پایان نامه بررسی پارامترهای هیدرولوژیکی آبخوان آزاد در مدل آزمایشگاهی
فهرست محتوا
چکیده:
بدست آوردن پارامترهای هیدرودینامیکی در یک آبخوان نقش بسیار مهمی دررسیدن به سطح ایستابی در آن آبخوان ودر نتیجه مدلسازی آن دارد که میتواند در مدیریت منابع آب مورد استفاده قرار گیرد. برای بدست آوردن این پارامترها روشهای صحرایی، مدلهای ریاضی و مدلهای فیزیکی کاربرد دارند. با توجه به پرهزینه بودن روش صحرایی، دستیابی به روش دقیق آزمایشگاهی و برآورد این پارامترها در آزمایشگاه با صرف هزینه کمتر میتواند راه گشا باشد.
از مدل فیزیکی دستگاه هیدرولوژی به عنوان یک مدل آزمایشگاهی برای برآورد ضریب هدایت هیدرولیکی آبخوان که یکی از مهمترین پارامترهای آبخوان میباشد استفاده شد. نتایج سه آزمایش پمپاژ، ردیاب و بار ثابت با روابط تجربی مقایسه شد و رابطه بریر با نتایج آزمایش پمپاژ نزدیکی بیشتری داشت. مقادیر آزمون پمپاژ تقریباً دو برابر نتایج آزمایش بار ثابت وسه برابر نتایج ردیاب میباشد. به طور کلی نتایج آزمایشات این موضوع را که با درشتتر شدن ذرات مقدار هدایت هیدرولیکی افزایش مییابد تأیید میکند. در نمونه آزمایشگاهی به دلیل ابعاد محدود مدل، ممکن است زمانهای تعادل بدست آمده نسبت به نمونههای صحرایی کمتر باشد اما مقایسه زمانهای تعادل در سه نوع خاک با دانه بندی متفاوت میتواند نتیجه این مطالعه باشد. با افزایش مقدار برای هر خاک زمان رسیدن به تعادل افزایش پیدا میکند. این نکته را برای مدیریت زمان در آزمایشهای پمپاژ میتوان لحاظ نمود. در پمپاژ از هر لایه آبدار نسبتاً خوب دانه بندی شده (در طبیعت معمول است) در نزدیکی چاهپمپاژنقش قسمت ریزدانه وهرچه از آن فاصله بگیریم نقش قسمت درشتدانه خاک در تعیین سطح تعادل پیزومتریک آبخوانبیشتر میشود. با بزرگتر شدن اندازه متوسط ذرات خاک شعاع تأثیر چاه افزایش پیدا میکند. افزایش گرادیان هیدرولیکی باعث کاهش هدایت هیدرولیکی خاک (ضریب نفوذپذیری) میشود. میزان گرادیان هیدرولیکی در خاک مخلوط که دارای دانهبندی ریز و درشت است از خاک درشتدانه و ریز دانه بیشترمیباشد.
کلمات کلیدی: دستگاه هیدرولوژی، دانهبندی خاک، شعاع تأثیر، ضریب نفوذپذیری، سطح ایستابی
فهرست مطالب
- فصل اول، مقدمه وکلیات ………………………………………….…………1
- مقدمه………………………………………..………………………3
- شرح مسأله……………………………….……………………….….5
- فرضیات…………………………….………………….……………..5
- دامنه تحقیق………………………..…………..…………………….6
- اهداف تحقیق……………………………………..………..….………..7
- روش انجام تحقیق…………………………………………..………….7
- ترتیب ارائه مطالب…………………………………………………….…7
- فصل دوم، مطالعات آب شناسی تحقیق….…..…………………………………..11
- 2-1- مفاهیم وقوانین کلی…………………………………….……..……..…..13
- 2-1-1- جریان آب در خاک…………………………………..………..……..13
- 2-1-1-1- گرادیان هیدرولیکی ……………………………..…………..……13
- 2-1-1-2- قانون دارسی ……………………………………………………..14
- 2-1-1-3- معادله لاپلاس………………………………..…………….…….14
- 2-1-1-4- شبکه جریان………………………………………………………15
- 2-1-2- هیدرولیک چاهها……………………………..………………….…16
- 2-1-2-1- جریان شعاعی آب در چاه در لایههای آزاد در حالت ماندگار………………….15
- پیشینه پژوهش …………………………..…………….……………18
- فصل سوم، تعیین پارامترهای هیدروژئولوژی با مدل فیزیکی………………………24
- 3-1- معرفی مدل فیزیکی………………………………..…………..………26
- 3-1-1- معرفی دستگاه هیدرولوژی……………………………..….….………..26
- 3-2- مطالعات خاک شناسی……………………………………………………32
- 3-2-1- دانه بندی خاکها……………………………………………..…..…33
- 3-2-2- اندازه مؤثر، ضریب یکنواختی و ضریب دانه بندی……………..………….…..34
- 3-2-3- روابط وزنی حجمی…………………………………..…………….……35
- 3-2-4- ضریب نفوذپذیری (هدایت هیدرولیکی) ………………………….…………38
- 3-2-4-1- روشهای آزمایشگاهی……………………………………….….……39
- 3-2-4-2- روابط تجربی…………………………………………………………42
- 3-3- مطالعات هیدرولیکی……………………………….………………..……43
- 3-3-1- بررسی برقراری شرایط دارسی……………………………………………43
- 3-3-2- ضریب انتقال……………………………………………..……..……45
- 3-4- چگونگی انجام آزمایشها در آزمایشگاه…………..……….………….…………46
- فصل چهارم، بررسی و تحلیل نتایج……………………………………..……49
- 4-1- آزمایشهای تعیین ضریب نفوذپذیری……………………………….…….…51
- 4-1-1- آزمایش پمپاژ……………………………………….………………51
- 4-1-2- آزمایش ردیاب……………………………………………………..…53
- 4-1-3- آزمایش بار ثابت…………………………………….…………………54
- 4-1-4- روابط تجربی…………………………………….……………………54
- 4-2- مقایسه زمان رسیدن به تعادل در آبخوان آزاد با سه نوع خاک مختلف………..….…56
- 4-3- بررسی مخروط افت در خاکهایی با دانه بندی مختلف………….…….………….…63
- 4-4- محاسبه گرادیان هیدرولیکی در فواصل مختلف از چاه در 3 نوع خاک………………69
- 4-5- رابطه دانه بندی خاک با شعاع تأثیر چاه ……………………………….……71
- فصل پنجم، نتیجه گیری وپیشنهادات………………………..……..…..………73
- 5-1- نتیجه گیری……………………………………………………….……75
- 5-2- پیشنهادات………………………………………………………………76
- مراجع………………………………………………………….……77
فصل اول
مقدمه وکلیات
-
مقدمه
هیدروژئولوژی را میتوان به عنوان علمی پیرامون پدیدآمدن، توزیع و حرکت آب در زیر سطحزمین تعریفکرد. انجمن تحقیقات ملی آمریکا هیدروژئولوژی را اینگونه توضیح دادهاست:
هیدروژئولوژی علمی است که راجع به آبهای زمین، چگونگی به وجودآمدن آن، چرخش و توزیع آن، ویژگیهای چرخش و توزیع آن، ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی، واکنش آن به محیط اطراف و ارتباط آن با موجودات زنده بحث میکند (Todd,2005).
آبهایزیرزمینی به دلایل مختلف زمین شناسی، هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و … در زیر زمین حرکت میکنند، برای مطالعه وپژوهش درباره ماهیت این جریان تاکنون از روشهای صحرایی، تحلیلی و مدلهای فیزیکی استفاده شده است. روشهای صحرایی برای اعتیارسنجی فرضیههایی که در مورد جریان آبزیرزمینی به کار برده میشود، همیشه مقدور نیست. جدا از بحث هزینههای زیاد روشهای صحرایی، در طبیعت ما قادر به تغییر وضعیت موجود ومقایسه آنها با هم نیستیم. ولی استفاده از مدلهای فیزیکی این امکان را به ما میدهد که اعتبار فرضیات را در شرایط مختلف سنجیده و مقایسه کنیم.
سیستمهای جریان زیرزمینی غالباً پیچیدهتر از جریانهای ساده یک بعدی یا جریانهای شعاعی است. سیستمهای سادهتر را ممکن است بتوان با راه حلهای ریاضی تحلیل کرد. ولی بهتر است که جریان در سیستمهای پیچیدهتر، به ویژه در محیطهایی که مرزهای نامنظم، شرایط مرزی پیچیده یا لایههای ناهمسان دارند و در مواردی که چندین سیستم جریان به طور همزمان وجود دارد، با استفاده از مدلها (فیزیکی، تشابهی یا عددی) حل شود (صداقت، 1387).
دستگاه هیدرولوژی که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده عمران قراردارد، نمونهای از یک مدل فیزیکی است، که با تقریب خوبی، یک آبخوان در طبیعت را شبیه سازی میکند. در این پژوهش با در نظرگرفتن فرضیات لازم برای استفاده از معادلات حاکم بر جریان آبهای زیرزمینی، آزمایشات مختلف با هدف اندازهگیری پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان روی این مدل فیزیکی انجام شد. با تخمین این پارامترها قادر به ارزیابی سطح ایستابی آبخوان خواهیم بود، همچنین در آزمایشگاه امکان تعویض خاکهای آبخوان را داشته و با استفاده از این امکان خاکهای مختلف را در شرایط یکسان مورد سنجش قرار دادیم. با استفاده از این مدل فرضیات مربوط به ارتباط ضریب هدایتهیدرولیکی با دانهبندی خاک و تأثیر روشهای مختلف آزمایشگاهی در مقدار این ضریب بررسی شد.
نیاز به مدلسازی آب زیرزمینی امروز بیش از هر زمان دیگری احساس میشود و این نیاز از دو دیدگاه قابل بررسیاست. دیدگاه اول نیاز روزافزون بشر به آب شرب، در حالی که استفاده بی رویه و بدون برنامه تاکنون مقدار قابل توجهی از این منبع را هدر داده است وجهان را با مشکل جدی در دسترسی به آب آشامیدنی مورد نیازش مواجه کرده است. مطالعه وبررسی و داشتن اطلاعاتی راجع به چگونگی حرکت این آبها زیرزمین، در خاکهای مختلف وتاثیر چاهها، قناتها، زهکشها سدهای خاکی، سدهای زیرزمینی، وبه طور کلی هر سازه ساخت بشر که در روند طبیعی این جریان تاثیرگذارد، به منظور مدیریت صحیح این منبع لازم وضروری است. دیدگاه دیگر راجع به اهمیت این مطالعات در بخش مهندسی است. درفعالیت های مهندسی آب زیرزمینی در عین اینکه به عنوان عاملی مزاحم باید مهار شود، به همان اندازه برای ادامه پروژه به آن نیاز است. به همین خاطر شناخت کافی از رفتار آب، کنترل آن را ممکن میسازد. برای مثال در پروژههای معدنی نشت آب زیرزمینی در تونلهای اکتشافی عاملی مزاحم محسوب میشود که با روشهای مناسب زهکشی باید حرکت آب را به سمت خاصی هدایت کرد تا باعث تخریب نشود و در عین حال بتوان آر این آب به صورت بهینه بهره برد. در پروژههای عمرانی اعم از ساخت سد، فونداسیون، جادهها با مشکلاتی مشابه مواجه هستیم.
با توجه به موارد گفته شده، به وضوح میتوان اهمیت این مطالعات و پیشبرد آن به سمتی که نتایج حاصل از آن بیشترین کاربرد را در عرصههای صنعتی داشته باشد را درک کرد. لذا دستیابی به روشهایی بهتر برای مدیریت زمان و هزینه و نیز کنترل این پدیده و هدایت آن به سمتی که با اهداف ما هم راستا شود، انجام تحقیقاتی پیرامون شناخت هرچه بهتر آن و تحلیل رفتارش لازم و ضروری میباشد.
1-3- شرح مسأله:
تحقیق حاضر به منظورسنجش اعتبار روشهای آزمایشگاهی برای تخمین پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان با توجه ویژه به ضریب هدایتهیدرولیکی، برای سه نوع خاک با دانه بندی متفاوت صورت گرفته است.
انجام آزمایشات با دو رویکرد ارزیابی پارامترهای آبخوان با انجام روشهای مختلف آزمایشگاهی و مقایسه آن با مقادیر بدست آمده از روشهای تجربی از یک سو، و از سوی دیگر مقایسه زمان رسیدن به تعادل در آبخوانهایی با دانه بندیهای متفاوت، مقایسه تغییرات ایجاد شده در سطح آب زیرزمینی در صورت پمپاژ از چاه آب در خاکهای مختلف و رسیدن به نتایجی پیرامون تحلیل رفتار آب زیرزمینی در نتیجه پارامترهای نظیر دانه بندی خاک میباشد. لذا در هر بار آزمایش یک نوع خاک درون دستگاه قرار داده شد و مورد آزمایش قرارگرفت.
برای بدست آوردن ضرایب آبخوان که ضریب هدایت هیدرولیکی یکی از مهمترین آنها میباشد روشهای صحرایی، آزمایشگاهی و فرمول تجربی به کار برده میشود که البته از نظر صرف دقت و هزینه روشهای صحرایی نسبت به دو روش دیگر پرهزینهتر است، لذا نیاز به یک روش آزمایشگاهی دقیق که بتواند ما را از انجام آزمایشهای صحرایی بی نیاز سازد، میباشد. آزمون پمپاژ و آزمایش بارافتان و آزمایش ردیاب از روشهای متداولی است که برای دستیابی ضرایب آبخوان استفاده میشوند.
در این تحقیق با استفاده از این سه روش در آزمایشگاه، مقادیر ضرایب هدایت هیدرولیکی بدست آمده است، سپس با مقایسه خاکها در زمان رسیدن به تعادل، گرادیان هیدرولیکی و شعاع تأثیر با استفاده از دادههای آزمون پمپاژ با هم مقایسه شدند و ازنتایج آنها برای رسیدن به روابط کمی مورد نیاز استفاده شده است.
1-4- فرضیات:
با توجه به محدودیتهای موجود در محیط آزمایشگاهی و عدم امکان بررسی تمام حالات و گزینههای پیش رو نتایج این تحقیق با در نظر گرفتن فرضیات زیر میباشد.
- با توجه به محدودیت ابعاد دستگاه نتایج این تحقیق در محدوده شعاع تأثیر چاه صادق میباشد.
- آزمایشها در شرایط خاک همگن و همسانگرد انجام شده است.
- آزمایشها در حالت جریان دائمی انجام شده است.
- چاه تا بستر آبخوان نفوذ کرده است.
- خطوط جریان موازی میباشند.
6.. شیب هر نقطه از جریان مساوی شیب سطح ایستابی در بالای همان نقطه میباشد.
- سطح ایستابی قبل از پمپاژ افقی باشد.
- آبخوان به صورت آزاد (غیرمحصور) میباشد.
1-5- دامنه تحقیقات:
آبهای زیرزمینی و شناخت آبخوان مورد توجه بسیاری از محققان در رشتههای عمران، معدن، کشاورزی، زمینشناسی و منابعطبیعی قرار دارد. در این مطالعه پمپاژ از چاه که اساسیترین راه استفاده از آب زیرزمینی میباشد شبیه سازی شدهاست. چگونگی حرکت آب در خاک تحت گرادیان هیدرولیکی بررسی شده است، و چون در طبیعت تعویض خاک و بررسی چند نوع دانه بندی میسر نمیباشد در شرایط آزمایشگاهی با انجام این کار و انجام آزمایشات برروی سه نوع خاک با دانه بندی متفاوت این امکان فراهم شد تا بتوان خاکهای مختلف را در پارامتر هیدرودینامیکی، زمان تعادل، گرادیان هیدرولیکی، شعاع تأثیر چاه و مخروط افت مقایسه کرد. لذا از نتایج بدست آمده میتوان برای پروژههایی که با مدیریت آب زیرزمینی چه در زمینه ذخیره، چه در مورد جلوگیری از نشت آب، ارزیابی زمان لازم برای انجام پروژه با توجه به نوع خاک، توسعه چاه به صورت طبیعی یا مصنوعی در زمینههای عمران، معدن، منابع طبیعی و جهاد کشاورزی میتواند کاربرد داشته باشد.
1-6- اهداف تحقیق
هدف از انجام این پژوهش دستیابی به موارد زیر میباشد:
- تعیین ضرایب هیدرودینامیکی وبه ویژه ضریب نفوذپذیری (هدایت هیدرولیکی آبخوان) از طریق سه روش آزمایشگاهی
- مقایسه نتایج روشهای آزمایشگاهی با فرمولهای تجربی
- بررسی ارتباط دانه بندی خاک با زمان رسیدن به تعادل در آبخوان
- بررسی چگونگی حرکت آب در خاکهای با دانه بندی متفاوت در اطراف چاه پمپاژ
- بررسی ارتباط دانهبندی خاک با گرادیان هیدرولیکی و شعاع تأثیر چاه
- استفاده از این نتایج برای توسعه چاه
1-7- روش انجام تحقیق:
مدلهای ماسهای، مدلهای فیزیکی کوچک شدهای از سیستمهای جریان آب زیرزمینی است که امکان عبور آب یا سیال دیگری را از خلال ماسه یا یک محیط متخلخل دیگر فراهم میکند. مدلهای فیزیکی همچنین وسایل ارزشمندی برای آزمودن اعتبار فرضیهها و فرضهای ساده شدهای است که در تجزیه و تحلیل ریاضی سیستمهای جریان به کار برده میشود (صداقت، 1387).
روش انجام این تحقیق به صورت آزمایشگاهی برروی یک مدل فیزیکی با نام دستگاه هیدرولوژی میباشد که در فصل بعد به جزئیات آن و مراحل انجام آزمایش به طور مفصل پرداخته میشود.
1-8- ترتیب ارائه مطالب:
فصل اول این تحقیق به مقدمه و کلیات اختصاص دارد که شامل مقدمه، شرح مسأله، فرضیات مطالعه، دامنه کاربرد تحقیق، اهداف آن، روش انجام و … میباشد و به گونهای به تحریر در آمده است تا خواننده با خواندن این بخش دیدی جامع نسبت به کل موضوع پیدا کند.
فصل دوم با عنوان ادبیات پژوهش شامل دو بخش مفاهیم و قوانین کلی و پیشینه پژوهش میباشد. در بخش مفاهیم اصول جریان آب در خاک و مفاهیم مربوط نشت و آبهای زیرزمینی و هیدرولیک چاه، روشهای بدست آوردن ضریب هدایت هیدرولیکی آبخوان ارائه شده است. در بخش پیشینه پژوهش با مروری بر کارهای انجام شده قبل، توضیح کوتاهی راجع به روش و نتایج حاصل از آن آورده شده است.
فصل سوم با عنوان روش تحقیق شامل: معرفی مدل فیزیکی، مطالعات خاکشناسی، مطالعات هیدرولیکی، روش انجام آزمایش میباشد. در قسمت معرفی مدل به بیان جزئیات دستگاه هیدرولوژی، کارکرد و قابلیتهای آن پرداخته شدهاست. سپس چگونگی استفاده از مدل در انجام آزمایشهای مختلف بیان شده است. مطالعات خاکشناسی درباره مشخصات فیزیکی خاک مورد مطالعه و پارامترهای مهم در بحث نشت و آبهای زیرزمینی میباشد. در قسمت مطالعات هیدرولیکی، برقراری شرایط دارسی مورد بحث قرار گرفتهاست. بخش روش انجام آزمایش نیز برای هریک از حالات، نحوه انجام کار و پارامترهای مربوط به آن توضیح داده شده است.
فصل چهارم به بررسی و تحلیل دادههای حاصل از آزمایشها اختصاص دارد. با ارائه نمودارها و روابط بدست آمده به تحلیل و تفسیر نتایج پرداخته شده است.
فصل پنجم با عنوان نتیجهگیری و پیشنهادات شامل نتیجهگیری کلی و پیشنهاداتی جهت مطالعات بعدی ارائه شده است.
در انتها نیز فهرستی از منابع و مآخذ مورد استفاده در این تحقیق آورده شده است.
Abstract:
To obtain the water table in the aquifer, we need the hydrodynamic parameters in thataquifer,due to modeling that and so we can use this information in water resources management. To achieve these parameters field methods, mathematical models and physical models are used. Due to costly field methods, we should get some laboratory methods that could help us have result with more accuracy.
The physical model of hydrology as an in vitro model for the estimation of a hydraulic conductivity of the aquifer is one of the most important parameters was used. Pumping test results, tracking and constant comparison with empirical relationships was more closely related Barrier with pumping tests. Almost double the amount of pumping test results prove once and three times the tracking results. The overall results of this with coarser particles confirm the hydraulic conductivity increases. With an increasing amount of time to reach equilibrium D_50 for each soil increases. It can be considered for the management of pumping tests. The pumping of the aquifer is relatively fine grain size (common in nature) in the vicinity of the pumping wells the soil with smaller grains have role and due to take away from the well larger sized soil takes role in determining the equilibrium level of the aquifer peizometric more. Larger-sized soil particles with a radius of influence of the well increases. Increased hydraulic gradient reduces soil hydraulic conductivity (permeability coefficient) is. The hydraulic gradient in soil mixed with fine grained and coarse-grained is more than in other two soils.
Key words:hydrology apparatus, soil grading, radius of influence, hydraulic conductivity, water tabl
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.