بررسی تجربیات بین‌المللی به ما می آموزد که نباید راه‌حل‌ها مطرح شده در اصلاح ساختار انگیزه‎های مربوط به حکمرانی منابع آب زیرزمینی را به صورت یکنواخت و بدون توجه به شرایط اجتماعی و اکولوژی کشورها اعمال کرد. بدین منظور در یک بررسی،مطابق شکل یک کشورها را به پنج دسته تقسیم شده است.

گروه اول با رنگ سفید، آن‌هایی هستند که مسئله‌ای در ارتباط با آب زیرزمینی ندارند. آنهایی که با رنگ قهوه‌ای مشخص شده است، کشورهای صنعتی هستند که به شدت به ابزارهای اقتصادی وابسته‌اند و نظام اداری قوی و مقررات خیلی جدی دارند. کشورهایی که با رنگ زرد مشخص شده است، کشورهای خاورمیانه البته به جز ایران، را در بر می‌گیرد. در این کشورها اساساً نظام معیشتی مبتنی بر کشاورزی در آن وجود ندارد. کشورهای با رنگ سبز روشن، کشورهایی با واحدهای بزرگ کشاورزی هستند، که شرایط اکولوژی و اجتماعی متفاوتی دارند. اما کشورهای با رنگ قرمز، شامل جنوب آسیا، چین، ایران، شمال آفریقا و آمریکای مرکزی همگی دارای نظام‌های خرده مالکی و کشاورزی معیشتی هستند.

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.

موقعیت حوضه های آبریز و آبخوان ها در کشور

مقدمه

آب زیرزمینی به عنوان یک منبع مهم واستراتژیک برای تامین مصارف شرب و بهداشت، کشاورزی وصنعت همواره مورد توجه بوده واز دیر باز مورد بهره برداری قرارمی گرفته است. این منبع در مقابل تغییرات اقلیم پایداربوده و با توجه به حجم ذخیره خود می تواند در درازمدت پاسخگوی نیازها باشد و از این دیدگاه نیز دارای اهمیت بسزایی است.

آمار و اطلاعات موجود درطول نیم قرن اخیرنشان می دهد که باتوسعه صنعت وتکنولوژی مرتبط با حفاری و پمپاژ چاهها، بهره برداری از این منبع گسترش یافته و بدلیل افزایش جمعیت ونیاز روز افزون به آب، برداشت ها نسبت به تغذیه بیشتر و بیشتر شده و این روند به تدریج سبب افت سطح  ایستابی  آب زیرزمینی، کاهش حجم مخزن و بهم خوردن تعادل در بیلان منابع آب آبخوان های کشور شده است.

تغییرات در وضعیت کمی آبخوان ها از طریق اندازه گیری سیستماتیک سطح ایستابی آب زیرزمینی در چاههای مشاهده ای و بررسی و تجزیه و تحلیل آنها صورت می گیرد.

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.

اهمیت و نقطه تمرکز طرح

منابع آب زیرزمینی در تأمین آب بخش‌های مختلف کشاورزی، صنعت و شرب کشور سهم موثر و عمده‌ای دارد و گردش امور و حیات بخش وسیعی از کشور به آن وابسته است. در وضعیت کنونی سهم آبهای زیرزمینی در تأمین آب کشور (کشاورزی، صنعت و شرب درکشور) بالغ بر ۵۵ درصد نسبت به کل منابع آب می‌باشد. این وابستگی در بعضی مناطق کشور بسیار بیشتر است. از جمله می‌توان از شرایط استان‌های خراسان رضوی، خراسان شمالی، خراسان جنوبی، کرمان، یزد، اصفهان، فارس و استان‌های حاشیه سواحل جنوبی، زنجان، مرکزی، لرستان، قزوین، کردستان و حتی استان‌هایی نظیر چهار محال و بختیاری و گلستان، نام برد. اما با کمال تاسف در حال حاضر منابع آب زیرزمینی کشور به دلیل برداشت بیش از حد و خشکسالی‌های متوالی سالیان اخیر به وضعیت بحرانی رسیده است. تشدید افت سطح آب و کسری مخزن در آبخوانها ممنوعیت بیش از ۳۰۷ محدوده از ۶۰۹ محدوده مطالعاتی کشور را به دنبال داشته است. بطوریکه آبخوانهای کشور سالانه با میانگین کسری حجم مخزن ۴/۵ میلیارد متر مکعبی مواجه می‌باشند و در ۴۷ سال اخیر مخازن آب زیرزمینی باکسری مخزن ۱۱۰ میلیارد متر مکعبی مواجه شده‌اند که بیش از ۹۰ میلیارد مترمکعب آن در بیست سال اخیر و۸۰ میلیارد مترمکعب آن در ۱۵ سال اخیر و ۳۸ میلیارد مترمکعب آن مربوط به دوره کوتاه ۷ سال گذشته است.

آیا ذخیره آب در زیر زمین، یک راه‌حل برای امنیت آبی است؟

با ابداع تکنولوژی دورسنجی ماهواره‌ای، اکنون می‌دانیم که این منبع حیاتی در وضعیت خطرناکی قرار دارد، و در برخی مناطق جهان، بسیار بیشتر از آنچه بتواند تغذیه شود پمپاژ می‌شود. به منظور بهبود تاب‌آوری در مواجهه با تغییر اقلیم و طولانی‌تر کردن فصل کاشت، لازم است تا علاوه بر بازاندیشی در پمپاژ آب زیرزمینی به سطح زمین، آب‌های سطحی را در زیرزمین ذخیره کنیم تا از امنیت آبی آینده خود اطمینان یابیم. ذخیره آب در زیر زمین می‌تواند تأثیر بسزایی در تقویت تاب‌آوری تأمین آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک داشته باشد.

آب‌های موجود در آبخوان‌های کالیفرنیا رو به کاهش هستند، چون زارعان بیشتری آب زیرزمینی را برای آبیاری کشت‌ها پمپاژ می‌کنند. با این همه، اراضی زراعی بارور می‌توانند به پرشدن دوباره آب زیرزمینی به نفع همگان در این ایالت مستعد خشکسالی نیز کمک کنند. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا پس از مشاهده نتایج اولیه آزمایش‌ها درباره تغذیه آبخوان‌ها با غرقاب‌کردن حساب‌شده اراضی زراعی در زمستان، بدون آسیب به کشت‌ها یا تأثیر بر آب شرب، انگیزه بیشتری برای ادامه پژوهش‌ها در این زمینه یافته‌اند.

در سطح جهان، حدود ۷۰ درصد آب برداشت‌شده یا منحرف‌شده به مصرف کشاورزی می‌رسد. این سهم در برخی حوضه‌های آب زیرزمینی به ۹۹ درصد هم می‌رسد. مناطق کشاورزی در سطح جهان اُفت ترازهای سطح آب زیرزمینی را تجربه کرده‌اند، و سیاست‌گذاران را به تلاش برای کاهش نرخ برداشت در سطح حوضه از طریق سیاست‌های جدید واداشته‌اند. این سیاست‌ها عموماً با هدف کاهش استفاده مصرفی آب زیرزمینی- یک هدف کلیدی مدیران آب- در پاسخ به پمپاژ آب زیرزمینی برای آبیاری پیاده می‌شوند.

موضوع کاهش ذخایر آب شیرین در بخش‌های مختلف جهان، نه فقط از نظر علمی مورد توجه واقع شده است، بلکه دغدغه عمیق اجتماعی نیز به شمار می‌آید. گزارش‌های مختلفی که درباره خالی‌شدن آبخوان‌ها و کاهش تراز آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها منتشر می‌شود، شواهد قانع‌کننده‌ای مبنی بر عبور بهره‌برداری آب شیرین از ظرفیت منابع تجدیدپذیر است. با این همه، کمّی‌کردن منابع و مصارف آب شیرین در سطح جهان یک چالش فنی اساسی است. دو محقق به نام‌های Yoshihide Wada و Marc Bierkens در یکی از جامع‌ترین تحلیل‌های صورت‌گرفته تاکنون که در «پژوهش‌نامه زیست‌محیطی» انتشار یافته است، منابع و مصارف آب شیرین را از ۱۹۶۰ تا ۲۰۹۹ برآورد کرده‌اند. آنان هم از داده‌های تاریخی و هم پیش‌بینی‌های آینده که شامل تغییرات جمعیتی و اقلیمی مورد انتظار در این قرن است استفاده کرده‌اند. تحلیل‌ آنان حاکی از افزایش تدریجی بهره‌برداری از منابع آب شیرین تجدیدناپذیر در بخش‌هایی از جهان است و از این رو باید دغدغه جدی جهانیان باشد.

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.

شبکه اندازه گیری سطح آب زیرزمینی، مشاهدات منظم و طولانی مدت سطح آب زیرزمینی را به عهده دارد. در طراحی شبکه اندازه گیری سطح آب زیرزمینی سازندهای سخت، باید موارد زیر مد نظر قرار گیرد:

- شرایط چینه شناسی (استراتیگرافی) و هیدروژئولوژیک، به ویژه ضخامت و گسترش ساختارهای چینه شناسی (استراتیگرافی) آبخوان یا مجموعه آبخوان ها

- شرایط زمین شناسی ناحیه ای سازندهای سخت، ترکیب رخساره ها (لیتوفاسیس) و عناصر و ساختارهای تکتونیک و مناطق (زون های) گسل ها

شبکه اندازه گیری سطح آب زیرزمینی شامل مجموعه ای از چاه های مشاهده ای و پیزومترها به منظور اندازه گیری تغییرات سطح آب زیرزمینی در آبخوان های آزاد و تحت فشار می باشد. ضوابطی که باید در طراحی این گونه شبکه ها مد نظر قرار گیرد، به طور خلاصه به وسعت آبخوان، وضعیت پیچیدگی هیدروژئولوژیک منطقه، اهداف ایجاد شبکه به همراه نظرات کارشناسی و محدودیت های مالی ارتباط دارد که برخی موارد در زیر شرح داده می شود.

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.

تغییرات در (a) سطح آب های زیر زمینی و (B) ضخامت لایه اشباع در آبخوان High Plains از زمان پیش از توسعه تا سال 1997.

 ( سازمان زمین شناسی ایالات متحده، 1998)

آبخوان High Plains

High Plains یک منطقه 174 مایل مربعی مسطح زمین است که شامل بخش هایی از کلرادو، کانزاس، نبراسکا، نیومکزیکو، اوکلاهما، داکوتای جنوبی، تگزاس، و وایومینگ است. این منطقه توسط بارش متوسط مشخص و گسسته سازی شده است اما به طور کلی دارای یک نرخ تغذیه طبیعی پایین به سمت سیستم آب زیرزمینی است. رسوبات آبرفتی نامستحکم که تشکیل یک سطح آب سفره به نام آبخوان High Plains را می دهد (شامل حد زیادی از آبخوان اوگالالا) در ساختار منطقه است. آب آبیاری پمپ از آبخوان High Plains را به یکی از مناطق مهم کشاورزی کشور تبدیل کرده است.

نمونه هایی واقعی در زمینه چگونگی پاسخ سیستم آبهای زیر زمینی به تغییر در تقاضای پمپاژ

لانگ آیلند از شمال به مناطقی معروف به همان ناحیه آیلند، از شرق و جنوب به اقیانوس اطلس و از غرب به خلیج نیویورک و رودخانه شرق محدود شده است. لانگ آیلند به چهار شهرستان تقسیم شده است. دو شهرستان های غربی، تحت عنوان Kings و Queens، بخشی از شهر نیویورک است.

بارشی که منجر به ارتشاح و نفوذ آب می شود تنها منبع طبیعی لانگ آیلند برای آب شیرین است. زیرا سیستم آب زیرزمینی در قسمت پایین توسط سنگ بستر نسبتا نفوذ ناپذیر و در دو طرف توسط آب شور یا خلیج و اقیانوس (شکل زیر) محدود شده است. حدود نیمی از بارش منجر به تغذیه آب در سیستم آب زیرزمینی می شود. بقیه جریان نیز به عنوان رواناب سطحی به شکل مستقیم به رودخانه ها وارد شده و یا از طریق تبخیر و تعرق از دست داده می شود (کوهن و همکاران، 1968). بسیاری از بارش هایی که به آبخوان در بالاترین بخش محصور نشده  می رید به سمت جانبی حرکت کرده و در نهایت به رودخانه ها و اطراف بخش های آب شور تخلیه می گردد؛ باقی مانده تراوش به سمت پایین سبب تغذیه سفره های آب عمیق تر است.

مثال فرضی از چگونگی پاسخ سیستم آبهای زیر زمینی به تغییرات تقاضای پمپاژ

یک سیستم آب زیرزمینی که در آن تنها منبع طبیعی از جریان تغذیه بارش وجود دارد را در نظر بگیرید. مقدار جریان را نسبتا ثابت شده و پایدار می باشد. همچنین تصور کنید که منبع اصلی هر آب پمپ شده از این سیستم آب زیرزمینی از ذخیره حذف گردیده، کاهش تخلیه به جریان های سطحی وجود دارد، و آب که توسط گیاهان ریشه دار در نزدیکی سطح آب زیرزمینی تعرق می کند کاهش یافته است.

اگر سیستم آب های زیر زمینی شرح داده شده در بالا توانست به تعادل جدید پس از یک دوره از بین بردن آب ذخیره برسد، مقدار آب مصرف شده توسط آب کمتری از جریان اجزاء آب سطحی به تعادل رسیده است؛ و شاید، آب کمتری برای تعرق در دسترس پوشش گیاهی به عنوان عامل کاهش سطح آب خواهد بود. اگر استفاده مصرفی آب آنقدر بزرگ است که یک تعادل جدید نمی تواند حاصل شود، آب همچنان از ذخیره حذف خواهند شد. در هر صورت، آب کمتری برای کاربران آب سطحی در دسترس خواهد بود و منابع زیست محیطی وابسته به رودخانه ها است.

یک سیستم آب زیرزمینی متشکل از توده ای از جریانات آبی است که از طریق منافذ و یا ترک ها در زیر سطح زمین به وجود آمده است. این توده آب دائما در حرکت است. آب به طور مداوم توسط تغذیه از بارش به سیستم اضافه شده، و بعلاوه به طور مداوم به عنوان تخلیه به آب های سطحی و تبخیر و تعرق از آن سامانه خارج می شود. هر یک از سیستم های آب زیرزمینی منحصر به فرد است که در آن منابعی از مقدار جریان آب و از طریقی به مانند نرخ بارش، محل رودخانه ها و سایر نهادهای آب سطحی، و نرخ تبخیر و تعرق وابسته به عوامل خارجی مرتبط با آن وجود دارد. یک عامل مشترک برای تمام سیستم های آب های زیر زمینی با این حال، این است که مقدار کل ورودی آب و خروجی آب، که در سیستم ذخیره می شود باید حفظ شود. بررسی همه جریانات، خروجی، و تغییرات در ذخیره سازی این سامانه را بیلان آبی می نامند.

فعالیت های انسانی، مانند برداشت آبهای زیر زمینی و آبیاری، تغییر الگوی جریان طبیعی، و به طورکلی این تغییرات باید برای محاسبه بیلان آب لحاظ شوند. از آنجا که هر آبی که استفاده می شود باید از جایی آمده باشد، فعالیت های انسانی بر میزان و سرعت حرکت آب در سیستم، ورود به سیستم، و خروج از سیستم تأثیر مشخص خواهد داشت.

در راستای چاره‌اندیشی برای کنترل افت و کسری مخزن حادث شده در آبخوان‌ها، وزارت نیرو با تعریف طرح تعادل بخشی، تغذیه مصنوعی و پخش سیلاب در سال 84 برنامه‌های خود درزمینه بهبود وضعیت منابع آب زیرزمینی را آغاز کرد ولی با توجه به عدم حمایت دستگاه‌های دیگر که همکاری آنها در این زمینه الزامی است و همچنین نبود عزم جدی میان مقامات عالی کشور در سال های قبل و عدم تأمین اعتبار کافی، نتایج مطلوبی از طرح حاصل نشد.

مجدداً با فعال شدن شورای عالی آب در دولت یازدهم، وزارت نیرو برنامه‌های خود را در جلسه هشتم شورای عالی آب در سال 92 ارائه و ابتدا مصوبه‌ای تحت عنوان برخورد قانونی با برداشت‌های غیر مجاز و نهایتا تبدیل به طرحی شد تحت عنوان طرح احیا و تعادل بخشی منابع آب زیرزمینی کشور مشتمل بر 15 پروژه که در جلسه پانزدهم شورای عالی آب کشور در تاریخ 25 شهریور 93 تصویب شد و در کنار این طرح تکالیفی نیز برای برای وزارت خانه‌های نیرو، جهاد کشاورزی، صنعت، معدن، تجارت و کشور مشخص شد.

مدیریت چاه های مشاهده ای و پیزومترها عبارت است از سیاست گذاری و ارائه روش های صحیح و اصولی و نیز کنترل صحت انجام اندازه گیری ها و نظارت بر طراحی ، بهره برداری و نگهداری از شبکه چاه های مذکور.

• نظارت بر طراحی و اجرای شبکه.
• نظارت بر جمع آوری آمار و اطلاعات آب زیرزمینی.
• نظارت بر تهیه نقشه موقعیت چاه های مشاهده ای موجود.
• نظارت بر انتخاب چاه های مشاهده ای موجود (چاه های مشاهده ای ممکن است به صورت موقت انتخاب شوند).
• نظارت بر اعمال ضوابط طراحی شبکه چاه های مشاهده ای و پیزومترها.
• نظارت بر اجرای صحیح حفاری چاه های مشاهده ای و پیزومترها.
• نظارت بر ترازیابی چاه های مشاهده ای و پیزومترها و کنترل صحت آن ها.
• نظارت بر تجهیز چاه های مشاهده ای و پیزومترها و کنترل صحت آن ها شامل: لوله جدار، مهار چاه و درپوش مناسب به شکلی که اندازه گیری سطح آب، لایروبی و پمپاژ آن ها ممکن باشد.
• نظارت بر رعایت حریم چاه های مشاهده ای و پیزومترها در ارتباط با حفر چاه های بهره برداری.

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.