برآورد مؤلفه نفوذ و تجزیه و تحلیل حساسیت مؤلفه های بیلان آب زیرزمینی به تغییرات آب و هوایی با استفاده از مدلهای MODFLOW و SAC-SMA
| دسته | آب شناسی |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | سومین همایش سالانه انجمن زمین شناسی ایران |
| نویسنده | حمیدرضا ناصری |
| تاريخ برگزاری | ۱۱ شهریور ۱۳۸۴ |
متن اصلی:
هدف اصلی این تحقیق، تخمین مقدار تغذیه آبخوان (Aquifer Recharge) از مؤلفه نفوذ عمقی (Percolation) مدل هیدرولوژیکی (SACramento Soil Moisture Accounting) SAC-SMA میباشد. همچنین ارزیابی حساسیت مقدار تغذیه آبخوان و مؤلفههای بیلان آب زیرزمینی به تغییرات آب و هوایی از دیگر اهداف این تحقیق میباشد. به منظور رسیدن به اهداف مورد نظر، نتایج خروجی از مدل SAC-SMA به صورت دادههای ورودی به مدل MODFLOW وارد شده و نهایتاً تأثیر تغییرات اقلیمی بر روی بیلان آب زیرزمینی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
تهیه مدل حوضه مورد مطالعه و شبیهسازی مؤلفه های فوق الذکر طی روشی که شامل پنج مرحله میباشد به شرح زیر انجام شده است:
1ـ ساخت مدل تصوری (Establishment of a conceptual model): ساخت مدل تصوری حوضه از دو دیدگاه مختلف تهیه شده است: الف) مدل تصوری هیدرولوژیکی حوضه که شرح چگونگی تهیه مدل مذکور خارج از بحث این مقاله میباشد. ب) مدل تصوری هیدروژئولوژیکی حوضه: این مدل شامل بیان تصوری هیدروژئولوژی، حرکت آب در خاک، ارتباط هیدرولیکی رودخانه با لایه آبدار و شرایط اقلیمی حوضه میباشد. حوضه مورد مطالعه از هشت لایه زمین شناسی با خصوصیات هیدروژئولوژیکی نسبتاً متفاوت شکل گرفته است. در مدل تصوری هیدروژئولوژیکی حوضه، چهار لایه بالایی در نظر گرفته نشده است چون نقش مهمی در ذخیره نمودن آبهای زیرزمینی نداشتهاند. فقط چهار لایه زیرین به صورت دو لایه آبدار محبوس بالایی و پایینی در نظر گرفته شدهاند. دو لایه تحتانی که خصوصیات کاملاً مشابهی داشتهاند به صورت یک لایه محبوس (Aquifer A1+T)، لایه بالایی نیز به عنوان لایه محبوس بالایی (Aquifer A2) و لایه میانی نیز به صورت لایه مقاوم (Resistance) در مدل تصوری در نظر گرفته شده است.
2ـ انتخاب مدلها (Selection of models): برای انجام این تحقیق، مدلهای SAC-SMA و MODFLOW انتخاب شدهاند.مدل SAC-SMA به وسیله Burnash, (1973) تهیه شده است. شرح کاملتری از ساختمان مدل مذکور به وسیله Nassery, (1997) ارائه شده است. مدل MODFLOW که قادر است جریان سه بعدی حرکت آب در منطقه اشباع را شبیه سازی نماید، به وسیله McDonald & Harbauch, (1988) تهیه و توسعه یافته است.
3ـ ساخت مدلهای (Models construction): به منظور توسعه یک مدل هیدرولوژیکی و به کارگیری مدل SAC-SMA حوضه مورد مطالعه به چهارده زیر حوضه تقسیم شده است که این تقسیمبندی براساس داده های قابل دسترس و همگنی مکانی (Spatil homogeneity) خصوصیات هیدرولوژیکی حوضه صورت گرفته است (Nassery, 1997). اما در این تحقیق به منظور تخمین سادهتر نرخ نفوذ (Percolation rate) و تبخیر و تعرق در نقاط مختلف حوضه با استفاده از نتایج مدل SAC-SMA حوضه به هشت منطقه (Zone) تقسیم شده است. (جدول1). سپس نرخ نفوذ حاصل از نتایج مدل SAC-SMA در هر منطقه به صورت داده ورودی تغذیه (Aquifer Recharge) به مدل MODFLOW وارد شده است. برای توسعه یک مدل عمودی آبهای زیرزمینی، دولایه آبدار محبوس در حوضه در نظر گرفته شده و برای هر لایه آبدار، شبکهبندی افقی مشابهی به صورت مربعی انجام شده است. هر شبکه شامل 84 ستون، 178 ردیف و مجموعاً 14952 سلول بوده و ابعاد هر سلول نیز m 140 * m 140 در نظر گرفته شده است. مقادیر پارامترهایی که برای هر سلول مشخصص شدهاند عبارتند از ارتفاع مرز بالایی و پایینی لایه آبدار، هدایت هیدرولیکی، ضریب ذخیره، نرخ تغذیه و بار پیزومتری اولیه.
4ـ واسنجی مدلها (Models Calibration): واسنجی مدل SAC-SMA به صورت بهینه یابی مقادیر پارامترهای مدل واز طریق سعی و خطا و در نظر گرفتن اندیسهای آماری صورت گرفته است (Nassery, 1997). واسنجی مدل MODFLOW نیز براساس تجزیه و تحلیل و شبیهسازی بار پیزومتری صورت گرفته است. برای واسنجی مدل MODFLOW برای شرایط ناپایدار (Transient condition) توجه ویژه به پارامترهای تغذیه (Recharge) و ضریب ذخیره (Storativities) لایههای آبدار صورت گرفته است تا بهترین تطابق بین بار هیدرولیکی مشاهده شده و شبیه سازی شده و همچنین حداقل اختلاف (Descrepancy) در هر دوره تنش (Stress Period) حاصل شود.
سه دوره تنش برای شرایط ناپایداری در واسنجی مدل در نظر گرفته شده است. دوره تنش اول (Stress Period 1) شامل ماههای نوامبر، دسامبر، ژانویه و فوریه دوره تنش دوم شامل ماههای مارس، آوریل، می و ژوئن و دوره تنش سوم شامل ماههای ژولای، آگوست، سپتامبر و اکتبر سال 89-1988 بوده است.
یکی از نتایج خروجی مدل SAC-SMA، مقدار نفوذ عمقی (Percolation) در هر زیر حوضه میباشد با توجه به نتایج مذکور مقدار نفوذ عمقی در هر دوره تنش برای هر منطقه (Zone) محاسبه شده و به عنوان مقدار تغذیه لایه آبدار به مدل MODFLOW وارد شده است. سپس مقدار ذخیره ویژه (Specific Storage) واسنجی شده و پس از آن تمام پارامترهای مدل برای شرایط ناپایدار واسنجی شدهاند.
5ـ شبیه سازی تأثیر تغییرات اقلیمی (Simulation of impacts of climatic changes): بر طبق نتایج مدلهای GCMs (Global Circulation Models) که اقلیم زمین را شبیهسازی میکنند، درجه حرارت زمین تا سال 2100 میلادی تا حدود Cْ5/3-1 افزایش خواهد یافت. اثرات اصلی این تغییرات آب و هوایی بر روی چرخه هیدرولوژیکی به صورت تغییرات در ذخیره آب در زون خاک، آبخوانها، دریاچه ها و همچنین تغییر در مقدار و توزیع زمانی رواناب رودخانه ها میباشد. در این تحقیق، حساسیت مقدار تغذیه آبخوان (Aquifer Recharge)، و بیلان آب زیرزمینی به تغییرات آب و هوایی تجزیه و تحلیل شده است. تغییرات اقلیم به صورت مجموعهای از سناریوهای مختلف افزایش درجه حرارت هوا همراه با تغییر میزان تبخیر و تعرق و تغییر میزان بارش در نظر گرفته شده است (جدول 1). این تغییرات در داده های ورودی به مدل SAC-SMA داده شده و پس از اجرای مدل، نتایج حاصله به مدل MODFLOW منتقل شده است.
هدف اصلی این تحقیق، تخمین مقدار تغذیه آبخوان (Aquifer Recharge) از مؤلفه نفوذ عمقی (Percolation) مدل هیدرولوژیکی (SACramento Soil Moisture Accounting) SAC-SMA میباشد. همچنین ارزیابی حساسیت مقدار تغذیه آبخوان و مؤلفههای بیلان آب زیرزمینی به تغییرات آب و هوایی از دیگر اهداف این تحقیق میباشد. به منظور رسیدن به اهداف مورد نظر، نتایج خروجی از مدل SAC-SMA به صورت دادههای ورودی به مدل MODFLOW وارد شده و نهایتاً تأثیر تغییرات اقلیمی بر روی بیلان آب زیرزمینی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
تهیه مدل حوضه مورد مطالعه و شبیهسازی مؤلفه های فوق الذکر طی روشی که شامل پنج مرحله میباشد به شرح زیر انجام شده است:
1ـ ساخت مدل تصوری (Establishment of a conceptual model): ساخت مدل تصوری حوضه از دو دیدگاه مختلف تهیه شده است: الف) مدل تصوری هیدرولوژیکی حوضه که شرح چگونگی تهیه مدل مذکور خارج از بحث این مقاله میباشد. ب) مدل تصوری هیدروژئولوژیکی حوضه: این مدل شامل بیان تصوری هیدروژئولوژی، حرکت آب در خاک، ارتباط هیدرولیکی رودخانه با لایه آبدار و شرایط اقلیمی حوضه میباشد. حوضه مورد مطالعه از هشت لایه زمین شناسی با خصوصیات هیدروژئولوژیکی نسبتاً متفاوت شکل گرفته است. در مدل تصوری هیدروژئولوژیکی حوضه، چهار لایه بالایی در نظر گرفته نشده است چون نقش مهمی در ذخیره نمودن آبهای زیرزمینی نداشتهاند. فقط چهار لایه زیرین به صورت دو لایه آبدار محبوس بالایی و پایینی در نظر گرفته شدهاند. دو لایه تحتانی که خصوصیات کاملاً مشابهی داشتهاند به صورت یک لایه محبوس (Aquifer A1+T)، لایه بالایی نیز به عنوان لایه محبوس بالایی (Aquifer A2) و لایه میانی نیز به صورت لایه مقاوم (Resistance) در مدل تصوری در نظر گرفته شده است.
2ـ انتخاب مدلها (Selection of models): برای انجام این تحقیق، مدلهای SAC-SMA و MODFLOW انتخاب شدهاند.مدل SAC-SMA به وسیله Burnash, (1973) تهیه شده است. شرح کاملتری از ساختمان مدل مذکور به وسیله Nassery, (1997) ارائه شده است. مدل MODFLOW که قادر است جریان سه بعدی حرکت آب در منطقه اشباع را شبیه سازی نماید، به وسیله McDonald & Harbauch, (1988) تهیه و توسعه یافته است.
3ـ ساخت مدلهای (Models construction): به منظور توسعه یک مدل هیدرولوژیکی و به کارگیری مدل SAC-SMA حوضه مورد مطالعه به چهارده زیر حوضه تقسیم شده است که این تقسیمبندی براساس داده های قابل دسترس و همگنی مکانی (Spatil homogeneity) خصوصیات هیدرولوژیکی حوضه صورت گرفته است (Nassery, 1997). اما در این تحقیق به منظور تخمین سادهتر نرخ نفوذ (Percolation rate) و تبخیر و تعرق در نقاط مختلف حوضه با استفاده از نتایج مدل SAC-SMA حوضه به هشت منطقه (Zone) تقسیم شده است. (جدول1). سپس نرخ نفوذ حاصل از نتایج مدل SAC-SMA در هر منطقه به صورت داده ورودی تغذیه (Aquifer Recharge) به مدل MODFLOW وارد شده است. برای توسعه یک مدل عمودی آبهای زیرزمینی، دولایه آبدار محبوس در حوضه در نظر گرفته شده و برای هر لایه آبدار، شبکهبندی افقی مشابهی به صورت مربعی انجام شده است. هر شبکه شامل 84 ستون، 178 ردیف و مجموعاً 14952 سلول بوده و ابعاد هر سلول نیز m 140 * m 140 در نظر گرفته شده است. مقادیر پارامترهایی که برای هر سلول مشخصص شدهاند عبارتند از ارتفاع مرز بالایی و پایینی لایه آبدار، هدایت هیدرولیکی، ضریب ذخیره، نرخ تغذیه و بار پیزومتری اولیه.
4ـ واسنجی مدلها (Models Calibration): واسنجی مدل SAC-SMA به صورت بهینه یابی مقادیر پارامترهای مدل واز طریق سعی و خطا و در نظر گرفتن اندیسهای آماری صورت گرفته است (Nassery, 1997). واسنجی مدل MODFLOW نیز براساس تجزیه و تحلیل و شبیهسازی بار پیزومتری صورت گرفته است. برای واسنجی مدل MODFLOW برای شرایط ناپایدار (Transient condition) توجه ویژه به پارامترهای تغذیه (Recharge) و ضریب ذخیره (Storativities) لایههای آبدار صورت گرفته است تا بهترین تطابق بین بار هیدرولیکی مشاهده شده و شبیه سازی شده و همچنین حداقل اختلاف (Descrepancy) در هر دوره تنش (Stress Period) حاصل شود.
سه دوره تنش برای شرایط ناپایداری در واسنجی مدل در نظر گرفته شده است. دوره تنش اول (Stress Period 1) شامل ماههای نوامبر، دسامبر، ژانویه و فوریه دوره تنش دوم شامل ماههای مارس، آوریل، می و ژوئن و دوره تنش سوم شامل ماههای ژولای، آگوست، سپتامبر و اکتبر سال 89-1988 بوده است.
یکی از نتایج خروجی مدل SAC-SMA، مقدار نفوذ عمقی (Percolation) در هر زیر حوضه میباشد با توجه به نتایج مذکور مقدار نفوذ عمقی در هر دوره تنش برای هر منطقه (Zone) محاسبه شده و به عنوان مقدار تغذیه لایه آبدار به مدل MODFLOW وارد شده است. سپس مقدار ذخیره ویژه (Specific Storage) واسنجی شده و پس از آن تمام پارامترهای مدل برای شرایط ناپایدار واسنجی شدهاند.
5ـ شبیه سازی تأثیر تغییرات اقلیمی (Simulation of impacts of climatic changes): بر طبق نتایج مدلهای GCMs (Global Circulation Models) که اقلیم زمین را شبیهسازی میکنند، درجه حرارت زمین تا سال 2100 میلادی تا حدود Cْ5/3-1 افزایش خواهد یافت. اثرات اصلی این تغییرات آب و هوایی بر روی چرخه هیدرولوژیکی به صورت تغییرات در ذخیره آب در زون خاک، آبخوانها، دریاچه ها و همچنین تغییر در مقدار و توزیع زمانی رواناب رودخانه ها میباشد. در این تحقیق، حساسیت مقدار تغذیه آبخوان (Aquifer Recharge)، و بیلان آب زیرزمینی به تغییرات آب و هوایی تجزیه و تحلیل شده است. تغییرات اقلیم به صورت مجموعهای از سناریوهای مختلف افزایش درجه حرارت هوا همراه با تغییر میزان تبخیر و تعرق و تغییر میزان بارش در نظر گرفته شده است (جدول 1). این تغییرات در داده های ورودی به مدل SAC-SMA داده شده و پس از اجرای مدل، نتایج حاصله به مدل MODFLOW منتقل شده است.