دانشکده فنی مهندسی
مهندسی عمران گرایش مدیریت و مهندسی منابع آب
ساخت مدل مفهومی در Modflow
پدید آورنده:
استاد:
تیر 1400
مدل مفهومی
مدل مفهومی یک نمایش از سیستم است که توسط ترکیبی از مفاهیمی است که برای کمک به درک، فهم، یا شبیه سازی یک موضوع استفاده می شود. بعضی از مدل ها اجسام فیزیکی هستند؛ برای نمونه، یک مدل اسباب بازی که جمع شده و ممکن است مانند شئی که نمایش می دهد عمل کند. وقتی یک سازه را به همراه ابعاد آن بطور شماتیک نشان می دهیم در واقع مدل مفهومی تحقیق را به نمایش درآورده ایم. اگر محقق در تحقیق خود با بیش از یک متغییر همراه باشد مدل مفهومی باید نشان دهنده روابط بین متغییرها، جهت آنها و در حدامکان، مثبت یا منفی بودن رابطه باشد.مدل مفهومی تحقیق از دل بررسی مبانی نظری استخراج می گردد.در ادامه با ساخت یک مدل مفهومی در محیط GMS آشنا می شویم.تعیین مرزآبخوان یا مرز محدوده مطالعاتی،توزیع پارامتر های هیدرولوژیکی اعم از چاه های بهره برداری،وضعیت تخلیه و تغذیه رودخانه،ضخامت لایه اشباع،هدایت هیدرولیکی و… مجموعه ای از اطلاعات مدل مفهومی ما را نشان خواهد داد در واقع با ساخت مدل مفهومی دیدی ابتدایی از مدلسازی آبخوان پیدا خواهیم کرد.
ایجاد منطقه مطالعاتی
در ابتدای کار برای اینکه حوزه مورد نظر خود را تعیین کنیم باید از فایل های موجود استفاده کرده وسپس آنرا ادیت کنیم به همین منظور بر روی گزینه Edit کلیک کرده و مناطقی را که فاقد داده های آماری میباشند با استفاده از گزینه Cut Polygons Tools، از لایه حذف میکنیم.همچنین میتوان با استفاده از ابزار های موجود در Arctoolbox لایه ابتدایی را به لایه پولیگونی تبدیل کنیم.
ساخت مدل مفهومی
در ابتدا برای ساخت مدل مفهومی نیازمند این هستیم که لایه های مختلف آبخوان ها،رودخانه ها،باران سنج ها ،هیدرومترها و سینوپتیک ها را شبیه سازی کنیم. برای این کار میتوانیم از فایل های آماده موجود با فرمت SHP استفاده کرده و این لایه ها را در محیط نرم افزار ArcMap بررسی، سپس تغییرات لازم را در هر کدام از لایه ها اعمال کنیم.
ساخت مدل مفهومی(ادامه)
داده های ورودی مورد نیاز برای ساخت یک مدل مفهومی شامل همه داده ها اعم از پیزومتر،چاه ها،محدوده آبخوان،هدایت هیدرولیکی،وضعیت شرایط مرزی و…میباشد.برای شروع وارد برنامه GMS شده بر روی صفحه کلیک راست کرده سپس گزینه New را زده و Conceptual model را انتخاب میکنیم.در تب باز شده اسم پروژه را وارد میکنیم در بخش بعدی مد فلو را انتخاب میکنیم سپس اوکی را میزنیم.در ایران از LPF به علت متعادل بودن داده های مورد نیاز استفاده میشود.
ساخت مدل مفهومی(ایجاد مرز آبخوان)
در قسمت بعد از تب Edit گزینه Units را انتخاب کرده و یکاهای مورد استفاده را تنظیم میکنیم.در ایران داده های مورد استفاده برای طول، متر و برای زمان، روز میباشد.برای اینکه داده های مورد نظر را در Gms بسازیم لازم است تا پوشش لایه ها را با استفاده از لایه هایShape File موجود در GIS فراخوانی کنیم.بدین منظور پروژه خود را انتخاب کرده راست کلیک را زده و گزینه New Coverage را انتخاب میکنیم.در بخش باز شده ابتدا اسم لایه پوششی را انتخاب میکنیم به عنوان مثال آکیوفر سپس گزینه Layer Range را به خاطر ماهیت این لایه انتخاب کرده و Ok را میزنیم.
ساخت مدل مفهومی(ایجاد مرز آبخوان)
باید دقت کنیم تیک گزینه Use To Define Model Boundary را برای لایه آکیوفر زده باشیم. لایه پوششی آکیوفر ساخته شد حال باید شیپ فایل مورد نظر را وارد لایه پوششی کنیم.برای این کار لایه پوششی را انتخاب کرده و گزینه Open را زده و شیپ فایل موردنظر را انتخاب میکنیم.برای اینکه برنامه شیپ فایل را وارد لایه پوششی کند،لایه مورد نظر را انتخاب کرده تب GISرا زده و گزینه Shape ->Feature Object را انتخاب میکنیم. با اینکار لایه پوششی آکیوفر ایجاد شد. همچنین میتوان جزییات این لایه را مشاهده کرد.
*مساحت ناحیه مطالعاتی یعنی استان اردبیل 17953 کیلومتر
مربع میباشد.
ساخت مدل مفهومی(ایجاد لایه چاه های بهره برداری و مشاهداتی)
برای ساختن لایه هایی که در اینترنت وجود ندارند نظیر پیزومتر، چاه ها کافیست در محیط اکسل مختصات xوy را به همراه دبی های موجود ثبت نموده و با فرمت .xls سیو کنیم برای اینکار ابتدا از برنامه گوگل ارث مختصات چاه یا پیزومتر مورد نظر خود را استخراج کرده سپس در اکسل ثبت میکنیم و به برنامه ArcGis منتقل میکنیم.
ساخت مدل مفهومی(ایجاد لایه چاه های بهره برداری و مشاهداتی)
در قدم بعدی با استفاده از Add Data در برنامه ArcGis داده ها را فراخوانی میکنیم بعد از آن روزی گزینه Display XY Data کلیک کرده و نوع سیستم موردنظر را انتخاب میکنیم.(WGS1984) در نهایت از گزینه Export شیپ فایل لایه مورد نظر را ایجاد میکنیم.
ساخت مدل مفهومی(ایجاد لایه چاه های بهره برداری و مشاهداتی)
حال کافیست برای ساختن لایه پوششی چاه ها،پس از فراخوانی شیپ فایل مربوطه در قسمت New Coverage اسم لایه مورد نظر را نوشته و سپس قسمت Wells را انتخاب کنیم خواهیم دید چاه های مورد نظر با مختصات،دبی و ایستگاه نمایان شد.
ایجاد لایه تغذیه شونده
در بحث ریچارج 3 نوع داده داریم: ریچارج نفوذ از بارش،پساب و رودخانه.میتوان هرکدام از این داده ها را به تنهایی یا ترکیب همدیگر شبیه سازی کرده و در نظر بگیریم.پس ابتدا فایل های رودخانه و آکیوفر مورد نظر را انتخاب کرده از گزینه Clipموجود در تب Geoprocessing استفاده کرده و لایه جدید با ترکیب رودخانه و آکیوفر ایجاد میکنیم.برای اینکه حریم رودخانه را تعیین کنیم از قسمت Bufferاستفاده میکنیم باید توجه داشت برای اینکه همه بافرها را در یک لیست قرار بدهیم در بخشDissolve Typeگزینه All را انتخاب میکنیم.در نهایت بعد از طی مراحل فوق، برای ترکیب کردن رودخانه و آکیوفر از گزینهMerge استفاده کرده و لایه نهایی ایجاد میشود.تغذیه مورد استفاده ما فقط از نوع رودخانه ای خواهد بود.
ایجاد لایه تغذیه شونده(ادامه)
در نهایت لایه تغذیه شونده را در برنامه GMS فراخوانی میکنیم.
لایه ضریب هیدرولیکی(K)
برای ایجاد لایه هدایت هیدرولیکی میتوان به دو صورت عمل کرد:ایجاد لایه K در راستای XوY و ایجاد لایه K در یک لایه.برای ایجاد لایه K در راستای XوY ابتدا مختصات و مقدار نقاط مورد استفاده را به صورت مجزا در محیط آرک وارد کرده و سپس با استفاده از برنامه GMS فراخوانی میکنیم.اگر هدایت هیدرولیکی را فقط در یک راستا داشته باشیم کافیست در محیط GMS تیک راستای مورد نظر را بزنیم به این ترتیب لایه پوششی هدایت هیدرولیکی ساخته خواهد شد.(در ایران فقط KX)
لایه تراز سطح ایستابی
برای ایجاد لایه خطوط هم تراز از قسمت Arctoolbox در گزینه Sptial Analyst Tools قسمت Intepolation را انتخاب کرده و برروی بخش IDM کلیک میکنیم در قسمت باز شده فایل پیزومتر را به عنوان ورودی انتخاب کرده و تراز سطح ایستابی را در فیلد Z Value field قرار میدهیم.برای شناساندن محدوده مورد نظر در بخش Environmentبخش Proccessing Extend قسمت آکیوفر را وارد میکنیم(به محض وارد کردن مختصات محدوده نمایان خواهد شد) سپس در قسمت Raster Analyses زیر شاخه Mask آکیوفر محدوده را انتخاب میکنیم با اینکار پهنه بندی انجام گرفت.حال کافیست در قسمت Sptial Analyst Tools بخش Surface گزینه Contuor را انتخاب کنیم.فایل ورودی پهنه بندی را وارد کرده و فاصله گام ها را (معمولا 20 متر) انتخاب کرده و اوکی را میزنیم با اینکار لایه تراز سطح آب ایجاد شد.برای نمایان شدن عددی خطوط از قسمت Label در تنظیمات گزینه Contour را انتخاب میکنیم.
تعیین نقطه ورودی و خروجی
برای تعیین محل ورودی و خروجی با استفاده از خطی عمود بر خطوط هم تراز ایستابی،اگر خط عمود به موازات مرز آبخوان بود این مرز مرز نفوذ ناپذیر است.برای تعیین ورودی یا خروجی اگر مقدار تراز ایستابی از بالا به پایین کاهش پیدا کند ورودی و اگر افزایش پیدا کند خروجی خواهد بود.بعد از تعیین مرز ها نوبت جدا کردن مرزهاست.از دستور feature To Line استفاده کرده و ناحیه مورد مطالعه را به عنوان داده ورودی انتخاب میکنیم با اینکار مرز محدوده مورد مطالعه رسم میشود سپس با استفاده از ابزار Split Tool ناحیه های ورودی یا خروجی را تعیین میکنیم.
مقدار تبخیرآب زیرزمینی
بر اساس روش وایت،چنانچه تراز سطح آب زیر زمینی تا 5 سانتی متری تراز زمین قرار گیرد،میزان تبخیر تقریبا مشابه سطح آب آزاد میباشد.با عمیق شدن تراز ایستابی و رسیدن به عمق 50 سانتی متری،میزان تبخیر معادل18 درصد و در یک متری به حدود 6 درصد تبخیر از تشتک میرسد.در اعماق 3 تا 5 متری بسیار ناچیز و در عمق 5 متری و بالاتر تقریبا صفر خواهد بود.
مقدار تبخیرآب زیرزمینی(ادامه)
در ادامه باید یک یا چند ایستگاه در محدوده مورد مطالعه داشته باشیم تا بتوانیم میزان تبخیر از تشتک را بر حسب میلی متر بدست آوریم.سپس با توجه به عمق سطح ایستابی میزان تبخیر کل را محاسبه میکنیم، که اینکار با ضرب درصد تبخیر از تشتک به میزان تبخیر از تشتک و ضرب مقدار بدست آمده به مساحت حوزه صورت میگیرد.برای تعیین عمق آب موجود در پیزومتر به دو صورت میتوان عمل کرد.روش اول میتوان فایل رستر توپوگرافی(Dem_Topo) را از فایل رستر تراز ایستابی(Dem_Water) تفریق کنیم که این عمل از طریق روشRaster Calculator انجام میشود.
مقدار تبخیرآب زیرزمینی(ادامه)
روش دوم این است که عمق آب را ازشرکت های منابع آب،برای هر پیزومتر تهیه کنیم و به جدول توصیفی اضافه کنیم.به عبارت دیگر مقدار عمق آب به اضافه مقدار ماهانه هر پیزومترشود به سطح تراز زمین خواهیم رسید.پس اگر با استفاده از روش اول عمق آب را از تفریق مقادیر فایل رستر توپوگرافی و سطح ایستابی یافتیم فورا با استفاده از پهنه بندی و دسته بندی(Reclassify) لایه عمق آب را ایجاد میکنیم.در روش دوم فایل رستری را با استفاده از داده های موجود در سازمان های آب، به فایل پهنه بندی تبدیل و طبقه بندی میکنیم. چون فایل رستر نداشتیم عمق آب را به طور فرضی در نظر گرفتیم و با استفاده از جدول میزان تبخیر بدست می آید،که به صورت دستی در برنامه Gms رسم خواهیم کرد.
مقدار تبخیرآب زیرزمینی(ادامه)
در بخش مدلسازی لایه تبخیر باید تیک قسمت سرعت حداکثر تبخیر(Max ET Rate)،میزان تبخیر(ET elev) وعمق آب در بحث تبخیر(ET extinction) را بزنیم.به دلیل اینکه استان اردبیل تبخیر آنچنانی ندارد میتوان از این قسمت چشم پوشی کرد.برای ایجاد لایه تبخیرباید از شیپ فایل موجود استفاده کرد.با ایجاد لایه پوششی کافیست یک پولیگون با گزینه Create Arc ایجاد کنیم و با استفاده از feature Objects گزینه Build Polygon را انتخاب میکنیم.حال کافیست به تنظیمات لایه پولیگونی رفته و اعداد منطقه را وارد کنیم.
رسم لایه رودخانه
برای رسم لایه رودخانه یا میتوان از شیپ فایل موجود استفاده نمود و یا میتوان به صورت دستی در برنامه Gms آنرا رسم کنیم.برای این کار ابتدا لایه ای با نام River ایجاد میکنیم سپس با توجه به فصلی یا دایمی بودن آن نوع لایه خود را انتخاب میکنیم(با توجه به اینکه رواناب یا رودخانه فصلی داشته باشیم از لایه Stream استفاده خواهیم کرد.) برای طراحی دستی رودخانه از بخش رسم،گزینه Create Arc را انتخاب کرده و مسیری که مد نظرماست رسم میکنیم.ورودی های مورد نیاز،تراز سطح بستر رودخانه،تراز سطح آب و مقدار ضریب انتقال میباشد که دو مورد اول برای ابتدا و انتهای مسیر الزامیست.
نحوهGridبندی
باید از مش بندی بعد از طراحی مدل مفهومی استفاده کنیم چون مدل Modflow یک مدل توزیعی میباشد. برای این کار ابتدا روی گزینه 3d Grid کلیک کرده تا تب Gridفعال گردد.گزینه Create Grid را انتخاب میکنیم.در تب باز شده از ما مختصات کل اکیوفر و طول مش بندی در هر راستا را خواهد خواست.برای یافتن مختصات آکیوفر، باید در محیط Arcgis ازبخشDraw دو نقطه با طول و عرض مشخص انتخاب کنیم(گزینه Marker) که کل محدوده مطالعاتی داخل خطوط متقاطع دونقطه باشد.بعد از انتخاب نقاط روی Layers راست کلیک کرده و گزینه Convert Graphic To Features را انتخاب میکنیم.روی گزینه سرچ کلیک کرده و تابع add xy Coordinates را انتخاب میکنیم و لایه مورد نظر را درآن وارد میکنیم. در انتها طول و عرض های 2 نقطه را از هم کم میکنیم.در بخش گرید در تب اول مختصات ، طول و تعداد مش بندی در راستای X را وارد کرده و در تب دوم نیز مختصات،طول و تعداد مش بندی در راستای Y را قرار میدهیم(که در فایل اکسل میزان آن بدست می آید) سپس با استفاده از گزینه Active Cells in Coverageدر تب feature Objects فقط داخل محدوده خود را مش بندی میکنیم.
نحوهGridبندی(ادامه)
هر قدر مساحت ناحیه مورد نظر بیشتر باشد،گرید بندی سخت تر و تعداد سلول های مش بندی بیشتر خواهد شد.
General Head Boundray
در شبیه سازی باید شرایط ورودی و خروجی به طور کامل مشخص باشد پس باید سلول هایی که ورودی،خروجی دارند را انتخاب میکنیم.به همین منظور از طریق Create Point مرز های ورودی و خروجی را معرفی میکنیم.اگر روی هر قسمت کلیک کنیم دو داده مدنظر خواهد بود:تراز سطح ایستابی و ضریب انتقال. چون تعیین داده های نقاط جنرال سخت است با استفاده از پیزومترهای موجود تراز سایر پیزومتر ها را درون یابی کنیم برای اینکار از لایه Tin استفاده میکنیم.با اینکار کل جنرال باندری درون یابی شد.
با سپاس از عنایت و صبوری شما عزیزان