با در نظر گرفتن مدل مفهومی آبخوان، تعیین روش حل معادلات، انتخاب نرم افزار مناسب و ورود داده ها، مدل راه اندازی می شود که اگر معادله پایه جریان آب زیرزمینی را در نظر بگیریم.

در حل پیش رو، مقدار غلظت آب آبخوان در واقع خروجی سامانه معادلات است. می توان بیان داشت که در قریب به اتفاق حالات مدل سازی و به ویژه در مراحل اولیه اجرای مدل، مقدار غلظت آب محاسبه شده با غلظت مشاهده شده در نقاط کنترل، که همان چاه های نمونه برداری کیفی باشند، به دلایل زیر با هم مطابقت ندارند:

- عدم شناخت کافی ضرایب هیدرودینامیکی در مدل کمی و پخشیدگی در مدل کیفی

- عدم دقت در داده های ورودی تغذیه و تخلیه به سامانه

- عدم شناخت دقیق منابع آلاینده در سطح آبخوان

- عدم تعریف مناسب شرایط مرزی و اولیه

از طرف دیگر به منظور این که بتوان از مدل در جهت مدیریت کمی و کیفی بهره برداری از آبخوان استفاده کرد، باید پارامتر های مدل را به منطقه مورد نظر تطبیق داد. به این معنی که مقادیر ضرایبی را که از آنها مطمئن نیستیم، آن قدر تغییر داد تا اختلاف مقادیر غلظت محاسبه شده و مشاهده شده در حد قابل قبولی برسد.

این فرآیند را تنظیم، تطبیق و یا واسنجی مدل می نامند. بدون شک یکی از حساس ترین مراحل مدل سازی، مرحله واسنجی است. به عبارت دیگر کلید مدل سازی را م یتوان همین مرحله دانست. به طورکلی پارامترهایی که در مدل، لازم به تصحیح دارند، ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان (ضریب هدایت هیدرولیکی، ضریب ذخیره) و مقادیر عددی تغذیه و تخلیه طبیعی از آبخوان، ضرایب پخشیدگی و شیمیایی می باشند.

به طور کلی دو نگرش در واسنجی مدل آب زیرزمینی وجود دارد:

الف - روش های دستی مبتنی بر سعی و خطا

ب - روش های خودکار مبتنی بر بهینه سازی

روش سعی و خطا

روش سعی و خطا در واسنجی مدل آب زیرزمینی، یکی از قدیمی ترین و در عین حال موثرترین روش ها می باشد. در این روش مقادیر پارامت رهای مدل در ابتدا به عنوان ورودی به مدل داده م یشود و پس از اجرای مدل، بین مقادیر غلظت مشاهده شده و محاسبه شده، مقایسه ای انجام م یشود. در صورتی که تفاوت قابل ملاحظه بین این دو وجود داشته باشد، پارامترها با دید کارشناسی تصحیح شده و مجددا به مدل داده و مدل اجرا می شود. این کار آن قدر تکرار م یشود تا این که تکرار این کار تا حد رسیدن به نتایج قابل قبول ادامه خواهد داشت.نمودار ذیل الگوریتم روش را به طور خلاصه نشان می دهد.

مراحل واسنجی مدل به روش دستی

به طور کلی روش سعی و خطا معایب و مزایایی دارد که مهم ترین آن به صورت زیر است:

- نیاز به نوشتن یک برنامه کامپیوتری جدید برای واسنجی ندارد و با همان برنامه اصلی مدل شبیه سازی می توان واسنجی را انجام داد.

- حتی در مواقعی که هیچ شناختی از سامانه وجود ندارد می توان با پارامت رهای فرضی از مدل آن استفاده کرد. (بدیهی است که در این صورت مرحله واسنجی فوق العاده طولانی تر خواهد شد).

- در موقع تغییر پارامترها، ممکن است مجبور باشیم که چند تا از پارامترها را تصحیح کنیم که در این صورت قضاوت کارشناسی می تواند در انتخاب مقادیر اصلاحی پارامترها موثر واقع شود.

- با وجود این مزایا، روش سعی و خطا بسیار وقت گیر می باشد. به خصوص زمانی که پارامترها وابستگی زیادی نسبت به هم داشته باشند و از طرف دیگر چون بهینه سازی در یافتن مقدار ضرایب و پارامتر های مدل انجام نم ی شود ، بنابراین ممکن است در مرحله واسنجی، نتایج حاصله لزوما بهترین نتیجه نباشند. با توجه به محدودیت های این روش، در سال های اخیر در مدل سازی آب های زیرزمینی، از روش خودکار نیز استفاده می کنند.

روش خودکار واسنجی

در واقع برای واسنجی مدل، از روش معکوس حل معادلات دیفرانسیل جزیی استفاده م یشود. به این ترتیب که با توجه به اینکه در اکثر مناطق و دشت ها، آمار و اطلاعات غلظت چاه های نمونه برداری کیفی معادله است. لذا در معادله اصلی در حل معکوس، مقادیر غلظت آب و به عنوان ورودی داده می شود و مقدار ضرایب معادله هیدرودینامیکی آبخوان، پخشیدگی و بیلان تغذیه و تخلیه به عنوان خروجی مدل خوانده می شود. سپس نتایج حاصله از شبیه سازی با نتایج حاصل از مشاهدات مقایسه میشود، تا جایی که کم ترین اختلاف را با هم داشته باشند.

مساله معکوس، با وجود ای نکه مرحله واسنجی مدل را ساده تر و سریع تر می کند ولی محدودیت هایی در تئوری این روش باعث شده است که در فرآیند مدل سازی، استفاده از آن محدود باشد.

قبل از اینکه به محدودیت های روش حل معکوس اشاره شود، متذکر می شود که به طور کلی حل پیش رو معادلات دیفرانسیل جزیی آب های زیرزمینی از نظر ریاضیات حالت مشخص و معادله Well Posedness دارد، در واقع شرایط زیر بر آن حاکم می باشد:

- وجود جواب

- یکتایی جواب

- پایداری

به طور ساده تر می توان بیان کرد که در حل پیش رو مسیر حل مشخص است و در نتیجه مساله به جواب خواهد رسید و بیش از یک جواب نیز نخواهد داشت، ضمن ای نکه جواب ها نیز پایدار هستند. در صورتی که حل معکوس از نظر ریاضیات مبهم و ناشناخته است. به این معنی که ممکن است هرگز به جواب منطقی و قابل قبولی از نظر فیزیکی منجر نشود و یا اینکه تعداد زیادی جواب داشته باشد. (مثلا تعداد زیادی جواب در پارامتر های هیدرودینامیکی پخشیدگی آبخوان).

با توجه به این نق صها ، استفاده از روش خودکار برای واسنجی مدل های ریاضی در آب های زیرزمینی، بسیار محتاطانه صورت می گیرد. به خصوص در مدل های کیفی و باتوجه به تعدد پارامترها باید در استفاده از این روش بسیار دقت کرد. به طورکلی تطبیق مدل کیفی در دو مرحله انجام م یشود. در مرحله اول به منظور تصحیح کلیه پارامت رهای آبخوان، رژیم جریان ماندگار فرض می شود و در حالت دوم، تنظیم در رژیم غیرماندگار، انجام می شود. در مرحله واسنجی مدل کیفی پارامتر های مدل کمی نیز باید مجددا تنظیم شوند و به این صورت که با توجه به این که حرکت آلودگی در آبخوان ناشی از حرکت آب زیرزمینی و همچنین سرعت پخشیدگی املاح به سرعت حرکت جریان آب در آبخوان بستگی دارد، لذا هربار با تغییراتی در مدل کمی، مقدار سرعت حرکت آب اصلاح شده و سرعت های جدید به مدل کیفی وارد می شود و پس از اجرای مدل نتایج به صورت متغیر وابسته با همان غلظت، ظاهر م یشوند. درصورتی که تفاوت محاسبه شده و مشاهده شده غلظت معنی دار باشد، این فرآیند مجددا تکرار م یشود تا این که اختلاف به یک مقدار قابل قبولی برسد. ضمن این که این اختلاف تابع اهداف پروژه و شرایط طبیعی حاکم بر آبخوان می باشد. به طور کلی فرآیند تنظیم مدل کیفی و ارزیابی واسنجی با استفاده از روش های عددی (منظور روش هایی که در آن مقدار و عدد مطرح است) بر اساس 5 روش زیر انجام می شود:

1- میانگین اختلاف بین غلظت مشاهده شده و محاسبه شده توسط مدل

2- واریانس اختلاف بین غلظت مشاهده شده و محاسبه شده توسط مدل

3- میانگین اختلاف مطلق بین غلظت مشاهده شده و محاسبه شده توسط مدل

4- جذر میانگین مربعات اختلاف بین غلظت مشاهده شده و محاسبه شده توسط مدل

5- همبستگی بین غلظت مشاهده شده و محاسبه شده توسط مدل

در انتهای مرحله واسنجی آزمون های فوق و نتایج گرافیکی آن می تواند، ارائه شود.

علاوه بر ارزیابی عددی واسنجی، واسنجی توصیفی نیز نقش مهمی در مرحله تنظیم مدل های کیفی دارد. به این صورت که با شبیه سازی های مختلف، نتایج متفاوتی به دست می آید و پذیرش نتایج توسط گروه های زمین شناسی و مطالعات پایه کمی و کیفی آب های زیرزمینی، اهمیت به سزایی دارد و گرچه این مرحله قضاوتی است، ولی با توجه به تجارب شخصی مدل ساز و همچنین شخص هیدروژئولوگ طرح و شرایط منطقه می تواند نقش تعیین کننده ای در قبول و یا رد نتایج واسنجی داشته باشد.

از مشکلات واسنجی مدل های کیفی، م یتوان عدم قابلیت اکثر مدل های حمل مواد در شبی هسازی را در فرآیند ماتریس پخشیدگی آلاینده ها ذکر کرد. به خصوص زمانی که بافت درونی آبخوان، از مواد ی با نفوذپذیری کم مانند سیلت و رس تشکیل شده باشد و حرکت مواد محلول در آب بسیار کند باشد. در اثر عدم تعیین دقیق ماتریس پخشیدگی، در نتیجه واسنجی آن نیز مشکل خواهد بود. مساله دیگر در واسنجی مدل های حمل مواد، محاسبه زمان پیمایش ماده آلوده از منبع آلاینده به سایر نقاط آبخوان می باشد که این مشکل به تشخیص دقیق منبع آلاینده باز می گردد که در اکثر حالات نمی توان آن را به طور دقیق تعیین کرد. مگر  آلاینده به صورت یک چاه جذبی در محدوده یک آبخوان وسیع باشد. 

در انتهای فرآیند واسنجی تست حساسیت انجام می شود. هدف از این مرحله، ارزیابی و یا اندازه گیری میزان تاثیر پارامترها برروی پارامتر غلظت م یباشد. به عبارت دیگر با توجه به اینکه اکثر پارامتر های مدل اعم از پارامتر های هیدرودینامیکی، پراکنش و تغدیه و تخلیه، به خصوص در شبکه های طراحی شده مدل به طور صد درصد شناخته شده نیستند، لذا باید در این مرحله با تغییر در ارقام این پارامترها حساسیت مدل را سنجید. به این منظور معمولا در صورتی که مرحله واسنجی به طور خودکار انجام شود از ضریب حساسیت استفاده می شود.

طبق توصیه راهنمای ASTM یا P5981 بهتر است به جای تعیین ضریب حساسیت، مقادیر حساسیت را با نمودار نمایش داد. به این صورت که ابتدا با تبادل نظر با هیدروژئولوگ طرح، محدوده منطقی مقادیر پارامترها را که می تواند در منطقه مطالعاتی وجود داشته باشد، تعیین می شود. سپس با تغییر ارقام یک پارامتر به ارزیابی نتایج حاصل از این تغییر برروی متغیر وابسته یعنی غلظت (در مدل های کیفی) و سطح آب آبخوان (در مدل های کمی) پرداخته می شود. در انتها با رسم نمودار و یا تهیه جداولی پارامتر های حساس مشخص می شوند، یعنی این پارامترها میزان حساسیت آنها به مسوولین اجرایی آب زیرزمینی منطقه کم تر می کند تا با پیاده کردن یک سامانه پیمایش کامل در منطقه به برآورد یا انداز هگیری دقیق پارامتر در نقاط مختلف آبخوان بپردازد و یا خود آن را جزو اولیت های کاری خود قرار دهند.

برای مرحله واسنجی که به عبارتی قلب مدل یک آبخوان م یباشد، نمی توان زمان خاص و محدودی را در نظر گرفت. به دلیل این که تعجیل در اتمام این مرحله و هرگونه توجیهی در زود به جواب رسیدن، ممکن است باعث به دست آوردن نتایج غیرواقعی و ناصحیح شود.

از طرف دیگر نکته کلیدی و حساس در مرحله تنظیم و تطبیق مدل، همکاری بین گروه مطالعات پایه کیفی آب های زیرزمینی یک منطقه خاص و گروه مدل سازی می باشد. این همکاری در پذیرش نهایی جواب های حاصل از مدل نقش اساسی دارد و بدون مشاورت و تبادل نظر این دو گروه، تنظیم مدل و واسنجی مدل میسر نخواهد شد.

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح