شبیه¬سازی کمی و کیفی جریان آب¬های زیرزمینی دشت نیریز با استفاده از نرم¬افزار GMS

دانشکده مهندسي
پايان‌نامه کارشناسي ارشد در رشته
مهندسی راه، ساختمان و محیط زیست- محیط زیست
شبیهسازی کمی و کیفی جریان آبهای زیرزمینی دشت نیریز با استفاده از نرمافزار GMS
به کوشش
محمد علی افتخار
اساتید راهنما
دکتر غلامرضا رخشنده رو
دکتر پرویز منجمی
بهمن ماه 1392

به نام خدا
اظهار نامه
اينجانب محمد علی افتخار (900350) دانشجوي رشته مهندسي راه، ساختمان و محیط زیست گرايش محيط زيست دانشكده مهندسی اظهار مي كنم كه اين پايان نامه حاصل پژوهش خودم بوده ودر جاهايي كه از منابع ديگران استفاده كرده ام نشاني دقيق و مشخصات كامل آن را نوشته ام. همچنين اظهار مي كنم كه تحقيق و موضوع پايان نامه ام تكراري نيست و تعهد مي نمايم كه بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غیر قرار ندهم. كليه حقوق اين اثر مطابق با آيين نامه مالكيت فكري و معنوي، متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام و نام خانوادگي: محمد علی افتخار
تاريخ و امضا: 30/11/1392

به نام خدا
شبیهسازی کمی و کیفی جریان آبهای زیرزمینی دشت نیریز با استفاده از نرمافزار GMS
به کوشش
محمد علی افتخار
پاياننامه
ارائه شده به تحصيلات تکميلي دانشگاه شيراز به عنوان بخشي
از فعاليتهاي تحصيلي لازم براي اخذ درجه کارشناسي ارشد
در رشته‌ي:
مهندسي عمران (محیط زیست)
از دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوری اسلامی ایران
ارزیابی شده توسط کمیته پایان‌نامه با درجه‌ی: عالی
بهمن ماه1392
حاصل رنج اين تحقيق را تقديم ميدارم به برترينهاي زندگی‌ام:
پدر فداکار
و
مادر مهربانم
که بهترین ایام خویش را صرف تربیت و پیشرفت اینجانب نمودند.
سپاسگزاری
شكر و سپاس ميگويم ايزد توانگر را كه توفيقمان داد اتمام اين را نيز.
سر بر آستان جلالش ميسايم كه دگر بار شوق اندوختن دانشي هر چند ناچيز را عطا نمود و هزاران بار او را شاكرم كه توان به سرانجام رساندنش را نيز به من مرحمت داشت.
آنچه كه هم اكنون به عنوان رساله جهت دريافت درجه كارشناسي ارشد رشته مهندسي عمران در گرايش محیط زیست ارائه ميشود چيزي نيست جز حاصل زحمات بيدريغ و راهنماييهاي روشنگر اساتید عزيز و گرانمايهام آقاي دكتر غلامرضا رخشنده رو و آقاي دكتر پرویز منجمی كه تك تك سطورش نماينده گوشه كوچكي از داشتههاي علمي ايشان است. همچنین سپاس و تشکر از استاد گران قدر دکتر ناصر طالب بیدختی که با زحمات و راهنمایی ایشان این تحقیق به سرانجام رسید.
ای خدای بزرگ آن قدر به ما عظمت روح وتقوا عطا کن که همه وجود خود را با عشق و رغبت قربانی حق کنيم .خدايا آن چنان تار وپود وجود ما را به عشق وجود خود عجين کن که در وجودت محو شویم. خدايا ما را از وجود گرداب خودخواهی و از گردباد هوا و هوس نجات ده و به ما قدرت ايثار عطا کن. خدايا در لحظات سخت امتحان نور ايمان را بر قلب ما بتابان و ما را از لغزش نگاه دار .خدايا ما را قدرت ده که طاغوت خودپرستی را به زير پا افکنيم و حق حقيقت را فدای منفعتهای شخصی نکنيم.
چکیده
شبیهسازی کمی و کیفی جریان آبهای زیرزمینی دشت نیریز
با استفاده از نرمافزار GMS
به کوشش
محمد علی افتخار
محدوده مطالعاتي نیریز با مساحت 1019 كيلومتر مربع در جنوب‌شرقی حوزه آبريز درياچه‌هاي طشك- بختگان و مهارلو واقع شده است. در مجموع 417 چاه برداشت در اين محدوده مطالعاتي وجود دارد. حجم كل تخليه سالانه از آبخوان آبرفتي اين محدوده مطالعاتي 09/52 ميليون متر مكعب است و براي مصارف كشاورزي، آشاميدن و بهداشت و صنعت مصرف مي‌شود. در این تحقیق مدل‌سازي کمي جريان آب زيرزميني در اين دشت شامل كاليبراسيون، آنالیز حساسیت و صحت‌سنجي با استفاده از برنامه کامپيوتري GMS انجام شده‌ است. بیشترین میزان خطای جذر متوسط مربعات محاسبه شده برای دوره های واسنجی و صحت سنجی، بترتیب 88/0 و 11/1 متر بدست آمده است. در بخش مدل‌سازي کيفي کانتورهای آلودگی دشت برای پارامتر آلایندگیCl- با استفاده از برنامه کامپيوتري MT3DMS، ترسیم و تحلیل شده است. گسترش آلودگی یون کلر در آبخوان به کمک نرمافزار MT3DMS که يك برنامه سه بعدي مدولار براي شبيهسازي پخش، انتقال، انتشار مولکولی، واكنشهاي شيميايي و جذب محلول در آب زيرزميني ميباشد، در طول سه سال پیشبینی گردیده است. سپس با انتخاب چاه آب شرب جهاد سازندگی، در نزدیکی شهرک صنعتی (شهرک سنگ) و چاه آب شرب دولت آباد، واقع در شمال غرب محدوده مدل سازی، مقدار یون کلر در این دو چاه برای سه سال آینده پیش بینی گردید. با توجه به مدل کیفی تهیه شده، نتایج نشان داد که مقدار پارامتر یون کلر در آب زیرزمینی در کل دشت چه در گذشته و چه در آینده روند افزایشی دارد. این افزایش در سمت غرب دشت و منطقه صنعتی بیشتر مشاهده می شود بطوریکه پس از سه سال میزان حداکثر یون کلر mg/l 150 پیش بینی شده است. همچنین روند افزایش غلظت آلاینده در چاه آب شرب نزدیک به مرز دریاچه، نسبت به چاه آب نزدیک شهرک صنعتی بیشتر است (mg/l 15 افزایش، در مقایسه با mg/l 7 افزایش طی سه سال).

کلید واژه: آبهای زیر زمینی، مدلسازی، دشت نیریز، GMS.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- اهمیت آب در عصر حاضر و در ایران2
1-2- منابع آب در ايران و مسائل مربوط به آن4
1-3- ضرورت به کارگيري مدل‌ها در مطالعه آب‌هاي زيرزميني6
1-4- هدف8
1-5- ساختار پایاننامه9
فصل دوم: تئوری تحقیق
2-1- مقدمه11
2-2- منابع آلودگي آبهاي زيرزميني11
2-3- مشكلات مرتبط با كيفيت آب در مصرف كشاورزي13
2-3-1- شوري (Salinity)14
2-3-2- نسبت نفوذ آب15
2-3-3- فلزات سنگين(Heavy Metals)15
2-4- انواع مدل‌هاي آب‌هاي زيرزميني18
2-4-1- تفاوت مدل‌هاي تحليلي و مدل‌هاي عددي آب‌هاي زيرزميني21
2-5- معادلات پايه جريان در آب زيرزميني22
2-5-1- قانون دارسي22
عنوان صفحه
2-5-2- معادله پيوستگي24
2-6- حل معادلات حاكم بر جريان در آبهاي زيرزميني28
2-6-1- روش عناصر محدود28
2-6-2- روش تفاضلات محدود29
2-6-3- مزاياي روش تفاضلات محدود30
2-6-4- روش‌هاي حل معادلات جريان در روش تفاضلات محدود30
2-6-4-1- روش مستقيم31
2-6-4-2- روش تكرار31
2-6-4-3- روش صريح (Explicit)32
2-6-4-4- روش ضمني (Implicit)33
2-6-5- شبيه‌سازي حالت ماندگار35
2-6-6- خطاها در مدل‌سازي آبهاي زيرزميني35
2-7- تئوری های مربوط به انتشار آلودگی در محیط های متخلخل36
2-7-1- انتقال (Advection)36
2-7-2- پخش مکانیکی (Mechanical Dispersion) 38
2-7-3- انتشار ملکولی (Molecular Diffusion)40
2-7-4- جذب (Sorption)41
2-7-5- معادلات حاکم بر پخش و انتقال آلودگی42
2-8 – روش های حل معادله انتقال ماده در محیط متخلخل46
2-9- نرم‌افزارهاي شبيه‌سازي جريان و پخش و انتقال آلودگي در آب‌هاي زيرزميني48
2-9-1-MODFLOW 48
2-9-2- Visual MODFLOW50
2-9-3- MIKESHE50
2-9-4- Finite Element Flow; FEFLOW50
عنوان صفحه
2-9-5- CTRAN/W51
2-9-6-(GMS) Groundwater Modeling Sys– 51
2-9-6-1 – Map Module53
2-9-6-2- TIN Module54
2-9-6-3- 2D scatter point Module55
2-9-6-4- Solid module56
2-9-6-5- 2D Mesh Module56
2-9-6-6- 2D grid Module56
2-9-6- 7- 3D Mesh Module56
2-9-6- 8 2D grid Module-56
2-9-6-9-3D scatter point Module 57
2-9-6-10- Modflow 57
2-9-6-11- برنامه MT3D 58
2-9-6-12- برنامه MODPATH 59
فصل سوم: پیشینه تحقیق
3-1- پیشگفتار61
3-2- مروری بر کارهای انجام شده61
فصل چهارم: روش تحقیق
4-1- محدوده مطالعاتی71
4-2- هواشناسي 73
4-2-1- ايستگاه‌هاي هواشناسي 74
عنوان صفحه
4-2-2- دما 74
4-2-3- باران 76
4-2-4- تبخير 79
4-3- آب‌هاي سطحي80
4-3-1- ايستگاه‌هاي هيدرومتري محدوده مطالعاتي نیریز81
4-4- آب‌هاي زيرزميني 83
4-5- بيلان آب87
4-5-1- بيلان آب زيرزميني آبخوان آبرفتي88
4-5-1-1- جريان زيرزميني ورودي و خروجي88
4-5-1-2- نفوذ از بارندگي به آبخوان89
4-5-1-3- تبادل آب رودخانه‌ها و آبخوان آبرفتي91
4-5-1-4- مصارف آب و نفوذ از آنها به آبخوان92
4-5-1-5- تخليه و برداشت از آبخوان آبرفتي آب زيرزميني92
4-5-1-6- تبخير از آب زيرزميني93
4-5-1-7- نوسانات سطح آب زيرزميني94
4-5-1-8- تغييرات ذخيره94
4-6- بيلان عمومي آب در محدوده مطالعاتي نیریز95
4-7- مراحل مدلسازی و ارائه مدل شبیه ساز حوضه97
4-7-1- طرح مفهومی97
4-7-2- طرح هندسی مدل98
4-7-2-1- شبکه بندی آبخوان98
4-7-2-2- تعیین نوع آبخوان99
4-7-2-3- تعیین ارتفاع توپوگرافی و رقوم سنگ کف99
4-7-3- تعیین شرایط اولیه و انتخاب گام های زمانی101
عنوان صفحه
4-7-4- تعیین مقادیر تغذیه و تخلیه سلولها102
4-7-4-1- چاه های بهره برداری، چشمه و قنات102
4-7-4-2- تغذیه سطحی103
4-7-4-3- تبخیر103
4-7-4-4- رودخانه103
4-7-5- تعیین مقادیر ضرایب هیدرودینامیکی105
4-7-6- تعیین نوسانات سطح آبخوان106
4-7-7- تعیین شرایط مرزی آبخوان107
4-8- مراحل مدلسازی مدل کیفی108
4-8-1- مراحل مدلسازی و ارائه مدل شبیه ساز حوضه108
4-8-2- ایجاد مدل مفهومی کیفی109
4-8-2-1- تعیین خواص آبخوان109
4-8-2-2- نقاط پایش کیفی110
4-8-2-3- تعیین شرایط مرزی111
فصل پنجم: نتایج
5-1- مقدمه113
5-2- نتایج حاصل از مدل در حالت ماندگار114
5-2-1- واسنجی114
5-2-2- آنالیز حساسیت 120
5-2-3- صحت سنجی122
5-3– نتایج حاصل از مدل کیفی در حالت ماندگار126
5-3-1- کانتورهای آلودگی دشت126
عنوان صفحه
5-3-2- واسنجی132
5-3-3- صحت سنجی134
5-4- پیشبینی گسترش آلاینده یون کلر در آبخوان و در چاه های منتخب
با استفاده از نرم افزار MT3DMS.136
5-4-1- پیش بینی تغییرات غلظت یون کلر در آبخوان نیریز از سال 1392
تا 1395.136
5-4-2- پیش بینی تغییرات غلظت یون کلر در چاه های منتخب.138
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادها
6-1- مقدمه142
6-2- نتیجه گیری142
6-3- پیشنهادات144
فهرست منابع145
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- توصيه هاي FAO برای كيفيت آب مصرفي در آبياري و كشاورزي14
جدول 2-2- طبقه بندی آبهای مصرفی جهت کشاورزی بر اساس ميزان EC15
جدول 2-3- حداکثر ميزان مجاز فلزات سنگين در آب مصرفی آبياری17
جدول 2-4- مقادير مجاز فلزات سنگين در آب مصرفی آشاميدن18
جدول 4- 1- مشخصات ايستگاه‌هاي هواشناسي واقع در محدوده مطالعاتي نیریز79
جدول 4-2- آمار ماهانه هواشناسي محدوده مطالعاتي نیریز و ايستگاه‌هاي مبنا80
به تفكيك دشت و ارتفاعات.90
جدول 4-3- بيلان آبخوان آبرفتي محدوده مطالعاتي نیریز 91
جدول4-4- نحوه محاسبه ورودي و خروجي آب‌هاي زيرزميني آبخوان آبرفتي نیریز93
جدول 4-5- ميزان مصارف آب به تفكيك ارتفاعات و دشت بر حسب مصارف
كشاورزي، شرب و صنعت در محدوده مطالعاتي نیریز93
جدول 4-6- آمار تخليه و برداشت از آبخوان آبرفتي محدوده مطالعاتي نیریز96
جدول 4-7- بيلان عمومی آب در محدوده مطالعاتي نیریز .102
جدول 4-8- مقادیر تغذیه سطحی اعمال شده.104
جدول 4-9- موقعیت چاه های مشاهده ای.106
جدول 5-1- ضرایب هدایت هیدرولیکی (Kx=Ky) بدست آمده از واسنجی
در دوره های مختلف یک ماهه.114
عنوان صفحه
جدول 5-2- نتایج مرحله واسنجی در ماه مهر سال 1387.116
جدول 5-3- نتایج مرحله واسنجی دراردیبهشت سال 1388.117
جدول 5-4- نتایج مرحله واسنجی درمهر سال 1388.118
جدول 5-5- نتایج مرحله واسنجی اردیبهشت سال 1389.119
جدول 5-6- ضرایب هدایت هیدرولیکی نهایی120
جدول 5-7- نتایج مرحله صحت سنجی در مهر 1390.123
جدول 5-8- نتایج مرحله صحت سنجی در مهر 1391.124
جدول 5-9- املاح نمک های محلول در آب دریا128
جدول (5-10) طبقه بندی شوری بر حسب کلر موجود در آب 129
جدول 5-11- مقادیر تخلخل و ضریب پخش طولی.132
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1- اثرات فلزات سنگين با تغيير غلظت بر سلولهاي زنده16
شکل 2-2- نمونه اي از يک مدل فيزيکي براي شبيه‌سازي نحوه ورود آب به درياچه18
شکل 2-3- نمونه‌اي از مدل آنالوگ در شبيه‌سازي جريان آب زيرزميني19
شکل2-4- نحوه تغييرات هد در ستون ماسه در آزمايش دارسي23
شکل2-5- جريان ورودي و خروجي از المان حجمي24
شكل 2-6- هيدروگراف براي سلول.33
شکل 2-7-الف- فرآیند انتقال در حالت منبع پیوسته37
شکل 2-7-ب- فرآیند انتقال در حالت منبع لحظه ای37
شکل 2-8- فرآیند پخش در محیط متخلخل39
شکل 2-9- المان حجمی محیط متخلخل44
شکل 4-1- محدوده مطالعاتی نیریز72
شکل 4-2- محل قرارگیری ایستگاه های هواشناسی75
شکل 4-3- منحني‌هاي هم‌دماي محدوده مطالعاتي نیریز همراه با ايستگاه‌هاي
استفاده شده در رسم آنها در نقشه77
شکل 4-4- منحني‌هاي هم‌باران محدوده مطالعاتي نیریز همراه با ايستگاه‌هاي
استفاده شده در رسم آنها78
شكل 4-5- نمودار شماتيك رودخانه‌هاي محدوده مطالعاتي نیریز81
عنوان صفحه
شکل 4-6- منحني‌هاي هم تبخیر محدوده مطالعاتي نیریز همراه با ايستگاه‌هاي
استفاده شده در رسم آنها.82
شکل 4-7- تراز آب‌هاي زيرزميني در محدوده نیریز85
شكل4-8- هيدروگراف واحد آبخوان آبرفتي محدوده مطالعاتي نیریز و نمودار
بارندگي ايستگاه باران‌سنجي نیریز86
شکل 4-9- وضعیت شبکه بندی سلول های فعال.99
شکل 4-10- توپوگرافی محدوده مدل سازی شده در نرم افزار. 100
شکل 4-11- ارتفاع سنگ کف محدوده مدل سازی شده در نرم افزار.100
شکل 4-12- موقعت چاهها در مدلسازی.102
شکل4-13- نحوه ی تقسیم بندی Recharge منطقه.104
شکل 4-14- محدوده های ضریب هدایت هیدرولیکی.105
شکل 4-15- شرایط مرزی منطقه نیریزدر سال 1386.108
شکل 4-16- محدوده های تقسیم بندی ضریب پخش و تخلخل.109
شکل 4-17- محل نقاط پایش کیفی در آبخوان نیریز.110
شکل 4-18- شرایط مرز Specified concentrationدر منطقه.111
شکل 5-1- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر هدایت هیدرولیکی.121
شکل 5-2- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر تغذیه سطحی.121
شکل 5-3- هد مشاهده ای و محاسباتی برای ماه مهر سال 1390.122
شکل 5-4- هد مشاهده ای و محاسباتی برای ماه مهر سال 1391.122
شکل 5-5- هد هیدرولیکی منطقه نیریز.125
شکل 5-6- موقعیت قرارگیری چاههای پایش کیفی آبخوان

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *