نشریه علوم زمین خوارزمی

نشریه علوم زمین خوارزمی

بررسی پدیده فرونشست دشت کرات با استفاده از مدل ریاضی MODFLOW و بر مبنای توسعه بسته عددی GMS

نویسندگان
سمیرا بختیاری 1
هوشنگ خیری 1
مهین اعتمادی فر 2
حجت میرانی مقدم 3
رضا براتی 3
1 دانشگاه دامغان
2 مجتمع آموزش عالی گناباد
3 شرکت آب منطقه ای خراسان رضوی
10.22034/KJES.2024.10.2.102291
چکیده
در این مطالعه، فرونشست دشت کرات با استفاده از مدل‌سازی عددی به کمک نرم افزار GMS و کد MODFLOW شبیه سازی شده است. واسنجی مدل بر اساس تحلیل تصاویر ماهواره ای راداری فرونشست آبخوان، در یک دوره هشت ساله انجام شده است. مقادیر خطای حداقل مربعات میانگین خطا (RMSE) در حالت واسنجی حدود 80 سانتی‌متر بود که نشان دهنده دقت مناسب مدل است. بررسی بیلان مدل‌سازی و همچنین بیلان موجود در گزارشات موجود قبلی، نشان دهنده‌ی اختلاف کمتر از 20 درصدی نتایج می‌باشد که در مدل‌سازی آب زیرزمینی مقدار قابل قبولی می‌باشد. نتایج آنالیز حساسیت نیز نشان می‌دهد آبخوان کرات بیشترین حساسیت را به ترتیب به تغذیه سطحی و مقادیر هدایت هیدرولیکی دارد. در ادامه توسط بسته Interbed در GMS فرونشست آبخوان مدل‌سازی گردید که در آن نتایج شبیه‌سازی همچنین با تصاویر ماهواره ای محاسبه فرونشست کنترل گردید. نتایج به دست آمده از روش تداخل‌سنجی راداری از سال 1385 تا سال 1389 نشان‌دهنده یک پهنه فرونشستی به مساحت 20 کیلومتر مربع با بیشینه نرخ فرونشست 48 میلی متر در سال می‌باشد. آب زیرزمینی دشت کرات در بازه 20 ساله دارای روندی نزولی بوده و سطح آبخوان از سال 1370 تا سال 1390 حدوداً 35 متر، به طور متوسط سالانه 175 سانتی‌متر، افت نموده است. نتایج مدل‌سازی نشان داد که قسمت‌های جنوبی آبخوان بیشترین مکان هایی هست که مستعد فرونشست زمین است. در این مکان‌ها همچنین بیشترین تعداد چاه‌های کشاورزی نیز مشاهده می‌شود. مقایسه نتایج حاصل از فرونشست به‌دست‌آمده از تصاویر ماهواره‌ای و همچنین مدل‌سازی عددی نشان داد که بسته Interbed قادر به شبیه سازی فرونشست زمین به شرط وجود داده‌های اساسی آبخوان است.
کلیدواژه‌ها
فرونشست زمین
مدل آب زیرزمینی
آبخوان دشت کرات
MODFLOW

عنوان مقاله English

Investigating the subsidence phenomenon of the Karat Plain using the MODFLOW mathematical model and based on the development of GMS numerical package

نویسندگان English

Samira Bakhtiari 1
Houshang Khairy 1
Mahin Eatemadifar 2
Hojat Mirani Moghadam 3
Reza Barati 3
1 , Damghan University
2 University of Gonabad
3 Khorasan Razavi Regional Water Authority
چکیده English

This study investigates the subsidence of the Karat Plain aquifer using numerical modeling and satellite remote sensing techniques. A groundwater flow model was developed using MODFLOW to simulate the hydraulic behavior of the aquifer system. The model was calibrated against observed groundwater levels and subsidence rates derived from radar interferometry data. The calibrated model exhibited a good fit, with a Root Mean Square Error (RMSE) of approximately 80 cm. The minimum Root Mean Square Error (RMSE) values in the calibration mode were about 80 cm, which show that the accuracy of the model was adequate. Examining the modeling balance as well as the balance in the existing reports have a difference of less than 20%, which is an acceptable value in groundwater modeling. The results of the sensitivity analysis also show that the aquifer has the highest sensitivity to surface water recharge and hydraulic conductivity values, respectively. Subsequently, the subsidence of the aquifer was modeled by the subpackage in GMS, in which the simulation results were also controlled with satellite images to calculate the subsidence. The results obtained from the radar interferometry method from 2015 to 2019 indicate a subsidence zone with an area of 20 square kilometers with a maximum subsidence rate of 48 mm per year. The groundwater of the Karat Plain has been in a downward trend for 20 years and the aquifer level has dropped by about 35 meters from 1370 to 1390, an average of 175 cm per year. The modeling results showed that the southern parts of the watershed are the most prone to land subsidence. The largest number of agricultural wells are also observed in these places. Comparing the results of subsidence obtained from satellite images as well as numerical modeling showed that Interbed Package is capable of simulating land subsidence under the condition of basic aquifer data.

کلیدواژه‌ها English

Land subsidence
groundwater model
Karat plain aquifer
MODFLOW
Chen, C.W., Zebker, H.A., 2002. Phase unwrapping for large SAR interferograms: Statistical segmentation and generalized network models. IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing 40 (8), 1709–1719.
Chitsazan, M., Heidari, M., Ghobadi, M. H., Torabi-Kaveh, M., Mohammadi-Behzad, H. R., Kavousi, A. R., 2012. The study of the hydrogeological setting of the Chamshir Dam site with special emphasis on the cause of water salinity in the Zohreh River downstream from the Chamshir Dam (southwest of Iran). Environmental Earth Sciences 67, 1605-1617.
Cooper Jr, H.H., 1966. The equation of groundwater flow in fixed and deforming coordinates. Journal of Geophysical Research 71(20), 4785-4790.
Doin, M.P., Lodge, F., Guillaso, S., Jolivet, R., Lasserre, C., Ducret, G., 2011. Presentation of the small baseline NSBAS processing chain on a case example: The Etna deformation monitoring from 2003 to 2010 using Envisat data. In Proceedings of the ESA Fringe 2011 workshop (pp. 19–23).
El Yaouti, F., El Mandour, A., Khattach, D., Kaufmann, O., 2008. Modelling groundwater flow and advective contaminant transport in the Bou-Areg unconfined aquifer (NE Morocco). Journal of Hydro-environment Research 2 (3), 192-209.
Haghighi, M.H., Motagh, M., 2019. Ground surface response to continuous compaction of aquifer system in Tehran, Iran: Results from a long-term multi-sensor InSAR analysis. Remote Sensing of Environment 221, 534-550.
Haghshenas Haghighi, M., Motagh, M., 2024. Uncovering the impacts of depleting aquifers: A remote sensing analysis of land subsidence in Iran. Science Advances 10 (19), p.eadk3039.DOI:10.1126/sciadv.adk3039.
Harbaugh, A.W., 2005. MODFLOW-2005, the US Geological Survey modular ground-water model: the ground-water flow process (Vol. 6). Reston, VA, USA: US Department of the Interior, US Geological Survey.
Hubbert, M. K., 1957. Darcy's law and the field equations of the flow of underground fluids. Hydrological Sciences Journal 2 (1), 23-59.
Khairy, H., Janardhana, M.R., Etebari, B., 2013. Conceptualization of the hydrogeological system of southern Caspian coastal aquifer of Amol - Ghaemshahr plain, Mazandaran province, Iran. International Journal of Earth Sciences and Engineering 6 (5), 1222–1235.
Khairy, H., Sarfi, M., 2024. Land subsidence in Iran: an omnipresent geohazard. Geology Today 40 (5), 187–196.
Lachaal, F., Mlayah, A., Bédir, M., Tarhouni, J., Leduc, C., 2012. Implementation of a 3-D groundwater flow model in a semi-arid region using MODFLOW and GIS tools: The Zéramdine–Béni Hassen Miocene aquifer system (east-central Tunisia). Computers and Geosciences 48, 187–198.
Leake, S.A., Galloway, D.L., 2010. Use of the SUB-WT Package for MODFLOW to simulate aquifer-system compaction in Antelope Valley, California, USA. In Land Subsidence, Associated Hazards and the Role of Natural Resources Development: Proceedings of the Eighth International Symposium on Land Subsidence: Queretaro, Mexico, International Association of Hydraulic Sciences (pp. 61-67).
López-Quiroz, P., Doin, M.P., Tupin, F., Briole, P., Nicolas, J.M., 2009. Time series analysis of Mexico City subsidence constrained by radar interferometry. Journal of Applied Geophysics 69 (1), 1-15.
McDonald, M.G., Harbaugh, A.W., 1988. A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model. U.S. Geological Survey: Techniques of Water-Resources Investigation.
Morishita, Y., Lazecky, M., Wright, T. J., Weiss, J. R., Elliott, J. R., Hooper, A., 2020. LiCSBAS: An Open-Source InSAR Time Series Analysis Package Integrated with the LiCSAR Automated Sentinel-1 InSAR Processor. Remote Sensing 12 (3), p.424.
Motagh, M., Djamour, Y., Walter, T. R., Wetzel, H.-U., Zschau, J., Arabi, S., 2007. Land subsidence in Mashhad valley, northeast Iran: Results from InSAR, levelling and GPS. Geophysical Journal International 168 (2), 518-526.
Motagh, M., Shamshiri, R., Haghshenas Haghighi, M., Wetzel, H.-U., Akbari, B., Nahavandchi, H., Roessner, S., Arabi, S., 2017. Quantifying groundwater exploitation induced subsidence in the Rafsanjan plain, southeastern Iran, using InSAR time-series and in situ measurements. Engineering geology 218, 134–151.
Ranjbar, A. Ehteshami, M., 2019. Development of an Uncertainty Based Model to Predict Land Subsidence Caused by Groundwater Extraction (Case Study: Tehran Basin). Geotechnical and Geological Engineering 37 (4), 3205–3219.
Slichter, C. S., 1906. The underflow in Arkansas valley in Western Kansas (No. 153). Govt. Print. Off.