مدیریت تلفیقی تقاضای آب در بخش شرب و صنعت به کمک اتصال مدل‌های WEAP و MODFLOW ( مطالعه موردی شهر بجنورد)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه

2 پردیس کشاوزی دانشگاه گرگان

3 دانشگاه فردوسی

4 گرگان

چکیده

سابقه و هدف: توسعه خشکسالی افزایش جمعیت، توسعه کشاورزی و صنعت، کاهش منابع آب سطحی، افت سطح آب‌های زیرزمینی عوامل مهم کمبود آب هستند که یک راه مقابله با آن استفاده از مدیریت تلفیقی آب‌های سطحی و زیرزمینی می‌باشد. بعبارت دیگر با مدیریت یکپارچه منابع آب که همان جامع نگری و لحاظ کلیه مؤلفه‌های تأثیر گذار و تأثیر پذیر در وضعیت منابع آب است، می توان به منابع پایدار آب در سطح ملی و بین‌المللی دست یافت. این تحقیق با هدف بررسی تأثیر سناریوهای مرتبط با میزان تأمین تقاضا و منابع آب موجود، مدیریت مصرف آب یکپارچه در بخش شهری و اعمال سیستم فاضلاب بر منطقه بجنورد انجام شده است. داده های ایستگاه هیدرومتری باباامان در خروجی حوضه آبریز بجنورد که تنها ایستگاه هیدرومتری معرف این حوضه است، برای کالیبره کردن مدل WEAP استفاده شد. همچنین از آمار چهار ایستگاه باران‌سنجی، یک ایستگاه تبخیرسنجی و نیز یک ایستگاه سینوپتیک از سال آبی 1380 لغایت 1390 اخذ گردید. اطلاعات جمعیتی و میزان نیاز آبی تقاضاهای شهری و روستایی: جمعیت و میزان مصارف آن به ازای هر نفر مشخص گردید. سپس با محاسبه درصد حساسیت مدل، پارامترهای حساس و تاثیر گذار مشخص گردید، واسنجی دو مدل بر اساس یک دوره 6 ساله (از سال آبی 85-1384 تا سال 90-1389) و اعتبارسنجی آن برای یک دوره 2 ساله (سال‌های 91-1390 و 92-1391) انجام گرفت. در نهایت ارزیابی نتایج از واسنجی و اعتبارسنجی مدل به ترتیب از سه نمایه ضریب راندمان نش- ساتکلیف (Ef)، ضریب تعیین (R2) و جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) و برای ارزیابی سناریوها از شاخص اعتمادپذیری استفاده شد. سناریوهای مختلف مدیریتی ازجمله تأمین آب شرب بجنورد از طریق انتقال آب از سد شیرین دره، اجرای سیستم فاضلاب، و ترکیب سناریوهای فوق، جهت کاهش تقاضای آب در نظر گرفته شد. بر اساس این سناریوها پیش‌بینی‌ها برای یک دوره 28 ساله انجام و اثرات آن بر روی منابع آب حوضه مورد بررسی قرارگرفت. درنهایت با بکارگیری مدل شبیه‌سازی منابع آب WEAP و اتصال آن به مدل شبیه سازی آب زیرزمینی MODFLOW، مصارف آب غیرکشاورزی حوضه آبریز دشت بجنورد مورد ارزیابی قرار گرفت. وضعیت آبخوان بجنورد تحت سناریوهای مرجع، تأمین آب با انتقال آب سد شیرین دره، احداث سیستم فاضلاب، و سناریوی ترکیبی، با اتصال مدلهای WEAP و MODFLOW شبیه سازی شد. نتایج نشان دادکه به کارگیری هم‌زمان راهبردهای مختلف مدیریت مصرف آب، بهتر از حالت استفاده منفرد از هر کدام از آن‌ها، برداشت آب از منابع مختلف را کاهش می‌دهد. شاخص اعتمادپذیری تأمین آب در سناریوی مرکب، برای بخش‌های شرب شهری، روستایی و صنعت به ترتیب 100، 100 و 3/65 درصد برآورد گردید. که در نتیجه این سناریو، آبخوان با تغذیه سالانه 39/5 میلیون متر مکعب می-تواند از تعادل نسبی بین برداشت و تغذیه برخوردار باشد.بیشترین آب تأمین نشده در بخش کشاورزی است که نشان دهنده اهمیت مدیریت تقاضای آب در این بخش با استفاده از روشهای بهره وری استفاده از آب، مانند آبیاری نوین می‌باشد. در بخش شرب و صنعت نیز ضریب اعتماد پذیری تأمین آب شهری، روستایی و صنعت بیشتر است. حجم آبخوان‌های آبرفتی و آهکی در سال‌های شبیه‌سازی طبق سناریوی مرجع و با ادامه وضع موجود در شکل 4 ارائه شده است. هر دو آبخوان از روند نزولی برخوردارند. از به کارگیری همزمان مدل آب شرب و صنعت در مدیریت منابع آب شهری، نتایج قابل اعتمادتری به دست خواهد آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Integrated management of water demand in urban and industry sectors by connection of WEAP and MODFLOW models (case study: Bojnourd basin)

نویسنده [English]

  • Mehdi Zakerinia 2
چکیده [English]

Background and objectives: Population growth, agricultural and industrial development, degradation of surface water resources, groundwater levels drop are among the major factor causing water scarcity. The integrated management of groundwater and surface waters could serves as a solution to solve these challenges. In other words, sustainable water resources can be achieved through Integrated Water Resources Management, which is the comprehensive approach to all the components that affect and influences the status of water resources. With this approach, the importance of management tools such as integrated water resource simulation models to help planners and managers of this sector is increasingly evident. Connecting the WEAP model to MODFLOW allows the values calculated by WEAP to be sent to the MODFLOW for input on groundwater influxes, river levels, groundwater withdrawals (pumping) and surface runoffs. After it, the groundwater level, sub-streams between the aquifers and the flow between surface and underground water are sent to the WEAP as input of the next step of the calculation.
The purpose of this research was to investigate the effects of scenarios related to demand and available water resources, integrated water management in the urban sector and sewage system application in Bojnourd region.

Materials and methods: In this study, with using a water resources simulation model (WEAP) and its connection to groundwater simulation model (MODFLOW), water consumptions for Bojnourd basin was evaluated. Calibration and validation of both models has done under taken data based on 6 (from 2005-06 to 2010-11) and 2 years (from 2011-12 to 2012-13) respectively. Then different management scenarios, including current state water resources scenario, dam's drinking water supply for Bojnord city via transferring water from Shirin Dareh dam, developing sewage systems and finally combination of 2 last scenarios were considered. Under these scenarios, projections for a period of 28 years (from 2013-14 to 2040-41) and its effects on water resources of Bojnord basin were studied.The hydrometric station data of Babaaman at the outlet of the Bojnourd basin, which is the only hydrometric station representing this basin, was used to calibrate the WEAP model. Also, data from four rain-sensing stations, one evaporation station and one synoptic station were obtained from the year 1380 to 1390.Demographic data and Urban water demand and rural demand, population and consumption per person was assessed. Industry sector Water demand is estimated monthly. According to geological studies, the Bojnourd basin has two types of alluvial and limestone aquifers, both of which are defined in the model. Then, sensitive and effective parameters were determined by calculating the sensitivity percentage of the mode. Finally, the results of calibration and validation of the model were done from three indicators of Nash-Sutcliff (Ef), Coefficient of determination (R2) and Root Mean Square Error (RMSE), respectively, and the reliability index were used to evaluate the scenarios.
Results: The results showed that Simultaneous applying multiple water management strategies seems to be better than any of its individual states, reducing water withdrawing on various resources. Reliability of water supply in the whole complex scenario, for urban drinking water, rural and industry purposes were estimated around 100, 100 and 65.3 percent respectively. As a result of this scenario, the annual recharge of the aquifer with 5.39 million cubic meters per year can be relative balance between harvesting and recharge.
Conclusion: it can be concluded that reliable results will be obtained from simultaneous simulation of drinking and industry water management.
Keywords: aquifer, Bojnourd, simulation, water resources management

کلیدواژه‌ها [English]

  • aquifer
  • Bojnourd
  • simulation
  • Water resources management
1.Assaf, H., and Saadeh, M. 2008.
Assessing water quality management
options in the Upper Litani Basin,
Lebanon, Using an integrated GIS-based
decision support system. Environmental
Modeling & Software. 23: 1327-1337.
2.Chit Sazan, M., and Saat Saz, M.
2005. Investigate of Water Resources
Management Options by using MODFLOW
model. Shahid Chamran Sci. J. 14: 35-47.
(In Persian)
3.Höllermann, B., Giertz, S., and
Diekkruger, B. 2010. Benin 2025-
Balancing future water availability and
demand using the WEAP “Water
Evaluation and Planning system”. Water
Resources Management. 24: 3591-3613.
4.Jafari, Z. 2013. Simulation of
groundwater table fluctuation in an
urban region and Evaluationof the factors
affecting. M.Sc. thesis. Agriculture College,
Ferdowsiuniversity of Masshad.
5.Jonubi, R., Rezayi, H., and Behmanesh, J.
2013. Management of groundwater by the
integration of surface and subsurface
water with using MODFLOW model
(Case study: Orumieh basin). J. Water
Irrig. Manage. 1: 49-68. (In Persian)
6.Ghochanian, E., Etebari, B., Akbarpour,
A. 2013. Integrating groundwater
management with WEAP and MODFLOW
models (Case study: Birjand Plain, east of
Iran). CUE conference. Pp: 1-11.
7.Kohestani, N., Meftah Halghi, M.,
Dehghani, A.A., Yakhkeshi, M.A., and
Jahani, N. 2010. Review of methods of
integrated management of surface and
groundwater resources. The second
National Conference on Water, Behbahan,
Iran. (In Persian)
8.Kresic, N. 1997. Quantitative solutions
in hydrogeology and ground water
modeling. CRC Press LLC, 115p.
9.Larsen, H., Mark, O., Jha, M.K., and
Das Gupta, A. 2000. The application of
models in integrated river basin
management. Aisan institute of
technology and DHI water and
environment. Asian institute of
technology, Po Box 4, Klong Luang
Pathumthani 12120. Thailand.
10.Loucks, D.P., Beek, E., Stedinger, J.R.,
Dijkman, J.P.M., and Villars, M.T.
2005. Water resources system planning
and management an introduction to
method, models and application,
published by United Nation Educational
Scientific and Cultural Organization.
11.Saeidinia, M., Samadi Brujeni, H., Arab,
D., and Fattahi, R. 2008. Investigate
transferring water from the Karoon
branches adjacent to the basin by using
WEAP model (Case study: Behesht
Abad Tunnel). Iran. Water Res. J.
3: 33-44. (In Persian)
12.Sieber, J., and Purkey, D. 2011.
Water Evaluation and Planning
system (WEAP) user guide, Stockholm
Environment Institute (SEI), U.S.
Center.10.1016/j.gloenvcha.2010.12.00.
13.Yazdan Panah, T., Khoda Shenas, S.A.,
Davari, K., and Ghahreman, B. 2007.
Water Resources Management by using
WEAP model (Case study: Azghand
basin). Agric. Sci. Technol. J. 22: 213-221.
(In Persian)