انواع مدل های جریان آب زیرزمینی
یك سامانه آب زیرزمینی متشكل از مجموعه ای از فرآیندها و پدیده های فیزیكی است که بیان کمی و کیفی فرآیندها و شناخت رفتار سامانه از طریق معادلات حاکم و مدل ها صورت می گیرد. در شناخت رفتار سامانه های آب زیرزمینی تاکنون از انواع مختلف مدل ها از قبیل مدل های فیزیكی و مدل های ریاضی استفاده شده است. مدل عددی و نرم افزارها با توجه به کثرت مدل های موجود در کیفیت آب های زیرزمینی، به منظور این که بتوان مدلی را جهت آبخوان خاصی انتخاب و از آن استفاده کرد، معیار هایی نظیر ورودی ها، پارامترهای شبیه سازی، کیفیت یا کمیت باید در نظر گرفته شود. در این نوشته با مدل SUTRA و توانایی های آن آشنا می شویم.
برخی از نرم افزار های متداول در این زمینه عبارتند از: SUTRA , FEFLOW ,MODFLOW MOCDENSE, ROCKFLOW,AQUA3D , SEAWAT , TOUGH , SWIFT و… این مدل ها به حل هم زمان دو معادله دیفرانسیل غیرخطی که از نوشتن معادلات بقای جرم برای سیال و ماده محلول به دست آمده اند، می پردازند.
مدل SUTRA
مدل SUTRA مدلی است که با هدف مدل سازی حرکت سیال و جا به جایی مواد محلول یا انرژی در محیط خاک طراحی شده است. SUTRA نخستین بار در سال 1984 میلادی توسط Voss ارائه شد و سپس به وسیله Voss و Provost مورد بازبینی قرار گرفت. محاسبات جریان وابسته به چگالی در محیط متخلخل در این مدل با روش اجزاء محدود و محاسبات در گام های زمانی توسط روش تفاضل محدود انجام می گیرد. این نرم افزار دارای قابلیت استفاده از روش های مختلف حل ماتریسی و نیز شبیه سازی محیط های متخلخل در حالت اشباع و غیراشباع می باشد. نرم افزار SUTRA در زمره معتبرترین نرم افزار های موجود در زمینه مسائل جریان وابسته به چگالی به شمار می رود و تاکنون جهت شبیه سازی مسائل فراوانی به کار رفته است.
معادلات پایه در مدل عددی SUTRA
SUTRA با بهره گیری از مكانیسم های فیزیكی انتقال انرژی حرارتی و انتقال ماده محلول در محیط متخلخل خاک، از یك ساختار برنامه نویسی ساده برای مدلسازی این دو پدیده استفاده می کند. در حقیقت SUTRA به ترکیب دو مدل فیزیكی، یكی برای شبیه سازی جریان آب زیرزمینی و دیگری برای شبیه سازی حرکت انرژی حرارتی و یا ماده محلول می پردازد. فشار، متغیر اصلی است که مدل جریان بر پایه آن شكل می گیرد. فشار می تواند در نقاط مختلف سیستم آب زیرزمینی و نیز در طول زمان متغیر باشد. فشار به صورت ترکیب واحد جرم سیال [M] ، واحد طول [L] و واحد زمان بر حسب ثانیه [s] بیان می شود. چگالی سیال بر حسب دما و یا غلظت ماده محلول می تواند در نقاط مختلف متفاوت باشد. تفاوت چگالی سیال، جدا از موضوع متفاوت بودن فشار، می تواند خود عامل حرکت سیال باشد. در نتیجه اثر نیروی ثقل بر سیالاتی که دارای چگالی متفاوت هستند باید در میدان جریان در نظر گرفته شود. مدل های فیزیكی انتقال انرژی و ماده محلول بر پایه جریان آب زیرزمینی شكل می گیرند. متغیر اصلی برای توصیف توزیع انرژی حرارتی در سیستم آب زیرزمینی دمای سیال بر حسب درجه سلسیوس است که می تواند در مكان و زمان متغیر باشد. متغیر اصلی برای وصف توزیع ماده محلول در سیستم آب زیرزمینی نسبت جرم محلول است که آن نیز می تواند در مكان و زمان متغیر باشد. واحد آن نسبت جرم ماده محلول [M] به جرم سیال [M] می باشد. عبارت نسبت جرم محلول را می توان به جای عبارت غلظت محلول به کار برد و نباید بین این دو تفاوتی قائل شد. مدل SUTRA تنها امكان شبیه سازی حرکت یك ماده محلول و یا انرژی حرارتی را فراهم می کند. در نتیجه در هنگام شبیه سازی حرکت انرژی مقدار غلظت ماده محلول در آب زیرزمینی ثابت فرض می شود. از طرف دیگر در هنگام شبیه سازی حرکت ماده محلول، دما در آب زیرزمینی یكسان فرض می شود. هنگامی که مدل SUTRA شبیه سازی را در دو بعد انجام می دهد مقادیر پارامتر های مختلف تنها در این دو بعد تغییر می کنند (y,x) با این حال ناحیه ای از فضا که شبیه سازی در ارتباط با آن صورت می گیرد می تواند سه بعدی باشد مشروط بر این که تمام پارامتر های مدل SUTRA در بعد سوم ثابت فرض شوند. باید توجه داشت که مدل SUTRA تنها یك نوع تخلخل را به رسمیت می شناسد. در برخی مواقع نیاز به در نظر گرفتن تمایز بین تخلخل حفره هایی که در جریان سیال مؤثر هستند و تخلخل مربوط به حفره هایی که هم سیال ثابت و هم سیال متحرک را در بر می گیرند وجود خواهد داشت.
کاربردهای مدل SUTRA
ارزیابی خوب عملكرد و داده های تست پمپاژ
تجزیه و تحلیل جریانات وابسته به چگالی یا جریان های با چگالی ثابت در حالت اشباع یا غیر اشباع
تجزیه و تحلیل انتقال گونه های شیمیایی از جمله فرآیندهای جذب امالح
پیش بینی نشت زباله های خطرناک از محل دفن آنها
تجزیه و تحلیل آبخوان،رژیم های حرارتی،انتقال حرارت زیرسطحی،سیستم آبخوان های ذخیره سازی انرژی حرارتی، مخازن زمین گرمایی، آلودگی حرارتی ازسفره های آب، سیستم های طبیعی وانتقال گرما
مدل مقطعی نفوذ آب شور در آبخوان ها در نزدیك چاه ها یا مناطق انتقال با شیب نسبتاً تند میان آب شیرین و آب شور
برای دانلود مدل SUTRA به آدرس زیر سری بزنید
