دانلود پایان نامه با موضوع هیدرولیک، مدل مفهومی، مدل ریاضی

دانلود پایان نامه ارشد

خواهد داشت. هدف از مدل ریاضی یک آبخوان آب زیرزمینی، شبیهسازی شرایط طبیعی یک آبخوان با استفاده از یکسری روابط ریاضی میباشد. در صورتی که شبیهسازی یک آبخوان با موفقیت صورت گیرد به سهولت می توان اثرات برداشت و تغذیه را در شرایط گوناگون پیش بینی کرد.
ازاهداف مدل ریاضی یک آبخوان آب زیرزمینی، می توان به بررسی سیستم هیدروژئولوژیکی آبخوان ها، مشخص نمودن پارامترهای هیدرودینامیک آبخوان ها، بررسی سیستم جریان آب زیرزمینی، بررسی هیدرولیکی مرزهای سفره آب زیرزمینی و پیش بینی وضعیت آینده آبخوان اشاره نمود.

3-4-2- تهيه و گردآوري اطلاعات

به طور كلي اطلاعات مورد نياز مدل به دو گروه عمده تقسيم مي شوند:
الف)اطلاعات بدست آمده از اندازه گيري هاي محدوده اي.
ب)اطلاعات حاصل شده از اندازه گيري هاي نقطه اي.
اطلاعات بدست آمده از اندازه گيري هاي محدوده اي، نقشه هاي پايه از قبيل نقشه هاي توپوگرافي، زمين شناسي، تكتونيك و غيره به منظور مشخص كردن محدوده مدل، وسعت آبخوان، مساحت رخنمون، مساحت تغذيه و شرايط مرزي را در بر مي گيرد.
اطلاعات بدست آمده از اندازه گيري هاي نقطه اي عمدتا اندازه گيري هاي مربوط به چاه ها (بهره برداري و مشاهده اي) شامل موقعيت، عمق، نوع، نرخ استخراج، سطح ايستابي و خصوصيات آبخوان است كه متكي بر نتايج آزمون پمپاژ مي باشد.

3-4-3- ايجاد مدل مفهومی

مدل مفهومي در واقع معرفي واحدهاي هيدرواستراتيگرافي و مرزهاي سيستم ميباشد. در این مرحله از مدلسازی از نظر فيزيكي شكل آبخوان و از نظر هيدروژئولوژيكي نوع رسوبات و عوامل بيلان به طور كيفي و شماتيك مشخص مي‌شود. بسط مدل مفهومی مرحلهای بسیار مهم در توسعه یک مدل کامپیوتری میباشد، بههمین دلیل باید سعی شود تا اجزاء آن با دقت هرچه تمامتر مشخص گردند.
دادههاي مورد نياز براي يك مدل مفهومي مناسب شامل:
– نقشهها و مقاطع ژئوفيزيك
– ستون چينه شناسي چاهها
– مقاطع عرضي و ورودي و خروجي منطقه
– بازديدهاي صحرايي
– نقشههاي زمين شناسي و توپوگرافي

3-4-4- انتخاب كد كامپيوتري

دومين مرحله از مدل سازي، انتخاب كد رايانه اي است كه بتواند به بهترين وجه درك تفهيمي از آبخوان را شبيه سازي كند و هدف تهيه مدل را برآورده نمايد(کرسيک،1381). كد همان برنامه كامپيوتري است كه شامل الگوريتمي براي حل مدل رياضي به صورت عددي است (Anderson and Woessner,1992). این کد بایستی با روشهای تحلیلی مقایسه شده و صحت و سقم عملکرد آن مورد تائید قرارگرفته باشد.
کد انتخابی برای مدلسازی عددی منطقه مورد مطالعه برنامه MODFLOW میباشد. انتخاب کد قابل توجیه است، زیرا که این کد در محیطهای مختلف تحت شرایط متفاوت مثل سیستمهای تک بعدی، شبه دو بعدی یا کاملاً سه بعدی به طور گسترده آزمایش شده است.
‏‏‏
3-4-5- طراحی مدل

در اين مرحله مدل مفهومي ساخته شده به شكلي مناسب براي مدل سازي تبديل مي شود. اين مرحله شامل تعيين شرايط مرزي و تنش هاي وارده به آبخوان، طراحي شبكه مدل، انتخاب گام هاي زماني و تعيين مقادير اوليه براي پارامترهاي آبخوان و استرس هاي هيدروژئولوژيكي مي باشد. در ادامه به بررسي كوتاهي در اين زمينه پرداخته مي شود:

3-4-5-1 تعيين شرايط مرزي و تنش هاي وارده به آبخوان

انتخاب صحيح شرايط مرزي و تنش هاي مرزي و تنش هاي وارده به آبخوان يك مرحله حساس در طراحي مدل ها مي باشد. در مدل هاي آب زيرزميني معمولا پنج نوع مرز در نظر گرفته مي شود. نوع مرز انتخابي بايد سازگاري كاملي با بيلان آبي و شرايط مرزي تعريف شده در مدل مفهومي داشته باشد، اين مرزها عبارت است از:

1 – مرزبا بارهیدرولیکی مشخص(Specific head boundary)

مرز با بارهیدرولیکی مشخص نظیر خط همپتانسیل یا تماس بین آبخوان و یک توده آب سطحی که با بسته بارهیدرولیکی ثابت شبیهسازی می شود.

2 – مرز با شدت جريان وابسته به بار هيدروليكي( Head dependent flux boundary)

مرزي كه ميزان جريان ورودي و يا خروجي از آن بر اساس اختلاف بار هيدروليكي سلولهاي مرزي و سلولهاي آبخوان مجاور محاسبه مي شود، ” مرز جريان وابسته به بار هيدروليكي” ناميده مي شود. این نوع مرز با سه بسته رودخانه((River Package ، بسته زهکشی( Drain Package)، بسته مرز با بار هیدرولیکی عمومی (GHB) مي تواند شبيه سازي شود.

3 – مرز با شدت جریان معلوم

سطوح ایستابی در آبخوانهای آزاد، ورودی–خروجی جانبی از محل تماس بین آبخوانهای مختلف، نشت از لایههای مجاور، جریان چشمه و تغذیه به رودخانه یا تغذیه از رودخانههای سطحی مثالهایی از مرز با جریان معلوم هستند. بطورکلی جریان معلوم را میتوان توسط یکی از بستههای تغذیه (RCH)، تبخیر و تعرق، بسته نهر(Stream package) بسته چاه((Well package شبیهسازی کرد.

4- مرزبا بار هيدروليكي مشخص وابسته به زمان (CHD1)

همان مرز با بارهیدرولیکیمشخص میباشد که در عین حال وابسته به زمان است. این نوع مرز توسط لیک و پرودیک (Leak and Prudic) در برنامه PMWIN گنجانده شده است. از این بسته در شبیهسازیهای غیرماندگار استفاده میگردد و به سلولهای با بارهیدرولیکی ثابت امکان میدهد که در اثنای دوره شبیهسازی مقادیر بارهیدرولیکی متفاوتی را در هر گام زمانی احراز کنند.
5- مرزهای فاقد جریان

مرزهای که جریان ورودی به آنها صفر در نظر گرفته میشود را مرزهای فاقد جریان مینامند. مادفلو بهطور اتوماتیک یک مرز فاقد جریان را پیرامون شبکه فرض میدارد.

3-4-5-2- طراحي شبكه و تهيه مدل عددي در نرم افزار GMS

بعد از آن كه تمام پارامترهاي مورد نياز براي ساخت مدل در مرحله مفهومي كردن مدل، به كمك ماژول GIS و ماژول Map تهيه شد، اين پارامترها بايد به مدل عددي تبديل شوند اما قبل از آن، شبكه بندي و تفكيك سازي زماني و مكاني مدل بايد صورت پذيرد. همچنين شكل هندسي، ابعاد و تعداد شبكه بايد براساس مدل مفهومي و نيز شرايط مرزي تعيين شده صورت پذيرد و به گونه اي باشد كه تغييرات شديد ساختار فيزيكي آبخوان و شرايط هيدروليكي حاكم را به خوبي نمايش دهند. جداسازي زماني معادلات جريان و تعيين مقاطع زماني شبيه سازي توسط گام هاي زماني صورت مي گيرد. گام هاي زماني بايد كوچك انتخاب شوند، اما نه آن قدر كه از توان عملي محاسبات تجاوز نمايد.
شبكه بندي مدل توسط دو دسته خطوط موازي عمود بر هم انجام مي شود. بلوك هاي تشكيل شده توسط خطوط مذكور، سلول ناميده مي شوند. كليه محاسبات هر سلول به صورت مجزا انجام می شود كه در نهايت مجموع محاسبات در تمام سلول ها، گوياي شرايط منطقه مطالعاتي مي باشد.
بعد از ايجاد شبكه و تقسيم بندي زماني(گام هاي زماني) تمام لايه هاي اطلاعاتي ايجاد شده در مرحله مدل مفهومي به مدل عددي مادفلو تبديل مي گردند. در نرم افزار GMS تمام اطلاعات مورد نياز ورودي مادفلو در مجموعه اي از فايل ها ذخيره شده و در هنگام تبديل مدل مفهومي به مدل عددي اين فايل ها توسط مادفلو خوانده مي شوند و سپس خروجي مادفلو براي پردازش هاي بعدي وارد فايل هاي ديگري مي گردد.

3-4-6- واسنجي

بدون شک یکی از حساس ترین مراحل مدلسازی مرحله واسنجی است. واسنجی فرایندی است که در آن پارامترهای ورودی مدل تا زمانی که متغیرهای خروجی مدل (متغیرهای وابسته) با مقادیر مشاهدات صحرایی انطباق قابل قبولی داشته باشند، تنظیم میگردند. در کاربرد عملی مدل، پارامترهای ورودی مدل هیچگاه بطور کامل تعریف نشدهاند و همواره با عدم قطعیت مواجه هستند.
به طورواضح تر، با انجام مقدار محدود بررسی های اکتشافی نمی توان مشخصات آبخوان را در کلیه نقاط تعیین کرد. ضمن اینکه عمده تغذیه آبخوان به صورت طبیعی صورت مي گیرد و تعیین دقیق محل تغذیه و میزان و توزیع زمانی تغذیه طبیعی آبخوان ها خالی از اشکال نیست. بنابراین به منظور استفاده از مدل در جهت مدیریت بهره برداری از آبخوان بایدآن را با منطقه مورد نظر تطبیق و تنظیم داد. بدین ترتیب که ضرایبی که دارای عدم قطیعت هستند، به گونه ای تغییر داده شوند که مقادیر سطح آب مشاهده شده و محاسبه شده تقریبا و در حد قابل قبولی منطبق بر هم گردند. این فرایند را واسنجی، تنظیم، تطبیق یا کالیبراسیون مدل می نامند.
به طور کلی پارامترهایی که در مدل احتیاج به تصحیح دارند، ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان و مقادیر عددی تغذیه و تخلیه از آبخوان است. در حالت كلي اولين مرحله در واسنجي مدل طراحي يك مدل جريان پايدار مي باشد كه مقادير بدست آمده از آن براي شرايط اوليه در مرحله شبيه سازي جريان ناپايدار به كار گرفته مي‌شود(Wang,1982).
اگرچه واسنجي حالت ماندگار، عملاً در مدل سازي داراي ارجحيت است ولي بنا به دلايل زير بايستی واسنجي حالت نا ماندگار نيز وجود داشته باشد :
* جريان آب زيرزميني به طورطبيعي ناماندگارو اغلب درمعرض تغييرات مصنوعي است.
* هدف معمول مدل، پيش بيني است كه از لحاظ تعريفي وابسته به زمان مي باشد.
* واسنجي ماندگار، شامل خواص ذخيره اي آبخوان كه براي پيش بيني بحراني است، نمي باشد.

فرآیند واسنجی یا بهصورت دستی(سعی و خطا) و یا بهصورت اتوماتیک و بهروش مدلسازی معکوس برای شناسایی پارامتر بهینه، صورت میگیرد.
در ادامه به بررسي انواع روش هاي واسنجي به طور مختصر پرداخته مي شود.

1- کالیبراسیون سعی وخطا

روش سعی و خطا در واسنجی مدل از قدیمی ترین و در عین حال موثر ترین روش ها می باشد. در این روش مقادیر پارامتر ها ی مدل به عنوان ورودی به مدل دا ده می شود و پس از اجرای مدل بین مقادیر سطح آب مشاهده شده و محاسبه شده مقایسه انجام می شود. در صورتی که تفاوت قابل ملاحظه ای بین این دو وجود داشته باشد، پارامتر ها با دید کارشناسی تصحیح شده و مجددا به مدل داده و مدل راه اندازی می شود. این کار تا رسیدن به نتایج قابل قبولی ادامه می یابد . گردش کار در شکل زیر ( 3-5) نشان داده شده است.

شکل(3-4) مراحل مختلف کالیبراسیون سعی وخطا

بهطور کلی روش سعی و خطا مزایا و معایب زیر را دارد:
– روش سعی و خطا نیاز به یک برنامه کامپیوتری جدید ندارد و با همان برنامه اصلی میتوان کالیبراسیون را انجام داد.
– این روش باعث می شود که نسبت به منطقه شناخت بیشتری پیدا کنیم.
– زمان زیادی را میطلبد بهخصوص در حالتی که پارامترها همبستگی زیادی با همدیگر داشته باشند.
– عدم یکتایی نتایج در آن به وضوح به دست میآید یعنی مدلهای کالیبره شده متفاوتی برای یک منطقه میتوان به دست آورد.

2 -کالیبراسیون اتوماتيك

كاليبراسيون اتوماتيك با استفاده از كدهايي صورت ميگيرد كه به روش مستقيم يا غير مستقيم براي حل مدل معكوس ساخته شدهاند. در روش مستقيم پارامترهاي مدل به عنوان متغير وابسته و بارهاي هيدروليكي به عنوان متغير مستقل در معادله كنترلكننده در نظر گرفته ميشوند. بنابراين بارهاي هيدروليكي بايد براي تك تك سلولهاي مدل وارد گردد. اما تنها در تعداد اندكي از سلولها بار هيدروليكي وجود دارد و در ساير سلولها بايد بار هيدروليكي با درونيابي محاسبه گردد. در اين روش به دليل استفاده از بارهاي هيدروليكي و مقادير محاسباتي پارامترها در تك تك سلولها، خطاي بيلان سلولي كاهش مييابد. خطاي اندازهگيري در اين روش در نظر گرفته نميشود. در روش غير مستقيم مدل بطور مكرر اجرا شده و در هر تكرار كد معكوس بارهاي هيدروليكي محاسبه شده را كنترل كرده و پارامترهاي مدل را با هدف حداقل كردن تابع هدف تغيير ميدهد. با وجود اينكه روش غير مستقيم پايدارتر از روش مستقيم است احتمال ناپايدار شدن اين روش نيز وجود دارد. البته ناپايداري روش غير مستقيم را ميتوان با زونبندي مناسب پارامترهاي آبخوان كنترل نمود. يك راه ديگر براي كنترل ناپايداري، استفاده از اطلاعات اوليه براي تعيين محدوده منطقي پارامترهاي تخميني است. وقتي از اطلاعات اوليه براي تخمين پارامتر استفاده ميشود مدل معكوس شرطي خواهد

پایان نامه
Previous Entries دانلود پایان نامه با موضوع مدل سازی، ایالات متحده، سطح ایستابی Next Entries دانلود پایان نامه با موضوع شبیه سازی