تعریف مدل:

    شمایی از یک پدیده واقعی و یا برداشت ذهنی از یک پدیده واقعی و به عبارت دیگرهر چیزی که تقریبی از یک سیستم واقعی باشد، مثلا سیستم آب زیرزمینی.  مدلها حتی در زندگی روزمره انسان ها نیز دیده می شوند؛ مثلا برداشت ذهنی در مورد افراد، و این برداشت ذهنی می تواند منطبق با واقعیت و یا نزدیک به واقعیت و یا دور از واقعیت باشد. هرچه داده و اطلاعات بیشتری داشته باشیم مدلسازی دقیق تری انجام می شود.

    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 م یکنند 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.

هدایت هیدرولیک افقی، یکی از مهم ترین مشخصه های هیدرودینامیکی خاک است که در محاسبه فاصله های زهکشی زیرزمینی مورد نیاز بوده و در مطالعات زهکشی مورد توجه قرار می گیرد. روش های متعددی برای اندازه گیری صحرایی هدایت هیدرولیک اشباع خاک وجود دارد که اساس کلیه آنها بر اندازه گیری سرعت جریان افقی آب در خاک استوار است. بر حسب اینکه اندازه گیری سرعت جریان آب در خاک در زیر سطح ایستابی یا در بالای سطح ایستابی صورت گیرد، روشهای تعیین هدایت هیدرولیکِ نیز متفاوت خواهد بود. برای اندازه گیری در شرایط زیر سطح ایستابی، دو روش، بیش از سایر روش ها متداول و معمول است که یکی به روش چاهک و دیگری به روش حفره زیر لوله یا روش پیزومتری موسوم است. وقتی آب در محیط اندازه گیری نباشد، روش های چاهک معکوس یا پورشه، تزریق چاهک و روش موسوم به نفوذ سنج گلف به کار برده می شود. هدایت هیدرولیک قائم نیز در زهکشی اهمیت داشته و برای اندازه گیری آن، از روش تیوب یا روش استوانه استفاده می شود.

    با توجه به اهداف کلان کشور در برنام ههای توسعه اقتصادی- اجتماعی و فرهنگی در بهره برداری بهینه از منابع آب، سیستم های آبیاری تحت فشار در اولویت های برنامه ریزی و اجرایی کشور قرار گرفت.

    مجموعه حاضر با عنوان مشخصات فنی عمومی آبیاری تحت فشار توسط اداره کل توسعه روشهای آبیاری تحت فشار معاونت آب و خاک وزارت جهاد کشاورزی تهیه و برای استفاده در طرح های عمرانی کشور به معاونت امور فنی سازمان از آن جا که مشخصات فنی سندی است که ویژگی های مهندسی یک محصول، فرآیند یا خدمت را مشخص می سازد، بدون شک یکی از اساسی ترین ضوابط موثر در ارتقای سطح دانش و آگاهی عوامل اجرایی محسوب و نظر به لزوم تبیین و تفکیک مسوولیت دستگاه اجرایی، دستگاه نظارت و عوامل اجرایی در کارگاه به عنوان مدرکی فنی، حقوقی و قراردادی از اهمیتی ویژه برخوردار است.

مدل آب زیرزمینی در واقع فرم ساده شده ای از یک سیستم واقعی آبهای زیرزمینی است که بطور تقریبی همبستگی بین عمل و عکس العمل هیدرودینامیکی را در یک سیستم ارائه میدهد. یکی از مهمترین مراحل مدلسازی، تهیه مدل مفهومی مناسب با طبیعت سفره می باشدکه تهیه آن، بستگی به اهداف مدلسازی و منابع موجود و آمار و اطلاعات میدانی دارد.

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.

عنوان انگلیسی مقاله:

GSFLOW—a basin-scale model for coupled simulation of ground-water and surface-water flow—part b. concepts for modeling saturated and unsaturated subsurface flow with the u.s. geological survey modular ground-water model

عنوان ترجمه شده مقاله:

    مدل GSFLOW: یک مدل در مقیاس حوضه برای شبیه سازی توأمان آب های زیر زمینی و جریان آب های سطحی. بخش دوم: مفاهیم مدل سازی جریان زیرسطحی اشباع شده و غیر اشباع با ماژول مدل آب های زیرزمینی USGS

چکیده:

    MODFLOW یک مدل جریان آب های زیر زمینی است که می تواند برای ارزیابی مسائل منابع آب های زیر زمینی و جهت اتخاذ تصمیمات مدیریتی در توسعه منابع آب های زیر زمینی در انواع مقیاس ها مورد استفاده قرار بگیرد. این مدل همچنین دارای توانایی بررسی اثر برداشت آب های زیر زمینی در آب های سطحی با استفاده از گزینه های مختلفی که به شبیه سازی فعل و انفعالات آب زیرزمینی با جریان ها و دریاچه ها می پردازد است. فرآیندهای محاسباتی و پروسه های سطحی در MODFLOW بودجه های آب های سطحی و انرژی برای قسمت بندی بارش به تبخیر و تعرق، رواناب، جریان های زیرسطحی، و جریان های غیر اشباع در زیر زون خاک را شامل نمی شود. به طور معمول، رواناب، نفوذ، و جریان غیر اشباع حاصل از سطوح آب زیرزمینی (با فرض تغذیه آب های زیر زمینی) در خارج از حیطه برآورد MODFLOW می باشد. MODFLOW به سیستم مدل بارش-رواناب (PRMS) که توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) ارائه شده است؛ به منظور بهبود برآورد نحوه تغذیه در مطالعات مدل سازی آب های زیر زمینی و جهت ارائه محاسبات کاملی از بودجه های آبی در یک منطقه و یا حوضه متصل گردیده است. این مدل جفت شده به نام GSFLOW شناخته می شود. همچنین کدهای اضافی نیز برای تسهیل اتصال دو مدل به GSFLOW اضافه شده است. ارتباط در MODFLOW از طریق یک پکیج جدید غیر اشباع از منطقه جریان (UZF1) می باشد؛ که برای مسیریابی جریان از زون خاک بکار رفته در PRMS به سمت سطح آب زیرزمینی طراحی شده است.

    مدیریت منابع آب یک تلاش عمده برای دولت ها در سراسر جهان است. رشد روز افزون جمعیت، نیاز به آب برای مصارف خانگی، صنعتی، کشاورزی و... را افزایش می دهد، در حالی که منابع آبی به دلیل استفاده بیش از حد و افزایش آلودگی ها در حال کاهش می باشند. در استرالیا، تقریبا 10 سال امتداد خشکسالی، نیاز به مدیریت بهتری در منابع آب را روشن کرده است. در سال 2004، در شورای دولتی استرالیا، یک توافق نامه بین دولتی در باره طرح ملی آب (NWI) امضا شد. در واقع NWI طرح پایدار استرالیا برای اصلاح مدیریت آب است. با اتخاذ طرح NWI، دولت استرالیا توافق کرده است که برای توسعه یک رویکرد ملی منسجم تر جهت مدیریت منابع آب در سراسر کشور تلاش کند.

    سرزمین ایران 160 میلیون هکتار وسعت دارد و حدود 75% آن در مرکز و شرق قرار گرفته که 32 میلیون هکتار آن را کویر تشکیل می دهد. در این نواحی میانگین بارندگی سالیانه کمتر از 200 میلیمتر بوده و جزء مناطق خشک جهان محسوب می گردد. منابع آبی این کشور غنی نبوده، بیشترین بهره برداری از ذخایر آب های زیرزمینی صورت می گیرد و از این رو این ماده حیاتی عامل محدود کننده مهمی در اجرای طرح های عمرانی بشمار می رود.

نرم افزار AquaCrop یک مدل بهره وری آب زراعی و توسعه یافته توسط بخش زمین و آب در فائو است.

این مدل برای شبیه سازی واکنش عملکرد گیاه به آب در محصولات علفی به ویژه در شرایطی که آب در آن یک فاکتور کلیدی و محدود کننده در تولید محصول است، مناسب می باشد. در حقیقت AquaCrop برای ایجاد تعادل، دقت، سادگی، و پایداری با استفاده از یک سری تعداد از پارامترهای نسبتا اندک، صریح و عمدتا بصری و همچنین متغیرهایی ورودی که نیازمند روش های ساده ای برای تعیین و تقریب آنها است. تلاش می کند.

بررسی مناطق با پتانسیل آبی

    اولین قدم برای اقدام به حفر چاه بهره برداری آب، شناسایی سازندهای با قابلیت ذخیره سازی و آبدهی مناسب می‌باشد. اصولا منابع تامین آب زیر زمینی به دو دسته تقسیم می‌شود.

الف- منابع آبی مستقر در زمینهای آبرفتی

ب- منابع آبی مستقر در سازندهای آهکی واجد شکستگی و غار

    رسوبات آبرفتی ریز دانه همراه با خاک رس، سازندهای مارنی‌ و یا سنگهای متراکم یکپارچه رسوبی، آذرین و یا دگرگونی بدون شکستگی و درز و شکاف نمی‌توانند برای تأمین آب به حساب آیند. ضمناً بهتر است در سازندهای آهکی مارنی و یا رسوبات تیپ آبرفتی که بوسیله سیمان سیلیسی و یا آهکی بهم جوش خورده‌اند با احتیاط بدنبال آب جستجو کرد.

آبیاری قطره‌ای چیست؟

    در آبیاری قطره‌ای آب از یک شبکه لوله کم فشار به صورت یک الگوی از قبل تعیین شده، پخش می‌گردد. وسیله خروج آب به خاک  قطره‌چکان نام دارد. قطره‌چکان‌ها از طریق یک نازل باریک یا مسیر جریان طویل، فشار موجود در شبکه لوله را کاهش می‌دهند و موجب کاهش دبی تخلیه تا حدود لیتر بر ساعت می‌شوند. آب بعد از خروج از قطره‌چکان‌ها توسط نیروهای کاپیلاری و ثقل درون خاک جریان می‌یابد، بنابراین سطحی که به وسیله قطره‌چکان‌‌ها خیس می‌شود با عوامل محدود کننده جریان افقی آب محدود می‌گردد.

در لینک ذیل قادر به انجام محاسبه آنلاین عمق نرمال در یک کانال منشوری می باشید.

     حفاظت رودخانه در برابر فرسایش و تخریب ناشی از جریان آب با استفاده از آبشکنها از جمله روش های متداول در مهندسی رودخانه تلقی می گردد. آبشکن ها با تعدیل شرایط هیدرولیکی و ایجاد جریان آرام، قدرت فرسایشی آب و توان حمل مواد رسوبی را کاهش داده و زمینه مساعدی برای رسوب گذاری و تثبیت کناره ها فراهم می آورند. آبشکن ها بر حسب مورد و شرایط رودخانه ای و اهداف مورد نظر در شکل ها و انواع مختلف طراحی و احداث می شوند. از دیدگاه کلی، آبشکن ها را می توان به دو گروه عمده شامل آبشکن های باز و بسته طبقه بندی نمود. آبشکن های بسته یا نفوذناپذیر از جمله سازه های حفاظتی می باشند که برای دور ساختن جریان از ساحل و حواشی آسیب پذیر رودخانه یا ایجاد شرایط مساعد برای پاک سازی مسیر از انباشته های رسوبی در رودخانه های با بار بستر زیاد نظیر رودخانه های شریانی می توان از آنها استفاده نمود. در این نوع سازه ها سرعت جریان آب در میدان آبشکن تقلیل یافته و با ترسیب مواد رسوبی شرایط لازم پایداری در امتداد کناره ها فراهم می گردد. آبشکن های باز یا نفوذپذیر نوع ذیگری از سازه های حفاظتی هستند که معمولا برای رودخانه هایی که دارای بار معلق زیاد می باشند می توان از آنها بهره جست. این آبشکن ها نیز از نظر ساز و کار رسوبگذاری به اصل کاهش سرعت جریان متکی می باشند. با کاهش سرعت جریان، فرصت لازم برای ته نشینی مواد رسوبی و تثبیت بستر در حوضچه آبشکن فراهم می آید.

    آب به عنوان یک ماده طبیعی هم از نظر زیست محیطی و هم از نظر دوام و بقاء زندگی و پایداری اکوسیستمها دارای اهمیت فوق العاده بوده و منبعی غیر قابل جایگزین است. استفاده از این منبع حیاطی در حالت ذخیره در درون زمین (منابع آب زیرزمینی) مستلزم اعمال مدیریت صحیح است، زیرا به طور مداوم تحت تأثیر استفاده بیش از حد و اثرات نامطلوب ناشی از آلودگی قرار دارد. این آلودگی هم از نظر منابع شناخته شده و هم از طریق منابع ناشناخته مستمرا آن را تهدید کرده و روی آن تأثیر سوء می گذارد. عدم برنامه ریزی و اعمال مدیریت صحیح پیامدهای غیر قابل جبرانی خواهد داشت.

     یکی از مسایل مهم در مورد سدها، بررسی آب بندی سازندهای موجود در مخزن و تکیه گاه ها قبل از احداث سد و پس از آب گیری مخزن (در صورت وجود نشت و فرار آب قابل توجه) می باشد. معمولا قسمت عمده فرار آب، در سدهای مناطق کارستی و از طریق چشمه های طبیعی که قبل از آب گیری سد وجود داشته اند صورت می گیرد به این ترتیب که بده این چشمه ها در اثر فرار آب از مخزن به طور ناگهانی افزایش می یابد.

     در مورد دیگر سازندهای سخت و غیرکارستی (به استثنای سنگ های ولکانیکی مانند بازالت ها)، لازم به ذکر است که این قبیل سازندها عمدتا تراوایی بسیار ناچیزی داشته و یا اینکه اگر در اثر فرایندهای تکتونیکی به طور محدودی دارای تراوایی شوند به دلیل عدم امکان انحلال و توسعه زون های تراوا، جریان آب در آنها به صورت افشان می باشد و بنابراین در مورد این قبیل سازندها نگرانی خاصی به منظور آب بندی سدها وجود ندارد. در بعضی از مناطق بازالت ها رفتار هیدروژئولوژیکی شبیه سازندهای کارستی با جریان مجرایی را از خود نشان می دهند که می توانند همانند سازندهای کارستی مخاطراتی را در آب بندی سدها به وجود آورند.

انواع سفره‌های آبدار

1- سفره آب آزاد

هر گاه لایه‌های نفوذ پذیر مرتبط با سطح زمین بر روی یک لایه غیر قابل نفوذ عمقی قرار گرفته باشد تشکیل سفره آب آزاد را می‌دهد. این نوع سفره آبی از بارشهای جوی بطور مستقیم تغذیه میکند و بعلت آنکه فاقد لایه پوششی غیر قابل نفوذ می‌باشد درمعرض خطر آلودگی‌های سطحی مثل فاضلاب‌ها قرار دارد. سطح آب این قبیل سفره‌ها که با کم و زیاد شدن تغذیه و یا برداشت آب ، بالا و پایین می‌گردد ، بنام سطح آب آزاد یا سطح ایستابی (Water Table) نامیده می‌شود.

گردش آب در طبیعت

    آب موجود در کره زمین از دریاها و اقیانوس‌ها منشاء گرفته است که در اثر تبخیر و صعود به طبقات بالای جو به شکل نزولات آسمانی به خشکی‌ها برگشته و پس از تغییرات مختلفی مجددا به دریاها می‌ریزد و این چرخه همچنان تکرار می‌شود. حجم آبهای موجود در کره زمین 1370 میلیون کیلومترمکعب تخمین زده شده است که 73% سطح کره خاکی را می‌پوشاند و بخش اعظم آن را آبهای شور دریاها و اقیانوس‌ها تشکیل می‌دهد.

    مقدار آبهای شیرین رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و ذخائر زیرزمینی حدود 1 میلیون کیلومتر مکعب برآورد می‌شود. میزان یخ‌های موجود در قطبین زمین معادل 25 میلیون کیلومتر مکعب آب شیرین می‌باشد و بالاخره اتمسفر زمین حدود 50.000 کیلومتر مکعب آب بصورت ابر و رطوبت دارا می‌باشد.

     نخستین آزمایش ردیابی ثبت شده در تاریخ به بیش از 1900 سال پیش باز می گردد. در این آزمایش از خرده های کاه برای پی بردن به سرچشمه رودخانه ای در اردن استفاده شد. از آن پس تاکنون روش های گوناگون ردیابی به وسیله بشر به کار گرفته شده است. هم اکنون در مطالعات منابع آب زیرزمینی و همچنین شاخه های دیگر منابع آب مانند آب های سطحی، یخ و برف و دیگر شاخه های مهندسی روش های ردیابی کارایی گسترد های دارند.

     در گذشته کاربرد عمده ردیاب ها در آب های زیرزمینی در پی بردن به مواردی همچون جهت، مسیر، سرعت و زمان عبور آب بوده است. امروزه با توجه به روند رو به افزایش آلودگی منابع آب های سطحی و زیرزمینی  علاوه بر موارد فوق مواردی همچون پخشیدگی و انتقال آلاینده ها نیز مورد توجه می باشد. به منظور شناخت و حفاظت کیفی منابع آب داشتن دانشی دقیق از رفتار مواد آلاینده در درون این سیستم ضروری است که به کمک روش های ردیابی می توان این رفتار را تا حدود زیادی شبیه سازی نمود.

     رودخانه ها و آبراهه ها تحت تأثیر عوامل طبیعی و یا دخالت های انسان دچار فرسایش بستر، فرسایش کناره ها و جابه جایی عرضی می شوند. فرسایش رودخانه ای به نوبه خود موجب بروز خطرات و خسارات عدیده ای برای اراضی مجاور رودخانه ها و مستحدثات ساحلی می شود، به طوریکه سالانه میلیون ها تن از خاک های با ارزش اراضی حاشیه رودخانه ها دچار فرسایش شده و علاوه بر هدر رفتن خاک با ارزش، موجب از بین رفتن زمین های کشاورزی و پرشدن مخازن سدها و کاهش عمر مفید آنها و همچنین ایجاد مشکلات زیادی در بهره برداری از تأسیسات آبگیری و انتقال آب می شود.

     مهندسی رودخانه علمی است که هدف آن استفاده حداکثر از رودخانه ها برای رفع نیازهای اقتصادی و ارتباطی و به حداقل رساندن خطرات و زیان های ناشی از آن ها می باشد. علی رغم سابقه طولانی استفاده انسان از رودخانه، مهندسی رودخانه به صورت کلاسیک سابقه چندانی نداشته و نسبت به سایر زمینه های علمی؛ ناشناخته و جوان تر است و به همین دلیل انجام مطالعات بیشتر در این زمینه، لازم به نظر می رسد.