راهنمای نگارش مقاله در مورد شبیهسازی کمی و کیفی جریان آبهای زیرزمینی دشت ایج با ... |
پس از اینکه مدل مفهومی تهیه شد، شبکه و ابعاد آن طراحی میشود. کد MODFLOW برای حل مسائل، از شبکه سلولمرکزی تفاضل محدود[۷۲] استفاده میکند.
انتخاب اندازه شبکه، تابعی از اندازه کل محدوده مدل، گستردگی دادهها (دادههای پیزومتری، دادههای حفاری، نتایج آزمون پمپاژ و …)، گرادیان آب زیرزمینی، ایجاد قابلیت تعریف خصوصیات فیزیکی و هیدرودینامیکی بر روی شبکه منفصل در انطباق با خصوصیات آبخوان و همچنین امکان تعریف منابع تغذیه – تخلیه به شکلی مناسب بر روی شبکه میباشد (افتخاری، ۱۳۸۹).
با توجه به وسیع بودن دشت مورد نظر، کم بودن دادهها و استفاده از تجارب محققین گذشته شبکهای با سلولهایی به ابعاد ۲۰۰×۲۰۰ متر مربع برای محدوده مورد نظر در یک لایه تهیه شده است. نتیجه حاصله ایجاد تعداد ۲۹۳۵ سلول بود که از این میان ۱۳۷۲ آنها فعال بودند (شکل ۴-۳).
شکل (۴-۳): شبکه بندی منطقه مورد مطالعه
۴-۳-۴-اعمال توپوگرافی سطح و کف آبخوان به محدوده مدل
اطلاعات رقومی توپوگرافی سطح زمین از داده های DEM[73] و با بهره گرفتن از نرم افزار GIS استخراج گردید و توسط فایل shp به مدل وارد شده است. سپس با بهره گرفتن از درونیابی، کلیه نقاط به طور مستقیم به شبکه مدل نسبت داده شد. نقشه مدل رقومی سنگ کف آبخوان نیز به کمک دادههای ژئوفیزیک و نقشه تغییرات ضخامت آبخوان ساخته شد. شکل ۴-۴ نقشه DEM توپوگرافی سطح زمین و شکل ۴-۵ نقشه DEM رقوم ارتفاعی سنگ بستر را نمایش میدهد. همان طور که در نقشه توپوگرافی سطح زمین مشاهده میشود بالادست دشت در ارتفاعات است و به تدریج به سمت پایین دست ارتفاع کاهش مییابد.
شکل (۴-۴): نقشه DEM توپوگرافی سطح زمین منطقه مورد مطالعه
شکل (۴-۵): نقشه DEM رقوم ارتفاعی سنگ بستر منطقه مورد مطالعه
۴-۳-۵-اعمال شرایط مرزی به محدوده مدل
شناخت ناحیه مدل و مرزهای آن، یکی از اعمال مهم در مدلسازی آب زیرزمینی میباشد. در تعریف ناحیه مدل، کاربر مدل می بایست ناحیه مورد مطالعه را از سیستمهای آب زیرزمینی مجاور آن متمایز سازد. در نتیجه مرز مدل، فصل مشترک بین ناحیه مدل و محیط اطراف آن میباشد. جهت مشخص نمودن شرایط مرزی[۷۴]، بار هیدرولیکی، نرخ جریان و یا ترکیبی از آنها به سلولهای مرزی تخصیص داده میشود.
از جمله راههای تعیین نوع مرز استفاده از نقشههای هم تراز آب زیرزمینی و نقشه خطوط جریان میباشد. مرزهایی که خطوط جریان به صورت عمود بر آنها قرار دارد (و یا نزدیک به عمود) را بسته به جهت جریان میتوان به عنوان مرز ورودی و یا خروجی در نظر گرفت. هر کجا خطوط جریان با مرز موازی باشد را میتوان به عنوان مرز نفوذناپذیر دانست.
شرایط مرزی میتواند به صورت زیر باشد:
مرز با بار هیدرولیکی معلوم[۷۵] مانند جایی که ارتباط بین تودههای آب سطحی مانند رودخانه و دریاچه با آبخوان وجود دارد، تعریف میشوند.
مرز با شدت جریان معلوم[۷۶] مانند سطوح ایستابی در آبخوانهای آزاد و ورودی- خروجی جانبی از محل تماس بین آبخوانهای مختلف.
شرایط مرزی ترکیبی[۷۷] که در آن شدت جریان به بار هیدرولیکی وابسته میباشد. در این مطالعه کلیه مرزها از این نوع میباشد چرا که سازندهای نفوذپذیر رسوبات عهد حاضر، آسماری- جهرم، ساچون و تربور میتوانند به عنوان مرز خروجی و یا ورودی عمل کنند و به دلیل تغییرات بار هیدرولیکی شدت جریان میتواند متفاوت باشد.
شرایط مرزی فاقد جریان[۷۸] که در آن به دلیل وجود تشکیلات نفوذ ناپذیر جریان آب وجود ندارد.
۴-۳-۶-اعمال سطح آب مشاهدهای
بیشتر داده های مورد نیاز مدل به وسیله نرم افزارهای GIS و Excel آماده میشوند و بعد از تبدیل به فرمت فایلهای (Text Files) و یا (Shape Files) به GMS، در سطح مدل مفهومی (در ماژول نقشه) وارد و پس از آن به مدل شبکه ای سه بعدی MODFLOW تبدیل میشوند. سطح آب مشاهدهای در چاههای مشاهدهای نیز به همین صورت برای یک دوره دلخواه (واسنجی و صحت سنجی) برای مدل آماده و به نقاط مشاهدهای که از قبل تعیین شده بودند، تخصیص داده میشود. در این مطالعه از آمار سالهای آبی ۱۳۸۸ تا ۱۳۹۰ برای واسنجی و سال آبی ۱۳۹۰-۱۳۹۱ برای صحت سنجی استفاده گردید. لازم به ذکر است که در حالت پایدار[۷۹] با توجه به مطالعه هیدروگراف واحد دشت ایج از اطلاعات سطح آب مهرماه ۱۳۸۸ به دلیل کمترین میزان تغییر در تراز سطح آب دشت، استفاده گردید و برای حالت ناپایدار[۸۰] از دادههای سایر ماههای این سال استفاده شد (شکل ۴-۶). نرم افزار با بهره گرفتن از روش درونیابی اطلاعات را به سایر نقاط بسط میدهد. شکل ۴-۷ نقشه تراز سطح آب زیرزمینی منطقه مورد مطالعه در مهرماه ۱۳۸۸ را نمایش میدهد. با توجه به این شکل به نظر میرسد مرزهای شمالی (بالادست) و شرقی دشت ورودی جریان و مرزهای غربی و جنوب غربی (پاییندست) خروجی جریان آب زیرزمینی باشند.
شکل (۴-۶): هیدروگراف واحد دشت ایج طی سالهای ۱۳۷۵-۱۳۹۱
شکل (۴-۷): نقشه سطح آب (متر) مهرماه ۱۳۸۸ دشت مورد مطالعه
۴-۳-۷-هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه آبخوان
الف) هدایت هیدرولیکی:
سرعت جریان آب زیرزمینی (V) در تناسب با گرادیان هیدرولیکى است و ضریب تناسب عدد ثابت آن مىباشد:
(۴-۴)
مقدار K را ضریب هدایت هیدرولیکى مىنامیم. علامت منفی نقشى در مقدار سرعت ندارد و فقط از نظر تعیین جهت جریان است. مقدار هدایت هیدرولیکی را میتوان با بهره گرفتن از آزمون پمپاژ محاسبه نمود.
برای مقداردهی هدایت هیدرولیکی به سلولهای شبکه مدل میتوان با در دست داشتن قابلیت انتقال محاسبه شده در محل تعدادی از چاههای اکتشافی و درونیابی آن در کل منطقه منفصل مدل و پس از تعیین نقشه هم ضخامت اشباع آبخوان، به کمک تراز متوسط آب زیرزمینی منطقه و نقشه سنگ کف، اقدام کرده و یک برآورد اولیه هدایت هیدرولیکی در مدل مقدار دهی و اعمال میشود. در روش مذکور، برآورد اولیه مقدار هدایت هیدرولیکی تابع پارامترهایی نظیر صحت آزمون پمپاژ و آنالیز آنها، پراکندگی مکانی محدود نتایج آزمونهای پمپاژ در دسترس، صحت برآوردهای توزیع مکانی تراز آب زیرزمینی و بالاخره توپوگرافی سنگ کف میباشد که خود از عدم قطعیت زیادی برخوردارند و تلفیق آنها، برآوردی از هدایت هیدرولیکی را که به نظر غیر واقعی میرسد، نتیجه میدهد (لاله زاری، ۱۳۸۷).
در این تحقیق به دلیل تنوع محدود سازندهای زمین شناسی، کل محدوده به ۴ زون تقسیم شد. لازم بذکر است که زون بندی در جهت حرکت جریان انجام گرفته است. جدول (۴-۶) مقدار هدایت هیدرولیکی تشکیلات مختلف را نشان میدهد.
جدول (۴-۶): مقدار هدایت هیدرولیکی تشکیلات مختلف (Morris and Johnson, 1967)
ب) آبدهی ویژه:
به نقل از وایت میزان آب موجود در فضاهای متخلخل را میتوان به دو بخش تقسیم کرد (Weight, 2004). آبی که آزادانه میتواند در اثر گرانش از سازند زهکشی شود و آبی که در اثر زهکشی گرانشی نمیتواند از ســـازند خارج شود. به حجم آبی که از واحد حجم آبخوان در اثر گرانش میتواند خارج شود، آبدهی ویژه ( ) میگویند. آن حجمی هم که در واحد حجم آبخوان باقی میماند، نگهداشت ویژه ( ) نامیده میشود. حاصل جمع نگهداشت ویژه و آبدهی ویژه، برابر است با تخلخل.
(۴-۵)
اغلب از آبدهی ویژه برای تخمین تخلخل موثر ( ) استفاده میشود. با این حال در برخی موارد مقدار آبدهی ویژه، نشانه تخلخل موثر نمیباشد، زیرا برخی از آبها حتی پس از زهکشی نیز در آبخوان باقی میمانند. مقدار آبدهی ویژه را نیز میتوان با بهره گرفتن از آزمون پمپاژ به دست آورد. جدول ۴-۷ مقدار آبدهی ویژه برخی تشکیلات را نشان میدهد.
جدول (۴-۷): مقدار آبدهی ویژه تشکیلات مختلف (Morris and Johnson, 1967)
۴-۳-۸-برآورد میزان تغذیه سطحی
نفوذ بارندگی و آب برگشتی کشاورزی از مهمترین منابع تغذیه سطحی آبخوان میباشد و در مدل توسط بستهی تغذیه[۸۱] شبیهسازی میگردد. با توجه به مقدار بارش و ضریب نفوذپذیری مقدار تغدیه از بارندگی مشخص شد. پس از آن چاههای کشاورزی دشت مشخص گردید. بر اساس تحقیقات چانگ و همکاران که بر روی محاسبه آب برگشتی کشاورزی در دشتی در کره جنوبی انجام شد، بین ۲۰% تا ۳۰% از آب آبیاری به آب زیرزمینی میرسد (Chung et al., 2005). بر این اساس ۲۵% از نرخ برداشت چاههای کشاورزی کاهش داده شد و سپس وارد نرم افزار گردید.
۴-۳-۹-ایجاد لایه اطلاعاتی مربوط به پیزومترها
برای بررسی صحت نتایج شبیهسازی و واقعی و همچنین محاسبه معیارهای آماری خطا در نتایج مدل، موقعیت و مقادیر تراز آب مشاهده شده برای نقاط موجود در محدوده مورد مطالعه به صورت لایه شاخص[۸۲] در نرم افزار GMS وارد گردید.
۴-۴-اجرا و واسنجی مدل
پس از تعیین تمام داده های مورد نیاز کد MODFLOW-2000، مدل آماده اجرا میباشد. در ابتدا با بهره گرفتن از Model Checker خطاهای احتمالی بررسی میشود و تصحیح میگردد. در مرحله بعد یکی از روشهای محاسباتی MODFLOW (مانند:SOR1, GMG LMG, SIP1, PCG2, ) را انتخاب و مدل اجرا میشود که در این مطالعه از روش تکرار PCG2 استفاده گردید. معمولاً در اولین اجرا، برازش مناسبی بین بار هیدرولیکی محاسبه شده و اندازه گیری شده به دست نخواهد آمد. بنابراین برای رسیدن به یک برازش قابل قبول باید خطاهای احتمالی موجود در فرایند مدلسازی شناسایی و تا حد ممکن رفع گردد و مدل واسنجی شود.
مرحله واسنجی مهمترین و مشکلترین عمل در مطالعات مدلسازی میباشد. واسنجی عبارت است از فرایند پیدا کردن مجموعه ای از شرایط مرزی، تنشها و پارامترهای هیدروژئولوژیک که نتایج به دست آمده از آن به صورت بسیار نزدیکی بر اندازه گیریهای بار هیدرولیکی و جریانهای صحرایی برازش دارد (Kresic, 1997). هر مدل، پیش از واسنجی، باید دارای یک مبنای کمّی از خطای قابل قبول باشد که در این مطالعه ۱ متر در نظر گرفته شده است.
واسنجی معمولاً در ابتدا برای شرایط پایدار به منظور بهینه کردن پارامترهای آبخوان مانند هدایت هیدرولیکی، آبدهی ویژه، تغذیه سطحی و شرایط مرزی انجام میشود. پارامترهای تعیین شده در طی واسنجی مدل برای شبیهسازیهای پیش بینیکننده، استفاده میشوند. عدم قطعیتی که در مدل واسنجی شده و تنشهای هیدرولوژیک وجود دارد، باعث نگرانی در مورد دقت پیش بینی مدل میشود. معمولاً این عدم قطعیتها از منابع زیر ناشی میشوند (لاله زاری، ۱۳۸۷):
عدم قطعیت در داده های مدل
خطاهای مفهومی
وضعیت انحرافی در واسنجی مدل
دو روش واسنجی که در مدلهای ریاضی به کار میرود عبارتند از (لاله زاری، ۱۳۸۷):
الف. واسنجی خودکار[۸۳]
ب. واسنجی دستی (سعی و خطا)[۸۴]
واسنجی خودکار فناوری است که برای به حداقل رساندن عدم قطعیتهای مرتبط با ذهنیت[۸۵] استفاده کننده از مدل، بسط یافته است. اغلب کدهای رایانهای مربوط به واسنجی خودکار به دنبال مجموعه پارامترهای بهینهای هستند که مجموع مربعات انحراف بین مقادیر محاسباتی و اندازهگیری شده در آنها به یک حداقل کاهش مییابد. PEST,UCODE, PES کدهای مورد استفاده در GMS در تخمین پارامترها در روش واسنجی خودکار میباشند.
واسنجی سعی و خطا، اولین روشی بود که در مدلسازی آب زیرزمینی به کار گرفته شد. روند و نتایج حاصل از این روش تا حد زیادی متأثر از تجربه کاربر میباشد. در این روش مفروضات اولیه خصوصیات آبخوان، شرایط مرزی و تنشها (در یک محدوده قابل قبول) برای هر اجرای متوالی مدل تغییر داده میشوند تا بهترین برازش بین بارهای هیدرولیکی مشاهدهای و محاسبهای به دست آید.
برای ارزیابی نتایج واسنجی از امکانات نرم افزار GMS مانند هدف واسنجی[۸۶] ، خطای میانگین[۸۷] ، خطای میانگین مطلق[۸۸] ، جذر متوسط مربعات خطاها[۸۹] ، نمودار پراکندگی بین داده های محاسبهای و مشاهدهای، نمایش مقادیر باقی مانده (مشاهدهای منهای محاسبهای) در مقابل داده های مشاهدهای و بیلان تهیه شده توسط مدل، استفاده شده است. هدف واسنجی در نرم افزار GMS ابزاری برای نمایش بصری میزان خطا (تفاوت بین بار هیدرولیکی مشاهدهای و محاسبهای)، پس از هر اجرای مدل در مجاورت هر پیزومتر میباشد (شکل ۴-۸). میله رنگی[۹۰] نمایانگر خطای واسنجی بوده و مرکز آن منطبق بر مقادیر مشاهدهای میباشد؛ اگر خطا در محدوده خطای قابل قبول قرار گیرد میله به رنگ سبز خواهد بود، اگر خطا در محدوده خطای قابل قبول و کمتر از ۲۰۰% خطای قابل قبول باشد، میله رنگی زرد و در صورتی که مقدار خطا بیشتر از ۲۰۰% خطای قابل قبول باشد میله رنگی قرمز خواهد شد.
فرم در حال بارگذاری ...
[جمعه 1400-07-30] [ 12:07:00 ب.ظ ]
|