دانلود مقاله شبیه سازی انتقال عناصر سنگین درآبخوان شهرک صنعتی بزرگ شیراز

بخشی از مقاله

مقدمه

شهرک صنعتی بزرگ شیراز با مساحت 5.4 کیلومتر مربع در دشت قره-باغ در جنوب غرب شیراز واقع شده است و دارای عرض جغرافیایی 28 N 29 تا 29 30 N و طول جغرافیایی 52 30 E تا 52 34 E میباشد. بر اساس مطالعات انجام شده در این شهرک (Shakeri et al. 2009) غلظت فلزات سنگین در منابع آب زیر زمینی مقادیر بالاتری را نسبت به استاندارد جهانی (WHO) نشان میدهد که در دراز مدت می تواند مشکلاتی برای محیط زیست به وجود آورد. منشأ این آلودگی ها فعالیت های انسانزاد (صنایع چوبی، فلزی، رنگ، پلاستیک، فرش، شیمی وپتروشیمی، پلیمر، غذایی، آرایشی و مصالح ساختمانی) میباشد. با در نظر گرفتن این نکته که شهرک صنعتی بزرگ شیراز در مرحله توسعه و استقرار صنایع مختلف قرار دارد، در صورت عدم رعایت ملاحظات زیست محیطی مانند عدم اعمال مدیریت صحیح پسماند و پساب برای صنایع، در دراز مدت منابع آب زیرزمینی و کارستی منطقه (آهک

آسماری آبخوان سبزپوشان) و همچنین آب دریاچه مهارلو که در حال حاضر پذیرنده انواع پسآبها میباشد، بشدت مورد تهدید قرار خواهد گرفت و صدمات جبران ناپذیری به چرخه محیط زیست وارد خواهد گردید. شناخت تغییرات مکانی و زمانی غلظت فلزات سنگین به عنوان شاخص آلودگی آبهای زیر زمینی در سال آبی 1386-87 و پیش بینی حرکت ابر آلودگی، تحت تنش-های هیدولوژیکی هدف مدلسازی آبهای زیرزمینی شهرک صنعتی بزرگ شیراز میباشد. در این تحقیق کد Harbaugh et al, 200 ) MODFLOW )برای شبیه سازی سه بعدی جریان آب زیرزمینی انتخاب شد و از نرم افزار GMS 6.5 که یک رابط گرافیکی برای این کد و رابطی برای اطلاعات پایگاه GIS به حساب میآید استفاده گردیده است. دلیل استفاده از GMS این است که این نرم افزار مجموعه ای از ابزارهای مفید برای وارد کردن و مدیریت داده ها را فراهم می کند. با استفاده از نتایج حاصله از مطالعه مدل جریان (ضرایب هیدرودینامیکی بهینه سازی شده و میدان سرعت به دست آمده) مدل انتقال آلاینده این آبخوان با استفاده از نرم افزار (Zheng and Wang, MT3DMS 1999) تهیه گردید. مدل MODFLOW در ایران و جهان بطور گسترده با

59

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

اهداف مختلف از جمله برای شبیه سازی جریان آب زیرزمینی در مقیاس منطقه ای، برآورد پارامترهای آبخوان و مولفه های بیلان هیدرولوژی بکار گرفته شده است. در ایران در دو دهه گذشته پایان نامه های کارشناسی ارشد متعددی با استفاده از مدل MODFLOW نگارش و نتایج آنها در همایشهای ملی به ویژه همایشهای سالانه انجمن زمین شناسی و سازمان زمین شناسی ارائه و در مجموعه مقالات این همایشها چاپ شده است. که ذکر آنها از حوصله این مقاله خارج است. در اینجا تنها به تحقیقاتی که در مجلات علمی معتبر به چاپ رسیده بسنده می شود. آبخوان سروستان واقع در استان فارس با MODFLOW توسط Samani and Gohari (1995) شبیه سازی و توزیع مکانی پارامترهای آبگذری و ضریت ذخیره آن تعیین گردید. وقوع پدیده ماسه روان در چاههای دهانه گشاد و نحوه پیشگیری آن با طراحی ابعاد و دبی پمپاژ چاه توسط Kompani-Zare et al (2008) به کمک MODFLOW مطالعه گردید. با پیشنهاد روشی موسوم به LSM، Samani et al (2004) نسخه جدیدی از مدل MODFLOW برای شبیه سازی جریان شعاعی تدوین نمودند. برای صحت سنجی مدلهای تحلیلی چاههایی که فقط از کف آبگیری می کنند Behrooz-Kohenjani et al (2011, 2012) از مدل

MODFLOW استفاده کردند. مدل MT3DMS اول بار در ایران توسط یزداندوست (1386) برای بررسی آسیب پذیری آبخوان زرقان در استان فارس در مقابل آلاینده هایی از جمله فرمالین، بنزن و نیترات بکار گرفته شد. آذری و سامانی (1389) انتقال آلاینده های نفتی ناشی از نشت آنها از مخازن شرکت پخش و توزیع مواد نفتی ساری به آبخوان ساری شبیه سازی و غلظت TPH در محل نشت و زمان آغاز نشت تخمین زدند. انتقال و تکامل ابر آلودگی فلز کروم ناشی از یک نشت اتفاقی توسط Andrews & Neville (2003) با استفاده از مدل MT3DMS شبیه سازی و فرایندهای کنترل کننده انتقال این فلز سنگین بررسی و نقش آن به عنوان ردیاب در شناسایی دینامیک جریان آب زیرزمینی منطقه مورد مطالعه، ارزیابی نمودند. روش تحقیق: در محدوده مورد مطالعه از 12 حلقه چاه پیزومتری (شاکری، (1388 به عنوان چاه مشاهده ای استفاده شده است. آمار برداری از سطح آب زیرزمینی و نمونه برداری از آن در چهار دوره شهریور، آبان، بهمن 86 و اردیبهشت 87 انجام شده است. موقعیت چاه های مشاهده ای بر اساس موقعیت نقشه زون بندی صنایع مستقر در شهرک صنعتی انتخاب گردیده است. در تمام مراحل نمونه برداری آب زیرزمینی، استاندارد ها مد نظر قرار گرفته است و قبل از برداشت هر نمونه آب راکد چاه تخلیه و سپس از زیر سطح ایستایی نمونه برداری شده است. در شکل (1) موقعیت چاه های مشاهده ای نشان داده شده است (شاکری، .(1388

مدل سازی جریان در حالت پایدار و ناپایدار: پس از جمع آوری داده ها شبکه سه بعدی آبخوان در قالب تفاضلات محدود قابل استفاده در مدل مادفلو، ساخته شد. شبکه ساخته شده با سلولهایی به ابعاد 144×148 متر شامل 40 سلول در جهت افقی x و 25 سلول در جهت افقی y و یک لایه در جهت عمودی z می باشد. مرزهای مدل آبخوان شهرک صنعتی بزرگ شیراز به علت نوسانات کم سطح آب زیرزمینی در دوره های مختلف اندازه گیری شده، مرز با جریان مشخص در نظر گرفته شد. با بررسی منحنی های هم سطح آب

60

×تابستان 91، شماره 4، جلد 1

زیرزمینی شهرک صنعتی بزرگ شیراز در سال آبی1386-1387 و تحلیل این نقشه ها، سطح تراز آب زیرزمینی در شهریور ماه 1386 برای شبیه سازی جریان در حالت ماندگار انتخاب گردید. سپس مدل اجرا و با تنظیم هدایت هیدرولیکی واسنجی شد و مقدار هدایت هیدرولیکی برای محدوده مورد مطالعه تعیین گردید(شکل.(2 شکل 2 شبکه تفاضلات محدود نیز نشان می دهد. شکل (3) برازش سطح آب زیرزمینی مشاهده شده و شبیه سازی شده در پیزومترها در پایان فرایند واسنجی در شرایط پایدار را نشان می دهد. اختلاف بار آبی اندازه گیری شده و شبیه سازی شده در پیزومترها کمتر از 0.05 متر می باشد. پس از واسنجی مدل در شرایط پایدار مدل برای 8 ماه از مهر 1386 تا اردیبهشت 1387 در شرایط ناپایدار اجرا و واسنجی گردید. مهمترین پارامتری که در طی واسنجی در شرایط ناپایدار تغییر داده شد تغذیه ناشی از بارش و آبهای سطحی بود. پس از پایان فرآیند واسنجی میزان خطا در اکثر پیزومترها و در 8 دوره تنش کمتر از 0.02 متر بود. شکل 4 هیدروگراف اندازه گیری شده و شبیه سازی شده که از دقت بالایی برخوردار است را برای 8 پیزومتر (پیزومترهای شماره 1، 2، 3، 4، 9، 10، 11و (12 نشان می دهد.

طراحی مدل انتقال: همانطور که گفته شد جهت تهیه مدل جریان از داده های سطح آب مشاهده ای مربوط به شهریور 86 تا اردیبهشت 87 استفاده شد. بنابراین نمونه برداری کیفی برای هر یک از فلزات سنگین به 8 ماه فوق تعمیم داده شد، و از شهریور 86 تا اردیبهشت 87 جهت ساخت مدل انتقال آبخوان در نظر گرفته شد.

در این تحقیق پتانسیل آلودگی 7 عنصر سنگین شامل: Mo، Ni، Co، Cu، Pb، Fe وAl شبیه سازی شده است. غلظت هر یک از این عناصر، هدایت الکتریکی (EC) و اسیدینگی (pH) نمونه های آب زیرزمینی برای چهار دوره اندازه گیری در جداول (1) تا (4) ارائه شده است. میانگین pH آب زیرزمینی 7/5 و گستره آن از 6/75 تا 8/3 تغییر می کند که نشاندهنده ماهیت قلیایی بیشتر نمونه های آب است. هدایت الکتریکی در نمونه های آب زیرزمینی از 18842 تا 167287 با میانگین 69010 میکرو زیمنس بر سانتی متر تغییر می کند (شاکری .(1388

معرفی بسته های همرفت و پراکنش: در این تحقیق جهت شبیه سازی کیفی آب زیرزمینی از بسته نرم افزاری MT3DMSاستفاده شده است .(Zheng and Wang, 1999) این بسته های نرم افزاری با نگرش تلفیقی اولرین لاگرانژین، حرکت ذره محلول در آب را شبیه سازی می نماید. پدیده همرفت (Advection) در این بسته های نرم افزاری از روش های مختلف شبیه سازی می شود که در این مطالعه روش Third order TVD scheme

(ULTIMATE) مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر پدیده همرفت، پدیده پراکنش (Dispersion) نیز بر انتقال آلاینده ها موثر می باشد بنابراین به منظور شبیه سازی ترم پراکنش در حرکت آلاینده ها با برآورد ضریب پراکنش از طریق روابط تجربی و با استفاده از نوع دانه بندی و مقادیر هدایت هیدرولیکی برآورد شده توسط مدل جریان ضریب پراکنش تعیین گردید (گودرزی1389، جودوی و سامانی.(1390

معرفی بسته واکنشهای شیمیایی: به منظور بررسی واکنشهای شیمیایی در منطقه مورد مطالعه از بسته واکنش های شیمیایی ( Chemical reaction

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

(package استفاده شده است. بر اساس ویژگی های ماده آلاینده باید مشخص گردد که آیا این آلاینده با محیط واکنش می دهد یا نه. با توجه به رسی بودن بافت خاک منطقه مورد مطالعه و وجود کربن آلی در خاک و استعداد جذب عناصر سنگین توسط مواد رسی و کربن آلی، در این تحقیق فرایند جذب (Adsorption) بعنوان سومین فرایند انتقال و توزیع عناصر سنگین در مدل

×تابستان 91، شماره 4، جلد 1

MT3DMS فعال و فاکتور تأخیر (Retardation factor) بعنوان پارامتر واسنجی در نظر گرفته شدمعمولاً. فاکتور تأخیر با استفاده از روش جذب خطی (Linear Isotherm) و با استفاده از چگالی محیط متخلخل قابل اندازه گیری

است .(Fetter 2000; Zheng and Bennet 2002)

شکل .1 موقعیت نقاط نمونه برداری در محدوده شهرک صنعتی بزرگ شیراز

شکل .2 شبکه تفاضلات محدود و مقدار هدایت هیدرولیکی واسنجی شده برای آبخوان شهرک صنعتی بزرگ شیراز

61

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×تابستان 91، شماره 4، جلد 1

شکل .3 دقت برازش مقادیر محاسباتی و مشاهداتی بار آبی در حالت پایدار

جدول .1 غلظت یونهای اصلی، فلزات سنگین، هدایت الکتریکی و اسیدینگی نمونههای آب زیرزمینی در شهریور 1386 (شاکری، (1388

pH EC Cl HCO3 SO4 Ca Mg K Na Zn Pb Ni Mo Cu Co As Al Fe

7.14 85323 44375 213.5 9360 1400 1860 33.15 30452 16.35 26 135 320.5 505.5 12.5 17.5 8140 650 P1
7.2 122000 44730 183 8880 1600 2760 42.9 28635 43.32 149 150 208.6 533.3 18.7 5.58 8740 413 P2
7.4 89980 4662 292 12220 1290 3475 37 30322 40.3 34 150 145 323 13.7 42.6 9030 1150 P3
7.33 64920 26625 335.5 13680 900 2880 37.05 19964 24.71 161 110 146.2 303.5 17.3 25.4 10490 620 P4
7.27 71412 33725 244 9504 1000 2400 34.32 21960 16.04 242 145 119.2 303.3 14.5 23.8 10560 1090 P5
7.86 90888 45973 244 12240 1200 3480 39 30337 30.3 32 160 56.5 591.5 16.7 25.4 12810 660 P6
7.4 102017 50588 244 7200 1200 2820 46.8 27462 32.26 131 185 162.8 594.5 25.1 6.79 9630 1240 P7
7.48 54718 22188 305 6672 800 1344 35.1 11960 48.33 71 125 87.7 199.9 15 22.6 8550 1770 P8
7.5 43590 17750 366 5328 1200 1380 35.1 9568 60.58 13 180 63.4 159 44.7 20.7 6950 2650 P9
7.56 51009 21300 274.5 5808 800 1740 31.2 10971 18.79 79 125 31.9 175.4 9.06 18.9 9150 610 P10
7.87 68630 30175 183 5856 1700 780 35.88 19320 5.4 33 115 65.6 320.2 9.12 27 5850 310 P11
7.84 25041 8875 335.5 6720 700 1380 25.35 4491.9 21.18 36 115 95.7 79 11.7 31 6360 1720 P12

جدول .2 غلظت یونهای اصلی، فلزات سنگین، هدایت الکتریکی و اسیدینگی نمونههای آب زیرزمینی در آبان 1386 (شاکری، (1388