مدل‌های، مدل‌های، آبخوان، زیرزمینی، این، که

وارده (تخلیه و تغذیه) نشان دهد مدل آب زیرزمینی گفته میشود. به کار بردن مدل و کنترل نتایج حاصل از آن اصطلاحاً شبیه‌سازی گفته میشود (Prickett, 1975).
علاوه بر این، مدل وسیله‌ای جهت ارائه بیان تفهیمی یا ترسیمی از سیستم‌های فیزیکی با استفاده از معادلات ریاضی می‌باشد. به عبارت کلی تر مدل وسیله‌ای جهت توجیه حقیقت است که با بیان ساده و تفسیر ساده طراحی میشود. به همین ترتیب مدل‌های آب زیرزمینی نیز توجیهی از حقیقت میباشند و اگر به نحو مطلوبی تنظیم و ساخته شوند، میتوانند جهت پیش بینی‌های لازم به ‌منظور مدیریت بهره برداری از منابع آب مورد استفاده قرار گیرند (Brewer et al, 2003).
در واقع عبارت مدل‌سازی اشاره به تهیه مدل‌های مفهومی و اعمال نرم افزار شبیهساز (کدکامپیوتری) برای نمایش یک سیستم آب زیرزمینی در مکانی خاص دارد که نتایج به دست آمده تحت عنوان یک مدل یا کاربرد مدل مورد استفاده قرار می‌گیرد. صحت یک مدل وابسته به ‌میزان شناخت از سیستمی است که مدل در مورد آن اعمال می‌گردد.
میزان سودمندی و قابل استفاده بودن هر مدل بستگی به آن دارد که معادلات ریاضی تا چه انداز‌ه‌ای توانسته باشند تقریب درستی از سیستم فیزیکی مد نظر را ارائه نماید یا به عبارتی، تا چه اندازه توانسته باشد واقعیت‌های موجود در طبیعت را شبیهسازی نماید. به ‌منظور ارزیابی قابل استفاده بودن و سودمندی یک مدل، درک کامل از سیستم فیزیکی و فرضیات به کار رفته در ارائه معادلات ریاضی ضروری است.
2-2-انواع مدل‌‌هامدل‌های متعددی جهت مطالعه سیستم‌‌های جریان آب زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. مجموعه مدل‌های آب زیرزمینی را می‌توان در سه گروه کلی تقسیم‌ بندی کرد که شامل مدل فیزیکی، مدل آنالوگ و مدل‌های ریاضی می‌باشند که هر کدام از این مدل‌ها خود دربرگیرنده مدل‌های دیگر هستند (شکل 2-1).
هر یک از این مدل‌ها خواص مکانی و زمانی یک سیستم یا بخش‌هایی از آن را به صورت فیزیکی و یا ریاضی شبیهسازی می‌کند .(Kresic, 1997)
-187325267970
شکل (2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1): تقسیم بندی مدل‌های آب زیرزمینی (افتخاری، 1389)
2-2-1- مدل‌های فیزیکیمدل‌های فیزیکی یا مدل‌های محیط متخلخل، شرایط ساده شد‌ه‌ای از طبیعت را با استفاده از عناصر موجود در آبخوان (آب و ذرات تشکیل دهنده آبخوان) در آزمایشگاه شبیه‌سازی می‌کنند. به طور مثال میتوان به مدل ماسه‌ای اشاره کرد که برای اولین بار توسط فورش‌هایمر در سال 1897 ساخته شد (Kresic, 1997).
هر دو نوع آبخوان آزاد و تحت فشار را می‌توان توسط مدل‌های ماسه‌ای شبیهسازی کرد. به این صورت که اگر سطح آن آزاد باشد، آبخوان آزاد و در صورتی که به وسیله یک کرانه نفوذ ناپذیر فوقانی محدود شده و آب تحتفشار باشد، آبخوان تحت فشار شبیهسازی می‌شود.
2-2-2- مدل‌‌های آنالوگیک سیستم آب زیرزمینی را می‌توان با استفاده از قیاس بین جریان آب زیرزمینی و برخی فرآیند‌های فیزیکی آنالوگ، نظیر عبور جریان‌های الکتریکی از‌‌ هادی‌ها شبیهسازی کرد. مدل‌‌های مذکور، آنالوگ (قیاس) نامیده می‌شوند و پیش از توسعه سریع مدل‌های رایانه‌ای عددی به طور گسترده در کار‌های عملی هیدروژئولوژیک، مورد استفاده قرار می‌گرفتند .(Kresic, 1997)
در مدل‌های آنالوگ، بر خلاف مدل‌های فیزیکی از موادی غیر از مواد آبخوان برای شبیه‌سازی استفاده می‌شود. این مواد رفتاری شبیه به آبخوان دارند و با وارد کردن تنش به آن‌ها واکنشی شبیه واکنش آبخوان نسبت به آن تنش خاص ایجاد میگردد (مظفری زاده، 1385).
از انواع مدل‌های آنالوگ می‌توان به مدل‌های آنالوگ الکتریکی اشاره کرد که از شباهت ریاضی بین قانون دارسی (قانون جریان آب زیرزمینی) و قانون اهم (قانون جریان الکتریسیته ) استنتاج گردیده است. در این مدل‌ها، تغییرات ولتاژ در یک مدل آنالوگ الکتریکی نظیر تغییر بار هیدرولیکی در جریان آب زیرزمینی (dh) و گرادیان ولتاژ () نیز آنالوگ گرادیان هیدرولیکی () در نظر گرفته می شود.
از مدل‌های آنالوگ دیگر، مدل‌های آنالوگ سیالات لزج میباشد که از عبور سیال لزج تر از آب مانند روغن از بین صفحات عمودی و یا افقی با فواصل کم استفاده می‌شود و به این وسیله حرکت آب در آبخوان شبیهسازی می‌شود. از انواع این مدل‌ها می‌توان به مدل آنالوگ سیالات لزج هلشاو و یا صفحات موازی اشاره کرد.
مدل‌های آنالوگ حرارتی نیز بر اساس تشابه بین قانون فوریه و رابطه دارسی ساخته میشوند، که در آن q مقدار حرارت عبور یافته از واحد سطح در واحد زمان،T درجه حرارت،L فاصله پیمایش و K هدایت حرارتی است. گرادیان حرارتی () در معادله فوریه آنالوگ گرادیان هیدرولیکی () در رابطه دارسی است (Kresic, 1997).
2-2-3- مدل‌های ریاضیمدل‌هایی که در آن‌ها جریان آب زیرزمینی با استفاده از معادلات ریاضی توصیف میشود، مدل ریاضی نامیده می‌شوند.
در مدل‌های ریاضی میتوان از رابطه ساده دارسی یا از معادله لاپلاس استفاده نمود. اگرچه فرمول دارسی و یا معادله لاپلاس را میتوان به صورت ریاضی حل نمود ولی روش‌های حل این گونه محدود به شرایط خاصی میباشند که در زیر آمده است :
محیط باید از وضعیت هندسی ساد‌ه‌ای برخوردار باشد.محیط باید همگن باشد.
محیط باید همسان باشد.
به دلیل اینکه توانایی مدل‌های ریاضی نسبت به مدل‌های فیزیکی بیشتر میباشد، استفاده از این مدل‌ها در سال‌های اخیر به دلائل زیر افزایش چشم گیری یافته است:
مدل‌های فیزیکی پیچیده ترند.
تغییر ابعاد و تهیه مدل فیزیکی برای یک منطقه خاص مشکل است.
مدل‌های ریاضی نیازی به کنترل تجهیزات آزمایشگاهی ندارند.
مدل‌های ریاضی توانایی حل مسائل گستردهتری را دارند.
کاربرد مدل‌های ریاضی آسان تر از مدل‌های فیزیکی است.
هزینه مدل‌های ریاضی نسبت به مدل‌های فیزیکی بسیار کمتر است.
بر اساس روش حل معادلات ریاضی، این مدل‌ها به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
2-2-3-1-مدل‌های تجربیاین مدل‌ها تنها بر اساس تجزیه و تحلیل سری‌های زمانی خروجی و ورودی داده‌های تجربی میباشند که بر نوعی معادله ریاضی برازش داده میشوند. در این مدل یافتن رابطه‌ای بین علت و معلول از اهمیت ویژ‌ه‌ای برخوردار است. از این رو مرحله تبدیل ورودی به خروجی مدل و چگونگی فرآیند‌ها در این مرحله در نظر گرفته نمیشود. به عنوان مثال یک مقدار بارش مشخص در حوضه‌ای موجب به وجود آمدن یک دبی در خروجی حوضه میگردد و پارامتر‌های هیدرولوژی دیگر نظیر تبخیر، نفوذ و… مورد توجه قرار نمیگیرند.
اگرچه مدل‌های تجربی قلمرو محدودی دارند و در محل و یا در مورد مشکل خاصی مورد استفاده قرار میگیرند، ولی میتوانند بخش مهمی از یک مدل پیچیده عددی را تشکیل دهند. برای مثال، نحوه عملکرد یک ماده آلوده کننده خاص در محیط متخلخل را می‌توان در آزمایشگاه یا در قطعات آزمایشی کنترل شده روی زمین، مطالعه کرد و پارامتر‌هایی را به دست آورد که در آینده بتوان از آن‌ها در مدل‌های عددی کیفیت آب زیرزمینی استفاده نمود.
2-2-3-2- مدل‌های احتمالاتیمدل‌های احتمالی بر اساس قوانین احتمالی و آماری میباشند. مدل‌های مذکور میتوانند دارای شکل‌ها و پیچیدگی‌های گوناگونی باشند که از توزیع احتمالی ساده یک خاصیت هیدروژئولوژیک مورد نظر شروع و به مدل‌های پیچیده تصادفی وابسته به زمان ختم میشوند (Kresic, 1997).
ویژگی‌‌های این نوع مدل‌‌ها عبارتند از:
مدل‌های احتمالاتی دارای چندین مولفه تصادفی میباشند.
در این نوع مدل‌ها رابطه بین علت و معلول، از یک رابطه فیزیکی تبعیت نمیکند و شناخته شده نیست، مثل وقوع بارش که بخشی از آن تصادفی و بخشی فیزیکی است.
همچنین از این مدل‌ها نمیتوان در پیش بینی اثر فعالیت‌های هیدرولوژیکی نظیر اثر پمپاژ بر تراز آب زیرزمینی آبخوان استفاده کرد.
این مدل‌‌ها به مجموعه داده‌های زیادی نیاز دارند.
2-2-3-3- مدل‌‌های علت و معلولیدر مدل‌های علت و معلولی فرض بر آن است که واکنش‌های آتی آبخوان مورد مطالعه را می توان با استفاده از قوانین فیزیکی حاکم بر جریان آب‌های زیرزمینی تعیین نمود. برای مثال جریان آب زیرزمینی به طرف چاهی که بطور کامل در آبخوان محصور حفر گردیده است توسط معادله تایس توصیف می‌شود. اغلب مسائل در هیدروژئولوژی معمول با استفاده از مدل‌‌های معین ساده مانند معادله تایس، یا مدل‌های معین پیچیده، مانند جریان چند فازه عبوری از یک سیستم چند لایه‌ی غیر همگن و ناهمسان حل می‌شوند.
مدل‌های علت و معلولی، بر اساس معادله ریاضی به دو گروه تقسیم بندی می‌شوند:
الف- مدل‌‌های تحلیلیدر مدل‌های تحلیلی در واقع حل دقیق مسئله مورد نظر که معادله‌ای هیدرولیکی با جریان یک یا دو بعدی است، ارائه میشود. برای حل این معادلات ساده سازی‌های زیادی نظیر همگن بودن آبخوان، بدون در نظر گرفتن تغییرات زمانی و مکانی در آن‌ها صورت میگیرد. در این روش سیستم مورد نظر (آبخوان)، باید شکل هندسی خاصی داشته و از نظر شرایط مرزی و شرایط اولیه پیچیدگی نداشته باشد. مدل‌های تحلیلی را میتوان به صورت دستی نیز حل کرد. این مدل‌ها علی رغم اینکه نسبتاً راحت هستند و زیاد مورد استفاده قرار میگیرند ولی دارای محدودیت مکانی میباشند، یعنی از آن‌ها برای محدوده مکانی خاصی میتوان استفاده کرد و نمیتوان آن را به تمام آبخوان یا حتی بخش دیگری از آن تعمیم داد. از انواع این مدل‌ها می‌توان به معادله تایس و آزمایشات پمپاژ اشاره کرد. مدل‌های تحلیلی بهتر است برای موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند:
فرضیات اولیه‌ای که نیاز به دقت بالایی جهت محاسبه ندارند.
قبل از شروع به فعالیت‌های صحرایی جهت کمک به طراحی مجموعه داده‌ها.
جهت کنترل نتایج حاصل از شبیهسازی‌های مدل‌های عددی.
در مواردی که شرایط صحرایی امکان استفاده از فرضیات ساده سازی مدل‌های تحلیلی را فراهم می‌سازد.
به طور کلی مدل‌‌های تحلیلی هر بار یک معادله جریان آب زیرزمینی را حل می‌کند که نتیجه آن میتواند در یک نقطه یا خطی از نقاط در مورد جریان مورد تحلیل آبخوان به کار گرفته شود.
ب- مدل‌های عددیاین مدل‌ها دارای قابلیت حل معادلات بسیار پیچیده جریان آب زیرزمینی و انتقال مواد محلول میباشند و به طور کلی قادر به شبیهسازی جریان آب زیرزمینی و انتقال مواد محلول و واکنش‌های شیمیایی یک یا چند بعدی میباشند. در این مدل‌ها منطقه مورد نظر به تعدادی منطقه کوچک تر (که اغلب سلول یا المان نامیده میشود)، تقسیم میگردند.
معادله پایه‌ای جریان برای هر سلول یا المان که غالباً بیلان آبی آن (ورود و خروج آب) مد نظر قرار میگیرد حل میشود. مدل عددی منجر به تعیین بار هیدرولیکی در نقاط مشخص کننده سلول‌‌های انفرادی میگردد. این نقاط را میتوان در مرکز هر سلول در محل‌های تقاطع سلول‌های مجاور یا در هر محل دیگری قرار داد. معادله دیفرانسیل پایه جریان آب‌های زیرزمینی توسط یک معادله جبری، جایگزین (تقریبسازی) میشود. به طریقی که تمام میدان جریان توسط n معادله با n مجهول که در آن n نشان دهنده تعداد سلول‌هاست، مشخص می‌شود. سیستم معادلات جبری مذکور به صورت عددی، از طریق فرایند تکرار حل می‌گردد و به همین جهت به این نوع مدل‌ها، مدل‌های عددی میگویند. مدل‌های عددی بر اساس روش‌های گوناگون تقریبسازی، معادلات دیفرانسیل جریان و روش‌های حل عددی سیستم معادلات جبری جدید به چندین گروه تقسیم بندی میشوند.
روش‌های معمول در مدل‌سازی آب‌های زیرزمینی عبارتند از:
تفاضلات محدود (FD)
عناصر محدود (FE)
تفاضلات محدود تلفیقی (IFD)
روش معادله انتگرال مرزی (BIEM)
المان‌‌های تحلیلی (AE)
مدل ریاضی عددی برنامهریزی پویا (DP)
مدل ریاضی عددی المان‌‌های مرزی (BE)
روش عددی مشخصه (MOC)
روش تفاضلات محدود و عناصر محدود رایج ترین شیوه‌ حل معادلات است که در بخش (2-4-3) بیشتر توضیح داده می‌شود.
2-3-نرم افزارهای مدل‌سازی جریان و پخش و انتقال آلودگی در آب‌های زیرزمینی
حل معادلات عددی از پیچیدگی و دشواری خاصی برخوردار است؛ امروزه با پیشرفت علم، تکنولوژی و ساخت ماشین‌های محاسبه گر، مدل‌سازی آبخوان‌‌ها با دقت و سرعت بالاتری نسبت به دهه‌های گذشته صورت می‌گیرد. نرم افزارهای متعدد شبیه‌سازی کمی و کیفی جریان آب‌های زیرزمینی ساخته شده است که در ذیل به برخی از مهمترین آن‌ها اشاره می‌شود:
2-3-1- MODFLOW
در سال 1988 میلادی MODFLOW، به عنوان یک مدل شبیه‌سازی جریان یک، دو و سه بعدی مدولار در آبخوانهای محصور، نیمه محصور و آزاد در حالت پایدار و گذرا، توسط آقایان McDonald و Harbaugh در موسسه زمین‌شناسی آمریکا به زبان فورترن تهیه شد (McDonald and Harbaugh, 1988). تا حدود سال 1990،MODFlOW به عنوان رایج ترین مدل در شبیه‌سازی جریان در آب‌های زیرزمینی مورد استفاده موسسه USGS و غیره تبدیل شد و از آن زمان تاکنون اصلاحیهها و ویرایشهای متعددی برای آن ارائه شده‌ است. این مدل همچنین به عنوان هسته اصلی در بسیاری از نرم افزارهای تجاری و عمومی دیگر استفاده می‌شود‌‌. معادلات حاکم در این مدل در دستگاه مختصات دکارتی نوشته شده و به روش تفاضل محدود حل می‌شوند. این نرم افزار یک مدل قابل دسترس برای عموم به طور رایگان است که به راحتی می‌توان از طریق شبکه اینترنت به آن دسترسی پیدا کرد. (افتخاری، 1389)
نخستین ویرایش MODFLOW در سال 1984 به علت نیاز به ‌استفاده از تمام ویژگیهای برنامههای موجود قبلی در قالب یک برنامه واحد به وجود آمد. این برنامه در ابتدا به نام برنامه Modular Three Dimensional Finite–Difference Ground Water Flow شناخته شد که بعداً با ایجاد تغییرات کوچکی در آن برای تغییر زبان برنامه از Fortran 66 به Fortran 77 به نام MODFlOW- 88 معروف شد .(Harbaugh, 2005)
پس از ایجاد برنامه MODFLOW به مرور زمان، کدهای جدیدی نوشته شد تا این نرم افزار کامل تر گردد. کدهای تخمین پارامتر PEST توسط (Doherty et al, 1994) و UCODE به وسیله پوتر و هیل به وجود آمدند (Poeter and Hill, 1998). هدف از برنامههایUCODE و PEST این است که اندازه‍‍ گیری‌های محلی و

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

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