مرکز مدل سازی یکپارچه آب های زیرزمینی

مرکز مدل سازی یکپارچه آب های زیرزمینی (IGWMC) مرکز اطلاعات، آموزش و تحقیقات بین المللی بررسی برای مدل سازی آبهای زیرزمینی است. IGWMC تشریح می کند مسائل مربوط به مدل سازی آب های زیرزمینی، نرم افزار مدل سازی زیرزمینی را توزیع کرده و توسعه می دهد، دوره های کوتاه، کارگاه ها و کنفرانس ها را سازماندهی کرده و تحقیقات در زمینه های عملی و کاربردی هیدرولوژی و مدل سازی زیرزمینی را منجر می شود. محققان و همکاران آنها در زمینه مسائل مربوط به مدل سازی آبهای زیرزمینی، به ارائه محتوای فنی در حوضه آبریزش، و آموزش در آب های زیرزمینی در جامعه، کمک فنی می کنند. این مرکز به عنوان نقطه کانونی برای متخصصان آبهای زیرزمینی، مرکز پشتیبانی و پیشرفت در استفاده از مدل های مطمئن کیفیت در حفاظت و مدیریت منابع آب زیرزمینی است.

مقدمه

GMS (سیستم مدل سازی آب های زیرزمینی) یک برنامه کامل برای ساخت و شبیه سازی مدل های آب زیرزمینی است. از ویژگی های آن ساختار 2D و 3D زمین آمار، مدل سازی چینه شناسی و رویکرد مدل مفهومی منحصر به فرد و قدرتمند است. مدل های حال حاضر پشتیبانی شده عبارتند از MODFLOW، MODPATH، MT3DMS، RT3D، FEMWATER، SEEP2D و UTEXAS.

از نسخه 6 معرفی شده به بعد استفاده از فرمت XMDF (گسترش مدل فرمت داده) مقدور شده است، که یک فرمت سازگار از HDF5 می باشد. هدف از این قابلیت این است که اجازه ذخیره سازی داخلی و مدیریت داده ها در یک فایل HDF واحد را می دهد، که در واقع به جای استفاده از بسیاری از فایل های Flat می باشد.

آنچنان که در ذیل می خوانید، سایت انتشار دهنده کد PEST برای بهبود کارایی و شخصی سازی کد واسنجی خود راهنمای کاربرد و توسعه مدل را برای برنامه نویسان ارائه می دهد. توضیحات زیر می تواند برای علاقه مندان به شبیه سازی های محیطی و بخصوص آب زیرزمینی کارا باشد.

چه ویژگی جدیدی در PEST نسخه 14 است؟ چند رفع اشکال و برخی از بهبود کارایی های جزئی. با این حال، تغییر بزرگ سازگاری با PEST_HP - در نسخه جدید PEST است که طراحی آن برای استفاده در محیط های بسیار موازی مانند حالت ابری بهینه سازی شده است. شما می توانید PEST_HP را از وب سایت PEST.cloud دریافت کنید.

کد PEST بسته نرم افزاری استاندارد صنعت برای ارزیابی پارامترها و تجزیه و تحلیل عدم قطعیت مدل های پیچیده زیست محیطی و دیگر مدل های کامپیوتری است. کارایی این کد  به این گونه است که همراه با طیف وسیعی از برنامه های کاربردی که از آن در ارتباط با مدل های آب زیرزمینی و آب سطحی استفاده می شود؛

PEST - کتاب

این کتاب یک تئوری را در بر می گیرد که PEST و مجموعه نرم افزار ابزار آن مبتنی بر آن هستند. همچنین مسائل مهمی مانند نحوه استفاده از مدل ها در زمینه تصمیم گیری، تحلیل عدم قطعیت، آزمون فرضیه مبتنی بر مدل و اثرات نقایص مدل در کالیبراسیون، پیش بینی و تحلیل عدم قطعیت را پوشش می دهد. این کتاب یک متن مرجع ضروری برای کسانی است که در مدل سازی محیط زیست مشغول به کار هستند. اینجا درباره این کتاب بیشتر بدانید.

هدایت هیدرولیکی رسوبات و لایه های زمین شناسی

خصوصیات هیدرودینامیکی لایه ها شامل هدایت آبی، ضریب انتقال، ضریب ذخیره یا آب دهی ویژه می شوند. خصوصیات هیدرودینامیکی لای هها که پارامترهای هیدرولیکی آبخوان نیز نامیده می شوند، بیانگر چگونگی جریان آب زیرزمینی در لایه ها و هم چنین تغییرات سطح ایستابی و سطح پیزومتری به ترتیب در آبخوان های آزاد و محبوس م یباشند. در حقیقت این پارامترها مهم ترین ویژگ یهای آبخوا نها هستند که برآورد دقیق آنها در حل مسایل مختلف هیدروژئولوژیکی بسیار حائز اهمیت می باشد. روش های مختلفی برای برآورد این ضرایب وجود دارد که از جمله می توان به استفاده از فرمول ها، روش های آزمایشگاهی، روش ردیابی، روش چاهک آزمایش، و روش آزمایش پمپاژ می باشد. دقیق ترین و رایج ترین روش تعیین خصوصیات هیدرودینامیکی آبخوان ها استفاده از روش آزمایش پمپاژ است.

چگونگی تهیه نقشه هم پتانسیل آب زیرزمینی را با استفاده از ارتفاع سطح آب زیرزمینی در سه پیزومتر

اندازه گیری های مربوط به ارتفاع سطح آب در پیزومترها به عنوان اساس تعیین جهت جریان آب زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرند. برای این منظور باید نقشه های هم پتانسیل یا ایزوپیز تهیه شود. برای تهیه نقشه های هم پتانسیل آب زیرزمینی تعدادی پیزومتر در آبخوان حفر می شود که باید توزیع نسبتا یکنواختی در منطقه مورد نظر داشته باشند. با داشتن حداقل سه پیزومتر در هر منطقه می توان خطوط تراز آب زیرزمینی را ترسیم نمود. به منظور تهیه نقشه هم پتانسیل، محل پیزومترها بر روی نقش های با مقیاس مناسب ترسیم می شود (برای مثال در دشت ها مقیاس مناسب اغلب یک به 50000 می باشد).

ویپ و بررسی اقتصادی سناریو ها 

اگر چه در منابع دیگر در مورد توانایی‌های ویپ توضیحاتی به عمل آمده است، اما در این بخش نیز با توجه به هدف و میزان استفاده ای که از قابلیت‌های ویپ انجام شده به صورت مختصر اشاره می‌گردد. در واقع با استفاده از یک مدل آب زیرزمینی همچون MODFOLOW می‌توان شرایط هیدروژئولوژیکی یک منطقه را مدلسازی کرد. با توجه به برخی از راهبردهای مدیریتی در حد تنظیم سطح آبخوان به صورت کمی از اینگونه مدل ها استفاده کرد. اما نکته حائز اهمیت اینست که "با ارائه این گونه راهبردها که یک جانبه نگری می‌کنند تا چه حد می‌توان اکتفا کرد؟" درصورت اکتفا به یک راهبرد مدیریتی در مدیریت یک منبع آبی نمی‌توان به برخی سوالات و مفروضات همچون موارد اشاره شده زیر پاسخ داد، و کماکان بدون جواب خواهند ماند.

پنجره زنجیره مارکف عمودی

پنجره کمکی در تعریف زنجیره مارکف عمودی. این پنجره از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

بخش طرح

بخش زنجیره مارکوف 

بخش صفحات گسترده

هر سه بخش توسعه 1D زنجیره مارکوف در جهت عمودی را میسر می سازد.

بخش پلات شامل آرایه ای از منحنی ها، زمینه ویرایش فاصله بندی تاخیر، دکمه محاسبه، و فاصله تاخیر حدأکثری برای زمینه پلات ویرایش است. تعداد پلات ها در آرایه تولید شده به تعداد مواد استفاده شده در شبیه سازی ارتباط دارد. اگر به تعداد n ماده استفاده می شود، یک رایه N در N پلات احتمالات انتقال برای هر یک از مواد را با توجه به هر ماده دیگر نشان می دهد. هر طرح با یک نام و واحد برچسب شده و می تواند با یک فرمان در منوی تولید شده توسط راست کلیک کردن بر روی منحنی در بخش پرسش به حداکثر اندازه برسد. این منحنی ها به صورت خودکار در هر زمان بازسازی از یک تغییر در بخش های دیگر در پنجره دیالوگ دوباره سازی می شوند.

سه روش برای تولید مدل سازی تصادفی در GMS  با استفاده از MODFLOW در ورژن  2000 یا 2005 وجود دارد. اول، پهنه بندی پارامتر با استفاده از هر یک از روش نمونه گیری تصادفی، نمونه برداری مکعب لاتین، و یا زمینه گاوسی برای تولید نتایج مختلف می باشد. روش دوم استفاده از شبیه سازی شاخص های تولید شده توسط ابزار T-PROGS می باشد. سوم، روش فضایی تهی مونت کارلو (NSMC) است؛ که به تولید مدل های متعدد با مجموعه های مختلف از پارامترها اقدام می کند (در GMS 9.0 و ورژن های بعد از آن).

پس از تولید نتایج شبیه سازی تصادفی، کاربر می تواند این نتایج را با استفاده از جستجوگر پروژه بررسی کرده و ببینید. کاربر همچنین می تواند نتایج را با استفاده از Wizard و یا ابزار تجزیه و تحلیل آماری به منظور بررسی ریسک راه حل های تصادفی اصلاح نماید.

داده های اولیه و توسعه مدل آبخوان

به منظور توسعه و آماده سازی سامانه های پیچیده جریان به داده های با وضوح بالا نیاز است.

در سال 1988، شرکت DuPont با تکمیل تحقیقات آب های زیرزمینی در دوپانت بل در غرب ویرجینیا، تشخیص داد که به منظور اقناع سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده در حفاظت از منابع و قانون بهبود (RCRA) به مجوز اقدامات اصلاحی و  تسهیلات ویژه ای نیاز است. تمرکز تحقیقات بر تعدادی از واحد های مدیریت مواد زائد جامد با سابقه مورد استفاده، در منطقه کوهستانی 600 هکتاری در مجاورت یک کارخانه بود. این کار توسط شرکت DuPont و بخش گروه بازسازی شرکت (DCRG) و مشاوران URS انجام شد.

پس از نصب تعدادی از چاه مانیتورینگ سنتی در سایت، این موضوع برای دانشمندان پروژه مشخص شد که به داده های بیشتر و بهتری برای به درستی توصیف کردن سیستم جریان آب زیرزمینی پیچیده نیاز است.

تغییرات آب و هوایی و افزایش سطح آب دریا می تواند تغییرات قابل توجهی در تولید رواناب ها و جاری شدن سیل در مناظر سواحل کم ارتفاع را سبب شود. یک چالش عمده برای مقامات دولت های محلی و تصمیم گیرندگان در ترجمه این اثرات جهانی بالقوه تغییرات آب و هوایی در انطباق با استراتژی های عملی و مقرون به صرفه در شهرستان ها و در اصل مقیاس های شهری است. از مدل پردازش MODFLOW برای نمایش زیر مقیاس شبکه هیدرولوژی در مناطق شهری برای کمک به رسیدگی به این مسائل استفاده شده است. رهگیری توأم، آب های سطحی، فروافتادگی ها، و ذخیره منطقه غیر اشباع، ارائه گردیده است. ویژگی های اضافی شامل ساختار، مانع ها، جریان مجاری آب بین سلول های مجاور، مرزهای ایستگاه های مشخص، مرزهای جریان بحرانی، شرایط آب سطحی source/sink، و رواناب دو جهته به پردازشگر MODFLOW در روند یابی آب سطحی اعمال گردیده است. برخی از توانایی های مدل پردازش رواناب شبکه (URO) با یک مسأله مصنوعی با استفاده از چهار کاربری اراضی و پوشش متفاوت سلول بررسی شده است. برای بارش از طوفان فرضی استفاده شد و سلول به سلول عمق آب، سطح آب های زیرزمینی، سرعت نفوذ، و نرخ تغذیه آب های زیرزمینی نشان داده شد. نتایج مشخص کرد مدل پردازش URO با موفقیت توانایی تولید متغیرهای زمانی، آب-محتوا وابسته به نفوذ و نشت را به همراه مدل MODFLOW دارا است.

گرچه طراحی شبکه مدل به ظاهر ساده به نظر می رسد، ولی به دلیل این که یکی از حساس ترین مراحل مدل سازی، شبکه بندی منطقه مطالعاتی است، در زیر نکات اساسی و کاربردی در تعیین اندازه شبکه ذکر شده است:

- حتی الامکان شبکه ها طوری طراحی شوند که تمام محدوده مطالعاتی را در بر گیرند. معمولا هرچقدر وسعت منطقه مدل بزرگ تر باشد فواصل شبکه بندی بزرگ و هرچه دقت بیش تر مورد نیاز باشد، شبک هها کوچک انتخاب م یشوند.

- هرچه اطلاعات و آمار ورودی مدل از نظر توزیع مکانی در دسترس باشد و کیفیت این آمار نیز در حد قابل قبول باشد، در این صورت برای اخذ نتایج بهتر، می توان ابعاد شبکه ها را کوچک تر انتخاب کرد.

سابقه‌ی مدلسازی

سابقه‌ی مدلسازی بسته به تعریفی که از مدل می‌توان ارائه نمود متفاوت بوده، اما عمده مدلسازی به مفهوم امروزی مربوط به سالهای دهه 1950 به بعد می‌باشد. که از روش‌های عددی خصوصاً تفاضل و المان‌های محدود برای حل معادلات جریان و انتقال به کرات استفاده شده و برنامه‌های کامپیوتری متعددی برای حل این معادلات نوشته شده است. همزمان با توسعه علم کامپیوتر، برنامه‌های مذکور هم از نظر روش‌های حل دستگاه معادلات جبری حاصله، هم از جهت قدرت اعمال شرایط مرزی گوناگون، هم از نظر ساده تر کردن مراحل اعمال ورودی‌ها و دریافت خروجی‌ها وغیره به حد بسیار مناسبی ارتقاء یافته‌اند. 

حوادث و سوانح انسان ساخت

انواع حوادث و سوانح غیرطبیعی یا انسان ساخت نیز براساس فعالیت های متنوع انسانی از تنوع بسیاری برخوردار  می باشند. این موارد شامل؛ ریزش ساختمان، انفجارات شیمیایی، ریزش یا نشست معدن، آلودگی جوی، سوانح هوایی، سوانح دریایی، سوانح زمینی، سوانح خانگی، آتش سوزی، انفجارات و آزمایشات اتمی، جنگ، آلودگی نفتی، سوانح تکنولوژی-صنعتی، آلودگی های شیمیایی و پسماندهای خطرناک می باشد.براساس آمار موجود در بانک بین المللی اطلاعات سوانح (www.em-dat.net)، لودگی آب های سطحی و زیرزمینی، آلودگی هوا، فرسایش خاک و بیابان زایی از جمله آسیب هایی است که جامعه صنعتی در محیط زیست وارد می سازد. فعالیت هاى انسانى تاثیر عمیق و عمده اى بر روى منابع آبى دارند. همراه با افزایش جمعیت، اقتصاد نیز توسعه مى یابد، هرچند که رشد اقتصادى مى تواند همراه و همگام با حفاظت و بازسازى محیط زیست باشد اما سبب تغییر دو پارامتر عمده یعنى آب و زمین مى شود. دراین بخش از بین فعالیت های انسانی که منجر به آلودگی منابع آب می شوند، حوادث حمل و نقل مواد، خرابی تاسیسات و تجهیزات و دفن و انتشار مواد زاید خطرناک مورد بررسی قرار می گیرند.

مسایل بهره برداری از منابع آب جهان فقط به مصرف نادرست آن برنمی گردد. گاهی انسان با کارهای نادرستش ماهیت آب را تغییر می دهد که به آن آلودگی آَب می گویند. آلودگی آب، تغییرات فیزیکی، شیمیایی و زیستی (میکروبی) را شامل می شود. آلودگی آب ها یکی از عمده ترین معضلات جوامع بشری امروز محسوب می شود. این مساله علاوه بر این که در سلامت انسان ها تاثیر مستقیم دارد، اکوسیستم محیط های آبی را برهم می زند. برای دستیابی به یک فهرست مشخص از انواع آلاینده های ناشی از حوادث، شناخت یک حادثه دارای اهمیت می باشد.

براساس یک تعریف، از نگاه کلی، حوادث آلودگی محتمل در منابع آب کلا به دو دستۀ سوانح طبیعی و حوادث ناشی از فعالیت های انسانی تقسیم می شوند در جدول زیر فهرست انواع سوانح آلودگی منابع آب آورده شده است:

آب که مایه حیات انسان و کلیه موجودات زنده روی کره زمین بشمار می رود بصورت نسبتاً خالص در اثر بارندگی به سطح کره زمین نازل می شود. اولین منبع آلوده کننده آب اتمسفر کره زمین می باشد که حاوی ذرات گرد و غبار و گازهای مختلف بوده و قطرات باران را آلوده می کند. آب باران و یا آب حاصل از ذوب برف، در اثر جاری شدن بر روی سطح زمین ویا جریان در بین لایه های خاک با ساختارهای مختلف، مواد گوناگون را در خود حل نموده و یا جذب می نماید و بدین صورت از کیفیت آن کاسته می شود. آبها با کیفیت های مختلف بدین ترتیب به آبراهه ها ، رودها و رودخانه ها سرازیر شده و به پشت سدها می رسد و در آنجا انباشته می گردد. از طرفی دیگر مقداری از آن بین لایه های خاک گذشته وبا جذب عناصر شیمیایی مختلف به سفره های آب زیرزمینی می پیوندد.

تعیین تغییرات کیفیت آبهای زیرزمینی در رابطه با بارندگی و چگونگی توزیع آن در گستره دشتها، این امکان را بوجود می آورد که در مناطق دارای روند افزایش شوری، در رابطه با کاهش برداشت ، محدودیتهای مورد نیاز مدیریتی اعمال گردد. از طرف دیگر در نواحی که تحت تاثیر تغذیه مناسب قرار داشته و تغییرات کیفی ایجاد نشده است .می توان نسبت به افزایش بهره برداری و بهره وری از منابع موجود اقدام نمود. کنترل تغییرات کیفی در مقاطع زمانی مناسب، علاوه بر آشکارسازی سیمای گذشته کیفی آب، امکان روندیابی را فراهم نموده و پیش بینی وضعیت کیفی آب در آینده را میسر می سازد.

این نرم افزارها و مواد مرتبط (داده ها و اسناد و مدارک) توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) جهت منافع عمومی و پیشرفت علم استفاده کنندگان در دسترس قرار گرفته است. شما ممکن است، بدون هیچ گونه هزینه یا با پرداخت هزینه از این ابزارها استفاده، کپی برداری، اصلاح، یا توزیع توسط یک نرم افزار و هر آثار مشتق شده از آن، و اسناد آن نمایید. این موضوع را با توجه به حقوق نرم افزاری USGS کاربران، باید بررسی کنید.

شما می توانید دیگر نسخه های الکترونیکی و یا چاپی گزارش USGS و اسناد و مدارکی که در توزیع نرم افزار گنجانده شده است از اینجا دریافت کنید.

GMS (سیستم مدل سازی آب های زیرزمینی) یک برنامه کامل برای ساخت و شبیه سازی مدل های آب زیرزمینی است. از ویژگی های آن ساختار 2D و 3D زمین آمار، مدل سازی چینه شناسی و رویکرد مدل مفهومی منحصر به فرد و قدرتمند است. مدل های حال حاضر پشتیبانی شده عبارتند از MODFLOW، MODPATH، MT3DMS، RT3D، FEMWATER، SEEP2D و UTEXAS.

از نسخه 6 معرفی شده به بعد استفاده از فرمت XMDF (گسترش مدل فرمت داده) مقدور شده است، که یک فرمت سازگار از HDF5 می باشد. هدف از این قابلیت این است که اجازه ذخیره سازی داخلی و مدیریت داده ها در یک فایل HDF واحد را می دهد، که در واقع به جای استفاده از بسیاری از فایل های Flat می باشد.

MODFLOW در سازمان زمین شناسی ایالات متحده به عنوان یک مدل ماژولار جریان تفاضل محدود توسعه یافته است، این مدل یک کد کامپیوتری است که معادله جریان آب زیرزمینی را حل می کند. این برنامه توسط علم هایدروژئولوژی برای شبیه سازی جریان آب زیرزمینی از طریق سفره های آبی تهیه گردیده است. منبع کد نرم افزار دارای مالکیت عمومی رایگان است. MODFLOW در درجه اول با زبان برنامه نویسی فرترن نوشته شده است، و می تواند کامپایل شده و بر روی ویندوز و یا سیستم عامل های شبه یونیکس اجرا گردد.

شبکه 3 بعدی

از آنجا که MODFLOW توسعه اصلی خود را در اوایل دهه 1980 داشته است، سازمان زمین شناسی آمریکا چهار نسخه های اصلی از آن را منتشر کرد، و در حال حاضر این نسخه ها عملا به عنوان کد استاندارد برای شبیه سازی آبخوان در نظر گرفته شده است. چندین واسط کاربر گرافیکی تجاری و غیر تجاری نیز به طور فعال برای MODFLOW توسعه یافته است.

منابع USGS MODFLOW و Visual Studio Solutions

فایل هایی که در زیر قابل دریافت می باشد برای کمک به کاربرانی است که قصد کامپایل و ویرایش سریع MODFLOW را دارند (در مقایسه با دانلود از USGS و پیکربندی فرایند تدوین). کاربر نهایتا باید مایکروسافت ویژوال 2010 و اینتل ویژوال فرترن 2011 را به شکل نصب شده برای باز کردن راه حل و کامپایل MODFLOW داشته باشد. هر یک از فایل های فشرده زیر، هر دو منبع USGS برای نسخه خاص از MODFLOW و نیز به عنوان یک راه حل ویژوال استودیو 2010 است. به سادگی از حالت زیپ خارج (و یا استخراج) کرده، راه حل را در ویژوال استودیو باز کرده، و کد را کامپایل کنید.