ارزيابي شبيه‌سازي با رويكرد مرز مشترك در پيش‌بيني نفوذ شوري در آب‌خوان‌هاي لايه‌بندي ساحلي تحت پمپاژ

Evaluation of sharp-interface simulation of saltwater intrusion into the multi-layered coastal aquifers exposed to pumping

زمينه و هدف: افزايش جمعيت و رشد فعاليت‌هاي بشري در نواحي ساحلي، تنش بر آب‌خوان‌هاي ساحلي را افزايش داده و سبب پيش‌روي آب دريا به سمت آن‌ها شده‌است. مدل‌سازي رياضي نفوذ شوري با استفاده از دو رويكرد امكان پذير مي‌باشد. در رويكرد مرز مشترك، فصل مشترك تقابل آب شور و شيرين با يك خط نشان داده مي‌شود، حال آن‌كه در رويكرد جريان اختلاطي، يك ناحيه انتقالي اين دو سيال را از هم جدا خواهد نمود. شبيه‌سازي با رويكرد مرز مشترك به علت نياز به داده‌هاي ورودي كم‌تر و زمان اجراي بسيار سريع‌تر، بيش‌تر مورد استفاده قرار گرفته، درحالي‌كه در مدل‌سازي با رويكرد جريان اختلاطي به علت حل هم‌زمان معادله جريان و معادله پخش و انتقال، جواب‌هاي دقيق‌تري توليد مي‌گردد. روش بررسي: در اين تحقيق براي آب‌خوان‌هاي لايه‌بندي ساحلي كه در واقعيت از توزيع بيش‌تري نسبت به آب‌خوان‌هاي همگن برخوردارند، با استفاده از زبان برنامه‌نويسي فرترن، مدل عددي‌ بر پايه رويكرد مرز مشترك (با نام SHI-SWIM) توسعه داده شده‌ و نتايج مدل، پس از صحت‌سنجي و اعتبار‌بخشي، با مشاهدات آزمايشگاهي و كد عددي SEAWAT (با رويكرد جريان اختلاطي) مقايسه شده‌است. در ادامه، سناريوهاي مختلفي براي آب‌خوان لايه‌بندي در مقياس واقعي و با اعمال چاه پمپاژ تعريف شده و علاوه بر بررسي واكنش آب‌خوان نسبت به اين تغييرات، نقاط قوت و محدوديت‌هاي مدل توسعه داده شده آشكار شده‌است. يافته‌ها: شبيه‌سازي مدل آب‌خوان تحت پمپاژ نشان مي‌دهد كه مدل SHI-SWIM در حالات كاهش فاصله بين چاه و دريا، نفوذ كامل چاه در آب‌خوان و دبي پمپاژ بالاتر پيش‌بيني دقيق‌تري از شكل گوه شوري داشته است اما پيش‌بيني ميزان شوري آب برداشتي از چاه، چندان متناسب با نتايج به‌دست آمده در آزمايشگاه و مدل SEAWAT نبوده است.

Background and Objective: Population growth and scarcity of coastal freshwater resources have increased the stresses on many coastal aquifers, leading to aquifer storage decline and salwater intrusion (SWI). Investigation of coastal aquifers routinely involves the application of SWI models, which can be divided into two categories, namely sharp-interface and dispersive-interface approaches. There is no mixing between freshwater and saltwater at sharp-interface approaches. This makes them computationally more efficient while dispersive-modeling approaches are more numerically challenging, but allow for freshwater-saltwater mixing. Method: Most coastal aquifers comprise overlying sequences of geological strata, resulting in SWI characteristics that may differ significantly to those of homogeneous cases. The layered coastal aquifers have received significantly less attention than the more simplified single-layer case, despite the fact that stratified aquifers are widespread. In this study, a sharp-interface approach (named as SHI-SWIM) was developed using FORTRAN programming code. The model is first validated and then applied for the simulation of sand-tank experiment and field-scale multi-layered aquifers exposed to pumping in order to evaluate the strength and limitation of the developed model. Findings: SHI-SWIM model produced better result for higher pumping rates. Additionally, the results of fully penetrating wells and closer position of well to shoreline matched better with the dispersive modeling outputs. In real cases, where the saltwater may wend a long distance toward the well screen, the sharp-interface modeling weakly matched with the dispersive modeling, specially in terms of well salinities.