تحلیل عدم قطعیت پارامتری مدل MODFLOW توسط روش GLUE (مطالعه موردی: دشت بیرجند)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد گروه مهندسی آب، دانشگاه بیرجند

2 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه بیرجند

3 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه بیرجند

چکیده

سابقه و هدف: مدل‌سازی آب‌های زیرزمینی اغلب با عدم قطعیت‌های بوجود آمده به دلیل آگاهی ناقص از سیستم زیرسطحی یا عدم قطعیت‌های نشأت گرفته از تغییرپذیری‌های طبیعی در فرآیندهای سیستم مدل و شرایط میدانی، همراه است. بررسی عدم قطعیت در مدل‌سازی آب‌های زیرزمینی توسط محققین در سه منبع اصلی آن، یعنی عدم قطعیت پارامتری، عدم قطعیت مدل مفهومی و عدم قطعیت داده‌های مشاهده‌ای صورت پذیرفته است. تا کنون پژوهش‌های کمی در زمینه بررسی عدم قطعیت در مدل جریان آب‌های زیرزمینی در کشور انجام گرفته و مطالعات در این زمینه مختص به روش‌های آماری بوده است. با توجه به اهمیت منابع آبی در کشور و ضرورت بررسی عدم قطعیت به منظور دستیابی به نتایج قابل اعتماد در مدل‌سازی، در این تحقیق عدم قطعیت پارامترها در مدل‌ جریان آب‌های زیرزمینی با استفاده از یک روش شبیه‌سازی مبتنی بر مونت کارلو، در منطقه‌ای خشک بررسی گردید.
مواد و روش‌ها: ابتدا مدل مفهومی سیستم آب‌های زیرزمینی دشت بیرجند واقع در خراسان جنوبی، با استفاده از اطلاعات و داده-هایی مانند توپوگرافی، داده‌های چاه‌های مشاهده‌ای و بهره‌برداری، تغذیه، ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان، ارتفاع سنگ کف تهیه گردید. سپس مدلMODFLOW کدنویسی شده درMatlab برای شبیه‌سازی جریان آب‌های زیرزمینی دشت، اجرا گردید. پس از واسنجی اولیه مدل در حالت ماندگار، به منظور بررسی عدم قطعیت پارامترهای مدل در حالت غیر ماندگار، دو سناریو تعریف گردید. تحلیل عدم قطعیت در سناریو اول، با در نظرگرفتن هدایت هیدرولیکی به عنوان یکی از مهمترین منابع اصلی عدم قطعیت صورت پذیرفت. بدین منظور با توجه به نتایج واسنجی اولیه این پارامتر، سطح آبخوان به 17 ناحیه همگن مطالعاتی تقسیم گردید و عدم قطعیت پارامتر هدایت هیدرولیکی در مدل MODFLOW توسط روش GLUE ارزیابی شد. در سناریو دوم با در نظرگرفتن جبهه-های ورودی به آبخوان، تأثیر پارامتر تغذیه به عنوان پارامتر دوم بر عدم قطعیت پارامتر هدایت‌هیدرولیکی و عدم قطعیت کل مدل، توسط روش GLUE برآورد گردید.
یافته‌ها: نمودارهای پسین پارامترهای هدایت‌هیدرولیکی در 17 منطقه همگن مطالعاتی آبخوان و تغذیه در 9 جبهه ورودی به آبخوان دشت و همچنین محدوده اطمینان 95 درصد عمق سطح ایستابی شبیه‌سازی شده به عنوان خروجی‌های اصلی این تحقیق بدست آمد. معیارهای ارزیابی برای کمی‌سازی میزان کارایی عدم قطعیت محاسبه گردید و با انجام تحلیل حساسیت جامع مدل، مناطق حساس آبخوان به تغییر پارامترهای هدایت‌هیدرولیکی و تغذیه تعیین گردید.
نتیجه‌گیری: قرارگرفتن حدود 86 درصد مشاهدات در محدوده‌های اطمینان 95 درصد، مؤکد کارایی مؤثر روش GLUE و همچنین تابع درست‌نمایی استفاده شده، میانگین مجذور مربعات خطای وزن‌دهی شده، در برآورد عدم قطعیت پارامتری در مدل شبیه‌سازی سطح آب زیرزمینی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Assessment of parameter uncertainty of MODFLOW model using GLUE method (Case study: Birjand plain)

نویسندگان [English]

  • Bahare Sadat Hamraz 1
  • Abolfazl Akbarpour 2
  • Mohsen Pourreza Bilondi 3

چکیده [English]

Background and objectives: Groundwater modeling often associates with uncertainties caused by incomplete knowledge of the underlying system or uncertainties due to natural variability in system processes and field conditions. Uncertainty in groundwater modeling has been evaluated by researchers in three main sources that can be classified as parameter uncertainty, conceptual uncertainty (model structure uncertainty) and input uncertainty (observation uncertainty). So far, there are few studies that they assess groundwater uncertainty in the country, and quantifying uncertainty has been limited to the statistical methods. Due to the importance of the water resources in the country and the necessity of estimating the uncertainty in order to achieve accurate and reliable results, in this study, parameter uncertainty of an arid region’s groundwater flow model was assessed by using a Monte Carlo-based simulation technique.
Materials and methods: First, conceptual groundwater model of Birjand plain, located in the southern province, was developed based on collecting all available data, including topography, observed and withdrawal wells information, recharge information, hydrodynamic properties of aquifer, surface elevation data. Then, the MATLAB-based MODFLOW model was used to simulate the groundwater flow. After initial calibration in steady state, for assessing parameter uncertainty in transient mode two scenarios were defined. In the first scenario uncertainty analysis was performed by assuming that the hydraulic conductivity is one of the major contributors to the model uncertainty. So the aquifer was divided into 17 homogeneous zones according to initial calibration of hydraulic conductity results, and the parameter uncertainty was assessed using Monte Carlo (MC) sampling technique, namely, the generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE). In the second scenario, 9 recharge zones were additionally considered as the second parameters, and their influence on the hydraulic conductivity and the total uncertainty were estimated by the GLUE.
Results: Posterior parameter plots of hydraulic conductivity in the 17 homogeneous regions and recharge in the 9 inflow pathways and also, 95% confidence intervals for the simulated water table depth, were obtained as main results. The Indices, as criteria for the comparison, were used to quantify the goodness of uncertainty performance and the sensitive regions in the aquifer were specified by implementing global sensitivity analysis of the model.
Conclusion: Results indicate up to 86% of observed data bounded in the 95% confidence intervals that is emphatic the good performance of the GLUE and also the likelihood function, Weighted Root Mean Squared Error (WRMSE), in the assessment of parameter uncertainty in a groundwater simulation model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Uncertainty
  • groundwater flow
  • Birjand plain
  • MODFLOW model
  • GLUE