بخشی از مقاله
چکیده
مدلسازی عددی آبهای زیرزمینی ابزاری مهم برای مدیریت منابع آب در آبخوانها میباشد. این مدلها میتوانند برای تخمین پارامترهای هیدرولیکی و همچنین مدیریت منابع آب استفاده شوند. هدف از این پژوهش، شبیهسازی نوسانات سطح آب زیرزمینی به وسیله نرمافزار GMS6.0 در آبخوان دشت ساری- نکا واقع در جنوب محدوده بهشهر - بندرگز میباشد. این مدل که ترکیبی از کد Modflow و GIS است با استفاده از روش عددی تفاضل محدود، تراز آب زیرزمینی را شبیهسازی میکند.
برای انجام این تحقیق اطلاعات مورد نیاز جهت اجرای مدل که عبارتند از: موقعیت مرز آبخوان، تراز ارتفاعی سطح زمین، تراز سنگ کف آبخوان، موقعیت و میزان برداشت از چاههای بهرهبرداری، موقعیت و تراز سطح آب در چاههای مشاهدهای، لایه هدایت هیدرولیکی و تغذیه، به مدل معرفی شدند. پس از تهیه مدل مفهومی و تعیین شرایط مرزی و اولیه، این مدل به مدل عددی تبدیل گردید و درنهایت پس از شبیهسازی جریان، مدل در شرایط جریان پایدار واسنجی شد.
نتایج حاصل از واسنجی، حاکی از شبیهسازی مطلوب آبخوان دشت ساری- نکا و اختلاف اندک مقادیر مشاهداتی و محاسباتی تراز سطح ایستابی میباشد. همچنین، نتایج بیلان آبی نشان داد که سطح آب زیرزمینی این آبخوان در حالت تعادل قرار دارد.
مقدمه
افزایش جمعیت و به تبع آن نیاز به افزایش تولیدات کشاورزی و صنعتی موجب افزایش مصرف آب در بخشهای شرب، صنعت و کشاورزی شده و فرآیند توسعه بهرهبرداری از منابع آب را اجتناب ناپذیر نموده است
مفهوم کلی مدیریت حوضه آب زیرزمینی عبارت است از، برنامهریزی برای توسعه بهرهبرداری از منابع آب زیرزمینی با در نظر داشتن اهداف معینی بهطوریکه به این منابع از لحاظ کمی و کیفی آسیب نرسد - چیتسازان، . - 1381 بهمنظور تعیین حدود مجاز و مطمئن توسعه بهرهبرداری از منابع آب، تهیه اشکال مختلف بیلان آب و ارزیابی پتانسیل منابع آب سطحی و زیرزمینی الزامی میباشد
مدل وسیله ای جهت ارائه یک بیان تفهیمی یا ترسیمی از سیستمهای فیزیکی با استفاده از معادلات ریاضی میباشد. اگر به نحو مطلوبی تنظیم و ساخته شده باشد می تواند وسیلهای قابل قبول جهت پیشبینی لازم به منظور مدیریت بهرهبرداری از منابع آب در نظر گرفته شود
مدل آب زیرزمینی در واقع فرم ساده شدهای از یک سیستم واقعی آبهای زیرزمینی است که به طور تقریبی همبستگی بین عمل و عکسالعمل هیدرودینامیکی را در یک سیستم ارائه میدهد - اکبرپور و همکاران، . - 1389 میلر - 2000 - ، از مدل عددی Modflow برای شبیهسازی یک آبخوان ماسهای-گراولی در منطقه کرتلند2 نیویورک استفاده کرد. هدف از شبیهسازی آبخوان منطقه مذکور، محاسبه بار هیدرولیکی در شرایط ماندگار و تهیه بیلان آب بوده است.
مهدوی و همکاران - 1389 - ، تغییرات سطح ایستابی آبخوان بزمان سردگال را توسط نرمافزار GMS شبیهسازی کردند و مدل را در گام زمانی یک ماهه برای دوره پایدار و 12 ماهه برای دوره ناپایدار واسنجی نمودند. همچنین، ایشان وضعیت آبخوان را برای دو سال آینده پیش بینی کردند . نجاتی جهرمی و همکاران - 1389 - ، بهکمک مدل GMS6.5 به شبیهسازی دشت عقیلی پرداختند و نشان دادند که این مدل امکان پیشبینی خشکسالی و ترسالی در شرایط خاص و همچنین با میزان بارندگی های متفاوت را دارد.
ملکی و همکاران - 1390 - ، تأثیر خشکسالی را بر دشت شاهرود با استفاده از مدل GMS6.0 بررسی نمودند. مدل مذکور انطباق خوبی بین دادههای مشاهدهای و محاسباتی مربوط به تراز سطح آب زیرزمینی نشان داد. در این پژوهش، با استفاده از مدل GMS6.0 سطح آب زیرزمینی دشت ساری-نکا برای اردیبهشت سال 1391 شبیهسازی گردید.
مواد و روشها معرفی منطقه مورد مطالعه
محدوده مطالعاتی ساری- نکا در استان مازندران بین طولهای جغرافیایی 52 34 تا 54 44 شرقی و 35 56 تا 36 52 شمالی و در جنوب محدوده بهشهر-بندرگز قرار دارد و مساحت آن حدود 6946/4 کیلومتر مربع میباشد که 1068/6 کیلومتر آن دشت و بقیه شامل ارتفاعات میباشد
. بالاترین نقطهی ارتفاعی این محدوده 3836 و پستترین نقطه آن با ارتفاع -26 متر از سطح دریای آزاد در خروجی حوزه قرار دارد. منطقه مورد مطالعه در این تحقیق، قسمتی از شمال دشت ساری -نکا است که مساحت 462 کیلومتر مربع از کل دشت را به خود اختصاص میدهد. نوسانات سفره آب زیرزمینی توسط 28 حلقه چاه مشاهدهای اندازهگیری میشود
شبکه چاههای مشاهدهای بهمنظور اندازهگیری تغییرات سطح آب زیرزمینی آبخوان آبرفتی از سال 1348 در این دشت ایجاد شده و بهمرور زمان تکمیل شده و چندین بار نیز تغییر یافته است و شبکه فعلی پوشش دهنده کل آبخوان آبرفتی این محدوده مطالعاتی میباشد.
این آبخوان دارای 23 عدد چاه بهرهبرداری می باشد. شایان ذکر است در دشت ساری-نکا بیشتر چاههای بهره-برداری محفور جهت استفاده در بخش کشاورزی بهعنوان چاههای کمکی بوده و در سالهای مرطوب بیشتر چاهها خاموش بوده و تخلیه چاهها پایین میباشد و برعکس در سالهای خشک که جریانهای سطحی تامینکننده نیاز آبی منطقه نمیباشد، تخلیه از چاه-های بهرهبرداری افزایش مییابد. شکل زیر دشت ساری- نکا و موقعیت چاهها بههمراه پلیگونهای هدایت هیدرولیکی را نشان میدهد.
شکل : - 1 - نقشه موقعیت منطقه مورد مطالعه در حوزه ساری- نکا
معرفی مدل
جهت ساخت مدل عددی منطقه مورد مطالعه از کد کامپیوتری GMS6.0 استفاده گردید. GMS محیطی جامع و گرافیکی برای شبیهسازی جریان آب زیرزمینی است که شامل یک رابط کاربر کارتوگرافیکی - برنامه - GMS و تعدادی کدهای تحلیلی مختلف ازجمله کد Modflow می باشد - محتشم و همکاران، . - 1390 این نرمافزار قابلیت تلفیق کد Modflow با GIS را دارد.
Modflow توسط سازمان زمین شناسی ایالت متحده - USGS - در سال 1984 تهیه شده است. این مدل جریان را بهصورت سهبعدی و بهروش تفاضل محدود برای حالت پایدار و ناپایدار شبیهسازی مینماید - قدرتی و ثعبانی، . - 1390 مدل عددی GMS بر پایه حل معادله حرکت آبهای زیرزمینی میباشد بهطوریکه حرکت سهبعدی آب زیرزمینی با چگالی ثابت بهوسیله معادله دیفرانسیل جزئی با استفاده از روش تفاضل محدود و بر اساس معادله پیوستگی حل میشود.
معادله حاکم در این مدلسازی عبارت است از - معادله پواسون در حالت سه بعدی - - 1 - × در حالت ناپایدار - 2 - در حالت پایدار در معادلات فوق h، Ss، W و K بهترتیب سطح آب، ضریب ذخیره، میزان تخلیه یا تغذیه و ضریب هیدرولیکی میباشد. اجرای مدل در 8 گام انجام شد:
گام اول: اخذ و بهکارگیری نتایج مطالعات پایه
لایه هایی که در این مرحله وارد مدل میشوند عبارتند از:
✓ دادههای هواشناسی: بارش، تبخیر و تعرق و ...
✓ دادههای هیدرولوژی: آمار و اطلاعات ایستگاه هیدرومتری، مخازن سدها، اطلاعات رودخانهها و ...
✓ دادههای هیدروژئولوژیکی: چاه های مشاهدهای، چاه های بهرهبرداری، تراز آب، مشخصات فیزیک آبخوان و ...
دادههای ورودی مدل از طریق سامانه اطلاعات جغرافیایی GIS به محیط مدل منتقل شدند. این دادهها شامل: مرز آبخوان، تراز ارتفاعی سطح زمین، تراز سنگ کف آبخوان، چاههای بهرهبرداری، چاههای مشاهدهای، لایه هدایت هیدرولیکی و لایه تغذیه سطحی میباشد.
گام دوم: تهیه مدل مفهومی و مدل ریاضی
تهیه مدل مفهومی یکی از مهمترین مراحل مدلسازی می باشد و بر پایه مدل ریاضی است، تهیه آن بستگی به اهداف مدلسازی و منابع موجود و آمار و اطلاعات میدانی دارد. این مدل که یک تصویر ساده شده از دنیای واقعی و شامل خلاصهای از ویژگیهای سیستم هیدروژئولوژیکی است،ضمن برخورداری از دقت لازم معمولاً به صورت توصیفی و گرافیکی - نیمرخ زمینشناسی هیدروژئولوژی و یا نمودار بلوکی - ارائه دهنده ویژگیهای اصلی سیستم میباشد . برای این مرحله، 5 پوشش برای مدل تعریف شد: پلیگون مرز آبخوان، پلیگون هدایت هیدرولیکی - حاصل تقسیم ضریب قابلیت انتقال بر ضخامت لایه آبدار - ، پلیگون تغذیه سطحی، نقاط چاه های بهرهبرداری، نقاط چاه های مشاهدهای.
گام سوم: تبدیل دادههای GIS به مدل مفهومی
شکل : - 2 - مدل مفهومی ایجاد شده از دشت ساری- نک
