مدل ریاضی آبخوان دشت سیرجان با استفاده از نرم‌افزارGMS7.1

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                  صفحه  ___________________________________________________________

فصل اول:کلیات………………………………………………………………………………………………………….1

1-1-  مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………..2

1-2- بیان مسئله………………………………………………………………………………………………………………3

1-3-  اهداف…………………………………………………………………………………………………………………5

1-4- سابقه تحقیق…………………………………………………………………………………………………………..5

فصل دوم:تئوری و روش‌های مدل‌سازی…………………………………………………………………..8

2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………….9

2-2- تعریف مدل……………………………………………………………………………………………………………9

2-2-1- مدل‌های آب زیرزمینی………………………………………………………………………………………….9

2-2-2- انواع مدل‌های آب زیرزمینی………………………………………………………………………………..10

 2-2-2-1-مدل‌های فیزیکی……………………………………………………………………………………………10

 2-2-2-2- مدل‌های ریاضی …………………………………………………………………………………………..10

2-2-2-2-1- مدل‌های تحلیلی…………………………………………………………………………………………11

2-2-2-2-2- مدل‌های عددی…………………………………………………………………………………………11 2-2-3- مدل‌های مورد استفاده در آب‌های زیرزمینی…………………………………………………………..15

2-2-3-1- مدلASM…………………………………………………………………………………………………………………….15

2-2-3-2-مدل AQUA…………………………………………………………………………………………………15

2-2-3-3- مدلEWASTEL   و FEMWATER………………………………………………………………………….15

2-2-3-4-مدل HST3D……………………………………………………………………………………………………………….15

2-2-3-5- مدل MODFLOW ……………………………………………………………………………………………………..15

عنوان                                                                                                        صفحه  ___________________________________________________________

2-2-3-6- مدل MT3D………………………………………………………………………………………………………………..15

2-2-3-7- مدل USGS 2D FLOW – USGS 3D FLOW……………………………………………………….16

2-3- تئوری آب‌های زیرزمینی………………………………………………………………………………………..16

2-3-1- لایه آبدار ………………………………………………………………………………………………………..16

2-3-1-1- لایه‌ی آبدار آزاد…………………………………………………………………………………………..16

2-3-1-2- لایه‌ی آبدار محصور………………………………………………………………………………………18

2-3-1-3- لایه‌ی آبدار نشتی ………………………………………………………………………………………….19

2-4- پروتکل یا روند ساخت و توسعه مدل………………………………………………………………………..19

2-4-1- تعیین هدف مدل‌سازی……………………………………………………………………………………….22

2-4-2- ایجاد مدل مفهومی…………………………………………………………………………………………….22

2-4-3- انتخاب معادلات حاکم و کد رایانه‌ای……………………………………………………………………26

2-4-4- انتخاب کد رایانه‌ای……………………………………………………………………………………………26

2-4-5- شبکه‌بندی مدل…………………………………………………………………………………………………28

2-4-6 – طراحی و اجرای برنامه ……………………………………………………………………………………..29

2-4-7- واسنجی…………………………………………………………………………………………………………..29

2-4-8- صحت‌سنجی……………………………………………………………………………………………………32

2-4-9- تحلیل حساسیت………………………………………………………………………………………………..32

2-4-10- پیش‌بینی………………………………………………………………………………………………………..32

2-4-11- ارائه نتایج………………………………………………………………………………………………………33

2-4-12- بازنگری مجدد……………………………………………………………………………………………….33

2-4-13- طراحی مجدد مدل ………………………………………………………………………………………….33

عنوان                                                                                                                                     صفحه ___________________________________________________________

2-5- معرفی نرم‌افزار GMS…………………………………………………………………………………………………………….33

فصل سوم : مشخصات منطقه مورد مطالعه …………………………………………………………………36

3-1- موقعيت و مشخصات جغرافيايي محدوده مطالعاتي سيرجان……………………………………………37

3-2- آ ب و هواشناسي…………………………………………………………………………………………………..40

3-2-1- بارندگی…………………………………………………………………………………………………………..40

3-2-2- تبخیر……………………………………………………………………………………………………………….41

3-2-3- دما………………………………………………………………………………………………………………….41

3-2-4- جريان هاي سطحي ورودي …………………………………………………………………………………42

3-3- زمین‌شناسی…………………………………………………………………………………………………………..43

3-3-1- ریخت‌شناسی…………………………………………………………………………………………………….43

3-3-2- زمين شناسي ساختماني………………………………………………………………………………………..43

3-3-3- زون سنندج ـ سيرجان………………………………………………………………………………………….44

3-4- هیدروژئولوژی………………………………………………………………………………………………………46

3-4-1- حفاری اکتشافی…………………………………………………………………………………………………46

3-4-2- شکل و جنس سنگ بستر…………………………………………………………………………………….47

3-4-3- ژئوفيزيك………………………………………………………………………………………………………..48

3-4-3-1- حدود مقياس مقاومت مخصوص ها ………………………………………………………………….49

3-4-3-5- بررسي مقاطع ژئوفيزيك………………………………………………………………………………….53

3-5- وضعيت هيدروليكي آبخوان آبرفتي…………………………………………………………………………..55

3-5-1-سطح برخورد به آب زيرزميني………………………………………………………………………………55

3-5-2- تراز آب زيرزميني آبخوان…………………………………………………………………………………..56

3-6- ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان………………………………………………………………………………..58

3-6-1- ضريب قابليت انتقال…………………………………………………………………………………………….58

عنوان                                                                                                                                     صفحه  ___________________________________________________________

3-6-2- ضريب ذخيره…………………………………………………………………………………………………..60

 3-7- نوسانات سطح آب زيرزميني………………………………………………………………………………….60

3-8- وضعیت بهره‌برداری منابع آب زیرزمینی…………………………………………………………………….62

 3-9- بیلان آب‌زیرزمینی………………………………………………………………………………………………..65

3-9-1- معادله بیلان ……………………………………………………………………………………………………..65

 3-9-1-1- تغذيه آبخوان در محدوده بيلان……………………………………………………………………….65

3-9- 1-1-1- تغذيه از جريانهاي ورودي ………………………………………………………………………….65

3-9-1-1-2- تغذيه از نفوذ مستقيم ريزشهاي جوي …………………………………………………………….66

3-9-1-1-3- تغذيه از آب برگشتي چاههاي كشاورزي……………………………………………………….66

3-9-1-1-4- تغذيه از آب برگشتي چاههاي آشاميدني………………………………………………………..66

3-9-1-1-5- تغذيه از آب برگشتي چاههاي صنعت…………………………………………………………….66

3-9-1-2- تخليه آبخوان در محدوده بيلان…………………………………………………………………………66

3-9-1-2-1- جريانهاي خروجي آب زيرزميني…………………………………………………………………..66

3-9-1-2-2- تخليه چاههاي كشاورزي……………………………………………………………………………..67

3-9-1-2-3-تخليه چاههاي آشاميدني………………………………………………………………………………67

3-9-1-2-4- تخليه چاههاي صنعت………………………………………………………………………………….67

3-9-2- تغييرات حجم مخزن ………………………………………………………………………………………….68

3-10- بازسازی داده‌ها……………………………………………………………………………………………………68

فصل چهارم: ساخت مدل آبخوان و نتایج…………………………………………………………………71

4-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………….72

4-2- طبقه بندی مطالعات………………………………………………………………………………………………..72

4-2-1- مطعالعات کتابخانه‌ای………………………………………………………………………………………….72

4-2-2- مطالعات میدانی…………………………………………………………………………………………………72

4-3- تهیه مدل مفهومی آبخوان دشت سیرجان……………………………………………………………………72

عنوان                                                                                                                                     صفحه  ___________________________________________________________

4-3-1- شکل هندسی آبخوان………………………………………………………………………………………….73

4-3-1-1 توپوگرافی سطح آبخوان……………………………………………………………………………………73

4-3-1-2- تراز سنگ کف آبخوان…………………………………………………………………………………..73

4-3-2- شرایط مرزی…………………………………………………………………………………………………….75

4-4- تبین مدل ریاضی……………………………………………………………………………………………………76

4-4-1- انتخاب کد رایانه‌ای …………………………………………………………………………………………..76

4-4-2- طراحی و تهیه مدل عددی……………………………………………………………………………………76

4-4-2-1- شبکه‌بندی مدل……………………………………………………………………………………………..76

4-4-2-2 – انتخاب دوره‌های تنش و گام‌های زمانی…………………………………………………………….77

4-4-2-3- لایه‌های اطلاعاتی مدل و وارد نمودن داده‌ها……………………………………………………….77

4-4-2-3-1- لایه اطلاعاتی محدوده مطالعاتی……………………………………………………………………77

4-4-2-3-2- لایه اطلاعاتی چاه………………………………………………………………………………………78

4-4-2-3-3- لایه اطلاعاتی قنات…………………………………………………………………………………….78

4-4-2-3-4- لایه اطلاعاتی تغذیه از طریق بارندگی…………………………………………………………….78

4-4-2-3-5- لایه اطلاعاتی چاه‌های پیزومتری……………………………………………………………………79

4-4-2-3-6- لایه اطلاعاتی هدایت هیدرولیکی………………………………………………………………….79

4-4-2-3-7- لایه اطلاعاتی آبدهی ویژه……………………………………………………………………………79

4-4-2-3-8- لایه اطلاعاتی شرایط اولیه……………………………………………………………………………79

4-5- انتخاب بسته محاسباتی…………………………………………………………………………………………….81

4-6 – اجرای مدل در حالت پایدار……………………………………………………………………………………81

4-7- واسنجی مدل………………………………………………………………………………………………………..81

4-7-1- واسنجی در حالت پایدار……………………………………………………………………………………..82

4-7-2-واسنجی در حالت ناپایدار…………………………………………………………………………………….85

4-8-آنالیز حساسیت مدل………………………………………………………………………………………………..86

عنوان                                                                                                                                     صفحه ___________________________________________________________

4-9-صحت‌سنجی………………………………………………………………………………………………………..90

4-10- پیش‌بینی……………………………………………………………………………………………………………92

4-11- مدیریت آبخوان………………………………………………………………………………………………….95

فصل پنجم: بررسی و تحلیل یافته‌ها………………………………………………………………………….99

5-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………..100

5-2- بحث در مؤلفه‌های فرایند مدل‌سازی……………………………………………………………………….100

5-3- بحث پیرامون سیستم جریان آب زیرزمینی……………………………………………………………….103

5-4- بحث پیرامون مدل شبیه‎‌ساز……………………………………………………………………………………103

5-4- 1- بحث پیرامون شبکه‌بندی مدل……………………………………………………………………………103

5-4-2- بحث و تحلیل پیرامون فرایند واسنجی………………………………………………………………….105

5-4-2-1- واسنجی در حالت پایدار……………………………………………………………………………….105

5-4-2-2- واسنجی در حالت ناپایدار……………………………………………………………………………..106

5-4-3- بحث پیرامون حساسیت‌سنجی……………………………………………………………………………108

5-4-4- بحث پیرامون صحت‌سنجی……………………………………………………………………………….108

5-4-5- بحث پیرامون نتایج حاصل از پیش‌بینی………………………………………………………………..109

5-4-6- بحث پیرامون مدل مدیریتی آبخوان……………………………………………………………………109

فصل ششم: نتایج و پیشنهادات ………………………………………………………………………………..110

6-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………111

6-2- نتایج اصلی………………………………………………………………………………………………………..111

6-3- نتایج فرعی………………………………………………………………………………………………………..111

6-3-1- نتایج حاصل از شبیه‌سازی…………………………………………………………………………………111

6-4- پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………112

منابع…………………………………………………………………………………………………………………………114

ضمیمه………………………………………………………………………………………………………………………118

فهرست جداول                                                                                                                      صفحه  _________________________________________________________

جدول2-1- اطلاعات مورد نیاز برای ساخت مدل مفهومی …………………………………………………….23

جدول3-1- آمار تبخیر سالانه ایستگاههای تبخیرسنجی سیرجان……………………………………………..41

جدول3-2- آمار بارندگی سالانه ایستگاههای باران سنجی سیرجان…………………………………………42

جدول3-3- میزان متوسط آورد رودخانه‌های سیرجان…………………………………………………………..43

جدول3-4- نتایج حفاری اکتشافی چاههای دشت سیرجان…………………………………………………….46

جدول3-5- مقياس مقاومت ويژه لايه هاي آبرفتي دشت سيرجان……………………………………………49

جدول3-6- تعداد چاههای نیمه‌عمیق محدوده مطالعاتی…………………………………………………………64

جدول3-7- تعداد چاههای عمیق محدوده مطالعاتی………………………………………………………………65

جدول4-1- مقادیر آبدهی ویژه در مواد مختلف…………………………………………………………………..80

جدول4-2- مقدار آنالیز باقی­مانده­ها در پیزومترها پس از واسنجی در حالت پایدار………………………85

جدول4-3- مقادیر هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه در پیزومترها در دوره واسنجی………………….88

جدول4-4-  نتایج حاصل از حساسیت­سنجی پارامترهای مختلف در حالت پایدار و ناپایدار………….88

جدول5-1- میزان تغییرات خطای مدل با تغییر اندازه سلول­های شبکه……………………………………..104

جدول5-2- نتایج حاصل از رگرسیون خطی سطح آب مشاهداتی و محاسباتی طی دوره ناپایدار…107

فهرست شکل                                                                                                                         صفحه ___________________________________________________________

شکل2-1-  نحوه شبکه­بندی تفاضل محدود با هسته مرکزی…………………………………………………..13

شکل2-2-  نحوه شبکه­بندی تفاضل محدود با شبکه متقاطع……………………………………………………13

شکل2-3- نحوه شبکه­بندی اجزاء محدود…………………………………………………………………………..14

شکل 2-4- مقاطع عمودی از لایه آبدار آزاد و محصور………………………………………………………20

شکل 2-4- مقاطع عمودی از لایه آبدار آزاد و محصور………………………………………………………20

شکل2-6 – پروتکل مدل­سازی…………………………………………………………………………………………21 شکل2-7- هدف واسنجی……………………………………………………………………………………………….35 شکل3-1- موقعیت محدوده مطالعاتی سیرجان در حوضه آبریز درجه یک کشور………………………38 شکل3-2- محدوده مورد مطالعه دشت سیرجان…………………………………………………………………..39 شکل3-3 نقشه تراز سنگ کف دشت سیرجان…………………………………………………………………….47 شکل3-4- موقعیت سونداژهای منطقه مورد مطالعه……………………………………………………………….48 شکل3-5- عمق آب زیرزمینی در شهریور 1389………………………………………………………………….55 شکل3-6 –تراز آب زیرزمینی دشت سیرجان در شهریور 1389 ……………………………………………..57 شکل3-7- نقشه قابلیت انتقال دشت سیرجان……………………………………………………………………….59 شکل3-8 : هیدروگراف واحد دشت سیرجان از مهر 77 تا مهر92……………………………………………62 شکل 3-9 -بهره برداری از چاههای دشت سیرجان در سالهای مختلف……………………………………..63 شکل 3-10- تعداد قنات‌های دشت سیرجان در سالهای مختلف………………………………………………64 شکل3-11- تخلیه قنات‌های دشت سیرجان در سالهای آماربرداری………………………………………….65 شکل3-12- هیدروگراف پیزومتر هاشم‌آباد سرهنگ وحید قبل از بازسازی………………………………69 شکل3-13- رگرسیون بین پیزومتر هاشم‌آباد سرهنگ وحید با ده‌بیابانی……………………………………70

فهرست  شکل                                                                                                                        صفحه _________________________________________________________

شکل3-14- هیدروگراف پیزومتر هاشم‌آباد سرهنگ وحید بعد از بازسازی………………………………70 شکل4-1- توپوگرافی محدوده مدل‌سازی………………………………………………………………………….74 شکل4-2- توپوگرافی سنگ بستر آبخوان محدوده مدل‌سازی……………………………………………….74 شکل4-3- شرایط مرزی در آبخوان مورد مطالعه…………………………………………………………………75

شکل4-4-  شبکه­بندی مدل……………………………………………………………………………………………..77 شکل 4-5- موقعیت چاه‌های بهره‌برداری و مشاهداتی مورد استفاده در مدل………………………………80  شکل4-6- نتیجه اولین اجرای مدل در حالت پایدار………………………………………………………………81 شکل4-7- پیزومترهای موجود در منطقه مدل­سازی پس از واسنجی حالت پایدار……………………….83 شکل4-8- مقایسه­ی نموداری مقادیر محاسباتی و مشاهداتی در پایان واسنجی…………………………..84 شکل4-9- مقادیر بهینه‌ی هدایت هیدرولیکی طی واسنجی حالت پایدار…………………………………..84 شکل 4-10- مقایسه هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی فرایند در واسنجی……………………………..87 شکل 4-11- مقایسه هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی فرایند در واسنجی……………………………..87  شکل4-12-  نتایج حساسیت در حالت پایدار………………………………………………………………………89 شکل4-13- نتایج حساسیت در حالت ناپایدار……………………………………………………………………..89 شکل4-14- مقایسه هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی در فرایند صحت‌سنجی………………………..90 شکل4-15- مقایسه هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی در فرایند صحت‌سنجی………………………..90  شکل4-16- مقایسه هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی در فرایند صحت‌سنجی………………………..90 شکل4-17-   خطوط ترازآب زیرزمینی آبخوان در ابتدای دوره پیش­بینی مهر ماه 91…………………92 شکل4-18- خطوط تراز آب زیرزمینی آبخوان در انتهای دوره پیش­بینی مهر ماه95……………………93 شکل 4-19- نمودار افت در دوره 4 ساله پیش بینی در پیزومتر27……………………………………………94

فهرست شکل                                                                                                                         صفحه ___________________________________________________________

شکل 4-20- نمودار افت در دوره 4 ساله پیش بینی در پیزومتر20……………………………………………94 شکل 4-21- خطوط ترازآب زیرزمینی آبخوان پس از 5 درصد کاهش پمپاژ…………………………..96

شکل 4-22- خطوط ترازآب زیرزمینی آبخوان پس از 10 درصد کاهش پمپاژ………………………….96

شکل 4-23- خطوط ترازآب زیرزمینی آبخوان پس از 20 درصد کاهش پمپاژ………………………….97

شکل 4-24- خطوط ترازآب زیرزمینی آبخوان پس از 30 درصد کاهش پمپاژ………………………….97 شکل 4-25- خطوط ترازآب زیرزمینی آبخوان پس از خاموشی …………………………………………….98  شکل4-26- تغییرات سطح آب زیرزمینی در سناریوهای تعریف شده در منطقه………………………….98

 شکل5-1- تغییرات ریشه میانگین مربعات خطای مدل با تغییر اندازه سلول­های شبکه………………..104

 شکل5-2- رگرسیون خطی سطح آب مشاهداتی و محاسباتی در پیزومترها در دوره پایدار………..106