Manuscript ID : 13970122232712105510 Visit : 4339 Page: 15 - 27

Article Type: Original Research

Estimating recharge to the Sarakhs marginal aquifer using a numerical model

Subject Areas :

1 -
2 -

Received: 2021-05-23 Accepted : 2021-05-23 Published : 2021-05-23

Keywords: Irrigation return flow, Budget, Rainfall recharge, Khorasan Razavi, MODFLOW,

Abstract :

Estimating recharge is important in groundwater studies, especially in budget calculation to properly manage groundwater withdrawals. In this research, recharge value into the alluvial aquifer of Sarakhs, which is the only source of water for drinking, agricultural and industrial uses in Sarakhs Plain (NE Iran and adjacent to Iran-Turkmenistan border), was estimated using MODFLOW model in FREEWAT Software. After preparing the conceptual model of the aquifer and transforming it into a numerical model, the model was calibrated in unsteady states during a two-year period (water-year 2015-2016 and 2016-2017) and verified. The sensitivity process confirmed validity of the numerical model in estimation of the aquifer recharge. Accordingly, the annual surface recharge was estimated at 80 million cubic meters (Mcm), occurring from rainfall (32 Mcm/year) and irrigation return flows (48 Mcm/year). In this regard, rainfall recharge coefficient was estimated about 20% of the annual rainfall and irrigation return flow coefficient was calculated about 15% of the annual discharge rates of the discharging wells. Simulated temporal variations of the groundwater recharge indicates occurrence of the rainfall recharge during January to June and irrigation return flows from November to April each year. The estimated recharge coefficients can be used in budget studies to properly manage the Sarakhs aquifer, as well as the same aquifers in Iran.

References:

شرکت ملی نفت ایران، 1983. نقشه زمینشناسی سرخس با مقیاس 1:250000.
مهندسین مشاور هیدروتک توس، 1393. گزارش فنی پیشنهاد تمدید ممنوعیت دشت سرخس. کارفرما: شرکت آب منطقهای استان خراسان رضوی،2-6.
نبیزاده، ن.، 1397. تخمین تغذیه سالانه به آبخوان سرخس با استفاده از FREEWAT، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران،53-56.
Baalousha, H., 2005. Using CRD method for quantification of groundwater recharge in the Gaza strip. Palestine, Environmental Geology, 48, 889-900.
Bauer, H. H. and Mastin, M. C., 1997. Recharge from precipitation in threeb small glacial-till mantled catchments in the Puget sound Lowland, Washington. US Geological Survey Water Resources Investigation Report, 96-4219.
Brini, N. and Zammouri, M., 2016. Groundwater recharge modelling in semi-arid regions; a case study of El Khairat alluvial plain (Tunisia). Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 49,3, 229-236.
Coelho, V. H. R., Montenegro, S., Almeida, C. N., Silva, B. B., Oliveira, L. M., Gusmão, A. C. V. and Montenegro, A. A., 2017. Alluvial groundwater recharge estimation in semi-arid environment using remotely sensed data. Journal of Hydrology, 548, 1-15.
Dripps, W.R., Hunt, R.J. and Anderson, M.P., 2006. Estimating recharge rates with analytic element models and parameter estimation, ground water, 44, 47-55.
Ebrahimi, H., Ghazavi, R. and Karimi, H., 2016. Estimation of groundwater recharge from the rainfall and irrigation in an arid environment using inverse modeling approach and RS. Water Resources Management, 30,6, 1939-1951.
Healy, R. W., 2010. Estimating groundwater recharge, Cambridge University Press, 1-14.
Herrmann, F., Jahnke, Ch., Jenn, F., Kunkel, R., Voigt, H., Voigt, J. and Wendland, F., 2009. Groundwater recharge rates for regional groundwater modelling: a case study using GROWA in the Lower Rhine lignite mining area, Germany. Hydrogeology Journal, 17, 2049–2060.
Izady, A., Abdalla, O., Amerjeed, M., Chen, M., Al-Maktoumi, A., Kacimov, A. and Al-Mamari, H., 2019. Recharge estimation of Hardrock-Alluvium Al-Fara Aquifer, Oman using multiple methods. In Advances in Sustainable and Environmental Hydrology, Hydrogeology, Hydrochemistry and Water Resources, 313-315, Springer, Cham.
Jafari, H., Raeisi, E., Zare, M. and Haghighi, A.A.K., 2012. Time series analysis of irrigation return flow in a semi-arid agricultural region, Iran. Archives of Agronomy and Soil Science, 58,6,.673-689.
Rushton, K., 1997. Recharge from permanent water bodies. In: Simmers I (ed) Recharge of phreatic aquifers in (semi) arid areas. AA Balkema, Rotterdam, 215-255.
Scanlon, B.R., Healy, R.W. and Cook, P.G., 2002. Choosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge. Hydrogeology Journal,10,18-39.
Stoertz, M. W. and Bradbury, K. R., 1989. Mapping recharge area using a groundwater flow model: a case study, Groundwater, 27, 220-228.
Tideman, C. R., Goode, D. J. and Hsieh, P. A., 1997. Numerical simulation of ground-water flow through glacial deposits and crystalline bedrock in the Mirror Lake area, Grafton country, New Hampshire. US Geological Survey Professional Paper 1572.
Uribe, J., Muñoz, J. F., Gironás, J., Oyarzún, R., Aguirre, E. and Aravena, R., 2015. Assessing groundwater recharge in an Andean closed basin using isotopic characterization and a rainfall-runoff model: Salar del Huasco basin, Chile, Hydrogeology Journal, 23,7, 1535-1551.

Full-Text:

تخمین تغذیه به آبخوان مرزی سرخس با استفاده از مدل عددی

نرگس نبیزاده چمازکتی1 و هادی جعفری2و*

1. دانشجوی کارشناسی ارشد هیدروژئولوژی، دانشکده علوم زمین، دانشگاه صنعتی شاهرود

2. دانشیار هیدروژئولوژی، دانشکده علوم زمین، دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

تخمین تغذیه از مباحث مهم در مطالعات منابع آب زیرزمینی به‌خصوص بیلان آبخوان‌ها بوده و در راستای مدیریت بهرهبرداری از آنها سودمند می‌باشد. در این تحقیق تغذیه به آبخوان آبرفتی سرخس که تنها منبع تأمينکنندهی آب برای مصارف مختلف شرب، کشاورزی و صنعت در دشت سرخس (شمال شرق ایران و مجاور مرز ترکمنستان) میباشد، با استفاده از مدل مادفلو در نرم‌افزار فریوات برآورد شده است. پس از ساخت مدل مفهومی آبخوان و تبدیل آن به مدل عددی، فرآیند کالیبراسیون (واسنجی) مدل در شرایط ناپایدار در یک دوره دو ساله (سال آبی 95-1394 و 95-1396) و صحتسنجی آن انجام شده است. بررسی حساسیت مدل عددی به پارامتر تغذیه نشان‌دهنده توانایی آن در تخمین تغذیه به آبخوان می‌باشد. بر اساس نتایج مدل عددی میزان تغذیه سطحی سالانه به آبخوان سرخس حدود 80 میلیون مترمکعب بوده که از دو منبع بارش (حدود 32 میلیون مترمکعب در سال) و آب برگشتی کشاورزی (حدود 48 میلیون مترمکعب در سال) صورت میگیرد. بر این اساس ضریب تغذیه ناشی از بارش حدود 20 درصد بارش سالیانه و ضریب جریان برگشتی ناشی از آبیاری برابر 15 درصد تخلیه سالانه چاههای بهره‌برداری برآورد شده است. تغییرات زمانی تغذیه به آبخوان بر اساس مدل عددی کالیبره شده نشان‌دهنده رخداد تغذیه ناشی از بارش در ماه‌های دی تا خرداد و جریان برگشتی آبیاری از آبان تا فروردین هر سال میباشد. ضرایب تغذیه در محاسبات بیلان و در راستای مدیریت بهینه آبخوان سرخس و آبخوان‌های مشابه در ایران قابل استفاده می‌باشد.

واژههای کلیدی: آب برگشتی آبیاری، بیلان، تغذیه بارش، خراسان رضوی، مادفلو.

مقدمه

تغذیه آبهای زیرزمینی¹ که با اصطلاحات مختلف نظیر نفوذ خالص²، زهکشی³ یا نفوذ عمقی⁴ توصیف می‌شود، معرف حرکت یا جابجایی آب در زیر منطقه ریشه بوده که به دو گروه پراکنده⁵ و متمرکز⁶ قابل تقسیم می‌باشد (Scanlon et al., 2002). تغذیه پراکنده معرف تغذیه ناشی از بارش یا آبیاری بوده که به‌صورت یکنواخت از یک سطح بزرگ روی می‌دهد، درحالی‌که تغذیه متمرکز در برگیرنده تغذیه ناشی از گودیهای توپوگرافی نظیر رودخانه و دریاچه می‌باشد.

تخمین تغذیه یکی از مهم‌ترین مباحث در مطالعات آب زیرزمینی به‌خصوص در مطالعات بیلان آب زیرزمینی می‌باشد. مدیریت وضعیت بحرانی منابع آب زیرزمینی در گام اول مستلزم شناخت کافی از سیستم آبخوان می‌باشد. در این راستا تخمین تغذیه به‌عنوان آب ورودی به سیستم آب زیرزمینی ضروری می‌باشد. شناخت و یافتن درک صحیح از تغذیه منابع آب زیرزمینی در مدیریت موفق منابع آب و همچنین مدل‎سازی سیال و انتقال آلودگی در ناحیه زیرسطحی و بررسی آسیب پذیری لایه آبدار مورد نیاز می‌باشد (Healy, 2010).

تکنیکهای تخمین تغذیه بر اساس مناطق هیدرولوژیکی که اطلاعات مورد نیاز از آن‌ها به دست میآید، به سه گروه تکنیکهای آب سطحی، منطقه غیراشباع و منطقه اشباع تقسیم می‌شوند. روش‌های تخمین تغذیه در هر منطقه به انواع تکنیک‌های فیزیکی، ردیابی و مدل‌سازی عددی طبقه‌بندی می‌شوند. روش مدلسازی عددی⁷ از جمله تکنیکهای تخمین تغذیه بوده که در هر سه منطقه آبهای سطحی، منطقه غیراشباع و منطقه اشباع قابل کاربرد می‌باشد. در این روش میزان تغذیه طی فرآیندهای توسعه و واسنجی مدل تخمین زده می‌شود. با توجه به این قابلیت، مدل‌های کامپیوتری آب زیرزمینی به‌عنوان مفیدترین ابزار موجود در مدیریت منابع آب زیرزمینی معرفی شدهاند (Healy, 2010).

Rushton (1997) تغذیه را به دو گروه واقعی⁸ و پتانسیل⁹ تقسیمبندی کرده است. تغذیه پتانسیل که از مطالعات منطقه غیراشباع یا آبهای سطحی به دست میآید، نشان‌دهنده آب عبوری از منطقه ریشه بوده که ممکن است به سطح ایستابی برسد یا نرسد. درحالی‌که تغذیه واقعی (برآورد شده از مطالعات منطقه اشباع) نشان‌دهنده آبی است که به سطح ایستابی رسیده است.

مدل‌های شبیهسازی در تمامی انواع مطالعات هیدروژیکی به‌طور گسترده مورد استفاده هستند و از بسیاری از آن‌ها می‌توان برای برآورد تغذیه بهرهمند شد. مدلها قادرند تا دید مناسبی را نسبت به عملکرد سیستمهای هیدرولوژیکی به‌منظور شناسایی عوامل اثرگذار بر تغذیه فراهم کنند. از قابلیت پیش‌بینی مدلها می‌توان برای ارزیابی چگونگی تغییرات ایجاد شده در اقلیم، کاربرد آب، کاربری اراضی و سایر عوامل موثر بر نرخ تغذیه، استفاده کرد (Healy, 2010). Stoertz and Bradbury (1989) روشی را شرح دادند که در آن از مدل جریان آب زیرزمینی برای محاسبه تغذیه آب زیرزمینی استفاده شده است. ابتدا نقشه سطح ایستابی به صورت دستی رسم و سپس بر روی آن یک شبکه دو بعدی افقی قرار داده شد. ارتفاع سطح ایستابی در نزدیک محل هر گره، به همان گره اختصاص داده شد. سپس از مادفلو به‌منظور شبیهسازی جریان آب زیرزمینی استفاده شد. بر اساس نتایج، نرخ تغذیه محاسبه شده با هدایت هیدرولیکی، رابطه خطی نشان داده است. Baver and Mastin (1997) از مدل به‌منظور شبیه‌سازی جزئیات بیلان آبی سه حوضه کوچک در زمینهای پوشیده از خاکهای یخچالی در واشنگتن استفاده کردند. بر اساس نتایج حاصل از مدل، مقدار متوسط تغذیه سالانه یخرفتها حدود 37 تا 172 میلی‌متر برآورد شد. Tideman et al., (1997) مطالعه مدلسازی حوضه آب زیرزمینی منطقه دریاچه میرور انگلستان را به‌منظور توسعه درکی از گستره سه بعدی حوضه و تعیین مؤلفه‌های بیلان آبی نظیر تغذیه انجام دادند. نتایج نشان داد حوضه آب زیرزمینی دریاچه میرور، بسیار بزرگ‌تر از حوضه آب سطحی بوده و چنانچه مدل آب زیرزمینی بر اساس مرزهای حوضه آب سطحی ساخته شود، در آن صورت مقدار تغذیه حدود 50 درصد افزایش مییابد.

Baalousha (2005) با استفاده از مدل میزان تغذیه آب زیرزمینی ناشی از بارندگی در نوار غزه در فلسطین را حدود 43 میلیون مترمکعب برآورد کرد. Dripps et al., (2006) نشان دادند که چگونه مدل در ترکیب با یک کد برآورد پارامتر می‌تواند به‌منظور برآورد تغذیه در حوضه کوچکی واقع در ویسکانسین شمالی مورد استفاده قرار گیرد. واسنجی مدل، بر اساس تطبیق جریان پایه شبیهسازی شده، با میانگین سالانه جریان پایه تعیین شده از روش جداسازی هیدروگراف رودخانهای در شرایط پایدار انجام شد.

نرخ تغذیه آب زیرزمینی به‌عنوان شرط مرزی تغذیه برای مدل آب زیرزمینی منطقه‌ای در آلمان مورد استفاده قرار گرفته است. تجزیه و تحلیل نتایج نشان می‌دهد تغذیه محاسبه شده، با تنظیم شاخص جریان پایه برای مناطقی که رواناب تحت تأثیر شیب و ورود کم آب قرار دارد، بهبود مییابد. با استفاده از مجموعه تنظیم شده شاخص جریان پایه، متوسط نرخ تغذیه آب زیرزمینی منطقه حدود 170 میلیمتر در سال می‌باشد (Herrmann et al., 2009). مدل‌های ترکیبی حوضه آبریز و جریان آب زیرزمینی ابزار مفیدی برای برآورد تغذیه آب زیرزمینی محسوب می‌شوند. روش یکپارچه و ترکیبی، کل هیدرولوژی یک سیستم حوضه آبریز و آبخوان را در نظر میگیرد. نتایج مدلها نشان می‌دهد تغذیه محاسبه شده، ممکن است نسبت به زمان و مکان متغیر باشد (Healy, 2010). استفاده ترکیبی از مشخصات ایزوتوپی اجزای مختلف چرخه آب و مدل بارش-رواناب برای بررسی توزیع مکانی و زمانی تغذیه توسط Uribe et al., (2015) انجام شده است. بر اساس نتایج، تغذیه متوسط طولانی مدت حدود 22 میلیمتر در سال برآورد شده که معادل 15 درصد بارش سالانه حوضه میباشد. Ebrahimi et al., (2016) برای تعیین میزان تغذیه آب زیرزمینی در مناطق خشک از مدل‌سازی معکوس استفاده کردند. بر اساس نتایج، تغذیه آب زیرزمینی از جریان برگشتی آب کشاورزی به میزان 15/0 میلی‌متر بر روز و تغذیه ناشی از بارش حدود 08/0 میلی‌متر بر روز (معادل 8/10 درصد کل بارش سالانه) میباشد. از دیگر مطالعات در خصوص تخمین تغذیه با استفاده از مدل میتوان به مطالعات انجام شده در مناطق خشک تونس (Brini and Zammour, 2016)، منطقه نیمه‌خشک برزیل (Coelho et al., 2017) و کشور عمان (Izady et al., 2019) اشاره کرد.

گستره مطالعاتی سرخس به دليل قرار گرفتن در مناطق خشک ایران، فاقد منابع سطحي آب بوده و آب زیرزميني تنها منبع تأمین‌کننده‌ی آب شرب، کشاورزی و صنعت می‌باشد. در آبخوان دشت سرخس 374 حلقه چاه عمیق جهت بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی (بیشتر برای مصارف کشاورزی) حفر شده است. بهره‌برداری زیاد از این آبخوان باعث کاهش ذخیره سفره آب زیرزمینی شده که افت ممتد سطح ایستابی با نرخ حدود 6/0 متر در سال طی سالیان اخیر را در پی داشته است. نظر به اهمیت منابع آب زیرزمینی در این آبخوان مرزی و لزوم مدیریت آن در راستای حفاظت از این منبع طبیعی ارزشمند، تخمین تغذیه به منابع آب زیرزمینی این دشت ضروری می‌باشد. بنابراین هدف از انجام اين تحقيق برآورد تغذیه آب زیرزميني به آبخوان سرخس با استفاده از مدل عددی و بررسی تغییرات مکانی و زمانی آن می‌باشد.

منطقه مورد مطالعه

شهر سرخس در ۱۸۰ كيلومتري شهر مشهد در مجاورت مرز تركمنستان قرار دارد. محدوده مطالعاتی سرخس در مختصات جغرافیایی '42 ◦60 تا '14 ◦61 طول شرقی و '50 ◦35 تا '37 ◦36 عرض شمالی واقع شده است. بر طبق نقشه زمينشناسي (شکل 1) قديميترين سازند در این منطقه سازند آب تلخ با سن کرتاسه بوده كه در بخش جنوبغربي محدوده رخنمون دارد. رسوبات كواترنري (Q) گسترش وسيعي در سطح منطقه دارند. به‌طورکلی رسوبات آبرفتي دانه درشت بوده و بیشتر از قلوه‌سنگ، ماسه و شن تشكيل شدهاند و به‌طرف نواحي غربي و حاشيه ارتفاعات، رسوبات دانه‌ریز سيلتي و رسي خانگيران به آن‌ها اضافه می‌شود (مهندسین مشاور هیدروتک توس، 1393).

$D:\mantaghe sarakhs\مقاله علمی پژوهشی مهر97\sarakhs2 (2).jpg$

شکل 1. نقشه زمین‌شناسی سرخس (برگرفته از نقشه‌ 1:250000 سرخس، شرکت ملی نفت ایران، 1983)

آبخوان آبرفتی سرخس از نوع آزاد و داراي شكل به نسبت كشيده با امتداد شمالی-جنوبی می‌باشد (شکل1). مرز شمالی آبخوان منطبق بر مرز ایران-ترکمنستان، مرز شرقی رودخانه هریرود، مرز جنوبی محل تقاطع پل خاتون و رودخانه هریرود و مرز غربی آن حد فاصل کوه و دشت می‌باشد. جنس رسوبات در محدوده آبخوان از نوع آبرفت عهد حاضر (Q) می‌باشد. سازند خانگيران با لیتولوژی شیل و ماسهسنگ به‌عنوان سنگ کف آبخوان دشت سرخس شناخته شده است (مهندسین مشاور هیدروتک توس، 1393).

نقشه همپتانسیل سطح ایستابی آبخوان سرخس براساس اطلاعات اندازهگيري شده عمق سطح آب زيرزميني در42 حلقه چاه مشاهدهاي (پیزومتر) در فروردين سال 1396 رسم شده است (شکل 2). حداكثر ارتفاع مطلق سطح آب زيرزميني به ميزان 2/324 متر در بخش جنوبی آبخوان و حداقل آن به ميزان 5/238 متر در بخش شمالی اندازهگيري شده است. بر این اساس جهت کلی جریان آب زیرزمینی از جنوب به سمت شمال می‌باشد. مطابق نقشه هم‌پتانسیل رسم شده مرزهای شرقی و غربی آبخوان مرز ورودی زیرزمینی بوده و به دلیل برداشت محلی و متمرکز آبخوان در بخش شمالی که منجر به تشکیل محدوده بسته در خطوط هم‌پتانسیل شده است، آبخوان فاقد خروجی زیرزمینی میباشد.

$D:\mantaghe sarakhs\OUT PUT MODEL FOR GIS\out put 97.07.23\map NEW\pizo96.500.jpg$

شکل 2. نقشه همپتانسيل سطح ایستابی آبخوان سرخس (فروردین 1396)

هیدروگراف معرف آبخوان سرخس به منظور بررسی نوسانات سطح آب زيرزميني رسم شده است (شکل3). نوسانات سطح ایستابی آبخوان سرخس تابع ميزان تغذيه آبخوان و فعاليت چاههاي بهره‌برداري ميباشد. بررسی‌ها نشان می‌دهد سطح آب زیرزمینی در آبخوان با زمان در حال افت می‌باشد. نرخ افت سطح ایستابی در سالهای اخیر به دلیل بهره‌برداری بیش از حد از آبخوان و کاهش احتمالی تغذیه منابع آب زیرزمینی ناشی از خشکسالیهای اخیر و کاهش احتمالی جریان ورودی آب زیرزمینی به آبخوان در اثر احداث سد دوستی در بالادست آبخوان سرخس، افزایش یافته و به حدود 6/0 متر در سال آبي 96-95 رسیده است.

شکل 3. هيدروگراف معرف آبخوان آبرفتی سرخس

روش مطالعه

در این تحقیق میزان تغذیه به آبخوان آبرفتی سرخس طی مراحل زیر برآورد شده و تغییرات زمانی و مکانی آن مورد بررسی قرار گرفته است:

الف- توسعه مدل مفهومی آبخوان سرخس: برای ساخت مدل مفهومی در ابتدا اطلاعات و گزارش‌های موجود از آبخوان سرخس که شامل اطلاعات چاههای مشاهدهای (پیزومتر) و بهره‌برداری، میزان بارش، خصوصیات هیدرودینامیکی آبخوان و نقشه سنگ کف آبخوان می‌باشد، بررسی شد (مهندسین مشاور هیدروتک توس، 1393). با ورود اطلاعات به محیط نرم‌افزار Arc GIS مدل مفهومی آبخوان در دو بخش هندسه و هیدرولیک آبخوان تهیه شد.

ب- ساخت مدل عددی، کالیبراسیون و صحت سنجی آن: مدل مفهومی آبخوان با استفاده از مدل مادفلو در نرمافزار FREEWAT که نرمافزاری برای مدیریت منابع آب زیرزمینی بوده و امکان شبیهسازی کل چرخه هیدرولوژیکی را فراهم میکند، به مدل عددی برای شبیه‌سازی جریان آب زیرزمینی تبدیل شد. گستره آبخوان با توجه به وسعت و شکل هندسی آن و موقعیت مکانی چاه‌ها برای افزایش دقت محاسبات، به سلولهایی با ابعاد 500 *500 متر تقسیم‌بندی شد. جریان آب زیرزمینی از مرزهای ورودی شمالی، جنوبی، شرقی و غربی آبخوان با استفاده از بسته مرز با بار هیدرولیکی عمومی شبیه‌سازی شد. تغذیه سطحی به آبخوان آبرفتی که از دو بخش بارش و آب برگشتی رخ می‌دهد (نبی‌زاده، 1397)، با استفاده از بسته تغذیه شبیه‌سازی شد. شبیه‌سازی چاه‌های بهره‌برداری نیز توسط بسته چاه انجام گرفت (شکل4). لازم به ذکر است توزیع مکانی ضرایب هیدرودینامیک آبخوان (هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه) نیز به‌عنوان پارامتر مورد نیاز در ساخت مدل عددی در نرمافزار وارد شده و در فرایند شبیهسازی مورد استفاده قرار گرفته است.

بعد از اجرا، مدل عددی در بازه زمانی شهریور سال 1394 تا شهریور سال 1396 به مدت 24 ماه با دورههای تنش یک ماهه (گامهای زمانی 30 روزه) واسنجی (کالیبره) شد. سپس صحتسنجی مدل در یک بازه یک ساله ( سال آبی 92-1391) برای 12 دوره تنش انجام شد.

$C:\Users\iran\Desktop\KX.1000222222222 (1).jpg$

شکل 4. موقعیت چاههای بهره‌برداری، پیزومترها و شرایط مرزی در محدوده مدل آبخوان سرخس

ج- بررسی حساسیت مدل و تخمین تغذیه به آبخوان: در طول فرآیند واسنجی مقادیر پارامترهای مختلف از جمله تغذیه در بازه معقول تغییر داده شد و حساسیت مدل عددی در برآورد تغذیه مورد بررسی قرار گرفت. پس از اطمینان از حساسیت مدل به پارامتر تغذیه، میزان تغذیه به آبخوان تخمین زده شده و تغییرات زمانی و مکانی آن بر اساس نتایج مدل عددی مورد بررسی قرار گرفت.

بحث

مدل مفهومی آبخوان سرخس

آبخوان سرخس با مساحت حدود 874 کیلومترمربع از نوع آزاد بوده که در غرب رودخانه مرزی هریرود با روند به نسبت کشیده شمالی - جنوبی واقع شده است (شکل 1). ضخامت رسوبات آبرفتی دربرگیرنده آبخوان از حداقل 30 متر در بخش غربی به حداکثر 130متر در بخش شرقی (مجاور رودخانه هریرود) و شمالی آبخوان افزایش می‌یابد. مهم‌ترین ورودی‌ها به آبخوان (شکل 2)، تغذیه حاصل از نفوذ بارش و آب برگشتی ناشی از مصارف کشاورزی (آبیاری) با مجموع 279 میلیون مترمکعب در سال میباشند. لازم به ذکر است بر اساس نقشه همپتانسیل و استفاده از معادله دارسی جریان ورودی زیرزمینی به آبخوان حدود 200 میلیون متر مکعب محاسبه شده است (نبیزاده، 1397). تخلیه آبخوان با نرخ حدود 310 میلیون مترمکعب در سال توسط چاههای بهرهبرداری (شکل 4) به‌عنوان تنها خروجی آبخوان صورت میگیرد. در شرایط فعلی آبخوان با بیلان منفی و کسری مخزن حدود 31 میلیون مترمکعب در سال مواجه میباشد. متوسط ضریب ذخیره آبخوان نیز حدود شش درصد برآورد شده است.

شبیه‌سازی عددی آبخوان سرخس

بعد از تبدیل مدل مفهومی آبخوان سرخس به مدل عددی در نرمافزار فریوات و اجرای مدل، واسنجی آن به‌منظور انطباق مقادیر شبیهسازی شده سطح ایستابی و مقادیر مشاهدهای صحرایی انجام شده که همبستگی بالای مقادیر شبیهسازی شده و مشاهدهای (شکل5) بیانگر دقت مدل در پیشبینی تغییرات سطح آب زیرزمینی می‌باشد.

شکل 5. انطباق مقادیر محاسبه شده توسط مدل و مشاهده شده در چاههای پیزومتری در انتهای دوره مدل‌سازی

مهم‌ترین نتیجه حاصل از واسنجی مدل انطباق مقادیر تراز آب زیرزمینی محاسبه‌ای و مشاهده‌ای می‌باشد. در شکل 6 هیدروگراف شبیه‌سازی شده توسط مدل و مشاهده‌ای پیزومترها در دوره واسنجی در تعدادی از پیزومترهای منتخب واقع در جنوب (P23 و P25)، مرکز (P31 وP37) و شمال آبخوان (P16 و P32) مقایسه شده است. انطباق تراز آب زیرزمینی مشاهدهای در پیزومترها و محاسباتی توسط مدل عددی در بازه دو ساله مدلسازی حاکی از شبیه‌سازی قابل قبول جریان در آبخوان با استفاده از مدل عددی می‌باشد. لازم به ذکر است به دلیل تعداد زیاد پیزومترها مقایسه هیدروگراف محاسبهای و مشاهدهای (شکل 6) فقط در تعدادی از پیزومترهای واقع در بخشهای مختلف آبخوان ارائه شده است. در مجموع مقایسه سطح ایستابی شبیهسازیشده توسط مدل عددی و اندازهگیریشده در پیزومترها بیانگر دقت مدل عددی در شبیهسازی جریان آب زیرزمینی در محدوده آبخوان سرخس میباشد.

شکل 6. مقایسه هیدروگراف شبیه‌سازی شده توسط مدل و هیدروگراف مشاهداتی در پیزومترهای منتخب از بخش‌های جنوبی (P23 و P25)، مرکزی (P31 وP37) و شمالی (P16 و P32) آبخوان سرخس

یکی از مهم‌ترین و کاربردیترین اطلاعات خروجی از مدل آب زیرزمینی، بیلان آب زیرزمینی محدوده مدل می‌باشد. جدول 1 بیلان آبخوان سرخس محاسبه شده توسط مدل عددی مادفلو را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است مقادیر ارائه شده در این جدول به‌صورت تجمعی و برای دو سال شبیهسازی توسط مدل، محاسبه شده است و بنابراین نصف این مقادیر معرف مؤلفه‌های ورودی و خروجی سالانه (برحسب مترمکعب در سال) از آبخوان سرخس می‌باشند. مطابق نتایج بیلان مقدار تغذیه سالانه به آبخوان که از طریق آب برگشتی و بارش انجام شده حدود 80 میلیون مترمکعب، جریان ورودی زیرزمینی حدود 202 میلیون مترمکعب و تخلیه چاه‌ها حدود 310 میلیون مترمکعب محاسبه شده است. بر این اساس مجموع ورودیهای سالانه به آبخوان حدود 282 میلیون مترمکعب بوده، درحالی‌که مجموع خروجیها 310 میلیون مترمکعب می‌باشد. کاهش حجم ذخیره آبخوان که معادل 28 میلیون مترمکعب در سال محاسبه شده، نشاندهنده بیلان منفی و تأکیدی بر کسری مخزن سالانه آبخوان سرخس میباشد.

جدول 1. بیلان آبخوان سرخس، محاسبه شده توسط مدل عددی

نقشه همپتانسیل شبیهسازی شده آبخوان سرخس با استفاده از مدل عددی در شکل 7 نشان داده شده است. بر این اساس سطح آب زیرزمینی در آبخوان از حداقل 235 متر تا حداکثر 325 متر متغیر می‌باشد. مطابق الگوی شبیهسازی شده سطح ایستابی (شکل7) جهت کلی جریان در آبخوان سرخس از جنوب به سمت شمال می‌باشد. تمرکز چاههای بهره‌برداری در قسمتهای شمالی آبخوان باعث تخلیه متمرکز آبخوان و تشکیل مخروط افت و در نتیجه ایجاد منحنیهای بسته تراز در این قسمت شده است. طبق مطالعات انجام شده قبلی (مهندسین مشاور هیدروتک توس، 1393) جهت جریان از جنوب به سمت شمال بوده و در قسمت شمالی دشت، تخلیه آبخوان انجام شده است. درحالی‌که به دلیل افزایش بهره‌برداری، در حال حاضر آبخوان فاقد خروجی زیرزمینی بوده و عمده تخلیه توسط چاههای بهره‌برداری صورت میگیرد. ایجاد منحنیهای بسته در خطوط همپتانسیل نشان‌دهنده تغییر الگوی جریان آب زیرزمینی بوده که می‌تواند تغییرات کیفی برای مثال شوری منابع آب زیرزمینی به دلیل هجوم آبهای شور از خارج آبخوان به داخل آن در اثر معکوسشدگی جریان آب زیرزمینی را در پی داشته باشد. این موضوع بایستی در مدیریت این آبخوان مرزی مورد توجه قرار گیرد. مقایسه نقشه سطح ایستابی شبیهسازی شده آبخوان سرخس توسط مدل عددی (شکل 7) و نقشه تراز رسم شده بر اساس مقادیر ارتفاع سطح آب زیرزمینی در پیزومترها (شکل 2) تاییدی بر توانایی مدل در شبیهسازی آبخوان بوده و بنابراین مدل تهیه شده جهت انجام مطالعات بعدی نظیر تخمین تغذیه قابل اعتماد میباشد.

شکل 7. نقشه سطح ایستابی آبخوان سرخس شبیهسازی شده توسط مدل عددی

تخمین تغذیه و بررسی تغییرات مکانی و زمانی آن

با توجه به اینکه هدف از تهیه مدل و شبیه‌سازی آبخوان سرخس تخمین تغذیه به آبخوان بوده است، ابتدا حساسیت مدل نسبت به تغذیه بررسی گردید. بدین منظور تغییرات تابع هدف (اختلاف بین هد محاسبه‌ای و مشاهده‌ای) نسبت به تغییرات تغذیه مورد بررسی قرار گرفت (شکل8). همانطور که ملاحظه می‌شود مدل تهیه شده از آبخوان به‌طور کامل به تغییرات تغذیه حساس بوده و بنابراین می‌توان به نتایج آن در تخمین تغذیه اعتماد کرد.

شکل 8. بررسی حساسیت مدل عددی آبخوان سرخس به تغییرات تغذیه

بر اساس نتایج مدل میزان کل تغذیه به آبخوان سرخس برابر 80 میلیون مترمکعب در سال بوده که از دو منبع بارش و آب برگشتی ناشی از مصارف کشاورزی تأمین شده است. تغییرات مکانی تغذیه به آبخوان سرخس در شکل 9 نشان داده شده است. تغذیه سطحی به آبخوان سرخس در دو بخش شرقی و غربی تفکیک شده است. بخش شرقی آبخوان به علت تمرکز زمینهای زراعی به‌عنوان محدوده تاثیر آب برگشتی و بخش غربی به دلیل وجود رسوبات ماسه‌ای بادی و نفوذپذیری بالا بهعنوان محدوده تغذیه ناشی از بارش در نظر گرفته شده است. مقدار تغذیه سالانه ناشی از بارش برابر 32 میلیون مترمکعب در سال بوده که با توجه به میانگین بارش سالانه در محدوده آبخوان سرخس (163 میلیمتر در سال) این حجم تغذیه معادل حدود 20 درصد بارش سالیانه بوده و بنابراین ضریب تغذیه ناشی از بارش در آبخوان سرخس برابر 20 درصد معرفی میشود. تغذیه ناشی از کشاورزی که در بخش شرقی آبخوان روی میدهد، برابر 48 میلیون مترمکعب در سال بوده که این حجم تغذیه برابر حدود 15 درصد کل حجم آب استفاده شده در کشاورزی میباشد. بنابراین ضریب آب برگشتی کشاورزی در محدوده آبخوان سرخس نیز برابر 15 درصد معرفی میشود.

شکل 9. توزیع مکانی تغذیه در محدوده آبخوان سرخس بر اساس نتایج مدل عددی

تغییرات زمانی تغذیه به آبخوان سرخس بر اساس نتایج مدل عددی در شکل 10 رسم شده است. مقدار تغذیه سالانه ناشی از بارش به آبخوان از حداقل صفر تا حداکثر 10 میلیون مترمکعب در ماههای مختلف متغیر می‌باشد. حداقل مقدار تغذیه ناشی از بارش در ماههای تیر، مرداد، شهریور و مهر بوده و حداکثر آن در فروردینماه روی میدهد. سری زمانی تغییرات حجم آب برگشتی در طول سال (شکل 10) نشان میدهد عمده تغذیه ناشی از آب برگشتی کشاورزی مربوط به نیمه اول سال آبی (ماههای آبان تا فروردین) بوده که بر اثر مصرف آبیاری بیش از نیاز محصولات زراعی روی داده است. در این دوره از سال به دلیل کاهش دمای هوا و کم بودن عمق ریشه محصولات زراعی، میزان تبخیر و تعرق (نیاز آبی) اندک بوده، لیکن کشاورزان به‌صورت ستنی آبیاری مازاد بر نیاز محصول انجام میدهند که این موضوع برگشت آب مازاد بر نیاز آبی گیاه به‌صورت تغذیه به آبخوان را در پی دارد. لازم به ذکر است نتایج حاصل از مدلسازی در شبیهسازی تغییرات زمانی آب برگشتی کشاورزی در آبخوان سرخس با مطالعات اندازهگیری مستقیم آب برگشتی کشاورزی با استفاده از لایسیمترها در مناطق نیمه‌خشک ایران (Jafari et al., 2012) همخوانی دارد. در مجموع تغذیه تجمعی ناشی از بارش و آب برگشتی در ماههای دی تا فروردین باعث افزایش حجم مخزن آب زیرزمینی و بالا آمدن سطح ایستابی در این دوره زمانی از سال میشود. مطابق نتایج حاصل از مدل عددی حداکثر میزان مجموع تغذیه ناشی از بارش و آب برگشتی کشاورزی حدود 18 میلیون مترمکعب بوده که در فروردینماه روی میدهد. آبخوان سرخس در دوره تابستان و اوایل پاییز (ماههای تیر تا مهر) فاقد هرگونه تغذیه سطحی (مجموع بارش و آب برگشتی کشاورزی) بوده که این موضوع با نبود بارندگی در این دوره و همچنین افزایش میزان تبخیر و تعرق که سبب کاهش و یا توقف آب برگشتی کشاورزی میگردد، همخوانی دارد.

شکل10. تغییرات زمانی تغذیه به آبخوان سرخس بر اساس نتایج مدل عددی

نتیجه‌گیری

در این پژوهش تغذیه به آبخوان سرخس از طریق مدلسازی عددی جریان آب زیرزمینی توسط مادفلو در نرمافزار FREEWAT برآورد شده و تغییرات مکانی و زمانی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از مدل عددی در انتهای دوره واسنجی و صحتسنجی بیانگر دقت بالای مدل در شبیهسازی سطح ایستابی، الگوی جریان آب زیرزمینی و مولفههای بیلان آبخوان میباشد. مدل تهیه شده از آبخوان نسبت به تغییرات تغذیه حساس بوده و بنابراین جهت برآورد تغذیه و تغییرات زمانی و مکانی مورد استفاده قرار گرفته است. بر اساس نتایج مدل عددی مقدار تغذیه سالانه آبخوان سرخس از دو منبع بارندگی و آب برگشتی کشاورزی حدود 80 میلیون مترمکعب برآورد شده است. تغذیه ناشی از آب برگشتی کشاورزی به میزان حدود 47 میلیون مترمکعب در سال در محدوده زمینهای کشاورزی واقع در بخش شرقی آبخوان و تغذیه ناشی از بارش به میزان 32 میلیون مترمکعب در سال از طریق شبکه آبراههای توسعهیافته در بخش غربی آبخوان روی میدهد. با توجه به الگوی کشت محصولات زراعی در این منطقه تغذیه ناشی از آب برگشتی فقط در فصول پاییز و زمستان صورت گرفته و با عنایت به الگوی بارش منطقه، تغذیه ناشی از بارش فقط در فصول بارندگی (آبان تا اردیبهشت) روی میدهد. بر اساس نتایج این تحقیق ضریب تغذیه ناشی از بارش حدود 20 درصد بارش سالیانه و ضریب جریان آب برگشتی ناشی از آبیاری حدود 15 درصد مجموع تخلیه سالانه چاههای بهره‌برداری تخمین زده شده است. با توجه به مشابهت شرایط آبخوانها در سایر نقاط ایران با آبخوان سرخس، نتایج حاصل از این پژوهش در تعیین ضرایب تغذیه ناشی از بارش و آب برگشتی کشاورزی و تغییرات زمانی و مکانها در سایر مطالعات به‌ویژه محاسبات بیلان هیدروژئولوژیکی آبخوان‌ها و در راستای مدیریت منابع ارزشمند آب زیرزمینی سودمند و قابل استفاده میباشد.

سپاسگزاری

بدین‌وسیله از همکاری مدیران و کارشناسان شرکت آب منطقهای خراسان رضوی در طی انجام این تحقیق سپاسگزاری میشود.

منابع

شرکت ملی نفت ایران، 1983. نقشه زمینشناسی سرخس با مقیاس 1:250000. ##مهندسین مشاور هیدروتک توس، 1393. گزارش فنی پیشنهاد تمدید ممنوعیت دشت سرخس. کارفرما: شرکت آب منطقهای استان خراسان رضوی،2-6. ##نبیزاده، ن.، 1397. تخمین تغذیه سالانه به آبخوان سرخس با استفاده از FREEWAT، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران،53-56. ##Baalousha, H., 2005. Using CRD method for quantification of groundwater recharge in the Gaza strip. Palestine, Environmental Geology, 48, 889-900. ## Bauer, H. H. and Mastin, M. C., 1997. Recharge from precipitation in threeb small glacial-till mantled catchments in the Puget sound Lowland, Washington. US Geological Survey Water Resources Investigation Report, 96-4219. ##Brini, N. and Zammouri, M., 2016. Groundwater recharge modelling in semi-arid regions; a case study of El Khairat alluvial plain (Tunisia). Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 49,3, 229-236. ##Coelho, V. H. R., Montenegro, S., Almeida, C. N., Silva, B. B., Oliveira, L. M., Gusmão, A. C. V. and Montenegro, A. A., 2017. Alluvial groundwater recharge estimation in semi-arid environment using remotely sensed data. Journal of Hydrology, 548, 1-15. ##Dripps, W.R., Hunt, R.J. and Anderson, M.P., 2006. Estimating recharge rates with analytic element models and parameter estimation, ground water, 44, 47-55. ## Ebrahimi, H., Ghazavi, R. and Karimi, H., 2016. Estimation of groundwater recharge from the rainfall and irrigation in an arid environment using inverse modeling approach and RS. Water Resources Management, 30,6, 1939-1951. ##Healy, R. W., 2010. Estimating groundwater recharge, Cambridge University Press, 1-14. ##Herrmann, F., Jahnke, Ch., Jenn, F., Kunkel, R., Voigt, H., Voigt, J. and Wendland, F., 2009. Groundwater recharge rates for regional groundwater modelling: a case study using GROWA in the Lower Rhine lignite mining area, Germany. Hydrogeology Journal, 17, 2049–2060. ##Izady, A., Abdalla, O., Amerjeed, M., Chen, M., Al-Maktoumi, A., Kacimov, A. and Al-Mamari, H., 2019. Recharge estimation of Hardrock-Alluvium Al-Fara Aquifer, Oman using multiple methods. In Advances in Sustainable and Environmental Hydrology, Hydrogeology, Hydrochemistry and Water Resources, 313-315, Springer, Cham. ##Jafari, H., Raeisi, E., Zare, M. and Haghighi, A.A.K., 2012. Time series analysis of irrigation return flow in a semi-arid agricultural region, Iran. Archives of Agronomy and Soil Science, 58,6,.673-689. ##Rushton, K., 1997. Recharge from permanent water bodies. In: Simmers I (ed) Recharge of phreatic aquifers in (semi) arid areas. AA Balkema, Rotterdam, 215-255. ##Scanlon, B.R., Healy, R.W. and Cook, P.G., 2002. Choosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge. Hydrogeology Journal,10,18-39. ##Stoertz, M. W. and Bradbury, K. R., 1989. Mapping recharge area using a groundwater flow model: a case study, Groundwater, 27, 220-228. ##Tideman, C. R., Goode, D. J. and Hsieh, P. A., 1997. Numerical simulation of ground-water flow through glacial deposits and crystalline bedrock in the Mirror Lake area, Grafton country, New Hampshire. US Geological Survey Professional Paper 1572. ##Uribe, J., Muñoz, J. F., Gironás, J., Oyarzún, R., Aguirre, E. and Aravena, R., 2015. Assessing groundwater recharge in an Andean closed basin using isotopic characterization and a rainfall-runoff model: Salar del Huasco basin, Chile, Hydrogeology Journal, 23,7, 1535-1551.##

Estimating recharge to the Sarakhs marginal aquifer using a numerical model

Nabizadeh Chamazcoti, N.1 and Jafari, H.2

1M.Sc. Student of Hydrogeology, Faculty of Earth Sciences, Shahrood University of

Technology, Iran

2Associate Professor of Hydrogeology, Faculty of Earth Sciences, Shahrood University of Technology, Iran

Estimating recharge is important in groundwater studies, especially in budget calculation to properly manage groundwater withdrawals. In this research, recharge value into the alluvial aquifer of Sarakhs, which is the only source of water for drinking, agricultural and industrial uses in Sarakhs Plain (NE Iran and adjacent to Iran-Turkmenistan border), was estimated using MODFLOW model in FREEWAT Software. After preparing the conceptual model of the aquifer and transforming into a numerical model, it was calibrated in unsteady states during a two-year period (Water-year 94-95 and 95-96) and verified. The sensitivity process confirmed validity of the numerical model in estimation of the aquifer recharge. Accordingly, the annual surface recharge was estimated at 80 million cubic meters (MCM), occurring from rainfall (32 MCM/year) and irrigation return flows (48 MCM/year). In this regard, rainfall recharge coefficient was estimated about 20% of the annual rainfall and irrigation return flow coefficient was calculated about 15% of the annual discharge rates of the discharging wells. Simulated temporal variations of the groundwater recharge indicates occurrence of the rainfall recharge during January to June and irrigation return flows from November to April months of the year. The estimated recharge coefficients can be used in budget studies to properly manage the Sarakhs aquifer, as well as the same aquifers in Iran.

Keywords: Irrigation return flow, Budget, Rainfall recharge, Khorasan Razavi, MODFLOW.

[1] .Recharge

[2] .Net infiltration

[3] .Drainage

[4] .Percolation

[5] .Diffuse

[6] .Focused

*نویسنده مرتبط: h_jafari@shahroodut.ac.ir

[7] .Numerical modeling

[8] .Actual

[9] .Potential

Share To

Article Url

Estimating recharge to the Sarakhs marginal aquifer using a numerical model