SUPERVISOR
Hamid Reza Safavi
حمیدرضا صفوی (استاد راهنما)
STUDENT
MARZIYEH KHAJEALI
مرضیه خواجه علی چالشتری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Investigation and Assessment of Management Scenarios for Groundwater Rehabilitation and Equilibrium to Reduction of Land Subsidence Case StudyDamaneh-Daran Aquifer
Population growth and consequently, the extension of water demands caused sharp increasing water use in the agricultural and industrial sectors. This increase in demands, which has been accompanied by an increase in the rate of groundwater extraction, caused irreparable damage. Land subsidence caused by groundwater exploitation is one of the most critical issues that many countries in the world now get involved as a big problem. For instance, in the past two decades, the Damane-Daaran aquifer in Gavkhoni river basin has been abandoned due to the land subsidence caused by the over-extraction of groundwater. The occurrence of subsidence is because of the drawdown due to the extraction of groundwater so that water from the pores of the soil will be evacuated because of the pressure of the upper layers. The subsidence will become more critical if the over-extraction of groundwater causes the aquifer to miss the elastic behavior, in which case the changes will become inelastic, and the possibility of the aquifer rehabilitation will be eliminated. In this research, groundwater rehabilitation to the reduction of land subsidence is presented, assessed, and analyzed. Therefore, a modeling tool has been used to understand the behavior of aquifer. First, a groundwater flow model was developed in ModelMuse software from 2011 to 2018 water year with the calibration, validation in steady-state and unsteady-state condition and the period of 2019 to 2024 for prediction. Subsequently, the SWT package was used in ModelMuse software to model land subsidence, and the calibration, validation, and prediction had done. For calibration and validation of land subsidence modeling, the process results of 52 Sentinel-1 satellite images were used. The high rate of land subsidence in the aquifer, especially in agricultural land, determines the necessity of management scenarios to reduce this phenomenon. Presented scenarios are; 1- continuation of an existing trend, 2-4- respectively 25%, 50% and 75% reduction in groundwater extraction from wells, 5- A 200% increase in recharge rates of critical areas. After the implementation of each scenario on land subsidence model, their effects on decreasing land subsidence rates are assessed and analyzed by comparing with scenario1 then compared with other scenarios to ranking them. The results show that the general trend of land subsidence complies with the process of changes in the water level, which is nonlinear and involves other factors such as thickness, storage properties, and the thickness of interbeds and so on. Therefore, it can be said that pumping reduction scenarios will have a significant effect on controlling land subsidence. The results show that if the current process of groundwater extraction continues, the maximum land subsidence will be 0.65m, while in the case of scenarios 2 to 4, this value will be 0.52, 0.41 and 0.31m respectively so that with the implementation of scenario 4, the subsidence rate is almost zero. Also, the average drawdown in the aquifer in scenario 1 is 11.5 m, and this value will be reduced under the scenarios 2-4 to 10, 7.5, and 4.15 m, respectively. These scenarios can be implemented by lowering the crop area or changing the crop pattern by planting the products with lesser water requirements. On the other hand, scenario 5 was only effective for the quantity rehabilitation of aquifer and not for reduction of land subsidence rate, so that under this scenario the maximum land subsidence reached 0.65 m, which is almost constant relative to scenario 1, and the average drawdown was 10.2 m that was 1.3 m lower than scenario 1. In this case, the quantity of groundwater rehabilitation is due to the moistening of the dry cells of the aquifer during the simulation period. Finally, the priority of scenarios to reduce land subsidence is, respectively, scenario 4, scenario 3, scenario 2, and scenario 5. Also, the results show that the areas with the high rate of land subsidence are largely in line with the agricultural land of the western and central aquifers, and emphasize to the corrective actions related to the type of crops grown, irrigation and the amount of water harvesting in these areas. It should be noted that the reported numbers are related to cumulative drawdown and land subsidence from 2011 to 2024. Key Words : Land Subsidence, ModelMuse, Rehabilitation of Aquifer, Groundwater Flow Simulation, Scenario Analysis, Damane-Daran
به دنبال افزایش جمعیت و افزایش نیازها، مصرف آب در بخشهای کشاورزی، صنعت و شرب به شدت افزایش یافتهاست. این افزایش نیاز که در نواحی زیادی با نرخ صعودی برداشت از منابع آب زیرزمینی همراه بوده، آسیبهای جبران ناپذیری را به دنبال داشتهاست. فرونشستزمین ناشی از برداشت بیرویهی آبهای زیرزمینی، یکی از مهمترین مسائلی است که در حال حاضر بسیاری از کشورهای دنیا به عنوان یک معضل با آن مواجه شدهاند. به عنوان نمونه در دو دههی اخیر آبخوان دامنه و داران که در حوضهی آبریز گاوخونی قرار دارد در اثر برداشت بیرویهی آبهای زیرزمینی درگیر فرونشستزمین شدهاست. رخداد این پدیده به این صورت است که افت سطح ایستابی در اثر برداشت آبهای زیرزمینی سبب شده که آب موجود در خلل و فرج خاک تخلیه شود و در اثر فشار طبقات فوقانی، فرونشستزمین ایجاد گردد. فرونشست در صورتی بحرانیتر میشود که ازدیاد برداشت از منابع آب سبب گذر آبخوان از مرز الاستیک شودکه در این صورت تغییرات به صورت غیر الاستیک و دائمی خواهندشد و امکان احیای آبخوان در چنین شرایطی از بین میرود. در این پایان نامه کوشش شد تا به ارائه و بررسی سناریوهای مدیریتی در راستای احیا و تعادل بخشی آبخوان دامنه و داران به منظور کاهش نرخ فرونشست زمین اقدام شود و بدین جهت از ابزار مدلسازی به منظور شناخت رفتار آبخوان استفاده شدهاست. ابتدا مدل کمی آبزیرزمینی در نرمافزار ModelMuse و برای دورهی آماری 1389 تا 1403 با طی مراحل واسنجی، اعتبار سنجی و پیشبینی در دو حالت جریان ماندگار و ناماندگار تدوینشد. پس از آن از بستهی SWT در نرمافزار ModelMuse به منظور مدلسازی فرونشستزمین استفاده شد و مراحل واسنجی، اعتبارسنجی و پیشبینی مربوط به آن صورتگرفت که در طی مرحلهی واسنجی و اعتبارسنجی فرونشست از نتایج مربوط به پردازش سری زمانی 52 تصویر ماهوارهی sentinel-1 استفاده شد. نرخ بالای فرونشستزمین در آبخوان به خصوص در بخش زمینهای کشاورزی لزوم اجرای سناریوهای مدیریتی در راستای کاهش این پدیده را مشخص میکند. سناریوهای تدوین شده عبارتند از: 1- استمرار روند فعلی 2- کاهش برداشت از چاهها به میزان 25 درصد 3- کاهش برداشت از چاهها به میزان 50 درصد 4- کاهش برداشت از چاهها به میزان 75 درصد 5- افزایش 200 درصدی نرخ تغذیه در نواحی بحرانی فرونشست. پس از اعمال هریک از سناریوهای مطرح شده بر مدل فرونشست به بررسی تاثیر آنها در راستای کاهش نرخ فرونشست توسط مقایسه با سناریوی مبنا (استمرار روند موجود) و سپس مقایسهی سناریوهای مختلف به منظور اولویتبندی آنها پرداخته شد. نتایج نشان میدهد که روند کلی فرونشست از روند تغییرات سطح آبزیرزمینی تبعیت میکند که این رابطه به صورت غیرخطی بوده و به عوامل متعددی غیر از سطح آب زیرزمینی همچون ضخامت آبرفت، خواص ذخیرهسازی، ضخامت میانلایههای موجود در آبخوان و... بستگی دارد. به همین جهت میتوان گفت که به طور کلی سناریوهای کاهش پمپاژ نقش موثری در کنترل فرونشست خواهندداشت. نتایج نشان میدهد که در صورت استمرار روند کنونی برداشت از چاهها، مقدار فرونشست حداکثر در سطح آبخوان به مقدار 65/0 متر میرسد حال آن که در صورت اجرای سناریوهای 2 تا 4 ، این مقدار به ترتیب به 52/0، 41/0 و 31/0 متر کاهش مییابد، به طوری که با اجرای سناریوی کاهش 75 درصدی برداشت از چاهها ، نرخ فرونشست تقریبا به صفر میرسد. همچنین مقدار متوسط افت در سطح آبخوان در سناریوی 1، 5/11 متر بوده که این مقدار تحت سناریوهای 2 تا 4 به ترتیب به مقادیر 10، 5/7، 15/4 متر تنزل مییابد. سناریوهای مذکور با کاهش سطح زیرکشت یا تغییر الگوی کشت از طریق کاشت محصولات با نیاز آبی کمتر قابل اجرا میباشند. از طرفی سناریوی 5 تنها در راستای احیای کمی آبخوان موثر بوده و از نظر تعادلبخشی فرونشست تاثیر قابل توجهی نداشته است به طوری که تحت این سناریو مقدار حداکثر فرونشست به 65/0 متر رسیده که نسبت به سناریوی 1 تقریبا ثابت بوده، حال آن که متوسط افت در سطح آبخوان به مقدار 2/10 متر رسیده که نسبت به سناریو 1 به مقدار 3/1 مترکاهش داشتهاست. در این مورد باید گفت که احیای کمی در این سناریو عمدتا ناشی از تر شدن سلولهای خشک سطح آبخوان در طی دورهی شبیهسازی بودهاست. در نهایت اولویت سناریوها در راستای کاهش فرونشستزمین به ترتیب عبارتاند از: سناریو4، سناریو3، سناریو2 و سناریو5. همچنین نتایج نشان میدهد که نواحی از آبخوان با بیشترین نرخ فرونشست، عمدتا منطبق بر زمینهای کشاورزی بخش غربی و مرکزی آبخوان میباشند و این مورد به لزوم اجرای اقدامات مدیریتی و اصلاحی مربوط به نوع محصولات کشتشده، نحوهی آبیاری و میزان برداشتآب در این مناطق تاکید میکند. لازم به ذکر است که اعداد گزارش شده مربوط به افت و فرونشست تجمعی مربوط به ابتدای سال 1390 تا انتهای سال 1402 میباشند. واژگان کلیدی: 1- فرونشستزمین 2- دامنه و داران 3- احیا و تعادل بخشی آبخوان 4- نرم افزار ModelMuse 5- شبیهسازی کمی آب زیرزمینی 6- تحلیل سناریو