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.

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.

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.

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.

نرم افزار مدل سازی آب زیرزمینی جریان و انتقال املاح

می توان گفت Visual MODFLOW Flex از تنها یک رابط کاربر گرافیکی بودن برای شبیه سازی آب های زیرزمینی MODFLOW افزون تر است. Visual MODFLOW Flex یک گرد هم آورنده کدهای استاندارد صنعتی برای جریان آب زیرزمینی و انتقال املاح، ابزار مهم و ضروری تجزیه و تحلیل، کالیبراسیون و قابلیت تجسم 3D منحصر به فرد در یک فضای آسان و کاربردی نرم افزاری است.

با Visual MODFLOW Flex، در مدلهای آب زیرزمینی تمام ابزارهای مورد نیاز برای پرداختن به مسائل کیفیت آب در مقیاس منطقه ای، آب های زیرزمینی، و مسائل مربوط به حفاظت از آب وجود دارد.

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.

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.

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.

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.

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.

میان یابی داده ها و توزیع آنها بر روی گره های مدل

انواع داده های مورد نیاز در مدل سازی آب های زیرزمینی در بخش های گذشته این نوشتار مورد اشاره قرار گرفته است. داده های صحرایی پس از جمع آوری و اصلاح، باید به عنوان مقادیر پارامتری یا متغیر با روش های مناسب برای گره ها یا سلول ها/المان ها تعریف شوند. چگونگی توزیع داده های گوناگون در گستره مدل بسیار مهم می باشد.

تطبیق پارامترها با نوع مدل

نخستین مساله ای که در انتقال داده های صحرایی به شبکه باید در نظر داشت تطبیق پارامترها با نوع مدل است. مثلا در مدل های کاملا سه بعدی و نیمرخ، اندازه گیری هدایت هیدرولیکی باید به صورت نقطه ای باشد که معمولا به سادگی می توان آن را در صحرا به دست آورد. در مدل های منطقه ای دو بعدی و شبه سه بعدی به مقادیر میانگین در راستای قائم نیاز می باشد که می توان آنها را به صورت غیرمستقیم با میانگین گرفتن از نتایج اندازه گیری های نقطه ای یا به صورت مستقیم به کمک آزمایش های پمپاژ در چاه هایی که در تمام ضخامت اشباع آبخوان نفوذ کرده باشند، به دست آورد.

مصارف بی رویه و کنترل نشده منابع آب‌سطحی و زیرزمینی، کاهش نزولات جوی، تمرکز مصرف در برخی نقاط (عدم تعادل بین تقاضا و پتانسیل تأمین آب)، الگوی کشت نامناسب و عدم آبیاری صحیح و حفر چاه های متعدد و بهره‌برداری بی برنامه از آن ها در چند دهه اخیر باعث بحرانی شدن وضعیت منابع آب‌ زیرزمینی در اکثر دشت های کشور شده است. به نحوی که سطح آب زیرزمینی در اغلب آبخوان های کشور به طور مداوم  سیر کاهشی داشته و متوسط افت سالانه در طول 15 سال گذشته در حد 12 متر بوده است.

کاهش سطح  تراز آب زیرزمینی دشت ها اثرات زیادی دارد و باعث افزایش هزینه استحصال آب و افزایش مصرف انرژی، کاهش کیفیت آب و ظهور پدیده فرونشست زمین می‌گردد. هرکدام از این عوامل پیامدهای منفی ثانویه نیز دارد. به عنوان نمونه با کاهش حجم آب قابل برداشت منابع زیرزمینی و افزایش هزینه استحصال آب، سطح زیرکشت محصولات کاهش و قیمت محصولات افزایش می‌یابد.

حل معادلات دیفرانسیل جزیی آلودگی آب های زیرزمینی مستلزم تعیین شرایط مرزی از نظر غلظت و استفاده از اطلاعات موجود در این مرزها می باشد. در غیر این صورت این معادلات غیرقابل حل خواهند بود. تعیین شرایط مرزی یکی از مشکل ترین مراحل در مدل سازی آب های زیرزمینی م یباشد. شرایط طبیعی مانند مرزهای غیرقابل نفوذ و همچنین مناطق تغذیه و تخلیه آبخوان، در اغلب موارد خیلی دورتر از محدوده مورد نظر در مدل قرار دارد. به نظر می رسد، بهترین کار در کاهش خطای تعیین شرایط مرزی، بسط و توسعه محدوده مدل تا سرحد های طبیعی آبخوان است که در اکثر موارد به دلیل حجیم شدن محدوده کاری، امکان پذیر نیست.

از طرف دیگر، عدم وجود یک شبکه خوب اندازه گیری غلظت آلودگی در آبخوان، انتخاب محدوده وسیعی را در مدل سازی توجیه نمی کند. محدوده بزرگ مدل سازی با اطلاعات و آمار اندک، نه تنها کمکی به اهداف مدل سازی نمی کند بلکه باعث خطای بیش تر به واسطه بالا رفتن عدم قطعیت، در نتایج می شود. لذا محدوده بیلان و مدل در بیش تر حالات با محدوده آبخوان متفاوت است.