آژانس های آب و شرکت های خصوصی آب با چالش توسعه و حفظ منابع آب پایدار، اغلب در آب های زیرزمینی به عنوان محور وظایف خود روبرو می باشند. از سال 1987، سیستم Westbay برای مدیران آب، فضای انعطاف پذیری را فراهم کرده است که به توصیف آب های زیرزمینی در چهار بعد پرداخته، و منجر به بهینه سازی فعالیت های مدیریت و توسعه شیوه های مدیریت پایدار گشته است.

نرم افزار مدیریت منابع آب زیرزمینی

• مدیریت حوضه آب های زیرزمینی
• عملیات MAR
• نفوذ آب دریا، نظارت، پیشگیری و کاهش
• بهینه سازی مدل های عددی

یک منبع مناسب از آب های زیرزمینی برای سلامت و رفاه اقتصادی یک کشور ضروری است. افزایش استفاده از منابع آب زیرزمینی و اثرات خشکسالی به نگرانی در مورد در دسترس بودن آتی آب های زیرزمینی جهت رفع نیازهای داخلی، کشاورزی، صنعتی، و زیست محیطی منجر شده است. اثرات ناشی از رقابت برای بهره برداری از آب های زیرزمینی توسط انسان بر محیط زیست مستلزم درک بهتری از این موضوع برای پاسخ به سوالات اساسی زیر است که در مورد توانایی یک ملت در مواجه با تقاضای فعلی و آینده برای آب های زیرزمینی می باشد. آیا ما به اندازه کافی آب های زیرزمینی برای پاسخگویی به نیازهای مردم در اختیار داریم؟ این منابع آب زیرزمینی کجا هستند؟ آب های زیرزمینی موجود چه مقدار از نیاز ما است؟ برای کمک به پاسخ این پرسش ها، (USGS) بخش برنامه منابع آب های زیرزمینی سازمان زمین شناسی ایالات متحده، در حال انجام مطالعات بزرگ مقیاس منطقه ای و چند رشته ای از آب های زیرزمینی در دسترس است، که از جمله این مطالعات، سیستم آبخوان دره مرکزی در کالیفرنیا می باشد.

بیلان، لغتی فرانسوی با ریشه لاتین است که در زبان فارسی به طور گسترده به کار رفته است. واژه هایی همچوم: تراز آب، تراز نام هاب، توازن آبی، بالانس آب، بودجه آبی و... و اصطلاحات انگلیسی به مانند: Water Balance، Water Budget Analyses مفاهیمی نزدیک به بیلان دارند.

برنامه ریزی برای بهره برداری بهینه و استفاده منطقی از منابع آب و نیز اعمال مدیریت های آب و خاک در مراحل مختلف مطالعاتی، طراحی و اجرای پروژه ها بایستی با شناخت کامل از پتانسیل های آب موجود و ارزیابی کمی و کیفی منابع آب و نوع مصرف همراه باشد، که این امر مستلزم استفاده از آمار و اطلاعات صحیح و گسترده در محدوده های مطالعاتی در یک دوره زمانی معین است.

با نگرشی به نقشه  فلات ایران این واقعیت مشهود می شود که فلات از لحاظ تعداد رودخانه های دائمی، منطقه ای فقیر است و بسیاری از رودخانه های آن در حقیقت رودخانه های فصلی و یا مسیلهای اند که چند ماه یا چند روز در سال جریان آب را دارا هستند. قسمت اعظم جریان آب این گونه رودخانه ها و مسیلها به طرق مختلف هدر می روند و تنها مقدار اندکی از آن در زمین نفوذ می کند و مخازن آب زیرزمینی را که در سازندهای زمین شناسی متفاوتی تشکیل شده اند، تغذیه می کند. ایرانیان از دیرباز به دلیل زندگی در چنین شرایط اقلیمی به اهمین استفاده از این منابع حیاتی زیرزمینی پی برده و از چند هزار سال پیش تاکنون با حفر قنات و چاه نه تنها برای ادامه زندگی خود، بلکه با ابداع راههای مناسب بهره برداری از مخازن آب زیرزمزنی به ملل دیگر نیز خدمات بزرگی کرده اند. سفرنامه ها و خاطرات مستشرقان و سیاحان در ادوار تاریخ حاوی شرح حکایاتی درباره این ابداعات بزرگ ایرانیان است و شاید کمتر کتابی در زمینه هیدرولوژی و هیدروژئولوژی در جهان نگاشته شده است که در مقدمه آن ذکری از شاهکار تکنیک حفاری و ساختمان جالب و در عین حال تحسین برانگیز قنات نرفته باشد.

آزمایش تعیین آبدهی چاه یا آزمایش پمپاژ برای تعیین خصوصیات هیدرولیکی سفره آبدار جهت مطالعه وضعیت آبهای زیرزمینی یک منطقه و یا برای تعیین مقدار آبدهی و افت سطح آب در یک چاه انجام می‌شود.

هدف اصلی آزمایش پمپاژ تعیین ظرفیت مخصوص چاه یا نسبت آبدهی (Q) به مقدار افت سطح آب (S) جهت انتخاب پمپ و متعلقات مربوطه برای برآورد میزان هزینه‌های لازم برای تجهیز چاه می‌باشد. ضمناً‌ در نتیجه عمل پمپاژ موادریزدانه باقیمانده در مراحل حفاری و توسعه، از چاه خارج شده و توسعه طبیعی و برقراری ارتباط آبی سفره با چاه فراهم می‌شود. ظرفیت مخصوص معرف قدرت آبدهی چاه می‌باشد که بدون نیاز به وجود چاههای مشاهده‌ای صورت می‌گیرد. در حالی که در آزمایش سفره آب وجود چاههای مشاهده‌ای یا چاههای پیزومتر با فواصل معین نسبت به چاه اصلی در حال آزمایش الزامی است.

1- توسعه چاه (Development of wells) در زمینهای آبرفتی 

هدف از توسعه و شستشوی چاه، حذف مواد دانه‌ریز لایه آبدار در مجاورت و حریم دیواره چاه بمنظور بالا بردن نفوذپذیری لایه و ایجاد سهولت برای کمک به جریان آب از درون لایه به داخل چاه می‌باشد. در زمینهای آبرفتی که از مخلوط دانه‌های ریز و درشت تشکیل شده‌اند، فضاهای خالی بین دانه‌های درشت توسط دانه‌های ریز اشغال شده و در نتیجه نفوذپذیری لایه کم می‌گردد. حال چنانچه بتوانیم نفوذپذیری بخشی از لایه‌های درشت‌تر را افزایش دهیم، آبدهی چاه افزایش می‌یابد. در اثر این عمل تمامی دانه‌های ریز که قطرشان از دانه‌های درشت در بر گیرنده آنها حداقل 5/4 برابر کوچکتر باشد می‌توانند از فضاهای خالی بین دانه‌ها عبور نمایند. اگر قطر دانه‌های ریز d و دانه‌های درشتD باشد می‌باید D>4.5d گردد. در اثر اجراء عملیات توسعه، منافذ مجاور دیواره چاه که در اثر حفاری مسدود شده و یا از بین رفته‌اند باز می‌شوند. خروج ذرات ریز سیلت و ماسه در جریان عملیات توسعه و عدم ماسه دهی چاه در دوران بهره‌برداری باعث تثبیت دیواره چاه و با عدم ایجاد غار و حفره موجب جلوگیری از سقوط و ریزش دیواره‌ها و نهایتاً حفظ لوله‌ها و چاه می‌گردد. توسعه به دو روش طبیعی و مصنوعی انجام می‌شود.

توسعه ترینیداد و توباگو یکی از کشورهای صنعتی در منطقه کارائیب نتیجه استفاده از منابع نفت و گاز طبیعی در این کشور بوده است. تولید نفت در سال 1908 آغاز شد و در 1960 آغاز رشد سریع اقتصادی و گسترش آن بین 1974 و 1981 رخ داد. در نتیجه این تولید نفت به اوج خود رسیده، ترینیداد و توباگو به سرعت با گسترش همزمان در صنایع تولیدی و کشاورزی صنعتی روبرو شد. نتیجه این توسعه سریع تقاضای فزاینده ای برای عرضه آب صنعتی و خانگی بود.

سازمان آب و فاضلاب ترینیداد و توباگو (WASA) مسئول ارائه تامین قابل اعتماد آب و جمع آوری موثر فاضلاب و همچنین تصفیه آن برای جمعیت است. WASA از طریق آژانس مدیریت منابع آب طبیعی کشور و از طریق تنظیم انتزاع آب، حفاظت از حوضه و کیفیت آب سطحی/آب های زیرزمینی و ارزیابی هیدرولوژیکی/هیدروژئولوژیکی اقدام می نماید. درون سازمان منابع آب، برنامه ریز آب، مهندس، هیدرولوژیست و متخصص آبهای زیرزمینی مسئول اکتساب داده ها، تجزیه و تحلیل داده ها و تفسیر داده ها است. مدل سازی عددی، تجزیه و تحلیل چند معیاره، الگوریتم ها و فناوری های دیگر برای مدیریت و تجزیه و تحلیل منابع آب ملی استفاده می شود. اما راه حل های چند نرم افزاره ای وجود دارد که برای هر یک از این توابع امکان ترکیب وجود دارد، اما تنها تعداد اندکی از این برنامه های کاربردی هنگامی که مدیریت منابع آب در مقیاس ملی و در بین بیش از دو جزیره مختلف ترکیب شده است قابل استفاده اند.

نرم افزار تصویر سازی، تجزیه و تحلیل و مدیریت داده های محیطی

نرم افزار Hydro GeoAnalyst یک فضای یگانه برای مدیریت سیستمی داده های آب های زیرزمینی و محیطی است؛ که سبب سازماندهی داده های محیطی شده و همچنین به شما برای افزایش سرعت ایجاد نتایج تحلیلی-جامع که قابل اعتماد و دارای مفاهیم ساده ای جهت درک می باشد، کمک می نماید. با Hydro GeoAnalyst، متخصصان آب های زیرزمینی، علوم زمین و سازمان های دولتی تمامی ابزارهای مورد نیازی که به طور موثری برای مدیریت حجم زیادی از داده ها، و تصمیم گیری آگاهانه در مورد محیط زیست و منابع آب کارامد است، در اختیار خواهند داشت.

واسنجی مدل در شرایط ماندگار و غیرماندگار

هر مدلی که برای شناخت و پیش بینی رفتار یک سامانه آب زیرزمینی انتخاب می شود، باید به خوبی تعریف شود. این تعریف باید مبتنی بر وضعیت هندسی دقیق لایه آبدار یا سامانه مورد مطالعه اطلاعاتی درباره پارامترهای فیزیکی آن مرزها، ورودی ها و خروجی های آن باشد. تمام این اطلاعات باید از مدل مفهومی سامانه که بر اساس مطالعات صحرایی آزمایشگاهی و دفتری تهیه شده است، به دست آید. چنان چه اطلاعات مذکور در دسترس نباشد باید بر اساس تجربه و شناخت سامانه حدس زده شوند و سپس در طی فرآیند واسنجی اصلاح شوند. پس عمل واسنجی مدل در واقع انطباق مقادیر شبیه سازی با مقادیر مشاهده شده مربوط به رفتار سامانه آبخوان (از قبیل بار هیدرولیکی پمپاژ و تغذیه) در گذشته است.

واسنجی مدل به دو شیوه امکان پذیر است. یا می تواند به روش سعی و خطا باشد و یا به روش خودکار توسط نرم افزارهای مربوطه انجام شود از معایب واسنجی به روش سعی و خطا وقت گیر بودن آن است ولی از مزایای آن این است که اگر توام با تطبیق با واقعیت باشد آنگاه اطمینان به پارامترهای واسنجی شده از درصد بالایی برخوردار خواهد بود.

شرایط اولیه

منظور از شرایط اولیه مقادیر متغیرهای مجهول درون محدوده مدل (مانند بار هیدرولیکی و جریان) در لحظه ابتدایی شبیه سازی می باشد. در شبیه سازی های غیرماندگار لازم است شرایط اولیه مشخص باشد. معمولا مدل برای یک حالت ماندگار واسنجی شده و نتایج آن به عنوان شرایط اولیه در شبیه سازی غیرماندگار مورد استفاده قرار می گیرد. یک شیوه مناسب دیگر در تعیین شرایط اولیه استفاده از داده های صحرایی می باشد. استفاده از مدل برای تولید مقادیر بار هیدرولیکی باعث سازگاری شرایط اولیه، شرایط مرزی هیدرولوژیکی و پارامترهای مربوط به مدل می شود. در صورتی که اگر از مقادیر اندازه گیری شده صحرایی به عنوان مقادیر اولیه استفاده شود، در گام های زمانی اولیه مدل تنها به شرایط مرزی اعمال شده عکس العمل نشان نمی دهد، بلکه مدتی را صرف تعدیل توزیع بارهای هیدرولیکی اندازه گیری شده م یکند به گونه ای که بین داده های هیدرولوژیکی مدل و پارامترهای آن با مقادیر اولیه بار هیدرولیکی تعادل برقرار شود. این مرحله اصطلاحا گرم شدن مدل نامیده می شود.

ارتباط شرط مرزی و روش محاسبات

شبیه سازی مرزها وابستگی شدیدی به نوع شبکه و روش عددی مورد استفاده دارد. در روش تفاضل های محدود با مبنای حجم کنترل، مرزهای با بار هیدرولیکی معلوم مستقیما بر روی مرکز حجم کنترل (نقاط) قرار می گیرند در حالی که مرزهای جریان در لبه خارجی حجم کنترل قرار می گیرد. در شکل زیر نحوه اعمال شرط مرزی در روش های مختلف عددی در یک مثال نشان داده شده است.

در روش های تفاضل محدود شرط مرزی جریان آب می تواند در قسمت بالایی حجم کنترل به صورت تغذیه آب زیرزمینی و یا به کناره های حجم کنترل به صورت جریان های زیرسطحی اعمال شود (بخش الف شکل). در مدل های اجزای محدود بده جریان به قسمتی از مرز که بین دو گره واقع است اختصاص می یابد (بخش ب شکل).

انواع اصلی شرایط مرزی

شرایط مرزی اصلی که در واقع شرایط مرزی خارجی مدل های آب زیرزمینی هستند، به سه دسته زیر تقسیم می شوند:

نوع اول - شرط مرزی بار هیدرولیکی معلوم:

این نوع شرط مرزی در نهایی وجود دارد که تراز آب و یا بار هیدرولیکی مشخصی به صورت ثابت یا متغیر با زمان وجود داشته باشد. مثل نواحی ساحلی، دریاچه ها یا مخازن و رودخانه ها که دارای بار هیدرولیکی معلوم هستند.

در بحث مدل آبهای زیرزمینی این نوع مرزها مرز با بار ثابت و یا مرز وابسته به بار هیدرولیکی خوانده می شوند. در بحث ریاضی، این نوع مرزها به نام های Dirichlet یا Stable یا Essential خوانده می شوند.

چه مزایایی به آخرین ورژن های نرم افزار Visual MODFLOW Flex اضافه شده است؟

پشتیبانی از MODFLOW-NWT

MODFLOW-NWT نسخه توسعه یافته ای از MODFLOW است که باعث بهبود راه حل برای مشکلات آب های زیرزمینی جریان آزاد میشد که در آن مرطوب سازی سلول های خشک معمولا رخ می دهد. این نسخه از MODFLOW برای شبیه سازی معادن آبگیری ایده آل است، و البته هر حالات دیگر که در آن سلول ها می تواند خشک یا به اصطلاح Dry شوند.

دقت بالا در تخصیص سلولها و قابلیت ویرایش

به راحتی می توان خواص هیدرولیک و سلول های غیر فعال را به شبکه عددی با رسم پلی لاینها و یا چند ضلعی، و یا انتخاب سلول های منفرد شبکه به آنها اختصاص داد. شرایط مرزی نیز می تواند به راحتی به لایه های دیگر در مدل عددی کپی شود.

می توان گفت CityWater برنامه تحت وب و توسعه یافته نسخه EPANET برای مدیریت توزیع آب است. امکان بصری، ارائه های تعاملی و دسترسی در هر نقطه و به شکل راحت در CityWater اجازه می دهد تا شما اقدام به باز کردن داده ها در مدل EPANET خود کرده و ارقام را به عملیات روزمره سیستم توزیع خود بیافزایید. به علاوه، قیمت گذاری مبتنی بر اشتراک به این معنی است که شما لازم نیست برای نرم افزارهای گران قیمت که چندان از آنها بهره گیری نمی کنید هزینه مضاعفی پرداخت نمایید.

شرایط مرزی و شرایط اولیه

در این قسمت با معرفی شرایط مرزی و شرایط اولیه، مسایل مهم مربوط به تعیین این شرایط در هنگام شبیه سازی آب های زیرزمینی تشریح می شود.

شرایط مرزی

شرایط مرزی به محدودیت هایی گفته می شود که بر شبکه مدل اعمال می شود تا اندرکنش بین محدوده شبیه سازی و محیط اطراف مدل را نشان دهد و به کمک آن نتیجه تغییرات محیط بر روی محدوده مدل مشاهده می شود. انتخاب درست شرط مرزی یک گام حیاتی در طراحی مدل ها می باشد. وجود خطا در آن می تواند باعث ایجاد خطاهای قابل توجهی در نتایج شبیه سازی شود. انتخاب نوع شرط مرزی بستگی به مدل مفهومی، ویژگی های فیزیکی و نوع اطلاعات صحرایی موجود دارد. شرایط مرزی بسته به موقعیت شان در محدوده شبیه سازی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

معیارهای تقسیم بندی گستره مدل به اجزای کوچک تر

همان طور که در قسمت روشهای حل عددی اشاره شده است برای حل معادلات دیفرانسیل جزیی باید محیط را به اجزای کوچک تر تقسیم کرد. در روش تفاضل های محدود معمولا منطقه مطالعاتی با استفاده از خطوط موازی عمود بر هم یا غیر عمود در فضای منحنی الخط به تعدادی جز چهار ضلعی (سلول) تقسیم می شود. در روش اجزای محدود یا حجم محدود، منطقه به تعدادی المان چندضلعی تقسیم می شود. هر قدر ابعاد سلول ها کوچک تر باشد تعداد سلول ها بیش تر شده و دقت محاسبات افزایش می یابد. با افزایش تعداد سلول ها، داده های ورودی بیش تری مورد نیاز بوده و حجم کار آماده سازی داده ها و نیز حجم عملیات محاسباتی به مراتب بیش تر خواهد شد، البته در مناطق دور از محل های مورد توجه و مکان های فاقد آمار و اطلاعات، کوچک کردن اندازه سلول ها کمک چندانی به افزایش دقت محاسبات نمی کند. از سوی دیگر (با توجه به مسایلی همچون ناهمگنی آبخوان) انتخاب سلول هایی با ارائه - ابعاد بزرگ باعث ایجاد خطا و عدم دست یابی به نتایج با دقت قابل قبول می شود. عوامل موثر بر اندازه سلول در جدول زیر شده اند.

ویژگی های نرم افزار های مورد نیاز برای مدل سازی آب زیرزمینی

مجموعه دستوراتی را که رایانه برای حل مدل ریاضی مورد استفاده قرار می دهد کد یا برنامه رایانه ای می نامند. کد یا برنامه رایانه ای یک مفهوم عمومی و کلی است، حال آن که یک مدل شامل مجموعه ای از شرایط مرزی و اولیه، شبکه، مقادیر پارامتری و تنش های هیدرولوژیکی مربوط به یک منطقه خاص می باشد. یک کد در شرایط معمولی (که نیازی به اصلاح آن نمی باشد) تنها یک بار تهیه می شود ولی برای هر بار کاربرد مدل، یک مدل جدید تهیه می شود.

از نظر میزان استفاده از برنامه های رایانه ای، دو نوع کد وجود دارد: کدهای عمومی با قابلیت دسترسی برای همگان مانند برنامه 22MT3 و کدهای اختصاصی که معمولا برای مصارف ویژه و به سفارش مراکز تحقیقاتی خاصی توسعه یافته و در دسترس همه نمی باشد.

مدل مفهومی

معمولا پس از تعیین اهداف مدل سازی دومین گام در فرآیند مدل سازی و در حقیقت مهمترین مرحله در مطالعات مدل تهیه یک مدل مفهومی می باشد. مدل مفهومی یک تصویر ساده شده از دنیای واقعی است. این مدل خلاص های از ویژگی های سامانه هیدروژئولوژیکی است که ضمن برخورداری از دقت لازم معمولا به صورت توصیفی و گرافیکی (نیمرخ زمین شناسی هیدروژئولوژی). مدل مفهومی، پایه مدل ریاضی است و خود بر پایه - و یا نمودار بلوکی) ارائه دهنده ویژگی های اصلی سامانه می باشد اطلاعات اولیه داده های صحرایی و تعبیر و تفسیرهای هیدروژئولوژیکی استوار می باشد.