روش قطبش القایی

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.

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.

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.

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.

    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.

    افزایش بی رویه جمعیت در کشور، محدودیت منابع آب های سطحی و بهره برداری بیش از اندازه از آبخوان ها باعث وارد آمدن خسارات جبران ناپذیری به منابع طبیعی کشور در سال های گذشته شده است. علاوه بر افت شدید سطح آب در آبخوان ها، فعالیت های کشاورزی، صنعتی و شهری آلاینده های مختلفی را به آبخوان ها تحمیل م یکنند که برای جلوگیری از ادامه افت کمی و کیفی، مدیریت بهره برداری و حفاظت از آب های زیرزمینی باید به عنوان یک اصل و پایه در برنامه ریزی های کشور قرار گیرد. در این رابطه، مدل ریاضی در صورت شناخت درست و به شرط آماده بودن زمینه، می تواند به عنوان یک ابزار کارا در اختیار مدیران قرار گیرد.

انواع سفره‌های آبدار

1- سفره آب آزاد

هر گاه لایه‌های نفوذ پذیر مرتبط با سطح زمین بر روی یک لایه غیر قابل نفوذ عمقی قرار گرفته باشد تشکیل سفره آب آزاد را می‌دهد. این نوع سفره آبی از بارشهای جوی بطور مستقیم تغذیه میکند و بعلت آنکه فاقد لایه پوششی غیر قابل نفوذ می‌باشد درمعرض خطر آلودگی‌های سطحی مثل فاضلاب‌ها قرار دارد. سطح آب این قبیل سفره‌ها که با کم و زیاد شدن تغذیه و یا برداشت آب ، بالا و پایین می‌گردد ، بنام سطح آب آزاد یا سطح ایستابی (Water Table) نامیده می‌شود.

مقدمه:

     مصارف بی رویه و کنترل نشده منابع آب سطحی 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، حفر چاه های متعدد و بهره برداری بی برنامه از آنها در چند دهه گذشته باعث بحرانی شدن وضعیت منابع آب زیرزمینی در اکثر دشت های ایران شده است. به نحوی که سطح آب زیرزمینی در برخی آبخوان های مهم کشور به طور مداوم سیر کاهشی داشته و متوسط افت سالانه آن در طول 10 سال گذشته در حد چند متر بوده است.

     کاهش سطح تراز آب زیرزمینی دشت ها اثرات سوء زیادی دارد و باعث افزایش هزینه استحصال آب و افزایش مصرف انرژی، کاهش کیفیت آب و ظهور پدیده فرونشست زمین می گزدد. هر کدام از این عوامل پیامدهای منفی ثانویه دارند. به عنوان نمونه با کاهش حجم آب قابل برداشت و افزایش هزینه استحصال، سطح زیر کشت محصولات کشاورزی کاهش یافته و در مقابل قیمت ها افزایش می یابد. افزایش قیمت ها باعث بی ثباتی اقتصادی در جامعه شده و زمینه ساز بحران های اجتمایی می گردد. از طرف دیگر با کاهش سطح زیر کشت محصولات، عملا به توسعه زمین های لم یزرع و بیابان زایی در منطقه افزوده می شود. بیابان زایی نیز تشدید پدیده شکل گیری ریزگرد ها را در پی دارد و الی آخر...!

ام اف لاب یا MFLAB

ام.اف.لب. که مخفف آزمایشگاه MODFLOW میباشد، فضایی کارآمد و به آسانی قابل تغییر برای مدل سازی کار آمد آبهای زیرزمینی میباشد. این برنامه برای استفاده از تعدادی از بسته های برنامه نویسی مدفلو مانند MT3DMS، SEAWAT و غیره طراحی شده است. ام اف لب قابلیت اجرایی در نسخه آتی وجدید این برنامها را هم دارد. این بسته های برنامه نویسی متعدد هستند و هر کدام برای مدل سازی نوع خاص از روند آبهای زیرزمینی یا شرایط مرزی آنها طراحی شده اند (مراجعه کنید به سایت). ارجعیت برنامه هایی مانند برنامه هایی نام برده شده در اینست که بصورت رایگان در دسترس عموم قرار داده شده اند. این برنامه ها روزانه به طور گسترده ای توسط گروه زیادی از مدل سازان آبهای زیرزمینی در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار میگیرند. در ام اف لب جریان کار مدل سازی بصورت نوشتن متن میباشد و به همین دلیل قابل ویرایش و باز تولیدی است. برخلاف ام اف لب، دراستفاده از رابطهای گرافیکی کاربرموجود اگر ویرایش و باز تولیدی امری غیر ممکن نباشد بسیار دشوار خواهد بود. ام اف لب ازمحیط تعاملی (قابل کار برای دو طرف( متلب (یا محیط های اکتاو یا اسکی لب که بطور مجانی قابل دسترس هستند.) بهره برداری میکند تا : ١. مدل سازی کند ٢. تا داده های ورودی آنها را بنویسید ٣. تا برون داد های آنها را پردازش کرده به تصویر بکشاند ٤. این در صورتی است که ام اف لب یک فایل اکسل را به عنوان متن چند صفحه ای برای شبیه سازی پارامترها و به عنوان قسمتی از یک دستورالعمل استفاده میکند.