آب که مایه حیات انسان و کلیه موجودات زنده روی کره زمین بشمار می رود بصورت نسبتاً خالص در اثر بارندگی به سطح کره زمین نازل می شود. اولین منبع آلوده کننده آب اتمسفر کره زمین می باشد که حاوی ذرات گرد و غبار و گازهای مختلف بوده و قطرات باران را آلوده می کند. آب باران و یا آب حاصل از ذوب برف، در اثر جاری شدن بر روی سطح زمین ویا جریان در بین لایه های خاک با ساختارهای مختلف، مواد گوناگون را در خود حل نموده و یا جذب می نماید و بدین صورت از کیفیت آن کاسته می شود. آبها با کیفیت های مختلف بدین ترتیب به آبراهه ها ، رودها و رودخانه ها سرازیر شده و به پشت سدها می رسد و در آنجا انباشته می گردد. از طرفی دیگر مقداری از آن بین لایه های خاک گذشته وبا جذب عناصر شیمیایی مختلف به سفره های آب زیرزمینی می پیوندد.

تعیین تغییرات کیفیت آبهای زیرزمینی در رابطه با بارندگی و چگونگی توزیع آن در گستره دشتها، این امکان را بوجود می آورد که در مناطق دارای روند افزایش شوری، در رابطه با کاهش برداشت ، محدودیتهای مورد نیاز مدیریتی اعمال گردد. از طرف دیگر در نواحی که تحت تاثیر تغذیه مناسب قرار داشته و تغییرات کیفی ایجاد نشده است .می توان نسبت به افزایش بهره برداری و بهره وری از منابع موجود اقدام نمود. کنترل تغییرات کیفی در مقاطع زمانی مناسب، علاوه بر آشکارسازی سیمای گذشته کیفی آب، امکان روندیابی را فراهم نموده و پیش بینی وضعیت کیفی آب در آینده را میسر می سازد.

روش Recession-Curve Displacement را می توان برای تخمین تغذیه آب های زیرزمینی در داده های ثبتی رودخانه ها بکار برد. این روش بر این فرض است که منحنی streamflow-recession به سمت بالا در طول دوره تغذیه آب های زیرزمینی گردان است. تغذیه آبهای زیر زمینی در طول یک رویداد بر اساس مطالعات صورت گرفته توسط (Rorabaugh (1964 و (Glover (1964، می باشد که هر دو آنها معادلات تحلیلی برای تخلیه آب زیر زمینی به شکل لحظه ای، در یک جریان کاملا نفوذ یافته یک بعدی به صورت آرمانی، و در آبخوان همگن را بدست آوردند. این معادلات نشان داد که کل تخلیه آب زیر زمینی بالقوه به جریان در یک زمان بحرانی خاص پس از اوج دبی رودخانه برابر حدودا نصف حجم تغذیه آب های زیرزمینی در دوره اوج  دبی است.

این نرم افزارها و مواد مرتبط (داده ها و اسناد و مدارک) توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) جهت منافع عمومی و پیشرفت علم استفاده کنندگان در دسترس قرار گرفته است. شما ممکن است، بدون هیچ گونه هزینه یا با پرداخت هزینه از این ابزارها استفاده، کپی برداری، اصلاح، یا توزیع توسط یک نرم افزار و هر آثار مشتق شده از آن، و اسناد آن نمایید. این موضوع را با توجه به حقوق نرم افزاری USGS کاربران، باید بررسی کنید.

شما می توانید دیگر نسخه های الکترونیکی و یا چاپی گزارش USGS و اسناد و مدارکی که در توزیع نرم افزار گنجانده شده است از اینجا دریافت کنید.

GMS (سیستم مدل سازی آب های زیرزمینی) یک برنامه کامل برای ساخت و شبیه سازی مدل های آب زیرزمینی است. از ویژگی های آن ساختار 2D و 3D زمین آمار، مدل سازی چینه شناسی و رویکرد مدل مفهومی منحصر به فرد و قدرتمند است. مدل های حال حاضر پشتیبانی شده عبارتند از MODFLOW، MODPATH، MT3DMS، RT3D، FEMWATER، SEEP2D و UTEXAS.

از نسخه 6 معرفی شده به بعد استفاده از فرمت XMDF (گسترش مدل فرمت داده) مقدور شده است، که یک فرمت سازگار از HDF5 می باشد. هدف از این قابلیت این است که اجازه ذخیره سازی داخلی و مدیریت داده ها در یک فایل HDF واحد را می دهد، که در واقع به جای استفاده از بسیاری از فایل های Flat می باشد.

MODFLOW در سازمان زمین شناسی ایالات متحده به عنوان یک مدل ماژولار جریان تفاضل محدود توسعه یافته است، این مدل یک کد کامپیوتری است که معادله جریان آب زیرزمینی را حل می کند. این برنامه توسط علم هایدروژئولوژی برای شبیه سازی جریان آب زیرزمینی از طریق سفره های آبی تهیه گردیده است. منبع کد نرم افزار دارای مالکیت عمومی رایگان است. MODFLOW در درجه اول با زبان برنامه نویسی فرترن نوشته شده است، و می تواند کامپایل شده و بر روی ویندوز و یا سیستم عامل های شبه یونیکس اجرا گردد.

شبکه 3 بعدی

از آنجا که MODFLOW توسعه اصلی خود را در اوایل دهه 1980 داشته است، سازمان زمین شناسی آمریکا چهار نسخه های اصلی از آن را منتشر کرد، و در حال حاضر این نسخه ها عملا به عنوان کد استاندارد برای شبیه سازی آبخوان در نظر گرفته شده است. چندین واسط کاربر گرافیکی تجاری و غیر تجاری نیز به طور فعال برای MODFLOW توسعه یافته است.

مفهوم حریم کیفی نقطه ای

تعیین حریم کیفی نقطه ای (WHPA) در سطح ناحیه یک چاه می باشد، حفاظت آب زیرزمینی را در محدوده مجاور یک چاه یا حوضه آن شامل می شود. هم چنین نوع منبع آب زیرزمینی، تعیین کننده اهداف، مقیاس مطالعات و هم چنین انواع حریم های کیفی خواهد بود. اگر منبع آب زیرزمینی یک آبخوان باشد و هدف از تعیین حریم کیفی، حفاظت کل آبخوان، ارائه طرح ها، سیاست ها و خط مشی های منطقه ای و ملی باشد، مقیاس های کوچک تر انتخاب می شود. اما در صورتی که بخشی از یک آبخوان (مانند محدوده تحت نفوذ یک یا چند چاه آب شرب) مد نظر باشد و هدف از مطالعه تعیین حریم کیفی و ارائه راه کاری برای حفاظت از منابع برداشت باشد، باید مقیاس های بزرگ تر انتخاب گردد. در واقع مقیاس مطالعات تابعی از نوع منبع آب زیرزمینی می باشد. به طور کلی در مطالعات تعیین حریم کیفی دو نوع منبع آب زیرزمینی و به تبع آن دو نوع مقیاس مطالعه می توان تعریف کرد که به قرار زیر می باشد:

منابع USGS MODFLOW و Visual Studio Solutions

فایل هایی که در زیر قابل دریافت می باشد برای کمک به کاربرانی است که قصد کامپایل و ویرایش سریع MODFLOW را دارند (در مقایسه با دانلود از USGS و پیکربندی فرایند تدوین). کاربر نهایتا باید مایکروسافت ویژوال 2010 و اینتل ویژوال فرترن 2011 را به شکل نصب شده برای باز کردن راه حل و کامپایل MODFLOW داشته باشد. هر یک از فایل های فشرده زیر، هر دو منبع USGS برای نسخه خاص از MODFLOW و نیز به عنوان یک راه حل ویژوال استودیو 2010 است. به سادگی از حالت زیپ خارج (و یا استخراج) کرده، راه حل را در ویژوال استودیو باز کرده، و کد را کامپایل کنید.

وضعیت آب در منطقه خاورمیانه با کمبود شدید توصیف می شود، در عین حال، با افزایش تقاضایی ناشی از رشد جمعیت و توسعه اقتصادی و کشاورزی همراه است. همچنین، مدل های تغییرات آب و هوایی در سال های آینده شرایطی حتی سخت تر در بخش آب، همراه با افزایش درجه حرارت و کاهش بارش را پیش بینی می کنند. برای تصمیم گیرندگان جهت پاسخ به سوالات ضروری از قبیل اینکه: تغییر تعادل و بیلان آب در زمان و در عمل برای دستیابی به منبع آب پایدار به چه شکل مورد نیاز است؟ یک سیستم پشتیبانی تصمیم (DSS)، بر اساس مدل های محاسباتی، کمک خوبی را در این موضوع پیچیده ارائه داده است.

گودال یا فروچاله زمانی شایع است که در آن بخش از زمین به علت جنس سنگ در زیر سطح زمین از نوع سنگ آهک، سنگ کربنات، تخت سنگ نمک، و یا هر نوع از سنگ که می تواند با آب های زیرزمینی در حال گردش در تماس باشد، از طریق آنها حل شود. حل شدن سنگ، فضاها و غارهای زیر زمین را توسعه می دهد. گودال های مشهور به فروچاله گاهی بسیار چشمگیر هستند، زیرا زمین معمولا در حالت عادی دست نخورده باقی می ماند در حالی که فضاهای زیرزمینی بیش از حد بزرگ است. در زمانی که حمایت کافی برای زمین بالاتر و در واقع سطح آن از  سوی فضاهای خالی زیرین وجود ندارد بنابراین پس از آن فروپاشی ناگهانی سطح زمین می تواند رخ دهد. این سقوط می تواند کوچک، و یا، به مانند آنچه این تصویر نشان می دهد، می تواند بزرگ رخ دهد که در آن یک خانه یا جاده در بالای صفحه مرتبط بلعیده شود.

نرم افزار Visual MODFLOW Flex در حال حاضر در آخرین نسخه خود از امکان واسنجی با کد PEST به شکل نقاط پایلوت پشتیبانی می کند. این مقاله خلاصه ای از مفاهیم کلیدی PEST، چگونگی عملکرد یکپارچه آن در Visual MODFLOW Flex به عنوان نرم افزار مدل سازی آب های زیرزمینی، و پیوندهایی به منابع با ارزش در برآورد پارامتر، کالیبراسیون خودکار مدل و تجزیه و تحلیل عدم قطعیت در آنها را مهیا می کند.

مقدمه

همه مدل سازی های آب های زیرزمینی نامطمئن هستند! عدم اطمینان در داده ها، مدل مفهومی hydrogeologic و نتایج شبیه سازی شده وجود دارد. مدلسازان آب زیرزمینی نیازمند برخی از روش ها برای ارزیابی این عدم قطعیت هستند، به طوری که آنها بتوانند بهترین مدل کالیبراسیون را توسعه داده و اقدام به ساخت مدل های قابل دفاع کنند. ارزیابی کالیبراسیون به شکل مدل دستی روش خوبی است، زیرا این روش برای شما یک درک خوب از حساسیت/عدم قطعیت مدل را فراهم می کند. همچنین برای داشتن ابزار خودکار و در دسترسی برای تمام قسمت های فرایند کالیبراسیون بسیار مفید است. اما در مقابل روش دستی، این چیزی است که PEST ارائه می دهد: این کد یک ابزار برآورد پارامتر خودکار را برای تجزیه و تحلیل حساسیت و عدم اطمینان مدل فراهم می کند و البته با بسیاری توانایی های بیشتر.

همان طوری که در مطالب گذشته ذکر شد، 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:

بدون شک یکی از مهم ترین معیار های انتخاب مدل، کارایی مدل است که با در نظر گرفتن خصوصیات هیدروژئولوژیکی و کیفی آبخوان بتواند در شرایط طبیعی مورد استفاده قرار گیرد. در بحث آلودگی و کیفیت آب های زیرزمینی، مدل های بسیاری وجود دارند که در زمینه های مختلف مانند شوری، آلودگی های ناشی از کشاورزی مانند نیترات، پتاسیم و آلودگی های نفتی، آلودگی های فاضلاب شهری و صنعتی و همچنین اتمی، می تواند مورد استفاده قرار گیرند. بدیهی است باتوجه به نوع مشکل، مدلی که بتواند پاسخ گوی مساله باشد و کارایی لازم را داشته باشد باید انتخاب شود. از طرف دیگر با توجه به نیاز مدل کیفی به پارامتر سرعت آب و مقادیر بیلان در هر گره، این مدل باید قابلیت تلفیق با مدل کمی را داشته باشد.

معیار دیگر را می توان عمومیت مدل دانست، طوری که مدل فقط خاص یک مساله و در یک منطقه نباشد بلکه بتواند در شرایط مختلف با اندک اصلاحاتی جوابگو باشد. در غیر این صورت فقط مختص یک منطقه خواهد بود و از آن نمی توان در سایر نقاط استفاده کرد.

محدوده مطالعات

به طور کلی دو قسمت عمده نحوه تعیین حریم کیفی به شرح زیر می باشد:

• حریم کیفی نقطه ای یا حریم کیفی در سطح حوضه چاه
• حریم کیفی ناحیه ای یا حریم کیفی در سطح آبخوان

ضرورت تعیین حریم کیفی آب های زیرزمینی

به منظور حفاظت آبخوان ها در مقابل آلودگی، اعمال محدودیت ها بر کاربری اراضی موجود و آینده، و هم چنین برداشت بیش از حد از آبخوان ها، ضروری است. اما در این بین محدودیت هایی نیز وجود دارد، چرا که از دیدگاه اقتصادی- اجتماعی قابل قبول نیست که برای حفاظت از منابع آب زیرزمینی، کل محدوده آبخوان را برای کاربری های مختلف ممنوع کرد. بنابراین بسیار مقرون به صرفه و معقول خواهد بود که به جای اعمال کنترل بر کاربری اراضی و میزان برداشت، در هنگام تعریف و تعیین سطح کنترل لازم در حفاظت از کیفیت آب زیرزمینی از ظرفیت میرایی طبیعی آلاینده (خود پالایی آلاینده) در منطقه غیراشباع استفاده شود و در نتیجه به جای آنکه تمامی قسمت های آبخوان ممنوع شود، تنها توسعه کاربری، برای مناطق حساس و مستعد آلودگی متوقف گردد.

ایرانیان از آغاز بهره برداری از منابع آب اعم از چاه، قنات، چشمه و یا رودخانه به فکر رعایت حریم کمی منابع آب بوده اند، چراکه همواره نوعی نگرانی برای صاحبان یک منبع آب وجود داشته که ایجاد منبع آبی جدید اثرات سوء و نامطلوب بر منبع قدیمی آب بگذارد. بنابراین تعیین حریم یک منبع آبی نوعی اطمینان خاطر برای صاحبان آن و از سوی دیگر هشداری بود به افرادی که می خواستند منبع جدیدی در حوالی یک منبع قدیمی آب ایجاد نمایند و آنها را ملزم به رعایت حریم می نمود. امروزه با رشد جمعیت و افزایش تعداد چاه ها و استفاده بی رویه از آب های زیرزمینی جهت مصارف شرب، صنعت و کشاورزی از یک طرف و نفوذ زه آّب ه ای کشاورزی، نفوذ پساب های صنعتی و فاضلاب های شهری به داخل آبخوان ها و هم چنین استقرار کاربری های نامناسب در اطراف منابع آبی از طرف دیگر، تغییرات قابل ملاحظه ای در کیفیت آب های زیرزمینی به وجود آمده است. بنابراین علاوه بر تعیین حریم کمی، لزوم تعیین حریم کیفی براساس معیارهای علمی و کاربردی جهت اعمال مدیریت صحیح بر حفاظت و بهره برداری از منابع آب زیرزمینی و بالاخص حفاظت از کیفیت این منابع آب با ارزش بیش از گذشته احساس می گردد.

اندکی درباره مدل MODFLOW:

از جمله کدهایی که کاربردهای گسترده ای داشته و از مقبولیت بالایی نزد هیدروژئولوژیست ها برخوردار بوده کد MODFLOW می باشد که توسط سازمان زمین شناسی آمریکا ارائه شده است. رابط های گرافیکی گوناگونی برای این کد تهیه شده اند؛ دلیل اصلی مقبولیت این کد (هر چند نمی توان آن را برای همه موارد تخصصی مطالعه مدل پیشنهاد نمود) این است که برای راه حل های تحلیلی گوناگونی ارزیابی و کنترل شده و سامانه های هیدروژئولوژیکی مختلفی در سراسر جهان را شبیه سازی نموده است. همچنین نرم افزارهای مختلف آن ارزان و در دسترس همگان می باشد. 

از جمله ویژگی های دیگر MODFLOW می توان به ساختار ماژولی آن اشاره نمود. بدین ترتیب که می توان برای فرآیندهای خاص هیدرولوژیکی ماژول خاصی را فعال یا غیرفعال نمود. همچنین مدول های جدیدی برای مسایل مربوط به جریان (مثل اندرکنش جریان رودخانه با آبخوان) یا روش های عددی جدید در حال توسعه می باشند. این دلایل سبب شده MODFLOW از سوی بسیاری از سازمان ها به عنوان نرم افزار برتر مورد استفاده قرار گیرد.

طبق روند مدل سازی کیفی، پس از مشخص بودن اهداف مدل و انجام مطالعات پایه در این مرحله تهیه مدل مفهومی به عنوان پیش نیاز مدل ریاضی ضروری است. معمولا در تهیه یک مدل مفهومی، موارد زیر باید مشخص شود:

- فرم هندسی محدوده آبخوان

- نوع تشکیلات زمین شناسی آبخوان از نظر همگنی و ناهمگنی

- نحوه بررسی مساله (به صورت یک، دو و یا سه بعدی)

- تعیین رژیم جریان به صورت ورقه ای و یا متلاطم

- تعیین نوع منبع آلودگی (نقطه ای، خطی، توزیعی)

- نوع آلاینده ها و نحوه توزیع آن

- بررسی تغییر مکانی و زمانی متغیر حالت (غلظت) در آبخوان

- تغذیه و تخلیه مواد محلول در سامانه کیفی آبخوان

- شرایط مرزی و ارتباطی که از نظر کیفیت، آبخوان، با خارج از محدوده خود دارد.

به طور کلی قبل از شروع تهیه مدل ریاضی کیفی آب های زیرزمینی، ابتدا باید هدف از تهیه مدل مشخص شود. به خصوص آن که پس از تهیه مدل، چگونه می توان از این مدل جهت مدیریت کیفی آبخوان استفاده کرد. بنابراین اولین گام در فرآیند مدل سازی، تعریف اهداف و در پی آن تهیه مطالعات پایه کیفیت آبخوان مورد نظر می باشد. مهم ترین کمکی که شناخت اهداف می تواند در روند مدل سازی ارائه کند، در نظر گرفتن جزییات و دقت کار بوده و این که با چه درجه از دقت، مدلسازی باید انجام گیرد. مثلا داده های مورد نیاز، شبکه بندی منطقه و انتخاب روش مناسب حل معادلات و یا مدل مناسب برای منطقه، کاملا متاثر از اهداف مدل می باشند.

در گام دوم با توجه به این که پیش نیاز مدل کیفی آبخوان، تهیه مدل کمی و یا مدل ریاضی جریان در آب های زیرزمینی می باشد، لذا در این گام، مدل کمی باید تهیه شود. این مدل به عنوان منبعی از اطلاعات مورد نیاز در مدل کیفی مانند سرعت جریان و داده های بیلان آب در هر یک از گره های مدل عمل می کند. به همین جهت مدل و همچنین گزارش فنی مدل ریاضی جریان باید با دقت کامل تهیه شده و در دسترس باشد تا بتوان از آن به سهولت در روند تهیه مدل کیفی استفاده کرد.

معمولا قبل از شروع مدل سازی کیفی یک آبخوان، باید هدف از مدل سازی روشن باشد. به این صورت که از ابتدا مشخص باشد که در پایان مدل سازی چه انتظاری از مدل وجود دارد و نتایج آن تا چه مقدار می تواند، نیاز های مدیریت آبخوان را برآورده کند. به طور کلی می توان بیان داشت که مهم ترین هدف مدل سازی کمی و کیفی یک آبخوان، دست یابی به نتایجی جهت مدیریت آبخوان می باشد. این مدیریت با توجه به نوع آلاینده های توزیعی، موضعی و خطی و روند آلودگی نسبت به زمان و جبهه پیش روی آلودگی متفاوت می باشد. از طرف دیگر برنامه ریزی از حفاظت از چاه های بهره برداری به طور عام و یا تعدادی از چاه های بهره برداری تامین آب شرب به طور خاص می تواند در ضمره اهداف مدل کیفی باشد. ضمن اینکه تصمیم گیری در مورد ارائه راهکارهایی جهت رفع آلودگی و طراحی شبکه چاه های نمونه برداری کیفی نیز می تواند با استفاده از نتایج مدل کیفی صورت پذیرد.

مدل ریاضی در آلودگی آب های زیرزمینی در واقع فرم ریاضی معادلات بیلان و حرکت و انتقال مواد محلول را در یک محیط آب زیرزمینی نشان می دهد که با تلفیق آنها و با فرض پیوستگی محیط، معادلاتی به صورت معادلات دیفرانسیل جزیی نتیجه می شود. این معادلات در نقاط مختلف یک آبخوان نوشته شده و از طریق روش های مختلف، برای مکان ها و زمان های گوناگون حل می شوند.

مدل های ریاضی در آلودگی آب های زیرزمینی و یا به عبارت دیگر حل معادلات دیفرانسیل جزیی در سامانه کیفی آبخوان می تواند به دو صورت تحلیلی و عددی انجام شود. با این که روش دقیق حل معادلات روش تحلیلی می باشد، ولی پیچیدگی سامانه آبخوان، غیرهمگنی سازندهای زمین شناسی، برداشت و تغذیه های متفاوت چه به صورت طبیعی و چه مصنوعی و به خصوص وجود آلاینده های مختلف باعث می شوند که حل تحلیلی معادلات به جز در شرایط ساده و حالت خاص، امکان پذیر نباشد. به همین جهت استفاده از روش های عددی در تهیه مدل های ریاضی در آب های زیرزمینی به دلیل قابلیت های ویژه ای که دارند، بیش تر از سایر روش ها معمول می باشد.