فصل اول: مقدمه و هدف

1-1-کلیات تحقیق ………………………………………………………………………………………..2

1-2-ضرورت و هدف تحقیق ………………………………………………………………………..3

1-3- پیشینه تحقیقات …………………………………………………………………………………..4

1-3-1-مروری بر تحقیقات انجام گرفته توسط مدل ریاضی …………………………………………4

1-3-2-مطالعات انجام شده بر روی آلودگی آب‌های زیرزمینی به واسطه ی نیترات ……………..5

1-3-3-مطالعات پیشین انجام شده در شهرك صنعتی بزرگ شیراز  …………………………..6

1-4- موقعیت جغرافیایی، اقلیم و زمین شناختی منطقه مورد مطالعه…………………………………7

1-4-1- موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه …………………………………………………………..7

1-4-2- اقلیم محدوده دشت قره باغ ………………………………………………………..9

1-4-3- زمین شناسی و چینه شناسی دشت قره باغ و شهرك صنعتی بزرگ شیراز………..10

1-4-3-1-زمین شناسی شهرك صنعتی بزرگ شیراز…………………………………………….10

  1-4-3- 2- زمین‌شناسی ساختاری ……………………………………………………………………..12

عنوان                                                                                                                صفحه

1-5- مروری بر تاریخچه شرکت شهرک های صنعتی فارس و فعالیت های انجام شده در آنها ….14

1-5-1- شهرك صنعتی بزرگ شیراز و توسعه صنعت استان فارس……………………15

1-5-2- واحد‌های مستقر در شهرك صنعتی بزرگ شیراز  ……………………………..16

1-5-3- ارزیابی کمی و کیفی پسآب صنایع………………………………………………..17

   1-5-3-1- انواع پسآب در شهرك صنعتی بزرگ شیراز…………………………..17

1-5-3-2- مشخصات پسآب بهداشتی ………………………………………………….19

1-6- نمونه برداری آب زیرزمینی ………………………………………………………………….20

1-7- آلودگی منابع آب زیر زمینی…………………………………………………………………22

فصل دوم: نیترات

2-1- مقدمه  ………………………………………………………………………32

2-2- مشخصه های  نیترات …………………………………………………………………………….33

2-3- چرخه نیتروژن ………………………………………………………………………………………36

2-3-1-تثبیت نیتروژن  ……………………………………………………………………………..37

2-3-2- نیتراتی شدن ………………………………………………………………………………..39

2-3-3-احیاء نیترات ………………………………………………………………………………….40

عنوان                                                                                                                صفحه                                                                   

2-3-4- نیترات زدایی ………………………………………………………………………………..40

2-4-منابع نیترات ………………………………………………………………………………………….40

2-4-1-پسماندهای انسانی و حیوانی …………………………………………………………….41

2-4-2-کودها …………………………………………………………………………………………..43

2-4-3- نیتروژن با منشا طبیعی ………………………………………………………………….48

2-4-3-1- فرسایش رسوبات طبیعی ………………………………………………………..48

2-4-3-2- واکنش با آب باران ………………………………………………………………..51

2-4-3-3- شکل گیری نیترات از نیتروژن جوی در اثر فوتون ها و رعد و برق ……………51

2-4-4- منابع  صنعتی نیتروژن …………………………………………………………………..51

2-4-5- چارپایان اهلی ………………………………………………………………………………53

2-4-6- دفع پسماند جامد ………………………………………………………………………….54

2-5- تشخیص منابع نیترات ……………………………………………………………………………54

2-6- اثرات سلامتی نیترات و نیتریت ………………………………………………………………..55

2-6-1- اثرات نیترات و نیتریت  بر سلامت انسان ……………………………………………55

2-6-2- اثرات نیترات و نیتریت بر سلامت دام ها و دیگر حیوانات اهلی ……………….59

2-6-3- اثرات نیترات و نیتریت  بر محیط زیست …………………………………………….59

2-7- اعمال پاکسازی معمول برای نیترات ………………………………………………………….60

2-7-1- هیچ کاری انجام ندهیم …………………………………………………………………..61

عنوان                                                                                                                صفحه

2-7-2- پمپاژ کردن برای استفاده ی مفید …………………………………………………….61

2-7-3- پمپاژ کردن و تصفیه کردن ……………………………………………………………..62

2-7-4- پمپاژ و پسماند ……………………………………………………………………………..63

2-7-5- پاکسازی گیاهی ……………………………………………………………………………63

2-7-6- تکنولوژی های پاکسازی نو ظهور و جدید …………………………………………..64

فصل سوم: مروری بر مدل های ریاضی و معادلات حاکم بر جریان

– مقدمه

3-1- انواع مدل‌های آب زیرزمینی …………………………………………………………………………………….67

3-1-1- مدل‌های فیزیکی …………………………………………………………………………………………….67

3-1-2- مدل‌های ریاضی…………………………………………………………………………..68

3-1-2-1- مدل‌های تجربی …………………………………………………………………………………………68

3-1-2-2- مدل‌های احتمالاتی ……………………………………………………………………………………   68

3-1-2-3 مدل‌های علت معلولی یا معین …………………………………………………………………….69

3-2- شرحی بر نرم‌افزار مادفلو ………………………………………………………………………………………….70

3-3- معرفی نرم افزار  GMS …………………………………………………………………………………………..73

3-4- ساخت مدل در نرم افزار  GMS …………………………………………………………………………….76

3-4-1-مشخص کردن هدف مدلسازی ……………………………………………………………………….77

3-4-2- تهیه و گردآوری اطلاعات ……………………………………………………………………………….77

عنوان                                                                                                                صفحه

3-4-3- ایجاد مدل مفهومی ………………………………………………………………………………………78

3-4-4- انتخاب كد كامپیوتری ………………………………………………………………………………….78

3-4-5- طراحی مدل ……………………………………………………………………………………………………79

3-4-5-1 تعیین شرایط مرزی و تنش های وارده به آبخوان …………………………………79

3-4-5-2- طراحی شبكه و تهیه مدل عددی در نرم افزار GMS ……………………….80

3-4-6- واسنجی  …………………………………………………………………………………………………………81

3-4-7 – آنالیز حساسیت ……………………………………………………………………………………………..85

3-4-8 -صحت سنجی…………………………………………………………………………………………………..86

3-4-9- پیش بینی………………………………………………………………………………………………………..86

3-4-10- ارائه مدل طراحی شده و نتایج …………………………………………………………………….86

3-4-11-ممیزی بعدی مدل ………………………………………………………………………………………..87

3-4-12-طراحی مجدد ………………………………………………………………………………………………..87

3-5- مدل MT3DMS ……………………………………………………………………………………………………..87

3-5-1- معرفی معادلات انتقال آلاینده ……………………………………………………………………….88

3-5-2- فرآیند همرفت ………………………………………………………………………………………………..91

3-5-3- فرآیند پراکنش ……………………………………………………………………………………………….92

3-5-4- تخلیه و تغذیه …………………………………………………………………………………………………93

3-5-5- واکنش های شیمیایی ………………………………………………………………………………….. 93

3-6- روش حل عددی معادلات انتقال …………………………………………………………………………….94

3-6-1- روش خطوط مشخصه  MOC ……………………………………………………………………..95

عنوان                                                                                                                صفحه

3-6-2-  روش اصلاح شده خطوط مشخصه MMOC ……………………………………………..96

3-6-3- روش هیبرید خطوط مشخصه HMOC ……………………………………………………..96

فصل چهارم : تصحیح مدل جریان و ایجاد و اجرای مدل انتقال آبخوان شهرك صنعتی بزرگ شیراز

4-1- هدف  ……………………………………………………………………..99

4-2- ساخت و آماده سازی مدل منطقه مورد مطالعه ………………………………………………………99

4-2-1- مدل سازی جریان ماندگار …………………………………………………………………………….99

4-2-1-1- ایجاد مدل مفهومی اولیه …………………………………………………………………..100

4-2-1-2- داده های ورودی ……………………………………………………………………………….101

4-3- اجرا و واسنجی  مدل در شرایط ماندگار ……………………………………………………………….103

4-4-نتایج واسنجی  ………………………………………………………………………………………………………..104

4-5- بررسی مدل در شرایط ناپایدار ………………………………………………………………………………106

4-5-1- تکمیل داده‌های ورودی ……………………………………………………………………………….106

4-5-1-1- سطح آب مشاهده­ای (اندازه­گیری شده) ……………………………………………106

4-5-1-2- تنش­ها ………………………………………………………………………………………………..107

4-5-1-3- شرایط اولیه ………………………………………………………………………………………..107

4-5-1-4- آبدهی ویژه …………………………………………………………………………………………107

4-5-1-5- انتخاب دوره های تنش …………………………………………………………………….108

4-6- طراحی و اجرای مدل انتقال ………………………………………………………………………………….116

عنوان                                                                                                                صفحه

4-6-1- ساخت مدل جریان ………………………………………………………………………………………116

4-6-2- نمونه برداری کیفی ………………………………………………………………………………………116

4-6-3- شبیه سازی آلودگی نیترات …………………………………………………………………………117

4-6-4- تقسیم بندی زمانی ………………………………………………………………………………………119

4-6-5-شرح مختصری بر بسته های فرارفت و پراکنش ………………………………………….120

4-6-6- شرحی بر بسته واکنشهای شیمیایی ……………………………………………………………120

4-6-7- غلظت اولیه …………………………………………………………………………………………………..121

4-6-8- اجرای مدل MT3D برای نیترات و نیتریت ……………………………………………….121

4-6-8-1- نیترات ………………………………………………………………………………………………..121

4-6-8-2- نیتریت ………………………………………………………………………………………………..123

4-7- برآورد زمان پاکسازی ……………………………………………………………………………………….126

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری …………………………………………………………………………..128

5-2- پیشنهادات ………………………………………………………………………….131

فهرست منابع ………………………………………………………………………………………..132

منابع فارسی ……………………………………………………………………………………….132

منابع انگلیسی ……………………………………………………………………………………….134

– کلیات تحقیق

منابع آب یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های قرن حاضر بشریت است. محدودیت ذاتی منابع آب آب شیرین می‌باشند.

روند رو به رشد افزایش جمعیت مصرف آب در بخش‌های مختلف کشاورزی، شرب و صنعت را به مقدار زیادی افزایش داده است بعلاوه به علت بهره‌وری و استفاده بی‌رویه و ورود پساب‌ها، منابع آب همواره در معرض خطر آلودگی و زوال کیفیت قرار دارند.

متوسط سرانه‌ی آب در دسترس جهانی،89/3 برابر سرانه آب در ایران است، در صورتی که این نسبت از مرز 4/5 برابر بگذرد، در تقسیم‌بندی جهانی از نظر دسترسی به آب در رده‌ی بسیار کم قرار می‌گیریم. طبق آمارهای موجود‌، زمانی که جمعیت کشورمان به بیش از 75 میلیون نفر برسد، شرایط فوق مهیاست. افزون بر آن‌، پراکنش نابرابر زمانی و مکانی منابع و ذخایر تامین کننده‌ی آب در سطح کشور نیز، بر بحران پیش رو دامن می‌زند.

60 % آب‌های زیرزمینی  در ایران از آب‌های شیرین قابل استفاده می‌باشد ( محمدنیا و کوثر، 2003 ) . با توجه به محدود بودن منابع آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک ، حفاظت و استفاده‌ی بهینه از آنها اهمیت بیشتری دارد. خاطر نشان می‌کنیم که آلودگی نیترات یکی از راه‌های هدررفت و محدودکننده‌ی منابع آب شرب بویژه در مناطق روستایی است.

نظر به اینکه سرعت آب زیرزمینی کم  است و نیزبا در نظر گرفتن واکنش آلاینده‌ها با محیط متخلخل، بایستی توجه زیادی به آب‌های زیرزمینی  مبذول داشت، چرا که هرچند به نظر می رسد که آب‌های زیرزمینی نسبت به آب‌های سطحی در مقابل آلوده شدن کمتر مستعدند ولی در صورت آلوده شدن، پاکسازی آنها کاری بس مشکل و طولانی مدت و همراه با هزینه بسیار بالاست .(Todd and Mays; 2005)

میزان آلودگی آب به مقدار و نوع استفاده ( جنگلداری، کشاورزی، دامداری صنعتی) بستگی دارد. بعلاوه اینها، فاکتورهای خاک‌شناسی، هیدرولوژیکی و هیدروژئولوژیکی نیز آلودگی را کنترل می‌کنند (محمدنیا‌، مهرداد ، حسینی مرندی‌، حمید‌، روستا ، محمد جواد؛ 1388).

    1-2-ضرورت و هدف تحقیق

نظر به اینکه در صورت عدم رعایت ملاحظات زیست‌محیطی از جمله عدم مدیریت صحیح پسماند و پساب صنایع، منابع آب زیرزمینی و کارستی منطقه مذکور و همچنین آب دریاچه مهارلو، طی زمان طولانی بشدت در خطر زوال کیفیت قرارمی‌گیرند و این منجر به صدماتی  جبران نشدنی در رابطه با محیط‌زیست خواهد شد؛ بر این اساس لازم است که اعمال صحیح مدیریتی برای  در رابطه با پسماند صنایع مستقر در شهرک صنعتی بزرگ شیرازصورت گرفته و نیزاز پیشروی آلاینده‌ها به سمت منابع کارستی ممانعت به عمل آید؛ نتیجه امر علاوه بر کاهش آلودگی، حفاظت از منابع منطقه و توسعه پایدار است.

هدف کلی از انجام این مطالعه بررسی پتانسیل انتقال نیترات در منابع آب زیر زمینی محدوده شهرك صنعتی بزرگ شیراز با استفاده از مدلسازی ریاضی می‌باشد.

اهداف تحقیق عبارتند از:

1- تدوین مدل مفهومی آبخوان با دقت بیشتر در مقایسه با مدل اجرا شده‌ی قبلی برای این منطقه

2-بررسی منابع آلاینده نیتراتی و نیز نیتریتی آبخوان آبرفتی شهرک صنعتی بزرگ شیراز

3- بررسی توزیع مکانی و زمانی نیترات در آبخوان شهرک صنعتی

4- نحوه جریان آب و انتقال نیترات در آبخوان شهرک صنعتی به ترتیب با استفاده از کدهای رایانه ای  MODFLOW و MT3D-MS

1-3-پیشینه تحقیقات

1-3-1-مروری بر تحقیقات انجام شده توسط مدل ریاضی

در سال 1935 معادله Thies پنجره‌ای نو بر مطالعات هیدرولوژی آب‌های زیرزمینی باز نمود. جهت حل مسائل جریان به چاه‌ها روابطی  توسط Hantush وJacob  در دهه‌های 40 و 50 ارائه شد که تحولات عظیمی را ایجاد کرد. استفاده از فن‌آوری رایانه‌ای آنالوگ در مطالعه یک سیستم آبخوان کامل طی دهه 1950 میلادی توسط  Bob Bennett و Herbskivitz در سازمان زمین‌شناسی ایالت متحده صورت گرفت که بر‌ اساس روش تفاضل محدود و با استفاده از شبیه‌سازی الکتریکی شامل مجموعه‌ای از مقاومت‌ها و خازن‌ها، آبخوان را مدلسازی کردند.

 سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده آمریکا (USGS) در اواخر دهه 1950 میلادی یک آزمایشگاه شبیه‌سازی رایانه‌ای در فونیکس ایالت آریزونا تاسیس نمود. در حدود سال‌های 1950 در صنعت نفت استفاده از تکنیک‍‌های عددی در حل معادلات جریان به توسط ریاضیدانان و مهندسین مخازن نفت مورد آزمایش قرار گرفت که روش نیز به مجموعه مدل‌ها پیوست؛ اما هنوز مدل‌های آنالوگ برای حل جریان یک سیال منفرد مناسب‌ترین بودند.

در دهه 1960 با ظهور رایانه‌های شخصی، استفاده از مدل‌های ریاضی با راه حل عددی به یکی از روش‌های قابل اطمینان در مطالعه آب زیرزمینی تبدیل شد که این حل عددی شامل دو روش تفاضل‌ محدود و عناصر محدود می‌باشد.

 در سال 1956 Stallman برای اولین بار در حل مسائل آب زیرزمینی روش‌های عددی را به کار برد. نیاز به تحلیل ناحیه‌ای آبخوان علتی شد که وی روشی برای محاسبه توزیع نفوذپذیری آبخوان با استفاده از تغییرات سطح آب زیرزمینی ارائه نماید که در این روش از حل تفاضل‌های محدود برای حل معادلات دو بعدی ناپایدار در آبخوان‌های غیر همگن استفاده شده است.

در 1348 برای اولین بار در ایران از مدلسازی ریاضی برای تهیه مدل دشت ورامین  استفاده شد. مطالعات مربوط به شبیه‌سازی  این مدل توسط سازمان خواربار و کشاورزی جهانی ( FAO) صورت گرفته است.

تا سال 1360 در مجموع حدود 200 آبخوان با مساحتی حدود 5500000 کیلومتر مربع در مرحله شناخت و حدود 80 آبخوان با مساحتی در حدود 250000 کیلومتر مربع در مرحله نیمه تفصیلی بررسی شدند. در این مطالعات بیشتر از روش تفاضل‌های محدود و چند مورد از روش برنامه نویسی پویا استفاده شده است.

 McDonald و Harbaugh  در سال 1988 مدل سه بعدی تفاضل محدود جریان آب‌های زیرزمینی را ارائه نمودند. بعدها این مدل که  MODFLOWنام گرفت، با بسته‌های نرم افزاری مختلف تکمیل و به صورت یک مدل استاندارد که بسیار قابل اعتماد و تأیید شده است، در آمد.