Numerical modeling of unconfined aquifer artificial recharge plan using Isogeometric analysis method

Document Type : Research paper

Authors

1 PhD Student, Department of Water Resources Engineering, Agricultural Faculty, University of Birjand, Iran

2 Professor, Department of Civil Engineering, Engineering Faculty, University of Birjand, Iran

3 Associate Professor, Department of Water Engineering, Agricultural Faculty, University of Birjand, Iran

10.22034/hydro.2022.13018

Abstract

Currently, uncontrolled extraction of groundwater resources has led to a decline in the water table of aquifers, especially in arid and semi-arid regions. Today, one of the ways to improve the water table of aquifers is the use of artificial recharge plans. This study has been done to numerically simulate the artificial recharge plan of Birjand plain through the construction of injection wells using the numerical model of Isogeometric analysis. In this regard, first a standard example with two wells with discharges of 1142.85 and 1428.57 m3/day was used to simulate the water table for 210 days. After evaluating the accuracy of the model, the water table before injection was simulated based on the existing conditions and after injection using 20 injection wells with a constant flow of 7638.44 m3/day in 12 time steps in the unconfined aquifer of Birjand plain. Comparison of the results of Isogeometric analysis and analytical solution model in standard aquifer with estimated evaluation criteria equal to ME=-0.0096, MAE=0.0111 and RMSE=0.0146 and also in Birjand plain unconfined aquifer with evaluation criteria of ME=-0.033, MAE=0.372 and RMSE=0.229 shows the model accuracy in simulating the water table before injection. Also, after running the numerical code of the injection wells construction plan, by interpolating the water table obtained at the control points in the location of 10 existing observation wells, the results at the end of the simulation period shows increasing the water table maximum 60.53 cm in observation well number 2 and minimum 1.25 cm in observation well number 9.

Keywords

References

پورصالحی، ف.، اکبرپور، ا.، هاشمی، س.ر.، 1399. بررسی اثر تغذیه­ی مصنوعی به روش چاه تزریق بر تراز آبخوان آزاد با استفاده از مدل عددی MODFLOW (مطالعه موردی: دشت بیرجند). نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 14(3): 922-981.
تاج­بخش، س.م.، معماریان، ه.، پارسا صدر، ح.، 1399. ارزیابی تأثیر کمی اجرای پروژه‌های آبخیزداری بر سطح آب زیرزمینی (مطالعه موردی: پروژه جمعاب). سامانه‌های سطوح آبگیر باران، 8(4): 51-62.
جعفری، ه.، ارجمند شریف، م.، 1400. برآورد تغذیه آب زیرزمینی در آبخوان مشهد-چناران با استفاده از روش نوسانات سطح ایستابی (الگوریتم MRC). هیدروژئولوژی، (انتشار آنلاین از تاریخ 02 شهریور 1400).
دولابی، ف.، اکبرپور، ا.، اکبری، م.، محتشمی، ع.، 1398. شبیه سازی عددی تغذیه آب زیرزمینی از طریق چاه تزریق با روش بدون‌ شبکه محلی پتروو-گالرکین. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 13(5): 1246-1256.
رضایی، س.، جوادی، س.، کاردان مقدم، ح.، 1399. ارزیابی راهکارهای مدیریت منابع آب زیرزمینی با استفاده از رویکرد اجزای محدود در شبیه‌سازی عددی. هیدروژئولوژی، 5(2): 32-42.
فرپور، ا.، 1395. ارزیابی کیفی آب زیرزمینی دشت بیرجند با استفاده از مدل MT3D. پایان­نامه کارشناسی ارشد، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند.
قبادیان، ر.، بهرامی، ز.، 1395. بررسی عددی اعمال سناریوهای کمی و کیفی بر آبخوان دشت خزل استان همدان با مدل­های MODFLOW و MT3DMS. مرتع و آبخیزداری، مجله منابع طبیعی ایران، 69(4): 1043-1062.
کاردان­مقدم، ح.، بنی‌حبیب، م.ا.، جوادی، سامان.، 1396. ارزیابی اثر تغذیۀ مصنوعی بر تعادل‌بخشی آبخوان با استفاده از شاخص پایداری. اکوهیدرولوژی، 4(4): 1241-1253.
کلانتری، م.، اکبرپور، ا.، خطیبی­نیا، م.، 1396. توسعه مدل دوبعدی جریان آب زیرزمینی با استفاده از روش ایزوژئومتریک در آبخوان آزاد. نشریه آبیاری و زهکشی ایران11(6): 1162-1176.
محتشمی، ع.، اکبرپور، ا. ملازاده، م.، 1396. مدل­سازی ‌جریان ‌آب‌ زیرزمینی‌ در ‌آبخوان ‌آزاد ‌در ‌حالت ‌ماندگار ‌به ‌روش ‌بدون‌ شبکه محلی ‌پتروو-گالرکین. مجله مهندسی مکانیک مدرس، 17(2): 393-403.
همراز، ب.س.، اکبرپور، ا.، پوررضابیلندی، م.، 1394. تحلیل عدم قطعیت پارامتری مدلMODFLOW  توسط روشGLUE  (مطالعه موردی: دشت بیرجند). نشریه پژوهش­های حفاظت آب‌وخاک. 22(6): 61-79.
Zhang, W., Huan, Y., Yu, X., Liu, D., Zhou, J., 2015. Multi-component transport and transformation in deep confined aquifer during groundwater artificial recharge. Journal of Environmental Management, 152: 109–119.
Asano, T., 1985. Artificial recharge of groundwater. Boston. MA. USA: Butterworth Publishers.
Kulkarni, N.H., 2015. Numerical simulation of groundwater recharge from an injection well. International Journal of Water Resources and Environmental Engineering, 7(5): 75–83.
Ghazaw, Y.M., Ghumman, A.R., Al-Salamah, I., Khan, Q.U.Z., 2014. Investigations of Impact of Recharge Wells on Groundwater in Buraydah by Numerical Modeling. Arab J Sci Eng, 39: 713–724.
Karim, I.R., Abbdali, A.M., 2017. Artificial Recharge of Groundwater by Injection Wells (Case Study). International Journal Of Scientific Engineering and Technology Research, 31(6): 6193-6196.
Shi, X., Jiang, S., Xu, H., Jiang, F., He, Z., Wu, J., 2016. The effects of artificial recharge of groundwater on controlling land subsidence and its influence on groundwater quality and aquifer energy storage in Shanghai, China. Environmental Earth Sciences, 75(3): 1–18.
Kagan, P., Fischer, A., Bar–Yoseph, P.Z., 1998. New B–Spline finite element approach for geometrical design and mechanical Analysis. Int. J. numer. Methods Engrg, 41: 435–458.
Hughes, T.J.R., Cottrell, J.A., Bazilevs, Y., 2005. Isogeometric Analysis: Cad, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement. Comput. Meth. Appl. Mech. Engrg, 194(39-41): 39–41.
Bekele, Y.W., Kvarving, A.M., Nordal, S., Kvamsdal, T., 2014. Isogeometric Finite Element Analysis of Single-Phase Darcy Flow in Porous Media. (Wccm Xi).
Shahrokhabadi, S., Vahedifard, F., Bhatia, M., 2017. Head-based Isogeometric Analysis of transient flow in unsaturated soils. Computers and Geotechnics, 84: 183–197.
Shahrokhabadi, S., Vahedifard, F., Bhatia, M., 2017. A fast-convergence solution for modeling transient flow in variably saturated soils using the Isogeometric Analysis. Geotechnical Special Publication, (GSP 280). 756–765.
Peigl, L., Tiller, W., 1997. The NURBS Book. 2nd edition. Springer. NewYork.
Shahrbanozadeh, M., Barani, G.A., Shojaee, S., 2014. Simulation of flow through dam foundation by Isogeometric method. Engineering Science and Technology, an International Journal, 18(2): 185-193.
Sadeghi-tabas, S., Samadi, S.Z., Akbarpour, A., PourrezaBilondi, M., 2016. Sustainable groundwater modeling using single-and multi-objective optimization algorithms. Journal of Hydroinformatics, 18(5): 1-18.
Illangasekare, TH., Doll, P., 1989. A discrete kernel method of characteristics model of solute transport in water table aquifers. Water Resour. Res, 25(5): 857-867.
Anderson, M., Woessner, W., Hunt, R., 2015. Applied Groundwater Modeling Second Edition: Simulation of Flow and advective Transport. 2nd. Academic Press. 133-135.
Hydrogeology
Volume 7, Issue 1
Publisher
September 2022
Pages 105-117

Files

Share

How to cite

Statistics