1-6- نمونه برداری آب زیرزمینی ………………………………………………………………….20

1-7- آلودگی منابع آب زیر زمینی…………………………………………………………………22

:نیترات

2-1- مقدمه………………………………………………………………………32

2-2- مشخصه های نیترات…………………………………………………………………………….33

2-3- چرخه نیتروژن………………………………………………………………………………………36

2-3-1-تثبیت نیتروژن……………………………………………………………………………..37

2-3-2- نیتراتی شدن………………………………………………………………………………..39

2-3-3-احیاء نیترات………………………………………………………………………………….40

عنوان صفحه

2-3-4- نیترات زدایی………………………………………………………………………………..40

2-4-منابع نیترات………………………………………………………………………………………….40

2-4-1-پسماندهای انسانی و حیوانی…………………………………………………………….41

2-4-2-کودها…………………………………………………………………………………………..43

2-4-3- نیتروژن با منشا طبیعی………………………………………………………………….48

2-4-3-1- فرسایش رسوبات طبیعی………………………………………………………..48

2-4-3-2- واکنش با آب باران………………………………………………………………..51

2-4-3-3- شکل گیری نیترات از نیتروژن جوی در اثر فوتون ها و رعد و برق……………51

2-4-4- منابع صنعتی نیتروژن…………………………………………………………………..51

2-4-5- چارپایان اهلی………………………………………………………………………………53

2-4-6- دفع پسماند جامد………………………………………………………………………….54

2-5- تشخیص منابع نیترات……………………………………………………………………………54

2-6- اثرات سلامتی نیترات و نیتریت………………………………………………………………..55

2-6-1- اثرات نیترات و نیتریت بر سلامت انسان……………………………………………55

2-6-2- اثرات نیترات و نیتریت بر سلامت دام ها و دیگر حیوانات اهلی……………….59

2-6-3- اثرات نیترات و نیتریت بر محیط زیست…………………………………………….59

2-7- اعمال پاکسازی معمول برای نیترات………………………………………………………….60

2-7-1- هیچ کاری انجام ندهیم…………………………………………………………………..61

عنوان صفحه

2-7-2- پمپاژ کردن برای استفاده ی مفید…………………………………………………….61

2-7-3- پمپاژ کردن و تصفیه کردن……………………………………………………………..62

2-7-4- پمپاژ و پسماند……………………………………………………………………………..63

2-7-5- پاکسازی گیاهی……………………………………………………………………………63

2-7-6- تکنولوژی های پاکسازی نو ظهور و جدید…………………………………………..64

مروری بر مدل های ریاضی و معادلات حاکم بر جریان

– مقدمه

3-1- انواع مدل های آب زیرزمینی …………………………………………………………………………………….67

3-1-1- مدل های فیزیکی …………………………………………………………………………………………….67

3-1-2- مدل های ریاضی…………………………………………………………………………..68

3-1-2-1- مدل های تجربی …………………………………………………………………………………………68

3-1-2-2- مدل های احتمالاتی ……………………………………………………………………………………68

3-1-2-3 مدل های علت معلولی یا معین …………………………………………………………………….69

3-2- شرحی بر نرم افزار مادفلو ………………………………………………………………………………………….70

3-3- معرفی نرم افزار GMS …………………………………………………………………………………………..73

3-4- ساخت مدل در نرم افزار GMS …………………………………………………………………………….76

3-4-1-مشخص کردن هدف مدلسازی ……………………………………………………………………….77

3-4-2- تهیه و گردآوری اطلاعات ……………………………………………………………………………….77

عنوان صفحه

3-4-3- ایجاد مدل مفهومی ………………………………………………………………………………………78

3-4-4- انتخاب كد كامپیوتری ………………………………………………………………………………….78

3-4-5- طراحی مدل ……………………………………………………………………………………………………79

3-4-5-1 تعیین شرایط مرزی و تنش های وارده به آبخوان …………………………………79

3-4-5-2- طراحی شبكه و تهیه مدل عددی در نرم افزار GMS ……………………….80

3-4-6- واسنجی …………………………………………………………………………………………………………81

3-4-7 – آنالیز حساسیت ……………………………………………………………………………………………..85

3-4-8 -صحت سنجی…………………………………………………………………………………………………..86

3-4-9- پیش بینی………………………………………………………………………………………………………..86

3-4-10- ارائه مدل طراحی شده و نتایج …………………………………………………………………….86

3-4-11-ممیزی بعدی مدل ………………………………………………………………………………………..87

3-4-12-طراحی مجدد ………………………………………………………………………………………………..87

3-5- مدل MT3DMS ……………………………………………………………………………………………………..87

3-5-1- معرفی معادلات انتقال آلاینده ……………………………………………………………………….88

3-5-2- فرآیند همرفت ………………………………………………………………………………………………..91

3-5-3- فرآیند پراکنش ……………………………………………………………………………………………….92

3-5-4- تخلیه و تغذیه …………………………………………………………………………………………………93

3-5-5- واکنش های شیمیایی ………………………………………………………………………………….. 93

3-6- روش حل عددی معادلات انتقال …………………………………………………………………………….94

3-6-1- روش خطوط مشخصه MOC ……………………………………………………………………..95

عنوان صفحه

3-6-2- روش اصلاح شده خطوط مشخصه MMOC ……………………………………………..96

3-6-3- روش هیبرید خطوط مشخصه HMOC ……………………………………………………..96

:تصحیح مدلجریانو ایجاد و اجرای مدل انتقالآبخوانشهركصنعتیبزرگشیراز

4-1- هدف ……………………………………………………………………..99

4-2- ساخت و آماده سازی مدل منطقه مورد مطالعه ………………………………………………………99

4-2-1- مدل سازی جریان ماندگار …………………………………………………………………………….99

4-2-1-1- ایجاد مدل مفهومی اولیه …………………………………………………………………..100

4-2-1-2-داده های ورودی……………………………………………………………………………….101

4-3- اجرا و واسنجی مدل در شرایط ماندگار ……………………………………………………………….103

4-4-نتایج واسنجی ………………………………………………………………………………………………………..104

4-5- بررسی مدل در شرایط ناپایدار ………………………………………………………………………………106

4-5-1- تکمیل داده های ورودی ……………………………………………………………………………….106

4-5-1-1- سطح آب مشاهده­ای (اندازه­گیری شده) ……………………………………………106

4-5-1-2- تنش­ها ………………………………………………………………………………………………..107

4-5-1-3- شرایط اولیه ………………………………………………………………………………………..107

4-5-1-4- آبدهی ویژه …………………………………………………………………………………………107

4-5-1-5- انتخاب دوره های تنش …………………………………………………………………….108

4-6- طراحی و اجرای مدل انتقال ………………………………………………………………………………….116

عنوان صفحه

4-6-1- ساخت مدل جریان ………………………………………………………………………………………116

4-6-2- نمونه برداری کیفی ………………………………………………………………………………………116

4-6-3- شبیه سازی آلودگی نیترات …………………………………………………………………………117

4-6-4- تقسیم بندی زمانی ………………………………………………………………………………………119

4-6-5-شرح مختصری بر بسته های فرارفت و پراکنش ………………………………………….120

4-6-6- شرحی بر بسته واکنشهای شیمیایی ……………………………………………………………120

4-6-7- غلظت اولیه …………………………………………………………………………………………………..121

4-6-8- اجرای مدل MT3D برای نیترات و نیتریت ……………………………………………….121

4-6-8-1- نیترات ………………………………………………………………………………………………..121

4-6-8-2- نیتریت ………………………………………………………………………………………………..123

4-7- برآورد زمان پاکسازی ……………………………………………………………………………………….126

:نتیجهگیریوپیشنهادات

5-1- نتیجه گیری …………………………………………………………………………..128

5-2- پیشنهادات ………………………………………………………………………….131

فهرست منابع ………………………………………………………………………………………..132

منابع فارسی ……………………………………………………………………………………….132

منابع انگلیسی ……………………………………………………………………………………….134

–کلیات تحقیق

منابع آب یکی از بزرگ ترین چالش های قرن حاضر بشریت است. محدودیت ذاتی منابع آب آب شیرین می باشند.

روند رو به رشد افزایش جمعیت مصرف آب در بخش های مختلف کشاورزی، شرب و صنعت را به مقدار زیادی افزایش داده است بعلاوه به علت بهره وری و استفاده بی رویه و ورود پساب ها، منابع آب همواره در معرض خطر آلودگی و زوال کیفیت قرار دارند.

متوسط سرانه ی آب در دسترس جهانی،89/3 برابر سرانه آب در ایران است، در صورتی که این نسبت از مرز 4/5 برابر بگذرد، در تقسیم بندی جهانی از نظر دسترسی به آب در رده ی بسیار کم قرار می گیریم. طبق آمارهای موجود ، زمانی که جمعیت کشورمان به بیش از 75 میلیون نفر برسد، شرایط فوق مهیاست. افزون بر آن ، پراکنش نابرابر زمانی و مکانی منابع و ذخایر تامین کننده ی آب در سطح کشور نیز، بر بحران پیش رو دامن می زند.

60 % آب های زیرزمینی در ایران از آب های شیرین قابل استفاده می باشد ( محمدنیا و کوثر، 2003 ) . با توجه به محدود بودن منابع آب در مناطق خشک و نیمه خشک ، حفاظت و استفاده ی بهینه از آنها اهمیت بیشتری دارد. خاطر نشان می کنیم که آلودگی نیترات یکی از راه های هدررفت و محدودکننده ی منابع آب شرب بویژه در مناطق روستایی است.

نظر به اینکه سرعت آب زیرزمینی کم است و نیزبا در نظر گرفتن واکنش آلاینده ها با محیط متخلخل، بایستی توجه زیادی به آب های زیرزمینی مبذول داشت، چرا که هرچند به نظر می رسد که آب های زیرزمینی نسبت به آب های سطحی در مقابل آلوده شدن کمتر مستعدند ولی در صورت آلوده شدن، پاکسازی آنها کاری بس مشکل و طولانی مدت و همراه با هزینه بسیار بالاست .(Todd and Mays; 2005)

میزان آلودگی آب به مقدار و نوع استفاده ( جنگلداری، کشاورزی، دامداری صنعتی) بستگی دارد. بعلاوه اینها، فاکتورهای خاک شناسی، هیدرولوژیکی و هیدروژئولوژیکی نیز آلودگی را کنترل می کنند (محمدنیا ، مهرداد ، حسینی مرندی ، حمید ، روستا ، محمد جواد؛ 1388).

1-2-ضرورت و هدف تحقیق

نظر به اینکه در صورت عدم رعایت ملاحظات زیست محیطی از جمله عدم مدیریت صحیح پسماند و پساب صنایع، منابع آب زیرزمینی و کارستی منطقه مذکور و همچنین آب دریاچه مهارلو، طی زمان طولانی بشدت در خطر زوال کیفیت قرارمی گیرند و این منجر به صدماتی جبران نشدنی در رابطه با محیط زیست خواهد شد؛ بر این اساس لازم است که اعمال صحیح مدیریتی برای در رابطه با پسماند صنایع مستقر در شهرک صنعتی بزرگ شیرازصورت گرفته و نیزاز پیشروی آلاینده ها به سمت منابع کارستی ممانعت به عمل آید؛ نتیجه امر علاوه بر کاهش آلودگی، حفاظت از منابع منطقه و توسعه پایدار است.

هدف کلی از انجام این مطالعه بررسی پتانسیل انتقال نیترات در منابع آب زیر زمینی محدوده شهرك صنعتی بزرگ شیراز با استفاده از مدلسازی ریاضی می باشد.

اهداف تحقیق عبارتند از:

1- تدوین مدل مفهومی آبخوان با دقت بیشتر در مقایسه با مدل اجرا شده ی قبلی برای این منطقه

2-بررسی منابع آلاینده نیتراتی و نیز نیتریتی آبخوان آبرفتی شهرک صنعتی بزرگ شیراز

3- بررسی توزیع مکانی و زمانی نیترات در آبخوان شهرک صنعتی

4- نحوه جریان آب و انتقال نیترات در آبخوان شهرک صنعتی به ترتیب با استفاده از کدهای رایانه ای MODFLOW و MT3D-MS

1-3-پیشینه تحقیقات

1-3-1-مروری بر تحقیقات انجام شده توسط مدل ریاضی

در سال 1935 معادله Thies پنجره ای نو بر مطالعات هیدرولوژی آب های زیرزمینی باز نمود. جهت حل مسائل جریان به چاه ها روابطی توسط Hantush وJacob در دهه های 40 و 50 ارائه شد که تحولات عظیمی را ایجاد کرد. استفاده از فن آوری رایانه ای آنالوگ در مطالعه یک سیستم آبخوان کامل طی دهه 1950 میلادی توسط Bob Bennett و Herbskivitz در سازمان زمین شناسی ایالت متحده صورت گرفت که بر اساس روش تفاضل محدود و با استفاده از شبیه سازی الکتریکی شامل مجموعه ای از مقاومت ها و خازن ها، آبخوان را مدلسازی کردند.

سازمان زمین شناسی ایالات متحده آمریکا (USGS) در اواخر دهه 1950 میلادی یک آزمایشگاه شبیه سازی رایانه ای در فونیکس ایالت آریزونا تاسیس نمود. در حدود سال های 1950 در صنعت نفت استفاده از تکنیک‍ های عددی در حل معادلات جریان به توسط ریاضیدانان و مهندسین مخازن نفت مورد آزمایش قرار گرفت که روش نیز به مجموعه مدل ها پیوست؛ اما هنوز مدل های آنالوگ برای حل جریان یک سیال منفرد مناسب ترین بودند.

در دهه 1960 با ظهور رایانه های شخصی، استفاده از مدل های ریاضی با راه حل عددی به یکی از روش های قابل اطمینان در مطالعه آب زیرزمینی تبدیل شد که این حل عددی شامل دو روش تفاضل محدود و عناصر محدود می باشد.

در سال 1956 Stallman برای اولین بار در حل مسائل آب زیرزمینی روش های عددی را به کار برد. نیاز به تحلیل ناحیه ای آبخوان علتی شد که وی روشی برای محاسبه توزیع نفوذپذیری آبخوان با استفاده از تغییرات سطح آب زیرزمینی ارائه نماید که در این روش از حل تفاضل های محدود برای حل معادلات دو بعدی ناپایدار در آبخوان های غیر همگن استفاده شده است.

در 1348 برای اولین بار در ایران از مدلسازی ریاضی برای تهیه مدل دشت ورامین استفاده شد. مطالعات مربوط به شبیه سازی این مدل توسط سازمان خواربار و کشاورزی جهانی ( FAO) صورت گرفته است.

تا سال 1360 در مجموع حدود 200 آبخوان با مساحتی حدود 5500000 کیلومتر مربع در مرحله شناخت و حدود 80 آبخوان با مساحتی در حدود 250000 کیلومتر مربع در مرحله نیمه تفصیلی بررسی شدند. در این مطالعات بیشتر از روش تفاضل های محدود و چند مورد از روش برنامه نویسی پویا استفاده شده است.

McDonald و Harbaugh در سال 1988 مدل سه بعدی تفاضل محدود جریان آب های زیرزمینی را ارائه نمودند. بعدها این مدل که MODFLOWنام گرفت، با بسته های نرم افزاری مختلف تکمیل و به صورت یک مدل استاندارد که بسیار قابل اعتماد و تأیید شده است، در آمد.

این مدل در ایران نیز در مطالعات متعددی استفاده شده است. برای مثال درسال 1381 پیش بینی تأثیر زهکش های طراحی شده در پایین انداختن سطح آب زیرزمینی توسط فاطمه مهدی پور در بخش جنوب و جنوب شرقی دشت شیراز با استفاده از مدل ریاضیMODFLOW انجام شد. در سال 1388 امکان به تعادل رساندن آب زیرزمینی دشت فیض آباد در استان خراسان رضوی با استفاده از این مدل ریاضی توسط عطاءاله جودوی انجام شد. دشت زرقان در استان فارس در سال 1387 با استفاده از این مدل مورد ارزیابی قرار گرفت و آسیب پذیری این دشت از طریق آلودگی های صنعتی – شیمیایی، بررسی شد.