شبيه‌سازي كمي و كيفي جريان آب‌های زيرزمينی دشت ايج با استفاده از نرم‌افزار GMS

توضیحات

شبيه‌سازي كمي و كيفي جريان آب‌های زيرزمينی دشت ايج با استفاده از نرم‌افزار GMS
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد
چکیده
شبيه‌سازي كمي و كيفي جريان آب‌های زيرزمينی دشت ايج با استفاده از نرم‌افزار GMS
به‌ کوشش
محمدمهدی يقطين
کنترل و نظارت بر میزان استخراج منابع آب زیرزمینی، بخصوص در مناطقی که از نظر اقلیمی جزء مناطق کم باران به حساب می‌آیند، یک اصل مهم و اساسی در استفاده پایدار از این منابع است. هدف از انجام این پایان نامه، شبيه‌سازي جريان آب‌هاي زيرزميني دشت ایج با استفاده از نرم افزار GMS بود. همچنین نواحی گیرش برخی چاه‌های مهم منطقه توسط کد MODPATH و شبیه‌سازی کیفی روند حرکت آلودگی در آب‌های زیرزمینی این دشت ناشی از وجود لندفیل فرضی با استفاده از کد MT3DMS در شرایط مختلف انجام گرفت. در نهایت در قسمت کمی مدلی به دست آمد که قادر است با دریافت ورودی‌ها به صورت میانگین سالانه، وضعیت سطح آب زیرزمینی دشت، به همراه جهت جریان و سرعت آن را تا حد قابل قبولی پیش بینی کند. در قسمت کیفی نیز جهت حرکت و غلظت آلودگی برای مکان و زمان‌های مختلف به دست آمد. نتایج نشان داد که برای دو سلول مشخص، با دو برابر شدن نرخ نفوذ آلودگی به آب زیرزمینی، غلظت آلودگی در سلول شماره یک دو برابر و در سلول شماره دو بیش از دو برابر می‌شود. همچنین اگر غلظت اولیه ماده آلاینده در لندفیل دو برابر شود غلظت در سلول شماره یک و دو نیز دو برابر می‌شوند.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار..................................................................................................................................... 2
1-2- اهمیت موضوع........................................................................................................................... 3
1-3- اهداف تحقیق............................................................................................................................. 4
1-4- نوآوری پایان نامه...................................................................................................................... 5 1-5- ساختار پایان نامه...................................................................................................................... 5
فصل دوم: مبانی نظری تحقیق و مدل‌هاي شبيه‌سازي کمی و کیفی جریان آب‌هاي زيرزميني
2-1- تعریف مدل آب زیرزمینی....................................................................................................... 7
2-2- انواع مدل‌‌ها................................................................................................................................. 8
2-2-1- مدل­‌های فیزیکی............................................................................................................ 9
2-2-2- مدل‌‌های آنالوگ.............................................................................................................. 9
2-2-3- مدل­‌های ریاضی............................................................................................................ 10
2-2-3-1- مدل­‌های تجربی............................................................................................. 11
2-2-3-2- مدل­‌های احتمالاتی...................................................................................... 12
2-2-3-3- مدل‌‌های علت ومعلولی................................................................................ 12
2-3- نرم افزارهای مدل‌سازی جریان و پخش و انتقال آلودگی در آب‌های زیرزمینی..... 15
عنوان صفحه
2-3-1- MODFLOW................................................................................................... 15
2-3-2- Visual MODFLOW................................................................................... 16
2-3-3- MIKE SHE...................................................................................................... 17
2-3-4- FEFLOW.......................................................................................................... 17
2-3-5- CTRAN/W...................................................................................................... 18
2-3-6- MT3D................................................................................................................ 18
2-3-7- MODPATH.................................................................................................... 19
2-3-8- Groundwater Modeling System; GMS.............................................. 20
2-3-8-1- Map Module................................................................................... 22
2-3-8-2- TIN Module.................................................................................... 23
2-3-8-3- 2D Scatter Point Module.......................................................... 24
2-3-8-4- Solid Module................................................................................. 25
2-3-8-5- 3D Scatter Point Module ........................................................ 25
2-3-8-6- Modflow........................................................................................... 26
2-4- مبانی فیزیکی و معادلات حاكم بر جريان آب زيرزميني.............................................. 27
2-4-1- قانون دارسي................................................................................................................. 27
2-4-2- معادله پيوستگي.......................................................................................................... 29
2-4-3- حل معادلات حاكم بر جريان در آب‌هاي زيرزميني............................................ 33
2-4-3-1- روش عناصر محدود.................................................................................... 34
2-4-3-2- روش تفاضلات محدود................................................................................ 34
2-5- آلودگي آب‌هاي زيرزميني................................................................................................... 41
2-5-1- منابع آلودگي آب‌هاي زيرزميني.............................................................................. 41
عنوان صفحه
2-5-2- حرکت آلودگی در آبهای زیرزمینی......................................................................... 43
2-5-2-1- حرکت همراه با جریان................................................................................ 44
2-5-2-2- انتشار هیدرودینامیکی................................................................................ 44
2-5-2-3- تأخیر............................................................................................................... 46
2-5-2-4- واکنش شیمیایی........................................................................................... 47
فصل سوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
3-1- مروري بر مطالعات گذشته‌‌.................................................................................................. 49
فصل چهارم: روش تحقیق
4-1- محدوده مطالعاتی.................................................................................................................. 61
4-1-1- هواشناسی...................................................................................................................... 62
4-1-2- ایستگاه‌های هواشناسی............................................................................................... 63
4-1-3- دما.................................................................................................................................... 66
4-1-4- باران................................................................................................................................. 68
4-1-5- تبخیر............................................................................................................................... 69
4-2- زمین‌شناسی منطقه............................................................................................................... 71
4-3- مراحل ساخت و آماده سازي مدل منطقه مورد مطالعه................................................. 74
4-3-1- مدل مورد استفاده در اين مطالعه............................................................................. 74
4-3-2- تهيه مدل مفهومي........................................................................................................ 76
4-3-3- شبکه بندی مدل.......................................................................................................... 77
4-3-4- اعمال توپوگرافي سطح و كف آبخوان به محدوده مدل........................................ 78
4-3-5- اعمال شرايط مرزي به محدوده مدل....................................................................... 80
عنوان صفحه
4-3-6- اعمال سطح آب مشاهده­اي........................................................................................ 82
4-3-7- هدايت هيدروليكي و آبدهي ويژه آبخوان............................................................... 84
4-3-8- برآورد ميزان تغذيه سطحي........................................................................................ 87
4-3-9- ايجاد لايه اطلاعاتي مربوط به پيزومترها................................................................. 87
4-4- اجرا و واسنجي مدل.............................................................................................................. 87
4-5- آناليز حساسيت....................................................................................................................... 92
4-6- مدل کيفي............................................................................................................................... 92
4-6-1- تعیین ناحیه گیرش چاه‌های با اهمیت.................................................................... 93
4-6-2- اثر احداث یک لندفیل فرضی.................................................................................... 94
فصل پنجم: نتایج وبحث
5-1- نتايج واسنجي مدل در شرايط پايدار................................................................................. 98
5-1-1- مقادیر محاسباتی جهت پارامتر هدایت هیدرولیکی............................................. 98
5-1-2- مقادیر محاسباتی جهت پارامتر تغذیه سطحی ..................................................... 99
5-1-3- توزیع سطح ایستابی و جهت جریان...................................................................... 100
5-1-4- مقادير محاسباتي و مشاهداتي سطح آب زيرزميني........................................... 101
5-2- نتايج واسنجي مدل در شرايط ناپايدار........................................................................... 103
5-2-1- مقادیر محاسباتی جهت پارامتر هدایت هیدرولیکی......................................... 103
5-2-2- مقادیر محاسباتی جهت پارامتر آبدهی ویژه...................................................... 104
5-2-3- مقادير محاسباتي و مشاهداتي سطح آب زيرزميني......................................... 105
5-2-4- مقادیر خطا در شرایط ناپایدار............................................................................... 108
5-2-5- بیلان........................................................................................................................... 108
5-3- آنالیز حساسیت.................................................................................................................... 110
عنوان صفحه
5-3-1- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر هدایت هیدرولیکی....................... 110
5-3-2- حساسیت مدل نسبت به پارامتر آبدهی ویژه..................................................... 110
5-3-3- حساسیت مدل نسبت به پارامتر تغذیه سطحی................................................ 111
5-4- صحت سنجي....................................................................................................................... 112
5-5- نتایج مدل‌سازی کیفی....................................................................................................... 115
5-5-1- تعیین ناحیه‌ گیرش چاه‌های حائز اهمیت.......................................................... 115
5-5-1-1- نتایج بررسی چند چاه.............................................................................. 116
5-5-2- نتایج شبیه‌سازی لندفیل فرضی............................................................................ 119
5-5-2-1- مکان‌یابی حرکت ذرات شیرابه در آب زیرزمینی............................... 119
5-5-2-2- روند پخش و انتقال آلودگی ................................................................... 120
فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات
6-2- نتیجه گیری.......................................................................................................................... 139
6-3- پیشنهادات............................................................................................................................ 140
فهرست منابع............................................................................................................................. 141
چکیده به زبان انگلیسی
فهرست جدول‌ها
عنوان و شماره صفحه
جدول 4-1: موقعیت ایستگاه‌های هواشناسی منطقه مورد مطالعه.................................................63
جدول 4-2: معادلات گرادیان‌های ما‌هانه حرارتی محدوده..............................................................67
جدول 4-3: متوسط دمای ما‌هانه محدوده به تفکیک دشت و ارتفاعات محدوده ایج (درجه سانتیگراد).......................................................................................................................................67
جدول 4-4: متوسط بارش ما‌هانه و سالانه در ایستگاه معرف، دشت و ارتفاعات محدوده ایج (میلیمتر).................................................................................................................................................... 69
جدول 4-5: متوسط تبخیر ما‌هانه محدوده به تفکیک دشت و ارتفاعات محدوده مطالعاتی ایج (میلیمتر).....................................................................................................................................................71
جدول 4-6: مقدار هدايت هيدروليکي تشکيلات مختلف................................................................ 85
جدول 4-7: مقدار آبدهي ويژه تشکيلات مختلف...............................................................................86
جدول 5-1: مقادیر بیلان جریان آب زیرزمینی منطقه مورد مطالعه در طول دوره واسنجی شرایط ناپایدار (سال‌های آبی 1390-1388).................................................................................. 109
جدول 5-2: طول کمینه، متوسط و بیشینه محدوده‌ی گیرش مهمترین چاه آب شرب شهر ایج .....................................................................................................................................................................117
جدول 5-3: طول کمینه، بیشینه، متوسط و مساحت محدوده‌ی گیرش چاه شماره یک.......118
جدول 5-4: طول کمینه، بیشینه، متوسط و مساحت محدوده‌ی گیرش چاه شماره دو.........118
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-1- تقسیم بندی مدل‌های آب زیرزمینی .............................................................................. 8
شکل 2-2- نحوه تغییرات هد در ستون ماسه در آزمایش دارسی ............................................... 28
شکل 2-3- جریان ورودی و خروجی از المان حجمی ................................................................... 30
شکل 2-4- هیدروگراف برای سلول i, j, k ....................................................................................... 39
شکل 4-1- موقعیت دشت ایج فارس ................................................................................................ 62
شکل 4-2- موقعیت چاه‌های بهره برداری و مشاهداتی منطقه مورد مطالعه .............................77
شکل 4-3- شبکه بندی منطقه مورد مطالعه .................................................................................. 78
شکل 4-4- نقشه DEM توپوگرافی سطح زمین منطقه مورد مطالعه ....................................... 79
شکل 4-5- نقشه DEM رقوم ارتفاعی سنگ بستر منطقه مورد مطالعه .................................. 80
شکل 4-6- هیدروگراف واحد دشت ایج طی سال‌های 1375-1391 ...................................... 83
شکل 4-7- نقشه سطح آب (متر) مهرماه 1388 دشت مورد مطالعه ....................................... 83
شکل 4-8- میله رنگی نمایانگر خطای واسنجی ............................................................................ 90
شکل 4-9- محل دفن زباله فرضی برای منطقه مورد مطالعه ................................................... 94
شکل 5-1- نقشه زون‌بندي و مقادير به دست آمده براي پارامتر هدايت هيدروليکي (متر بر روز) طي کاليبراسيون مدل در شرايط پايدار (مهرماه 1388) ..................................................... 98
شکل 5-2- نقشه زون ‌بندي و مقادير به دست آمده براي پارامتر تغذیه سطحی (متر بر ماه) طي کاليبراسيون مدل در شرايط پايدار (مهرماه 1388) ............................................................... 99
شکل 5-3- نقشه توزيع سطح ايستابي به دست آمده طي کاليبراسيون مدل در شرايط پايدار (مهرماه 1388) ..................................................................................................................................... 100
شکل 5-4- جهت حرکت جریان آب زیرزمینی در منطقه مورد مطالعه ................................. 101
شکل 5-5- مقادير محاسباتي و مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه‌هاي مشاهداتي مختلف محدوده مطالعاتي در دوره واسنجي شرايط پايدار (مهرماه 1388) ........................................... 102
شکل 5-6- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در دوره واسنجي شرايط پايدار (مهرماه 1388) ............................................................................................................ 102
شکل 5-7- مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در مقابل مقادير باقي‌مانده (تفاوت مقادير محاسباتي و مشاهداتي) در دوره واسنجي شرايط پايدار (مهرماه 1388) ............................... 103
شکل 5-8- نقشه زون‌بندي و مقادير به دست آمده براي پارامتر هدايت هيدروليکي (متر بر روز) طي کاليبراسيون مدل در شرايط ناپايدار (سال‌های آبي 1390-1388) ...................... 104
شکل 5-9- نقشه زون ‌بندي و مقادير به دست آمده براي پارامتر آبدهي ويژه طي کاليبراسيون مدل در شرايط ناپايدار (سال‌های آبي 1390-1388) ............................................................... 105
شکل 5-10- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره یک در طول دوره واسنجي شرايط ناپايدار (سال‌های آبي 1390-1388) ................. 106
شکل 5-11- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره دو در طول دوره واسنجي شرايط ناپايدار (سال‌های آبي 1390-1388) ................... 106
شکل 5-12- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره سه در طول دوره واسنجي شرايط ناپايدار (سال‌های آبي 1390-1388) ................. 107
شکل 5-13- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره چهار در طول دوره واسنجي شرايط ناپايدار (سال‌های آبي 1390-1388) .............. 107
شکل 5-14- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر هدایت هیدرولیکی ........................ 110
شکل 5-15- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر آبدهی ویژه .................................... 111
شکل 5-16- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر تغذیه سطحی ................................. 112
شکل 5-17- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره یک در طول دوره صحت سنجی (سال آبي 1391-1390) ........................................ 113
شکل 5-18- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره دو در طول دوره صحت سنجی (سال آبي 1391-1390) ........................................... 113
شکل 5-19- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره سه در طول دوره صحت سنجی (سال آبي 1391-1390) .......................................... 114
شکل 5-20- مقادير محاسباتي در مقابل مقادير مشاهداتي بار هيدروليکي در چاه مشاهده‌اي شماره چهار در طول دوره صحت سنجی (سال آبي 1391-1390) ........................................ 114
شکل 5-21- محدوده گیرش چاه‌های با اهمیت منطقه مورد مطالعه پس از گذشت بیست سال ....................................................................................................................................................................116
شکل 5-22- ناحیه گیرش چاه آب شرب شهر ایج پس از گذشت ده سال ............................ 117
شکل 5-23- ناحیه گیرش دو چاه نمونه در دشت ایج ............................................................... 118
شکل 5-24- مکان‌یابی حرکت ذرات شیرابه در آب زیرزمینی ناشی از وجود لندفیل ......... 119
شکل 5-25- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از یک سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار) .................................................................................................................................................... 121
شکل 5-26- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از پنج سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار) .................................................................................................................................................... 122
شکل 5-27- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از پانزده سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار) ................................................................................................................................................... 122
شکل 5-28- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از بیست و هشت سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار) ............................................................................................................................ 123
شکل 5-29- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از یک سال، مکانيسم انتقال جرم پخش، انتشار و تأخیر) ..................................................................................................................................... 123
شکل ‏05-30- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از پنج سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) ..................................................................................................................................... 124
شکل 5-31- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از پانزده سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) ..................................................................................................................................... 124
شکل 5-32- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ زیاد (مدت زمان: پس از بیست و هشت سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) .............................................................................................................. 125
شکل 5-33- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از یک سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش و انتشار) ..................................................................................................................................................... 125
شکل 5-34- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از پنج سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش و انتشار) ..................................................................................................................................................... 126
شکل 5-35- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از پانزده سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش و انتشار) ................................................................................................................................................. 126
شکل 5-36- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از بیست و هشت سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش و انتشار) ........................................................................................................................... 127
شکل 5-37- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از یک سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) .................................................................................................................................... 127
شکل 5-38- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از پنج سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) ...................................................................................................................................... 128
شکل 5-39- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از پانزده سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) ..................................................................................................................................... 128
شکل 5-40- چگونگي توزيع ابر آلودگي ناشي از شيرابه آلاينده محل دفن زباله فرضي در آب زيرزميني در شرایط نرخ نفوذ کم (مدت زمان: پس از بیست و هشت سال، مکانيسم انتقال جرم: پخش، انتشار و تأخیر) .............................................................................................................. 129
شکل 5-41- توزیع ابر آلودگی پس از گذشت بیست و هشت سال در شرایط نرخ نفوذ زیاد و مکانیسم انتقال پخش و انتشار به همراه موقعیت چاه شماره شش ........................................... 130
شکل شماره 5-42- موقعیت سلول‌های دلخواه مورد نظر جهت بررسی جزئی تر نتایج تغییر غلظت شیرابه در طول زمان ............................................................................................................... 131
شکل 5-43- نمودار غلظت-زمان سلول شماره یک در شرایط نفوذ بالا، غلظت اولیه آلودگی 20000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 132
شکل 5-44- نمودار غلظت-زمان سلول شماره دو در شرایط نفوذ بالا، غلظت اولیه آلودگی 20000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 133
شکل 5-45- نمودار غلظت-زمان سلول شماره یک در شرایط نفوذ کم، غلظت اولیه آلودگی 20000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 134
شکل 5-46- نمودار غلظت-زمان سلول شماره دو در شرایط نفوذ کم، غلظت اولیه آلودگی 20000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 134
شکل 5-47- نمودار غلظت-زمان سلول شماره یک در شرایط نفوذ بالا، غلظت اولیه آلودگی 30000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 135
شکل 5-48- نمودار غلظت-زمان سلول شماره دو در شرایط نفوذ بالا، غلظت اولیه آلودگی 30000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 136
شکل 5-49- نمودار غلظت-زمان سلول شماره یک در شرایط نفوذ کم، غلظت اولیه آلودگی 30000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ............................................................................ 136
شکل 5-50- نمودار غلظت-زمان سلول شماره دو در شرایط نفوذ کم، غلظت اولیه آلودگی 30000ppm و دو نوع مکانیسم انتقال آلودگی ........................................................................... 137