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.

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. 

با در نظر گرفتن مدل مفهومی آبخوان، تعیین روش حل معادلات، انتخاب نرم افزار مناسب و ورود داده ها، مدل راه اندازی می شود که اگر معادله پایه جریان آب زیرزمینی را در نظر بگیریم.

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:

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.

بدون شک یکی از مهم ترین معیار های انتخاب مدل، کارایی مدل است که با در نظر گرفتن خصوصیات هیدروژئولوژیکی و کیفی آبخوان بتواند در شرایط طبیعی مورد استفاده قرار گیرد. در بحث آلودگی و کیفیت آب های زیرزمینی، مدل های بسیاری وجود دارند که در زمینه های مختلف مانند شوری، آلودگی های ناشی از کشاورزی مانند نیترات، پتاسیم و آلودگی های نفتی، آلودگی های فاضلاب شهری و صنعتی و همچنین اتمی، می تواند مورد استفاده قرار گیرند. بدیهی است باتوجه به نوع مشکل، مدلی که بتواند پاسخ گوی مساله باشد و کارایی لازم را داشته باشد باید انتخاب شود. از طرف دیگر با توجه به نیاز مدل کیفی به پارامتر سرعت آب و مقادیر بیلان در هر گره، این مدل باید قابلیت تلفیق با مدل کمی را داشته باشد.

معیار دیگر را می توان عمومیت مدل دانست، طوری که مدل فقط خاص یک مساله و در یک منطقه نباشد بلکه بتواند در شرایط مختلف با اندک اصلاحاتی جوابگو باشد. در غیر این صورت فقط مختص یک منطقه خواهد بود و از آن نمی توان در سایر نقاط استفاده کرد.

محدوده مطالعات

به طور کلی دو قسمت عمده نحوه تعیین حریم کیفی به شرح زیر می باشد:

• حریم کیفی نقطه ای یا حریم کیفی در سطح حوضه چاه
• حریم کیفی ناحیه ای یا حریم کیفی در سطح آبخوان

ضرورت تعیین حریم کیفی آب های زیرزمینی

به منظور حفاظت آبخوان ها در مقابل آلودگی، اعمال محدودیت ها بر کاربری اراضی موجود و آینده، و هم چنین برداشت بیش از حد از آبخوان ها، ضروری است. اما در این بین محدودیت هایی نیز وجود دارد، چرا که از دیدگاه اقتصادی- اجتماعی قابل قبول نیست که برای حفاظت از منابع آب زیرزمینی، کل محدوده آبخوان را برای کاربری های مختلف ممنوع کرد. بنابراین بسیار مقرون به صرفه و معقول خواهد بود که به جای اعمال کنترل بر کاربری اراضی و میزان برداشت، در هنگام تعریف و تعیین سطح کنترل لازم در حفاظت از کیفیت آب زیرزمینی از ظرفیت میرایی طبیعی آلاینده (خود پالایی آلاینده) در منطقه غیراشباع استفاده شود و در نتیجه به جای آنکه تمامی قسمت های آبخوان ممنوع شود، تنها توسعه کاربری، برای مناطق حساس و مستعد آلودگی متوقف گردد.

ایرانیان از آغاز بهره برداری از منابع آب اعم از چاه، قنات، چشمه و یا رودخانه به فکر رعایت حریم کمی منابع آب بوده اند، چراکه همواره نوعی نگرانی برای صاحبان یک منبع آب وجود داشته که ایجاد منبع آبی جدید اثرات سوء و نامطلوب بر منبع قدیمی آب بگذارد. بنابراین تعیین حریم یک منبع آبی نوعی اطمینان خاطر برای صاحبان آن و از سوی دیگر هشداری بود به افرادی که می خواستند منبع جدیدی در حوالی یک منبع قدیمی آب ایجاد نمایند و آنها را ملزم به رعایت حریم می نمود. امروزه با رشد جمعیت و افزایش تعداد چاه ها و استفاده بی رویه از آب های زیرزمینی جهت مصارف شرب، صنعت و کشاورزی از یک طرف و نفوذ زه آّب ه ای کشاورزی، نفوذ پساب های صنعتی و فاضلاب های شهری به داخل آبخوان ها و هم چنین استقرار کاربری های نامناسب در اطراف منابع آبی از طرف دیگر، تغییرات قابل ملاحظه ای در کیفیت آب های زیرزمینی به وجود آمده است. بنابراین علاوه بر تعیین حریم کمی، لزوم تعیین حریم کیفی براساس معیارهای علمی و کاربردی جهت اعمال مدیریت صحیح بر حفاظت و بهره برداری از منابع آب زیرزمینی و بالاخص حفاظت از کیفیت این منابع آب با ارزش بیش از گذشته احساس می گردد.

مصارف بی رویه و کنترل نشده منابع آب‌سطحی و زیرزمینی، کاهش نزولات جوی، تمرکز مصرف در برخی نقاط (عدم تعادل بین تقاضا و پتانسیل تأمین آب)، الگوی کشت نامناسب و عدم آبیاری صحیح و حفر چاه های متعدد و بهره‌برداری بی برنامه از آن ها در چند دهه اخیر باعث بحرانی شدن وضعیت منابع آب‌ زیرزمینی در اکثر دشت های کشور شده است. به نحوی که سطح آب زیرزمینی در اغلب آبخوان های کشور به طور مداوم  سیر کاهشی داشته و متوسط افت سالانه در طول 15 سال گذشته در حد 12 متر بوده است.

کاهش سطح  تراز آب زیرزمینی دشت ها اثرات زیادی دارد و باعث افزایش هزینه استحصال آب و افزایش مصرف انرژی، کاهش کیفیت آب و ظهور پدیده فرونشست زمین می‌گردد. هرکدام از این عوامل پیامدهای منفی ثانویه نیز دارد. به عنوان نمونه با کاهش حجم آب قابل برداشت منابع زیرزمینی و افزایش هزینه استحصال آب، سطح زیرکشت محصولات کاهش و قیمت محصولات افزایش می‌یابد.

حل معادلات دیفرانسیل جزیی آلودگی آب های زیرزمینی مستلزم تعیین شرایط مرزی از نظر غلظت و استفاده از اطلاعات موجود در این مرزها می باشد. در غیر این صورت این معادلات غیرقابل حل خواهند بود. تعیین شرایط مرزی یکی از مشکل ترین مراحل در مدل سازی آب های زیرزمینی م یباشد. شرایط طبیعی مانند مرزهای غیرقابل نفوذ و همچنین مناطق تغذیه و تخلیه آبخوان، در اغلب موارد خیلی دورتر از محدوده مورد نظر در مدل قرار دارد. به نظر می رسد، بهترین کار در کاهش خطای تعیین شرایط مرزی، بسط و توسعه محدوده مدل تا سرحد های طبیعی آبخوان است که در اکثر موارد به دلیل حجیم شدن محدوده کاری، امکان پذیر نیست.

از طرف دیگر، عدم وجود یک شبکه خوب اندازه گیری غلظت آلودگی در آبخوان، انتخاب محدوده وسیعی را در مدل سازی توجیه نمی کند. محدوده بزرگ مدل سازی با اطلاعات و آمار اندک، نه تنها کمکی به اهداف مدل سازی نمی کند بلکه باعث خطای بیش تر به واسطه بالا رفتن عدم قطعیت، در نتایج می شود. لذا محدوده بیلان و مدل در بیش تر حالات با محدوده آبخوان متفاوت است.

رشد روزافزون جمعیت، پیشرفت علوم و تکنولوژی، توسعه صنعت، شهرنشینی و رفاه، زمینه های مصرف بیش تر و رشد فزاینده پسماند را باعث شده است. به طوری که سالانه مقادیر انبوهی از مواد زاید در محیط زیست تخلیه می شوند. دفع مواد زاید حاصل از مصرف، یکی از عوامل اصلی آلودگی آب، خاک و بعضا هوا محسوب می شوند که در حال حاضر بخش های بسیاری از نظام اکولوژیک و حیات بسیاری از جانداران خصوصا انسان را با تهدید جدی مواجه کرده است. افزایش رو به تزاید مواد زاید و تبعات ناشی از تخلیه آن ها در محیط زیست در اغلب کشورهای جهان، خصوصا کشورهای در حال توسعه که با محدودیت شدید مالی، تکنولوژیک و نیروهای متخصص مواجه هستند، یک چالش جدی دولت ها محسوب شده و آن ها با مشکلات عدیده ای در این زمینه روبه رو هستند.

اصولا مدیریت پسماند یکی از پیچیده ترین و پرهزینه ترین مشکلات مسوولان مربوط محسوب می شود. غامض بودن مدیریت پسماند به ویژه در شهرهای پرجمعیت و رو به رشد کشورهای در حال توسعه که هرساله هزاران نفر به جمعیت آن ها اضافه می شوند، باعث می شود دفع مواد زاید تولید شده آنان باتوجه به محدودیت مالی این کشورها هر روز مشکل تر شود. به همین دلیل این کار در سایه همکاری و مشارکت همه جانبه مردم و مسوولان و دسترسی به تکنولوژی های جدید امکان پذیر است. به طور متوسط کشورهای در حال توسعه پنج درصد سرانه تولید ناخالص ملی خود را برای خدمات مدیریت ضایعات شهری هزینه می کنند. در مقابل کمبود اراضی مناسب، فقدان قوانین و مقررات کارآمد، نبودن نظارت بر نحوه فعالیت دفع و مدیریت ضایعات، مکان یابی نامناسب محل های دفن و عدم مشارکت مردمی باعث می گردد که برخی مواقع هزینه های کلان مدیریت پسماند به نتیجه مطلوب منجر نگردد.

خطاهای آمار پایه منابع آب زیرزمینی در فرآیند جمع آوری، انتقال و ذخیره سازی

خطاهایی که در فرآیند جمع آوری، انتقال و ذخیر هسازی داده ها و اطلاعات منابع آب زیرزمینی بروز می کنند در قالب های موضوعی مختلفی از قبیل خطاهای انسانی و غیرانسانی، خطاهای نرم افزاری و سخت افزاری، خطاهای سیستماتیک و غیرسیستماتیک، خطاهای طبیعی و غیرطبیعی، خطاهای مجرد و متداخل و... قابل طبقه بندی هستند که نیاز به فرصت کافی و بررسی های میدانی دارد. با وجود این ارائه لیست طبقه بندی نشده از خطاها، در این مرحله می تواند مبنای مناسبی برای اقدامات بعدی در این زمینه باشد. ریشه های این گونه خطاها را می توان بر اساس یک طبقه بندی ساده به صورت زیر ارائه نمود:

پارامترها

پارامترهای مورد نیاز مدل به خصوصیات فیزیکی سطح و زیر سطح زمین در محدوده مطالعات مدل ریاضی از جمله ویژگی های زمین شناسی، توپوگرافی، مورفولوژی و... مربوط می شوند. این پارامترها عبارتند از:

- ضریب هدایت هیدرولیکی

از طریق تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش پمپاژ چا ههای اکتشافی یا بهره برداری و یا از طریق رو شهای غیرمستقیم به دست می آید. این پارامتر در قالب نقشه منحن یهای ضریب هدایت هیدرولیکی برای استفاده در مدل آماده می شود و شامل ضریب هدایت هیدرولیکی در جهات سه گانه در آبخوان است.

- ضریب ذخیره یا ضریب آبدهی ویژه

از طریق تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش پمپاژ چاه های اکتشافی یا بهره برداری و یا از طریق رو شهای غیرمستقیم حاصل شده و به صورت نقشه منحنی های ضریب ذخیره برای استفاده مدل آماده می شود.

کتاب حاضر به زبان انگلیسی و یکی از مراجع در زمینه مدل سازی کمی و البته کیفی آب های زیرزمینی با رویکرد تحلیل فرمول ها و راهنمای تکنیکال آنها می باشد. امید است علاقه مندان بهره کافی ازآن را ببرند.

 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.

منابع آب قابل برداشت جهان به دو قسمت آب‌های زیر زمینی و آب‌های سطحی تقسیم‌بندی می‌شوند. لایه‌های زیرسطحی زمین به دو قسمت غیراشباع و اشباع تقسیم‌بندی می‌شوند. قسمت اشباع که در آن ناحیه خلل و فرج حاوی آب است را آب‌های زیر زمینی می‌نامند. آب‌های زیرزمینی از بارش‌های سطحی و نفوذ آن‌ها در زمین ایجاد می‌شوند. راه‌های مختلفی جهت برداشت آب‌های زیر زمینی وجود دارد که عبارت‌اند از روش‌های طبیعی و مصنوعی.

منابع آب قابل برداشت جهان به دو قسمت آب‌های زیر زمینی و آب‌های سطحی تقسیم‌بندی می‌شوند. آب زیر زمینی آبی است که در زیر سطح زمین ذخیره شده است. گاهی صدها سال طول می‌کشد تا مخزن‌های آب زیر زمینی تشکیل شوند. اکثر اوقات، آب‌های زیر زمینی سال‌ها و حتی قرن‌ها قبل از مصرف دست‌نخورده باقی می‌مانند.