توضیحات

پروژه شبیه سازی تغذیه مصنوعی یک آبخوان غیرمحصور یا آزاد در نرم افزار کامسول

 

دانلود مقاله مرجع

باتوجه به مسئله گرم شدن کره ی زمین امروزه بشر مستلزم است برای پر نمودن مجدد منابع آب زیرزمینی که دائما در حال تخلیه هستند، دست به جبران این تخلیه با استفاده از روش های جدید تغذیه مجدد مصنوعی بزند. این مسئله توجه محققان را در سراسر جهان برای استفاده از انواع مدل های عددی برای شبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی تغذیه آب زیرزمینی جلب کرده است. محدودیت استفاده از آب های سطحی سبب شده است، که آب های زیرزمینی نقش مهمی در تامین آب مورد نیاز داشته باشد استفاده مستمر از آب های زیرزمینی سبب افت آب زیرزمینی می شود و می توان با استفاده درست از جریان های سطحی و سیلابی بستر مناسبی برای ذخیره آب و تغذیه مصنوعی سفره های آب زیرزمینی را فراهم کرد.

ایران کشوری پهناور و دارای آب و هوای خشک و نیمه خشک می باشد و از جمله کشورهایی است که همواره با مشکل کم آبی مواجه است. در کشور ایران افزایش جمعیت، توسعه ی صنایع، مدرنیزه ترشدن کشاورزی و افزایش سطح زیر کشت کشاورزی از جمله عواملی هستند که باعث افزایش بهره برداری از منابع آب شده اند. در کشور ایران، منابع آب زیرزمینی به عنوان یکی از مهم ترین منابع تامین آب موردنیاز برای بخش های کشاورزی، شرب و صنعت از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. کشاورزی با اختصاص سهم ۹۵ درصدی و برداشت بیش از ۸۰ درصد آن از منابع آب زیرزمینی نقش عمده ای در تغییرات کمی و کیفی آبخوان ها دارد.  لذا با توجه به محدودبودن منابع آب و همچنین نیاز بیش از پیش به آب که یکی از مهمترین نعمات الهی به بشر قلمداد می شود باید از منابع موجود حفاظت و با یک برنامه ریزی صحیح از آنها بهره برداری شود. از مهم ترین منابع بالقوه در کشور ایران می توان به آبخوان های زیرزمینی اشاره نمود. آب های زیرزمینی یکی از بزرگترین و مهم ترین منابع آب شیرین بوده که به همراه آب های سطحی جزو منابع آب مصرفی و مورداستفاده برای بشر قلمداد می شوند و این در حالی است که میزان فراوانی آب های زیرزمینی تقریبا صد برابر آب های سطحی است به طوری که می توان گفت نزدیک به ۹۹ درصد از آب شیرین قابل استفاده در خشکی ها را آب های زیرزمینی تشکیل داده در حالیکه آب های سطحی در حدود 0.78  درصد از این آب ها را به خود اختصاص داده اند. بنابراین آب های زیرزمینی از ذخایر بسیار مهم و ارزشمند بوده که بسیار موردتوجه قرار گرفته و لذا نیازمند مراقبت و تصمیمات مدیریتی صحیح می باشند. این منابع بخشی از چرخه ی هیدرولوژیکی بوده که به دلیل دخالت انسان ها و افزایش بهره برداری توازن اجزای آن را تغییر داده است و درنتیجه این تغییرات، باعث وقوع خسارت های زیان باری می شود.

از جمله این خسارت ها می توان به افت شدید سطح ایستابی و غیرقابل برگشت سطح آب زیرزمینی، کاهش دبی چاه ها و قنوات، تغییرات الگوی جریان آب زیرزمینی مانند پیشروی جبهه های آب شور و تداخل آبهای شور و همچنین تخریب کیفیت آب اشاره نمود که پیش بینی می شود. چنانچه مدیریت صحیح در بهره­برداری از این منابع ارزشمند به کار گرفته نشود با گذشت زمان این خسارت ها افزایش پیدا می کنند. اعمال یک مدیریت صحیح نیازمند شناسایی، مدلسازی و پیش بینی نوسانات آب زیرزمینی دشت ها جهت برنامه ریزی بلندمدت و استفاده از پتانسیل آب های زیرزمینی است. بدیهی است مدیریت صحیح و استفاده بهینه از منابع آب زیرزمینی بدون شناخت کمیت و کیفیت این منابع ارزشمند آبی امکان پذیر نمی باشد. بهره برداری صحیح و بهینه در هر مکان نیاز به تعیین صحیح پارامترهای هیدرولیکی آبخوان دارد. مدیریت صحیح منابع آب زیرزمینی معمولاً براساس داده های مدل های مختلف اعمال می شود که صحت و دقت این مدل ها نیاز به برآوردی دقیق از پارامترهای هیدرولیکی سفرهای آب زیرزمینی دارد.

ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان(آبدهی ویژه و ضریب انتقال) مهمترین اطلاعات هیدرولوژیکی جهت توصیف ویژگی های هر آبخوان هستند و انجام اکثر پروژه ها و طرح های پژوهشی و اجرایی در هر آبخوان وابسته به وجود ضرایب هیدرودینامیکی دقیق و صحیح می باشد. به این ترتیب اهمیت مطالعات زیرزمینی جهت اکتشاف، مدیریت و کنترل ذخایر با ارزش این منابع روز به روز بیشتر می شود و لذا داشتن اطلاعات کافی در مورد به دست آوردن این ضرایب حائز اهمیت می باشد. یکی از مهمترین خصوصیات هیدرولیکی سفره­های آبدار ضریب قابلیت انتقال می باشد. ضریب انتقال یک پارامتر هیدرولیکی مهم برای تعیین مقدار آب در سراسر یک آبخوان اشباع می باشد. تکنیک هایی برای اندازه گیری ضریب انتقال مانند تحلیل اندازه ذرات یا آزمایش پمپاژ می تواند مورد استفاده قرار بگیرد که می توانند محدودیت های زمانی و مکانی داشته باشند. ضریب انتقال بستگی به شکل، میزان و هم پوشانی فضاهای خالی یا ساختار نفوذپذیری دارد. این پارامتر اغلب به وسیله تجزیه و تحلیل دانه بندی ذرات، آزمایش های پمپاژ در آبخوان و مدل های عددی تخمین زده می شود که مقادیر آن از مقیاس کوچک تا بزرگ منطقه ای می تواند قابل مشاهده باشد. آزمایش پمپاژ یکی از مناسب ترین ابزارهای تعیین این مقادیر می باشد.

آکیفر(Aquifer):

واژه آکیفر(Aquifer) که در فارسی به آن لایة آبدار زیرزمینی گفته می شود و با نام آبخوان (سفره) یا آبده نیز نامیده می شود. اولین بار در سال ۱۸۹۶ توسط یک زمین شناس آمریکایی اهل آیوا (Iowa) بنام ویلیام هارمون نورت (William Harmon Nort) در یک گزارش آب زیرزمینی به کار برده شد. آکیفر یا آبخوان به تشکیلاتی اطلاق می شود که علاوه بر دارابودن آب قادر است در صورت برقراری شیب هیدرولیکی آب را از نقطه ای به نقطه دیگر انتقال دهد. در نوشته های فارسی برای واژه آکیفر، سفره آب زیرزمینی به کار برده می شود که اصطلاح چندان مناسبی نیست و لذا هنگامی که لایه آبدار گفته می شود منظور همان آکیفر می باشد. در هیدرولوژی آب های زیرزمینی فقط آکیفرها(لایدهای آبدار) از نظر بهره برداری موردنظر می­باشند.

لایدهای آبدار (آکیفر) نیز بسته به این که سطح ایستابی مشخصی در آنها وجود داشته باشد یا نه به دو گروه غير محصور (آزاد) و محصور (غیرآزاد) تقسیم بندی می شوند.

آبخوان غیرمحصور یا آزاد(unconfined):

آبخوان غير محصور که در نزدیک سطح زمین مشاهده می شود به لایه ای گفته می شود که مواد تشکیل دهنده آن از سطح زمین تا لایه غیرقابل نفوذ انتهایی(لایه کف) دارای نفوذپذیری ذاتی نسبتا زیاد است. تغذیه این آبخوان می تواند از بارندگی هایی که روی آن باریده می شود صورت گرفته و یا آن که از منابع دیگر تامین شود. اگر در این لایه ها چاهی حفر گردد سطح ایستابی مشخصی در آنها مشاهده خواهد شد که لایه اشباع پایین و لایه هوادار بالا را از همدیگر متمایز می سازد. محل برخورد چاه با لایه اشباع موقعیت سطح ایستابی را نشان می دهد (شکل زیر).

سطح ایستابی در آبخوان غير محصور یک سطح افقی نبوده و بسته به محل تغذیه یا پمپاژ دارای پستی و بلندی است. از مشخصات آبخوان غير محصور آن است که آب داخل این لایه ها تحت فشار هیدرواستاتیک بوده و مقدار این فشار در سطح ایستابی صفر است. لایه های غیرمحصور را آبخوان آزاد (Phereatic) نیز می­گویند.

چاه و خصوصیات آن:

چاه یک لوله عمودی است که در زمین حفر شده و در تمام یا قسمتی از آبخوان نفوذ می کند و چاه پمپاژ به چاهی گفته می شود که با قرار دادن پمپ در داخل چاه و چرخیدن پره های آن، انرژی مکانیکی به آب منتقل شده و پمپاژ می شود و در سطح زمین تخلیه می گردد. با تخلیه آب و پایین افتادن سطح آب در داخل لوله چاه بین آب در خارج و در داخل چاه اختلاف پتانسیل هیدرولیکی ایجاد شده و آب از اطراف چاه شروع به حرکت به داخل چاه می نماید. مقدار آبی که وارد چاه می شود برابر مقدار آبی است که با پمپاژ از چاه خارج می شود. بنابراین اگر دبی چاه ثابت باشد بین آب ورودی و خروجی از چاه تعادل برقرار شده و سطح آب در چاه ثابت می گردد. چاه کامل، چاهی است که تا انتهای لایه نفوذناپذیر توسعه یافته باشد.

تفاوت آبخوان آزاد و تحت فشار هنگام پمپاژ به صورت زیر می باشد:

1- آبخوان آزاد در طول پمپاژ به صورت جزئی زهکشی می شود و با کاهش ضخامت لایه اشباع همراه خواهد بود، در صورتی که در آبخوان تحت فشار ضخامت لایه آبدار اشباع ثابت باقی می ماند.

 2-آب استحصال شده از چاه حفر شده در یک سفره آزاد منحصرا نتیجه زهکشی آبخوان است، درحالیکه در سفرهی تحت فشار نتیجه کاهش فشار آب و متراکم شدن سفره به دلیل افزایش تنش موثر آن است.

 3-جریان به سمت چاه در یک سفره آبدار آزاد، در نزدیکی چاه تقريبا عمودی است، در حالیکه هیچ جریان عمودی در سفره های تحت فشار وجود ندارد. البته در صورتی که چاه یک چاه کامل باشد.

شکل نمایشی از یک آبخوان غير محصور.

 

چاهک مشاهده ای:

چاهی است که در اطراف چاه پمپاژ حفر شده و فقط افت سطح آب در آن اندازه گیری و ثبت می شود و هیچگونه آبی از آن استخراج نمی شود.

آزمایش های پمپاژ:

آزمایش پمپاژ یک کار صحرایی است که در آن از یک چاه آزمایشی با دبی مشخص، پمپاژ به عمل می آید و سپس با یک سری اندازه گیری های سطح آب در یک یا چند چاهک مشاهده ای دیگر که در اطراف چاه پمپاژ قرار گرفته اند می توان خصوصیات هیدرودینامیکی آکیفر را به دست آورد.

سطح ایستابی:

سطح ایستابی به بالاترین تراز آب زیرزمینی بر روی یک سطح مشخص در زیر زمین گفته می شود. دو روش معمول برای تشخیص سطح ایستابی آب زیرزمینی وجود دارد:

1- استفاده از چاهک های مشاهده ای(Observation Well)

۲- استفاده از پیزومتر (Piezometer)

بخشی از آب ها از روی سطح زمین بر اثر نیروی ثقل وارد محیط متخلخل خاک شده و به سمت پایین حرکت می کنند. لایه های مختلف زمین از مواد و ترکیبات مختلف خاک شکل گرفته و در زمان های مختلف به وجود آمده اند. مجموعه عواملی نظیر جنس و اندازه دانه ها، میزان تخلخل، میزان تراکم، میزان ترک خوردگی و … باعث می شود بخش های مختلف فضای زیرزمین ظرفیت های متفاوتی برای جذب، ذخیره و انتقال آب داشته باشد. بخش اعظم آب نفوذ کرده در عمق زمین به صورت طبیعی جذب آبخوان می شود. بسته به شرایط احاطه کننده آن، یک آبخوان می تواند مانند یک مخزن زیرزمینی آب را ذخیره یا مانند یک رودخانه زیرزمینی آب را به لایه های مجاور و عمیق تر منتقل نماید. ابعاد این مخازن یا رودخانه­های زیرزمینی می تواند از چند ده متر تا چند صد کیلومتر متفاوت باشد. به دلیل وابستگی شدید انسان به منابع زیرزمینی آب، شناسایی، مطالعه و مدیریت آبخوان ها دارای اهمیت بسیار است. آب های زیرزمینی فقط حدود ۴ درصد از مجموعه آب هایی را که فعالانه در چرخه آب شناختی دخالت دارند، تشکیل می دهد. با این وجود حدود ۵۰ درصد جمعیت دنیا از نظر آب شرب متکی به همین آبهای زیرزمینی هستند، و اما به دلیل عدم شناخت صحیح از ماهیت آب های زیرزمینی و یا عدم درک میزان آسیب پذیری سریع آب های زیرزمینی، سوء مدیریت زیادی صورت گرفته که باعث کاهش سطح آبهای زیرزمینی و نفوذ مواد آلاینده به درون سفره های آب زیرزمینی شده است. این آلاینده ها، از محل های دفن زباله با سیستم­های فاضلاب که به طور حل تحلیلی نوسانات ناشی از جزر و مد غلط ساخته شده اند، به داخل آن تراوش می کنند. آب های زیرزمینی از طریق زهاب حاصله از مزارع کشاورزی کود داده شده و مناطق صنعتی، آلوده می شوند. منابع زیرزمینی آب به صورت مستقیم یا غیرمستقیم از آب های سطحی و بارندگی تغذیه می شوند؛ بنابراین استفاده پایدار از این منابع به معنای برداشت محدود از آنها است. در سال اخیر در بسیاری از کشورهای جهان برداشت آب از منابع زیرزمینی از میزان تغذیه سالیانه آنها بیشتر است. این امر به معنای استخراج و استفاده از آبی است که در طول هزاران سال در لایه های آبدار زمین ذخیره شده است. با این کار سطح آب های زیرزمینی در منطقه روز به روز افت کرده و سرانجام به جایی خواهد رسید که آبی برای استخراج وجود نخواهد داشت. پایین افتادن سطح آب های زیرزمینی به معنای خشک شدن مناطق پایین دست (مناطق با ارتفاع کمتر که آب جاری در آبخوان ها تحت اثر گرانش به سمت آنها جریان می­یابند) و از بین رفتن چاه ها، قنات ها و چشمه های آن است.

آب های زیرزمینی :

چرخة آب در تمام قسمت کره زمین رخ می دهد و بخش مهمی از آن در زیر سطح زمین می باشد که منابع آب های زیرزمینی یکی از اجزای آن می باشد. البته آنچه که به نام آب زیرزمینی(Groundwater) معروف است را نباید با آب زیرسطحی (subsurface water) یکی دانست، هر چند که هر دو در زیر سطح زمین قرار دارند اما بین این دو تفاوت های چشم گیری وجود دارد. در واقع آب زیرسطحی به کلیه آب هایی گفته می شود که در زیر لایه سطحی زمین قرار گرفته اند اما آب زیرزمینی فقط به آن قسمت از آبهایی که در زیر زمین وجود داشته و بتواند به صورت آزادانه در اثر نیروی جاذبه در داخل منافذ و درز و ترکها حرکت نماید گفته می شود، بنابراین آب زیرزمینی فقط می تواند در قسمتهای اشباع شده لایه های زیرزمینی وجود داشته باشد. آب های زیرزمینی 1.6899 درصد نسبت به کل حجم آب های موجود در کره زمین را تشکیل می دهد که این حجم تقریبا 30 % نسبت به کل آبهای شیرین می باشد.

لایه آبدار (آبخوان) :

آب های زیرزمینی در انواع زیادی از سازندهای زمین شناسی وجود دارند در این بین آنهایی که آبخوان نامیده می شود از اهمیت بیشتری برخوردارند. یک آبخوان را می توان سازندی تعریف کرد که شامل مواد تراوا و اشباع از آب هستند و می توانند مقادیر قابل ملاحظه ای آب را به چاه ها و چشمه های موجود در منطقه وارد کنند، این تلويحا به این معنی است که مواد تراوا قابلیت انتقال و ذخیره خوبی دارند، ماسه های سست و سنگریزه ها (یا ریگ) مثال خوبی از این مواد هستند. یک آبخوان شامل بخش غیراشباع واحد تراوا نیز هست. واژه های دیگری مانند مخازن آب زیرزمینی و سازندهای آبدار به عنوان مترادف های واژه آبخوان استفاده می شوند. به طور کلی آبخوان ها معمولا پهناورند، ممکن است در بالا یا پایین آنها یک لایه محصورکننده نیز وجود داشته باشد. این لایه معمولا ناتراوا هستند که از لحاظ چینی شناختی در کنار یک یا چند آبخوان قرار می گیرند.

در منطقه اشباع سطح فوقانی سفره آب، یا سطح ایستابی همواره افقی نیست و به طور طبیعی از منطقه تغذیه آن، یعنی محل و منطقه ای که آب زیرزمینی را تأمین می کند، به طرف محل تخلیه دارای شیب است. به طور کلی شکل سطح ایستابی غالبا از شکل سطح زمین پیروی می کند.

آبخوان (Aquifer):

در فارسی به لایه آبدار زیرزمینی گفته می شود. آبخوان به تشکیلاتی اطلاق می­شود که علاوه بر دارا بودن آب قادر است در صورت برقراری شیب هیدرولیکی آب را از نقطه ای به نقطه دیگر انتقال دهد. ضریب نفوذپذیری ذاتی مواد تشکیل دهنده آبخوان ها در حدود 1.01 دارسی یا بالاتر از آن است. در نوشته های علمی آبخوان فقط به لایه های آبدار اطلاق می شود، که در بالا یا پایین آبخوان ها ممکن است یک لایه محدود کننده غیر قابل نفوذ وجود داشته باشد.

لایه های آبدار آزاد:

لایه های آبدار آزاد که معمولا در نزدیک سطح زمین قرار دارند به لایه ای گفته میشود که مواد تشکیل دهنده آن از سطح زمین تا لایه غیر قابل نفوذ انتهایی (لایه کف) دارای نفوذپذیری ذاتی نسبتا زیاد می باشد. تغذیه این لایه می تواند حاصل از بارندگی، ذوب شدن برف و یا از منابع دیگر تأمین شود. اگر چاهی در این لایه حفر شود سطح ایستابی مشخصی مشاهده می شود که لایه اشباع پایین و لایه هوادار بالا قرار می گیرد.  از ویژگی این لایه آن است که آب درون این لایه تحت فشار هیدروستاتیک بوده و مقدار این فشار در سطح ایستابی برابر صفر می باشد. لایه های آزاد را لایه های آبدار آزاد (Phereatic) نیز می نامند.

لایه های آبدار محصور :

آبخون های محصور به نام آبخوان های آرتزین یا آبخوان های تحت فشار جایی تشکیل می شوند که آب­های زیرزمینی تحت فشاری بیش از فشار اتمسفری قرار دارند و این به خاطر وجود لایه­هایی نسبتا ناتراوا در بالای آنها است. اگر چاهی در این آبخوان ها حفاری شود سطح ایستابی تا انتهای لایه محصور بالا می آید. در جایی که لایه محصور کننده به سطح زمین راه می یابد، آب نفوذی می تواند وارد آبخوان محصور گردد و آن را تغذیه کند. سطح تراز آب در آبخوان محصور یک سطح فرضی است که منطبق با سطح آب ایستابی واقعی در آبخوان است اگر در این آبخوان ها چاهی حفر شود پس از برخورد چاه با آبخوان، آب در داخل آن بالا آمده (چاه نیمه آرتزین) و ممکن است گاهی اوقات به سطح زمین نیز فوران کند (چاه آرتزین). بالاآمدن آب در داخل چاه به این دلیل است که آب موجود در آبخوان در هر نقطه از آن تحت فشاری است برابر فاصله عمودی آن نقطه تا سطح ایستابی واقعی است.

لایه های آبدار نیمه محصور :

اگر یک لایه آب دار محصور از قسمت بالا یا پایین نشت داشته باشد آن را لایه نیمه محصور(Semi-confined) گویند. به این لایه ها آبخوان های نشتی (Leaky aquifer) نیز گفته می شود.

لایه های آبدار نیمه آزاد :

این آبخوان ها حالتی بین آبخوان های آزاد و نیمه محصور می باشند. در این آبخوان ها مقدار زیادی آب می­تواند از لایه های محصور کننده بالا یا پایین عبور کند.

در شکل زیر انواع لایدهای آبدار و چاه های آب قابل مشاهده می باشد.

شکل انواع لایه های آبدار.

 

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تغذیه مصنوعی یک آبخوان غیرمحصور یا آزاد در نرم افزار کامسول انجام شده است.

هندسه مدل:

 

مش بندی:

 

پارامترهای مسئله:

 

نتایج:

هد فشار:

 

 

نتایج هد هیدرولیکی و میدان سرعت دارسی: