حل تحلیلی برای ‌سیستم چندچاهی پاک‌سازی آب‌های زیرزمینی در مجاورت یک آبراهه دائمی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری منابع آب، گروه مهندسی آب، دانشگاه شهرکرد
2 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه شهرکرد
چکیده
تمدن‌های بشری همواره برای شکل‌گیری، توسعه و رفع نیازهای مختلف به آب شیرین وابستگی زیادی داشته‌اند. با گسترش شهرنشینی، نه تنها نیاز به آب شیرین کمتر نشده است؛ بلکه برخی از فناوری‌ها و صنایع جدید نیز مصرف آب را افزایش داده‌اند و آلودگی منابع آب سرعت چشمگیری یافته است. منابع آب زیرزمینی به جهت دور بودن از آلودگی‌های سطحی و همچنین ظرفیت پالایش طبیعی آن‌ها، در مقوله حفاظت و پاک‌سازی به اندازه کافی و شایسته مورد توجه قرار نگرفته‌اند. وجود این موضوع به همراه برداشت بی‌رویه از آبخوان‌ها موجب عدم تعادل پایدار آب‌های زیرزمینی از نظر کمی و کیفی شده است. این موارد، لزوم پژوهش بیشتر در مورد جوانب مختلف پاک‌سازی آب‌های زیرزمینی را نشان می‌دهد. با توسعه معادلات حرکت آب در محیط‌های متخلخل و تجزیه و تحلیل آ‌ن‌ها، می‌توان جریان آب‌های زیرزمینی را شبیه‌سازی کرد. در این مطالعه، سیستم دو چاهی پمپاژ به عنوان یکی از روش‌های موثر در رفع آلودگی آبخوان‌ها، به طور تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است. در این سیستم، چاه‌های پمپاژ با تخلیه آب آلوده و جلوگیری از گسترش آن در آبخوان، بازگشت به شرایط طبیعی را فراهم می‌کنند. بدین منظور، با در نظر گرفتن دو چاه پمپاژ در کنار یک آبراهه دائمی، معادلات توابع پتانسیل و جریان آب زیرزمینی تعیین شده‌اند. به بیان دیگر، قسمت حقیقی معادله پتانسیل مختلط، نمایان‌گر تابع پتانسیل و بخش موهومی آن، تابع جریان را مشخص نموده؛ در حالی که با بهره‌گیری از تئوری چاه مجازی، اثر آبراهه در روابط مسئله نیز اعمال شده است. با به دست آمدن مختصات نقاط سکون، ناحیه گیرش سیستم چندچاهی در پیکربندی‌های مختلف ترسیم شده و میزان آبگیری از آبراهه نیز محاسبه گردیده است. ناحیه گیرش با نمایش محدوده جذب توسط چاه‌های پمپاژ به ازای فواصل متفاوت این چاه‌ها و چند دبی تخلیه، رفتار و توان سیستم چندچاهی را توصیف می‌کند. سه پیکربندی برای سیستم پاک‌سازی در کنار دو نوع دبی بحرانی ارائه شد. در این شرایط، کنترل ناحیه گیرش بدون برخورد با مرز آبراهه و عدم شکاف در حوضه آبگیری در فواصل مختلف چاه‌ها و در دبی‌های مشخص امکان‌پذیر می‌گردد. در دبی بحرانی اول، ناحیه گیرش سیستم دو چاهی بر مرز آبراهه دائمی مماس می‌گردد و به ازای مقادیر کمتر از این دبی، آلودگی آب زیرزمینی به آب سطحی وارد نمی‌شود. در دبی بحرانی دوم، نواحی گیرش دو چاه با هم یکی می‌شوند. در حقیقت، در دبی‌های کمتر از این دبی بحرانی، یک فاصله (شکاف) بین نواحی گیرش چاه‌ها وجود دارد و آلودگی می‌تواند از این فاصله وارد آب سطحی گردد. همچنین فاصله دو چاه در حالتی تعیین شد که هر دو نوع دبی بحرانی با هم برابر هستند. این حالت، وضعیتی از محدوده جذب را نشان می‌دهد که مرز آن بر مرز آبراهه مماس است و نواحی گیرش دو چاه با هم ادغام شده‌اند. در وضعیت مذکور، فاصله بی‌بعد دو چاه پمپاژ (فاصله دو چاه تقسیم بر فاصله آن‌ها از مرز آبراهه) و دبی بحرانی بی‌بعد به ترتیب برابر با 58/0×2 و 33/0 هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analytical Solution for Multi-well System of Groundwater Remediation in the vicinity of a Permanent Stream

نویسندگان English

Abdollah Ramezani-Charmahineh 1
Mahdi Asadi-Aghbolaghi 2
Rasoul Mirabbasi Najafabadi 2
Sayyed-Hassan Tabatabaei 2
1 PhD Student of Water Resources, Department of Water Engineering, Shahrekord University
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, Shahrekord University
چکیده English

Human civilizations have always depended on freshwater to form, develop and fulfillment of various needs. With increasing urbanization, not only has the need for freshwater not diminished, but also some new technologies and industries have increased water consumption, and the pollution of water sources has increased significantly. Since groundwater resources are far from surface pollution and have their natural remediation ability, protection and remediation have not been given sufficient and appropriate attention. This issue and the overexploitation of aquifers have resulted in the quantitative and qualitative balance of groundwater resources being unsustainable. These issues show that further research is needed on various aspects of groundwater remediation. By developing the equations for water movement in porous media and analyzing them, it is possible to simulate groundwater flow. In this study, the double-well pumping system has been investigated analytically as one of the effective methods for aquifer remediation. In this system, pumping wells provide a return to natural conditions by draining polluted water and preventing it from spreading in the aquifer. For this purpose, the equations of the groundwater potential function and the stream function were determined for two pumping wells near a permanent stream. In other words, the real part of the complex potential equation represents the potential function and its imaginary part specifies the stream function; using the image well theory, the effect of the stream was also applied in the problem relations. By determining the coordinates of the stagnation points, the capture zone of the multi-well system was delineated in various configurations and the amount of stream withdrawal was also calculated. The capture zone describes the behavior and capability of the multi-well system by indicating the capture domain of discharge wells for different distances and different pumping rates. Three configurations of the remediation system are presented for two types of critical pumping rates. Under these conditions, it is possible to control the capture zone without intercepting the stream boundary and creating gaps in the extraction region at different distances of the wells with certain pumping rates. At the first critical pumping rate, the capture zone of the double-well system is tangent to the permanent stream boundary, and at a pumping rate below this threshold, groundwater pollution does not reach the surface waters. At the second critical pumping rate, capture zones of two wells merge together. Indeed, in discharges less than this critical rate, there is a distance (gap) between capture zones of the wells and pollution can enter the surface water through this gap. Also, the distance between two wells was determined in the state that both types of critical pumping rate are equal. This case shows a state of capture zone whose boundary is tangent to the stream boundary, and the capture zones of two wells are merged together. In the mentioned state, the dimensionless distance between two pumping wells (the distance between the two wells divided by their distance from the stream boundary) and the dimensionless critical pumping rate are equal to 2×0.58 and 0.33, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Capture zone
Aquifer remediation
analytical method
Permanent stream
Complex potential theory
[1] Mohtashami A., Hashemi Monfared S. A., Azizyan G. & Akbarpour A. 2019. Determination the capture zone of wells by using meshless local Petrov-Galerkin Numerical Model in confined aquifer in unsteady state (case study: Birjand Aquifer). Iranian journal of Ecohydrology, 6(1), 239-255. (In Persian)
[2] Samani N. & Kamrani S. 2016. Determination of quantitave and qualitative capture zone of drinking water wells to nitrate, case study: Aspas Plane, Eghlid City, Fars Province. Advanced Applied Geology, 6(2), 29-40. (In Persian)
[3] Christ J. A. & Goltz M. N. 2002. Hydraulic containment: analytical and semi-analytical models for capture zone curve delineation. Journal of Hydrology, 262(1-4), 224-244.
[4] Shackelford C. D. 2013. Geoenvironmental engineering. Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences. 24p.
[5] Nagheli S., Samani N. & Barry D. A. 2020. Capture zone models of a multi-well system in aquifers bounded with regular and irregular inflow boundaries. Journal of Hydrology X, 7, 100053.
[6] EPA (U.S. Environmental Protection Agency). 2008. A systematic approach for evaluation of capture zones at pump and treat systems. Final Project Report, Office of Research and Development, Washington, DC, 164p.
[7] De Smedt F. 2014. Analytical solution for capture and catchment zones of a well located on a groundwater divide. Water Resources Research, 50(1), 736-740.
[8] Asadi-Aghbolaghi M. & Rakhshandehroo G. R. 2016. Delineating capture zone of a pumping well in a slanting regional groundwater flow to a stream with a leaky layer. Water Resources Management, 30(12), 4273-4291.
[9] Zarei-Doudeji S. & Samani N. 2018. Capture zone of a multi-well system in bounded rectangular-shaped aquifers: modeling and application. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions A: Science, 42(1), 191-201.
[10] Bica I., Boukhemacha M. A. & Groza G. 2019. A semi-analytical solution for groundwater flow-field delineation near pumping/injection wells in confined aquifers. Hydrogeology Journal, 27(1), 61-71.
[11] Nagheli S., Samani N. & Barry D. A. 2020. Multi-well capture zones in strip-shaped aquifers. Plos One, 15(3), e0229767.
[12] Mahdavi A. 2021. Response of dual-zone heterogeneous wedge-shaped aquifers under steady-state pumping and regional flow. Advances in Water Resources, 147, 103823.
[13] Mahdavi A. 2022. Well hydraulics in dual-zone heterogeneous wedge-shaped aquifers under an ambient flow from stream-wise varying boundary heads. Journal of Hydrology, 612, Part A, 128063.
[14] Bakker M. & Anderson E. I. 2003. Steady flow to a well near a stream with a leaky bed. Ground Water, 41(6), 833-840.
[15] Intaraprasong T. & Zhan H. 2007. Capture zone between two streams. Journal of Hydrology, 338, 297- 307.
[16] Asadi-Aghbolaghi M., Rakhshandehroo G. R. & Kompani-Zare M. 2013. An analytical approach to capture zone delineation for a well near a stream with a leaky layer. Hydrological Sciences Journal, 58(8), 1813- 1823.
[17] Sun D. & Zhan H. 2007. Pumping induced depletion from two streams. Advances in Water Resources, 30(4), 1016-1026.
[18] Hantush M. S. 1965. Wells near streams with semipervious beds. Journal of Geophysical Research, 70(12), 2829-2838.
[19] Anderson E. I. 2000. The method of images for leaky boundaries. Advances in Water Resources, 23(5), 461-474.
[20] Strack O. D. L. 1989. Groundwater mechanics. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. 752p.
[21] Haitjema H. M. 1995. Analytic element modeling of groundwater flow. Academic Press, San Diego, California. 406p.