MODFLOW モデルと DRASTIC モデルを使用した硝酸塩汚染と地下水資源の脆弱性のシミュレーション

Jul 06, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8211 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

地下水資産は、特に乾燥地域および半乾燥地域の人々が利用できる淡水の最も重要な資産です。 地下水硝酸塩汚染の時間的変化と地下水汚染における農業などの影響を調査するために、イラン中央部のブアン・ダラン平原の平野部に適切に分布している42の飲料水井戸の情報が使用されました。 結果は、定常状態での校正後のさまざまな地域の平野の透水係数の量が 0.8 ～ 34 m/日の間で計算されたことを示しました。 恒久的な条件でモデルを校正した後、モデルは 2 年間非恒久的な条件で校正されました。 その結果、この地域の広い範囲で硝酸イオン濃度が25mg/Lを超える値となっていることが分かりました。 これは、この領域におけるこのイオンの平均濃度が一般に高いことを示しています。 平野の帯水層の汚染レベルが最も高いのは、平野の南部と南東部に関係しています。 この平野では大量の肥料を使用した農業活動が行われているため、あらゆる場所で汚染の可能性があり、農業経営や地下水源の利用について成文化された実行計画が必要です。 DRASTIC 脆弱性推定手法は、汚染の可能性が高い領域を推定する場合にのみ有用であり、検証テストによれば、適切な推定値も提供されています。

地下水資源は、人類が利用できる最も重要な淡水資源です。 人口増加と食料安全保障の需要による農業の発展は、土壌浸食や肥料や農薬の過剰使用などのいくつかの要因によって地下水の汚染を引き起こしています。 適切な管理ソリューションを適用しないと、汚染水による病気の蔓延、水生動物の死、湿地や河川の破壊など、複雑でより大きな問題が発生します1、2。

一方で、農業は常に淡水の最大の消費者であると考えられています。 農業で使われた水は必ず地表と地下水に連鎖して戻ってきます。 しかし、農業は水質汚染の原因であると同時に被害者でもあります3,4。 したがって、農業部門の発展と地下水資源の質の両方を管理することが重要です。

地下水とは、地表の下にある水を指し、井戸、トンネル、排水溝に集めることができます。 また、地下水は泉の形で地表に自然に流れ込むこともあります5。 地下水資源は、地球の固体地殻のすべての部分に均一に分布しているわけではありません。 この問題により、これらのリソースの管理とシミュレーションのプロセスが複雑になります。 地下水面のモデリングプロセスにおける既存の方程式は、2 つの分析的方法と数値的方法を使用して数学モデルの形で解くことができます。 帯水層システムの複雑さ、地層の不均一性、異なる時期における異なる揚水量と給水量などにより、数値モデルは自然環境における解析モデルの代替となります6,7。

コンピュータの使用に基づく数値的手法は、自然環境の問題を解決するための主要なツールになります。 地下水の流れの支配方程式を解析的に解くには、一連の単純化を行う必要があります。 これらの単純化では、均一性や 1 次元または 2 次元の流れなどの仮定が考慮されます。 分析手法は通常、井戸の水力学で使用されます。 数値解法は非常に幅広く、今日のコンピューターにアクセスできるため、複雑な解析解法よりも有用です8。 地下水モデリングでは、有限差分法、有限要素法、境界積分方程式法、包括有限差分法、解析要素法という 5 つの数値手法が使用されます。

数学的モデルと概念的モデルを使用し、帯水層と地下水資源システムをシミュレーションするためのソフトウェアを使用して地下水をモデル化します。 帯水層のシミュレーションでより一般的なモデルとしては、有限差分法 (FDM)9 を使用して作成された MODFLOW、PMWIN、GWM、GMS、および Visual MODFLOW モデルのさまざまなバージョンを挙げることができます。 有限差分法を使用して、流れ層と地表帯水層をモデル化します。 これらのモデルは、多孔質環境および従来の条件の地下水で効果的にテストされています4。 GMS (地下水モデリング システム) モデルは、利用可能な最新かつ最も包括的な地下水モデリング ソフトウェアです。 GMS では、2 次元および 3 次元環境およびツール (MODFLOW、MODPATH、MT3DMS/RT3D、SEAM3D、PEST、SEEP2D など) を使用して、有限差分と有限要素の 2 つの方法でモデリングが行われます4。

硝酸塩は地下水の最も重要な汚染要因であり、そのほとんどは農業によるものです10。 地下水汚染は、土壌への硝酸塩の添加、または他の形態の窒素の変換による生物学的プロセスによって引き起こされます。 米国環境保護庁 (USEPA) によると、飲料水の硝酸態窒素 (NO3-N) の最大許容濃度は 10 mg/L で、​​これは硝酸態窒素 (N2O) の 45 mg にほぼ相当します。 世界保健機関と欧州連合 (EU) によると、この制限値は 50 mg/L の硝酸塩と決定されています。 イランでは、飲料水中の硝酸塩の最大許容濃度は 50 mg/L と定められています 11,12。 したがって、汚染および硝酸塩濃度予測の分野でさまざまな研究を実施することは非常に重要です。

この分野で行われた研究から、Pacheco et al.の研究を参照できます。 この研究では、ポルトガル北部の田舎の山岳流域における地下水汚染のリスクを評価するために、DRASTIC モデルを改訂しました。 結果に基づいて、硝酸塩による地下水汚染のリスクは一般に中程度に分類されました。 高リスク地域は、農業と畜産が行われている地域でした13。 エルババら。 DRASTIC 分析と地球統計を使用して、地下水の脆弱性と硝酸塩汚染を評価し、マッピングしました。 この調査では、脆弱性が高い領域と低い領域が存在するため、結果に大きな違いがあったことが報告されています14。 モガダムら。 硝酸塩濃度予測アプローチを使用して、地下水資源の脆弱性指数を評価しました。 その結果、ほとんどの井戸が濃度の上昇に直面しており、その傾向は農地や都市部の低地で顕著であることが示され、脆弱性指数は、中央帯水層の一部が農地や都市部の下流に位置していることを示した。メイン排水路は最も脆弱です15。 ブフェカンら。 アルジェリア北東部における地下水脆弱性の将来シナリオを評価するための DRASTIC 手法のハイブリッド化について議論しました。 基準年である 2010 年に DRASTIC 手法を使用した結果は、高および中程度の脆弱性クラスが調査対象領域の広範囲を約 97% カバーしていることを示しました。 将来の地下水脆弱性予測の結果は、ピエゾレベルの低下により地下水脆弱性が悪化するため、時間の経過に伴う地下水脆弱性の変化（2010 ～ 2030 年）が揚水量によって引き起こされる地下水深さの変化と密接に関連していることを示しました16。 シャオら。 中国のピエモンテ州フツオ流域における硝酸塩が豊富な地下水の特徴、起源、および持続可能な観点についての水文地球化学的洞察について議論しました。 乾燥地帯および半乾燥地帯の麓における地下水資源の持続可能な開発を達成するために、住民の意識向上、環境保護、水質に基づく異なる水管理、目標を絞った水処理などの取り組みが推奨されている17。 Xiao et al.18 典型的な扇状地平野の地下水に含まれる硝酸塩とフッ化物の発生源、推進力、および潜在的な健康リスクを調査しました。 結果は、人間の投入/影響が、ピエモンテ地域および南東部の住宅地および工業下流域の地下水の硝酸塩含有量と塩分濃度を増加させる主要な要因であり、経口経路を通じてさまざまな人々に潜在的な非発がん性リスクをもたらしていることを示しました。 Zhi et al.19 は、中国北部の黄河下流氾濫原の塩分地下水中のフッ化物とヨウ素の濃縮メカニズムを研究しました。 因子分析の結果は、塩分を含んだ地下水中のフッ化物とヨウ素の逆の挙動パターンをさらに裏付けています。

地表水資源が限られている地域では、地下水への圧力がより大きくなります。これは、特に最近の干ばつの発生により、掘削井戸による追加の取水とその激化により、地下水貯留層の容積が徐々に減少するためです。一方では、その活動によって引き起こされる汚染。 また、経済問題には、帯水層に関する正確な知識と、地下水資源の開発に必要な情報の提供が必要です。 一方で、農業における硝酸塩肥料の使用の必要性により、この種の肥料の使用が大幅に増加しています。 新しい方法として帯水層品質管理の分野で GMS (MODFLOW) モデルと DRASTIC モデルを使用すると、関連する多くの問題とコストを削減できるようです。 さまざまな水源の研究に基づいて、地下水源の硝酸塩汚染を調査することの重要性と、これらの水源の脆弱性のリスクを理解することができます。 本研究の目的は、ブアン・ダラン平原における地下水の硝酸塩汚染の１年間の経時的変化を３ヶ月に１回のサンプリングにより調査・把握すること、地下水の硝酸塩汚染における農業等の影響を調査すること、定量的な分析を行うことである。 GMS モデルを使用した平野帯水層の定性モデリング、DRASTIC モデルを使用して地域の地下水面の脆弱性の可能性を決定し、地下水の硝酸塩濃度に応じてモデルの重みとスコアを最適化し、重要な点を決定します。 DRASTIC によって特定された脆弱性マップ ツールで、イランのブアン ダラン帯水層の地下水管理を改善するための提案を提供します。

地下水調査の観点から、ガブコーニ盆地は 21 の調査地域 20 に分割されています。この調査地域は、盆地の源流域にあるブアン・ダランの調査地域であり、地理座標は東経 50 度 8 分から 50 度 32 です。 「北緯32度42分～33度12分」。 調査地域の総面積は約 1,262 km2 で、そのうち 530 km2 が高地、732 km2 が平野です。 幅約 660.5 km の平野は沖積帯水層で覆われています。 この調査地域の最高点は北の高地の標高 3735 m、最低点は平野南部の海抜 2075 m です。 図 1a は調査地域の位置を示し、図 1b はブアン ダランの 42 のサンプリング ポイントを示します。 この地域の地下水面を含む沖積層は、粘土、砂、砂利の異なる組成を持ち、異なる深さでの堆積条件に応じて、これらの粒子の異なる割合が見られます。 もう一つ注目すべき点は、この地域の沖積層の深さと岩石の種類であり、この地域の掘削丸太や観測井戸、探査井戸に基づくと、泥灰土と片岩でできていることがわかります。 もう一つのポイントは、地下水面の種類です。 調査地域では、地下水と地表の間に遮水層がなく、この地域の地下水面は開いています。 調査地域の北西部と東部では地下水位の深さが 10 ～ 40 m と低いが、南部、東部、南東部では地下水位の深さが増加している。 この地域の地下水の一般的な方向は、地域の北西および北東から南および東です。 研究対象地域の水文地質学において最も重要な地層は、白亜紀の石灰岩層です。 ブアン・ダランの調査地域では、イスファハン地域水道会社によって、選ばれた 3 つの水道橋、選ばれた 3 つの泉口、および 8 つの選ばれた井戸が選ばれた水源として選ばれ、選ばれた泉と水道橋は通常、谷と川沿いに位置しています。高地の端にあり、選ばれた井戸は平野にあります。 調査地域の地下水の水質をより良く分析するために、ドメインの調査地域で選択された 3 つの井戸と選択された水道橋の化学分析の結果も使用されたことに留意してください。 選択された水源の数が少なく、平野部でのそれらの分布が不適切であるため、調査地域の地下水の水質を調査するために、地域内のいくつかの農業用井戸と地域の村の飲料水源から結果をサンプリングしました。も使われていました。 表 1 は、この地域で選ばれた水源の特徴と化学分析の結果を示しています。

調査地域の位置 (a) と、GIS を使用したイランのブアン ダランのサンプル数 (b)。

これらのイオンを選択した理由は、重農業と使用される肥料の性質、およびこの平野の岩盤と地下水の特殊な状態により、地下水の最も重要な化学汚染物質は硝酸塩であると思われるためです21。 ただし、この分野では有機肥料と鉱物肥料が使用されているため、ポイントがありません。 一方、平野部の都市や村落への飲料水の供給は地下水から行われており、この地域では地下水の変動に伴い、地下水の管理が考慮されるようになりました。 平野部の硝酸塩濃度を測定するため、採取井戸の選定条件を考慮し、平野部に適切に分布する飲料水井戸42カ所を選定し、3ヵ月間隔で採取したサンプルの化学分析を実施した。 地下水中の硝酸塩汚染を分布させるために、異なる調査地域のサンプリング井戸を選択した後、これらの井戸のサンプリングが 2013 年 9 月に開始されました。また、硝酸塩汚染の変化の傾向を確認するために、サンプリングは 3 か月間隔で 4 段階に分けて継続されました。 2014年9月 各段階で井戸水のサンプリングを行い、生物活性や化学的性質の変化を防ぐため、サンプルは1Lのプラスチック容器に入れて実験室に輸送し、化学測定時まで冷蔵庫に保管しました。 。 井戸水サンプルは研究室に移送された後、標準的な研究室の方法に従って直ちに化学分析されました。 硝酸イオンは、サザンイオンセレクター電極モデル 3310 によって測定されました。硝酸塩電極膜の両側間の電位差が測定され、参照電極の電位差と比較されます。 この装置は硝酸イオンの活性を測定します。 この電極は、7*10(-6) から 1 モルまでの範囲の硝酸塩を測定できます。 これは溶液中に干渉イオンが存在しない場合の話であることに注意してください。 硝酸塩電極溶液中の最も重要な妨害イオンは塩素、重炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩、およびフッ化物ですが、重炭酸イオンと塩素イオンはより多くの妨害を引き起こします。 イオンの干渉に関する問題にもかかわらず、電極を使用した硝酸塩測定方法は、精度が高く、時間とコストの両方を節約できるため、他の方法よりも優れています。 必要な測定が完了したら、関連する計算が行われます。

平野の帯水層の面積は、その地域の井戸の丸太、地質図、およびその地域の DEM 地図を調べることによって決定され、帯水層とブアン・ダラン平野の面積を図 2a に示します。 帯水層の境界を決定した後、入手可能な情報に従って帯水層の概念モデルを作成しました。 この段階には、帯水層の境界の決定、帯水層への流入の決定、帯水層からの流出の決定、帯水層の層序層の数、帯水層供給層の作成、帯水層の透水層の作成、帯水層の透水層の作成が含まれます。帯水層の観察井戸の層を作成し、帯水層の特別な灌漑層を作成し、帯水層の汲み上げ井戸の層を作成します。 帯水層表面の地形層を作成すると、帯水層底の地形層が作成されます。 次に、MODFLOW モデルの 3D ネットワークが作成され、概念モデルからの情報が 3D 数学モデルに変換されました22。

GIS を使用したブアン・ダラン平野の帯水層エリア (a) と地下水面の深さの地図 (b)。

定常状態でモデルを校正するために、2003 年 3 月のピエゾメトリック データが使用されました。 この場合、透水係数と給水の値は、さまざまな領域を手動で決定および変更し、帯水層の PEST コードを使用して校正されました。 校正プロセスの精度は、ピエゾメーターの水位の計算値と観測値を比較することによって決定されました。 この目的のために、決定係数 (R) と RMSE 誤差の 2 つの指標が使用されました23。

モデルを恒久的な条件で校正した後、モデルを 2 年間 (2003 年 4 月から 2004 年 3 月まで) の期間、一時的な条件で校正しました。 この段階で、給餌値と特別な散水値が再調整され、透水係数の値も変更されました24。

一時的な条件でモデルを校正した後、モデルは 1 年間 (2005 年 4 月から 2005 年 3 月まで) 検証されました。

定量的モデルを作成した後、MT3D コード 25 を使用して帯水層の定性的モデルを作成しました。 この目的のために、評価すべきパラメータとして硝酸塩汚染物質が選択され、輸送、拡散、拡散を含む汚染物質輸送要因がモデルに導入されました。 次に、硝酸塩測定用の観測井戸をモデルに入力しました。 最後に、モデルは 1 年間校正および検証されました。

まず、地質図、気象記録、ピエゾメーター記録、探査井、坑井ログなどの情報を収集し、Arc GIS ソフトウェア 26 で各パラメーターのレイヤーを構築しました。 これらのデータは、さまざまなソースからさまざまな形式で収集されました。 ポイント形式データのデータベースは、最初に Excel ソフトウェアによって作成され、次に GIS に入力されました。 すべての情報レイヤーのイメージング システムは UTM ゾーン 38 で、ベース レベルは WGS 1984 です。また、データに対して空間分析機能が実行され、データをマップに変換しました。これには、クリッピング、マージ、結合などのトポロジー分析機能が含まれます。オーバーレイ、および高さという名前のデジタル モデルから傾斜を抽出するなどの表面分析機能 27。 補間には IDW (逆距離加重) 変換が使用されました。 これは、RMSE と相互検証に基づくこの方法の誤差が、クリギング、共クリギング、スプラインなどの他の方法よりも小さいためです。 Spatial Analyst プログラムを使用して、マップを目的のクラスに分割し、ラスター操作に関するこのプログラムの機能を使用して基本マップを準備した後、DRASTIC インデックスに従って最終マップを計算しました。

地下水深層 (D)。

地下水の深さは、地下水面レベルの地表面からの深さを表します。 地下水面の深さは、不飽和ゾーンの特性とともに、水によって輸送される固体または液体の汚染物質の移動時間と、不飽和ゾーン内の汚染物質の希釈時間に影響します28。

図 2b は、評価後に得られた層を示しています。 この地域の地下水深層は 7 つのクラスに分類されます1、2、3、5、7、9。 この評価は、寸法 100 m の各セルに対して行われました。

通常、栄養分が多ければ多いほど、地下水汚染の可能性が高くなります。 Piscopo (2001) の方法を使用して給電層を調製しました 29。 エリアの採食可能性を計算するための Piscopo の方程式は次のとおりです。

栄養量を計算するために、その地域のデジタル標高モデル（DEM）が作成されました（国の地図作成機関が作成した縮尺 1:25,000 の地域の DGN 地図を使用）。 次に、準備された DEM を使用して調査地域の傾斜が抽出され、最後にすべての地図がラスター形式に変換されました。 栄養マップは、その地域の降雨スコアとともに斜面と土壌マップを重ね合わせて作成されました（図3a）。

純栄養の価値マップ (a) と GIS を使用した帯水層環境の価値マップ (b)。

帯水層環境層を準備するために、地域の水道会社の調査事務所によって準備された、地域内の 7 つの井戸の丸太が、地域の調査井戸と開発井戸に使用されました。 帯水層環境に関連するポリゴンは、Arc GIS ソフトウェアの Xtools プログラムを使用して作成されました (図 3b)。 次に、他の計算段階で使用できるように、帯水層環境のマップをセル サイズ 100 m のラスター形式で作成しました。

土壌層の作成には、独立行政法人農業研究開発機構が作成した縮尺1:50,000の地域地図を使用しました。 まず土壌マップをスキャンし、次にそれを参照してデジタル化し、ドラスティックな方法を使用して各ポリゴンのグレードを適用しました（図4a）。

土壌層の価値のある地図 (a)、地形の価値のある地図 (b)、不飽和環境の価値のある地図 (c)、透水係数の価値のある地図 (d)、GIS を使用したブアン ダラン帯水層の土地利用の価値のある地図 (e) ）。

まず、そのエリアのデジタル高さモデルが作成され、次にこのモデルから傾斜マップが抽出されました。 最後に、得られた傾斜マップをグレーディングして地形層を準備しました（図4b）。

不飽和環境層は、帯水層環境層と同様に、ピエゾメーターのログ、地域内の試掘井のログ、ログの地理的位置、および不飽和ゾーンのタイプから決定され、評価されました。 不飽和ゾーン マップに関連するポリゴンは、Arc GIS ソフトウェアの Xtools プログラムを使用して作成されました。 次に、他のレイヤーと同様に計算ステップで使用できるように、不飽和ゾーンのマップをセルサイズ100μmのラスター形式で作成しました（図4c）。

既存の地図から移動係数と平野の沖積厚に関する情報と地理的地点を作成した。 次に、ラスター計算機能を用いて沖積厚図と水面深度図を差し引くことにより飽和厚さ図を求め、帯水層の飽和厚さ図を除算して帯水層の透水係数図を求めた30。 結果として得られたマップは、ドラスティックインデックスに従って等級付けされました（図4d）。

ダラン平原の流域土地利用地図を考慮して、次の地図が得られました。 見てわかるように、平野の最大面積はジャガイモが栽培される水陸地に関連しています（図4e）。

モデルをキャリブレーションします。 DRASTIC は、帯水層と平野の表面に均等に分布する 44 個の井戸から収集されたデータから使用されました。

図 5 のマップは、調査地域の硝酸塩の平行曲線を示しています。 それによると、硝酸イオン濃度は東半分と南半分で季節ごとに高い値を示しています。 図5の地図によると、この地域の広い範囲で硝酸イオン濃度が25mg/Lを超える値となっています。 これは、この領域におけるこのイオンの平均濃度が一般に高いことを示しています。 このイオンは一般に地下水中では低濃度ですが、どの地域の地下水でも高濃度に存在する場合には様々な原因が考えられ、その場合にはこのイオンが地下水を汚染する元素として知られています。 このため、この地域におけるこのイオンの分布と濃度増加の考えられる原因を調査し、地域の地下水面の汚染として調査する予定である。

GIS を使用した 2014 年秋 (a)、2014 年夏 (b)、2014 年春 (c)、および 2014 年冬 (d) の半硝酸線。

MODFLOW モデルの 3D ネットワークが作成され、概念モデルからの情報が 3D 数学モデルに変換されました。 作成された 3 次元モデルは 12,000 個の計算セル (寸法 500*500 m) で構成され、帯水層の形状に応じて 2688 個のセルがアクティブ セル、残りが非アクティブ セルになります。 図 6 は MODFLOW で作成された 3D モデルを示しています。

MODFLOW を使用して作成されたブアンダラン帯水層のネットワークと主要コンポーネントのマップ。

校正後のさまざまな地域の平野の透水係数の量は、1 日あたり 0.8 ～ 34 m の間で計算されました。 校正プロセスの精度は、ピエゾメーターの水位の計算値と観測値を比較することによって決定されました。 この目的のために、決定係数 (R2) と RMSE 誤差の 2 つの指標が使用されました。 定常状態校正における観測値と最終計算値を比較したグラフを図 7 に示します。図 8 に、帯水層の校正済みモデルのマップとその領域の圧電計を示します。 この図では、ピエゾメーターによる水位の推定精度が赤、黄、緑の 3 色で示されています。 緑色で示されているピエゾメーターは、誤差分散の観点から理想的な範囲内で校正されています。 また、黄色と赤色のピエゾメーターは、それぞれ中程度のキャリブレーションと不十分なキャリブレーションを示します。

定常状態の水位の計算値と観測値。

MODFLOW を使用してブアン ダラン帯水層のキャリブレーションされたモデル マップ。

図 9 は、モデルのキャリブレーションから得られた透水係数値のマップを示しています。 見てわかるように、帯水層の透水係数の最終値は 1 日あたり 0.2 ～ 34 m の間で変化します。

GIS を使用したイランのブアン ダラン帯水層の透水係数値の散布図。

恒久的な条件でモデルを校正した後、モデルは 2 年間 (2003 年 4 月から 2004 年 3 月まで) 非恒久的な条件で校正されました。 この段階で、給餌値と特別な散水値が再調整され、透水係数の値も変更されました。 代表的な月における計算値と観測値を比較した結果を図 10 のグラフに示します。見てわかるように、モデルは十分に再校正されており、許容可能な精度で水位値を推定しています。

非永久状態における安定度の計算値と観測値 (2003 年 9 月) (a)、(2003 年 4 月) (b)、(2004 年 9 月) (c)、(2004 年 4 月) (d)。

モデルを非永続的な状態で校正した後、モデルは 1 年間 (2005 年 4 月から 2005 年 3 月まで) で検証されました。 4月と9月の計算値と観測値を比較した結果を図11a、bのグラフに示します。 見てわかるように、モデルは校正段階で水位の値を適切に推定しています。 したがって、校正済みのモデルはさまざまな目的に安心して使用できます。

検証期間中（2005年9月）（a）と（2005年4月）（b）の水位の計算値と観測値。

その結果、調査地域が広大であることと、水平断面と垂直断面での大量の地下水の入出力が原因で、拡散プロセスによる硝酸塩の変化は重要ではないことが示されました。 一般に、結果は、帯水層の定性モデルは分配係数、拡散係数、吸収等温線の変化に対する感度が非常に低く、準備されたモデルの硝酸塩の変化が栄養状態の変化に最も敏感であることを示しました。硝酸塩濃度。 2014年8月と2015年5月の硝酸塩の計算値と観測値を比較したグラフを図12a、bのグラフに示します。 見てわかるように、校正されたモデルは硝酸塩濃度値を適切な精度で予測します。

定性モデルにおける硝酸塩濃度の計算値と観測値 (2012 年 5 月) (a) および (2014 年 8 月) (b)。

図 13 は、2015 年 7 月の帯水層のさまざまな地域におけるモデルから得られた硝酸塩濃度の分布を示しています。ご覧のとおり、赤い色でマークされた平野の南部地域は硝酸塩濃度が高く、このエリアとその他の赤と黄色のエリアは、脆弱性とリスクが高いエリアの 1 つです。

MODFLOWを用いた帯水層表面の硝酸塩堆積物の分布図（2015年7月）。

固有の脆弱性を判断する際には、表面の汚染に関係なく、地下水の脆弱性が評価されます。 言い換えれば、脆弱性はユーザーや汚染物質の発生とは無関係です。 図 14 から明らかなように、斜面や高台の端には汚染の恐れのない地域と汚染の少ない地域が存在する。 また、平野の北部と中央部に位置する地域は中程度の脆弱性を持っています。 非常に重要な点は、帯水層の東部と南東部は、水面までの深さが浅く、岩盤が地表に近く、透水性が良いため、多くの汚染にさらされていることです。

GIS を使用したブアン・ダラン平野の帯水層の固有脆弱性マップ。

固有の脆弱性パラメーターに土地利用パラメーター (L) を追加することにより、特別な脆弱性指数が得られます。 図 15 によると、土地利用を考慮し、帯水層作物地域ではジャガイモが主要な作物であることを考慮すると、この地域は高度および非常に高度な汚染にさらされており、東部、南東部、および中心部の一部です。平野。 もう 1 つの注目すべき点は、一般に、ブアン ダラン平野帯水層には中程度から非常に高い脆弱性の可能性があると言えることです。

GIS を使用した、イランのブアン ダラン帯水層の特別な脆弱性マップ。

本研究は、ブピン・ダラン平野帯水層の硝酸塩状況の定性的調査と定性的管理のためのモデルを提供するとともに、硝酸塩などの汚染を受けやすい地点を特定するために実施されました。 主な調査結果は以下のとおりです。

平野の帯水層の汚染量が最も高かったのは、平野の南部と南東部に関連していた。

平野の北および北東地域は汚染の可能性が中程度から低程度であり、現時点では硝酸塩汚染の影響を受けていません。

この平野では大量の肥料を使用した農業活動が行われていたため、あらゆる場所で汚染の可能性があり、地下水源の利用だけでなく農業経営についても成文化された実行計画が必要とされています。 飲料水として必要となります。

DRASTIC 脆弱性推定手法は、検証テストによれば、汚染の可能性が高い領域を推定する場合にのみ有用でした。 この研究で提示されたモデルが汚染に対してより脆弱な井戸の領域を決定する能力は、帯水層脆弱性評価の従来の方法の問題の 1 つであり、それは汚染の拡大の影響を予測できないことです。飲料水井戸などの貴重な水源の汚染に対する帯水層の脆弱な領域を修正する必要があります。 これらの地域の特定は、地下水水質監視ネットワークの設計、土地利用調査および土地利用の決定にとって非常に重要です。

データをリクエストしたい場合は、責任著者に連絡する必要があります。

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イスファハーン工科大学農学部水科学工学部、8415683111、イスファハーン、イラン

サイード・エスラミアン、ヤグブ・ハルーニ、ヤセル・サブゼヴァリ

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転載と許可

Eslamian, S.、Harooni, Y.、Sabzevari, Y. MODFLOW モデルと DRASTIC モデルを使用した硝酸塩汚染と地下水資源の脆弱性のシミュレーション。 Sci Rep 13、8211 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35496-8

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受信日: 2022 年 11 月 15 日

受理日: 2023 年 5 月 18 日

公開日: 2023 年 5 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35496-8

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