2.7 مدل های فیزیکی، قیاسی و ریاضی

این مدل ممکن است به عنوان یک تصویر متعارف از یک پدیده یا فرآیند تعریف شود، به گونه ای ساخته شده است که ویژگی های اساسی را برای اهداف تحقیق منعکس می کند. این ویژگی خاص ناشی از محدودیت مدل سازی است. مدل ها نمی توانند واقعیت را با تمام پیچیدگی های خود بازتولید کنند، زیرا در این حالت مدل جایگزین واقعیت خواهد شد (که مطالعه، همانطور که نشان داده شده، دشوار، مهم و حتی گاهی غیرممکن است).

1.7 اصول کلی

از نظر تئوری، دو روش برای تجزیه و تحلیل سیستم وجود دارد:

• روش تحلیلی، شامل تقسیم یک سیستم در اجزای آن است که پس از آن یک به یک تجزیه و تحلیل می شود.
• روش سیستمیک، بررسی پدیده ها و فرآیندهای پیچیده به عنوان یک کل، دارای رفتار و ویژگی هایی که متعلق به اجزای سیستم نیستند بلکه متعلق به تعامل آنها هستند.

آیا به دنبال راهی برای رسم رسانایی مناطق زهکشی در مدل آب زیرزمینی خود هستید؟ اگر مدل منطقه ای بزرگی دارید که شامل مناطقی با شبکه زهکشی متراکم (خندق، زهکشی کاشی و غیره) است، می توانید این را برای نشان دادن یک سیستم زهکشی پراکنده افزایش دهید. هنگام انجام این کار، نه تنها خندق های مجزا با بسته بندی تخلیه (DRN)، بلکه کل مناطق وجود دارد. با استفاده از GMS می توانید کانتور این مناطق زهکشی را ایجاد کنید.

در طول قرن‌ها و سال‌های متمادی به دلیل فراوانی نسبی آب در قیاس با نیاز انسان‌ها، تعداد کم جمعیت در محدوده تمدن‌ها و نوع فناوری‌های مورد استفاده، دخالت‌های بشر در چرخه آب از جمله بهره‌برداری منابع آب زیرزمینی توسط چاه‌های دستی و قنات و از منابع آب سطحی در مقیاس محدود و با استفاده از فناوری‌های ساده نظیر ایجاد بندهای انحرافی یا سایر تأسیسات آبی که در تاریخ تمدن بشری ثبت و ضبط گردیده و آثار آنها هنوز در نقاط مختلف دنیا قابل مشاهده است، صورت می‌گرفته‌است. با گذشت زمان و افزایش جمعیت، بروز انقلاب صنعتی و افزایش نیازهای بشری برای تأمین مواد غذایی، انرژی و همچنین تأمین نیازهای روزانه، دامنه و ابعاد دخالت‌های بشری در چرخه آب گسترده‌تر و پیچیده‌تر گردید.

هر شکلی از محاسبهٔ بیلان، نهایتاً با عدم‌قطعیت روبروست. منشأ عدم‌قطعیت‌ها در محاسبات بیلان را می‌توان به دو منبع نسبت داد: تغییرات طبیعی در چرخهٔ آب و خطاهای اندازه‌گیری. تمامی مؤلفه‌های بیلان به اشکال مختلف تغییرپذیر هستند. از بارندگی گرفته، تا تبخیرتعرق، رواناب و نفوذ همگی تحت تأثیر پارامترهای مختلف تغییر می‌کنند و در برخی مناطق، میزان تغییرات بسیار شدیدتر است. همین‌طور ارتباط تنگاتنگ و در هم‌پیچیدهٔ پارامترهای مختلف، همچون دما، بارش، تبخیر، پوشش گیاهی و غیره موجب می‌شود تا به راحتی مقدار مؤلفه‌ها دستخوش تغییرات جدی قرار گیرند. خطاهای ناشی از اندازه‌گیری نیز، همان‌طور که گفته شد به دلیل ذات برخی از مؤلفه‌ها و پارامترها، یا حتی محدودیت‌های مالی، تخصصی و غیره ممکن است کم یا زیاد باشد.

1.7 اصول کلی آنالیز سیستم ها با استفاده از مدل سازی ریاضی

از نظر تئوری، دو روش برای تجزیه و تحلیل سیستم وجود دارد:

• روش تحلیلی، شامل تقسیم یک سیستم در اجزای آن است که پس از آن یک به یک تجزیه و تحلیل می شود.
• روش سیستمیک، بررسی پدیده ها و فرآیندهای پیچیده به عنوان یک کل، دارای رفتار و ویژگی هایی که متعلق به اجزای سیستم نیستند بلکه متعلق به تعامل آنها هستند.

به‌طور کلی می‌توان اجزای ورودی و خروجی آب به یک حوضهٔ آبریز، به عنوان واحد حسابداری اصلی برای مدیریت آب را به شکل زیر در نظر گرفت:

آب در قالب بارندگی از اتمسفر به سطح زمین جابجا می‌شود و از طریق نفوذ آن یا نشت آب جریان‌های سطحی، به آب‌های زیرزمینی وارد می‌گردد. آب‌های زیرزمینی نیز یا به صورت طبیعی یا غیرطبیعی (توسط انسان) به سطح زمین جابجا می‌شوند و حتی ممکن است مستقیماً تبخیر شده و به اتمسفر بروند. درک این فرایندهای جابجایی، می‌تواند درک عمیق‌تری را نسبت به بیلان آب فراهم سازد. از دیدگاه سازمان زمین‌شناسی آمریکا، فرایندهای اصلی جابجایی آب بین بخش‌های اصلی بیلان آب عبارتند از:

داشتن منابع آب سالم پیش نیازی ضروری و اساسی برای حفظ کیفیت محیط زیست و رشد و توسـعه اقتصـادی، سیاسـی، اجتماعی و فرهنگی جوامع انسانی است. بسیاری از سکونتگاه های انسان در نزدیکی و کنـار منـابع آب قـرار دارنـد و ایـن منـابع تامینکننده نیازهای آبی انسان و در بسیاری از مواقع دریافتکننده زایدات انسانی (فاضلابها و پسماندها) و روانابهـا بـه شـمار میروند که اثرات سوء بسیاری بر محیط زیست طبیعی و انسانی در پی دارد. در این میان حریم کیفی منابع آب سـطحی یکـی از نیازهای ضروری مدیریت منابع آب و محیط زیست اسـت کـه کارکردهـای متعـددی از جملـه حفاظـت اکوسیسـتم آبـزی و کنارآبزی، جلوگیری از تخریب ساحل و بستر رودخانه، بهبود کیفیت آب (توسط گیاهان کنارآبزی و آبزی)، کـاهش بـار آلـودگی ورودی از منابع غیرنقطه ای، بهبود مدیریت مخاطرات ناشی از حوادث و سوانح آلـودگی دارد. بـا توجـه بـه گسـتردگی عوامـل تاثیرگذار بر منابع آب و لزوم کنترل آن جهت جلوگیری از آلودگی و آسیبهای زیست محیطی وارده و حفاظت و کنتـرل آلودگی منابع آب سطحی تعیین و کنترل نواحی میانگیر یا حریم کیفی در قالب قـوانین و دسـتورالعملی مـدون ضـروری است.

اتمسفر، سطح زمین و زیرزمین، سه بخش اصلی چرخهٔ آب را تشکیل می‌دهند و با درک ذخیره و جریان آب در هر یک از این بخش‌ها می‌توان شناخت کامل‌تری نسبت به بیلان آب پیدا کرد. به عبارت دیگر، در هر یک از بخش‌های چرخهٔ آب، جریان‌ها و ذخایر آب متفاوت است و هدف اصلی بیلان آب در یک واحد حسابداری بخصوص این است که بتواند اجزای این ذخایر و جریان‌ها را شفاف کند. سازمان زمین‌شناسی آمریکا اجزای اصلی چرخه آب را به این صورت تقسیم‌بندی می‌کند:

بخشی از آب کرهٔ زمین بر روی سطح زمین در قالب اقیانوس‌ها، یخچال‌ها، دریاچه‌ها، رودخانه‌ها، آبراهه‌ها و تالاب‌ها است؛ همچنین بخش دیگر آن در زیرسطح زمین بصورت رطوبت خاک و آب‌های زیرزمینی است، و بخش دیگر در اتمسفر قرار دارد. بیش از ۹۷ درصد کل ذخایر آبی کرهٔ زمین در اقیانوس‌ها قرار دارد. از کل میزان آب موجود در خشکی، ۷۷ درصد به صورت یخچال‌ها و پوشش‌های برفی هستند و بخش اعظم دیگر آن بصورت ذخایر آب زیرزمینی است. آب به صورت مداوم از مسیرهای مختلف در چرخهٔ آب حرکت می‌کند؛ حرکت آب در برخی از این مسیرها بسیار سریع است مانند بارش بر روی زمین یا تبخیر پس از بارش؛ اما در برخی دیگر از مسیرها، آب با سرعت بسیار کندی در حد قرن‌ها و هزاره‌ها حرکت می‌کند مانند ذوب برف در یخچال‌ها. برای اطلاعات بیشتر می‌توان به مدخل چرخه آب رجوع کرد.

آیا هنگام وارد کردن داده های گمانه به GMS با مشکلی روبرو شده اید؟ در اکثر مواقع، هنگام وارد کردن داده های گمانه به GMS هیچ مشکلی وجود ندارد، اما گاهی اوقات چیزی نامناسب می شود. در این مقاله سعی می شود برخی از موارد رایج هنگام وارد کردن داده های گمانه رخ دهد.

بیلان آب برگردان دو واژهٔ Water budget و Water balance است. بیلان آب بیانگر موجودی و تغییراتی است که در موجودی آب در یک محدودهٔ زمانی و مکانی بخصوص رخ می‌دهد. آب به دلیل حرکت در سه فاز جامد، مایع و گاز تحت انرژی‌های موجود در طبیعت، و همین‌طور تحولات مختلف طبیعی و انسانی، همواره در حال جابجایی است. اهمیت آب در حیات انسان و اکوسیستم‌ها موجب می‌شود تا مطالعه و ارزیابی وضعیت بیلان آب ضرورت یابد.

HEC-GeoEFM یک الحاقی ArcMap است که برای پشتیبانی از تجزیه و تحلیل فضایی که معمولاً در هنگام استفاده از مدل عملکردهای اکوسیستم (HEC-EFM) استفاده می شود، توسعه یافته است. استفاده از HEC-GeoEFM برای ArcMap نیاز به مجوز کاربر دارد. همچنین برنامه های افزودنی Spatial Analyst و 3D Analyst برای ArcMap باید نصب و فعال شوند.

آیا می خواهید GMS، SMS یا WMS را امتحان کنید، اما برای انجام مجوز کاملاً آماده نیستید؟ یا شاید شما مجوز دارید، اما نگهداری شما به پایان رسیده است و شما می خواهید قبل از به روزرسانی، ویژگی های جدید نسخه بتا را بررسی کنید؟ Aquaveo با استفاده از مجوز ارزیابی محصولات خود اجازه می دهد تا به شما اجازه دهد نرم افزار ما را امتحان کنید تا ببینید آیا این نیاز شما را برآورده می کند. مجوزهای ارزیابی کدهای مجوز موقت هستند که به شما امکان می دهند به مدت دو هفته از تمام قابلیت های نرم افزار ما استفاده کنید.

2. مدل سازی

CLSM با استفاده از سه متغیر حالت، تغییرات ذخیره آب زیرسطحی ناشی از فعل و انفعالات زمین و جو (بارش و ET) را شبیه سازی می کند: مازاد سطح و مازاد منطقه ریشه، که نشان دهنده رطوبت بیش از حد خاک نسبت به حالت تعادل در لایه سطحی (0-2 سانتی متر است) زیر سطح و منطقه ریشه (0-100 سانتی متر) به ترتیب و کسری حوضه آبریز که نشان دهنده مقدار آب مورد نیاز برای رساندن پروفیل به اشباع است (Koster و همکاران، 2000). CLSM همچنین تغییرات برف فصلی را در سه لایه برفی شبیه سازی می کند. CLSM تغییرات سطح آب را مدل نمی کند. در عوض، ذخیره آب زیرزمینی با کم کردن آب ذخیره شده در منطقه ریشه از آن ذخیره شده در پروفیل (که می تواند از کسری حوضه آبریز و سایر پارامترهای مدل محاسبه شود)، که ظرفیت آن توسط پارامتر عمق بستر CLSM تعیین می شود، حاصل می گردد. عمق بستر به دنیال مطالعات Houborg و همکاران (2012) به طور یکنواخت 2 متر افزایش یافت. که نشان داد با استفاده از عمق سنگ بستر اصلی، TWS شبیه سازی شده CLSM اغلب در جنوب غربی ایالات متحده به یک حد پایین تر نزدیک می شود، به طوری که قادر به نشان دادن شرایط شدید خشکسالی نیست. به غیر از این، مدل برای این مطالعه اصلاح یا کالیبره نشده است. از آنجایی که CLSM از عمق سطح آب واقعی یا ضخامت های آبخوان به عنوان پارامترهای ورودی استفاده نمی کند، ذخیره آب زیرزمینی شبیه سازی شده آن (نه مانند مدل پویا) منعکس کننده پارامترهای مدل (از جمله عمق بستر) است. بنابراین، فقط ناهنجاری های ذخیره آب زیرزمینی، نه مقدار کل ذخیره آب زیرزمینی یا عمق سطح آب، با اندازه گیری های محلی قابل مقایسه است.

کمبود اطلاعات ذخیره آب زیرزمینی در مقیاس جهانی مانع از توانایی ما برای نظارت موثر بر منابع آب زیرزمینی می شود. در این مطالعه، ما یک محصول پیشرفته ذخیره آب زمینی (TWS) مشتق شده از مشاهدات ماهواره ای بازیابی جاذبه و آزمایش آب و هوا (GRACE) را در مدل Catchment land یا (CLSM) ناسا در مقیاس جهانی، هماهنگ سازی می کنیم. تولید سری های زمانی ذخیره آب زیرزمینی برای نظارت بر خشکسالی و سایر کاربردها مفید هستند. ارزیابی با استفاده از داده های محلی از نزدیک به 4000 چاه نشان می دهد که هماهنگ سازی داده های GRACE شبیه سازی آب های زیرزمینی را بهبود می بخشد، با خطاهای تخمین 36 و 10 درصد کاهش می یابد و همبستگی به ترتیب 16 و 22 درصد در مقیاس منطقه ای و نقطه ای بهبود می یابد. بزرگترین پیشرفت در مناطق با تنوع بزرگ در بارندگی سالیانه مشاهده می شود، جایی که آبهای زیرزمینی شبیه سازی شده به تغییرات جبری جو بسیار واکنش نشان می دهند. تأثیرات مثبت هماهنگ سازی GRACE با استفاده از داده های کم جریان مشاهده شده بیشتر نشان داده می شود. عملکرد هماهنگ سازی داده های CLSM و GRACE نیز در بین دسته های مختلف نفوذپذیری مورد بررسی قرار می گیرد. این ارزیابی نشان می دهد که هنگامی که صحبت از شبیه سازی تغییرات واقعی آب زیرزمینی در مناطق با برداشت شدید آب زیرزمینی است، هماهنگ سازی داده های GRACE نمی تواند فقدان یک طرح برداشت آب زیرزمینی را در CLSM جبران کند. آبهای زیرزمینی شبیه سازی شده CLSM با ناهنجاری های بارش 12 ماهه در مناطق کم و عرض جغرافیایی ارتباط زیادی دارد. یک شاخص خشکسالی آب زیرزمینی بر اساس تجزیه و تحلیل داده های GRACE به طور کلی با سایر شاخص های خشکسالی در مقیاس منطقه ای همخوان است، اختلافات عمدتا در شدت خشکسالی برآورد شده آنها است.

3. نتایج و بحث

آ. تأثیر GRACE-DA بر تنوع آبهای زیرزمینی

نسبت انحراف استاندارد، ترجمه تغییرات در دامنه های میانگین GWS که توسط GRACE-DA و OL شبیه سازی شده است، تأثیرات جمع آوری داده ها بر تنوع آب زیرزمینی را نشان می دهد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. بیشترین تغییرات به دلیل دامنه TWS کمتری است که توسط GRACE مشاهده شده است، نتیجه تفکیک مکانی درشت که تنوع زیاد را در مقیاس دقیق تر صاف می کند. کاهش دامنه ها بیشتر در شرق، جنوب و مناطقی از غرب میانه قابل مشاهده است. دامنه های افزایش یافته در مناطقی از غرب ایالات متحده، تگزاس و دشت های بزرگ مشاهده می شود.

ما تأثیر بازیابی جاذبه و تجزیه و تحلیل داده های ماهواره های آزمایش آب و هوا (GRACE-DA) در مقداردهی اولیه پیش بینی هیدرولوژیکی فصلی ایالات متحده، با تمرکز بر ذخیره آب زیرزمینی را ارزیابی می کنیم. تخمین های ذخیره آب زمینی مبتنی بر GRACE یعنی TWS برای دوره 2003-2016 به یک مدل سطح زمین متصل می شوند. شبیه سازی سه ماهه پیش بینی شده (به عنوان مثال، پیش بینی وقایع گذشته) با استفاده از حالت های مرجع (بدون جذب داده) و GRACE-DA آغاز می شود. تفاوت بین دو شرایط اولیه هیدرولوژیکی (IHC) برای دو روش پیش بینی در 305 چاه که اندازه گیری های عمق به سطح آب در دسترس است، ارزیابی می شود. نتایج نشان می دهد که استفاده از IHC مبتنی بر GRACE-DA عملکرد پیش بینی آبهای زیرزمینی فصلی را از نظر RMSE و همبستگی بهبود می بخشد. در حالی که بیشتر مناطق بهبود را نشان می دهند، تخریب در دشت های مرتفع معمول است، جایی که برداشت برای روش های آبیاری بیشتر از تنوع آب و هوا بر تغییرات آب زیرزمینی تأثیر می گذارد، که این امر نیاز به شبیه سازی چنین فعالیت هایی را نشان می دهد. این یافته ها به تلاش های اخیر در جهت بهبود سیستم نظارت و پیش بینی خشکسالی ایالات متحده کمک می کند.

دانشمندان مرکز پرواز فضایی Goddard ناسا هر هفته شاخص های خشکسالی آب زیرزمینی و رطوبت خاک را تولید می کنند. آنها بر اساس مشاهدات ذخیره آب زمینی حاصل از داده های ماهواره GRACE-FO و با مشاهدات دیگر، با استفاده از یک مدل عددی پیچیده از فرآیندهای آب و سطح زمین، ادغام شده اند. شاخص های خشکسالی شرایط مرطوب یا خشک فعلی را توصیف می کنند، که به صورت صدک نشان داده می شود و احتمال وقوع آن مکان و زمان خاص از سال را نشان می دهد، با مقادیر پایین تر (رنگ های گرم) به معنای خشک تر از حالت عادی و مقادیر بالاتر (آبی) به معنای مرطوب تر از حد نرمال است. اینها هم به صورت فایل و هم به صورت فایل دیتای باینری ارائه می شوند.

6.3 نتیجه گیری

عملکرد تولید نقش مهمی در تعیین موج سیل ناشی از طوفان باران دارد. جز اصلی تلفات آب نفوذ است اما با این وجود سایر اجزای تعادل آب در شرایط خاص ممکن است مهم باشند. از میان روشهای ارائه شده در این فصل می توان دو دسته را از هم تفکیک کرد: مواردی که از نظر جسمی مبتنی هستند و روشهای تجربی. روش های دسته اول البته از نظر مفهومی اثبات شده اند اما ارزیابی پارامترهای آنها نیاز به مقدار زیادی داده حاصل از اندازه گیری ها و محاسبات هزینه بردار زمان دارد. علاوه بر این، پارامترهایی که نشانگر ویژگی های نفوذ پذیری هستند، به ایزوتروپی اشاره دارند، که در مورد حوضه های متوسط ​​و حتی کوچک اینگونه نیست. چنین رویه هایی ممکن است برای موارد خاص که ایزوتروپی بدون عواقب عمده ای بر صحت نتایج فرض می شود، استفاده شود.