محاسبه بیلان آب زیرزمینی به کمک روش عددی MLPG (مطالعه موردی: آبخوان آزاد بیرجند)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری رشته مهندسی عمران دانشکده مهندسی شهید نیکبخت دانشگاه سیستان و بلوچستان زاهدان ایران

2 دانشیار گروه عمران دانشکده مهندسی شهید نیکبخت دانشگاه سیستان و بلوچستان زاهدان ایران

3 دانشیار گروه عمران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

4 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

اطلاع از بیلان آب زیرزمینی در مناطق خشک و نیمه خشک می‌تواند کارشناسان و مدیران را در جهت مدیریت بهینه منابع آب زیر‌زمینی کمک شایانی نماید. در این پژوهش با استفاده از روش عددی بدون شبکه محلی پتروو-گالرکین (MLPG) که از جمله روش‌های بدون شبکه در بحث مکانیک سیالاتی است برای محاسبه بیلان آبی یک آبخوان واقعی استفاده شده است. عدم وابستگی این روش نسبت به شبکه‌بندی میدان حل، خطاهای به وجود آمده ناشی از مش‌بندی‌ها را حذف می‌کند و دقت نتایج را بالا می‌برد. منطقه مورد مطالعه، آبخوان آزاد دشت بیرجند بوده که در استان خراسان جنوبی و شرق ایران قرار گرفته است. پس از مدل‌سازی جریان آب زیرزمینی و واسنجی مدل، در یک دوره یک ساله (91-90) با گام زمانی ماهانه، سطح آب زیرزمینی در انتهای هر ماه محاسبه شد و با نتایج روش عددی تفاضل محدود مقایسه گشت. معیار خطای جذر میانگین مربعات، مطلق میانگین و میانگین محاسبه شدند که این مقادیر برای روش بدون شبکه به ترتیب 757/0، 573/0، 08/0- متر و برای روش تفاضل محدود 197/1، 434/1، 159/0 متر می‌باشند. دقت بالاتر روش بدون شبکه، مطابقت بیشتر نتایج به دست آمده از آن را با شرایط واقعی نشان می‌دهد. در نهایت، با محاسبه عوامل ورودی و خروجی آب به آبخوان، بیلان آب زیرزمینی محاسبه شد به طوریکه حجم آب خروجی و ورودی به ترتیب 91 و 88 میلیون مترمکعب بودند که با محاسبه اختلاف این دو، تغییرات ذخیره در آبخوان 3 میلیون متر مکعب با علامت منفی بدست آمد. علامت منفی، نشان دهنده بزرگتر بودن مقادیر خروجی نسبت به ورودی است که باید مورد توجه کارشناسان آب قرار بگیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Computation of Groundwater Balance Using Numerical MLPG Method (Case Study: Birjand Unconfined Aquifer)

نویسندگان [English]

  • Ali Mohtashami 1
  • Seyed Arman Hashemi Monfared 2
  • Gholamreza Azizyan 3
  • Abolfazl Akbarpour 4
1 Ph.D. Student of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Associate Professor of Civil Engineering Department, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
3 Associate Professor of Civil Engineering Department, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
4 Associate Professor, Department of Civil Engineering, University of Birjand., Birjand., Iran
چکیده [English]

Having a pervasive knowledge about the groundwater balance conducts the engineers and managers to have an optimal management about these resources. In the present study, with using meshless local Petrov-Galerkin, one of the meshless methods in the field of fluid dynamic, groundwater balance is computed for a real field aquifer. The independency of this method from meshing the domain, removes the drawbacks and errors come from meshing state and improves the accuracy of results. The case study is Birjand unconfined aquifer located in South Khorasan province, east of Iran. After groundwater flow simulation and model calibration in one year 2011-2012 with monthly time step, the groundwater head is computed for each month and compared with the results of finite difference method (FDM). RMSE, MAE and ME criterion are calculated for both methods. They are 0.757m, 0.573m, -0.08m for MLPG method and 1.197m, 1.434m, 0.159m for FDM, respectively. The higher results of MLPG shows more correspondence of this method to real condition of aquifer. Finally, the input and output volume of water are computed for the aquifer. They are almost 91 and 88 MCM respectively. Therefore, the value of groundwater balance is computed. It was 3 MCM with minus sign which indicated the higher amount of output regarding to inputs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Balance Computation
  • Groundwater flow Simulation
  • MLPG numerical method
  • unconfined aquifer
شیرافکن، م. و جعفری، ه. 1392. ارزیابی بیلان هیدروژئولوژیکی آبخوان بهاباد در استان یزد. دانشگاه فردوسی مشهد.
صادقی طبس، ص.، اکبرپور، ا.، پوررضا بیلندی، م.، صمدی، س.ز. 1394-ا. کاربرد الگوریتم فاخته در واسنجی پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان با استفاده از مدل ریاضی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. جلد 9، شماره 2، ص. 345-356.
صادقی طبس، ص.، پوررضا بیلندی، م.، اکبرپور، ا.، صمدی، س. ز. 1394-ب. ارائه مدل شبیه ساز- بهینه ساز چند هدفه کمی بهره‌برداری از آبخوان به منظور تعیین سیاست برداشت بهینه. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. جلد 9، شماره 3، ص. 470-480.
فرپور، ا،. رمضانی، ی.، و اکبرپور، ا. 1397. شبیه‌سازی عددی روند تغییرات کروم در آبخوان بیرجند. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. دوره 12، شماره 5، ص. 1203-1216.
محتشمی، ع.، اکبرپور، ا،. و ملازاده، م. 1396. مدل‌سازی جریان آب زیرزمینی در آبخوان آزاد در حالت ماندگار به روش بدون شبکه محلی پتروو-گالرکین. نشریه علمی پژوهشی مکانیک مدرس. دوره 17، شماره 2، ص. 393-403.
محتشمی، ع.، هاشمی منفرد، س. آ.، عزیزیان، غ. ر.، و اکبرپور، ا. 1397. تعیین حریم کمّی چاه‌ها به کمک مدل عددی بدون شبکه محلی پتروو-گالرکین در آبخوان محصور و آزاد در شرایط غیرماندگار (مطالعه موردی: دشت بیرجند). نشریه اکوهیدرولوژی ایران. دوره 6، شماره 1، ص. 239-255.
نیکبخت، ج.، نجیب ، ز.  و پوراقدم، ح. 1391. تبدیل سیستم­های آبیاری سنتی به تحت فشار بر افزایش ذخیره و سطح آب زیرزمینی مطالعه موردی: دشت عجب شیر. آذربایجان
Abrishamchi, A., Khakbazan Fard, F., Taghavi, A. 2020. Planning for groundwater sustainable use: A case study in Nishapur Plain, Iran," Agricultural Water Management, 229:1-15.
Akbari R.A., Bagri, A., Bordas, S.P.A. and Rabczuk, T. 2010. Analysis of ThermoelasticWaves in a Two-Dimensional Functionally Graded Materials Domain by the Meshless Local Petrov-Galerkin (MLPG) Method. Computer Modeling in Engineering and Sciences, 65(1): 27-74.
Al-sheykh, A.A., Hamrah, M., Helali, H. and Fatehi, A. 2004. Application of GIS in groundwater balance in Talesh plain. Journal of Applied researches in Geographical Sciences, 3(3):99-119.
Ansarifar, M.M., Salarijazi, M., Ghorbani K., Kaboli A. R. 2019. Simulation of groundwater level in a coastal aquifer. Marine Georesources & Geotechnology,38(3): 257-264.
Ansarifar, M.M., Salarijazi, M., Ghorbani K., Kaboli A. R. 2020. Spatial estimation of aquifer’s hydraulic parameters by a combination of borehole data and inverse solution. Bulletin of Engineering Geology and the Environment,79: 729-738.
Athavale, R.N., Rangarajan, R. and Muralidharan, D. 1992. Measurement of natural recharge in India. Journal of the Geological Society, 39: 235-244.
Atluri, S.N. and Zhu, T. 1998. A new Meshless Local Petrov-Galerkin (MLPG) approach in computational mechanics. Computational Mechanics, 22(2): 117-127.
Chandra, S. and Saksena, R.S. 1975. Water balance study for estimation of groundwater resources. Journal of IRRIGATION AND WATER POWER ENGINEERING, Volume 32, pp. 443-449.
Dupouit, J., 1863. Estudes Theoriques et Pratiques sur le Mouvement desEaux. Paris: Dunod.
Eftekhar, A.A., Rakhshandeh ru, G.R. and Mir Arabi, A. 2013. Groundwater Flow Modeling and Sensitivity Analysis for Nayriz Plain Using GMS. Tehran, s.n.
Jalili, K., Moradi, H.R. and Bozorg Hadad, O. 2016. Analysis of groundwater balance based on sustainability of agricultural approach in Islamabad plain. Irrigation & Water Engineering, 6(25): 110-127.
Kumar, C.P. and Seethapathi, P.V. 2002. Assessment of natural groundwater recharge in upper Ganga canal command area. Journal of Applied Hydrology, Volume 15: 13-20.
Liu, G. 2002. Mesh Free Methods: Moving Beyond the Finite Element Method. Boca Raton: CRC press.
Liu, G.R. and Gu, Y.T. 2005. An introduction to Meshfree Methods and Their Programming. Singapore: Springer.
Mategaonkar, M. and Eldho, T.I. 2011. MESHLESS POINT COLLOCATION METHOD FOR lD AND 2D GROUNDWATER FLOW SIMULATION. ISH JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING, 17(1): 71-87.
Mategaonkar, M. and Eldiho, T.I. 2011. Simulation of groundwater flow in unconfined aquifer using meshfree point collocation method. Engineering Analysis with Boundary Elements,  35: 700-707.
Mohammadi Ghaleni, M., Ebrahimi, K. and Araghinejad, S. 2013. Evaluation impact of drought, extraction and construction of dam on the groundwater drop-case study Saveh aquifer. Journal of Water and Soil Conservation, 19(4).
Mohtashami, A., Akbarpour, A. and Mollazadeh, Mohtashami, A., Akbarpour, A., Mollazadeh, M. 2017. Development of two dimensional groundwater flow simulation model using meshless method based on MLS approximation function in unconfined aquifer in transient state. Journal of Hydroinformatics, 19(5): 640-652.
Mohtashami, A., Hashemi Monfared, S.A., Azizyan, Gh., and Akbarpour, A. 2019. Prediction of Groundwater Fluctuations Using Meshless Local Petrov-Galerkin Numerical Method in a Field Aquifer (Birjand Aquifer). International Journal of Numerical Methods in Civil Engineering. 3(4): 33-41.
Mohtashami, A., Hashemi Monfared, S.A., Azizyan, G. and Akbarpour, A. 2020. Determination of the optimal location of wells in aquifers with an accurate simulation-optimization model based on the meshless local Petrov-Galerkin. Arabian Journal of Geosciences, 13(2): 1-13.
Naik, P.K. and Awasthi, A.K. 2003. Groundwater resources assessment of the Koyna River basin, India. Hydrogeology Journal, 11:582-594.
Parsad, Y.S. and Rao, B.V. 2018. Groundwater depletion and groundwater balance studies of Kandivalasa River Sub Basin, Vizianagaram District, Andhra Pradesh, India. Groundwater for Sustainable Development,  6, pp. 71-78.
PourMohammadi, S. et al. 2015. Investigation of groundwater balance in Tooyserkan plain by using Modflow mathematical model. Eco-hydrology,. 317-382.
Sadeghi Tabas, S., Samadi, S.Z., Akbarpour, A. and Pourreza Bilondi, M. 2016. Sustainable groundwater modeling using single-and multi-objective optimization algorithms. Journal of Hydroinformatics, 18(5): 1-18.
Swathi, B. and Eldho, T.I. 2013. Groundwater flow simulation in confined aquifers using meshless Local Petrov-Galerkin. ISH Journal of Hydraulic engineering, 19: 335-348.
Swathi, B. and Eldho, T.I. 2014. Groundwater flow simulation in unconfined aquifers using meshless local Petrov-Galerkin method. Engineering Analysis with Boundary Elements,  48:  43-52.
Swathi, B. and Eldho, T.I. 2014. Inverse Modeling Of Groundwater System Using Coupled PSO-MLPG Techniques. University of New York (CUNY), s.n.
Taheri Tiz ro, A., Zare, M. and Elyasi, M. 2011. Groundwater simulation in Kaboudarahang plain by using Modflow Mathematical model. Tehran, s.n.
Todd, D.K. and Mays, L.W. 2004. Groundwater Hydrology. s.l.:John Wiley.
Turker, U., Alsalabi, B.S. and Rızza, T. 2012. Water table fluctuation analyses and associated empirical approach to predict spatial distribution of water table at Yes¸ilko¨y/AgiosAndronikos aquifer. Environmental Earth Science.
Voudouris, K.S. 2006. Groundwater Balance and Safe Yield of the coastal aquifer system in NEasternKorinthia, Greece. Applied Geography, 26: 291-311.