توسعه مدل هیبریدی جریان و انتقال نیترات در آب‌های زیرزمینی با ترکیب روش اجزاء محدود و بهینه‌ساز شبه‌نیوتنی

آلودگی نیترات یکی از چالش‌های مهم کیفیت آب زیرزمینی در مناطق خشک و نیمه‌خشک ایران است. نفوذ نیترات ناشی از مصرف بی‌رویه‌ی کودهای نیتروژنه و فاضلاب‌های شهری به آبخوان‌ها، تهدیدی جدی برای سلامت انسان و پایداری منابع آبی محسوب می‌شود. در این پژوهش، کیفیت آب زیرزمینی در آبخوان بیرجند با تمرکز بر تغییرات غلظت نیترات به‌صورت عددی شبیه‌سازی شد. برای این منظور از معادله انتقال و پخش (advection–dispersion equation) استفاده گردید که رفتار مکانی و زمانی غلظت نیترات را در محیط متخلخل توصیف می‌کند. شبیه‌سازی با استفاده از روش اجزای محدود در محیط fenics و بر پایه معادلات دیفرانسیل حاکم بر جریان اشباع حل شد و میدان سرعت جریان زیرزمینی به دست آمد.  سپس برای به دست آوردن ضریب شدت و پخشیدگی در معادلات انتقال - پخش مدل به صورت معکوس به همراه الگوریتم بهینه‌ساز شبه نیوتنی و داده های مشاهداتی سطح آبخوان اجرا گردید که نتایج آن حاکی از انطباق مناسب مدل و داده‌های واقعی (rmse=4.17 و r=0.78 ) بود. همچنین مدل هیبریدی نشان داد ضریب پخشودگی در نواحی کشاورزی به‌طور میانگین 4.3 برابر بیشتر از نواحی شهری است. این موضوع نشان‌دهنده‌ی تاثیر مستقیم کاربری اراضی بر فرآیند انتقال نیترات در محیط زیرسطحی است. مدل هیبریدی مذکور برای 5 سال آینده اجرا شد که نشان داد بیشترین تمرکز نیترات در نواحی با کاربری کشاورزی رخ می‌دهد که به طور متوسط در آبخوان بیرجند با افزایش 0.5 درصد نسبت به سال مورد مطالعه همراه بود.  این نتایج می‌تواند به عنوان مبنایی برای مدیریت کیفی آب زیرزمینی و برنامه‌ریزی کاربری اراضی در آبخوان بیرجند مورد استفاده قرار گیرد.