بارش کل روزانه از منابع متعددی برای ایستگاه آب و هوایی Lone Rock Tri-County Airport برای دوره ژانویه 1970 تا دسامبر 2009 (14610 روز) حاصل شد. داده های گم شده نیز برای آن دوره توسط داده هایی از ایستگاه Spring Green و مرکز Richland واقع در نزدیکی حوضه تکمیل گردید.
در GSFLOW، MODFLOW جریان نفوذی از PRMS، جریان زیر سطحی در منطقه غیر اشباع و جریان آب زیرزمینی در منطقه اشباع را مدل می کند (شکل 4). برای این مطالعه، مدل موجود و در دسترس MODFLOW، (ویرایش شده و گسترش یافته از WGHNS در سال 2002) که برای Spring Green توسط Gotkowitz و همکاران توسعه یافته است بکار گرفته شد. اصلاحات ایجاد شده در مدل WGHNS شامل این موارد می شود: 1) بخش شمال، جنوب، شرق و نیز مرزهای مدل WGHNS تا حدود مرزهای مدل GSFLOW امتداد یافتند. 2) سلول های شبکه برای اهداف پژوهش اصلاح شدند.
آخرین مرحله در ساخت مدل GSFLOW پیوند مکانی HRUs در PRMS و سلول های شبکه در MODFLOW از طریق مخازن گرانش بود، که آب را بین سلول های شبکه HRUs و MODFLOW انتقال می دهند (Markstrom و همکاران 2008). چندین شبکه-سلولی MODFLOW برای انتقال آب به هر PRM HRU اختصاص داده شد. هنگامی که PRMS و MODFLOW ها جفت شدند، آب بین سطح و منطقه های خاک، دریاچه ها و رودخانه ها، و ناحیه های زیر سطحی بر اساس شار و ذخیره سازی آب از طریق سیستم هیدرولوژیکی شبیه سازی شده، مبادله شد. اجزای مدل ها و خروجی مدل جفت شده به منابع داده های زیر واسنجی گردید:
PRMS
(USGS Muscoda stream gaging station (05407000
(Precipitation records (NOAA National Weather Service, 2010
MODFLOW
Sauk County regional water table and target elevation
(heads (Gotkowitz et al., 2005
(USGS Muscoda stream gaging station (05407000
Flood extent (Iausly, 2008) 2008
Qualitative risk areas map
GSFLOW
Flood extent (Iausly, 2008) 2008
(Qualitative risk areas map (Marciulionis et al., 2011
(USGS Mazomanie groundwater station (431312089475301
عمق تا آب زیرزمینی در Mazomanie (خط آبی) و بارش سالانه (نمودار میله ای سبز) در Madison , WI سازگار شده از (Gotkowitz (2009
شکل 1. منطقه مورد مطالعه
شکل 2. وسعت رویداد ماه ژوئن سال 2008
شکل 3. مرزهای مدل GSFLOW و HRUs
شکل 4. مدل مفهومی GSFLOW
شکل 5 . نقاط مشاهده ای مدل GSFLOW
شکل 6. پیش بینی سطح آب زیرزمینی برای نقاط مشاهده ای
شکل 7. مدل پیش بینی عمق تا آب زیرزمینی 2008 GSFLOW. توجه: مقادیر محاسبه شده مدل پیش بینی با استفاده از داده های Sauk Co. LiDAR تخمین زده شده است. مقادیر محاسبه شده مدل پیش بینی به دلیل در دسترس نبودن داده های LiDAR برای داده های Richland Co تخمین زده نشده است.
جدول 1. دوره بازگشت طغیان آب زیرزمینی منطقه Spring Green، Wisconsin
نتیجه:
مدل GSFLOW برای دوره ایی 40 ساله (14610 روز) که برای آن داده های آب و هوایی به دست آمده بود اجرا شد. خروجی مدل برای محاسبه بزرگی دوره بازگشت رخدادهای مختلف سیل مورد استفاده قرار گرفت. پانزده نقطه ی مشاهده ای در سراسر منطقه Spring Green برای تولید سطوح مختلف آب جهت مدل سازی انتخاب شدند، که در شکل 5 نشان داده شده است. مدل، سطوح مختلف آب را برای هر نقطه در کل دوره 40 ساله به صورت روزانه محاسبه کرده است. دوره بازگشت محاسبه شده برای هد مدل سازی شده آب زیرزمینی عبارتست از:
T=((n+1))/m
که در آن T دوره بازگشت بر حسب سال است، n تعداد سال ثبت شده است، و m مرتبه ای از بزرگی میزان سطح آب های زیرزمینی به صورت سالانه می باشد (Dunne and Leopold، 1978).
دوره های بازگشت به دست آمده در نقاط مشاهده ای از مدل هد آب های زیرزمینی در جدول 1 ارائه شده است. رزولوشن مدل عوارضی زمین، عدم قطعیت پارامترهای ذخیره ای در مدل لحظه ای آب زیرزمینی و میانگین های هد آب های زیرزمینی در مدل با دوره زمانی طولانی به معنای یک رویکرد سنتی جهت محاسبه دوره های بازگشت می باشد که نتایجی معنی دار را حاصل نمی دهد، به همین دلیل، هد آب های زیرزمینی در هر نقطه مشاهده ای به حداکثر هد در هر سلول مربوطه مدل نرمال شد. نرمال سازی مقدار حداکثر برای هر سلول به این جهت که تا چه اندازه مناسب رویداد سیل سال 2008 با داشتن حداکثر بزرگی بازتولید شده می باشد؛ انجام شد و سپس وزن شده و یا محاسبه گردید. مقادیر نرمال شده برای بدست آوردن نتیجه کلی با سال جمع شد. نتایج پس از آن از بالاترین به پایین ترین رتبه بندی گردید، که به عنوان بزرگی، یعنی m در معادله دوره بازگشت عمل می کند.
شکل 6 یک طرح از هد های محاسبه شده در موقعیت سلول مدل ردیف 20، ستون 73، لایه 1، از آغاز سال دوم مدل (1971) را نشان می دهد. نتایج مدل تایید می کنند که رخدادهای سیل معمولا توسط شرایط بلند مدتی از بالا آمدگی هد آب های زیرزمینی آماده شده اند؛ و همانطور که قبلا توسط (Gotkowitz 2009) گزارش شده است، به تنهایی از وقایع یکباره بارش های با مقدار زیاد منتج نمی شوند. بنابراین، تغذیه توسط آب های زیرزمینی از طریق جریان در آبخوان ماسه سنگ و جریان زیرسطحی در مناطق اشباع نشده و زون های خاک، همچنین ممکن است به شرایطی که منجر به وقوع وقایع طغیان آب های زیرزمینی می شود، کمک کنند.
مدل سازی عمق برای آب های زیرزمینی در رویداد ژوئن 2008 در نقاط مشاهده ای در شکل 7 ارائه شده است. مناطق آب های زیرزمینی کم عمق از نظر مکان و بزرگی با آن دسته از مقادیر به دست آمده از خطوط سطوح آب منطقه ای سازگار است. 5 تا 10 فوت زیر سطح زمین (BGS فوت) خطوط به طور کلی تا اندازه ای مطابق نگاشت رویداد ژوئن 2008 است و نیز به سمت کانتور 10 فوت BGS تا حدودی گسترده تر از وسعت سیل 2008 است. سازگاری بین وسعت و مقادیر آب های زیرزمینی کم عمق مدل شده و مناطق ریسک نشان دهنده تطابق مناسب مدل و فیلد شاخص ها است. همچنین، تغییرات در هد در مدل برد نقاط مشاهده ای از 2 به 4 فوت در طول رویداد سال 2008 مطابق با تغییر 4 فوت در هد مشاهده ای در چاه های آب زیرزمینیMazomanie و Richland Center است. اگر چه ناسازگاری و تناقض هایی بین نتایج مدل، فیلد شاخص ها و سوابق آب های زیرزمینی منطقه ای نیز وجود دارد. هد آب های زیرزمینی محاسبه شده، به علت جاری شدن سیل آب های سطحی با ایجاد شکاف به سطح زمین نفوذ نکرده اند که این نتیجه ممکن است به دلیل محدودیت رزولوشن مرتبط با DEM های 30 متری نیز باشد. ارتفاعات حاصله از DEM های 30 متری، به طور متوسط، 4 تا 8 فوت بالاتر از ارتفاعات ایجاد شده از مدل زمین عوارضی زمین LIDAR می باشند و دارای تأثیرات تابعی توپوگرافی هستند. پالایش بیشتری از مدل با مدل عوارضی زمین با وضوح بالاتر می تواند منتج به محاسبه شکند های هد آب های زیرزمینی در سطوح آب های زیرزمینی شود.
نتیجه گیری:
داده های آب و هوایی اندازه گیری شده منطقه ای در یک دوره زمانی 40 ساله برای مدل مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج حالت ماندگار PRMS در مدل GSLOW با اندازه گیری های آبراهه-جریانات و رویدادهای طوفان در طول 40 سال زمان مدل سازی مطابق بود.
یک مدل اصلاحی و کالیبره شده حالت ماندگار جریان آب زیرزمینی به عنوان پایه ای برای بخش جریان آب های زیرزمینی GSFLOW در مدل مورد استفاده قرار گرفت.
فرم ماندگار مدل جریان آب های زیرزمینی اصلاحی به هد آب های زیرزمینی کالیبره شد.
فرم ماندگار مدل PRMS به مدل MODFLOW اصلاح شده در GSFLOW جهت ارائه پیش بینی های لحظه ای از هد آب های زیرزمینی در طول زمان، اتصال داده شد.
دوره های بازگشت طغیان آب های زیرزمینی با استفاده از مدل پیش بینی هد GSFLOW برای منطقه مورد مطالعه برآورد گردید.
نقشه کیفی منطقه ریسک برای Spring Green در رابطه با مدل پیش بینی عمق آب های زیرزمینی پلانرهایی را با ابزار پیش بینی، آماده سازی و مدیریت رخدادهای سیل آب های زیرزمینی ارائه می دهد.
تحقیقات بیشتر با:
بر اساس نتایج مدل، چندین توصیه برای تغییرات در مدل پیشنهاد می شود:
به روز رسانی GSFLOW با یک مدل عوارضی زمین با وضوح بالاتر پس از آنکه داده های Richland Co. LiDAR حاصل گشت.
تصحیح نرخ تغذیه در بخش حالت ماندگار مدل MODFLOW و پارامترهای ذخیره سازی در مدل لحظه ای.
تنظیم مدل HRUs برای بهم پیوستن فیلد های مشخص مناطق ریسک.
ایجاد قطعات جریان کمتر در PRMS برای کاهش پیچیدگی مدل و زمان اجرا.
کالیبره کردن GSFLOW با جمع آوری داده های جریان شاخه های اضافی؛ به این گونه که مشارکت جریان منطقه Spring Green در تخلیه به رودخانه ویسکانسین را بتوان برآورد کرد.
منابع:
Bradbury, K. 2009. Potential Impacts of Climate Change on Groundwater in Wisconsin. PowerPoint presentation dated September 29
Clayton, L and Attig, J.W. 1990. Geology of Sauk County, Wisconsin, Wisconsin Geological and Natural History Survey, Information Circular 67
Dott, R. H. Jr. and J.W. Attig. 2004. Roadside Geology of Wisconsin. Mountain Press Publishing Company, Missoula, Montana, 184 p
.Dunne and Leopold. 1978. Water in Environmental Planning. W.H. Freeman and Company, New York
FEMA. 2008. Hydrogeological and NFIP Interpretation of Terrace Flooding Northwest of Spring Green, Wisconsin, and Possible Mitigation, August 2008
Gotkowitz, M., K.K. Zeiler, C.P. Dunning, and J. Thomas. 2002. Delineation of Zones of Contribution for Municipal Wells in Sauk County, Wisconsin. Wisconsin Geological and Natural History Survey, Open-File Report 2002-05
Gotkowitz, M.B., Zeiler, K.K., Dunning, C.P., Thomas, J., and Lin, Y., 2005. Hydrogeology and simulation of groundwater flow in Sauk County, Wisconsin, Wisconsin Geological and Natural History Survey Bulletin 102, 43 p
Gotkowitz, M. 2009. Update on groundwater levels and long-term rainfall record. Letter to the Supervisors of the Town of Spring Green, WI dated October 1
Gotkowitz, M. 2008. Water and the Valley – Issues Underlying the Flood of 2008. PowerPoint presentation
Gotkowitz, M. and Attig, J.W. 2008. Water and the Valley – Issues Underlying the Flood of 2008. Power Point presentation http://basineducation.uwex.edu/lowerwis/pdf/WaterintheVallley.pdf
Gotkowitz, M and J. Exo. 2008. The Role of Geology and Groundwater in 2008 Flooding in the Spring Green Area, University of Wisconsin Extension
Iausly, F, 2008, Spring Green 2008 Flood Map, Sauk County Mapping Office, Wisconsin
Marciulionis, J., Amelse, A., and Goetz, S. 2011. Identification of Shallow Groundwater Flood Risk Areas, Spring Green Area, Wisconsin. Geological Society of America Abstracts with Programs, v. 43, n. 5, p. 460
Markstrom, S.L., Niswonger, R.G., Regan, R.S., Prudic, D.E., and Barlow, P.M. 2008. GSFLOW—Coupled Ground-water and Surface-water FLOW model based on the integration of the Precipitation-Runoff Modeling System
(PRMS) and the Modular Ground-Water Flow Model (MODFLOW-2005): U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-D1
State of Wisconsin International Charter and Eagle Vision, 2008. Report of the June 2008 Midwest Floods, October 2008
Winter, T.C., Harvey, J.W., Frank, O.L., and W.L. Alley, 1998, Groundwater and Surface Water, A Single Resource, USGS Circular 1139
___________________________________
این متن ترجمه ای بود از مقاله ای که در ذیل قادر به دریافت آن می باشید. همچنین فایل PDF ترجمه به سبب بهم ریختگی نسبی فرمول های متن آن در صفحات اینترنتی، در ادامه قابل دانلود می باشد.
تماس واتساپ: 09190622992 (98+)
شناسه تلگرام مدیر سایت: Basin_Ir_bot@
نشانی ایمیل: www.Basin.ir@Gmail.com
(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)
_______________________________________________________
تماس با ما
تماس واتساپ
گروه تلگرام ما
هشدارهای ما
آمار و اطلاعات
سفارش پروژه
در منابع آب
نظرات (۰)