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 GMSاین 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