Groundwater model

Groundwater models are computer models of groundwater flow systems, and are used by hydrologists and hydrogeologists. Groundwater models are used to simulate and predict aquifer conditions.

An unambiguous definition of "groundwater model" is difficult to give, but there are many common characteristics.

A groundwater model may be a scale model or an electric model of a groundwater situation or aquifer. Groundwater models are used to represent the natural groundwater flow in the environment. Some groundwater models include (chemical) quality aspects of the groundwater. Such groundwater models try to predict the fate and movement of the chemical in natural, urban or hypothetical scenario.

Groundwater models may be used to predict the effects of hydrological changes (like groundwater pumping or irrigation developments) on the behavior of the aquifer and are often named groundwater simulation models. Groundwater models are used in various water management plans for urban areas.

As the computations in mathematical groundwater models are based on groundwater flow equations, which are differential equations that can often be solved only by approximate methods using a numerical analysis, these models are also called mathematical, numerical, or computational groundwater models.^[1]

The mathematical or the numerical models are usually based on the real physics the groundwater flow follows. These mathematical equations are solved using numerical codes such as MODFLOW, ParFlow, HydroGeoSphere, OpenGeoSys etc. Various types of numerical solutions like the finite difference method and the finite element method are discussed in the article on "Hydrogeology".

For the calculations one needs inputs like:

• hydrological inputs,
• operational inputs,
• external conditions: initial and boundary conditions,
• (hydraulic) parameters.

The model may have chemical components like water salinity, soil salinity and other quality indicators of water and soil, for which inputs may also be needed.

Hydrological inputs

تُعدّ المنطقة غير المشبعة، أو منطقة التهوية ، الرابط الأساسي بين المياه الجوفية والمدخلات الهيدرولوجية . تعمل التربة على تقسيم المدخلات الهيدرولوجية، كالأمطار وذوبان الثلوج، إلى جريان سطحي ، ورطوبة التربة ، وتبخر، وتغذية المياه الجوفية . يمكن نمذجة التدفقات عبر المنطقة غير المشبعة ، التي تربط المياه السطحية برطوبة التربة والمياه الجوفية، صعودًا أو هبوطًا، اعتمادًا على تدرج الضغط الهيدروليكي في التربة، باستخدام الحل العددي لمعادلة ريتشاردز ^{[ 2 ]،} وهي معادلة تفاضلية جزئية، أو معادلة تفاضلية عادية باستخدام طريقة المحتوى المائي المحدود ^{[ 3 ]،} والتي تم التحقق من صحتها لنمذجة تفاعلات المياه الجوفية ومنطقة التهوية . ^{[ 4 ]}

الشروط الحدية والابتدائية

يمكن ربط شروط الحدود بمستويات المياه الجوفية ، وضغوط المياه الارتوازية ، والضغط الهيدروليكي على طول حدود النموذج من جهة ( شروط الضغط )، أو بتدفقات المياه الجوفية الداخلة والخارجة على طول حدود النموذج من جهة أخرى ( شروط التدفق ). وقد يشمل ذلك أيضًا جوانب جودة المياه مثل الملوحة.

تشير الشروط الأولية إلى القيم الأولية للعناصر التي قد تزيد أو تنقص بمرور الوقت داخل نطاق النموذج، وهي تغطي إلى حد كبير نفس الظواهر التي تغطيها الشروط الحدودية.

قد تختلف الشروط الابتدائية والحدودية من مكان لآخر. ويمكن إبقاء الشروط الحدودية ثابتة أو جعلها متغيرة مع مرور الوقت.

حدود

تتعلق المعلمات عادةً بهندسة ومسافات المجال المراد نمذجته، وتلك الخصائص الفيزيائية للخزان الجوفي التي تكون ثابتة إلى حد ما مع مرور الوقت ولكنها قد تكون متغيرة في المكان .

تشمل المعايير المهمة التضاريس ، وسماكة طبقات التربة/الصخور، ونفاذيتها الهيدروليكية الأفقية/الرأسية (نفاذية الماء)، ونفاذية طبقة المياه الجوفية ومقاومتها ، ومسامية طبقة المياه الجوفية ومعامل تخزينها ، بالإضافة إلى الخاصية الشعرية للمنطقة غير المشبعة. لمزيد من التفاصيل، راجع مقال الهيدروجيولوجيا .

قد تتأثر بعض المعايير بتغيرات حالة المياه الجوفية، مثل سُمك طبقة التربة الذي قد يقل عند انخفاض منسوب المياه الجوفية أو انخفاض الضغط الهيدروليكي. تُعرف هذه الظاهرة بالهبوط الأرضي . في هذه الحالة، يكون السُمك متغيرًا مع الزمن وليس معيارًا ثابتًا.

تعتمد قابلية تطبيق نموذج المياه الجوفية على الواقع على دقة البيانات المدخلة والمعايير . ويتطلب تحديد هذه المعايير دراسة معمقة، كجمع البيانات الهيدرولوجية ( هطول الأمطار ، والتبخر ، والري ، والصرف ) وتحديد المعايير المذكورة سابقًا، بما في ذلك اختبارات الضخ . ونظرًا لتغير العديد من المعايير مكانيًا، يلزم الاستعانة برأي الخبراء للوصول إلى قيم تمثيلية.

يمكن استخدام النماذج أيضًا في تحليل "إذا-ثم" : إذا كانت قيمة أحد المعاملات هي A، فما هي النتيجة؟ وإذا كانت قيمة المعامل هي B، فما هو التأثير؟ قد يكون هذا التحليل كافيًا للحصول على فكرة عامة عن سلوك المياه الجوفية، ولكنه يُمكن استخدامه أيضًا لإجراء تحليل حساسية للإجابة على السؤال التالي: ما هي العوامل ذات التأثير الكبير، وما هي العوامل ذات التأثير الأقل؟ بهذه المعلومات، يُمكن توجيه جهود البحث نحو العوامل المؤثرة.

عند تجميع بيانات كافية، يُمكن تحديد بعض المعلومات المفقودة عن طريق المعايرة . وهذا يعني افتراض نطاق من القيم للقيمة المجهولة أو المشكوك فيها لمعامل معين، ثم تشغيل النموذج بشكل متكرر مع مقارنة النتائج بالبيانات المعروفة المقابلة. على سبيل المثال، إذا كانت بيانات ملوحة المياه الجوفية متوفرة، وكانت قيمة الموصلية الهيدروليكية غير مؤكدة، يُفترض نطاق من قيم الموصلية، ثم تُختار القيمة "الحقيقية" التي تُعطي نتائج ملوحة قريبة من القيم المرصودة، مما يعني أن تدفق المياه الجوفية، كما تحدده الموصلية الهيدروليكية، يتوافق مع ظروف الملوحة. يُشبه هذا الإجراء قياس التدفق في نهر أو قناة عن طريق تقطير مياه شديدة الملوحة ذات تركيز ملحي معروف في القناة، وقياس تركيز الملح الناتج في اتجاه المصب.

يمكن أن تكون نماذج المياه الجوفية أحادية البعد، أو ثنائية البعد، أو ثلاثية البعد، أو شبه ثلاثية البعد. وتأخذ النماذج ثنائية وثلاثية الأبعاد في الاعتبار تباين خصائص طبقة المياه الجوفية فيما يتعلق بالنفاذية الهيدروليكية ، أي أن هذه الخاصية قد تتغير في اتجاهات مختلفة.

أحادي الأبعاد، ثنائي الأبعاد، وثلاثي الأبعاد

1. يمكن استخدام النماذج أحادية البعد للتدفق الرأسي في نظام من الطبقات الأفقية المتوازية.
2. تُطبَّق النماذج ثنائية الأبعاد على مستوى رأسي، مع افتراض أن ظروف المياه الجوفية تتكرر في مستويات رأسية متوازية أخرى (الشكل 4). وتُعد معادلات تباعد المصارف تحت السطحية وموازنة طاقة المياه الجوفية المطبقة على معادلات التصريف ^{[ 5 ]} أمثلة على نماذج المياه الجوفية ثنائية الأبعاد.
3. تتطلب النماذج ثلاثية الأبعاد ، مثل Modflow ^{[ 6 ]،} تقسيم نطاق التدفق بأكمله إلى عناصر منفصلة. ولتحقيق ذلك، يجب تقسيم منطقة التدفق إلى عناصر (أو خلايا) أصغر، أفقيًا ورأسيًا. تُحفظ المعاملات ثابتة داخل كل خلية، ولكنها قد تختلف بين الخلايا (الشكل 5). وباستخدام الحلول العددية لمعادلات تدفق المياه الجوفية ، يمكن تحديد تدفق المياه الجوفية أفقيًا ورأسيًا، وفي أغلب الأحيان، يكون تدفقًا متوسطًا .

شبه ثلاثي الأبعاد

في النماذج شبه ثلاثية الأبعاد، يُوصف التدفق الأفقي بمعادلات تدفق ثنائية الأبعاد (أي في الاتجاهين الأفقيين س و ص). أما التدفقات الرأسية (في الاتجاه ع) فتُوصف إما (أ) بمعادلة تدفق أحادية البعد، أو (ب) مُشتقة من موازنة مائية للتدفقات الأفقية، حيث يتم تحويل فائض المياه الجوفية الداخلة أفقياً على المياه الجوفية الخارجة أفقياً إلى تدفق رأسي، بافتراض أن الماء غير قابل للانضغاط .

يوجد نوعان من النماذج شبه ثلاثية الأبعاد:

• النماذج المتصلة أو النماذج الشعاعية تتكون من نماذج فرعية ثنائية الأبعاد في مستويات شعاعية رأسية تتقاطع فيما بينها على محور واحد. ويتكرر نمط التدفق في كل مستوى رأسي متفرعًا من المحور المركزي.
• النماذج المتقطعة أو النماذج المنشورية التي تتكون من نماذج فرعية تشكلها كتل أو منشورات رأسية للتدفق الأفقي بالإضافة إلى طريقة واحدة أو أكثر من طرق تراكب التدفق الرأسي.

نموذج شعاعي مستمر

من الأمثلة على النماذج الشعاعية غير المتقطعة وصف تدفق المياه الجوفية المتجه شعاعيًا نحو بئر عميقة في شبكة من الآبار التي تُستخرج منها المياه. ^{[ 7 ]} يمر التدفق الشعاعي عبر مقطع عرضي أسطواني رأسي يمثل سطح التساوي الهيدروليكي ، والذي يتناقص سطحه في اتجاه محور تقاطع المستويات الشعاعية حيث تقع البئر.

نموذج مُجزأ بشكل منشوري

تعتمد النماذج المُجزأة بشكل منشوري، مثل SahysMod ^{[ 8 ]،} على شبكة تغطي سطح الأرض فقط. تتكون هذه الشبكة ثنائية الأبعاد من مثلثات أو مربعات أو مستطيلات أو مضلعات . وبذلك، يُقسّم نطاق التدفق إلى كتل أو منشورات رأسية . يمكن تقسيم هذه المنشورات إلى طبقات أفقية ذات خصائص مختلفة، قد تتباين بدورها بين المنشورات. يُحسب تدفق المياه الجوفية بين المنشورات المتجاورة باستخدام معادلات تدفق المياه الجوفية الأفقية ثنائية الأبعاد. أما التدفقات الرأسية، فتُحسب بتطبيق معادلات التدفق أحادية البعد في الاتجاه الرأسي، أو يمكن اشتقاقها من موازنة المياه: حيث يُترجم فائض التدفق الأفقي الداخل على التدفق الأفقي الخارج (أو العكس) إلى تدفق رأسي، كما هو موضح في مقالة "الهيدرولوجيا (الزراعة)" .

في النماذج شبه ثلاثية الأبعاد، لا يتم نمذجة التدفق الوسيط بين الأفقي والرأسي كما هو الحال في النماذج ثلاثية الأبعاد الحقيقية. ومع ذلك، وكما هو الحال في النماذج ثلاثية الأبعاد الحقيقية، تسمح هذه النماذج بإدخال أنظمة تصريف تحت سطحية أفقية ورأسية .

يمكن تضمين طبقات المياه الجوفية شبه المحصورة ذات الطبقة النفاذة البطيئة التي تعلوها ( الطبقة العازلة ) في النموذج عن طريق محاكاة التدفق الرأسي من خلالها تحت تأثير ضغط زائد في طبقة المياه الجوفية نفسها بالنسبة لمستوى المياه الجوفية داخل أو فوق الطبقة العازلة.

• كونكت فلو
• طريقة العناصر التحليلية
• فيفلو
• بورفلو
• SVFlux
• FEHM
• الغلاف المائي الجيولوجي
• نموذج تدفق المياه المتكامل
• MicroFEM
• مودفلو
  • جي إم إس
  • مودفلو المرئي
  • نموذج المعالجة
• أوبن جيو سيس
• SahysMod ، نموذج مكاني للزراعة المائية والملوحة والخزانات الجوفية، متاح عبر الإنترنت:
• برنامج موارد المياه الجوفية التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• مارث من هيئة المسح الجيولوجي الفرنسية (BRGM)
• ZOOMQ3D
• دورة مجانية في نمذجة المياه الجوفية للمبتدئين

• طبقة المياه الجوفية
• المياه الجوفية
• معادلة تدفق المياه الجوفية
• توازن طاقة المياه الجوفية
• الموصلية الهيدروليكية
• الهيدروجيولوجيا
• نموذج الملوحة
• التحكم في منسوب المياه الجوفية
• تصريف المياه الجوفية بواسطة الآبار