هدایت هیدرولیک افقی، یکی از مهم ترین مشخصه های هیدرودینامیکی خاک است که در محاسبه فاصله های زهکشی زیرزمینی مورد نیاز بوده و در مطالعات زهکشی مورد توجه قرار می گیرد. روش های متعددی برای اندازه گیری صحرایی هدایت هیدرولیک اشباع خاک وجود دارد که اساس کلیه آنها بر اندازه گیری سرعت جریان افقی آب در خاک استوار است. بر حسب اینکه اندازه گیری سرعت جریان آب در خاک در زیر سطح ایستابی یا در بالای سطح ایستابی صورت گیرد، روشهای تعیین هدایت هیدرولیکِ نیز متفاوت خواهد بود. برای اندازه گیری در شرایط زیر سطح ایستابی، دو روش، بیش از سایر روش ها متداول و معمول است که یکی به روش چاهک و دیگری به روش حفره زیر لوله یا روش پیزومتری موسوم است. وقتی آب در محیط اندازه گیری نباشد، روش های چاهک معکوس یا پورشه، تزریق چاهک و روش موسوم به نفوذ سنج گلف به کار برده می شود. هدایت هیدرولیک قائم نیز در زهکشی اهمیت داشته و برای اندازه گیری آن، از روش تیوب یا روش استوانه استفاده می شود.

    با توجه به اهداف کلان کشور در برنام ههای توسعه اقتصادی- اجتماعی و فرهنگی در بهره برداری بهینه از منابع آب، سیستم های آبیاری تحت فشار در اولویت های برنامه ریزی و اجرایی کشور قرار گرفت.

    مجموعه حاضر با عنوان مشخصات فنی عمومی آبیاری تحت فشار توسط اداره کل توسعه روشهای آبیاری تحت فشار معاونت آب و خاک وزارت جهاد کشاورزی تهیه و برای استفاده در طرح های عمرانی کشور به معاونت امور فنی سازمان از آن جا که مشخصات فنی سندی است که ویژگی های مهندسی یک محصول، فرآیند یا خدمت را مشخص می سازد، بدون شک یکی از اساسی ترین ضوابط موثر در ارتقای سطح دانش و آگاهی عوامل اجرایی محسوب و نظر به لزوم تبیین و تفکیک مسوولیت دستگاه اجرایی، دستگاه نظارت و عوامل اجرایی در کارگاه به عنوان مدرکی فنی، حقوقی و قراردادی از اهمیتی ویژه برخوردار است.

عنوان مقاله به انگلیسی:

Using GSFLOW to Model Groundwater Flooding Recurrence Intervals

عنوان مقاله به فارسی:

استفاده از GSFLOW برای مدل سازی دوره بازگشت طغیان آب های زیرزمینی

مقدمه:

    Spring Green، در ویسکانسین (شکل 1) در سال های اخیر در مناطق واقع در خارج از محدوده ویژه خطر سیل که توسط آژانس مدیریت اضطراری فدرال (FEMA) در نقشه دیجیتالی نرخ بیمه سیل (DFIRM) برای رودخانه ویسکانسین مشخص گردیده، در معرض جاری شدن طغیان و سیلاب آب های زیرزمینی بوده است. این سیل ها ناشی از لبریز خودِ کرانه رودخانه ویسکانسین نبوده، بلکه ناشی از مجموعه عوامل خاک اشباع، طغیان آب های زیرزمینی، و رواناب جریان های سطحی زمین در دوران ذوب برف و بارش سنگین بوده است. جاری شدن سیلی تاریخی طی ماه ژوئن 2008 (شکل 2) نزدیک به 7 مایل مربع از منطقه Spring Green  را با آبی ایستا به مدت 5 ماه زیر آب فرو برد که موجب نفوذ آلودگی به چاه های تأمین آب، از دست دادن محصولات کشاورزی، صدمه به خانه ها، ساختمان ها، و زیرساخت ها گشت. اهداف این مطالعه مدل کردن تعاملات آب های زیرزمینی و سطحی با استفاده از داده های تاریخی آب و هوایی برای پیش بینی مناطق مستعد و دارای ریسک بالای طغیان آب های زیرزمینی، همچنین توسعه نقشه مدل شده طغیان آب های زیرزمینی و محاسبه دوره بازگشت بر اساس مدل نوسانات سطح آب سفره ها بوده است.

عنوان انگلیسی مقاله:

GSFLOW—a basin-scale model for coupled simulation of ground-water and surface-water flow—part b. concepts for modeling saturated and unsaturated subsurface flow with the u.s. geological survey modular ground-water model

عنوان ترجمه شده مقاله:

    مدل GSFLOW: یک مدل در مقیاس حوضه برای شبیه سازی توأمان آب های زیر زمینی و جریان آب های سطحی. بخش دوم: مفاهیم مدل سازی جریان زیرسطحی اشباع شده و غیر اشباع با ماژول مدل آب های زیرزمینی USGS

چکیده:

    MODFLOW یک مدل جریان آب های زیر زمینی است که می تواند برای ارزیابی مسائل منابع آب های زیر زمینی و جهت اتخاذ تصمیمات مدیریتی در توسعه منابع آب های زیر زمینی در انواع مقیاس ها مورد استفاده قرار بگیرد. این مدل همچنین دارای توانایی بررسی اثر برداشت آب های زیر زمینی در آب های سطحی با استفاده از گزینه های مختلفی که به شبیه سازی فعل و انفعالات آب زیرزمینی با جریان ها و دریاچه ها می پردازد است. فرآیندهای محاسباتی و پروسه های سطحی در MODFLOW بودجه های آب های سطحی و انرژی برای قسمت بندی بارش به تبخیر و تعرق، رواناب، جریان های زیرسطحی، و جریان های غیر اشباع در زیر زون خاک را شامل نمی شود. به طور معمول، رواناب، نفوذ، و جریان غیر اشباع حاصل از سطوح آب زیرزمینی (با فرض تغذیه آب های زیر زمینی) در خارج از حیطه برآورد MODFLOW می باشد. MODFLOW به سیستم مدل بارش-رواناب (PRMS) که توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) ارائه شده است؛ به منظور بهبود برآورد نحوه تغذیه در مطالعات مدل سازی آب های زیر زمینی و جهت ارائه محاسبات کاملی از بودجه های آبی در یک منطقه و یا حوضه متصل گردیده است. این مدل جفت شده به نام GSFLOW شناخته می شود. همچنین کدهای اضافی نیز برای تسهیل اتصال دو مدل به GSFLOW اضافه شده است. ارتباط در MODFLOW از طریق یک پکیج جدید غیر اشباع از منطقه جریان (UZF1) می باشد؛ که برای مسیریابی جریان از زون خاک بکار رفته در PRMS به سمت سطح آب زیرزمینی طراحی شده است.

    سرزمین ایران 160 میلیون هکتار وسعت دارد و حدود 75% آن در مرکز و شرق قرار گرفته که 32 میلیون هکتار آن را کویر تشکیل می دهد. در این نواحی میانگین بارندگی سالیانه کمتر از 200 میلیمتر بوده و جزء مناطق خشک جهان محسوب می گردد. منابع آبی این کشور غنی نبوده، بیشترین بهره برداری از ذخایر آب های زیرزمینی صورت می گیرد و از این رو این ماده حیاتی عامل محدود کننده مهمی در اجرای طرح های عمرانی بشمار می رود.

بررسی مناطق با پتانسیل آبی

    اولین قدم برای اقدام به حفر چاه بهره برداری آب، شناسایی سازندهای با قابلیت ذخیره سازی و آبدهی مناسب می‌باشد. اصولا منابع تامین آب زیر زمینی به دو دسته تقسیم می‌شود.

الف- منابع آبی مستقر در زمینهای آبرفتی

ب- منابع آبی مستقر در سازندهای آهکی واجد شکستگی و غار

    رسوبات آبرفتی ریز دانه همراه با خاک رس، سازندهای مارنی‌ و یا سنگهای متراکم یکپارچه رسوبی، آذرین و یا دگرگونی بدون شکستگی و درز و شکاف نمی‌توانند برای تأمین آب به حساب آیند. ضمناً بهتر است در سازندهای آهکی مارنی و یا رسوبات تیپ آبرفتی که بوسیله سیمان سیلیسی و یا آهکی بهم جوش خورده‌اند با احتیاط بدنبال آب جستجو کرد.

    آبیاری قطره‌ای (به انگلیسی: Drip irrigation) عبارت است از روشی که در آن آب با فشار کم از روزنه یا وسیله‌ای به نام قطره چکان از شبکه خارج و به صورت قطراتی در پای گیاه ریخته می‌شود. گاهی این نوع آبیاری را آبیاری موضعی نیز می‌نامند. شبکه‌ای که آب را در سراسر مزرعه توزیع می‌نماید به کمک قطره چکان و با فشار کم در روی زمین پاشیده می‌شود. از مشخصات این روش تحویل آب به گیاه با فشار کم در منطقه توسعه ریشه‌ها، در سطح زمین (در زیر خاک) می‌باشد تا مساحت و عمق کوچکی از سطح خاک خیس شود.

    این روش در دهه پنجاه ترویج شد و سطوح بزرگی با این روش آبیاری شدند ولی با مرور زمان مزایا و معایب این روش مشخص شد. هزینه‌های زیاد و تکنیک‌های نسبتاًَ پیشرفته این روش و نمک‌ها و مواد جامد معلق در آبهای ایران (که سبب گرفتگی قطره چکان‌ها می‌شوند) از معایب آبیاری قطره‌ای بوده و باعث شده که کشاورزان با دقت و تحقیقات بیشتری از این روش آبیاری استفاده کنند؛ ولی این موارد دلیل نمی‌شود که روش آبیاری قطره‌ای را مطرود بدانیم و در پی رفع معایب آن باشیم.

    مهمترین تفاوت آبیاری قطره‌ای با سایر روش‌های آبیاری در این است که بین تبخیر-تعرق و مقدار آبی که باید به زمین داده شود، در یک دوره زمانی محدود(۲۴ تا ۷۲ ساعت) توازن برقرار می‌شود. این امر باعث می‌شود با توجه به محدود بودن میزان آب در دسترس، بیشترین بهره‌وری از آب انجام پذیرد. از آنجا که سیستم‌های آبیاری موضعی/قطره‌ای ثابت هستند، خودکار کردن بسیاری از آنها آسان است. این سیستم‌ها برای مدیران آبیاری که قصد اختلاط کود و آب (کود آبیاری) را درون سیستم آبیاری دارند، مناسب هستند.

     حفاظت رودخانه در برابر فرسایش و تخریب ناشی از جریان آب با استفاده از آبشکنها از جمله روش های متداول در مهندسی رودخانه تلقی می گردد. آبشکن ها با تعدیل شرایط هیدرولیکی و ایجاد جریان آرام، قدرت فرسایشی آب و توان حمل مواد رسوبی را کاهش داده و زمینه مساعدی برای رسوب گذاری و تثبیت کناره ها فراهم می آورند. آبشکن ها بر حسب مورد و شرایط رودخانه ای و اهداف مورد نظر در شکل ها و انواع مختلف طراحی و احداث می شوند. از دیدگاه کلی، آبشکن ها را می توان به دو گروه عمده شامل آبشکن های باز و بسته طبقه بندی نمود. آبشکن های بسته یا نفوذناپذیر از جمله سازه های حفاظتی می باشند که برای دور ساختن جریان از ساحل و حواشی آسیب پذیر رودخانه یا ایجاد شرایط مساعد برای پاک سازی مسیر از انباشته های رسوبی در رودخانه های با بار بستر زیاد نظیر رودخانه های شریانی می توان از آنها استفاده نمود. در این نوع سازه ها سرعت جریان آب در میدان آبشکن تقلیل یافته و با ترسیب مواد رسوبی شرایط لازم پایداری در امتداد کناره ها فراهم می گردد. آبشکن های باز یا نفوذپذیر نوع ذیگری از سازه های حفاظتی هستند که معمولا برای رودخانه هایی که دارای بار معلق زیاد می باشند می توان از آنها بهره جست. این آبشکن ها نیز از نظر ساز و کار رسوبگذاری به اصل کاهش سرعت جریان متکی می باشند. با کاهش سرعت جریان، فرصت لازم برای ته نشینی مواد رسوبی و تثبیت بستر در حوضچه آبشکن فراهم می آید.

    نکته مهمی که در مورد سمینار وجود دارد این است که دانشجو باید پروپوزالش را نوشته باشد و کارش مشخص شده باشد تا گزارش سمینار را بنویسد لذا در خیلی از دانشگاه ها تا پروپوزال فرد تصویب نشود اجازه ارائه سمینار داده نمی شود. محتویات سمینار را که در ذیل توضیح دادم بخوانید شما هم تایید خواهید کرد این موضوع را. البته در برخی از واحدهای دانشگاه آزاد یک مقدار تخفیف داده اند.

    در هر حال گزارش سمینار دارای قالب خاصی است که باید آن را رعایت کرد. این گزارش معمولا شامل 3 فصل است که محتوای آن به شکل زیر است: فصل اول تقریبا همان بخش های پروپوزال است که می تواند با یک مقدار توضیحات بیشتر بیاید. بنابراین فصل 1 شامل بیان مسئله، اهمیت و مشکلات- اهداف-فرضیات یا سوالات تحقیق و روش تحقیق بصورت کلی می باشد. سوابق یا پیشینه در فصل دوم آورده می شود.

    آب به عنوان یک ماده طبیعی هم از نظر زیست محیطی و هم از نظر دوام و بقاء زندگی و پایداری اکوسیستمها دارای اهمیت فوق العاده بوده و منبعی غیر قابل جایگزین است. استفاده از این منبع حیاطی در حالت ذخیره در درون زمین (منابع آب زیرزمینی) مستلزم اعمال مدیریت صحیح است، زیرا به طور مداوم تحت تأثیر استفاده بیش از حد و اثرات نامطلوب ناشی از آلودگی قرار دارد. این آلودگی هم از نظر منابع شناخته شده و هم از طریق منابع ناشناخته مستمرا آن را تهدید کرده و روی آن تأثیر سوء می گذارد. عدم برنامه ریزی و اعمال مدیریت صحیح پیامدهای غیر قابل جبرانی خواهد داشت.

     یکی از مسایل مهم در مورد سدها، بررسی آب بندی سازندهای موجود در مخزن و تکیه گاه ها قبل از احداث سد و پس از آب گیری مخزن (در صورت وجود نشت و فرار آب قابل توجه) می باشد. معمولا قسمت عمده فرار آب، در سدهای مناطق کارستی و از طریق چشمه های طبیعی که قبل از آب گیری سد وجود داشته اند صورت می گیرد به این ترتیب که بده این چشمه ها در اثر فرار آب از مخزن به طور ناگهانی افزایش می یابد.

     در مورد دیگر سازندهای سخت و غیرکارستی (به استثنای سنگ های ولکانیکی مانند بازالت ها)، لازم به ذکر است که این قبیل سازندها عمدتا تراوایی بسیار ناچیزی داشته و یا اینکه اگر در اثر فرایندهای تکتونیکی به طور محدودی دارای تراوایی شوند به دلیل عدم امکان انحلال و توسعه زون های تراوا، جریان آب در آنها به صورت افشان می باشد و بنابراین در مورد این قبیل سازندها نگرانی خاصی به منظور آب بندی سدها وجود ندارد. در بعضی از مناطق بازالت ها رفتار هیدروژئولوژیکی شبیه سازندهای کارستی با جریان مجرایی را از خود نشان می دهند که می توانند همانند سازندهای کارستی مخاطراتی را در آب بندی سدها به وجود آورند.

گردش آب در طبیعت

    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.

     نخستین آزمایش ردیابی ثبت شده در تاریخ به بیش از 1900 سال پیش باز می گردد. در این آزمایش از خرده های کاه برای پی بردن به سرچشمه رودخانه ای در اردن استفاده شد. از آن پس تاکنون روش های گوناگون ردیابی به وسیله بشر به کار گرفته شده است. هم اکنون در مطالعات منابع آب زیرزمینی و همچنین شاخه های دیگر منابع آب مانند آب های سطحی، یخ و برف و دیگر شاخه های مهندسی روش های ردیابی کارایی گسترد های دارند.

     در گذشته کاربرد عمده ردیاب ها در آب های زیرزمینی در پی بردن به مواردی همچون جهت، مسیر، سرعت و زمان عبور آب بوده است. امروزه با توجه به روند رو به افزایش آلودگی منابع آب های سطحی و زیرزمینی  علاوه بر موارد فوق مواردی همچون پخشیدگی و انتقال آلاینده ها نیز مورد توجه می باشد. به منظور شناخت و حفاظت کیفی منابع آب داشتن دانشی دقیق از رفتار مواد آلاینده در درون این سیستم ضروری است که به کمک روش های ردیابی می توان این رفتار را تا حدود زیادی شبیه سازی نمود.

     رودخانه ها و آبراهه ها تحت تأثیر عوامل طبیعی و یا دخالت های انسان دچار فرسایش بستر، فرسایش کناره ها و جابه جایی عرضی می شوند. فرسایش رودخانه ای به نوبه خود موجب بروز خطرات و خسارات عدیده ای برای اراضی مجاور رودخانه ها و مستحدثات ساحلی می شود، به طوریکه سالانه میلیون ها تن از خاک های با ارزش اراضی حاشیه رودخانه ها دچار فرسایش شده و علاوه بر هدر رفتن خاک با ارزش، موجب از بین رفتن زمین های کشاورزی و پرشدن مخازن سدها و کاهش عمر مفید آنها و همچنین ایجاد مشکلات زیادی در بهره برداری از تأسیسات آبگیری و انتقال آب می شود.

     مهندسی رودخانه علمی است که هدف آن استفاده حداکثر از رودخانه ها برای رفع نیازهای اقتصادی و ارتباطی و به حداقل رساندن خطرات و زیان های ناشی از آن ها می باشد. علی رغم سابقه طولانی استفاده انسان از رودخانه، مهندسی رودخانه به صورت کلاسیک سابقه چندانی نداشته و نسبت به سایر زمینه های علمی؛ ناشناخته و جوان تر است و به همین دلیل انجام مطالعات بیشتر در این زمینه، لازم به نظر می رسد.

     راهنمای پهنه بندی توان اکولوژیک به منظور استقرار طرح های توسعه منابع آب بر اساس پهنه و زیر پهنه تهیه شده است و استفاده از آن منوط به توجه به سرزمینی است که در بستر آن قرار دارد. به عبارت دیگر قبل از بررسی توان اکولوژیک، کارشناس باید خصوصیات محیط زیست مکان را در چارچوب پهنه بندی تدوین شده مد نظر قرار دهد . بدین ترتیب آغاز کار در مقیاس سیمای سرزمین، پهنه و زیر پهنه خواهد بود. بدین ترتیب توان در مقیاس محلی با تنظیم مدل ارائه شده برای زیر پهنه و پهنه ای که مکان مورد بهره برداری قرار گرفته همراه است. توان اکولوژیک در مقیاس اکوسیستم در کنار توان اکولوژیک در مقیاس سیمای سرزمین و بالاخره توجه به عوارض طرح بر محیط زیست محلی و منطقه ای مجموعا تعیین کننده توان و تناسب و در واقع پایداری بیش تر طرح توسعه خواهد بود . لذا اگرچه در همه موارد مدل پایه ارائه شده ملاک اصلی ارزیابی است، اما وزن دهی نسبی به اجزا مدل به تفکیک پهنه و زیر پهنه متفاوت بوده ولی جمع بندی نتایج با توجه به هر سه جنبه فوق الذکر است. البته درصورتی که به پهنه بندی و زیرپهنه ها توجهی نشود باید وزن نسبی عوامل و اولویت ها توسط خود شخص که گزینه ها را مقایسه می کند در تصمیم گیری لحاظ گردد.

    هر سیستم مجموعه ای است از اجزای مرتبط و هماهنگ که برای دستیابی به هدفی مشخص با یکدیگر در تعامل می باشند. یک سیستم اطلاعاتی نیز نوع خاصی از سیستم ها است که با هدف تولید اطلاعات مورد نظر، داده های خام ورودی را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهد. سیستمهای اطلاعات جغرافیایی (یا مکانی) نیز به عنوان سیستم اطلاعاتی خاص، قادرند داده های مربوط به اشیاء و پدیده های مکان دار را مورد پردازش و تجزیه و تحلیل قرار دهند. بنا به تعریف، سیستم اطلاعات جغرافیایی مجموعه ای است سازمان یافته از سخت افزار، نرم افزار، داده، روش ها و نیروی انسانی که برای جمع آوری، ساختاردهی، ذخیره سازی، بروز رسانی، پردازش، نمایش و تجزیه و تحلیل انواع داد ههای مکانی و جغرافیایی طراحی و ایجاد شده است. امروزه این سیستمها دارای کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف از جمله مدیریت زیرساختارهای اجتماعی (برق، آب، گاز، راه،...)، مدیریت خدمات شهری، مدیریت منابع طبیعی، جنگلداری، کشاورزی، مدیریت بحران، طرحهای توسعه شهری و منطقه ای و بسیاری کاربردهای دیگر می باشند.

نرم افزار HEC-ResPRM یک بسته نرم افزاری بهینه سازی عملیات سیستم مخزن برای کمک به برنامه ریزان، اپراتورها، و مدیران با برنامه ریزی مخزن و فرآیند تصمیم گیری است. HEC-ResPRM با استفاده از بهینه سازی جریان شبکه یک ایده از بهترین نتیجه که می تواند برای سیستم بر اساس هر اولویت بندی خاصی از اهداف سیستم و با توجه به جریان های سری زمانی که انتظار رود را ارائه می دهد.

    نرم افزار شبیه سازی سیستم مخزن (HEC-ResSim) که توسط موسسه منابع آب، مرکز مهندسی هیدرولوژیکی ایالات متحده توسعه یافته است برای مدل سازی عملیات مخزن در یک یا چند مخزن جهت انواع اهداف و محدودیت های عملیاتی به کار می رود. نرم افزار شبیه سازی عملیات مخزن برای مدیریت سیل، تقویت کمبود جریان و تامین آب در مطالعات برنامه ریزی، مقررات ویژه طرح تحقیقات مخزن و پشتیبانی از تصمیم گیری در زمان واقعی است.

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

     در واقع HEC-ResSim می تواند هر دو مخازن مقیاس بزرگ و کوچک مقیاس و سیستم های مخزنی از طریق یک شبکه از عناصر (junctions, routing reaches, diversion, reservoirs) که کاربر ایجاد کند را ارائه نماید. این نرم افزار می تواند وقایع و یا یک دوره کامل و یا رکورد را با استفاده از گام های زمانی در دسترس شبیه سازی کند. HEC-ResSim یک ابزار پشتیبانی تصمیم گیری است که مطابق با نیازهای طراحان انجام مطالعات پروژه مخزن و همچنین در رفع نیازهای تنظیم کننده های مخزن در طول زمان واقعی رخدادها استفاده می شود.

    مدل های کامپیوتری بدلیل کاهش هزینه ها و کوتاه کردن مدت زمان دستیابی به نتایج اجرای یک سناریو بر روی یک سیستم، بصورت گسترده ای در علوم مختلف بکار می روند. سیستم های زهکشی معمولاً در اراضی نیمه خشک تحت آبیاری برای کنترل شوری و ماندابی شدن خاک نصب می شوند. بدلیل وجود پیچیدگی حرکت آب و انتقال املاح در خاک، مدل های شبیه سازی برای تشریح عملکرد سیستم های مدیریت آب که ممکن است شامل زهکش زیرزمینی، سطحی و آبیاری باشند، به کار می روند.