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.

بررسی اجمالی

از جمع آوری فیلد داده های بی سیم و ضبط آنها، تا گسترش پروژه ها در ادارات، Diver-NETZ یک شبکه کامل از فناوری های طبقه اول است که سبب ادغام فیلد ابزار دقیق برتر، همراه با آخرین قابلیت های ارتباطی و مدیریت داده های بی سیم در صنعت است. تمام قطعات Diver-NETZ  برای ساده سازی جریانهای کاری پروژه طراحی شده اند، که شما را قادر میسازد به طور موثر به مدیریت منابع آب های زیرزمینی برای دوره های طولانی مدت اقدام نمایید.

مزیت های Diver-NETZ

• بهبود بهره وری تا 85٪ با جمع آوری داده های میدانی به شکل بی سیم از چاه های متعدد.
• جمع آوری مطمئن داده ها به صورت بی سیم در مناطقی که در آن حیات وحش و یا خطرات زیست محیطی ممکن است به شکل یک ریسک ایمنی مطرح باشد.
• حصول اندازه گیری های دقیق از سطح آب های زیرزمینی، دما و قابلیت انتقال با دیتالاگر Diver-NETZ به شکلی مطمئن.
• نصب بدون زحمت و تقریبا ممکن در هر محیط کاری و در بسیاری از چاه ها.
• ساده سازی جریان های کاری پروژه و پردازش داده ها و مانیتورینگ آنها به شکل خودکار .
• مدیریت، تجزیه و تحلیل، تجسم، و گزارش آنها، نظارت بر داده ها با استفاده از از نرم افزار دسکتاپ کاربر پسند و/یا پورتال آنلاین امن.

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:

معرفی

نرم افزار WEAP ابزاری کامپیوتری برای برنامه ریزی یکپارچه منابع آب است. این ابزار چهارچوبی جامع، قابل انعطاف و کاربردوست را برای تحلیل سیاستها فراهم می کند. تعداد متخصصانی که WEAP را به جمع مدلها، پایگاه های داده، صفحات گسترده و سایر نرم افزارهای خود اضافه می کنند، رو به افزایش است.

در این بخش، هدف، رویکرد و ساختار WEAP بررسی می شود. مطالب موجود در خودآموز WEAP نیز معرفی شده است. ساختار این خودآموز به صورت مجموعه ای از ماژول های مختلف است تا بتواند کاربر را با تمام جنبه های متفاوت قابلیت های WEAP آشنا کند. هرچند این خودآموز بر اساس مثال های ساده تألیف شده، اما اکثر مسائل مربوط به WEAP را پوشش می دهد. یک مدل پیچیده تر با عنوان "Weeping River Basin" نیز در محیط نرم افزار قرار داده شده که دارای جزئیات بیشتری از شبیه سازی سیست مهای واقعی است. برای پی بردن به جزئیات بیشتر، فرمول بندی و سایر نکات می توانید به WEAP User Guide مراجعه کنید.

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.

نرم افزار The Hydrologic Engineering Center River Analysis System یا HEC-RAS  توسط مهندسان ارتش ایالات متحده امریکا ساخته شد و به رایگان در دسترس عموم قرار گرفت. برنامه هک راس توانایی مدل کردن کامل شبکه ها ،کانال ها و رودخانه های شاخه ای یا تکی را دارا می باشد  این برنامه می تواند جریان های ماندگار یا ناماندگار ، زیر بحرانی یا فوق بحرانی  را به خوبی ترسیم کند. این برنامه برای طراحی کالورت ازاستاندارد FHWA کمک می گیرد که در سایت سی ویل دفترچه ی طراحی  نیز در صورت نیاز قرار داده شده است.

دیگر ویژگی ها:

• آنالیز جریان ماندگار و ناماندگار
• طراحی کالورت
• طراحی پل
• طراحی سازه های جانبی (Lateral Structures  )
• طراحی سریز ها
• و ...

انواع مدل های شبیه ساز

مدل های شبیه سازی به دو گروه اصلی تقسیم می شوند: مدل های فیزیکی و مدل های ریاضی. مدل فیزیکی، یک ارائه فیزیکی از دنیای واقعی است به نحوی که در ساختار، ساده تر ولی خصوصیاتی مشابه با دنیای واقعی دارد. یک مثال از مدل های فیزیکی حوضه های آبخیز، شبیه سازهای باران و حوضه های آزمایشگاهی است. مدل ریاضی (حاوی) یک نگرش یا برداشت ذهنی از دنیای واقعی است که خصوصیات مهم ساختاری واقعیت را حفظ می کند. از آنجا که مدل های فیزیکی در اصل تغییرناپذیرند، در مقایسه با مدل های ریاضی از انعطاف کم تری برخوردارند. مدل های ریاضی اغلب توسط کامپیوتر اجرا می شوند و مدل های کامپیوتری نامیده می شوند. بیش تر مدل های کامپیوتری در سه دهه اخیر توسعه یافته اند. ساخت مدل های فیزیکی حوضه ها گران است و از کارایی محدودی برخوردارند. در حالی که مدل های ریاضی به آسانی در دسترس قرار می گیرند، از نظر تغییر ورودی ها به راحتی انعطاف پذیرند و نسبتا گران نیستند. بنابراین عجیب نیست که مدل های ریاضی برای حل مسایل حوضه ها بیش تر مورد استفاده قرار گیرد.

سد Shasta بر روی رودخانه ساکرامنتو - آمریکا

در بخشی از یک تلاش قدیمی، دولت فدرال ایالات متحده سعی در ایجاد زمین های کشاورزی قابل رقابت با دنیا داشته است، امروز پروژه دره مرکزی یکی از بزرگترین سیستم های انتقال آب در جهان است. در سالی با بارش نرمال، این مجموعه در حدود 20 درصد از آب توسعه یافته ایالت را ذخیره و سپس از طریق سیستم گسترده خود با بهره گیری از مخازن و کانال ها اقدام به توزیع آن می نماید.

آب 450 مایل از مخزن دریاچه شاستا در شمال کالیفرنیا به بیکرزفیلد در جنوب دره San Joaquin منتقل می شود. در طول راه، CVP شامل 18 سد و مخزن با ظرفیت ذخیره سازی مشترک 11 میلیون ایکر فوت، 11 نیروگاه و سه مجموعه پرورش ماهی است. به عنوان بخشی از این پروژه همچنین، دلتای Mendota کانال و سد Friant در San Joaquin آب رودخانه را به مزارع در دره مرکزی و شرقی انتقال می دهد.

فکر طراحی و انجام پروژه ایالتی انتقال آب با بهره گیری از تاسیسات آبی در کالیفرنیا به دلیل نقش حیاتی آن در فراهم آوردن آب به سوی شهرها و مزارع است. بدون این پروژه عظیم، کالیفرنیا هرگز به قدرت اقتصادی که یکی از اهداف برجسته و کلان آن است، دست پیدا نخواهد کرد. پروژه انتقال آب بین ایالتی حجم وسیعی از آب رودخانه Feather را به سمت دره مرکزی کالیفرنیا منحرف می سازد. درواقع به سمت منطقه خلیج جنوبی و جنوب کالیفرنیا. از جمله ویژگی های کلیدی آن، قنات (کانال) 444 مایلی است که می تواند از بین پنج ایالت مشاهده شود.

امروزه، در حدود 30 درصد از آب پروژه انتقال آب بین ایالتی (SWP) برای آبیاری استفاده می شود، عمدتا در دره San Joaquin، و حدود 70 درصد آن برای استفاده های مسکونی، شهری و صنعتی که به طور عمده در جنوب کالیفرنیا، و در منطقه خلیج می باشد.

به نظر می رسد خشکی و درجه حرارت شدید برای به چالش کشیدن سیاست گذاران در کالیفرنیا و در سطح جهان که با مدیریت منابع آب محدود دست و پنجه نرم می کنند امتداد خواهد یافت. موضوع از دست رفته در این مبحث، تاثیر بالقوه خشکسالی بر سلامت عمومی می باشد و اینکه چگونه سیاست گذاری آب ممکن است سبب تخفیف دادن و یا تشدید شدن چنین اثرات مخربی شود که البته باید توجه به آنها وجود داشته باشد.

به محققان در دانشگاه کالیفرنیا، دانشکده سیاست گذاری عمومی ریورساید مبلغ 284،680 $ توسط بنیاد رابرت وود جانسون جهت حصول برنامه عملیاتی با عنوان ذیل اعطا شده است:

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.

بررسی گزارش های حداکثر بارش محتمل (PMP) در منطقه

به منظور اخذ مقادیر میانگین حداکثر بارش محتمل در منطقه باید کلیه گزارش های مطالعات PMP سدهای موجود، در دست اجرا و یا مطالعه و همچنین گزارش های حداکثر بارش محتمل سازمان هواشناسی کشور جمع آوری و مورد بررسی قرار گیرد. از نتایج این بررسی ها می توان در انتخاب طوفان های شدید و فراگیر برای واسنجی مدل بارش - رواناب استفاده نمود.

معمولا گزارش های هواشناسی و هیدرولوژی به تجزیه و تحلیل داده های ماهانه و سالانه پارامترهای اقلیمی و هیدرولوژیکی می پردازد. از نتایج آن ها می توان در شناخت سال های پرباران که احتمال وقوع بارش های شدید و فراگیر در آن ها بیش تر است، استفاده نمود. با توجه به تاریخ وقوع طوفان های شدید و فراگیر در طول دوره آماری، می توان دوره و یا فصل وقوع شدیدترین طوفان ها و همچنین فراوانی وقوع آنها را تعیین کرد.

لازم به ذکر است روش محاسبه PMP، طی دستورالعمل دیگری توسط طرح تهیه ضوابط و معیارهای فنی صنعت آب کشور در دست تهیه است و علاقه مندان برای اطلاع از فرآیند محاسبه PMP، می توانند به دستورالعمل مذکور مراجعه نمایند.

الف- روش نقطه‌ای 

در این شیوه، نتایج نقطه‌ای آنالیز دبی متوسط سالانه طولانی مدت ایستگاه‌های آب سنجی انتخابی، به منطقه مطالعاتی تعمیم داده می‌شود. این روش ممکن است بدو صورت انجام گیرد:

1- ضریب جریان (Runoff Coefficient :C)

در صورتی که ایستگاه هیدرومتری مجاور حوضه دارای شرایط هیدروکلیماتیکی، پدولوژیکی و ژئومورفولوژیکی مشابه با منطقة مورد مطالعه باشد، می‌توان ضریب جریان محاسبه شده برای ایستگاه را جهت برآورد میزان آبدهی حوضه فاقد آمار استفاده نمود که از رابطه ذیل برای برآورد آبدهی در این مناطق استفاده می‌شود:

ورود به بخش لیست محصولات

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.

شناسایی و به دست آوردن داده های اولیه

قبل از برنامه ریزی و انجام بازدیدهای صحرایی باید با بررسی مجموع های از اطلاعات اولیه و نقشه های عمومی از منطقه با محدوده مطالعاتی آشنایی پیدا کرد. شناسایی داده های مورد نیاز و یا داده های که باید از بازدیدهای مقدماتی به دست آید، کار جمع آوری اطلاعات را در مراحل بعدی آسان تر می سازد. هرچه داده های بیش تری در دسترس قرار گیرد، اعتماد بیش تری به محاسبات و تحلیل های نهایی برای برآورد حداکثر سیل محتمل وجود خواهد داشت. نمودار مراحل تهیه آمار و اطلاعات و بررسی های اولیه آن ها در شکل ذیل آمده است. این مراحل شامل موارد زیر می باشد.

نقشه های توپوگرافی و یا محلی

نقشه های توپوگرافی با مقیاس های 1:250000 و 1:50000 از منطقه و در موارد خاص نقشه های با مقیا س بزرگ تر، مانند 1:25000 ، باید جمع آوری شود. این نقشه ها باید موقعیت پروژه، جاده های دسترسی، جانمایی سد و محدوده حوضه را نشان دهند. نقشه های توپوگرافی ویژه از قبیل نقشه هایی که در طی طراحی سدها مورد استفاده قرار گرفته اند، اغلب از سازمان های ذیربط و یا از شرکت های مهندسین مشاور قابل دسترس هستند. شکل زیر برای نمونه نقشه بخشی از حوضه آبریز رودخانه بختیاری را نشان می دهد که با استفاده از کلیه نقشه های همجوار آن می توان حوضه رودخانه بختیاری را تا محل مورد نظر برای پروژه مشخص (مثلا محل ساختگاه سد بختیاری) مرزبندی نمود.

می توان گفت PMF یک احتمال وقوع مشخص ندارد، هر چند برخی مانند ICOLD دوره بازگشت یک در یک میلیون سال و یک در ده میلیون سال را برای آن قایل هستند. اگر کلیه فاکتور های دخیل به طور مجزا بیشینه شود، مقادیر PMF اغلب به طور قابل ملاحظه ای بزرگ تر از مقداری که در حالت معمول محاسبه می شود، به دست می آید. در شرایطی که PMF براساس PMP برآورد شود، تعیین شرایط پیشین بارندگی، جریان، رطوبت خاک و مانند آن باید توسط مهندس هیدرولوژیست به طور منطقی قبل از آغاز PMP تعیین شوند. واضح است که اگر PMP که خود احتمال وقوع فوق العاده اندکی دارد، با شرایط پیشین مبتنی بر نفوذ صفر که آن نیز احتمال وقوع خیلی کمی دارد ترکیب شود، برآورد PMF حاصل به طور غیرمعقولی می تواند بالا باشد.

برخی از سوالات اساسی در برآورد PMF را می توان به شرح زیر طبقه بندی نمود.

در سده اخیر تحقیقات گسترده ای بر روی عوامل و فاکتورهای موثر بر فرسایش خاک صورت است و مدل ها و روش های زیادی نیز در این رابطه پیشنهاد شده است که هر کدام دارای معایب و مزایایی می باشند. مدل‎های ریاضی فرسایش خاک (اعم از انواع کمی و کیفی) از جمله مواردی هستند که در نقاط مختلف ایران و جهان به منظور مطالعات فرسایش و رسوب حوضه‎های مختلف بکاربرده شده‎اند و در بعضی شرایط نیز نتایج قابل اعتمادی نیز بدست آمده است.

مدل جهانی فرسایش خاک  (USLE) و کاربرد آن

دانشمندان و محققین حفاظت خاک در ایالات متحده امریکا مشاهده نمودند که عواملی از قبیل نوع و مقدار بارندگی، طول و تندی شیب، فرسایش‌پذیری خاک، سیستم‌های زراعی و عملیات مدیریتی بر تلفات خاک از طریق فرسایش سطحی و شیاری موثرند. این افراد فعالیت‌های گسترده‌ای برای کمی کردن اثرات این عوامل بر فرسایش آغاز نمودند.

اولین تلاش برای کمی ساختن تاثیر بعضی از این عوامل با ایجاد کرت‌های فرسایش در سال 1914 به وسیله میلر  سرپرست بخش خاک دانشگاه میسوری  انجام گرفت. نمونه‌ها‌ی آب و رسوب از رواناب جمع شده در مخازن بتونی واقع در انتهای کرت‌ها‌ی برداشت شد. سپس آقای بنت  مطالعه مشابهی در نواحی دیگر که دارای شرایط متفاوتی از لحاظ بارندگی، خاک و عملیات زراعی نسبت به کرت‌های کنترلی در میسوری بودند را انجام داد.

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.