شبیه سازی کمی و کیفی آبهای زیرزمینی آلوده به نیترات و تحلیل سناریوهای مدیریتی احیای کیفی آن، مطالعه موردی: آبخوان دامنه- داران

STUDENT

DEGREE

YEAR

Population growth and consequently extension of industry and agriculture caused more groundwater extraction and degradation of groundwater quality. Based on the fact that groundwater is considered as main source of water, especially in arid and semi-arid regions, the quality of groundwater is noticeable. Modeling serves as a suitable tool for estimation and prediction of water quantity-quality in future. Regarding to importance of Damaneh-Daran aquifer and high concentration of nitrate in this aquifer and with emphasize on quality aspect of groundwater, at this research groundwater quality remediation scenarios are presented, assessed and analyzed. The most important steps of this research are: recognition of aquifer and its properties, determination of recharge and discharge resources and hydrodynamic coefficients using calibrated and validated flow model and then estimation of porosity and dispersivity coefficients furthermore nitrate concentration all over the aquifer along simulation time period using calibrated and validated traort model. After that 9 scenarios with the aim of quality restoration (regarding nitrate contamination) are presented and qualitative effects of them analyzed. Flow modeling has done using MODFLOW code of GMS software, also its calibration, verification and simulation steps had done for time period of 2011 to 2021. After that traort modeling of the nitrate has done using MT3DMS code for time period of 2013 to 2021. High concentration of nitrate in some parts of aquifer in simulation time period, determines necessity of groundwater quality remediation scenarios implementation. Presented scenarios are: 1) continuation of existing trend, 2) implementation of wastewater collection and treatment planet system, 3) 30% reduction in nitrogen fertilizers consumption, 4) 50% reduction in nitrogen fertilizers consumption, 5) qualitative remediation through cultivation pattern change, 6) quantitative and qualitative remediation through cultivation pattern change. After implementation of each scenario on traort model of nitrate, their effects are assessed and analyzed, also results of each scenario compared with other scenarios in order to ranking of scenarios based on their positive impacts. Based on results, main reasons of this aquifer contamination are: 1) sewage discharge to groundwater throughout ion wells and 2) extensive use of fertilizers for agriculture. Each scenario considered one of this reason. Scenarios 7, 8 and 9 are served in order to consider both types of remediation scenarios simultaneously. Therefore these scenarios (7 to 9) are more effective than individual scenarios (1 to 6). nitrate concentration decrease under the implementation of 7 th to 9 th scenarios varied from 0.42 to 11.59 mg/l. As the result have shown 7 th scenario is the most effective scenario comparing to others with 12 and 14 mg/l improvement of nitrate concentration respectively in urban zones and aquifer at the end of simulation time period. Also it should be note that in 6 th scenario in addition to qualitative remediation, quantitative remediation is considered too and groundwater drawdown is approximated to decreas as much as 3.44 meter at the end of prediction time period.

افزایش جمعیت و در پی آن رشد صنعت و کشاورزی موجب افزایش برداشت از آبهای زیرزمینی و متعاقبا افت کمی و کیفی این منابع شده است. از آنجا که این منابع اصلیترین منبع تامین آب شرب به ویژه در مناطق خشک و نیمهخشک محسوب میشوند، کیفیت آنها مورد توجه است. مدلسازی، ابزاری مناسب جهت تخمین و پیشبینی کیفیت آب در آینده است. با توجه به اهمیت آبخوان دامنه-داران و همچنین غلظت نسبتا بالای نیترات آن و با فرض تاکید بر جنبه کیفی آب زیرزمینی، در این پایان نامه کوشش شد به ارائه و بررسی سناریوهای احیای کیفی آبخوان (با در نظر گرفتن آلاینده نیترات) پرداخته شود. از مهمترین مراحل انجام این پایان نامه میتوان در مرحله اول به شناخت آبخوان و خصوصیات آن، تعیین منابع و مصارف و ضرایب هیدرودینامیکی با استفاده از توسعه مدل کمی واسنجی و صحتسنجی شده اشاره نمود. در مرحله دوم نیز به تعیین ضرایب تخلخل و پخشیدگی و مقادیر غلظت نیترات در سراسر آبخوان در طول دوره پیشبینی با استفاده از توسعه مدل کیفی واسنجی و صحتسنجی شده اقدام شده است. سپس به ارائه سناریوهایی با هدف احیای کیفی آبخوان از حیث آلودگی به نیترات پرداخته شده و اثرات کیفی این سناریوها بررسی و تحلیل شده است. مدلسازی کمی با استفاده از نرمافزار GMS و مراحل واسنجی، صحتسنجی و شبیهسازی برای دوره آماری 1389 تا 1400 انجام شده است. پس از مدلسازی کمی اقدام به مدلسازی کیفی با استفاده از کد MT3DMS در نرمافزار GMS با توجه به دادههای موجود در دوره آماری 1392 تا 1400 شامل مراحل واسنجی، صحتسنجی و شبیهسازی انجام شده است. تجاوز غلظت نیترات از حد مجاز در برخی از نواحی آبخوان در طول دوره پیشبینی لزوم اعمال روشهای احیای کیفی این آبخوان را مشخص مینماید. در این راستا به ارائه سناریوهای احیای کیفی آبخوان (از لحاظ آلودگی به نیترات) اقدام شده است. سناریوهای بررسی شده عبارتند از: 1) استمرار روند فعلی، 2) تجهیز و تکمیل سیستم جمعآوری و تصفیه فاضلاب، 3) کاهش مصرف کود نیتروژنه به میزان %30، 4) کاهش مصرف کود نیتروژنه به میزان %50، 5) تغییر در الگوی کشت با دیدگاه احیای کیفی، 6) تغییر در الگوی کشت با دیدگاه احیای کمی و کیفی، 7) تلفیق سناریوهای 2 و 5، 8) تلفیق سناریوهای 2 و 4، 9) تلفیق سناریوهای 2 و 3. پس از اعمال هر سناریو بر روی مدل شبیهساز کیفی، تاثیر آن در بهبود کیفیت آبخوان بررسی و تحلیل شده و نتایج هر سناریو با سناریو 1 ( استمرار روند موجود) و دیگر سناریوها مقایسه شده و نهایتا سناریوها به ترتیب تاثیر اولویتبندی شدهاند. از آنجا که تخلیه فاضلاب خام به آب زیرزمینی از طریق چاههای جذبی و همچنین مصارف بالای کودهای نیتروژنه در کشاورزی از علل عمده آلودگی این آبخوان به آلاینده نیترات محسوب میشوند، سناریوهای ارائه شده در راستای احیای کیفی در دو دسته کلی 1) تجهیز منطقه به شبکه و تصفیهخانه فاضلاب و 2) کاهش مصرف کودهای نیتروژنه گنجانده شدهاند. سناریوهای 1 تا 6 هرکدام تنها تاثیر یکی از این دو مورد را نشان میدهند. سناریوهای 7 تا 9 نیز به منظور بررسی تاثیر توأمان این دو مورد که از تلفیق سناریوهای 1 تا 6 به دست آمدهاند، ارائه شدهاند. نهایتا نتایج حاصل از تمامی سناریوها در راستای احیای کیفی آبخوان با یکدیگر مقایسه شده است. سناریوهای تلفیقی (7 تا9)، به لحاظ کاهش غلظت نیترات هم در مناطق شهری و هم در سطح آبخوان، نسبت به سناریوهای منفرد (1 تا 6) تاثیر بیشتری در احیای کیفی آبخوان دارند. اولویت سناریوها در راستای کاهش غلظت نیترات به ترتیب عبارتاند از: سناریو 7، سناریو 8، سناریو 9، سناریو 5، سناریو 4، سناریو 3، سناریو 6 و سناریو 2. میزان کاهش غلظت میانگین نیترات در سطح آبخوان تحت سناریوهای منفرد احیای کیفی (سناریوهای 2 تا 6)، از 42/0 تا 59/11 میلیگرم بر لیتر بوده است. سناریو 7 با 12 و 14 میلیگرم بر لیتر کاهش میانگین غلظت نیترات به ترتیب در سطح آبخوان و نواحی شهری نسبت به سناریو 1 در پایان دوره شبیهسازی موثرترین سناریوی احیای کیفی محسوب شده است. همچنین لازم به ذکر است در سناریو 6 علاوه بر احیای کیفی آبخوان، احیای کمی نیز لحاظ شده و نتیجه اعمال این سناریو در احیای کمی، افزایش تراز آب به میزان 44/3 متر در پایان دوره پیشبینی است. کلمات کلیدی: 1- احیای کیفی آبخوان 2- نیترات 3 – تحلیل سناریوهای احیای کیفی 4- آبهای زیرزمینی 5- شبیهسازی کمی 6- شبیهسازی کیفی 7- دامنه-داران 8- نرمافزار GMS