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.

این نرم افزار از جمله نرم افزارهای بسیار سودمند در زمینه مهندسی و مدیریت است که بسیاری از مباحث تصمیم گیری، برنامه ریزی، پیش بینی وکنترل را شامل می شود و بعنوان نرم افزار توانا در هر زمینه خاص مطرح شده است. از جمله در تخمین و محاسبات با کاربرد این نرم افزار می توان به نمونه موجود در سایت بیسین، تحت عنوان پروژه تعیین بهینه ضرائب روندیابی سیلاب به روش تابع جریمه (کلیک کنید) اشاره کرد.

هدف اصلی در NLP و یا برنامه ریزی غیرخطی، در شکل کلی آن پیدا کردن مقادیر بهینه متغیرهای تصمیم گیری با در نظر گرفتن محدودیت‌ها می‌باشد. در فرمول بندی اینگونه مسائل، هدف پیدا کردن یک نقطه تکین مطلق است ولی واقعیت چه از نظر محاسباتی و چه از لحاظ نظری، در بسیاری مواقع رضایت دادن به نقطه تکین نسبی خواهد بود. به عنوان مثال هنگام جستجوی نقطه کمینه با استفاده از یک روش همگرا شونده، مقایسه مقادیر نقاط همجوار تنها راه حل ممکن است.

در ریاضیات برنامه سازی غیر خطی (Nonlinear programming) (NLP) فرایند حل یک سیستم از برابری‌ها و نابرابری‌ها بر روی مجموعه‌ای از متغیرهای ناشناخته حقیقی، در یک تابع هدف که باید کمینه یا بیشینه شود و بخشی از محدودیت‌های آن غیر خطی است، می‌باشد.

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.

معرفی کوتاه:

می توان گفت که DRAIN یک مدل چند منظوره تحت ویندوز است که برای طراحی و تجزیه و تحلیل رواناب های شهری و حوضه های طبیعی استفاده می گردد. این برنامه برای نخستین بار در ژانویه سال 1998 به وسیله کمپانی Watercom استرالیا عرضه گردید. این مدل توسط Geoffrey O’Loughlin از ترکیب دو مدل ILSAX و PIPE ساخته شده است.

این برنامه قادر است سیستم های زهکشی در تمامی ابعاد و مساحت ها تا حدود 10 کیلومتر مربع تجزیه تحلیل و طراحی نماید. این برنامه می تواند به واسطه روابط موجود بارش هایی را با هر پایه زمنی به رواناب تبدیل کرده و سیستم های زهکشی را شامل لوله ها، کانال ها و جویها با قواعد هیدرولیکی طراحی نماید. در یک بسته نرم افزاری DRAIN مدل های هیدرولوژیکی ILSAX؛ مدل های روند یابی هیدرولوژیکی و مدل های هیدرولیکی جریانات ناپایدار و شبه پایدار وجود دارد هنین برنامه توانایی طراحی سیستم ها را به صورت خودکار داشته و می تواند به برنامه های CAD و GIS متصل گردد.

معرفی کوتاه:

سازمان های دولتی و غیر دولتی متعددی روش های مختلفی برای حفاظت از محیطهای آبی در مناطق شهری ابداع کرده اند که بیشتر روی منابع نقطه ای آلودگی ها و بطور کلی منابع آلوده کننده نقطه ای تاکید داشته اند؛ بطوری که فاضلاب های مرکز صنعتی از مهم ترین نقاط ترکز می باشند. اما اکنون توجهات بیشتر به سمت منابع آلوده کننده پخشی و غیر نقطه ای متمرکز شده است که در این میان پرداختن به بحث رواناب شهری به عنوان مهمترین حامل آلودگی در مناطق شهری از جایگاه ویژه ای برخوردار است.

کنترل آلودگی در آبراهه ها و مسیر های انتقال معمولا دارای مشکلاتی می باشد... زیرا آلودگی در تمام سطح حوضه و به عبارتی هر جایی که باران به سطح زمین می رسد وجود دارد و در صورتی که جریان زیاد گردد، تمام سطوح مجاور مسیر کانال را می تواند بگیرد. به همین دلیل اقدامات موفق در خصوص مدیریت رواناب در مناطق شهری باید با دیدگاه حوضه ای انجام شود و تاکید ویژه بر روی اخذ آلودگی و کنترل مواد آلاینده در مبدا باشد که این فرآیند نیازمند ترکیب علوم مختلف شامل طراحی شهری، هیدرولوژی شهری، آمایش سرزمین و... می باشد.

یکی از برنامه هایی که امکان شبیه سازی کیفیت و کمیت رواناب در حوضه های شهری را فراهم می آورد و تأثیر دامنه وسیعی از اقدامات سازه ای و رایج در مدیریت کمیت و کیفیت رواناب شهری را مورد تحلیل قرار می دهد برنامه MUSIC می 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.

بازسازی داده های اقلیمی و زمینی به سبب وجود مقادیر ناقص یکی از مهم ترین گام های پیش پردازش در این اطالاعات می باشد. در واقع می توان گفت داده های محیطی نظیر داده های بارش، دما، سیل و حتی داده هایی نظیر مقادیر سطح آب زیرزمینی در چاه های مشاهده ای و پیزومترها؛ به سبب و علل گوناگونی که می توانند در دسته های مشخص دسته بندی گردند همواره دارای مقادیری ناقص می باشند. نقص داده گاهی سبب متوقف شدن کل محاسبات گسترده ای در یک مدل سازی می شود؛ به نحوی که تا تکمیل این نواقص امکان عبور به گام وجود ندارد. در بسیاری موارد نیز لازم است ایستگاه های مختلف در یک بازه زمانی به تعداد متناسب و متناظر دارای داده باشند، به نحوی که امکان انجام آزمون های آماری همگنی و روند یابی و کفایت داده همچون ماکوس و... ممکن گردد.

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.

سیستم مدیریت آب (CWMS) سیستم خودکار اطلاعاتی است که توسط مهندسان ارتش ایالات متحده (USACE) برای حمایت از ماموریت های مدیریت کنترل آب استفاده شده است. این ماموریت ها شامل تنظیم جریان رودخانه از طریق بیش از 700 مخزن، سد، و دیگر سازه های کنترل آب واقع در سراسر کشور است.

CWMS یک سیستم یکپارچه از سخت افزار و نرم افزار است که با دریافت داده های هیدرومتری، حوضه، و وضعیت پروژه آغاز می شود. این اطلاعات سپس پردازش شده، ذخیره می شود، و از طریق یک رابط کاربر پسند به مدیر آب با هدف ارزیابی و مدل سازی حوضه در دسترس قرار می گیرد. هر دو بخش مدل و داده های پردازش شده می تواند در جدولی گرافیکی، و یا جغرافیایی-فضایی در یک سیستم پشتیبانی تصمیم گیری موثر نمایش داده و منتشر شود.

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.

RiverWare نرم افزاری قدرتمند برای مدل سازی سیستم رودخانه ها است که محیطی ایده آل را برای تصمیم گیری عملیات، پیش بینی، ارزیابی سیاست های عملیاتی، بهینه سازی سیستم، سنجش میزان آب، مدیریت مالکیت آب و برنامه ریزی بلند مدت برای منابع آبی در بر دارد. با این برنامه مدل سازی هیدرولوژی و هیدرولوژیکی، مسیر ها و کانال های رودخانه، انحرافات، کانال توزیع، کاربرد های مصرفی، آب های زیرزمینی، مصارف، کیفیت آب از جمله TDS ،DO و دما، تولید برق و انرژی و مالکیت آب و معاملات آب امکان پذیر است و همچنین با وجود دسترسی داده محور و شی گرای این برنامه امکان نمایش شرایط سایت مورد مطالعه با ایجاد شبکه ای از اشیای شبیه سازی شده، لینک کردن آن ها به یکدیگر، تکمیل اطلاعات اجزا و انتخاب الگوریتم های پردازش فیزیکی برای هر شی جهت تکمیل نمونه مدل سازی شده و نیز روش ها و ابزار متعددی برای مسیریابی جریان رودخانه، محاسبه تبخیر و محاسبه میزان تولید برق آبی فراهم شده است.

مرزهای مهندسی سد با به کارگیری درسهای آموخته از طرحهای شکست خورده گسترش بسیاری یافته است. اغلب مسائل قابل انتساب به علتهای ساده و غالبا مربوط به ارزیابی غلط کیفیت و کمیت پارامترهای پی سدها بوده است. نظر باینکه توانائی سازند های طبیعی در محل های احداث سد و مخزن، برای نگهداری یا هدایت آب بسیار متفاوت می باشند، هر ساختگاه سد ویژگیهای مختلفی دارد که توجه و بررسی خاطی را طلب می کند.

از مدتها قبل مهندسین زیادی آمار شکست و حوادث پیش آمده در سدهای مخزنی را برای ارتقاء دانش صنعت سد سازی جمع آوری نموده تا این سازه های مسلم مفید را براساس بهره برداری مناسب از یافته های موجود ایمن تر طراحی نموده و یا این سازه ها مناسب تر ساخته شوند. از سالهای ١٩٧٤ تا ١٩٨٣ کمیسیون جهانی سدهای بزرگ اقدام به چاپ نشریاتی نموده که در مجموع سعی گردید تا در مطالعات مذکور به سئوالات زیر را پاسخ لازم داده شود:

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).