خلاصه پایان نامه بررسی نفوذ آب شور از کویر چاه جم به آبخوان دشت دامغان در استان سمنان
پایاننامه کارشناسی ارشد مهندسی آب- مدیریت منابع آب
بررسی نفوذ آب شور از کویر چاه جم به آبخوان دشت دامغان با استفاده از نرمافزار Visual MODFLOW و بسته SEAWAT. این پژوهش با شبیهسازی عددی، تأثیر سناریوهای مختلف برداشت آب زیرزمینی را بر افت سطح آب، گسترش شوری و کیفیت آبخوان ارزیابی میکند.
چکیده:
آبهای زیرزمینی مهمترین منبع تأمین آب شیرین در بسیاری از مناطق خشک و نیمهخشک به شمار میروند و نقش اساسی در تأمین نیازهای شرب، کشاورزی، صنعت و دامداری دارند. با توجه به محدودیت منابع آبهای سطحی و افزایش تقاضا برای مصرف آب، وابستگی به منابع آب زیرزمینی در بسیاری از مناطق کشور افزایش یافته است. در مقابل، برداشت بیرویه از آبخوانها موجب افت سطح آب زیرزمینی و بروز مشکلاتی مانند نفوذ آب شور، کاهش کیفیت منابع آب و تهدید پایداری آبخوانها شده است. یکی از مهمترین پیامدهای این وضعیت، پیشروی آب شور از نواحی شور به سمت آبخوانهای آب شیرین است که میتواند کیفیت منابع آب را به شدت کاهش داده و بهرهبرداری از آنها را با محدودیت مواجه کند. این پژوهش با هدف بررسی نفوذ آب شور از کویر چاه جم به آبخوان دشت دامغان، وضعیت کنونی آبخوان را ارزیابی کرده و روند تغییرات آن را در شرایط مختلف مورد مطالعه قرار داده است.
دشت دامغان یکی از مناطق مهم استان سمنان است که بخش عمده نیاز آبی آن از منابع آب زیرزمینی تأمین میشود. براساس اطلاعات موجود، کیفیت آب شرب و کشاورزی در روستاهای شمال شرق این دشت به علت نفوذ آب شور از کویر چاه جم کاهش یافته و مقدار کل مواد جامد محلول در برخی نقاط به حدود ۷۰۰۰ میلیگرم بر لیتر رسیده است. ادامه این روند میتواند باعث گسترش جبهه شوری به سمت شهر دامغان و اراضی کشاورزی منطقه شود و پیامدهای گستردهای برای منابع آب و فعالیتهای اقتصادی به همراه داشته باشد. به همین دلیل، بررسی روند پیشروی آب شور و پیشبینی وضعیت آینده آبخوان، از مهمترین اهداف این پایاننامه محسوب میشود.
در این تحقیق، پدیده پیشروی آب شور از کویر چاه جم با استفاده از نرمافزار Visual MODFLOW به صورت سهبعدی شبیهسازی شده است. برای انجام مدلسازی، اطلاعات چاههای مشاهدهای کمی و کیفی طی یک دوره پنجساله مورد استفاده قرار گرفته و دادههای سالهای ۱۳۸۶ تا ۱۳۸۸ برای واسنجی مدل و اطلاعات سالهای ۱۳۸۹ و ۱۳۹۰ برای صحتسنجی آن به کار رفته است. پس از تکمیل مراحل واسنجی و صحتسنجی، وضعیت آبخوان برای سال ۱۳۹۵ تحت سه سناریوی مختلف شبیهسازی و پیشبینی شده است تا اثر تغییر میزان برداشت آب زیرزمینی بر افت سطح آب و گسترش شوری مورد ارزیابی قرار گیرد.
نتایج مدلسازی نشان میدهد که در صورت ادامه روند فعلی تخلیه و تغذیه آبخوان، بیشترین افت سطح آب زیرزمینی در سال ۱۳۹۵ در محدوده غرب شهر دامغان رخ خواهد داد و میزان افت به حدود ۱۶ متر خواهد رسید. همچنین میانگین غلظت نمک در چاههای کیفی نسبت به شرایط موجود افزایش خواهد یافت. این نتایج بیانگر آن است که ادامه روند کنونی بهرهبرداری از منابع آب زیرزمینی، علاوه بر کاهش سطح آبخوان، موجب تشدید نفوذ آب شور و کاهش کیفیت منابع آب خواهد شد و در آینده بهرهبرداری از این منابع را با مشکلات بیشتری مواجه میکند.
در بخش دیگری از پژوهش، تأثیر کاهش ۱۵ درصدی میزان پمپاژ چاههای بهرهبرداری بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که کاهش برداشت آب زیرزمینی موجب کاهش افت سطح آب و کند شدن روند پیشروی آب شور خواهد شد. همچنین افزایش غلظت نمک در این شرایط نسبت به سناریوی ادامه روند کنونی کمتر بوده و میزان افزایش شوری حدود ۴۵ درصد کاهش مییابد. این یافتهها نشان میدهد که مدیریت صحیح برداشت از منابع آب زیرزمینی میتواند نقش مؤثری در کنترل گسترش شوری و حفظ کیفیت آبخوان داشته باشد.
در مقابل، بررسی سناریوی افزایش ۱۵ درصدی پمپاژ نشان میدهد که با افزایش برداشت از چاههای بهرهبرداری، افت سطح آب زیرزمینی تشدید شده و میزان آن به حدود ۲۰ متر خواهد رسید. همچنین غلظت نمک در آبخوان افزایش بیشتری پیدا میکند و روند نفوذ آب شور با سرعت بالاتری ادامه خواهد یافت. مقایسه سه سناریوی بررسیشده نشان میدهد که نحوه مدیریت برداشت آب زیرزمینی تأثیر مستقیمی بر وضعیت کمی و کیفی آبخوان داشته و میتواند آینده منابع آب دشت دامغان را تحت تأثیر قرار دهد.
این پایاننامه با تأکید بر اهمیت منابع آب زیرزمینی، بیان میکند که حدود ۹۷ درصد آب موجود در کره زمین شور بوده و بخش قابل استفاده از منابع آب شیرین سهم بسیار محدودی از کل منابع آبی را تشکیل میدهد. در بسیاری از مناطق کشور که منابع آب سطحی وجود ندارد یا مقدار آن کافی نیست، آب زیرزمینی تنها منبع تأمین آب محسوب میشود. به همین دلیل، حفاظت از آبخوانها در برابر آلودگی، نفوذ آب شور و کاهش کیفیت آب، یکی از مهمترین موضوعات مدیریت منابع آب به شمار میرود. افزایش جمعیت، توسعه فعالیتهای انسانی و رشد مصرف آب، ضرورت برنامهریزی برای بهرهبرداری پایدار از منابع آب زیرزمینی را بیش از گذشته آشکار کرده است.
در ادامه پژوهش، ضرورت انجام این تحقیق با توجه به شرایط دشت دامغان تشریح شده است. هدف اصلی، بررسی میزان پیشروی آب شور از کویر چاه جم، ارزیابی وضعیت فعلی آبخوان و پیشبینی شرایط آینده در صورت ادامه روند موجود یا تغییر میزان برداشت آب زیرزمینی است. برای دستیابی به این هدف، مدلسازی با استفاده از نرمافزار Visual MODFLOW و بسته SEAWAT انجام شده و پس از واسنجی و صحتسنجی مدل، وضعیت آبخوان تحت سه سناریوی مدیریتی مورد ارزیابی قرار گرفته است. این رویکرد امکان بررسی تغییرات افت سطح آب و غلظت نمک را در شرایط مختلف فراهم کرده و مبنایی برای تحلیل وضعیت آینده آبخوان دشت دامغان ارائه میدهد.
در این پایاننامه، ضرورت حفاظت از منابع آب زیرزمینی به عنوان یکی از مهمترین منابع تأمین آب کشور مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به اینکه در بسیاری از مناطق ایران، بهویژه نواحی خشک و نیمهخشک، منابع آب سطحی محدود یا فصلی هستند، آب زیرزمینی اصلیترین منبع تأمین آب شرب، کشاورزی، صنعت و دامداری محسوب میشود. همین وابستگی سبب شده است که افزایش برداشت از آبخوانها، علاوه بر افت سطح آب، زمینه کاهش کیفیت منابع آب و گسترش نفوذ آب شور را فراهم کند. پژوهش حاضر با تأکید بر این موضوع، بررسی پیشروی آب شور از کویر چاه جم به آبخوان دشت دامغان را به عنوان مسئله اصلی تحقیق معرفی کرده و ضرورت برنامهریزی برای مدیریت این منابع را مورد بررسی قرار داده است.
یکی از بخشهای مهم تحقیق به بررسی منابع آلودگی آبهای زیرزمینی اختصاص دارد. در این بخش بیان شده است که کیفیت آب زیرزمینی یکی از عوامل اساسی در مدیریت منابع آب محسوب میشود و افزایش تقاضا برای مصرف آب، کیفیت این منابع را به یکی از محدودکنندهترین عوامل توسعه تبدیل کرده است. با گسترش آلودگی در آبخوانها، بازگرداندن کیفیت آب به شرایط اولیه بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود. بر همین اساس، منابع آلودگی آبهای زیرزمینی در چهار گروه شامل منابع محیطی، منابع داخلی، منابع صنعتی و منابع کشاورزی معرفی شدهاند. نفوذ آب شور از آبخوانهای مجاور یا نواحی شور، یکی از مهمترین منابع محیطی کاهش کیفیت آب زیرزمینی محسوب میشود که میتواند باعث افزایش شوری و کاهش قابلیت استفاده از منابع آب گردد.
در ادامه، پایاننامه به تشریح فرآیند نفوذ آب شور در آبخوانها میپردازد و بیان میکند که افزایش برداشت از منابع آب زیرزمینی باعث برهم خوردن تعادل هیدرولیکی آبخوان و حرکت جبهه آب شور به سمت آب شیرین میشود. در آبخوانهای مجاور نواحی شور، اختلاف چگالی میان آب شور و آب شیرین سبب تشکیل ناحیه انتقالی میشود که در آن اختلاط دو سیال بهتدریج رخ میدهد. ویژگیهای این ناحیه به شرایط هیدرولوژیکی، میزان برداشت آب و مشخصات آبخوان وابسته است و تغییر هر یک از این عوامل میتواند سرعت پیشروی شوری را تغییر دهد. به همین دلیل، شناخت رفتار آبخوان و شبیهسازی تغییرات آن برای مدیریت منابع آب اهمیت فراوانی دارد.
اهداف اصلی این پژوهش بر بررسی وضعیت موجود آبخوان دشت دامغان، ارزیابی روند نفوذ آب شور از کویر چاه جم و پیشبینی شرایط آینده در سناریوهای مختلف مدیریتی استوار است. برای تحقق این اهداف، ابتدا اطلاعات مربوط به شرایط موجود آبخوان به عنوان دادههای ورودی وارد مدل شده و پس از واسنجی و صحتسنجی، وضعیت آبخوان برای دوره دهساله آینده شبیهسازی شده است. سه سناریوی ادامه روند موجود، کاهش ۱۵ درصدی پمپاژ و افزایش ۱۵ درصدی پمپاژ به عنوان مبنای پیشبینی انتخاب شدهاند تا تأثیر هر یک بر افت سطح آب و تغییرات غلظت نمک بررسی شود.
در بخش فرضیات تحقیق، ویژگیهای فیزیکی آبخوان دشت دامغان بر اساس اطلاعات شرکت سهامی آب منطقهای استان سمنان تشریح شده است. آبخوان منطقه به صورت آبخوان آزاد سهلایه در نظر گرفته شده و مقادیر ضریب ذخیره، ضریب هدایت هیدرولیکی، چگالی آب و سایر پارامترهای مدل بر اساس اطلاعات موجود تعیین شدهاند. همچنین آمار مربوط به چاههای بهرهبرداری، چاههای مشاهدهای کمی و کیفی و بیلان آبخوان به عنوان دادههای اصلی مدل مورد استفاده قرار گرفتهاند. بر اساس محاسبات انجامشده، تأثیر چشمهها و قنوات در بیلان آبخوان ناچیز تشخیص داده شده و در مدل لحاظ نشده است.
پژوهش همچنین به مزایای استفاده از آبهای زیرزمینی نسبت به منابع آب سطحی اشاره میکند. کیفیت مناسبتر آب زیرزمینی، آلودگی کمتر، هزینه پایینتر استخراج، پایداری بیشتر در برابر خشکسالی و قابلیت استفاده در مناطق فاقد منابع آب سطحی، از مهمترین ویژگیهای این منابع عنوان شدهاند. در مقابل، برداشت بیش از حد از آبخوانها موجب کاهش سطح آب، خشک شدن قنوات، پیشروی آب شور و آلودگی منابع آب زیرزمینی شده و استمرار این روند میتواند بهرهبرداری از این منابع را با مشکلات جدی مواجه کند. این موضوع ضرورت مدیریت صحیح برداشت از آبخوانها و کنترل عوامل مؤثر بر کاهش کیفیت آب را بیش از پیش آشکار میسازد.
در مجموع، نتایج این پایاننامه نشان میدهد که روند بهرهبرداری از منابع آب زیرزمینی تأثیر مستقیمی بر وضعیت کمی و کیفی آبخوان دشت دامغان دارد. شبیهسازی انجامشده با استفاده از نرمافزار Visual MODFLOW و بسته SEAWAT نشان میدهد که ادامه روند کنونی برداشت، موجب افت بیشتر سطح آب و افزایش غلظت نمک خواهد شد. در مقابل، کاهش میزان پمپاژ میتواند سرعت پیشروی آب شور را کاهش داده و از افزایش شوری آبخوان جلوگیری کند، در حالی که افزایش برداشت از چاهها، روند افت سطح آب و نفوذ آب شور را تشدید خواهد کرد. بر این اساس، نتایج تحقیق اهمیت مدیریت برداشت آب زیرزمینی، کنترل میزان پمپاژ و بهرهگیری از مدلسازی عددی را در حفاظت از منابع آب زیرزمینی دشت دامغان و کاهش مخاطرات ناشی از نفوذ آب شور نشان میدهد.
Abstract
The intrusion of saltwater into groundwater aquifers could be happen not only in coastal areas, but also in areas where aquifers are adjacent to desert. Iran has many deserts and overwithdrawal of groundwater causes saltwater intrusion in aquifers adjacent to deserts. One of these areas is Damghan plain in Semnan Province.
According to the report of ‘’ Semnan Regional Water Company ’’ groundwater quality in that plain was declined and TDS reached to 7000 mg/lit in some villages, caused by saltwater intrusion due to overwithdrawal of groundwater.
To be able to forecast the decline of groundwater quality in that area in future, a 3-D model was made using MODFLOW Software and three scenarios were considered. The model first was calibrated and validated by using the data presented by ‘’ Semnan Regional Water Company ’’.
The modeling results showed that in case of continuation of current groundwater withdrawal, groundwater table will be drawn down about 16 m in year 1395 and TDS will increase about 150 mg/lit.
On the other hand, %15 decrease of groundwater withdrawal will draw groundwater table 14 m down and will limit the increase of TDS to 82 mg/lit.
Meanwhile %15 increase of groundwater withdrawal will drop groundwater level 20 m down and will cause TDS to increase 464 mg/lit.
Keywords: Groundwater, Saltwater intrusion, Damghan plain, Semnan province, Iran, MODFLOW, Modeling
فهرست پایان نامه بررسی نفوذ آب شور از کویر چاه جم به آبخوان دشت دامغان در استان سمنان
فهرست:
1. فصل اول کلیات.. 1
1-1 مقدمه. 2
1-2 اهداف و ضرورت تحقیق حاضر. 3
1-3 سوالات اساسی تحقیق.. 3
1-4 فرضیات تحقیق.. 4
1-5 دلایل استفاده از آب زیرزمینی.. 4
1-6 آلودگی آب های زیرزمینی.. 5
1-7 مسئله نفوذ شوری به آبخوان های ساحلی.. 6
1-8 خسارتهای پیشروی آب شور در سفره آب زیرزمینی.. 7
1-9 روشهای کنترل پیشروی آب شور درآبخوان.. 9
1-9-1 کاهش نرخ پمپاژ. 9
1-9-2 تغییر مکان چاههای پمپاژ. 10
1-9-3 سدهای زیرزمینی.. 10
1-9-4 تغذیه طبیعی.. 11
1-9-5 تغذیه مصنوعی.. 11
1-9-6 تخلیه آب شور. 12
1-9-7 روش های ترکیبی.. 13
1-9-8 نمک زدایی آب شور با استفاده از روش اسمزی معکوس... 14
2. فصل دوم مرور پیشینه مطالعات.. 15
2-1 مقدمه. 16
2-2 تحقیقات آزمایشگاهی در مورد پیشروی آب شور در آبخوانهای ساحلی و کنترل آن.. 16
2-3 تحقیقات عددی در مورد پیشروی آب شور در آبخوانهای ساحلی.. 22
2-4 تحقیقات میدانی درمورد پیشروی آب شور به آبخوانهای ساحلی و کنترل آن.. 25
3. فصل سوم مبانی تئوری حاکم.. 32
3-1 مقدمه. 33
3-2 تعریف مدل.. 33
3-3 مدل جریان آب زیرزمینی.. 34
3-4 مدل ریاضی.. 34
3-5 معادلات حاکم بر جریان آب زیرزمینی.. 34
3-5-1 معادله برنولی.. 34
3-5-2 معادله پیوستگی.. 35
3-5-3 معادله دارسی.. 36
3-5-4 معادله عمومی حاکم بر آب زیرزمینی.. 37
3-5-5 معادلات شرایط مرزی: 39
3-5-6 معادلات حاکم بر پیشروی آب شور. 40
3-6 مراحل تهیه مدل ریاضی.. 43
3-6-1 هدف مدل سازی.. 43
3-6-2 ایجاد مدل مفهومی.. 43
3-6-3 تهیه برنامه کامپیوتری.. 45
3-6-4 طراحی مدل.. 45
4. فصل چهارم منطقه مورد مطالعه. 48
4-1 مقدمه. 50
4-2 موقعیت جغرافیایی محدوده. 50
4-3 آب و هوای محدوده. 51
4-4 بررسی های اکتشافی.. 51
4-4-1 حفاری های اکتشافی.. 51
4-5 عمق سنگ کف دشت دامغان.. 54
4-6 آزمایشهای پمپاژ. 55
4-7 قابلیت انتقال.. 55
4-8 ضریب ذخیره. 56
4-9 بهره برداری از آب زیرزمینی.. 56
4-9-1 چاه ها 56
4-10 بیلان آب زیرزمینی در محدوده مطالعاتی دامغان.. 58
4-11 محدوده بیلان.. 58
4-12 بیلان آب زیرزمینی درآبخوان آبرفتی.. 58
4-12-1 جریان ورودی آب زیرزمینی به محدوده بیلان ( Qin ) 59
4-12-2 تغذیه ناشی از بارندگی در محدوده بیلان (Rp) 59
4-12-3 تغذیه ناشی از جریانهای سطحی و سیلابها ( Rr ) 60
4-12-4 تغذیه ناشی از پساب مصارف (Rw) 60
4-12-5 جریان خروجی زیرزمینی(Qout) 61
4-12-6 تبخیر از آب زیرزمینی( E ) 61
4-12-7 بهرهبرداری از سفره آب زیرزمینی در محدوده بیلان (W) 61
4-12-8 زهکشی از آب زیرزمینی ( D ) 62
4-13 تغییرات حجم مخزن آبخوان در دوره بیلان.. 62
5. فصل پنجم تهیه مدل مفهومی منطقه مورد مطالعه. 65
5-1 خصوصیات هندسی آبخوان.. 66
5-2 تهیه شبکه مدل و گسسته سازی مکانی.. 66
5-3 گسسته سازی زمانی.. 68
5-4 شرایط مرزی مدل.. 69
5-4-1 مرز با بار هیدرولیکی عمومی.. 70
5-5 مؤلفه های هیدروژئولوژیکی آبخوان.. 70
5-5-1 برداشت آب از آبخوان.. 70
5-6 تبخیر. 71
5-7 تغذیه. 72
5-8 پارامترهای هیدرولیکی آبخوان.. 72
5-9 منطقه تغذیه آلودگی.. 73
5-10 شرایط اولیه. 74
5-10-1 بار هیدرولیکی اولیه. 74
5-10-2 غلظت اولیه. 74
5-11 واسنجی2 و تحلیل حساسیت... 76
5-11-1 واسنجی خودکار. 77
5-12 صحت سنجی.. 82
5-13 واسنجی کیفی.. 84
5-14 صحت سنجی کیفی.. 88
6. فصل ششم مدیریت منابع آب زیرزمینی.. 90
6-1 مقدمه. 91
6-2 اقدامات مناسب برای بهبود اوضاع. 91
6-2-1 عدم پمپاژ. 91
6-2-2 تغذیه مصنوعی سفره آب زیرزمینی.. 91
6-2-3 کاهش پمپاژ. 92
6-3 سناریوی اول - پیش بینی وضعیت آبخوان با فرض ادامه روند کنونی.. 92
6-3-1 افت سطح سفره آب زیرزمینی.. 92
6-3-2 افت کیفیت آب شیرین آبخوان دشت دامغان در اثر نفوذ آب شور. 94
6-4 سناریوی دوم – فرض کاهش 15 درصدی دبی پمپاژ چاه های بهره برداری.. 96
6-5 سناریوی سوم – فرض افزایش 15 درصدی پمپاژ چاه های بهره برداری.. 99
6-6 نتیجه گیری.. 102
6-7 مقدمه. 102
6-8 نتیجه گیری و پیش بینی وضعیت آبخوان.. 102
9-6 فهرست مراجع.. 105
منبع:
Abstract
The intrusion of saltwater into groundwater aquifers could be happen not only in coastal areas, but also in areas where aquifers are adjacent to desert. Iran has many deserts and overwithdrawal of groundwater causes saltwater intrusion in aquifers adjacent to deserts. One of these areas is Damghan plain in Semnan Province.
According to the report of ‘’ Semnan Regional Water Company ’’ groundwater quality in that plain was declined and TDS reached to 7000 mg/lit in some villages, caused by saltwater intrusion due to overwithdrawal of groundwater.
To be able to forecast the decline of groundwater quality in that area in future, a 3-D model was made using MODFLOW Software and three scenarios were considered. The model first was calibrated and validated by using the data presented by ‘’ Semnan Regional Water Company ’’.
The modeling results showed that in case of continuation of current groundwater withdrawal, groundwater table will be drawn down about 16 m in year 1395 and TDS will increase about 150 mg/lit.
On the other hand, %15 decrease of groundwater withdrawal will draw groundwater table 14 m down and will limit the increase of TDS to 82 mg/lit.
Meanwhile %15 increase of groundwater withdrawal will drop groundwater level 20 m down and will cause TDS to increase 464 mg/lit.
Keywords: Groundwater, Saltwater intrusion, Damghan plain, Semnan province, Iran, MODFLOW, Modeling