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.

    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.

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.

    مدیریت منابع آب یک تلاش عمده برای دولت ها در سراسر جهان است. رشد روز افزون جمعیت، نیاز به آب برای مصارف خانگی، صنعتی، کشاورزی و... را افزایش می دهد، در حالی که منابع آبی به دلیل استفاده بیش از حد و افزایش آلودگی ها در حال کاهش می باشند. در استرالیا، تقریبا 10 سال امتداد خشکسالی، نیاز به مدیریت بهتری در منابع آب را روشن کرده است. در سال 2004، در شورای دولتی استرالیا، یک توافق نامه بین دولتی در باره طرح ملی آب (NWI) امضا شد. در واقع NWI طرح پایدار استرالیا برای اصلاح مدیریت آب است. با اتخاذ طرح NWI، دولت استرالیا توافق کرده است که برای توسعه یک رویکرد ملی منسجم تر جهت مدیریت منابع آب در سراسر کشور تلاش کند.

     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.

     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.

    در اقتصاد ایران، افزایش جمعیت، تقاضا برای آب شرب و مصارف بهداشتی را مستقیما و تقاضای مشتق شده آب را به منظور تولید محصولات غذایی به طور غیر مستقیم بالا برده و رشد فعالیت های اقتصادی اعم از صنعتی، کشاورزی و خدماتی نیز به سهم خود تقاضا برای آب را افزایش داده است. توسعه شهرها نیز در تداوم این امر بی تاثیر نبوده است. از سوی دیگر دولت برای تامین این خدمات با معضل افزایش بدهی روبرو شده است. بدین ترتیب جامعه با یک تعارض روبرو است. از یک طرف تامین آب یک ضرورت است و از طرف دیگر تامین آب و خدمات آبی منجر به افزایش بدهی ها و بزر گتر شدن اندازه دولت و تبعات ناشی از آن می شود.

    کشور ایران علی رغم تنوع آب و هوایی و غنای زیستی، با متوسط بارندگی سالیانه حدود 250 میلی متر و 135 تا 140 میلیارد مترمکعب آب تجدیدپذیر جزو کشورهای خشک و کم آب به حساب می آید. عدم توزیع یکنواخت و متناسب نزولات جوی نیز بر این مشکلات افزوده است، به گونه ای که بیش از 75 درصد از کشور دارای بارندگی کم تر از 250 میلی متر در سال می باشد. در این میان بخش کشاورزی با مصرف حدود 90 میلیارد مترمکعب آب در سال در 8 میلیون هکتار زمین زیر کشت آبی بزرگ ترین مصرف کننده و اصلی ترین آلوده کننده آب به حساب می آید.

    آب مهم ترین سرمایه ملی است که جایگزینی برای آن وجود ندارد و امروزه صرفه جویی و استفاده بهینه از منابع آبی ضرورت بسیار دارد. نظر به این که آب از اهمیت حیاتی برای هر جامعه برخوردار است، طرح های آبرسانی نیز به تبع آن از اهمیت شایانی برخوردار بوده و از جمله طرح های با اولویت اول هر منطقه می باشند.

    به منظور یکسان سازی و ارتقای سطح کیفی طرح های آبرسانی توام با حداقل ساختن هزینه ها و مسایل اقتصادی، استفاده از ضوابط، معیارها و استانداردهای مرتبط، اجتناب ناپذیر و ضروری است. بدیهی است این ضوابط و استانداردها نیز همگام با گذشت زمان و ارتقای سطح دانش و زندگی، نیاز به بازنگری و به روزرسانی دارد. در این راستا، نشریه 3-17 تحت عنوان مبانیِ طراحی طرح های آبرسانی شهری، بر اساس آخرین منابع و مآخذ معتبر و استانداردهای بین المللی، کلیه نشریات، استانداردهای تهیه شده مربوط به صنعت آب کشور و همچنین با استناد به تجارب کارشناسان و صاحبنظران این بخش و توجه به شرایط اقلیمی و محدودیت منابع آب در ایران مورد بازنگری قرار گرفته است و تحت عنوان ضوابط طراحی سامانه های انتقال و توزیع آب شهری و روستایی، برای استفاده کلیه دست اندرکاران بخش آب ارائه شده است.

    تقسیم بندی و کدگذاری حوضه های آبریز و محدود ههای مطالعاتی یکی از مهمترین نیازها در بررسی های منابع آب بوده که با هدف تسهیل در دستیابی به آمار و اطلاعات و هماهنگی بین مطالعات آب های سطحی و زیرزمینی انجام گرفته است.

    ضوابط تقسیم بندی و کدگذاری حوضه های آبریز بر اساس سیستم اعشاری (ده دهی) بوده و در ارتباط با هماهنگی بین حوضه های آبریز و محدوده های مطالعاتی آب زیرزمینی سعی شده تا هر محدوده با یک یا چند حوضه آبریز انطباق داشته باشد. کدهای اختیار شده برای حوضه های آبریز با استفاده از سیستم فوق قابل تطبیق با کدهای بین المللی بوده و در سمت چپ کد هر حوضه آبریز، می تواند کد بین المللی ایران ( 224) قرار گیرد.

    فیزوگرافی در حقیقت مطالعه خصوصیات فیزیکی و وضعیت ریخت شناسی یک حوضه آبریز است که اثر تعیین کننده ای بر خصوصیات هیدرولوزیک و رژیم آبی آن دارد. آگاهی به خصوصیات فیزیوگرافی یک حوضه با داشتن اطلاعاتی از شرایط آب و هوایی منطقه می تواند تصویر نسبتا دقیقی از کارکرد کمی و کیفی سیستم هیدرولوژیک آن حوضه به دست دهد.

    خصوصیات فیزیوگرافی حوضه ها نه فقط به طور مستقیم بر رژیم هیدرولوژیک آنها و از جمله میزان تولید آبی سالانه، حجم سیلابها، شدت فرسایش خاک و میزان رسوب تولیدی اثر می گذارد؛ بلکه به طور غیر مستقیم و نیز با اثر بر آب و هوا و وضعیت اکولوژی و پوشش گیاهی به میزان زیادی رژیم آبی حوضه آبریز را تحت تأثیر خود قرار می دهد.

    وجود بیش از 600.000 حلقه چاه آب در آبخوان های آبرفتی و سازند سخت حاکی از اهمیت منابع آب زیرزمینی در کشور ما در مصارف مختلف (کشاورزی، شرب و بهداشت و صنعت) است. حجم قابل توجه برداشت از این منابع از طریق چاه ها به ویژه در بخش کشاورزی که بیش از 90% این مصارف را بخود اختصاص می دهد، بیانگر نقش مهم و انکار ناپذیر آب زیرزمینی در توسعه زیرساخت های کشور می باشد. هر چند که بخشی از منابع آب زیرزمینی به صورت طبیعی از طریق چشمه ها و زهکش ها و یا از طریق حفر قنوات در سطح زمین ظاهر می شود و مورد استفاده قرار می گیرد، اما در حال حاضر عمده آب زیرزمینی مصرفی در کشور با استفاده از تکنیک های حفاری مختلف از طریق حفر چاه های نیمه عمیق و عمیق تامین می شود. بنابراین نقش چاه های آب در تامین نیازهای آبی همواره در توسعه کشورها پر رنگ ظاهر شده و به همین لحاظ در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه چاه آب به عنوان یک سازه هیدرولیکی مهم مطرح بوده و در طراحی و نظارت بر حفر و تجهیز آن مبالغ قابل توجهی هزینه می شود.

نرم افزار HEC-RAS برای انجام محاسبات هیدرولیکی یک بعدی در یک شبکه کامل از کانال های طبیعی و ساخته شده طراحی شده است. در زیر به شرح قابلیت های عمده ای از HEC-RAS پرداخته می شود.

• رابط گرافیکی کاربر
• تجزیه و تحلیل قطعات هیدرولیکی
• ذخیره سازی و مدیریت داده ها
• گرافیک و گزارش
• نقشه بردار RAS

رابط گرافیکی کاربر

   کاربر در HEC-RAS از طریق یک رابط گرافیکی (GUI) در تعامل بخش های متفاوت است. در توسعه این ابزار تمرکز اصلی در طراحی رابط بوده است که آن استفاده از نرم افزار را ساده می کند، در حالی که هنوز سطح بالایی از بهره وری برای کاربر حفظ گردیده است. رابط گرافیکی کاربر بکارگیری توابع زیر فراهم نموده:

• مدیریت فایل ها
• ورود داده ها و ویرایش کردن
• تجزیه و تحلیل هیدرولیکی
• جدول بندی و نمایش گرافیکی  ورودی و خروجی داده ها
• گزارش تاسیسات
• چهارچوب کمک دقیق