تحليل عدم قطعيت پارامتري مدل MODFLOW توسط روش GLUE(مطالعه موردي: دشت بيرجند)

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

سابقه و هدف: مدل سازي آب هاي زيرزميني اغلب با عدم قطعيت هاي به‌وجود آمده به‌دليل آگاهي ناقص از سيستم زيرسطحي يا عدم قطعيت هاي نشات گرفته از تغييرپذيري هاي طبيعي در فرآيندهاي سيستم مدل و شرايط ميداني، همراه است. بررسي عدم قطعيت در مدل سازي آب هاي زيرزميني در سه منبع اصلي آن يعني عدم قطعيت پارامتري، عدم قطعيت مدل مفهومي و عدم قطعيت داده هاي مشاهده اي صورت پذيرفته است. تا‌كنون پژوهش هاي كمي در زمينه بررسي عدم قطعيت در مدل جريان آب هاي زيرزميني در كشور انجام گرفته و مطالعات در اين زمينه مختص به روش‌هاي آماري بوده است. با توجه به اهميت منابع آبي در كشور و ضرورت بررسي عدم قطعيت به‌منظور دستيابي به نتايج قابل اعتماد، در اين پژوهش عدم قطعيت پارامترها در مدل جريان آب هاي زيرزميني با استفاده از يك روش شبيه‌سازي مبتني بر مونت‌كارلو، در منطقه اي خشك بررسي گرديد. مواد و روش‌ها: ابتدا مدل مفهومي سيستم آب هاي زيرزميني دشت بيرجند واقع در خراسان جنوبي، با استفاده از اطلاعات و داده‌هايي مانند توپوگرافي، داده هاي چاه هاي مشاهده اي و بهره برداري، تغذيه، ضرايب هيدروديناميكي آبخوان، ارتفاع سنگ كف تهيه گرديد. سپس مدلMODFLOW كدنويسي شده در Matlab براي شبيه سازي جريان آب‌هاي زيرزميني دشت، اجرا گرديد. پس از واسنجي اوليه مدل در حالت ماندگار، به‌منظور بررسي عدم قطعيت پارامترهاي مدل در حالت غير‌ماندگار، دو سناريو تعريف گرديد. تحليل عدم قطعيت در سناريو اول، با در نظر گرفتن هدايت هيدروليكي به‌عنوان يكي از مهم‌ترين منابع اصلي عدم قطعيت صورت پذيرفت. بدين منظور با توجه به نتايج واسنجي اوليه اين پارامتر، سطح آبخوان به 17 ناحيه همگن مطالعاتي تقسيم گرديد و عدم قطعيت پارامتر هدايت هيدروليكي در مدل MODFLOW توسط روش GLUE ارزيابي شد. در سناريو دوم با در نظر گرفتن جبهه‌هاي ورودي به آبخوان، تاثير پارامتر تغذيه به‌عنوان پارامتر دوم بر عدم قطعيت پارامتر هدايت هيدروليكي و عدم قطعيت كل مدل، توسط روش GLUE برآورد گرديد. يافته‌ها: نمودارهاي پسين پارامترهاي هدايت هيدروليكي در 17 منطقه همگن مطالعاتي آبخوان و تغذيه در 9 جبهه ورودي به آبخوان دشت و همچنين محدوده اطمينان 95 درصد عمق سطح ايستابي شبيه‌سازي شده به‌عنوان خروجي‌هاي اصلي اين پژوهش به‌دست آمد. به‌منظور كمي‌سازي، معيارهاي ارزيابي عدم قطعيت محاسبه گرديد و با انجام تحليل حساسيت جامع مدل، مناطق حساس آبخوان به تغيير پارامترهاي هدايت هيدروليكي و تغذيه تعيين گرديد. نتيجه‌گيري: قرارگرفتن حدود 86 درصد مشاهدات در محدوده هاي اطمينان 95 درصد، موكد كارايي موثر روش GLUE و همچنين تابع درست‌نمايي استفاده شده در برآورد عدم قطعيت پارامتري در مدل شبيه‌سازي سطح آب زيرزميني مي‌باشد.

Background and Objectives: Groundwater modeling often is associated with uncertainty caused by incomplete knowledge of the underlying system or uncertainty due to natural variability in system processes and field conditions. Uncertainty in groundwater modeling has been evaluated in three main sources as parameter uncertainty, conceptual uncertainty and input uncertainty. So far, there are few studies for assessing groundwater uncertainty in the country and quantifying uncertainty has been limited to statistical methods. Due to the importance of the water resources in the country and the necessity of estimating the uncertainty in order to achieve 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, 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. Uncertainty analysis in the first scenario was performed by assuming the hydraulic conductivity as one of the major contributors to the model uncertainty. So the aquifer was divided into 17 homogenized zones according to initial calibration results and the parameter uncertainty was assessed using GLUE. In the second scenario, nine recharge zones were additionally considered as second parameters and their influence on hydraulic conductivity and total uncertainty were estimated by GLUE. Results: Posterior parameter plots of hydraulic conductivity in 17 homogeneous regions and recharge in nine 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 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 performance of the GLUE and the likelihood function in the assessment of parameter uncertainty in groundwater simulation model.