بخشی از مقاله
چکیده
در مدل شبیهسازی آبهای زیرزمینی، منابع بسیاری سبب ایجاد انحراف نتایج پیشبینیشده از مقادیر واقعی کمی هستند که بیانکننده عدمقطعیت در سیستم منابع آبهای زیرزمینی است. در این مطالعه جهت بررسی عدمقطعیت پارامتری مدل جریان آب زیرزمینی، ابتدا مدل مفهومی سیستم آبهای زیرزمینی محدوده مطالعاتی ساوه تهیه و مدل عددی MODFLOW در محیط PMWIN اجرا شد. به منظور تعیین مقادیر پارامترها، مدل در حالت ماندگار و غیرماندگار واسنجی و صحتسنجی شد. در این پژوهش، پارامتر هدایت هیدرولیکی به عنوان یکی از مهمترین منابع اصلی عدمقطعیت جهت تجزیهوتحلیل عدمقطعیت پارامتری لحاظ گردید. در این مطالعه، مناسبترین باند عدمقطعیت جهت شبیهسازی سطح آب زیرزمینی در محدوده اطمینان %90 شبیهسازیشده پارامتر هدایت هیدرولیکی با استفاده از روش مونتکارلو ارائه و به منظور کمیسازی، معیارهای ارزیابی عدم-قطعیت محاسبه گردید. نتایج نشان داد که عدمقطعیت پارامتر هدایت هیدرولیکی تأثیر بهسزایی در نوسانات سطح آب زیرزمینی داشته، بهطوری که باند عدمقطعیت منتخب، افزایش 40 و کاهش 30 درصدی از مقدار حاصل از کالیبراسیون برای پارامتر هدایت هیدرولیکی بوده که منجر به شبیه سازی سطح آب زیرزمینی نزدیک به مقادیر مشاهداتی و همچنین موجب تولید بازهی بهینهتری از عدمقطعیت در خروجی گشته است.
واژههای کلیدی: عدمقطعیت، جریان آبهای زیرزمینی، دشت ساوه، هدایت هیدرولیکی، روش مونتکارلو
-1 مقدمه
منابع آبهای زیرزمینی یکی از مهمترین منابع آب به شمار میروند که شناخت صحیح و بهرهبرداری اصولی از آنها میتواند در توسعهی پایدار فعالیتهای اجتماعی و اقتصادی یک منطقه، به ویژه در مناطق خشک و نیمه خشک، نقش بهسزایی داشته باشد. بدین منظور برای آگاهی از وضعیت منابع آب زیرزمینی و مدیریت بهینه آن، بررسی دقیقی از نوسانات سطح آب زیرزمینی و برآوردی دقیق از پارامترهای آن امری لازم و ضروری است که میتوان از آن در برنامهریزی تأمین آب قابل اعتماد و نیز در مدیریت منابع آب استفاده نمود .[1] برای جلوگیری از ادامهی افت کمی آبخوانها، مدلسازی جریان آب زیرزمینی در راستای پیشبینی رفتار سامانهی آبهای زیرزمینی بهعنوان ابزار قدرتمندی در مطالعات هیدروژئولوژی در بخش های مختلف جهان مورد استفاده قرار میگیرد. عدمقطعیت از دیرباز به عنوان مانعی در محدود کردن کاربرد مدلسازی در نتایج مدلسازی آب زیرزمینی شناختهشدهاست .[3]
منابع بسیاری سبب ایجاد عدمقطعیت در مدلسازی آبهای زیرزمینی و انحراف دادههای پیشبینی از دادههای مشاهداتی است. از جمله این منابع میتوان به دادههای محدود هیدرولوژیکی منطقه مورد مطالعه، عدمدقت در دادههای ورودی تغذیه و تخلیه به سیستم، عدمشناخت کافی از مقادیر پارامترهای مدل مانند ضرایب هیدرودینامیکی سفره آبهای زیرزمینی، عدم تعریف مناسب شرایط مرزی و اولیه در سیستم، معادلات سادهشده جریان و فرضیات در نظر گرفتهشده جهت اعمال این معادلات در یک سیستم آب زیرزمینی اشاره کرد .[4] به منظور مطالعه منابع ایجادکننده عدم قطعیت آبهای زیرزمینی یا مدلهای شبیهسازی هیدرولوژیکی، تلاشهای زیادی انجام گرفته و طبقهبندیهای مختلفی از سوی محققین ارائه شدهاست 5]، 6، 7، .[8 در مجموع، با توجه به فرآیندهای منطقی مدلسازی آبهای زیرزمینی و تقسیمبندی بسیاری از پژوهشگران، منابع عدمقطعیت در مدلسازی به سه دسته تقسیم شدهاست که شامل عدمقطعیت پارامترهای مدل، عدمقطعیت مدل مفهومی - یا ساختار مدل - و عدمقطعیت دادههای مشاهدهای میباشد .[4]
تجزیهوتحلیل عدمقطعیت پارامتری، توجه زیادی را در میان پژوهشها به خود جلب کردهاست. هاسان و همکاران - 2008 - در مطالعهای به استفاده از روش تخمین عدمقطعیت بر اساس درستنمایی تعمیمیافته1، که یک بسط نمونهبرداری تصادفی مونتکارلو برای ترکیب نیکویی برازش هر شبیهسازی است، در تجزیهوتحلیل نتایج یک مدل احتمالاتی آبهای زیرزمینی پرداختند .[7] همراز و همکاران - 2015 - عدمقطعیت پارامترهای هدایت هیدرولیکی و تغذیه را در مدلسازی سطح آب زیرزمینی با استفاده از روش تخمین عدمقطعیت بر اساس درستنمایی تعمیمیافته در دشت بیرجند ارزیابی نمودند. نتایج، مؤکد کارایی روش مورد نظر و همچنین تابع درستنمایی استفاده شده در برآورد عدمقطعیت پارامتری در مدل شبیهسازی سطح آب زیرزمینی میباشد .[9] یکی از روشهای رایج مورد استفاده در تجزیهوتحلیل عدمقطعیت مدلسازی جریان آب زیرزمینی و انتقال املاح، تجزیه و تحلیل احتمالاتی میباشد که برای در نظر گرفتن ماهیت عدمقطعیت خروجی طراحی شدهاست. تجزیهوتحلیل عدمقطعیت احتمالاتی میتواند بر پایه روشهای تحلیلی مبتنی بر معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی یا رویکردهای مبتنی بر نمونهگیری مانند روش مونتکارلو باشد10]،
.[11 روش مونتکارلو، رایجترین رویکرد در تجزیهوتحلیل عدمقطعیت پیشرفته است که در پژوهشهای مربوط به آب زیرزمینی نیز سهم قابل توجهی را به خود اختصاص دادهاست .[3] زکری و همکاران - 2015 - از شبیهسازی مونتکارلو جهت ترکیب عدمقطعیتهای تغذیه آب زیرزمینی استفاده نمودند و این رویکرد را ابزاری مؤثر جهت مدیریت استخراج آب زیرزمینی با وجود عدمقطعیت پارامتر تغذیه دانستند .[12] وو و همکاران - 2011 - مطالعهای را در خصوص تحلیل ریسک و عدمقطعیت پیشبینی از طریق مدل عددی آب زیرزمینی در آبخوان فرضی با استفاده از روش الگوریتم متروپولیس مونتکارلو زنجیره مارکوف2 انجام دادند. آنها تأثیر تعداد پارامترها، سادهسازی مدل، خطاهای مشاهداتی و ... بر روی عدمقطعیت پیشبینی مدل بررسی کردند. نتایج حاکی از کارآمد بودن الگوریتم نمونهگیری مونتکارلو زنجیرهی مارکوف بدون نیاز به اصلاح ساختار مدل داشت .[13]
در پژوهشهای انجامگرفته، سه مشکل اساسی در کاربردهای عملی شبیهسازی مونتکارلو در تحلیل عدمقطعیت و قابلیت اطمینان عنوان شدهاست؛ حجم زیاد محاسبات در تولید متغیرهای تصادفی، وجود همبستگی بین پارامترهای غیرقطعی اصلی و عدماطلاعات کافی از نوع تابع توزیع احتمال پارامترهای غیرقطعی ورودی. با این وجود، با افزایش قدرت محاسباتی از طریق کدهای برنامه نویسی، نگرانی در مورد هزینه محاسبات در حال کاهش بوده و شبیهسازی مونتکارلو در حال تبدیل به روشی عملیتر و با دوامتر جهت تجزیهوتحلیل عدمقطعیت میباشد .[14] اگرچه ارزیابی موفقیت آمیز منابع عدمقطعیت منجر به شبیهسازی معتبر و پایدار است، با این وجود معمولاً در مدلسازی آبهای زیرزمینی، کمیسازی عدمقطعیت به علت حجم بالای کدنویسی کمتر در نظر گرفتهشده و تنها به واسنجی و صحتسنجی مدل اکتفا شدهاست .[15] بنابراین با توجه به اهمیت منابع آبهای زیرزمینی در کشور و همچنین اهمیت ارزیابی و کمیسازی عدمقطعیت برای دستیابی به پیشبینی های صحیح و قابل اعتماد از جریان آبهای زیرزمینی، در این پژوهش از روش مونتکارلو با اعمال بازههای متفاوت به منظور تعیین عدم-قطعیت پارامتر هدایت هیدرولیکی استفاده گردید.
-2 مواد و روش
1-2 منطقه مطالعاتی
محدوده مطالعاتی ساوه با کد مطالعاتی 4112 یکی از 41 محدوده مطالعاتی حوضه آبریز دریاچه نمک میباشد که در مرکز این حوضه آبریز قرار گرفته است. این محدوده مطالعاتی بین طولهای جغرافیایی 50 4 تا 3 51 شرقی و عرضهای جغرافیایی 34 27 تا 35 12 شمالی گسترده شده است. این منطقه به طور مشترک در استانهای قم و مرکزی قرارگرفته که شامل بخشی از دشت ساوه میباشد. مساحت ناحیه دشتی در این محدوده مطالعاتی 1712 کیلومتر مربع است و وسعت آبخوان آبرفتی 1344 کیلومتر مربع میباشد. متوسط میزان تخلیه و برداشت سالانه از این آبخوان آبرفتی 330/35 میلیون متر مکعب میباشد، به این ترتیب قدرت آبدهی آبخوان آبرفتی این محدوده مطالعاتی 245/8 هزار متر مکعب در سال در کیلومتر مربع برآورد میگردد. جهت جریان آب زیرزمینی در این دشت از غرب به شرق میباشد و از مهمترین عوامل تغذیهکننده آبخوان آبرفتی دشت ساوه، نفوذ از بستر رودخانههای قرهچای و مزلقان میباشد. همچنین ضخامت آبرفت در این منطقه از حدود 30 - 20 متر در بخشهای حاشیهای دشت تا حدود 300 متر در بخشهای مرکزی و اطراف رودخانه آن متغیر است. با بررسیهای صورت گرفته 17 حلقه چاه مشاهداتی در محدوده مدلسازی مورد استفاده قرار گرفت. چاه شکوهیه با شماره P12 دارای بیشترین عدم انطباق بوده، لذا از این چاه در محاسبات مربوط به خطاها استفاده نشدهاست. بنابراین 16 حلقه چاه مشاهداتی در بررسی عدمقطعیت پارامتر هدایت هیدرولیکی لحاظ شدهاست.
در این آبخوان با توجه به اطلاعاتی که از مطالعات پایه آبهای زیرزمینی منطقه در دسترس است و از طرف دیگر به دلیل استفاده از شبکه رستری GIS جهت ورود اطلاعات، ابعاد سلولها 1000 در 1000 متر در نظر گرفته شد که در مجموع تعداد کل سلولهای محاسباتی 645 عدد میشود که شامل 18 ردیف و 54 ستون میباشد. در مورد سفره مورد نظر، مرز شمال غربی و غرب آبخوان که عمده جبهه ورودی آب زیرزمینی است از نوع مرز با پتانسیل هیدرولیکی معلوم در نظر گرفته میشود. همچنین مرز شرقی محدوده مدلسازی جبهه خروجی آب زیرزمینی بوده که آن نیز از نوع مرز با پتانسیل هیدرولیکی معلوم پیشنهاد میشود. در بخش شمالی و جنوبی محدوده مدل، سفره آب زیرزمینی تبادل قابل توجهی با مرزهای اطراف نداشته و به دلیل قرار داشتن سازندهای شور و کوه نمک در این منطقه منابع محدود آب زیرزمینی دارای آبی با کیفیتنسبتاً بدی بوده و بنابراین مرز جنوبی آبخوان از نوع مرز غیر قابل نفوذ تعیین میگردد. از آنجایی که تصاویر ماهوارهای در سالهای مختلف - از سال 82 تا - 89 قابل تهیه بوده است لذا واسنجی مدلسازی نیز سالانه انجام شد، به نحوی که سال آبی 85-84 جهت مدلسازی در شرایط ماندگار و از سال آبی 83-82 تا سال آبی 89-88 کالیبراسیون مدل در شرایط غیرماندگار در نظر گرفته شد. شکل 1، موقعیت محدوده مطالعاتی در ایران و شکل 2، محدوه مطالعاتی ساوه، محدوده آبخوان، محدوده مدلسازی و موقعیت چاههای مشاهدهای مورد استفاده در مدلسازی را نشان میدهد.
