مدل سازی منطقه ای آب های زیرزمینی یک وظیفه مهم در مدیریت آب استراتژیک است که شامل تمام کاربران، فعالیت ها و اکوسیستم های مربوطه و استفاده پایدار از شرایط فعلی و آینده است. برخی از ملاحظات خاص در مورد مدلسازی منطقه ای با توجه به تقسیم بندی اولیه و فضایی وجود دارد؛ یک مدل منطقه ای در نظر گرفته نشده است که پاسخ منطقه آبخوان را برای منطقه مشخص تعیین کند، در عوض شامل ارزیابی جریان آب های زیرزمینی منطقه و اندازه گیری شارژ، تخلیه و سایر فرآیندهای موجود در تعادل آب است.

SEAWAT یک مدل توسعه یافته توسط USGS برای شبیه سازی چگالی جریان آب زیرزمینی سه بعدی با انتقال شوری و گرما است. این نرم افزار بر اساس MODFLOW-2000 و MT3DMS است و در آخرین نسخه آن می تواند تغییرات ویسکوزیته را شبیه سازی کند و زمان اجرای سریع تر را فراهم کند. SEAWAT در Flopy، کتابخانه پایتون برای ساخت، اجرا و نمایش مدل MODFLOW اجرا می شود. این آموزش دارای جریان کاری کامل برای ایجاد و ارائه مثال پایه ای از ابزار سالین با SEAWAT و Flopy در یک نوت بوک Jupyter است.

نشان دادن مسیر جریان آب زیرزمینی برای درک شرایط واقعی و پیش بینی شده رژیم جریان آب زیرزمینی مفید است. این جهت و بزرگنمایی جهت و  چشم انداز سریع جریان های اصلی آب زیرزمینی و بین خطوط منابع و نقاط تخلیه را نشان می دهد. بردارهای جریان ویژگی های بسیار رایج در مدل سازی آب های زیرزمینی هستند که با استفاده از پشته منبع باز تا زمانی که توسعه کتابخانه Flopy وجود ندارد، دارای یک ابزار ویژه برای ارائه است.

آبخوان ها می توانند متخلخل، شکسته یا کارستی باشد. با توجه به تنظیمات زمین شناسی و فرآیندهای مربوط به تشکیل رسانه متخلخل، این مورد می تواند درجه بالایی ناهمگونی را نشان دهد که بر الگوهای آب های زیرزمینی و انتقال و توزیع آلاینده تأثیر می گذارد.

آلاینده ها برای منابع puntual / aerial با ناهمگونی ها و ناهنجاری های آبخوان روبرو می شوند. شناخت و مفهوم سازی توزیع واحدهای هیدروژئولوژیکی مختلف و خواص آنها در زیر زمین یک چالش برای هیدروژئولوژیست، مدلسازان عددی و متخصصان اصلاح است.

ساخت مدل های هیدروژئولوژیکی می تواند وقت زیادی برای ساخت و ساز، تجسم نتایج و کالیبراسیون را استفاده کند. مهم است که از ابزارهایی استفاده کنید که می توانند این کارها را بهینه سازی کنند و در زمان صرفه جویی کرده و در تجزیه و تحلیل سیستم آن را به کار گیرید.

در این فرصت ما Flopy را برای تکرار یک مدل حمل و نقل 2D از یک پست قبلی استفاده خواهیم کرد  با مجموعه ای متنوع از اسکریپت های پایتون است که می تواند برای اجرای MODFLOW و MT3D، از جمله برنامه های زیرزمینی مرتبط با MODFLOW، به روش ساده و کارآمد مورد استفاده قرار گیرد.

کادر بسته Package MODFLOW نشان دادن گزینه گزینه.

بسته MODFLOW Subidence) SUB) ابزاری برای شبیه سازی فرونشست آبخوان و تخریب زمین است. بسته SUB شامل توانایی شبیه سازی تراکم در هر دو شرایط الاستیک (قابل انعطاف) و غیر قابل الاستیک (غی قابل انعطاف) را داراست. این همچنین شامل توانایی شبیه سازی interbeds است که در آن زهکشی از interbed فوری (بدون تأخیر) یا با تأخیر است. بسته MOD MODEFLOW SUB می تواند یک پروژه جابجایی عمودی باینری ایجاد کند که توسط GMS خوانده شده و به عنوان یک مجموعه داده در موتور حل MODFLOW در Project Explorer نمایش داده شود. شرح مفصلی ورودی SUB در وب سایت USGS موجود است.

فرایندهای چرخه آب سطحی و زیرزمینی مربوط به بارش (شکل و شدت) و پویایی رطوبت خاک است. این پویایی رطوبت خاک توسط نوع خاک و منطقه ریشه در یک مقیاس زمانی در هر روز یا حتی ساعتی تعیین می شود. این پدیده ها در کتاب های متنی هیدروژئولوژی متداول مورد توجه و بررسی قرار نگرفته اند، شاید به دلیل استفاده شدید از ابزارهای مدل سازی و مفهوم سازی و اعتبارسنجی پیچیده.

مطالعه آب های زیرزمینی مطالعه عدم قطعیت است. این معضل چیزی است که شما در حال تحصیل نمی بینید و فقط با مشاهدات خاصی در پیزومترها یا جریان پایه درک می کنید. تا زمانی که بعضی از ابزارهای جدیدی ایجاد شود که به ما اجازه می دهد که آب های زیرزمینی را درون صورت های متخلخل ببینیم، یک رزونانس مغناطیسی را خواهیم داشت، باید تلاش های تحلیلی قوی را برای درک منابع آب زیرزمینی انجام دهیم.

آزمایش های آبخوان (آزمایش های پمپاژ، آزمایش های اسلاگ و آزمون های سطح-ثابت) برای تخمین مقادیر مشخصه مکان برای خواص هیدرولیک آبخوان ها و آکیتاردها انجام می شود. با این حال، در شرایط خاص، اطلاعات مربوط به ویژگی های هیدرولیکی یک مکان ممکن است در صورت لزوم در دسترس نباشد. به عنوان مثال، مطالعات شناسایی یا محاسبات محدوده ممکن است نیاز به ارزش های هیدرولیکی قبل از تحقیق در محل داشته باشد.

در بخش های زیر ارزش های مقادیر موجود ضرایب هیدرولیکی برای هدایت هیدرولیکی افقی و عمودی، ضریب نگهداری، آبدهی ویژه و تخلخل ارائه شده است. اگر این اطلاعات مربوط به مکان مطالعه شما در دسترس نیست یا برای بررسی نتایج آزمایشات آزمایشگاهی به چنین اطلاعاتی نیازمند هستید، به این مقادیر در جداول زیر مراجعه کنید.

فرمولاسیون جریان XT3D

فرمول جدید جریان آب زیرزمینی به طور خاص برای مدل GWF در MODFLOW 6 طراحی شده است. این فرمول جدید جریان، گزینه XT3D نامیده می شود. گزینه XT3D توانایی های MODFLOW را گسترش می دهد و امکان شبیه سازی بی نهایت کامل سه بعدی را در شبکه های منظم یا نامنظم فراهم می کند به طوری که به درستی تانسور هدایت هیدرولیکی کامل سه بعدی در نظر گرفته شود. همچنین می تواند دقت شبیه سازی جریان آب زیرزمینی را در مواردی که شبکه مدل نقض الزامات خاص هندسی را نقض می کند، بهبود دهد. بنابراین، گزینه XT3D جایگزینی برای (Packet Correction Ghost-Node Correction (GNC است که برای MODFLOW-USG طراحی شده است.

این شکل یک شبکه مثلثی (مش) را نشان می دهد که در آن اندازه های سلول های مثلثی در مناطقی با شیب هیدرولیکی نسبتا بزرگ مانند اطراف خط ساحلی دریاچه، چاه های پمپاژ و در امتداد یک جریان کاهش می یابد. این نوع شبکه لایه ای را می توان با استفاده از Discretization by Vertices Package در MODFLOW 6. ارائه کرد.

MODFLOW یک مدل جریان آب زیرزمینی منبع باز است که توسط سازمان تحقیقات زمین شناسی ایالات متحده توزیع شده است. برای بیش از 30 سال، برنامه MODFLOW به طور گسترده ای توسط دانشگاهیان، مشاوران خصوصی و دانشمندان دولتی به طور دقیق، قابل اعتماد و موثر برای شبیه سازی جریان آب های زیرزمینی استفاده شده است. با توجه به رشد روزافزون در تعاملات سطحی و آبهای زیرزمینی، پالایش محلی با شبکه های غوطه ور و غیر ساختاری، جریان آبهای زیرزمینی کارست، حمل و نقل محلول و نفوذ آب شور، منجر به توسعه نسخه های متعدد MODFLOW شده است. اگر چه این نسخه های MODFLOW اغلب بر اساس نسخه اصلی MODFLOW (که قبلا MODFLOW-2005) بود، اغلب ناسازگاری هایی است که استفاده آنها را با سایر نسخه های MODFLOW محدود می کند. در بسیاری از موارد، توسعه این نسخه های MODFLOW جایگزین با توجه به ساختار برنامه پایه، برای شبیه سازی یک مدل جریان جریان آب زیرزمینی با استفاده از یک شبکه منظم MODFLOW که شامل لایه ها، ردیف ها و ستون ها بود، به چالش کشیده شد.

گاها در هنگام مدل سازی و در مرحله واسنجی (نوعی بهینه سازی)، با خطای Floating Overflow برخورد می کنید. علت اصلی این خطا در نرم افزارها، تلفیق ارقام نامعقول پارامتری برای معادلات و در اینجا ماتریس های تفاضل محدود و یا الان محدود است. به این معنی که در توسعه مدل مفهومی، ارقام وارد شده ابتدایی برای پارامترهای آبخوان به شدت ناهمساز و نامرتبط بوده اند. 

پس پردازش نتایج

یک بار دیگر، می توانیم از فایل خروجی باینری MODFLOW، با استفاده از ماژول flopy.utils.binaryfile، سطوح آب را بخوانیم. همراه با Object HeadFile چندین روش وجود دارد که ما در اینجا استفاده خواهیم کرد: get_times لیستی از بارهای موجود در فایل head file را بازگرداند. get_data آرایه سطح سه بعدی را برای زمان مشخص بازگرداند. get_ts آرایه سری زمانی [ntimes، headval] برای سلول مشخص شده را برمیگرداند.

با استفاده از این روش، می توانیم نتایج حاصل از مدل ها، نمونه های سطح آب و هیدروگراف را ایجاد کنیم:

برای منشأ آب‌های زیرزمینی تئوری‌های متعددی بیان گردیده است که از همه مهمتر تئوری نفوذ آب در زمین است. قسمت بزرگی از آبی که به صورت برف و باران به زمین می‌رسد در زمین نفوذ کرده و پس از برخورد با سنگ‌ها و طبقات غیرقابل نفوذ مخازن آب‌های زیرزمینی را می‌سازند. این تئوری را نخستین بار فیزیکدانی فرانسوی به نام ماریوت، در قرن ۱۸ میلادی بیان گردید و پس از چندی لومونوسوف آن را تأیید کرد. با این توصیف که ترکیب شیمیایی این آب‌ها پس از نفوذ در زمین ثابت نمی ماند و بر حسب سنگی که در آن جریان یافته است تغییر می‌یابد. تئوری فوق مدتی مورد پذیش بود ولی در مورد آب‌هایی که در مناطق مختلف زیرزمینی محبوس بودند 

Packet Transient Well

حالا ما می توانیم شیء بسته چاه را ایجاد کنیم که از نوع flopy.modflow.ModflowWel است.

تعریف دوره های تنش

برای ایجاد مدل با دوره های تنش های مختلف، ما نیاز به تعریف nper، perlen، nstp و steady داریم. این کار در بلوک زیر انجام می شود به طوری که به ما اجازه می دهد این متغیر را مستقیما به شیء تقسیم بندی منتقل کنیم:

در این مثال، ما مدل آموزش های قبلی را به یک مدل جریان غیرقابل کنترل و مداوم با مرزهای زمانی متفاوت تبدیل خواهیم کرد. به جای استفاده از سطح آب های ثابت برای مرزهای چپ و راست (با تنظیم ibound to -1)، ما از مرزهای سطح آب کلی استفاده خواهیم کرد. ما در این مدل باید شرایط زیر را در نظر داشته باشید:

شرایط اولیه - سطح آب 10.0 در همه جا یکسان است.

دوره 1 (1 روز) - حالت پایدار با مرحله چپ و راست GHB = 10.

دوره 2 (100 روز) - GHB سمت چپ با مرحله = 10، راست GHB با مرحله تعیین شده به 0.

اجرای مدل سازی

Flopy همچنین می تواند برای اجرای مدل مورد استفاده قرار گیرد. شی مدل (mf در این مثال) یک روش متصل دارد که مدل را اجرا می کند. برای این کار، برنامه MODFLOW باید در جایی در مسیر سیستم یا در داخل دایرکتوری کار قرار بگیرد. در این مثال، ما مشخص کرده ایم که نام برنامه اجرایی 'mf2005' است. برای اجرای این مدل زیر را امتحان کنید:

بسته پایه

در گام بعد ما می توانیم جسم FloPy را ایجاد کنیم که MODFLOW Basic Pack را نشان می دهد. جزئیات در کلاس BAS فلاپی در: flopy.modflow.mfbas موجود است. برای این مدل ساده، مقادیر سطح پایه 10 و 0 به ترتیب به ستون اول و آخر مدل (در همه لایه ها) اختصاص داده می شود. کد پایتون برای انجام این کار:

ایجاد مدل MODFLOW

یکی از موارد مفید در مورد ایجاد مدل در پایتون این است که فرآیندی بسیار آسان داشته که با تغییر یک یا دو جزء، به طور کلی شبکه برای مدل شما را تغییر می دهد. بنابراین در این مثال، ما اسکریپت پایتون را طراحی می کنیم تا تعداد لایه ها، ستون ها و ردیف ها به راحتی تغییر کند.

ما می توانیم مدل MODFLOW بسیار ساده ای را تهیه کنیم که یک بسته پایه (BAS)، دیسک ورودی دیسکاوری (DIS)، بسته LPF یا package property، کنترل خروجی (OC) و حل کننده موتور گرادیان (PCG) را ایجاد کند. هر یک از این موارد فایل ورودی خود را دارد، که به صورت خودکار بوسیله FloPy ایجاد می شود.

این مجموعه آموزشی در سایت بیسین نشان خواهد داد که استفاده از FloPy برای توسعه مدل MODFLOW ساده است. توجه داشته باشید که می توانید این اسکریپت آموزش داده شده در پایتون را از اینجا دریافت کنید.

شروع آموزش: مقدمه و نحوه فعال سازی

اگر FloPy به درستی نصب شده باشد، می توان آن را به صورت زیر وارد کرد:

FloPy چیست؟

بسته FloPy شامل مجموعه ای از اسکریپت های پایتون برای اجرای MODFLOW، MT3D، SEAWAT و دیگر برنامه های آب زیرزمینی مرتبط با MODFLOW است. FloPy شما را قادر می سازد تمام این برنامه ها را با اسکریپت های پایتون اجرا کنید. پروژه FloPy در سال 2009 آغاز شده و به یک مجموعه کامل از اسکریپت ها با پایگاه کاربری رو به رشد افزوده است. FloPy3 در دسامبر 2014 با چند پیشرفت عالی که FloPy3 را به مدل سازی پسرو سازگار می کند، منتشر شد. اولین تغییر قابل توجه این است که FloPy3 از همه جا در فهرست صفر استفاده می کند، بدین معنا که تمام لایه ها، ردیف ها، ستون ها و دوره های استرس شروع به صفر شدن می کنند. این تغییر برای سازگاری صورت گرفته بود، چون همه شاخصه های آرایه قبلا صفر بود (همانطور که همه آرایه ها در پایتون) بود. این ممکن است نسبتا به مقدار کمی به کار گرفته شده و استفاده شود، اما امیدوارم از آشفتگی در آتی جلوگیری شود. دومین تقویت قابل توجه در مورد توانایی های این کد، مشخص کردن شرایط مرزی متفاوت و متغیر است

PEST.cloud سایتی است که شما را قادر می سازد تا مدل خود را بر روی ابر مایکروسافت Azure با استفاده از PEST_HP کالیبره کنید. اجرای PEST در ابر آسان است. شما فقط باید مدل خود را آپلود کنید، تعدادی از عوامل محاسبه را انتخاب کنید و استقرار دهید. برای یک مرور کلی از آنچه انتظار می رود از رابط PEST.cloud، اینجا کلیک کنید.