แบบจำลองน้ำใต้ดินเป็นแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของ ระบบการไหล ของน้ำใต้ดินซึ่งนักอุทกวิทยาและนักธรณีวิทยาใช้แบบจำลองเหล่านี้ในการจำลองและทำนายสภาพ ของชั้น หินอุ้มน้ำ

การให้คำจำกัดความที่ชัดเจนของ "แบบจำลองน้ำใต้ดิน" นั้นทำได้ยาก แต่ก็มีลักษณะร่วมกันหลายประการ

แบบ จำลองน้ำใต้ดินอาจเป็นแบบจำลองขนาดเล็กหรือแบบจำลองทางไฟฟ้าของสถานการณ์น้ำใต้ดินหรือชั้นหินอุ้มน้ำแบบจำลองน้ำใต้ดินใช้เพื่อแสดงการไหลของน้ำใต้ดินตามธรรมชาติในสิ่งแวดล้อม แบบจำลองน้ำใต้ดินบางแบบรวมถึงลักษณะคุณภาพ (ทางเคมี) ของน้ำใต้ดินด้วย แบบจำลองน้ำใต้ดินดังกล่าวพยายามทำนายชะตากรรมและการเคลื่อนที่ของสารเคมีในสถานการณ์ธรรมชาติ ในเมือง หรือสถานการณ์สมมติ

แบบจำลองน้ำบาดาลอาจใช้เพื่อทำนายผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงทางอุทกวิทยา (เช่น การสูบน้ำบาดาลหรือการพัฒนาระบบชลประทาน) ต่อพฤติกรรมของชั้นหินอุ้มน้ำ และมักเรียกว่าแบบจำลองการจำลองน้ำบาดาล แบบจำลองน้ำบาดาลถูกนำมาใช้ในแผนการจัดการน้ำต่างๆ สำหรับพื้นที่เมือง

เนื่องจากการคำนวณใน แบบจำลองน้ำบาดาล ทางคณิตศาสตร์นั้นอิงตามสมการการไหลของน้ำบาดาลซึ่งเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ที่มักจะสามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการประมาณโดยใช้การวิเคราะห์เชิงตัวเลข เท่านั้น แบบจำลองเหล่านี้จึงถูกเรียกว่าแบบจำลองน้ำบาดาลทางคณิตศาสตร์ เชิงตัวเลข หรือเชิงคำนวณ^{[ 1 ]}

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์หรือแบบจำลองเชิงตัวเลขมักอิงตามหลักฟิสิกส์ที่แท้จริงของการไหลของน้ำใต้ดิน สมการทางคณิตศาสตร์เหล่านี้ได้รับการแก้ไขโดยใช้รหัสเชิงตัวเลข เช่นMODFLOW , ParFlow, HydroGeoSphere , OpenGeoSys เป็นต้น วิธี การแก้ปัญหาเชิงตัวเลขประเภทต่างๆเช่นวิธีผลต่างจำกัดและวิธีองค์ประกอบจำกัดได้รับการกล่าวถึงในบทความเรื่อง " อุทกธรณีวิทยา "

ในการคำนวณ จำเป็นต้องใช้ข้อมูลป้อนเข้าดังต่อไปนี้:

• ปัจจัยนำเข้าทางอุทกวิทยา
• ปัจจัยนำเข้าในการดำเนินงาน
• เงื่อนไขภายนอก: เงื่อนไข เริ่มต้นและเงื่อนไขขอบเขต
• พารามิเตอร์ ( ไฮดรอลิก)

แบบจำลองอาจมีองค์ประกอบทางเคมี เช่นความเค็มของน้ำความเค็มของดินและตัวบ่งชี้คุณภาพอื่นๆ ของน้ำและดิน ซึ่งอาจต้องใช้ข้อมูลป้อนเข้าด้วยเช่นกัน

การเชื่อมโยงหลักระหว่างน้ำใต้ดินและปัจจัยนำเข้าทางอุทกวิทยาคือเขตที่ไม่อิ่มตัวหรือเขตวาดอสดินทำหน้าที่แบ่งปัจจัยนำเข้าทางอุทกวิทยา เช่น ฝนหรือหิมะละลาย ออกเป็นน้ำ ไหล บ่า บนพื้นผิว ความชื้น ในดิน การระเหย และการคายน้ำและการเติมน้ำใต้ดินการไหลผ่านเขตที่ไม่อิ่มตัวซึ่งเชื่อมโยงน้ำผิวดินกับความชื้นในดินและน้ำใต้ดินสามารถเป็นการไหลขึ้นหรือลง ขึ้นอยู่กับความชันของระดับน้ำในดิน สามารถจำลองได้โดยใช้การแก้ปัญหาเชิงตัวเลขของสมการของริชาร์ด^{[ 2 ]}สมการเชิงอนุพันธ์ย่อย หรือสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ วิธีปริมาณน้ำจำกัด^{[ 3 ]}ซึ่งได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับการจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างน้ำใต้ดินและเขตวาดอส^{[ 4 ]}

ปัจจัยนำเข้าเชิงปฏิบัติการเกี่ยวข้องกับการแทรกแซงของมนุษย์ในการจัดการน้ำเช่นการชลประทานการระบายน้ำการสูบน้ำจากบ่อการควบคุมระดับน้ำใต้ดินและการดำเนินงานของอ่างเก็บน้ำหรือ บ่อ ซึมซึ่งมักมีลักษณะทางอุทกวิทยา ปัจจัยนำเข้าเหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและสถานที่ได้ด้วย

มีการสร้างแบบจำลองน้ำใต้ดินจำนวนมากเพื่อประเมินผลกระทบของมาตรการ ทางวิศวกรรมไฮดรอลิก

เงื่อนไขขอบเขตอาจเกี่ยวข้องกับระดับน้ำใต้ดินแรง ดัน น้ำบาดาลและหัวน้ำตามแนวขอบเขตของแบบจำลองในด้านหนึ่ง ( เงื่อนไขหัวน้ำ ) หรือเกี่ยวข้องกับการไหลเข้าและไหลออกของน้ำใต้ดินตามแนวขอบเขตของแบบจำลองในอีกด้านหนึ่ง ( เงื่อนไขการไหล ) นอกจากนี้ยังอาจรวมถึงคุณภาพของน้ำ เช่น ความเค็มด้วย

เงื่อนไขเริ่มต้นหมายถึงค่าเริ่มต้นขององค์ประกอบต่างๆ ที่อาจเพิ่มขึ้นหรือลดลงเมื่อเวลาผ่านไปภายในโดเมนของแบบจำลอง และครอบคลุมปรากฏการณ์ต่างๆ โดยส่วนใหญ่เหมือนกับเงื่อนไขขอบเขต

เงื่อนไขเริ่มต้นและเงื่อนไขขอบเขตอาจแตกต่างกันไปในแต่ละสถานที่ เงื่อนไขขอบเขตอาจคงที่หรือเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาได้

โดยทั่วไป พารามิเตอร์จะเกี่ยวข้องกับรูปทรงเรขาคณิตและระยะทางในโดเมนที่จะสร้างแบบจำลอง รวมถึงคุณสมบัติทางกายภาพของชั้นหินอุ้มน้ำซึ่งค่อนข้างคงที่เมื่อเวลาผ่านไป แต่อาจเปลี่ยนแปลงได้ตามพื้นที่

พารามิเตอร์ที่สำคัญ ได้แก่ลักษณะภูมิประเทศความหนาของชั้นดิน/หิน และค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิก ในแนวนอน/แนวตั้ง (การซึมผ่านของน้ำ) ค่า การส่งผ่านและความต้านทาน ของชั้นหินอุ้มน้ำ ค่า ความพรุน และสัมประสิทธิ์การกักเก็บ ของชั้น หินอุ้มน้ำรวมถึงค่าการซึมผ่านของน้ำในเขตที่ไม่อิ่มตัว สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูบทความเกี่ยวกับอุทก ธรณีวิทยา

พารามิเตอร์บางอย่างอาจได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของสถานการณ์น้ำใต้ดิน เช่น ความหนาของชั้นดินที่อาจลดลงเมื่อระดับน้ำใต้ดินลดลงและ/หรือแรงดันน้ำลดลง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การทรุด ตัว ความหนาในกรณีนี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและไม่ใช่พารามิเตอร์ที่แน่นอน

ความเหมาะสมของแบบจำลองน้ำใต้ดินต่อสถานการณ์จริงขึ้นอยู่กับความถูกต้องของข้อมูลป้อนเข้าและพารามิเตอร์การกำหนดค่าเหล่านี้ต้องอาศัยการศึกษาอย่างละเอียด เช่น การเก็บรวบรวมข้อมูลทางอุทกวิทยา ( ปริมาณน้ำฝนการระเหย การชลประทานการระบายน้ำ ) และการกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้น รวมถึงการทดสอบการสูบน้ำ เนื่องจากพารามิเตอร์หลายตัวมีความแปรผันค่อนข้างมากในแต่ละพื้นที่ จึงจำเป็นต้องใช้ดุลยพินิจของผู้เชี่ยวชาญเพื่อให้ได้ค่าที่เป็นตัวแทน

แบบจำลองเหล่านี้ยังสามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์แบบ "ถ้า-แล้ว" ได้ด้วยกล่าวคือ ถ้าค่าของพารามิเตอร์เป็น A ผลลัพธ์จะเป็นอย่างไร และถ้าค่าของพารามิเตอร์เป็น B แทน ผลกระทบจะเป็นอย่างไร การวิเคราะห์นี้อาจเพียงพอที่จะได้ภาพรวมคร่าวๆ เกี่ยวกับพฤติกรรมของน้ำใต้ดิน แต่ยังสามารถใช้เพื่อทำการวิเคราะห์ความไวเพื่อตอบคำถามว่า ปัจจัยใดมีอิทธิพลมากและปัจจัยใดมีอิทธิพลน้อย ด้วยข้อมูลดังกล่าว เราสามารถมุ่งเน้นความพยายามในการสำรวจไปยังปัจจัยที่มีอิทธิพลมากขึ้นได้

เมื่อรวบรวมข้อมูลได้เพียงพอแล้ว ก็สามารถกำหนดข้อมูลที่ขาดหายไปบางส่วนได้โดยการปรับเทียบซึ่งหมายความว่าเราจะกำหนดช่วงค่าสำหรับค่าที่ไม่ทราบหรือไม่แน่นอนของพารามิเตอร์บางตัว แล้วทำการจำลองแบบซ้ำๆ โดยเปรียบเทียบผลลัพธ์กับข้อมูลที่ทราบแล้ว ตัวอย่างเช่น หาก ทราบค่า ความเค็มของน้ำบาดาล แต่ค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิกไม่แน่นอน เราจะกำหนดช่วงค่าการนำไฟฟ้า และเลือกค่าการนำไฟฟ้าที่ให้ผลลัพธ์ความเค็มใกล้เคียงกับค่าที่สังเกตได้เป็นค่า "จริง" นั่นหมายความว่าการไหลของน้ำบาดาลที่ควบคุมโดยค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิกนั้นสอดคล้องกับสภาพความเค็ม กระบวนการนี้คล้ายกับการวัดการไหลในแม่น้ำหรือคลองโดยการปล่อยน้ำเค็มจัดที่มีความเข้มข้นของเกลือที่ทราบแล้วไหลลงไปในช่องทาง และวัดความเข้มข้นของเกลือที่เกิดขึ้นในบริเวณปลายน้ำ

แบบจำลองน้ำใต้ดินสามารถเป็นได้ทั้งแบบหนึ่งมิติ สองมิติ สามมิติ และกึ่งสามมิติ แบบจำลองสองมิติและสามมิติสามารถพิจารณาถึงความไม่สม่ำเสมอของชั้นหินอุ้มน้ำในแง่ของค่าการนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิกได้ กล่าวคือ คุณสมบัตินี้อาจแตกต่างกันในทิศทางต่างๆ

1. แบบจำลองหนึ่งมิติสามารถใช้สำหรับการไหลในแนวดิ่งในระบบที่มีชั้นแนวนอนขนานกัน
2. แบบ จำลองสองมิติใช้กับระนาบแนวตั้ง ในขณะที่ถือว่าเงื่อนไขของน้ำใต้ดินจะซ้ำกันในระนาบแนวตั้งขนานอื่นๆ (รูปที่ 4) สมการระยะห่างของท่อระบายใต้ดินและสมดุลพลังงานน้ำใต้ดินที่ใช้กับสมการการระบายน้ำ^{[ 5 ]}เป็นตัวอย่างของแบบจำลองน้ำใต้ดินสองมิติ
3. แบบจำลอง สามมิติเช่นModflow ^{[ 6 ]}จำเป็นต้องมีการแบ่งส่วนโดเมนการไหลทั้งหมด เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ดังกล่าว พื้นที่การไหลจะต้องถูกแบ่งย่อยออกเป็นองค์ประกอบ (หรือเซลล์) ที่เล็กกว่า ทั้งในแนวนอนและแนวตั้ง ภายในแต่ละเซลล์ พารามิเตอร์จะคงที่ แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ระหว่างเซลล์ (รูปที่ 5) การใช้การแก้ปัญหาเชิงตัวเลขของสมการการไหลของน้ำใต้ดินการไหลของน้ำใต้ดินอาจพบได้ในแนวนอน แนวตั้ง และบ่อยครั้งกว่านั้นคือแบบกึ่งกลาง

ในแบบจำลองกึ่งสามมิติ การไหล ในแนวนอนจะอธิบายด้วยสมการการไหลสองมิติ (เช่น ในทิศทางแนวนอน x และ y) การไหล ในแนวตั้ง (ในทิศทาง z) จะอธิบาย (ก) ด้วยสมการการไหลหนึ่งมิติ หรือ (ข) ได้มาจากการสมดุลน้ำของการไหลในแนวนอน โดยแปลงปริมาณน้ำใต้ดินที่ไหลเข้ามาในแนวนอนส่วนเกินจากปริมาณน้ำใต้ดินที่ไหลออกไปในแนวนอนให้เป็นการไหลในแนวตั้ง ภายใต้สมมติฐานว่าน้ำไม่สามารถอัดได้

แบบจำลองกึ่งสามมิติแบ่งออกเป็นสองประเภท:

• แบบจำลองต่อเนื่องหรือแบบจำลองรัศมีประกอบด้วยแบบจำลองย่อย 2 มิติในระนาบรัศมี แนว ตั้งที่ตัดกันบนแกนเดียว รูปแบบการไหลจะซ้ำกันในแต่ละระนาบแนวตั้งที่แผ่ออกไปจากแกนกลาง
• แบบจำลองแบบไม่ต่อเนื่องหรือแบบจำลองปริซึมที่ประกอบด้วยแบบจำลองย่อยที่สร้างขึ้นจากบล็อกหรือปริซึม แนวตั้งสำหรับการไหลในแนวนอน รวมกับวิธี การซ้อนทับการไหลในแนวตั้งอย่างน้อยหนึ่งวิธี

ตัวอย่างของแบบจำลองรัศมีที่ไม่แยกส่วนคือคำอธิบายการไหลของน้ำใต้ดินที่เคลื่อนที่ในแนวรัศมีไปยังบ่อน้ำลึกในเครือข่ายบ่อน้ำที่สูบน้ำออกมา^{[ 7 ]}การไหลในแนวรัศมีผ่านหน้าตัดทรงกระบอกแนวตั้งที่แสดงถึงความเท่ากัน ของศักย์ไฮดรอลิก ซึ่งพื้นผิวจะลดลงในทิศทางของแกนตัดกันของระนาบรัศมีที่บ่อน้ำตั้งอยู่

แบบจำลองที่แยกส่วนแบบปริซึม เช่นSahysMod ^{[ 8 ]} มีกริดอยู่บนพื้นผิวของดินเท่านั้น เครือข่ายกริด 2 มิติประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยม สี่เหลี่ยมจัตุรัส สี่เหลี่ยมผืนผ้า หรือรูปหลายเหลี่ยมดังนั้น โดเมนการไหลจึงถูกแบ่งย่อยออกเป็นบล็อกแนวตั้งหรือปริซึม ปริซึมสามารถแยกส่วนออกเป็น ชั้น แนวนอน ที่มีลักษณะแตกต่างกัน ซึ่งอาจแตกต่างกันระหว่างปริซึมด้วย การไหลของน้ำใต้ดินระหว่างปริซึมที่อยู่ติดกันจะคำนวณโดยใช้สมการการไหลของน้ำใต้ดินแนวนอน 2 มิติ การไหลในแนวตั้งจะพบได้โดยการใช้สมการการไหลแบบหนึ่งมิติในแนวตั้ง หรือสามารถหาได้จากสมดุลน้ำ: ปริมาณน้ำไหลเข้าแนวนอนที่มากกว่าปริมาณน้ำไหลออกแนวนอน (หรือในทางกลับกัน) จะถูกแปลงเป็นการไหลในแนวตั้ง ดังที่แสดงในบทความอุทกวิทยา (เกษตรกรรม )

ในแบบจำลองกึ่งสามมิติ การไหลระดับกลางระหว่างแนวนอนและแนวตั้งจะไม่ถูกจำลองเหมือนในแบบจำลองสามมิติอย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับแบบจำลองสามมิติอย่างแท้จริง แบบจำลองเหล่านี้ก็อนุญาตให้มีการนำระบบ ระบายน้ำใต้ดิน ทั้งแนวนอนและแนวตั้งเข้ามาใช้ได้

ชั้นหินอุ้มน้ำแบบกึ่งปิดที่มีชั้นน้ำซึมผ่านได้ช้าอยู่ด้านบน (ชั้นหินกันน้ำ ) สามารถนำมาพิจารณาในแบบจำลองได้โดยการจำลองการไหลในแนวดิ่งผ่านชั้นหินกันน้ำ ภายใต้อิทธิพลของแรงดันเกินในชั้นหินอุ้มน้ำเมื่อเทียบกับระดับน้ำใต้ดินภายในหรือเหนือชั้นหินกันน้ำ

• วิธีองค์ประกอบเชิงวิเคราะห์
• ฟีโฟลว์
• PORFLOW
• เอสวีฟลักซ์
• FEHM
• ไฮโดรจีโอสเฟียร์
• แบบจำลองการไหลของน้ำแบบบูรณาการ
• ไมโครเอฟเอ็ม
• มอดโฟลว์
  • จีเอ็มเอส
  • MODFLOW แบบภาพ
  • กำลังประมวลผล Modflow
• OpenGeoSys
• SahysModแบบจำลองพื้นที่เกษตร-อุทกวิทยา-ความเค็ม-แหล่งน้ำบาดาล ออนไลน์: [8]
• ซอฟต์แวร์น้ำบาดาลของสำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งสหรัฐอเมริกา
• MARTHE จากสำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งฝรั่งเศส (BRGM)
• ซูมคิว3ดี
• หลักสูตรการสร้างแบบจำลองน้ำใต้ดินฟรีสำหรับผู้เริ่มต้น

• ชั้นหินอุ้มน้ำ
• น้ำบาดาล
• สมการการไหลของน้ำใต้ดิน
• สมดุลพลังงานน้ำใต้ดิน
• การนำไฟฟ้าทางไฮดรอลิก
• อุทกธรณีวิทยา
• แบบจำลองความเค็ม
• การควบคุมระดับน้ำใต้ดิน
• การระบายน้ำใต้ดินโดยใช้บ่อบาดาล