بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازي جریان نشت از
کانال هاي خاکی به سمت آبخوان
آب زیرزمینی با مدل Seep3D
چکیده
مقدار قابل توجهی از آب با ارزش آبیاري در طول فرآیند انتقال و توزیع از کانالهاي بدون پوشش نشت کرده و مقداري از آن وارد سفره آب زیرزمینی میشود. در این مطالعه نرخ جریان نشت از سه کانال خـاکی واقـع در دشـت قـزوین بـا استفاده از مدل Seep3D برآورد گردید و نتایج آن با نتایج روشهاي آب ایستی و ورودي – خروجی مقایسه شد. نـرخ نشت آب از کانالهاي 1 تا 3 به سمت سفره آب زیرزمینـی در مـدل Seep3D، روش ورودي – خروجـی و روش آب ایستی به ترتیـب 172، 507 ، 291 و 2382، 1825، 930 و 168، 572، 375 (میلـیمتـر در روز) تعیـین شـد. مـدل Seep3D گرادیان هیدرولیکی جریان نشت از کانال در جهت عمقی را بیشتر از جهـت افقـی تعیـین کـرد کـه نـشان دهنده این است که بیشتر جریان نشت صورت گرفته از دیوارههاي کانال پس از طی مسافت افقی کمی به سمت عمق متمایل میشود و در هر سه کانال روش ورودي– خروجی نشت را بیشتر از روش آب ایستی تعیین میکند.
واژگان کلیدي: مدل Seep3D، نشت، کانالهاي خاکی، سفره آب زیرزمینی
مقدمه
محدودیت منابع آب مناسب کشاورزي سبب گردیده که نرخ رشد جهانی اراضی آبی به تدریج کـاهش یابـد.
به نظر میرسد بهبود بهرهوري آب کشاورزي، که بیش از 80 درصد منابع آب کشورهاي در حـال توسـعه را به مصرف میرساند، راهکار عمده و چالش اساسی براي حل مسئله جهانی غذا باشد. مقـدار قابـل تـوجهی از آب با ارزش آبیاري در طول فرایند انتقال و توزیع به وسیله نشت از کانالهـاي بـدون پوشـش هـدر مـیرود
(مغذي .(1997 با توجه به تغییرات بسیار زیاد نشت از مکانی به مکان دیگر، لازم است آزمـونهـاي انـدازه-
گیري نشت در کانالهاي بدون پوششمرتباً انجام گیرد (سالمی و سپاسخواه .(1385
شاهید و همکاران (1996) بیان داشتند که تلفات نشت بخش اصلی تلفـات منـابع آب سـطحی را تـشکیل میدهد. متوسط تلفات در کانالهاي درجه سه، 0/696 و درجه چهار، 0/662 متر مکعب بر متر مربع در روز گزارش شده است (عراق علوي .(1373 معروفی و سلطانی (1385) راندمان انتقال در کانالهاي شبکه شاوور را با استفاده از دستگاه مولینه و به روش ورودي- خروجـی 60 درصـد بـرآورد کردنـد و همچنـین متوسـط راندمان شبکه توزیع را حدود 71 درصد تخمین زدند. روشهاي مستقیم اندازه گیري نـشت کـاربرديتـر و دقیقتر از سایر روشهاي اندازهگیري این کمیت میباشد و میتوان از آنها در شرایط مختلف اسـتفاده کـرد.
روش آب ایستی دقیقترین روش و روش پایه در تعیین نرخ نشت در کانالهاي خاکی میباشد، روش ورودي
- خروجی این قابلیت را ایجاد میکند که بدون ایجاد مزاحمتی براي جریان اندازهگیريها انجام شود (کمیته ملی آبیاري و زهکشی استرالیا .(2003
آزمایشهاي ورودي - خروجی جریان خیلی زیاد به خطاهاي ذاتی ابزاز اندازهگیري وابسته هـستند (نـصري و دادمهر .(1387 ولر و مک آتیر (1993) در بررسی روشهاي انـدازهگیـري نـشت و بحـث آمـاري راجـع بـه خطاهاي اتفاقی پیش آمده در روش ورودي – خروجی، با دقتی منـصفانه تغییـرات جریـان ورودي در ایـن روش را -110 درصد اعلام کردند. از آنجا که در اکثر مطالعات تحقیقاتی مربوط به تعیین نشت در کشور ما از این روش استفاده میشود در این مطالعه نیز نشت به این روش هم تعیین شد. انتخاب مکانهـاي متعـدد و تکرار اندازهگیریهاي صحرایی نیاز به صرف زمان، نیرو و هزینه خواهد داشت. با داشتن یک مدل نرم افـزاري مناسب که از روشهاي عددي براي مدل کردن جریان نشت از کانال استفاده میکند به سرعت میتوان نشت از کانال به سمت سفره آب زیرزمینی را شبیهسازي کرد و درك بهتري از این مسئله بدست آورد بـه همـین منظور در این مطالعه پروفیل نرخ جریان نشت از کانالهاي خاکی با استفاده از مدل Seep3D بـرآورد شـد و دقت تخمین نشت بوسیله این مدل با نتایج روشهاي آب ایستی و ورودي – خروجـی در سـه کانـال خـاکی واقع در دشت قزوین مورد ارزیابی قرار گرفت.
بحث
براي بررسی پدیده نشت در این مطالعه، سه قطعه کانال خاکی انتخاب شد که دو مورد از کانالهاي انتخـاب شده در کشت و صنعت شریف آباد و کانال سوم در شرکت کشاورزي و دامپروري مگـسال واقـع شـده اسـت موقعیت این دو شرکت در دشت قزوین در شکل 1 آمده است.
شکل -(1) موقعیت محل اجراي طرح در دشت قزوین
براي بررسی لایه بندي خاك بستر کانالهاي مورد مطالعه در مجاور هر یک از آنها پروفیلی به عمق یک متر حفر شد و از مرکز لایههاي 30 سانتیمتري نمونه بافت خاك تهیه شد (جدول .(1
کلیاتی از مدل -Seep3D مدل Seep3D ورژن 1/15 یکی از نرمافزارهاي جدید براي مـدل کـردن جریـان نشت سه بعدي میباشد. این مدل معادله حـاکم بـر جریـان آب در محیطهـاي متخلخـل را بـه روش اجـزاء محدود حل مینماید. این نرم افزار قابلیت حل طیف وسیعی از مسائل مرتبط با نشت را دارد. در این نرمافزار مسئله به صورت سه بعدي شبیهسازي و حل میشود. در ابتدا بایستی از مجموع اشیائی که در کنار هم قرار میگیرند هندسه مسئله مورد نظر به مدل معرفی شود. مشابه بازي آجر چینی که در آن بچـههـا بـا چیـدن آجرها در کنار هم یک سازه معنا دار ایجاد میکنند. در مرحله بعد خـصوصیات مـواد سـازنده بدنـه سـازه و شرایط مرزي مناسب هر مرز به مدل وارد میشود و پس از حل مسئله توسط مدل میتوان نتیجه مورد نظـر را از میان انبوه اطلاعات تولید شده توسط مدل استخراج کرد.
معادلات دیفرانسیلی حاکم بر پدیده نشت در مدل -Seep3D اگر تغذیه و یا تخلیهاي در میدان مورد بررسی جریان وجود داشته باشد، Q به سمت راست معادله ریچاردز اضافه میشود (هار، (1962 و رابطه زیر تشکیل میشود که اساس آنالیز نشت در مدل Seep3D میباشد.
در این رابطه Φ هد کل هیدرولیکی؛ Kx هدایت هیدرولیکی در جهت افقی؛ Ky هدایت هیدرولیکی در جهت عمودي؛ Kz هدایت هیدرولیکی در جهت ارتفاعی؛ θ محتواي رطوبت حجمی و t زمان میباشد.
تحت شرایط پایدار که جریان ورودي و خروجی به حجم مشخصی از خاك طی زمان ثابت است سمت چـپ رابطه 1 حذف شده و رابطه 2 حاصل میشود که اساس آنالیز نشت در مدل Seep3D در حالت پایـدار مـی-
باشد.
تعریف مسئله نشت در مدل -Seep3D شرط مرزي اول مربوط به نقاط داخل کانال است که زیر هـد آب قرار گرفتهاند، به این نقاط (در مدل (Seep3D مقادیري از هد کلی (هد هیدرولیکی+ارتفاع ثقل) برابر ارتفـاع سطح آب داخل کانال نسبت به تراز سطح ایستابی تعلق گرفت. شرط مرزي دوم مربوط بـه نقـاط هـم تـراز سطح ایستابی میباشد که به این نقاط هد فشاري صفر تعلق گرفت. عمق سطح ایـستابی از اطلاعـات ثبـت شده از نزدیکترین چاهک مشاهدهاي که در منطقه شریف آباد قرار داشت تعیین شد. میانگین تراز سطح آب در این چاهک مشاهدهاي براي هفت سال پیاپی 1380) تا (1386 برابـر 45/5 متـر و در سـال 1386 برابـر
46/19 متر بود که از این تراز براي مشخص کـردن سـطح آب زیرزمینـی در مـدل Seep3D اسـتفاده شـد.
مشخصات مقطع کانال در آزمایش آب ایستی به عنوان ورودي بـه مـدل وارد شـد. و جهـت تعیـین هـدایت هیدرولیکی عمودي (Ky) خاك کانال از استوانه مضاعف استفاده شد و در هر کانـال در دو نقطـه Ky تعیـین شد و از میانگین این دو مقدار، به عنوان هدایت هیدرولیکی لایه سطحی خاك داخـل کانـال اسـتفاده شـد.
خاك بستر کانالهاي مورد مطالعه بجز کانال شماره 2 به صورت دو لایه بـه مـدل معرفـی شـد کـه هـدایت هیدرولیکی لایه سطحی با کاربرد رینگ مضاعف داخل کانال تعیین شد و از هدایت هیدرولیکی خاك مجاور کانال به عنوان هدایت هیدرولیکی لایه عمقی در هر کانال استفاده شد و در کانـال شـماره 2 کـه خـاك آن یکنواخت میباشد از هدایت هیدرولیکی خاك داخل کانال استفاده شـد. بـراي ایـن منظـور در زمـان قطـع جریان در هر کانال نفوذپذیري در دو نقطه مجاور هم داخل و خارج کانال با استفاده از رینگ مضاعف تعیین شد و از میانگین دو مقدار داخل کانال به عنوان هـدایت هیـدرولیکی لایـه سـطحی و از میـانگین دو مقـدار خارج کانال به عنوان هدایت هیدرولیکی لایه عمقی خاك بـستر کانـال اسـتفاده شـد. در روش اسـتفاده از رینگ مضاعف میانگین نفوذپذیري نهایی لایه سطحی خاك کانـالهـاي 1 تـا 3 بـه ترتیـب 39/8، 2006 و 1429 (میلیمتر در روز) و این نرخ نفوذ در خاك زراعی مجاور کانالهاي 1 تـا 3 بـه ترتیـب 205، 2707 و 2024 اندازهگیري شد.
روش آب ایستی برآورد نشت در کانالهاي خاکی- آزمایش آب ایستی در هـر یـک از کانـالهـا در دو تکرار انجام شد. براي این منظور پس از اتمام آبیاري و قطع جریان آب داخـل کانـال، قـسمتی از کانـال بـه طول 2/5 متر با استفاده از دو بند خاکی از قسمتهاي دیگر جدا شد پشتهها جهـت جلـوگیري از نـشت بـه داخل آنها با استفاده از نایلون عایق شدند و سپس حوضچه از آب پر شد. نرخ فروکش آب با استفاده از اشل کارگذاشته شده در مجاور یکی از پشتهها در فواصل زمانی منظم یادداشت شد. محیط خیس شـده کانـال و عرض سطح آب در مجاورت دو پشته در هر قرائت اشل با استفاده از متر انعطاف پذیر بردداشت شد. به دلیل حساسیت این روش و نیاز به دقت بالا هنگام اندازهگیريها، قرائت اشل همیشه توسط یک نفر و از موقعیـت ثابت انجام شد و در هنگام ایجاد پشتهها از برهم خوردن لایه سطحی خاك و تماس اشیاء بـا آن خـودداري گردید و جهت جلوگیري از تأثیر برخورد آب با لایه سطحی خاك، ابتدا سطح کانال توسـط نـایلون پوشـانده شد و آب مورد نیاز پس از منتقل شدن به محل آزمایش روي نایلون مذکور تخلیـه شـد و پـس از برداشـتن نایلون از کف کانال قرائت اشل آغاز گردید. و همزمان با شروع آزمایش ظرفی از آب در نزدیکی کانال جهـت تعیین میزان تبخیر از سطح آب قرار گرفت و از این طریق میزان تبخیر طی آزمایش تعیین گردید.
رابطه زیر فرمول اساسی تعیین میزان نشت از کانال به روش آب ایستی میباشد که ابتدا توسط فرور ریبنس
(1988) ارائه شد و سپس براي در نظر گرفتن اثر بارش و تبخیر اصلاح شد.
اگر تنها جریان ورودي در روش آب ایستی بارندگی باشد طول مقطع کانال از رابطه 3 حذف شده و به رابطه زیر تبدیل میشود:
در این دو رابطه S نرخ نشت (زمان/سطح/حجم)؛ W میـانگین عـرض سـطح مقطـع آب در دو زمـان t1 و t2
(طول)؛ E میزان تبخیر در فاصله زمانی t1 و t2 (طول)؛ R میزان بـارش در فاصـله زمـانی t1 و t2 (طـول)؛ I
مجموع جریانهاي ورودي (رواناب، بارندگی...) در فاصله زمانی t1 و t2 (حجم)؛ P میانگین محیط خیس شده کانال در فاصله زمانی t1 و t2 (طول)؛ L طول انتخاب شده از کانال (طول)؛ t1 زمان اولین قرائت تـراز سـطح آب (زمان)؛ t2 زمان دومین قرائت تراز سطح آب (زمان) میباشد.
روش ورودي - خروجی برآورد نشت در کانالهاي خاکی- این روش شامل انـدازهگیـري نـرخ جریـان ورودي و خروجی به کانال مورد مطالعه است که در آن تفاوت بین میزان آب وارد شده به یک قطعه از کانال و میزان آب خارج شده از آن به عنوان نشت کانال در نظر گرفته میشود. این آزمایش در سه تکرار انجـام شـد.
قطعه کانالهاي مورد نظر براي انجام روش ورودي - خروجی در این مطالعه طـوري انتخـاب شـدند کـه در طول آنها انشعابی براي خروج آب از کانال وجود نداشته باشد تا خطاي احتمـالی انـدازهگیـري جریـانهـاي فرعی حذف شود. اندازهگیري سرعت جریان با استفاده از دستگاه مولینه مغناطیـسی (BFM 001 Valeport) و در مقاطعی به عرض 10 سانتیمتر و در سه تکرار براي اعمـاق کمتـر از 50 سـانتیمتر در 0/6y (سـالمی و سپاسخواه، (1385 انجام شد. رابطه زیر اساس محاسبه تلفات نـشت بـه روش ورودي - خروجـی مـیباشـد
(کراتز، :(1977
که در آن S نرخ جریان نشت (زمان/طول)؛ Qi جریان ورودي (زمان/حجم)؛ Q0 جریان خروجی (زمان/حجم)؛
P میانگین محیط خیس شده (طول)؛ L طول قطعه انتخاب شده از کانال میباشد (واحد انتخاب شده بـراي نرخ نشت میلیمتر در روز میباشد).
نتیجه گیري
مشخصات سه کانال مورد مطالعه در روش آب ایستی به همراه مدت انجام این آزمایش در جدول 2 مشخص شده است.
در شکل 2 تغییرات نرخ نشت در روش آب ایستی در کانالهاي 1 تـا 3 بـه ترتیـب بـا حـروف الـف، ب و ج مشخص شده است. نرخ نهایی نشت بـه ایـن روش در ایـن کانـالهـا بـه ترتیـب 167/9، 572/5 و 375/3 (میلیمتر در روز) اندازهگیري شد.
مقادیر نشت تعیین شده به روش آب ایستی در هر سه کانال کمتر از مقادیر تعیین شده بـه روش ورودي – خروجی (جدول (3 میباشد که دلیل آن میتواند رسوب ذرات معلق آب در حین تعیین نشت بـه ایـن روش بر سطح خیس شده و یا به دلیل اختلاف خصوصیت آب منبع تأمین آب باشد که یا به صورت طبیعی و یـا به صورت مصنوعی و بدون تماس با کانال مسیر آن را طی کرده به محل آزمایش رسیده است. کانال شـماره
1 نسبت به دو کانال دیگر زودتر احداث شده و با توجه به جدول 1 خاك بستر آن از بافت ریزتـري تـشکیل شده است که روي این بافت با لایهاي با نفوذپذیري کمتر پوشیده شده است که میتواند دلیل اصـلی کمتـر بودن نشت در این کانال نسبت به دو کانال دیگر باشد. اختلاف مقـادیر نـشت در کانـالهـاي 2 و 3 بیـشتر مربوط به اختلاف لایه بندي خاك بستر این دو کانال میباشد و با توجه به زودتر احداث شدن این دو کانال و درشتتر بودن بافت آنها لایه سطحی با لایههاي زیرین تفاوت چندانی ندارد.
نتایج روش ورودي – خروجی در جدول 3 آمده است. تکرار این روش در هر سه کانال تا رسیدن به کمترین مقدار نشت ادامه یافت.
