سه روش برای تولید مدل سازی تصادفی در GMS  با استفاده از MODFLOW در ورژن  2000 یا 2005 وجود دارد. اول، پهنه بندی پارامتر با استفاده از هر یک از روش نمونه گیری تصادفی، نمونه برداری مکعب لاتین، و یا زمینه گاوسی برای تولید نتایج مختلف می باشد. روش دوم استفاده از شبیه سازی شاخص های تولید شده توسط ابزار T-PROGS می باشد. سوم، روش فضایی تهی مونت کارلو (NSMC) است؛ که به تولید مدل های متعدد با مجموعه های مختلف از پارامترها اقدام می کند (در GMS 9.0 و ورژن های بعد از آن).

پس از تولید نتایج شبیه سازی تصادفی، کاربر می تواند این نتایج را با استفاده از جستجوگر پروژه بررسی کرده و ببینید. کاربر همچنین می تواند نتایج را با استفاده از Wizard و یا ابزار تجزیه و تحلیل آماری به منظور بررسی ریسک راه حل های تصادفی اصلاح نماید.

اهمیت و نقطه تمرکز طرح

منابع آب زیرزمینی در تأمین آب بخش‌های مختلف کشاورزی، صنعت و شرب کشور سهم موثر و عمده‌ای دارد و گردش امور و حیات بخش وسیعی از کشور به آن وابسته است. در وضعیت کنونی سهم آبهای زیرزمینی در تأمین آب کشور (کشاورزی، صنعت و شرب درکشور) بالغ بر ۵۵ درصد نسبت به کل منابع آب می‌باشد. این وابستگی در بعضی مناطق کشور بسیار بیشتر است. از جمله می‌توان از شرایط استان‌های خراسان رضوی، خراسان شمالی، خراسان جنوبی، کرمان، یزد، اصفهان، فارس و استان‌های حاشیه سواحل جنوبی، زنجان، مرکزی، لرستان، قزوین، کردستان و حتی استان‌هایی نظیر چهار محال و بختیاری و گلستان، نام برد. اما با کمال تاسف در حال حاضر منابع آب زیرزمینی کشور به دلیل برداشت بیش از حد و خشکسالی‌های متوالی سالیان اخیر به وضعیت بحرانی رسیده است. تشدید افت سطح آب و کسری مخزن در آبخوانها ممنوعیت بیش از ۳۰۷ محدوده از ۶۰۹ محدوده مطالعاتی کشور را به دنبال داشته است. بطوریکه آبخوانهای کشور سالانه با میانگین کسری حجم مخزن ۴/۵ میلیارد متر مکعبی مواجه می‌باشند و در ۴۷ سال اخیر مخازن آب زیرزمینی باکسری مخزن ۱۱۰ میلیارد متر مکعبی مواجه شده‌اند که بیش از ۹۰ میلیارد مترمکعب آن در بیست سال اخیر و۸۰ میلیارد مترمکعب آن در ۱۵ سال اخیر و ۳۸ میلیارد مترمکعب آن مربوط به دوره کوتاه ۷ سال گذشته است.

داده های اولیه و توسعه مدل آبخوان

به منظور توسعه و آماده سازی سامانه های پیچیده جریان به داده های با وضوح بالا نیاز است.

در سال 1988، شرکت DuPont با تکمیل تحقیقات آب های زیرزمینی در دوپانت بل در غرب ویرجینیا، تشخیص داد که به منظور اقناع سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده در حفاظت از منابع و قانون بهبود (RCRA) به مجوز اقدامات اصلاحی و  تسهیلات ویژه ای نیاز است. تمرکز تحقیقات بر تعدادی از واحد های مدیریت مواد زائد جامد با سابقه مورد استفاده، در منطقه کوهستانی 600 هکتاری در مجاورت یک کارخانه بود. این کار توسط شرکت DuPont و بخش گروه بازسازی شرکت (DCRG) و مشاوران URS انجام شد.

پس از نصب تعدادی از چاه مانیتورینگ سنتی در سایت، این موضوع برای دانشمندان پروژه مشخص شد که به داده های بیشتر و بهتری برای به درستی توصیف کردن سیستم جریان آب زیرزمینی پیچیده نیاز است.

تغییرات آب و هوایی و افزایش سطح آب دریا می تواند تغییرات قابل توجهی در تولید رواناب ها و جاری شدن سیل در مناظر سواحل کم ارتفاع را سبب شود. یک چالش عمده برای مقامات دولت های محلی و تصمیم گیرندگان در ترجمه این اثرات جهانی بالقوه تغییرات آب و هوایی در انطباق با استراتژی های عملی و مقرون به صرفه در شهرستان ها و در اصل مقیاس های شهری است. از مدل پردازش MODFLOW برای نمایش زیر مقیاس شبکه هیدرولوژی در مناطق شهری برای کمک به رسیدگی به این مسائل استفاده شده است. رهگیری توأم، آب های سطحی، فروافتادگی ها، و ذخیره منطقه غیر اشباع، ارائه گردیده است. ویژگی های اضافی شامل ساختار، مانع ها، جریان مجاری آب بین سلول های مجاور، مرزهای ایستگاه های مشخص، مرزهای جریان بحرانی، شرایط آب سطحی source/sink، و رواناب دو جهته به پردازشگر MODFLOW در روند یابی آب سطحی اعمال گردیده است. برخی از توانایی های مدل پردازش رواناب شبکه (URO) با یک مسأله مصنوعی با استفاده از چهار کاربری اراضی و پوشش متفاوت سلول بررسی شده است. برای بارش از طوفان فرضی استفاده شد و سلول به سلول عمق آب، سطح آب های زیرزمینی، سرعت نفوذ، و نرخ تغذیه آب های زیرزمینی نشان داده شد. نتایج مشخص کرد مدل پردازش URO با موفقیت توانایی تولید متغیرهای زمانی، آب-محتوا وابسته به نفوذ و نشت را به همراه مدل MODFLOW دارا است.

تغییرات در (a) سطح آب های زیر زمینی و (B) ضخامت لایه اشباع در آبخوان High Plains از زمان پیش از توسعه تا سال 1997.

 ( سازمان زمین شناسی ایالات متحده، 1998)

آبخوان High Plains

High Plains یک منطقه 174 مایل مربعی مسطح زمین است که شامل بخش هایی از کلرادو، کانزاس، نبراسکا، نیومکزیکو، اوکلاهما، داکوتای جنوبی، تگزاس، و وایومینگ است. این منطقه توسط بارش متوسط مشخص و گسسته سازی شده است اما به طور کلی دارای یک نرخ تغذیه طبیعی پایین به سمت سیستم آب زیرزمینی است. رسوبات آبرفتی نامستحکم که تشکیل یک سطح آب سفره به نام آبخوان High Plains را می دهد (شامل حد زیادی از آبخوان اوگالالا) در ساختار منطقه است. آب آبیاری پمپ از آبخوان High Plains را به یکی از مناطق مهم کشاورزی کشور تبدیل کرده است.

نمونه هایی واقعی در زمینه چگونگی پاسخ سیستم آبهای زیر زمینی به تغییر در تقاضای پمپاژ

لانگ آیلند از شمال به مناطقی معروف به همان ناحیه آیلند، از شرق و جنوب به اقیانوس اطلس و از غرب به خلیج نیویورک و رودخانه شرق محدود شده است. لانگ آیلند به چهار شهرستان تقسیم شده است. دو شهرستان های غربی، تحت عنوان Kings و Queens، بخشی از شهر نیویورک است.

بارشی که منجر به ارتشاح و نفوذ آب می شود تنها منبع طبیعی لانگ آیلند برای آب شیرین است. زیرا سیستم آب زیرزمینی در قسمت پایین توسط سنگ بستر نسبتا نفوذ ناپذیر و در دو طرف توسط آب شور یا خلیج و اقیانوس (شکل زیر) محدود شده است. حدود نیمی از بارش منجر به تغذیه آب در سیستم آب زیرزمینی می شود. بقیه جریان نیز به عنوان رواناب سطحی به شکل مستقیم به رودخانه ها وارد شده و یا از طریق تبخیر و تعرق از دست داده می شود (کوهن و همکاران، 1968). بسیاری از بارش هایی که به آبخوان در بالاترین بخش محصور نشده  می رید به سمت جانبی حرکت کرده و در نهایت به رودخانه ها و اطراف بخش های آب شور تخلیه می گردد؛ باقی مانده تراوش به سمت پایین سبب تغذیه سفره های آب عمیق تر است.

مثال فرضی از چگونگی پاسخ سیستم آبهای زیر زمینی به تغییرات تقاضای پمپاژ

یک سیستم آب زیرزمینی که در آن تنها منبع طبیعی از جریان تغذیه بارش وجود دارد را در نظر بگیرید. مقدار جریان را نسبتا ثابت شده و پایدار می باشد. همچنین تصور کنید که منبع اصلی هر آب پمپ شده از این سیستم آب زیرزمینی از ذخیره حذف گردیده، کاهش تخلیه به جریان های سطحی وجود دارد، و آب که توسط گیاهان ریشه دار در نزدیکی سطح آب زیرزمینی تعرق می کند کاهش یافته است.

اگر سیستم آب های زیر زمینی شرح داده شده در بالا توانست به تعادل جدید پس از یک دوره از بین بردن آب ذخیره برسد، مقدار آب مصرف شده توسط آب کمتری از جریان اجزاء آب سطحی به تعادل رسیده است؛ و شاید، آب کمتری برای تعرق در دسترس پوشش گیاهی به عنوان عامل کاهش سطح آب خواهد بود. اگر استفاده مصرفی آب آنقدر بزرگ است که یک تعادل جدید نمی تواند حاصل شود، آب همچنان از ذخیره حذف خواهند شد. در هر صورت، آب کمتری برای کاربران آب سطحی در دسترس خواهد بود و منابع زیست محیطی وابسته به رودخانه ها است.

یک سیستم آب زیرزمینی متشکل از توده ای از جریانات آبی است که از طریق منافذ و یا ترک ها در زیر سطح زمین به وجود آمده است. این توده آب دائما در حرکت است. آب به طور مداوم توسط تغذیه از بارش به سیستم اضافه شده، و بعلاوه به طور مداوم به عنوان تخلیه به آب های سطحی و تبخیر و تعرق از آن سامانه خارج می شود. هر یک از سیستم های آب زیرزمینی منحصر به فرد است که در آن منابعی از مقدار جریان آب و از طریقی به مانند نرخ بارش، محل رودخانه ها و سایر نهادهای آب سطحی، و نرخ تبخیر و تعرق وابسته به عوامل خارجی مرتبط با آن وجود دارد. یک عامل مشترک برای تمام سیستم های آب های زیر زمینی با این حال، این است که مقدار کل ورودی آب و خروجی آب، که در سیستم ذخیره می شود باید حفظ شود. بررسی همه جریانات، خروجی، و تغییرات در ذخیره سازی این سامانه را بیلان آبی می نامند.

فعالیت های انسانی، مانند برداشت آبهای زیر زمینی و آبیاری، تغییر الگوی جریان طبیعی، و به طورکلی این تغییرات باید برای محاسبه بیلان آب لحاظ شوند. از آنجا که هر آبی که استفاده می شود باید از جایی آمده باشد، فعالیت های انسانی بر میزان و سرعت حرکت آب در سیستم، ورود به سیستم، و خروج از سیستم تأثیر مشخص خواهد داشت.

در راستای چاره‌اندیشی برای کنترل افت و کسری مخزن حادث شده در آبخوان‌ها، وزارت نیرو با تعریف طرح تعادل بخشی، تغذیه مصنوعی و پخش سیلاب در سال 84 برنامه‌های خود درزمینه بهبود وضعیت منابع آب زیرزمینی را آغاز کرد ولی با توجه به عدم حمایت دستگاه‌های دیگر که همکاری آنها در این زمینه الزامی است و همچنین نبود عزم جدی میان مقامات عالی کشور در سال های قبل و عدم تأمین اعتبار کافی، نتایج مطلوبی از طرح حاصل نشد.

مجدداً با فعال شدن شورای عالی آب در دولت یازدهم، وزارت نیرو برنامه‌های خود را در جلسه هشتم شورای عالی آب در سال 92 ارائه و ابتدا مصوبه‌ای تحت عنوان برخورد قانونی با برداشت‌های غیر مجاز و نهایتا تبدیل به طرحی شد تحت عنوان طرح احیا و تعادل بخشی منابع آب زیرزمینی کشور مشتمل بر 15 پروژه که در جلسه پانزدهم شورای عالی آب کشور در تاریخ 25 شهریور 93 تصویب شد و در کنار این طرح تکالیفی نیز برای برای وزارت خانه‌های نیرو، جهاد کشاورزی، صنعت، معدن، تجارت و کشور مشخص شد.

مدیریت چاه های مشاهده ای و پیزومترها عبارت است از سیاست گذاری و ارائه روش های صحیح و اصولی و نیز کنترل صحت انجام اندازه گیری ها و نظارت بر طراحی ، بهره برداری و نگهداری از شبکه چاه های مذکور.

• نظارت بر طراحی و اجرای شبکه.
• نظارت بر جمع آوری آمار و اطلاعات آب زیرزمینی.
• نظارت بر تهیه نقشه موقعیت چاه های مشاهده ای موجود.
• نظارت بر انتخاب چاه های مشاهده ای موجود (چاه های مشاهده ای ممکن است به صورت موقت انتخاب شوند).
• نظارت بر اعمال ضوابط طراحی شبکه چاه های مشاهده ای و پیزومترها.
• نظارت بر اجرای صحیح حفاری چاه های مشاهده ای و پیزومترها.
• نظارت بر ترازیابی چاه های مشاهده ای و پیزومترها و کنترل صحت آن ها.
• نظارت بر تجهیز چاه های مشاهده ای و پیزومترها و کنترل صحت آن ها شامل: لوله جدار، مهار چاه و درپوش مناسب به شکلی که اندازه گیری سطح آب، لایروبی و پمپاژ آن ها ممکن باشد.
• نظارت بر رعایت حریم چاه های مشاهده ای و پیزومترها در ارتباط با حفر چاه های بهره برداری.

گرچه طراحی شبکه مدل به ظاهر ساده به نظر می رسد، ولی به دلیل این که یکی از حساس ترین مراحل مدل سازی، شبکه بندی منطقه مطالعاتی است، در زیر نکات اساسی و کاربردی در تعیین اندازه شبکه ذکر شده است:

- حتی الامکان شبکه ها طوری طراحی شوند که تمام محدوده مطالعاتی را در بر گیرند. معمولا هرچقدر وسعت منطقه مدل بزرگ تر باشد فواصل شبکه بندی بزرگ و هرچه دقت بیش تر مورد نیاز باشد، شبک هها کوچک انتخاب م یشوند.

- هرچه اطلاعات و آمار ورودی مدل از نظر توزیع مکانی در دسترس باشد و کیفیت این آمار نیز در حد قابل قبول باشد، در این صورت برای اخذ نتایج بهتر، می توان ابعاد شبکه ها را کوچک تر انتخاب کرد.

سابقه‌ی مدلسازی

سابقه‌ی مدلسازی بسته به تعریفی که از مدل می‌توان ارائه نمود متفاوت بوده، اما عمده مدلسازی به مفهوم امروزی مربوط به سالهای دهه 1950 به بعد می‌باشد. که از روش‌های عددی خصوصاً تفاضل و المان‌های محدود برای حل معادلات جریان و انتقال به کرات استفاده شده و برنامه‌های کامپیوتری متعددی برای حل این معادلات نوشته شده است. همزمان با توسعه علم کامپیوتر، برنامه‌های مذکور هم از نظر روش‌های حل دستگاه معادلات جبری حاصله، هم از جهت قدرت اعمال شرایط مرزی گوناگون، هم از نظر ساده تر کردن مراحل اعمال ورودی‌ها و دریافت خروجی‌ها وغیره به حد بسیار مناسبی ارتقاء یافته‌اند. 

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.

حوادث و سوانح انسان ساخت

انواع حوادث و سوانح غیرطبیعی یا انسان ساخت نیز براساس فعالیت های متنوع انسانی از تنوع بسیاری برخوردار  می باشند. این موارد شامل؛ ریزش ساختمان، انفجارات شیمیایی، ریزش یا نشست معدن، آلودگی جوی، سوانح هوایی، سوانح دریایی، سوانح زمینی، سوانح خانگی، آتش سوزی، انفجارات و آزمایشات اتمی، جنگ، آلودگی نفتی، سوانح تکنولوژی-صنعتی، آلودگی های شیمیایی و پسماندهای خطرناک می باشد.براساس آمار موجود در بانک بین المللی اطلاعات سوانح (www.em-dat.net)، لودگی آب های سطحی و زیرزمینی، آلودگی هوا، فرسایش خاک و بیابان زایی از جمله آسیب هایی است که جامعه صنعتی در محیط زیست وارد می سازد. فعالیت هاى انسانى تاثیر عمیق و عمده اى بر روى منابع آبى دارند. همراه با افزایش جمعیت، اقتصاد نیز توسعه مى یابد، هرچند که رشد اقتصادى مى تواند همراه و همگام با حفاظت و بازسازى محیط زیست باشد اما سبب تغییر دو پارامتر عمده یعنى آب و زمین مى شود. دراین بخش از بین فعالیت های انسانی که منجر به آلودگی منابع آب می شوند، حوادث حمل و نقل مواد، خرابی تاسیسات و تجهیزات و دفن و انتشار مواد زاید خطرناک مورد بررسی قرار می گیرند.

مسایل بهره برداری از منابع آب جهان فقط به مصرف نادرست آن برنمی گردد. گاهی انسان با کارهای نادرستش ماهیت آب را تغییر می دهد که به آن آلودگی آَب می گویند. آلودگی آب، تغییرات فیزیکی، شیمیایی و زیستی (میکروبی) را شامل می شود. آلودگی آب ها یکی از عمده ترین معضلات جوامع بشری امروز محسوب می شود. این مساله علاوه بر این که در سلامت انسان ها تاثیر مستقیم دارد، اکوسیستم محیط های آبی را برهم می زند. برای دستیابی به یک فهرست مشخص از انواع آلاینده های ناشی از حوادث، شناخت یک حادثه دارای اهمیت می باشد.

براساس یک تعریف، از نگاه کلی، حوادث آلودگی محتمل در منابع آب کلا به دو دستۀ سوانح طبیعی و حوادث ناشی از فعالیت های انسانی تقسیم می شوند در جدول زیر فهرست انواع سوانح آلودگی منابع آب آورده شده است:

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.