بررسی انتشار آلودگی در محیط متخلخل آبخوان بابل با استفاده ازمدل‌های MODFLOW وMODPATH

الموضوعات :

یاسر قندهاری ¹ (گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران.)
علیرضا زمانی نوری ² (گروه مهندسی عمران، واحد شهرقدس، دانشگاه ازاد اسلامی، تهران، ایران.)
بابک امین نژاد ³ (گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران.)

تاريخ الإرسال : 04 الإثنين , شوال, 1444 تاريخ التأكيد : 30 الثلاثاء , ذو الحجة, 1444 تاريخ الإصدار : 04 الخميس , ذو الحجة, 1444

الکلمات المفتاحية: آب زیرزمینی, شیرابه زباله, انتشار آلودگی, بابل,

ملخص المقالة :

زمینه و هدف: با توجه به افت شدید آب های زیرزمینی دشت های کشور به دنبال برداشت بی رویه از آنها برای مصارف کشاورزی، مدیران به دنبال راهکارهای مدیریت و احیا سفره های آب زیرزمینی هستند. یکی از راهکارهای جبران افت سطح آب زیرزمینی که خود از موثرترین عوامل نابودی ظرفیت تغذیه و افزایش کیفیت در پهنه آب زیرزمینی است، سناریوهای کاهش برداشت از چاه های کشاورزی و تهیه طرح های ممنوعیت با کمترین عدم قطعیت براساس حساسیت ناحیه ای به آلودگی است. هدف از این تحقیق پیش-بینی شرایط انتشار جریان و آلودگی منطقه بر اساس مدل های عددی است. شبکه تراز و جهت جریان آب زیرزمینی دشت با استفاده از نرم افزار MODFLOW در یک دوره بلند مدت و توسعه مدل پیش بینی با استفاده از عملیات واسنجی و صحت سنجی بر دوره پایه مطالعاتی انجام شود تا بتوان به اجرای سناریوهای پیش بینی از طریق اعمال محدودیت و کاهش برداشت بر منابع بهره برداری آبخوان، و مشخصاً چاه های کشاورزی، تا مرحله استخراج هیدروگراف پایدار دشت دست یافت.روش پژوهش: این تحقیق با هدف تخمین و پیش بینی وضعیت آلودگی رخ داده در سایت آلودگی شهری، با استفاده از برنامه های رایانه ای MODFLOW و MODPATH در نرم افزار GMS انجام شد. برای رسیدن به این هدف در مرحله اول، مدل عددی جریان آبخوان بوسیله کد MODFLOW تهیه و کالیبره گردید. سپس کد MODPATH برای ردیابی ذرات آلوده به روش پیشرو در حالت ماندگار مورد استفاده قرار گرفت. در مرحله دوم، تاثیر سناریوی افزایش و کاهش پمپاژ از چاه های بهره برداری بر زمان سیر، طول مسیر و ناحیه گیرش ذرات شیرابه منتهی به آنها به روش پسرو پیش بینی و ارزیابی شد. در مرحله سوم، ردیابی ذرات منتهی به چاه-های نمونه برداری کیفی در دشت به روش پسرو در حالت ماندگار پیش بینی و ارزیابی شد.یافته‌ها: مدل جریان آب زیرمینی با توجه به رویکرد خودکار واسنجی و صحت سنجی، کمترین انحراف آماری را بر روی پارامترهای بهینه سازی ایجاد نمود. همچنین مدل کیفیت انتقال ذرات بر روی مدل پیش بینی جریان آب های زیرزمینی به درستی اجرا شد. در آبخوان بابل، محدوده دفن پسماند در حیطه خارج از آبخوان تعیین شده، اشباع است. مشاهده شد، با تنظیم پارامترهای شبیه سازی انتقال ذرات ابر آلودگی پسماند، تخمینی از غلظت به مرزهای تراوا و شبکه آبراهه ای اطلاق گردید. به این معنی که در شبیه سازی انتقال ذرات، در اینجا منبع گسترش آلودگی، شبکه آبراهه ای و مرزهای تراوایی است که مستقیماً در دوره های بارندگی و بخصوص طغیان های سیلابی، از آلودگی متاثر خواهند بود. حد غلظت به صورت ارقام متغیر بر پایه تغذیه و بارش در محدوده و برابر با آستانه پایدار اولیه مورد تحقیق (لندفیل) به مدل داده شد. بر اساس نمودار تجمعی غلظت خروجی از مرزهای تراوا و مسیل جریان در ناحیه جنوب شرقی نیز روند تغییرات نمودار غلظت ابر آلودگی، در مدل سازی کیفی دشت نشان می دهد که در دوره پیش بینی، افزایش غلظت به شکل خطی بالا خواهد رفت. با توجه به اینکه محل قرارگیری دفع پساب در محدوده خارج از دشت می باشد، سرعت افزایش آلودگی تا دوره پایانی شبیه سازی ابتدایی چندان بالا نبوده است. با این حال، علت بالا رفتن حجم انباشت غلظت را می توان به وجود مرزهای تراوا و افت شدید آب های زیرزمینی در این ناحیه ربط داد. به عبارتی دیگر، با پایین رفتن بیش از اندازه تراز آب زیرزمینی در محدوده اشباع دشت، جهت جریان به سمت آبخوان با سرعت بالاتری حجم آب آلوده را منتقل خواهد کرد.نتایج: چنانچه وضعیت برداشت های آب‌های زیرزمینی به همین صورت ادامه یابد، علاوه بر کاسته شدن از ذخایر آب‌های زیرزمینی دشت، کیفیت ذخایر آب باقیمانده نیز کمتر خواهد شد. این امر موجب بروز مشکلات جدی تر در وضعیت کشاورزی منطقه می شود. نتایج اجرای مدل کمی و کیفی به منظور بررسی نفوذ آب آلوده لندفیل بر پایه تراکم آلودگی، نشان داد با احتمال بالا نفوذ ذرات آلوده از سمت دیواره جنوبی به سمت آبخوان در دوره های بارش رخدادی که جریان به صورت تصادفی و در مسیل ها جاری می شود و سپس گسترش تا دریا عملا به دلیل افت تراز آب دریای خزر رخ خواهد داد. نفوذ آب در نواحی شرقی محتمل تر از نواحی غربی است. دلیل انتخاب انتشار آلودگی محل دفع پسماند شرقی به جهت نمایش انباشت ذرات آلوده و پس زدگی از دریا نیز همین بود ه است. پیشنهاد می شود تا در حوزه سیاست گذاری، به منظور کنترل بحران شیرابه دشت، بسترسازی مناسب و دیواربندی محدوده انباشت زباله بر اساس جهت جریان اعمال شود.

المصادر:

Anupam Chowdhury, Mumtahina Rahnuma; Groundwater contaminant transport modeling using MODFLOW and MT3DMS: a case study in Rajshahi City. Water Practice and Technology 2023; wpt2023076. doi: https://doi.org/10.2166/wpt.2023.076.

Rajaeian, S., Ketabchi, H. & Ebadi, T. Investigation on quantitative and qualitative changes of groundwater resources using MODFLOW and MT3DMS: a case study of Hashtgerd aquifer, Iran. Environ Dev Sustain (2023). https://doi.org/10.1007/s10668-022-02904-4.

David W. Pollock, (1994). "User’s Guide for MODPATH/MODPATH-PLOT", Version 3: A particle tracking post-processing package for MODFLOW, the U. S. Geological Survey finite-difference ground-water flow model, Reston, Virginia, September.

Duttagupta, S., Mukherjee, A., Das, K., Dutta, A., Bhattacharya, A., & Bhattacharya, J. (2020). Groundwater vulnerability to pesticide pollution assessment in the alluvial aquifer of Western Bengal basin, India using overlay and index method. Geochemistry, 80(4), 125601.

Feo A; Zanini S; Petrella E; Celico F. (2018). "A Python Script to Compute Isochrones for MODFLOW". Journal of groundwater; Volume56, Issue2 Pages 343-349

GMS 10.4 Tutorial, "MODPATH, The MODPATH Interface in GMS", (2020). www.Auqaveo.com

Haimi, H. Mulas, M. Corona, F. Marsili-Libelli, S. Lindell, P. Heinonen, M. Vahala, R. (2016). Adaptive data-derived anomaly detection in the activated sludge process of a large-scale wastewater treatment plant. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 52: 65-80.

Jang, Y.-S., N. Sitar, and A. Der Kiureghian., (1994), Reliability analysis of contaminant transport in saturated porous media, Water Resour. Res., 30(8):2435-2448.

Jeong, J. Park, E. (2017). A subagging regression method for estimating the qualitative and quantitative state of groundwater. Hydrogeology Journal. 25(5): 1491–1500.

Jeong, J. Park, E. Han, W, S. Km, K. Choung, S. Chung, II, M. (2017). Identifying outliers of non-Gaussian groundwater state data based on ensemble estimation for long-term trends. Journal of Hydrology. 548: 135-144.

Keshtegar, B., Bagheri, M., Meng, D. et al. (2020), Fuzzy reliability analysis of nanocomposite ZnO beams using hybrid analytical-intelligent method. Engineering with Computers.

Langevin, C.D., Hughes, J.D., Banta, E.R., Provost, A.M., "Niswonger, R.G., and Panday, Sorab, (2019). MODFLOW 6 Modular Hydrologic Model version 6.1.0": U.S. Geological Survey Software Release, 12 December.

Liu, F, T. Ming, T, K. Zh-Hua, Z. (2008). Isolation forest. Data Mining. ICDM‘08. Eighth IEEE International Conference on Data Mining.

Mendicino, G, A. Senatore and P. Versace, (2008). A Groundwater Resource Index (GRI) for drought monitoring and forecasting in a Mediterranean climate. Hydrology Journal, 357:282-302.

Minh, H.V.T.; Avtar, R.; Kumar, P.; Tran, D.Q.; Ty, T.V.; Behera, H.C.; Kurasaki, M. (2019). Groundwater Quality Assessment Using Fuzzy-AHP in an Giang Province of Vietnam. Geosciences 9, 330.

Nathaniel P. Chien; Laura K. Lautz. (2018). Discriminant analysis as a decision-making tool for geochemically fingerprinting sources of groundwater salinity, Science of The Total Environment, 618, 15 March, Pages 379-387.

Visual MODFLOW Flex, "Integrated Conceptual & Numerical Groundwater Modeling", (2017).

Zohrevand, Z. Glasser, U. Shahir, H, Y. Tayebi, M, A. Costanzo, R. (2016). Hidden Markov based anomaly detection for water supply systems. Big Data (Big Data), 2016 IEEE International Conference.