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.

پروتکل مدل سازی

پروتکل مدل سازی شامل تمام مراحل تهیه یک مدل یعنی تعریف هدف مراحل انتخاب کد کامپیوتری صح تسنجی طراحی مدل، واسنجی مدل، تحلیل حساسیت و پیش بینی می باشد. در مورد مراحل مختلف مدل سازی و نحوه ارائه الگوریتم مدلسازی بین محققین اختلاف نظرهایی وجود دارد. اهمیت انتخاب یک پروتکل مناسب در درجه اول به دلیل نقش آن در سرعت دادن به پیشرفت مراحل مدل سازی می باشد. الگوریتم های متعددی تاکنون توسط محققین ارائه شده است که با مروری بر منابع قابل دسترس می توان نتیجه گرفت الگوریتم های ارائه شده هر کدام دارای نقاط ضعف و قوتی می باشند. با توجه به وضعیت آماری دشت های کشور که حتی در مورد دشت های نمونه نیز اطلاعات دقیق و درستی در دسترس نمی باشد. اطلاعات موجود در خصوص دشت های کشور نیز چندان قابل اعتماد نبوده و با روشهای مختلف باید مورد کنترل و اصلاح قرار گیرند، لذا استفاده از یک الگوریتم مدل سازی که با شرایط موجود هماهنگی داشته باشد، ضروری به نظر می رسد. نکاتی را که در مورد الگوریتم باید مدنظر داشت این است که دست یابی به آمار و اطلاعات قابل استفاده در یک مقطع زمانی کوتاه و خاص امکان پذیر نبوده و در طی پروژه باید در مقاطع زمانی مختلف نظار تهایی صورت گیرد و حتی در صورت نیاز بازدیدهای صحرایی و اصلاح مشخصات منابع انجام شود، زیرا وجود خطا در مدل مفهومی به علت وجود خطا یا اشتباه در آمار یا اطلاعات موجود قبلی، دور از ذهن نیست. با توجه به مطالب فوق در نمودار حاضر الگوریتم مطالعات و مراحل مدل سازی ارائه شده است، امید است که مفید واقع شود.

تست تحلیل، تفسیر و تجسم بصری از پمپاژ و Slug

نرم افزار AquiferTest یک بسته کامل و ساده (کاربردوست) برای تست تحلیل، تفسیر و تجسم بصری از پمپاژ و Slug است. این نرم افزار توسط Hydrogeologists و برای هیدروژئولوژیست ها طراحی شده است، و برای ارائه آزمون های گوناگون در آبخوان های مختلف مجموعه ای کامل از ابزارها را به شرط وجود داده های کافی تولید شده است.

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.

به منظور شناخت هر چه بیشتر منابع آب زیر زمینی استفاده ازفن‌آوری‌های نوین و بررسی‌های اکتشافی امری کاملاً ضروری و اجتناب‌ناپذیر است. پیشرفت تکنولوژی در کشورهای توسعه یافته در زمینه بررسی منابع آب توأم با ساخت دستگاهها و ابزارآلاتی بوده که سبب رشد و توسعه یافتگی این کشورها شده است. لازمه رشد و توسعه کشور ما نیز در زمینه شنات منابع آب زیرزمینی استفاده از این فن‌آوری‌ها می‌باشد که تحقق آن در گرو استفاده از تجارب کشورهای خارجی و همچنین سعی و تلاش پژوهشگران و محققین این مرز و بوم می‌باشد. الگوبرداری از تولیدات کشورهای پیشرفته و کوشش در جهت ساخت دستگاههای مشابه ضمن اینکه کاری منطقی است از خروج ارز از کشور نیز جلوگیری می‌کند. یکی از دستگاههایی که با استفاده از الگوهای خارجی توسط عده‌ای از پژوهشگران و محققین کشورمان ساخته شده دوربین درون چاهی (ویدئومتر) می‌باشد. هر چند این دستگاه از نظر ظاهر با مشابه خارجی تفاوت دارد. اما نتایج حاصل از کارکرد آن با نمونه خارجی، تفاوت چندانی ندارد.

می توان گفت Aquachem یک بسته نرم افزاری است که به طور خاص در زمینه آب های زیرزمینی برای هر پژوهشگری که با داده های آب کار می کند طراحی شده است. نرم افزار Aquachem برای پروژه های مدیریت نیازهای آب، تجزیه و تحلیل و گزارش داده های کیفیت آب های زیرزمینی ایده آل و مناسب است.

ابزار تجزیه و تحلیل AquaChem طیف گسترده ای از توابع و محاسبات کاربردی را برای تجزیه و تحلیل، تفسیر و مقایسه داده های کیفیت آب پوشش می دهد. این ابزارها شامل تبدیلات ساده واحد، تعادل تغذیه، ترکیب آمار و نمونه توابع به فرم پیچیده تر مانند ماتریس همبستگی و محاسبات Geothermometer است.

این قابلیت های تحلیلی قدرتمند توسط گزینه های گسترده انتخاب از پلات و نمودار برای نشان دادن ویژگی های شیمیایی داده های کیفیت آب ژئوشیمیایی که معمولا استفاده می شود، تکمیل شده است.

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.

    مدل آب زیرزمینی یکی از ابزارهای مدیریتی است که برای حل موارد پیچیده مرتبط با سامانه های آب زیرزمینی به کار می رود. این ابزار تنها مولفه در مطالعه حوضه نبوده و با مدلهای اقتصادی-اجتماعی و دیگر ابزارهای مدیریتی در ارتباط می باشد. اگر مدل به درستی تهیه شده باشد و در شرایط مناسب به کار گرفته شود، ابزار بسیار قدرتمندی در حل مساله خواهد بود. برای این منظور داده های دقیق و قابل اعتماد باید در دسترس بوده و تیم کاری مطالعات مدل نیز باید شامل افراد توانا و آگاه در هیدروژئولوژی و هیدرولوژی محلی باشند. ارتباط و بحث و گفتگو در رابطه با نتایج مدل بین تیم مدلسازی و کارفرما نیز به اندازه ی ابزارها و مهارت های مدل سازی با اهمیت است.

تعریف مدل

    مدل به مفهوم نمایش یک پدیده حقیقی و یا نمایش مادی یک پدیده است که هدف آن واضح ساختن رفتار پدیده حقیقی تحت شرایط خاص می باشد. در مبحث آ بهای زیرزمینی، مدل توسط محققین به صورت های مختلف تعریف شده است که تمام تعاریف در مفهوم مشابه م یباشند. دومنیکو مدل را بیانی از یک واقعیت م یداند که سعی دارد مفاهیم و رفتار آن را به گونه ای شرح دهد که همواره پیچیدگی ک متری نسبت به سامانه واقعی داشته باشد. یک سامانه واقعی مانند یک آبخوان، متشکل از مجموعه ای از فرآیندها و پدیده های فیزیکی و شیمیایی است. بیان کمی و کیفی این پدیده ها و شناخت رفتار سامانه از طریق معادلات حاکم و مدل ها صورت می گیرد. تعریف مدل باید مبتنی بر وضعیت هندسی دقیق سامانه مورد مطالعه (به عنوان مثال لایه آبدار) و اطلاعاتی درباره پارامترهای فیزیکی مرزهای ورودی و خروجی های آن سامانه باشد.

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.

وضعیت آب در کره زمین

    مردم ما هر روز 1700 میلیارد لیتر آب مصرف می کنند. 97% آبهای کره زمین درون اقیانوسها است و 2% آن یخ زده است. ما آب مورد نیاز خود را از 1% باقیمانده تهیه می‌کنیم که از یکی از دو منبع زیر بدست می آید: سطح زمین (رودخانه‌ها ، دریاچه‌ها و نهرها) و یا از آبهای زیرزمینی. امروز حدود 117 میلیون نفر ، یعنی بیش از نیمی از جمعیت آمریکا متکی به آبهای زیرزمینی به عنوان منبع آب آشامیدنی هستند. جای تعجب نیست که کشف آلودگی آبهای زیرزمینی در تمام دنیا موجب بروز نگرانیهای شدیدی شده است. 

سفره آب زیرزمینی

    سفره آب به لایه یا منطقه قابل نفوذی در زیر سطح زمین گفته می‌شود که آب در آن می‌تواند جریان یابد. سفره آب همچنین باید قابلیت آبدهی خوبی داشته‌باشد. سطح فوقانی سفره آب، یا سطح ایستایی همواره افقی نیست و به‌طور طبیعی از منطقه تغذیه آن ، یعنی محل و منطقه‌ای که آب زیرزمینی را تامین می‌کند، به طرف محل تخلیه دارای شیب است. بطور کلی شکل سطح استیابی غالبا از شکل سطح زمین پیروی می‌کند. ولی برآمدگیهای آن هموارتر است. بنابراین ایستایی در نواحی پست در نزدیک سطح زمین و در تپه‌ها و کوه‌ها در عمق زیادتر قرار دارد.

تعریف مدل:

    شمایی از یک پدیده واقعی و یا برداشت ذهنی از یک پدیده واقعی و به عبارت دیگرهر چیزی که تقریبی از یک سیستم واقعی باشد، مثلا سیستم آب زیرزمینی.  مدلها حتی در زندگی روزمره انسان ها نیز دیده می شوند؛ مثلا برداشت ذهنی در مورد افراد، و این برداشت ذهنی می تواند منطبق با واقعیت و یا نزدیک به واقعیت و یا دور از واقعیت باشد. هرچه داده و اطلاعات بیشتری داشته باشیم مدلسازی دقیق تری انجام می شود.