مدل در مهندسی آب (قسمت اول) - محمد کاشفی، کارشناس منابع آب

مقدمه
بحران آب در ایران به مرحله ای رسیده که کارشناسان داخلی و خارجی آن را ورشکستگی آبی می نامند .با وجود پتانسیل های علمی وفنی ، جمهوری اسلامی نتوانسته است از راهکارهای پایدار جهانی بهره ببرد.
پژوهش های منتشر شده عملکرد ایران در زمینه آب را ناموفق دانسته وبر بکار گیری از دانش های نوین از جمله مدل ها در منابع آب و نرم افزارهای آنالیزو شبیه سازی و طراحی و مدیریت بهره برداری ، سیستم های پیش بینی و هشدار تاکید می نمایند .
بر اساس مدل مدیریت منابع آب، بحران آب ایران تنها ناشی از کمبود بارندگی نیست؛ بلکه نتیجه عدم تعادل بین منابع آب موجود و مصرف و مدیریت آن است. بنابراین، حل این بحران نیازمند اصلاح سیاست‌های مدیریت منابع آب، افزایش بهره‌وری و حفاظت از منابع آب زیرزمینی و سطحی است . این مقاله به تشریح مشکل و راه حلهای آن اختصاص دارد. با توجه به افزایش تقاضای آب می توان گفت بدون استفاده از ابزار مدل سازی، مدیریت و حفاظت منابع آب کارایی مناسبی نخواهد داشت.
متأسفانه هنوز در کشور ما استفاده از این ابزار قوی و مؤثر یعنی بهینه سازی مرسوم نگردیده است. متخصصین علوم مهندسی آب جهت پیش بینی و تخمین عملکرد رفتار هیدرولیکی آب و پرهیز از بالا رفتن هزینه پروژه های اجرایی مدلهای مختلفی برای کاربردهای متعدد از جمله پیش بینی روند جریان سیل، مطالعه انتقال رسوب، فرسایش و رسوب گذاری، انتقال آلودگی، مطالعات کمی و کیفی زیر زمینی و مطالعات تحقیقی و پژوهشی و ... بکار می گیرند. این مدلها می توانند با توجه به نیاز به صورت یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی ایجاد شوند. امکانات در دسترس، دقت مورد نیاز، میزان اطلاعات مربوطه از جمله عوامل تعیین کننده نوع مدل مورد نیاز و مناسب می باشد.

مفهوم مدل یا شبیه سازی
قبل از شرح هر مطلبی نیاز به توضیح چند واژه داریم از جمله آن سیستم می باشد. سیستم در واقع مجموعه ای از واحدها یا فرایندهایی است که یک تابع هدف معین (کمینه کردن هزینه ها و بیشینه کردن توان برداشت) را مد نظر دارد. با مدیریت یک سیستم و استفاده بهینه از امکانات برای رسیدن به سمت تابع هدف از پیش تعیین شده گام بر می داریم.

«یک مدل در واقع فرم ساده شده ای از یک سیستم واقعی منابع آب است.»

مدل یا شبیه سازی در واقع مجموعه ای از روابط یا اطلاعات درباره پدیده های طبیعی است و درک انسان در ذهن خود از این پدیده ها مدل مفهومی نامیده می شود. مدل مفهومی بر اساس نیاز و سطح دانش و آگاهی از پدیده ها و رفتار آنها شکل گرفته است و در طول زمان تغییر یافته و کامل تر می شود.
هدف از تهیه یک مدل بررسی و کنترل اطلاعات و داده های جمع آوری شده و پیش بینی تحولات در زمانهای آینده و تغییرات حجم مخازن در ورودی ها و خروجی ها می باشد. با داشتن یک مدل مناسب می توان محدوده هایی که دارای داده های اندازه گیری صحرایی نامناسب و پوشش اطلاعاتی آن ضعیف می باشد را مشخص نمود. در نهایت می توان گفت برای ایجاد هر مدل باید کارهای متفاوتی را انجام داد که به صورت مراحل زیر دسته بندی می گردد:
۱- انتخاب مسئله
۲- تعریف اهداف
۳- تعریف سیستم
۴- ارزیابی و تحلیل داده ها

انواع مدل
در سالهای اخیر نرم افزارهای زیادی جهت آنالیز، شبیه سازی، طراحی، مدیریت بهره برداری، سیستم های پیش بینی و هشدار و ... تهیه گردیده که استفاده از آنها به عنوان ابزار مناسب، دقیق و سریع، محاسبات را بر اساس ماهیت پدیده ها با بکارگیری اصول اساسی و معادلات حاکم و با توجه به محدودیت ها و فرضیات انجام می دهد. نکته اساسی و قابل تأمل در کاربرد مدلها شناخت فرضیات خاص هر مدل است که تحت آن شرایط جوابهای حاصل از آن درست بوده، پس مهمترین عامل در کاربرد نرم افزارها شناخت محدودیت ها و نحوه عملکرد و در نهایت اصول اساسی و معادلات حاکم استفاده شده در نرم افزار می باشد.

طبقه بندی کلی مدلها
در یک قالب کلی می توان مدلها را به سه دسته به شرح ذیل طبقه بندی کرد:
۱- مدلهای ریاضی MATHEMATICAL MODEL
۲- مدلهای فیزیکی MATERIAL MODEL
۳- مدلهای آنالوژی (تشابهی)
۱- مدل ریاضی بر مبنای روشهای عددی حل تقریبی معادلات دیفرانسیل جریان با استفاده از کامپیوتر قابل انجام بوده و به دو صورت است: الف- مدل ریاضی به روش عناصر محدود FINIT ELEMENT، ب- مدل ریاضی به روش تفاضل های محدود FINIT DIFFERENCE. در هر دو روش تقریب منطقی ارائه می شود که بر مبنای آن پس از کار بر روی معادلات دیفرانسیلی، آنها را به معادلات جبری تبدیل و حل می نمایند. به روایتی دیگر می توان مدل ریاضی را به دو گونه مدل تجربی و مدل نظری نیز تقسیم بندی نمود.
۲- مدل فیزیکی بر مبنای نمونه ساخته شده از مثلاً یک آبخوان (سفره آب زیرزمینی) در ابعاد کوچکتر می باشد که تمامی مشخصات مورد نیاز را دارا می باشد. عیب عمده این گونه مدلها هزینه ساخت بسیار بالای آن است، با این وصف در برخی موارد ناگزیر از آن استفاده می کنیم. به روایتی دیگر این مدل را نیز به دو گونه مدل آنالوگ (قیاسی) ANALOG و ICONIC (ساخت با مقیاس کوچکتر در کامپیوتر) تقسیم بندی می نمایند.
۳- مدلهای تشابهی (آنالوژی) این نوع مدلها بر اساس تشابه بین معادلات دو نوع سیستم فیزیکی مختلف ایجاد شده اند و به دو نوع مدل تشابهی روغنی و الکتریکی قابل تقسیم بندی است. بیشتر کاربرد مدل تشابهی روغنی در طرحهای تغذیه مصنوعی و معین کردن چگونگی تزریق آب به داخل آبخوان را دارد و بیشتر کاربرد مدل تشابهی الکتریکی در بدست آوردن ضرائب هیدرودینامیکی T و S و ... می باشد.

سایر شیوه های تقسیم بندی
رشد و بهبود کار مدلها در زمان پیشرفت کامپیوترهای امروزی صورت پذیرفته است. مدلها را می توان به صور مختلف تقسیم بندی نمود، از جمله:
مدل تک فرایند INDIVIDUAL PROCESSES
مدلهای مؤلفه ای COMPONENT MODELS
مدلهای توده ای LUMPED MODELS
مدلهای تجمعی INTEGRATED MODELS
مدلهای کلی GLOBAL MODELS
مدلهای توزیعی DISTRIBUTED MODELS

تقسیم بندی بر اساس نقش زمان
در ارتباط با شاخصهای اساسی یک مدل می توان تقسیم بندی خاصی نیز انجام داد. به طور مثال اگر نقش زمان را در مدل مد نظر قرار دهیم به دو صورت عمل می نماییم:
الف- مدلهای استاتیک STATIC MODELS (مستقل از زمان)
ب- مدلهای دینامیک DYNAMIC MODELS (نسبت به زمان در مدل تغییر ایجاد می شود)
تقسیم بندی بر اساس نوع نتایج
اگر نقش نتایج بدست آمده یا خصوصیت جوابها برای ما مهم باشد، تقسیم بندی به صورت زیر است:
الف- مدلهای معین DETEMINSTIC MODELS (نتایج آن قطعی و معین می باشد). مانند مدل شبکه شهری که ورودیها و خروجیهای معین داشته، یعنی دارای یکسری قوانین فیزیکی و دقیق است.
ب- مدلهای تصادفی STOCHOSTIC MODELS (پاسخهای بدست آمده احتمالی می باشد). مانند تطویل آمار یک سیلاب صد ساله.
اگر از دیدگاه روشهای حل به موضوع نگاه کنیم می بینیم که اگر مدل معین باشد وارد مقوله مدل فیزیکی می شویم و اگر مدل تصادفی باشد وارد مقوله مدل ریاضی می شویم. اگر از دیدگاه خواص عملگرها و توابع به موضوع نگاه کنیم، مدلهای خطی و غیر خطی را خواهیم داشت. مانند هیدروگرافهای واحد که یک مدل بارندگی - رواناب خطی می باشد و در واقع می توان مدلهای بارندگی، روانابی داشته باشیم که غیر خطی باشد مانند TANK MODEL (تانک مدل).

(ادامه دارد)