ترسیم حریم کمّی چاه‌های برداشت به کمک الگوریتم گام تصادفی و مدل شبیه‌ساز FeFlow

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد منابع آب، مرکز پژوهشی آب و محیط زیست شرق، مشهد، ایران

2 دانشجوی دکتری عمران، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

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

چکیده

ترسیم و تعیین حریم کمّی چاه‌ها از جمله اقداماتی است که باید در هر آبخوان صورت بگیرد. روش‌های مورد استفاده به منظور رسم این محدوده در دو بخش ساده و پیچیده قرار می‌گیرند. در بخش ساده از چندین رابطه ریاضی و در بخش پیچیده از مدل‌های عددی استفاده می‌شود. در این پژوهش برای اولین بار با استفاده از الگوریتم گام تصادفی و مدل عددی اجزاء محدود، حریم کمّی چاه‌های موجود در یک آبخوان استاندارد محصور و آبخوان آزاد بیرجند تعیین و ترسیم شدند. پس از مدل‌سازی سطح آب زیرزمینی در دوره 12 ماهه 1390-1391 به کمک شبیه‌ساز FeFlow، حریم کمّی برای چاه‌ها ترسیم شدند. در آبخوان استاندارد حریم کمّی برای هر سه چاه بهره‌برداری به صورت جداگانه در دو دوره 50 و 180 روزه ترسیم شدند. نتایج نشان دادند که کشیدگی حریم برای هر سه چاه به سمت قسمتی از آبخوان می‌باشد که سطح آب زیرزمینی بالاتری نسبت به بقیه مناطق دارد. همچنین در مناطقی از آبخوان که قابلیت انتقال بیشتری دارند، حریم عریض‌تر بوده و با ورود به مناطقی با قابلیت انتقال کمتر، از عرض آن کاسته و باریک‌تر می‌شود به طوریکه در چاه شماره دو عرض حریم در منطقه 3، 86/302 متر بوده و این در حالی است که در منطقه 2 که قابلیت انتقال کمتری دارد، 46/267 متر می‌باشد. در آبخوان بیرجند که شامل 190 حلقه چاه است، 5 چاه به طور دلخواه انتخاب شدند و حریم کمّی برای آن‌ها در دو دوره پنج و سی ساله ترسیم شدند. نتایج نشان دادند که کشیدگی حریم به سمت مرزهای هد ثابت مطابق با الگوی جریان بوده و دو پارامتر دبی و هدایت هیدرولیکی نقش بسزایی در شکل آن دارد. به طوریکه در چاه شماره 5، که کمترین دبی برداشت را دارد، طول حریم در دوره 5 ساله حداقل مقدار یعنی 62/364 متر داشته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Determination of Well's Capture Zones Using Random Walk Algorithm and FeFlow Simulation Model

نویسندگان [English]

  • Nahid Majidi Khalilabad 1
  • Ali Mohtashami 2
  • Abolfazl Akbarpour 3
1 Research Assistant in East Water & Environment Research Institute (EWERI)
2 PhD Student of Water Resources Management, Faculty of Civil Engineering, University of Sistan and Baluchestan
3 Associate Professor, Department of Civil Engineering, University of Birjand., Birjand., Iran
چکیده [English]

Determination of wells' capture zones are one of the important issues which must be considered in every aquifers. Methods used for depicting this area divides into two simple and complex methods. Through the simple one several mathematical equations utilized and in the complex method, numerical models are applied. In this study, for the first time, the capture zone of the extraction wells in a standard confined aquifer and Birjand unconfined aquifer was determined using Feflow simulation model. After the simulation procedure in the period of 1390-1391 with monthly time step, the groundwater head is obtained, then the capture zone for each well was depicted. In confined aquifer this area individually determined for 3 extraction wells in two periods of 50 and 180 days. The results showed that the extension of the capture zone for all three wells is toward the part of the aquifer with higher groundwater level. Also, the results revealed that, in areas of the aquifer with higher transmissivity coefficient, the zone is more extended and for the areas with lower transmissivity coefficient, its width decreases and becomes narrower. For instance in second well the width of capture zone in the third zone is 302.86 m, however, it is 267.46 m in the second zone. In Birjand aquifer which consists of 190 extraction wells, 5 wells were chosen randomly to depict capture zone for them in five years and thirty years period. The results revealed that the extension of the capture zones were corresponded to the flow direction. Also, extraction rate of wells and hydraulic conductivity coefficient were two effective parameters in the shape of these zones. As the fifth well in Birjand aquifer with the least value of discharge rate had the smallest length of capture zones among all the wells.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Confined and Unconfined Aquifer
  • Depiction of the Capture Zone
  • Finite Element Numerical Model
  • Random Walk Algorithm
 
سامانی، ن.، کامرانی، ص .1395. ارزیابی حریم کمی و کیفی چاه های آب شرب نسبت به نیترات مطالعه موردی: دشت آسپاس شهرستان اقلید، استان فارس. زمین شناسی کاربردی پیشرفته. 6(2) :29-40.
فرپور، ا.، رمضانی،ی. و اکبرپور، ا. 1397. شبیه‌سازی عددی روند تغییرات کروم در آبخوان دشت بیرجند. نشریه علمی پژوهشی آبیاری و زهکشی ایران.12(5):1203-1216.
محتشمی، ع.، هاشمی منفرد، س. آ.، عزیزیان، غ. ز. و اکبرپور،ا.1398 .محاسبه بیلان آب زیرزمینی به کمک روش عددی) MLPG مطالعه موردی: آبخوان آزاد بیرجند(. نشریه علمی-پژوهشی آبیاری و زهکشی ایران. 14(4):1460-1474
Ashraf, A. and Ahmad, Z. 2008. Regional groundwater flow modelling of Upper Chaj Doab of Indus Basin, Pakistan using finite element model (Feflow) and geoinformatics. Geophys. J. Int. 173(1):17–24.
Bear, J. 1979. Hydraulics of groundwater. the University of Michigan: McGraw-Hill International Book Co.
Diersch, H. J. G. 2013. FEFLOW: finite element modeling of flow, mass and heat transport in porous and fractured media. Springer Science & Business Media.
Dong, Y., Xu,  H. and Li,  G. 2013. Wellhead protection area delineation using multiple methods: a case study in Beijing. Environ Earth science 70:481-488.
Doulabi, F., Akbarpour, A., Akbari, M., and Mohtashami, M. 2019. Numerical Simulation of Groundwater Recharge by Injection Wells with Using Meshless Local Petrov-Galerkin. Iranian Journal of Irrigation & Drainage. 13(5):1246-1256.
Dupouit, J., 1863. Estudes Theoriques et Pratiques sur le Mouvement desEaux. Paris: Dunod.
Feo, A., Zanini, A., Petrella, E. and Celico, F. 2017. A Python Script to Compute Isochrones for MODFLOW. Groundwater,  10:1-7.
Ferreira,  J.  P., Krijgsman,  B. and Feseker,  T. 2004. Models for wellhead protection in regional unconfined aquifers and stratified aquifers. Geofísica Internacional. 43(4):651-665.
Goodarzi, M. and Eslamian, S. S. 2019. Evaluation of WhAEM and MODFLOW models to determine the protection zone of drinking wells. Environmental Earth Sciences. 78:195-203.
Miller C. 2003. A comparison of wellhead protection area delineation methods for public drinking water systems in Whatcom County. Washington Journal Environ Health. 66(2):17-23.
Mohtashami, A., Akbarpour, A. and 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., Akbarpour, A,. and Mollazadeh, M. 2017. Modeling of groundwater flow in unconfined aquifer in steady state with meshless local Petrov-Galerkin. Modares Mechanical Engineering. 17(2):393-403.
Mohtashami, A., Hashemi Monfared,  S.  A., Azizyan, G. and Akbarpour, A. 2019. Determination the capture zone of wells by using meshless local Petrov-Galerkin numerical model in confined aquifer in unsteady state( Case study: Birjand Aquifer). Iranian journal of Ecohydrology. 6(1):239-255.
Moinante, M. and Lobo-Ferreira, J. 2005. On wellhead protection assessment methods and a case-study application in Montemor-o-Novo, Portugal. In: The fourth inter-celtic colloquium on hydrology and management of water resources.21-34.
Pearson, K. 1905. The problem of the random walk. Nature, 72(1867):342.
Puchalski, G. 2009. Wellhead protection plan for the city of Barrett, s.l.: Minnesota Department of Health.
Sabetraftar, A. 2013. Guidelines for determining the protection zone of groundwater. Iran’s Ministry of Energy. 621.
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.
Sharief,  S.  M., Eldho, T.  I. and  Rastgoi,  A.  K. 2008. Optimal Pumping Policy for Aquifer Decontamination by Pump and Treat Method. ISH journal of Civil Engineering. 14(2):1-17.
Siarkos, I. and lationopoulos, P. 2012. Delineation of wellhead protection zones for the control of point pollution sources in the aquifer of N. Greece. European Water. 40:3-17.
Staboultzidis, A. G. and Dokou, Z. 2017. Capture Zone Delineation and Protection Area Mapping in the Aquifer of Aia, Crete, Greece. Enviromental process. 4(1):95-112.
Sarwar, A. and Eggers, H. 2006. Development of a conjunctive use model to evaluate alternative management options for surface and groundwater resources. Hydrogeological Journal. 14(8):1676–1687.
Trefry M G.  Muffels C. (2007). FEFLOW: A finite‐element ground water flow and transport modeling tool. Groundwater.45(5):525-528.
Zarei-Doudeji, S. and Samani, N. 2014. Capture zone of a multi-well system in bounded peninsula-shaped aquifers. Journal of contamination hyrology. 164:114-124.
Zarei-Doudeji, S. and Samani, N. 2016. Capture Zone of a Multi-Well System in Bounded Rectangular- Shaped Aquifers: Modeling and Application. International journal of science technology and society. 3.
 Zhao, C., Wang, Y., Chen,  X,  I. and Li,  B. 2005. Simulation of the effects of groundwater level on vegetation change by combining FEFLOW software, Ecollogical Modelling. 187(2–3):341–351.