بررسی رفتار جریان آب به/در قنات با استفاده از مدل سازی عددی

شناخت هیدرولیک جریان آب به قنات به عنوان یکی از روش های بهره برداری از منابع آب زیرزمینی از اهمیت بسزایی برخوردار است. مدل سازی عددی می تواند به عنوان ابزاری مفید، جهت شبیه سازی حرکت جریان به قنات و داخل آن مورد توجه باشد. در این تحقیق براساس تحلیل سه بعدی خصوصیات جریان در آبخوان غیر همگن و غیر همروند، منطقه ی اشباع قنات در شرایط غیر ماندگار توسط یک مدل ریاضی ترکیبی جریان آب زیرزمینی توصیف شد که شامل سه مولفه ی جریان آب زیرزمینی منطقه ای در آبخوان، جریان از آبخوان به قنات و جریان درون قنات است. جهت گسسته سازی معادله ی جریان در آبخوان از روش حجم کنترل برای حل سه بعدی و دو بعدی و روش سری تیلور برای حل دو بعدی استفاده گردید و شرایط هیدرولیکی درون قنات هم با در نظر گیری افت اصطکاک داخلی، که وابسته به عدد رینولدز است، زبری لوله و رژیم های مختلف جریان بیان شد. با حل همزمان معادلات این سه مولفه و با شرایط اولیه و مرزی معلوم، شبیه سازی سه بعدی هیدرولیک قنات صورت پذیرفت؛ در نتیجه افت آب زیرزمینی در آبخوان، افت هیدرولیکی در قنات، نرخ جریان در طول قنات و میزان آبدهی آن محاسبه شد. پس از توسعه ی مدل محاسباتی و طراحی یک کد رایانه ای برای آن توسط برنامه ی matlab، جهت کنترل و صحت سنجی مدل عددی، شبیه سازی برای یک حل عددی که در مطالعات پیشین برای یک چاه افقی صورت گرفته بود انجام شد. مقایسه ی نتایج حاصل از مدل پیشنهادی، با نتایج این مطالعه ی موردی درستی عملکرد مدل پیشنهادی را نشان داد. علاوه بر این، مدل عددی برای شبیه سازی جریان در اطراف یک سیستم شامل انشعابات زهکش افقی با یک چاه خروجی عمودی به کار گرفته شد که هدف از ایجاد این سیستم، پایین انداختن سطح آب زیرزمینی به میزان معینی می باشد. پس از اطمینان از صحت مدل، تحلیل حساسیت برای هر دو مورد معرفی شده صورت پذیرفت. برای مورد چاه افقی تغییر در نرخ پمپاژ و ذخیره ی ویژه ی آبخوان به ترتیب منجر به بیشترین و کمترین میزان تغییرات در خروجی های مدل گشت و پس از آن ضریب هدایت جریان و ویژگی های هیدرولیکی آبخوان در نتایج مدل تأثیر گذار بودند. برای مورد زهکش های افقی، موثرترین عوامل در میزان تخلیه ی زهکش به ترتیب هدایت هیدرولیکی لایه ای که سیستم در آن واقع شده (لایه ی دو) و ضرائب زهکش- محیط متخلخل بودند. ارتفاع هیدرولیکی در زهکش ها و ارتفاع آب زیرزمینی در محیط متخلخل به ترتیب بیشترین حساسیت را به خصوصیات هیدرولیکی زهکش و محیط متخلخل نشان دادند. همچنین آبدهی ویژه ی لایه ی یک کمترین حساسیت را در خروجی های مدل ایجاد کرد، اما آبدهی ویژه ی لایه ی دو در تغییر خروجی های مدل تأثیر بیشتری داشت. در نهایت، به دلیل اینکه مدل پیشنهادی این تحقیق معرف خوبی برای شرایط یک قنات، زهکش یا چاه افقی است، جهت دستیابی به نتایجی مفید برای پیش بینی در شرایط مختلف، سناریو هایی بر روی شبیه سازی های مذکور اعمال گردید.