دانلود پایان نامه با موضوع مدل سازی، ایالات متحده، سطح ایستابی

آن‌ها به مسئله مورد حل و سلیقه کاربر بستگی دارد. طراحی و درک مدل های تفاضل محدود، نسبت به عناصر محدود آسان‌تر و دارای پیچیدگی‌های ریاضی کمتری هستند و به این دلیل، استفاده از آن‌ها در کارهای عملی هیدروژئولوژیک برتری دارد. روش عناصر محدود در برآورد مرزهایی که از نظر شکل، بیقاعده و نامنظم‌تر هستند قابلیت بیشتری دارد. همچنین روش عناصر محدود توانایی بیشتری در شبیه‏سازی مرزهای داخلی نظیر مناطق گسلی، منابع تخلیه کننده و تغذیه کننده متمرکز، سطوح نشت(Seepage faces) و جابه جایی سطح ایستابی دارد.

3-2- شرحی بر نرم‌افزار مادفلو

چندین مدل عالی تفاضل محدود، توسّط سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده ایجاد گردیده و در دسترس عموم قرار دارد. یکی از این مدل‌ها، مدل سه بعدی تفاضل محدود جریان آب‌های زیرزمینی است که در سال 1988 توسّط McDonald و Harbaugh ارائه شد.
عده زیادی این مدل سه‌ بعدی تفاضل محدود مادفلو را به عنوان قابل اعتمادترین، تأیید شده‌ترین و قابل استفاده‌ترین مدل موجود در ارتباط با جریان آب‌های زیرزمینی، مورد ملاحظه قرار داده‌اند. مادفلو پس از آزاد شدن اولیه با بسته‌های جدید گوناگون تکمیل گردید. بسته‌های نرم‌افزاری خاصی برای مادفلو وجود دارد که وارد کردن داده‌ها و به تصویر در آوردن نتایج را به صورت نقشه و گراف، آسان می‌سازند.
در ادامه به معرفی برخی از خصوصیات این نرم‌افزار می‌پردازیم.

– آرايه مرزي (Boundary array) در مدل تفاضل محدود

نوع سلولها

در مادفلو سه نوع سلول وجود دارد: سلولهاي فعال، سلولهاي غير فعال و سلولهاي با بار هيدروليکي ثابت. آرايههاي مرزي در مادفلو با کدهايي در IBOUND تعريف ميشود. سلول‌هاي غير فعال که در آرايه مرزي مادفلو با کد صفر مشخص ميشود، سلولهايي هستند که در اثناي شبيه سازي، هيچ جرياني به آنها وارد يا خارج نميگردد و بار هيدروليکي آن توسط مدل محاسبه نميشود.
از سلولهاي با بار هيدروليکي ثابت، براي توصيف مرزهاي مدل که داراي بار هيدروليکي معلوم هستند (مانند رودخانههاي سطحي) استفاده ميشود. اين سلولها در آرايه مرزي مادفلو با کد (1-) مشخص مي‌شوند. بار هيدروليکي در اين سلولها در دوره شبيه سازي تغيير نمي‌کند. بقيه سلولهاي مدل، سلول فعال يا سلول‌هاي با بار متغير ناميده ميشوند که با کد (1) مشخص ميشوند و مدل بار هيدروليکي آنها را در طي زمان محاسبه ميکند.
در شکل3-2 اين سه نوع سلول قابل مشاهده است .(Wang and Anderson, 1982)

شکل3-1: انواع آرايه مرزي مدل براي يک آبخوان تک لايه
.(McDonald & Harbaugh, 1988)

شبکه

شبکهبندي منطقه مدل، نقطه شروع طراحي واقعي مدل رايانهاي است. شبکه مادفلو که از نوع تفاضل محدود ميباشد، از مجموعه سلولها تشکيل شده است و فرض شده خواص هيدروليکي و هيدروژئولوژيک در محدوده يک سلول يکنواخت است. محاسبات بار هيدروليکي هر سلول در گره (Node) انجام مي شود. اين گره در مرکز سلول (Block-centered) يا در نقاط تقاطع شبکه (Mesh-centered) قرار مي‌گيرد(شکل 3-3).

شکل3-2: تفاوت بين شبکه بندي مرکز قطعهاي و مرکز شبکهاي.
(McDonald & Harbaugh, 1988)

قاعده کلي و فهرست علائم اختصاري شبکه تفاضل محدود يک سيستم آبخوان فرضي در شکل3-4 نشان داده شده است. شبکه مذکور حاوي 5 سطر(i) ، 9 ستون(j) و 5 لايه(k) است. موقعيت هر سلول در شبکه توسط نمايهijk مشخص ميشود.
در شبکه تفاضل محدود مدل، تغييرات اندازه سلولها تابع اندازه سلول مجاور و ديگر سلولها ميباشد. به عنوان يک قانون تجربي اندازه هيچ يک از سلولها در تمام جهات نبايد کمتر يا بيشتر از 5/1 برابر سلول مجاور باشد. اين موضوع براي حفظ پايداري رياضي حل عددي ضروري است .(Wang and Anderson, 1982)

معرفی نوع لايه‌ها

– لايه نوع صفر: در شبيه سازي شرايط محصور بهکار ميرود.
– لايه نوع يک: اين لايه منحصراً براي شرايط آزاد کاربرد دارد.
– لايه نوع دو: اين لايه وقتي مورد استفاده قرار ميگيرد که آبخوان بين حالت محصور و آزاد تغيير مي‌کند.
– لايه نوع سه: اين نوع لايه براي حالت انتقال آبخوان از شرايط محصور به آزاد بهکار ميرود.

مهمترين بستههاي نرم افزاري مادفلو عبارتند از:

پرونده اطلاعات پايه(Basic Package)
در اين پرونده کليه دادههاي پايه مربوط به آبخوان به مدل داده ميشود. اين دادهها شامل کد IBOUND و مقدار سطح آب اوليه هر سلول ميشود.
بسته جريان در روش مرکز سلولي (BCF Package)
پرونده خصوصيات هيدروليکي لايه آبدار (LPF Package)
بسته رودخانه (River Package)
بسته زهکش (Drain Package)
پرونده مانع در برابر جريان افقي (HFB Package)
شبيه سازي ساختارهاي زمين شناسي کوچک، قائم و با نفوذپذيري کم (مانند گسل) توسط پرونده مانع در برابر جريان افقي انجام ميگيرد.
بسته مرز با بار هيدروليکي عمومي (GHB)
بسته تبخير و تعرق (Evapotranspiration Package)
بسته چاه (Well Package)
بسته تغذيه (Recharge Package)
بسته نهر (Stream Package)
بسته BCF2: براي شبيهسازيهايي بهکار ميرود که سطح ايستابي به لايههاي غير اشباع مدل صعود مي‌کند (,1997 .( Kresic
بسته RESI: اين بسته نشت از مخازن را شبيهسازي ميکند(,1997 .( Kresic
پرونده شرايط مرزي با سطح آب ثابت (Time-Variant Specified-Head Package)
پرونده محاسباتي (Solver Packages)

شکل3-3: تقسيم بندي تفاضل محدود يک سيستم آبخوان فرضي
.(McDonald & Harbaugh, 1988)

یکی از بسته‌های نرم‌افزاری که استفاده از مدل مادفلو را آسان‌تر نموده است، نرم‌افزار GMS می‌باشد که در ادامه به معرفی آن می‌پردازیم.

3-3- معرفی نرم افزار GMS

نرم افزار GMS توسط Environmental Modeling Research Laboratory از دانشگاه Brigham Young توليد شده است.
این نرم افزار انواع مختلف مدل‌ها را پشتيباني مي کند و تسهيلات زيادي براي به اشتراک گذاشتن اطلاعات بين مدلهاي گوناگون و انواع داده‌ها در آن فراهم شده است. اين نرم افزار محيطي جامع و گرافيکي براي مدل سازي‌هاي آب زيرزميني است. در واقع GMS شامل يک رابط (Interface) گرافيکي کاربر (برنامه GMS) و تعدادي کد مورد استفاده در مدل سازي ميباشد.
GMS به عنوان يک پیش‌پردازنده و پس‌پردازنده ی بسيار قدرتمند براي کد مادفلو 2000 به حساب ميآيد و وارد کردن داده‌ها و به تصویر در آوردن نتایج را به صورت نقشه و گراف، ممکن می‌سازد.
مادفلو موجود در اين نرم افزار قابليت تهيه شبکه با هر دو روش مرکز شبکه‌اي و مرکز سلولي را دارد. دادههاي ورودي براي مادفلو به هنگام راه اندازي از GMS فراخواني مي‌شوند. اين نرم افزار داراي ساختاري مدولار (Modular) مي‌باشد که از يک برنامه اصلي و يک سري از برنامه‌هاي فرعي به‌نام ماژول يا مدول (Module) تشکيل شده است. اين ماژول‌ها به‌صورت بسته‌هايي گروه‌بندي شده‌اند که هر بسته با قسمتي از سيستم هيدرولوژيکي که بايستي شبيه سازي شود، در ارتباط مي‌باشد. طراحي مدولار برنامه اين توانايي را به کاربر مي‌دهد که بتواند شرايط هيدرولوژيکي متفاوت را به صورت جداگانه در داخل مدل مورد آزمايش قرار دهد. وارد کردن (Input) دادهها با فرمتهاي گوناگون از نرم افزارهاي مختلف از ديگر خصوصيات بارز GMS ميباشد. علاوه بر این ماژول‌هاي جديد را مي‌توان بدون تغيير نسخه موجود مورد استفاده قرار داد. صرفه جويي در زمان وقتي از اهميت فوق العاده زيادي برخوردار خواهد بود که تعداد چاه‌هاي بهرهبرداري زياد باشند و به خصوص آماده کردن آن‌ها براي ورود به مدل آب زيرزميني در شرايط ناپايدار نياز باشد که هر چه دوره‌هاي تنش بيشتر باشد به همان اندازه داده‌هاي مورد نياز چند برابر شده و نياز به مديريت دادهها از اهميت بيشتري برخوردار خواهد بود.
انواع آبخوان‌ها که مي‌توانند در این محیط شبيه سازي شوند، تحت فشار، آزاد يا ترکيبي از اين دو مي باشند. تنش‌هاي خارجي از قبيل چاه‌ها، تغذيه ناحيه‌اي، تبخير و تعرق، زهکشها و رودخانه نيز مي‌توانند شبيه سازي شوند.
اين خصوصيات از معيارهاي مهم در انتخاب اين برنامه کامپيوتري براي تهيه مدل جريان آب زيرزميني آبخوان مي‌باشد چرا که نرم‌افزار GMS به خوبي تمامي مطالب فوق را بر آورده مي‌کند.

– انواع ماژول‌هاي GMS

نرم افزار GMS چندين ماژول مختلف دارد که به اختصار در زیر معرفي مي‌شوند:
Map Module –
TIN Module –
2D Scatter Point Module –
3D Scatter point Module –
Borehole Module –
GIS Module –
Solid Module –
2D Mesh Module –
3D Mesh Module –
2D grid Module –
3D Grid Module –

از بین این ماژول ها، ماژول هایی که مورد استفاده قرار گرفته اند، در زیر شرح داده می شوند.
Map Module –
وجود ماژول ترسيمي، نرم افزار GMSرا از ديگر نرم افزارهاي مشابه کاملاً متمايز ساخته است.
ماژول ترسيمي (يا نقشه کشي) ابزار‌هاي مناسبي براي استفاده از اجزاء ساده GIS (نقطه، خط و چند ضلعي)در تهيه مدل عددي فراهم مي‌آورد. این ماژول چهار پديده feature objects ،digital mage ، drawing objects و فايلهاي DXF را پشتيباني ميکند. ماژول ترسيمي با ارائه يک سري ابزارهاي ترسيمي در کليه مراحل تهيه مدل به خصوص تهيه مدل مفهومي مورد استفاده قرار ميگيرد.
با گذشت زمان و جمع آوري داده‌هاي هيدروژئولوژيکي، هيدرولوژيکی و چينه نگاري جديد و شناخت بيشتر آبخوان و با استفاده از ابزارهاي موجود در ماژول ترسيمي به راحتي مي توان مدل تفهيمي جديد را تهيه کرد و پس از تبديل مدل مفهومي به مدل مادفلو آن را دوباره اجرا کرد.

Type
Name
X
Y
Flow Rate
Screen Top
Screen Bottom
well
1
636762
3879406
-2614.464
-999
-999
well
2
637976
3865276
-3110.4
-999
-999
جدول 3-1: فرمت اطلاعات چاه‌هاي بهره برداري براي ورود به GMS
2D Scatter Point Module –

براي درونيابي از يک سري داده‌هاي دو بعدي در سطوح توزيع شده از ماژول نقاط پراکنده دو بعدي استفاده مي‌شود که براي اين کار از چهار تابع خطي و غير خطي درون يابي از جمله Kriging استفاده مي‌گردد. درون‌يابي نقاط، تبديل آن‌ها به ديگر داده‌هاي GMS نظير TIN، نقاط مشاهده‌اي، گره‌هاي شبکه و آزمون و آناليز داده‌هاي نقاط با استفاده از توابع آماري مختلف از مزيت‌هاي ماژول نقاط پخش شده مي‌باشد.

GIS Module –

ماژول GISبراي نمايش مستقيم و بدون تبديل فرمت داده‌هاي پايگاه اطلاعاتي GIS به‌کار مي‌رود. با استفاده از اين ماژول مي‌توان همه يا بخشي از داده‌هاي GIS را به داده‌هاي GMS تبديل کرد تا در ساخت مدل آب زيرزميني به‌کار گرفته شوند.

3D Grid Module –

ماژول شبکه‌اي سه بعدي در تهيه شبکه‌هاي کارتزين سه بعدي به کار مي‌رود. از اين شبکه‌ها مي‌توان براي درون‌يابي، تهيه خطوط هم تراز آب زيرزميني، تهيه مقاطع عرضي و تهيه مدل به روش تفاضل محدود استفاده کرد.

3-4- ساخت مدل در نرم افزار GMS

فرايند مدلسازی جريان آب زيرزميني شامل سيزده مرحله مي باشد(كرسيك، 1381) که به ترتیب شرح داده می شوند:

3-4-1- مشخص کردن هدف مدل سازی

مشخص نمودن هدف، اولین موردی است که بایستی در مدل سازی انجام شود. این امر به نوبه خود تعیین نوع معادله حاکم (کمی، کیفی، اشباع، غیراشباع و غیره) و انتخاب کد یا برنامه کامپیوتری مناسب را در پی