دانشکده علوم

پایان نامه­ی کارشناسی ارشد در رشته زمین شناسی زیست‌محیطی

 

 

چکیده

اندازه‌گیری آنیون نیترات و نیتریت در شهرک صنعتی  بزرگ شیراز حاکی از بالا بودن غلظت این آنیون‌هادر مقایسه با غلظت بیشینه مجاز تعریف شده توسط WHO وEPA در آبخوان این منطقه است؛ بر همین اساس مطالعه ای با عنوان بررسی پتانسیل انتقال نیترات درآبخوان شهرک صنعتی بزرگ شیراز با استفاده ازمدلسازی ریاضی انجام شد. در این تحقیق جهت بررسی پتانسیل خودپالایی (میرایی طبیعی) آبخوان از یون های نیترات و نیتریت، از مدل جریان آب زیرزمینی تهیه شده توسط گودرزی ۱۳۹۰ استفاده گردید. با تغییر در شرایط مرزی آبخوان، دقت واسنجی مدل در شرایط پایدار و ناپایدار افزایش داده شد و جهت شبیه سازی ابر آلودگی یون های نیترات و نیتریت از مدل انتقال آلاینده MT3D  نسخه MT3D-MS استفاده گردید. با توجه به ویژگی‌های شیمیایی این دو یون فرآیندهای همرفت(Advection)، پراکنش هیدرودینامیکی (Hydrodynamic dispersion) و انحلال شیمیایی در مدل MT3D فعال و شبیه سازی انتقال این مواد انجام گردید. با واسنجی مدل MT3D  ضریب انحلال این دو یون در آبخوان شهرک صنعتی تعیین گردید و نرخ انحلال نیترات  و نیتریت محاسبه شد که تطبیق بسیار خوبی بین غلظت نیترات و نیتریت اندازه‌گیری شده ( توسط شاکری ۱۳۸۸) و شبیه‌سازی شده در گستره مطالعه برقرار گردید. به منظور پیش بینی سرنوشت نیترات و نیتریت طی زمان و تعیین پتانسیل خودپالایی آبخوان با مقادیر به دست آمده، مدل انتقال برای مقادیر فرضی غلظت نیترات و نیتریت تا رسیدن به غلظت مجاز اجرا و نمودار غلظت نسبی در مقابل زمان رسم و معادله برازش شده در این نمودارها تعیین گردید. این معادلات ابزار ساده‌ای برای پیش‌بینی تغییرات غلظت نیترات و نیتریت طی زمان است.

واژه‌های کلیدی: شهرک صنعتی بزرگ شیراز، پتانسیل انتقال، مدلسازی ریاضی، نیترات، نیتریت، پاکسازی طبیعی آبخوان.

 

 

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                                                                                                صفحه

 

فصل اول: مقدمه و هدف

۱-۱-کلیات تحقیق ……………………………………………………………………………………………………………….۲

۱-۲-ضرورت و هدف تحقیق ………………………………………………………………………………………………..۳

۱-۳- پیشینه تحقیقات …………………………………………………………………………………………………………..۴

۱-۳-۱-مروری بر تحقیقات انجام گرفته توسط مدل ریاضی …………………………………………۴

۱-۳-۲-مطالعات انجام شده بر روی آلودگی آب‌های زیرزمینی به واسطه ی نیترات ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..۵

۱-۳-۳-مطالعات پیشین انجام شده در شهرک صنعتی بزرگ شیراز  …………………………..۶

۱-۴- موقعیت جغرافیایی، اقلیم و زمین شناختی منطقه مورد مطالعه…………………………………۷

۱-۴-۱- موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه …………………………………………………………..۷

۱-۴-۲- اقلیم محدوده دشت قره باغ ………………………………………………………………………………۹

۱-۴-۳- زمین شناسی و چینه شناسی دشت قره باغ و شهرک صنعتی بزرگ شیراز………………………………………………………………………………………………………………………………………….۱۰

۱-۴-۳-۱-زمین شناسی شهرک صنعتی بزرگ شیراز…………………………………………….۱۰

  ۱-۴-۳- ۲- زمین‌شناسی ساختاری ……………………………………………………………………..۱۲

 

عنوان                                                                                                                صفحه

 

1-5- مروری بر تاریخچه شرکت شهرک های صنعتی فارس و فعالیت های انجام شده در آنها …………………………………………………………………………………………………………..۱۴

۱-۵-۱- شهرک صنعتی بزرگ شیراز و توسعه صنعت استان فارس……………………۱۵

۱-۵-۲- واحد‌های مستقر در شهرک صنعتی بزرگ شیراز  ……………………………..۱۶

۱-۵-۳- ارزیابی کمی و کیفی پسآب صنایع………………………………………………..۱۷

۱-۵-۳-۱- انواع پسآب در شهرک صنعتی بزرگ شیراز…………………………..۱۷

۱-۵-۳-۲- مشخصات پسآب بهداشتی ………………………………………………….۱۹

۱-۶- نمونه برداری آب زیرزمینی ………………………………………………………………….۲۰

۱-۷- آلودگی منابع آب زیر زمینی…………………………………………………………………۲۲

 

فصل دوم: نیترات

۲-۱- مقدمه  ………………………………………………………………………………………………..۳۲

۲-۲- مشخصه های  نیترات …………………………………………………………………………….۳۳

۲-۳- چرخه نیتروژن ………………………………………………………………………………………۳۶

۲-۳-۱-تثبیت نیتروژن  ……………………………………………………………………………..۳۷

۲-۳-۲- نیتراتی شدن ………………………………………………………………………………..۳۹

۲-۳-۳-احیاء نیترات ………………………………………………………………………………….۴۰

 

عنوان                                                                                                                صفحه

                                                                                  

۲-۳-۴- نیترات زدایی ………………………………………………………………………………..۴۰

۲-۴-منابع نیترات ………………………………………………………………………………………….۴۰

۲-۴-۱-پسماندهای انسانی و حیوانی …………………………………………………………….۴۱

۲-۴-۲-کودها …………………………………………………………………………………………..۴۳

۲-۴-۳- نیتروژن با منشا طبیعی ………………………………………………………………….۴۸

۲-۴-۳-۱- فرسایش رسوبات طبیعی ………………………………………………………..۴۸

۲-۴-۳-۲- واکنش با آب باران ………………………………………………………………..۵۱

۲-۴-۳-۳- شکل گیری نیترات از نیتروژن جوی در اثر فوتون ها و رعد و برق ……………………………………………………………………………………………………………………….۵۱

۲-۴-۴- منابع  صنعتی نیتروژن …………………………………………………………………..۵۱

۲-۴-۵- چارپایان اهلی ………………………………………………………………………………۵۳

۲-۴-۶- دفع پسماند جامد ………………………………………………………………………….۵۴

۲-۵- تشخیص منابع نیترات ……………………………………………………………………………۵۴

۲-۶- اثرات سلامتی نیترات و نیتریت ………………………………………………………………..۵۵

۲-۶-۱- اثرات نیترات و نیتریت  بر سلامت انسان ……………………………………………۵۵

۲-۶-۲- اثرات نیترات و نیتریت بر سلامت دام ها و دیگر حیوانات اهلی ……………….۵۹

۲-۶-۳- اثرات نیترات و نیتریت  بر محیط زیست …………………………………………….۵۹

۲-۷- اعمال پاکسازی معمول برای نیترات ………………………………………………………….۶۰

۲-۷-۱- هیچ کاری انجام ندهیم …………………………………………………………………..۶۱

عنوان                                                                                                                صفحه

 

۲-۷-۲- پمپاژ کردن برای استفاده ی مفید …………………………………………………….۶۱

۲-۷-۳- پمپاژ کردن و تصفیه کردن ……………………………………………………………..۶۲

۲-۷-۴- پمپاژ و پسماند ……………………………………………………………………………..۶۳

۲-۷-۵- پاکسازی گیاهی ……………………………………………………………………………۶۳

۲-۷-۶- تکنولوژی های پاکسازی نو ظهور و جدید …………………………………………..۶۴

 

فصل سوم: مروری بر مدل های ریاضی و معادلات حاکم بر جریان

– مقدمه

۳-۱- انواع مدل‌های آب زیرزمینی …………………………………………………………………………………….۶۷

۳-۱-۱- مدل‌های فیزیکی …………………………………………………………………………………………….۶۷

۳-۱-۲- مدل‌های ریاضی…………………………………………………………………………..۶۸

۳-۱-۲-۱- مدل‌های تجربی …………………………………………………………………………………………۶۸

۳-۱-۲-۲- مدل‌های احتمالاتی ……………………………………………………………………………………۶۸

۳-۱-۲-۳ مدل‌های علت معلولی یا معین …………………………………………………………………….۶۹

۳-۲- شرحی بر نرم‌افزار مادفلو ………………………………………………………………………………………….۷۰

۳-۳- معرفی نرم افزار  GMS …………………………………………………………………………………………..73

3-4- ساخت مدل در نرم افزار  GMS …………………………………………………………………………….76

3-4-1-مشخص کردن هدف مدلسازی ……………………………………………………………………….۷۷

۳-۴-۲- تهیه و گردآوری اطلاعات ……………………………………………………………………………….۷۷

عنوان                                                                                                                صفحه

 

3-4-3- ایجاد مدل مفهومی ………………………………………………………………………………………۷۸

۳-۴-۴- انتخاب کد کامپیوتری ………………………………………………………………………………….۷۸

۳-۴-۵- طراحی مدل ……………………………………………………………………………………………………۷۹

۳-۴-۵-۱ تعیین شرایط مرزی و تنش های وارده به آبخوان …………………………………۷۹

۳-۴-۵-۲- طراحی شبکه و تهیه مدل عددی در نرم افزار GMS ……………………….80

3-4-6- واسنجی  …………………………………………………………………………………………………………۸۱

۳-۴-۷ – آنالیز حساسیت ……………………………………………………………………………………………..۸۵

۳-۴-۸ -صحت سنجی…………………………………………………………………………………………………..۸۶

۳-۴-۹- پیش بینی………………………………………………………………………………………………………..۸۶

۳-۴-۱۰- ارائه مدل طراحی شده و نتایج …………………………………………………………………….۸۶

۳-۴-۱۱-ممیزی بعدی مدل ………………………………………………………………………………………..۸۷

۳-۴-۱۲-طراحی مجدد ………………………………………………………………………………………………..۸۷

۳-۵- مدل MT3DMS ……………………………………………………………………………………………………..87

3-5-1- معرفی معادلات انتقال آلاینده ……………………………………………………………………….۸۸

۳-۵-۲- فرآیند همرفت ………………………………………………………………………………………………..۹۱

۳-۵-۳- فرآیند پراکنش ……………………………………………………………………………………………….۹۲

۳-۵-۴- تخلیه و تغذیه …………………………………………………………………………………………………۹۳

۳-۵-۵- واکنش های شیمیایی ………………………………………………………………………………….. ۹۳

۳-۶- روش حل عددی معادلات انتقال …………………………………………………………………………….۹۴

۳-۶-۱- روش خطوط مشخصه  MOC ……………………………………………………………………..95

عنوان                                                                                                                صفحه

 

3-6-2-  روش اصلاح شده خطوط مشخصه MMOC ……………………………………………..96

3-6-3- روش هیبرید خطوط مشخصه HMOC ……………………………………………………..96

 

فصل چهارم : تصحیح مدل جریان و ایجاد و اجرای مدل انتقال آبخوان شهرک صنعتی بزرگ شیراز

۴-۱- هدف  ………………………………………………………………………………………………………………………..۹۹

۴-۲- ساخت و آماده سازی مدل منطقه مورد مطالعه ………………………………………………………۹۹

۴-۲-۱- مدل سازی جریان ماندگار …………………………………………………………………………….۹۹

۴-۲-۱-۱- ایجاد مدل مفهومی اولیه …………………………………………………………………..۱۰۰

۴-۲-۱-۲- داده های ورودی ……………………………………………………………………………….۱۰۱

۴-۳- اجرا و واسنجی  مدل در شرایط ماندگار ……………………………………………………………….۱۰۳

۴-۴-نتایج واسنجی  ………………………………………………………………………………………………………..۱۰۴

۴-۵- بررسی مدل در شرایط ناپایدار ………………………………………………………………………………۱۰۶

۴-۵-۱- تکمیل داده‌های ورودی ……………………………………………………………………………….۱۰۶

۴-۵-۱-۱- سطح آب مشاهده­ای (اندازه­گیری شده) ……………………………………………۱۰۶

۴-۵-۱-۲- تنش­ها ………………………………………………………………………………………………..۱۰۷

۴-۵-۱-۳- شرایط اولیه ………………………………………………………………………………………..۱۰۷

۴-۵-۱-۴- آبدهی ویژه …………………………………………………………………………………………۱۰۷

۴-۵-۱-۵- انتخاب دوره های تنش …………………………………………………………………….۱۰۸

۴-۶- طراحی و اجرای مدل انتقال ………………………………………………………………………………….۱۱۶

عنوان                                                                                                                صفحه

 

4-6-1- ساخت مدل جریان ………………………………………………………………………………………۱۱۶

۴-۶-۲- نمونه برداری کیفی ………………………………………………………………………………………۱۱۶

۴-۶-۳- شبیه سازی آلودگی نیترات …………………………………………………………………………۱۱۷

۴-۶-۴- تقسیم بندی زمانی ………………………………………………………………………………………۱۱۹

۴-۶-۵-شرح مختصری بر بسته های فرارفت و پراکنش ………………………………………….۱۲۰

۴-۶-۶- شرحی بر بسته واکنشهای شیمیایی ……………………………………………………………۱۲۰

۴-۶-۷- غلظت اولیه …………………………………………………………………………………………………..۱۲۱

۴-۶-۸- اجرای مدل MT3D برای نیترات و نیتریت ……………………………………………….۱۲۱

۴-۶-۸-۱- نیترات ………………………………………………………………………………………………..۱۲۱

۴-۶-۸-۲- نیتریت ………………………………………………………………………………………………..۱۲۳

۴-۷- برآورد زمان پاکسازی ……………………………………………………………………………………….۱۲۶

 

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

۵-۱- نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………..۱۲۸

۵-۲- پیشنهادات ………………………………………………………………………………………………………………۱۳۱

فهرست منابع ………………………………………………………………………………………..۱۳۲

منابع فارسی ……………………………………………………………………………………….۱۳۲

منابع انگلیسی ……………………………………………………………………………………….۱۳۴

 

 

 

 

 فهرست جدول‌ها

 

عنوان                                                                                               صفحه

 

جدول۱-۱- مساحت کل شهرک صنعتی بزرگ شیراز و کاربری اراضی آن ………………………….۱۷

جدول۱-۲- مساحت انواع کاربرهای صنعتی، تولیدی و خدماتی شهرک صنعتی بزرگ شیراز ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………۱۷

جدول ۱-۳- میزان مصرف سرانه آب در شبانه روز برای مصارف بهداشتی………………………… ۱۸

جدول۱-۴- پیش بینی مشخصات عمومی فاضلاب بهداشتی شهرک صنعتی بزرگ شیراز ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………۱۹

جدول۱-۵- موقعیت جغرافیایی  و توصیف نمونه های آب زیرزمینی در محدوده شهرک صنعتی بزرگ شیراز ………………………………………………………………………………………………………………….۲۱

جدول ۲-۱- فرآیند تثبیت کننده و درصد نیتروژن تثبیت شده ……………………………………………۳۸

جدول ۳-۱: فرمت اطلاعات چاه‌های بهره برداری برای ورود به   GMS …………..76

 

 

 

فهرست شکل‌ها

 

 

عنوان                                                                                                صفحه

 

شکل ۱-۱- موقعیت جغرافیایی دشت قره باغ و زهکش اصلی آن و محدوده شهرک صنعتی سطحی ………………………………………………………………………………………………………………………………………..۷

شکل ۱- ۲- مرز حوضه آبریز مهارلو بر روی تصویر ماهواره ای ………………………………………………۹

شکل ۱-۳ –نقشه زمین شناسی دشت قره باغ  و نمایش محدوده شهرک صنعتی بزرگ شیراز………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۱۴

شکل ۱-۴ – تصویر ماهواره ای شهرک صنعتی بزرگ شیراز ………………………………………………….۱۶

شکل ۱-۵- موقعیت چاههای پیزومتری حفر شده برای نمونه برداری آب زیر زمینی در محدوده شهرک صنعتی بزرگ شیراز…………………………………………………………………………………………۲۱

شکل ۱-۶- هیدروگراف ۱۱ پیزومتر موجود در محدوده شهرک صنعتی بزرگ شیراز………………………………………………………………………………………………………………………………………….۲۷

شکل ۱-۷- هیدروگراف ۵ پیزومتر باقیمانده از ۱۱ پیزومتر موجود در شهرک صنعتی بزرگ شیراز………………………………………………………………………………………………………………………………………….۳۰

شکل ۲-۱- چرخه نیتروژن در محیط زیست……………………………………………………………………………۳۶

شکل۳-۲- انواع آرایه مرزی مدل برای یک آبخوان تک لایه…………………………..۷۱

شکل۳-۳- تفاوت بین شبکه بندی مرکز قطعه­ای و مرکز شبکه­ای ……………………..۷۱

شکل۳-۴- تقسیم‌بندی تفاضل محدود یک سیستم آبخوان فرضی ………………………..۷۳

شکل ۳-۵- مراحل مختلف کالیبراسیون سعی وخطا ………………………………………………………..۸۳

عنوان                                                                                                صفحه

 

شکل۴-۱- شبکه تفاضل محدود و مقدار اولیه هدایت هیدرولیکی آبخوان شهرک صنعتی بزرگ شیراز……………………………………………………………………………………………………………………………..۱۰۱

شکل۴-۲- نقشه سطح آب اولیه در سلول‌های فعال مدل شهرک صنعتی بزرگ شیراز(شهریور ۸۶) …………………………………………………………………………………………………………………………………………۱۰۲

شکل ۴-۳- نمایی ازسلول‌های فعال و غیر فعال در شبکه‌بندی ………………………………………….۱۰۳

شکل ۴-۴-مقادیر انواع خطاها در پایان دوره واسنجی در شرایط پایدار ……………………………۱۰۴

شکل ۴-۵- هدف واسنجی ……………………………………………………………………………………………………۱۰۵

شکل ۴- ۶- مقدارهدایت هیدرولیکی واسنجی شده برای مدل شهرک صنعتی بزرگ شیراز………………………………………………………………………………………………………………………………………..۱۰۵

شکل ۴-۷- نمودار پراکندگی برای سطح آب زیرزمینی مشاهده ای و شبیه سازی شده در شرایط پایدار ………………………………………………………………………………………………………………………….۱۰۶

شکل ۴-۸- میزان خطا در پایان مرحله واسنجی شرایط ناپایدار ……………………..۱۰۹

شکل ۴- ۹- نمودار پراکندگی برای سطح آب زیرزمینی مشاهده ای و شبیه سازی شده در شرایط ناپایدار ………………………………………………………………………………………………………………………..۱۱۰

شکل ۴-۱۰- نقشه سطح آب مشاهده ای و محاسبه ای در پایان دوره واسنجی در شرایط ناپایدار(آبان ۸۶) …………………………………………………………………………………………………………………….۱۱۰

شکل ۴-۱۱- نقشه سطح آب مشاهده ای و محاسبه ای در پایان دوره واسنجی در شرایط ناپایدار(بهمن ۸۶) ………………………………………………………………………………………………………………….۱۱۱

شکل ۴-۱۲- نقشه سطح آب مشاهده ای و محاسبه ای در پایان دوره واسنجی در شرایط ناپایدار (اردیبهشت ۸۷) …………………………………………………………………………………………………………۱۱۱

 

شکل۴- ۱۳- سطح آب مشاهده ای و محاسبه شده توسط مدل برای دوره واسنجی ….۱۱۶

شکل ۴-۱۴- موقعیت نقاط نمونه برداری شده توسط شاکری در محدوده شهرک صنعتی بزرگ شیراز ……………………………………………………………………………………………………………………………۱۱۷

شکل -۴-۱۵-  نقشه پهنه‌بندی نیترات ( شهریور ماه ۸۶) ………………………………………………….۱۱۸

شکل -۴-۱۶-  نقشه‌ پهنه‌بندی نیترات ( آبان ماه ۸۶) ……………………………………………………….۱۱۸

شکل -۴-۱۷-  نقشه پهنه‌بندی نیترات (بهمن ماه ۸۶) ………………………………………………………۱۱۹

شکل -۴-۱۸-  نقشه پهنه بندی نیترات اردیبهشت ( ماه ۸۷) …………………………………………..۱۱۹

شکل ۴-۱۹- غلظت مشاهده‌ای نیترات- (بهمن۸۶) ……………………………………………………………۱۲۲

شکل ۴-۲۰- غلظت مشاهده ای نیترات- (اردیبهشت۸۷) …………………………………………………..۱۲۲

شکل ۴-۲۱- غلظت محاسبه ای نیترات- (اردیبهشت ۸۷) …………………………………………………۱۲۳

شکل -۴-۲۲-  نقشه پهنه بندی نیتریت( آبان ماه ۸۶) ………………………………………………………۱۲۴

شکل -۴-۲۳-  نقشه پهنه بندی نیتریت ( بهمن ماه ۸۶) …………………………………………………..۱۲۴

شکل۴-۲۴- غلظت مشاهده ای نیتریت- (آبان۸۶) ……………………………………………………………..۱۲۵

شکل۴-۲۵- غلظت مشاهده ای نیتریت- (بهمن۸۶) ……………………………………………………………۱۲۵

شکل۴-۲۶- غلظت محاسبه ای نیتریت- (بهمن۸۶) ……………………………………………………………۱۲۶

شکل۵-۱-نمودار تغییرات غلظت نیترات و نیتریت و تقدم پاکسازی طبیعی برای نیتریت …………………………………………………………………………………………………………………………………………………۱۲۹