علوم آب و خاک

با ‌توجه به‌ افزایش جمعیت، مشکلات کمبود آب و لزوم مصرف آب بیشتر، استفاده از آب‌های نامتعارف و پساب تصفیه‌خانه‌های فاضلاب در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته ‌است. در شرایطی که بار آلودگی زیاد نباشد، استفاده از راکتورهای بیوفیلمی معمول می‌باشد. در همین راستا، استفاده از بتن متخلخل به‌عنوان بستر رشد و تکثیر بیوفیلم، در کاهش بار آلودگی پساب بررسی گردید. بدین‌منظور یک طرح اختلاط پایه با ‌توجه به آیین‌نامه ACI211.3R انتخاب گردید و با‌ نظر به‌افزایش سطح ویژه بتن برای رشد بیوفیلم، در سه مرحله و در هر مرحله 10 درصد وزن درشت‌دانه، ریزدانه به طرح اختلاط پایه افزوده ‌شد. طرح آزمایش مورد استفاده بلوک کامل تصادفی می‌باشد. برای انجام آزمایش، در نزدیکی تصفیه‌خانه فاضلاب دانشگاه صنعتی اصفهان کانالی با طول 9 متر و به عرض 30 سانتی‌متر و ارتفاع 20 سانتی‌متر ساخته شد. سپس بلوک‌های بتنی ساخته ‌شده در کانال مذکور قرار گرفتند و عملیات فرآوری بیوفیلم برروی خلل و فرج مکعب‌های بتنی انجام پذیرفت. آزمایش‌های کیفی اکسیژن مورد نیاز‌ بیوشیمیایی (BOD)، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD)، کل مواد جامد معلق (TSS) و تعداد کل کلیفرم‌ها برروی نمونه‌های پساب ورودی و خروجی به‌عمل آمد و درصد حذف هر یک از پارامترها محاسبه شد. نتایج نشان می‌دهد با افزوده ‌شدن ریزدانه درصدهای حذف این پارامترها افزایش می‌یابد. به‌طور ‌میانگین درصدهای حذف BOD، COD، TSS و تعداد کل کلیفرم‌ها برای طرح اختلاط اول (1400 کیلوگرم در متر‌مکعب سنگ درشت‌دانه و بدون ریزدانه) به‌ترتیب 25، 33، 45 و37 درصد می‌باشد که این اعداد با‌ همین ‌ترتیب برای طرح اختلاط چهارم (1400 کیلوگرم در متر‌مکعب سنگ درشت‌دانه و 420 کیلوگرم در متر‌مکعب ماسه ریزدانه) به 36، 40، 57 و 81 می‌رسد. در نهایت می‌توان گفت بتن متخلخل می‌تواند به‌عنوان بستر بیوفیلم مورد استفاده قرار گیرد. بر‌اساس نتایج، طرح اختلاط سوم (1400 کیلوگرم در متر‌مکعب سنگ درشت‌دانه و 280 کیلوگرم در متر‌مکعب ماسه ریزدانه) بهترین طرح اختلاط ارزیابی می‌گردد.

امروزه، به‌دلیل قابلیت تطابق زیاد مدل‌های پیشرفته شبیه‌سازی آب زیرزمینی با سیستم هیدرولیکی آبخوان، امکان استفاده از این مدل‌ها برای مدیریت و بهره‌برداری جامع از منابع آب زیرزمینی فراهم شده است. هدف از این تحقیق، بررسی و مدل‌سازی منابع آب زیرزمینی زیرحوضه کوهپایه- سگزی و به‌طور خاص تخمین ضرایب هیدرودینامیک آبخوان سطحی این زیرحوضه می‌باشد. در این راستا، پس از تهیه لایه‌های ورودی به‌ مدل، پارامترهای مؤثر در مدل‌سازی، شرایط مرزی و شبکه‌بندی آبخوان تعیین ردید. سپس با استفاده از اطلاعات موجود اقدام به اجرا و واسنجی مدل در حالت ماندگار (سال آبی 1381) و ناماندگار سال‌های آبی (1381 تا 1383) نموده و برای کسب اطمینان از نتایج شبیه‌سازی آزمون صحت‌سنجی برای سال آبی 1384 انجام شد. هدایت هیدرولیکی آبخوان از 26/15 تا 87/19 متر بر روز و آبدهی ویژه (ضریب ذخیره) آبخوان از 0107/0 تا 0186/0 به‌دست آمد. با بررسی هیدروگراف معرف تغییرات سطح آب زیرزمینی آبخوان از سال آبی 1374 تا 1391 میزان افت سطح آب به‌علت وجود دو ناحیه زیر پوشش شبکه آبیاری کانال‌های آبشار و رودشتین (ناحیه سبز) که موجب بالاآمدگی سطح آب زیرزمینی شده زیاد نیست و متوسط سالانه آن حدود 22 سانتی‌متر می‌باشد ولی با حذف ناحیه سبز، میزان افت سطح آب زیرزمینی آبخوان به‌طور متوسط بیش از 80 سانتی‌متر در سال حاصل شده است. با تحلیل حساسیت مدل در حالت ناماندگار به‌منظور بررسی نحوه و میزان تأثیر هر یک از پارامترهای تغذیه، هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه (ضریب ذخیره) بر نتایج مدل، صحت نتایج حاصل از واسنجی مدل مورد تأیید قرار گرفت. همچنین در طول دوره‌های زمانی اجرای مدل، مقادیر تراز هیدرولیکی محاسبه شده توسط مدل با مقادیر مشاهده شده در محل کلیه پیزومترها تطابق خوبی دارند.

عدم شناخت ویژگی‌ها و مسائل ژئوتکنیکی خاک بستر می‌تواند مشکلات عدیده‌ای در رابطه با بهره‌برداری و نگهداری شبکه‌های آبیاری و زهکشی را در پی داشته باشد. به‌طور‌کلی تمام خاک‌های نامتعارف از جمله خاک گچی می‌توانند مشکلاتی را در کانال‌های آبیاری ایجاد نمایند. پژوهش‌های کمی در مورد نحوه تثبیت این خاک‌ها در زیر‌سازی‌ سازه‌های آبی و به ویژه کانال‌های آبیاری انجام شده است. دراین تحقیق در راستای تثبیت و اصلاح خاک مذکور مواد معدنی پرلیت و پامیس با درصدهای متفاوت (5%، 10% و 15%)، میکروسیلیس با درصدهای متفاوت (1%، 5% و 10%) با آن مخلوط گردیدند و ویژگی‌های مکانیکی خاک از جمله پارامترهای برشی، ظرفیت باربری، مشخصات تراکمی و حدود اتربرگ درنمونه‌های تهیه شده، بررسی شد. نتایج استخراج شده در قالب طرح کاملاً تصادفی مورد تجزیه وتحلیل آماری قرار گرفت و مقایسه میانگین‌های آنها در سطح آماری 1 درصد (01/0P<) انجام پذیرفت. نتایج نشان داد میکروسیلیس بهترین تأثیر را روی پارامترهای برشی، باربری، تراکمی و حدود اتربرگ خاک گچی دارد و باعث بهبود این پارامترها در خاک گردید. پامیس نیز در خاک گچی خواص برشی، باربری، مشخصات تراکمی را بهبود داد. ولی پرلیت باعث تضعیف ویژگی‌های برشی، باربری ومشخصات تراکمی خاک گچی گردید.

استفاده از مواد افزودنی مختلف برای اصلاح و بهبود خواص مهندسی خاک‌های ریزدانه همواره به‌عنوان یکی از روش‌های تبیت خاک مورد توجه بوده است. در این تحقیق تأثیر آهک هیدراتهبرروی مقاومت فشاری خاک رسی در دو حالت با رطوبت بهینه و رطوبت اشباع مورد بررسی قرار گرفته است. بدین‌منظور نمونه‌های آزمایشی متعددی با افزودن مقادیر مختلفی از آهک هیدراته شامل صفر، 1، 3 و 5 درصد به خاک رسی تهیه نموده و تحت آزمایش‌های تراکم استاندارد، تراکم هاروارد و پس از عمل‌آوری با یک طرح فاکتوریلی در سنین 7، 14، 28 و 90 روزه در سه تکرار مورد آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده با رطویت بهینه و رطوبت اشباع قرار گرفتند. نتایج به‌دست آمده از این پژوهش نشان داد که با افزایش مقدار آهک هیدراته مخلوط در خاک، وزن واحد حجم خشک حداکثر کاهش یافته و رطوبت بهینه افزایش یافته است. همچنین افزایش آهک هیدراته به‌طور قابل ملاحظه‌ای موجب افزایش مقاومت فشاری خاک در دو حالت با رطوبت بهینه و رطوبتاشباع گردیده و این افزایش مقاومت به‌طور معنی‌دار متأثر از زمان عمل‌آوری و مقادیر آهک هیدراته می‌باشد.نتایج به‌دست آمده نشان داد که مقدار 5 درصد آهک هیدراته به‌عنوان مقاومت فشاری بیشینه می‌باشد اما با در نظر گرفتن ضریب نرم شوندگی مقدار 3 درصد آهک هیدراته به‌عنوان مقدار بهینه تعیین گردید.

با توجه به‌تغییرات زیاد وقایع هیدرولوژیکی نسبت به زمان و مکان در مناطق خشک و نیمه‌خشک اندازه‌گیری تغذیه در این مناطق بسیار دشوار می‌باشد. طی سال‌ها هنوز هم روش ثابت و مشخصی برای اندازه‌گیری تغذیه آب‌های زیرزمینی وجود ندارد و تا کنون روش‌های مختلفی برای محاسبه نرخ تغذیه توسعه یافته است. هدف از این تحقیق ارزیابی و ایجاد یک روش هیبریدی برای محاسبه تغذیه آب‌های زیرزمینی می‌باشد. در این تحقیق با استفاده از یک روش هیبریدی اثرات پارامترهای مختلف بر تغذیه آب‌های زیرزمینی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مهم‌ترین پارامترهای م&zwjؤثر بر تغذیه بافت خاک، بارش، کاربری اراضی، ضخامت ناحیه غیراشباع، شیب زمین، میزان نیاز آبیاری و آبدهی ویژه، می‌باشد که در این بین بارش و بافت خاک بیشترین تأثیر را دارا می‌باشند. نتایج ارزیابی‌ها نشان داد که به‌طور کلی تغییرات‌اند که بارش و دما اثرات قابل توجهی بر تغذیه می‌گذارند به‌طوری که با تغییر 10 درصدی بارش میزان تغذیه بین 16 تا 77 درصد تغییر می‌کند، همچنین با تغییر 1 در جه‌ای دما، میزان تغذیه بین 6 تا 42 درصد تغییر می‌یابد. براساس نتایج به‌دست آمده حساسیت خاک‌های ریز بافت به‌این تغییرات خیلی بیشتر از خاک‌های درشت بافت می‌باشد. همچنین نتایج نشان داد که تغییرات بارش و تبخیر و تعرق در چهار ماه شامل آذر، دی، بهمن و اسفند اثر قابل ملاحظه‌ای در مقدار نرخ تغذیه سالانه دارا می‌باشند. با استفاده از نتایج این تحقیق می‌توان مناطق آسیب‌پذیر دشت، مکان‌های مناسب و نیز زمان مناسب برای تغذیه مصنوعی در سطح دشت را مشخص نمود. به‌طور کلی نتایج به‌دست آمده ازاین تحقیق می‌تواند در جنبه‌های مختلف مدیریت آب‌های زیرزمینی بسیار مفید باشد.

در طول چند دهه اخیر، بخش جنوبی دریای مازندران با وقایع اقلیمی شدیدی مانند خشکسالی و سیل مواجه بوده است. آنالیز روند متغیرهای هیدرو اقلیمی با استفاده از آزمون غیر‌پارامتری من-کندال و آزمون رگرسیون برای حوضه نکارود در شمال ایران انجام شده است. روند خصوصیات جریان رودخانه و بارش شامل جریان ماکزیمم، جریان متوسط و شاخص‌های جریان کم در مقیاس زمانی ماهانه، فصلی و سالانه از سال 1358 تا 1391 آنالیز شدند. نتایج آنالیز، کاهش تدریجی در بارش فصل زمستان،کاهش سالانه و همچنین کاهش بارش ماکزیمم روزانه همراه با افزایش روند در بارش ماکزیمم روزانه را نشان داد. برای متغیرهای هیدرولوژی، جریان کم هفت روزه در همه زیرحوضه‌ها در تابستان کاهش داشته است. جریان متوسط ماهانه و سالانه به‌ویژه در زمستان، در همه زیرحوضه‌ها روند کاهشی داشته اما جریان ماکزیمم سالانه از حوضه‌های بالادست تا پایین‌دست، روند افزایشی داشته است. تغییرات کاربری اراضی مانند شهرسازی و جنگل‌زدایی در طول 34 سال در حوضه‌های پایین‌دست، افزایش داشت. نتایج نشان داد که جریان‌های کم و جریان متوسط، به‌شدت تحت تأثیر تغییرات اقلیمی هستند. به‌طور کلی، از لحاظ هیدرولوژیکی نتایج نشان می‌دهد که منطقه مورد مطالعه با وقایع خشکسالی شدیدی مواجه می‌باشد. نتایج این تحقیق می‌تواند در پیش‌بینی خشکسالی‌های آتی، برنامه‌ریزی آبیاری و مدیریت منابع آب منطقه به‌کار گرفته شود.

کمبود آب سبب شده که کشاورزان از پساب‌ها به‌عنوان منبع آب در دسترس، بدون توجه به اثرات آن بر محیط زیست و آلودگی خاک و گیاه و به‌ویژه آلودگی فلزات سنگین استفاده کنند. هدف از این مطالعه، بررسی اثر کاربرد زئولیت به‌عنوان اصلاح کننده خاک بر جذب کادمیم در گیاه اسفناج تحت آبیاری با پساب (حاوی ppm 10کادمیم) می‌باشد. مقادیر مختلف زئولیت (0، 1 و 5 درصد وزنی) به خاک اضافه و آزمایش به‌صورت طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار درگلخانه انجام شد. نتایج نشان داد که کاربرد زئولیت در مقدار 1% سبب کاهش غلظت کادمیم در گیاه شد. این تیمار سبب کاهش درصد کادمیم قابل عصاره‌گیری با DTPA در خاک نیز شد. اما افزودن 5% از این نوع زئولیت به‌دلیل افزایش شوری خاک، سبب افزایش غلظت کادمیم گیاه شد که این افزایش نسبت به شاهد، معنی‌دار نبود. آبیاری با پساب باعث تغییر معنی‌دار زیست توده اسفناج نشد ولی حضور کادمیم در پساب به‌شدت محصول را کاهش داد.

در این پژوهش، از یک مدل جامع شبیه‌سازی چرخه آب و دینامیک نیتروژن شامل تمام فرآیندهای مهم تغییر و تبدیلات نیتروژن شامل انحلال کود، نیترات‌زایی، نیترات‌زدایی، تصعید آمونیوم، معدنی شدن، عدم تحرک و همه مهم‌ترین فرآیندهای انتقال نیتروژن شامل برداشت نیتروژن توسط گیاه، جذب آمونیوم توسط ذرات خاک، جریان روبه بالا، تلفات رواناب سطحی و تلفات ناشی از زهکشی، برای مدل‌سازی مدیریت کود در یکی از مزارع کشت و صنعت نیشکر امام خمینی به‌روش رویکرد پویایی سیستم استفاده شد. جهت ارزیابی مدل از داده‌های جمع‌آوری شده از سایت کشت و صنعت نیشکر امام خمینی با سیستم زهکشی و آب زیرزمینی کم عمق واقع در استان خوزستان استفاده گردید. تجزیه و تحلیل آماری بین مقادیر مشاهده‌ای و شبیه‌سازی شده نشان داد که میانگین ریشه مربعات خطا (RMSE) برای تعیین دقت شبیه‌سازی غلظت نیترات و آمونیوم در زه‌آب خروجی به‌ترتیب 73/1 و 48/0 میلی‌گرم بر لیتر است. نتایج نشان داد تطابق خوبی بین متغیرهای مشاهده‌شده و شبیه‌سازی وجود دارد. نه سناریوی کوددهی در سطوح مختلف کود اوره شامل یک سناریوی 400 کیلوگرم در هکتار،  دو سناریوی تقسیط 350 کیلوگرم در هکتار، دو سناریوی تقسیط 325 کیلوگرم در هکتار، دو سناریوی تقسیط 300 کیلوگرم در هکتار، یک سناریوی 280 کیلوگرم در هکتار و یک سناریوی 210 کیلوگرم در هکتار برای مزرعه مدل‌سازی گردید. نتایج مدل‌سازی نشان داد که سناریوی 210 کیلوگرم در هکتار دارای بیشترین راندمان مصرف نیتروژن به‌مقدار 3/52 درصد و کمترین تلفات نیتروژن شامل نیترات‌زدائی، تصعید آمونیوم و تلفات زهکشی به‌ترتیب برابر 82/17، 16/7 و 59/92 کیلوگرم در هکتار می‌باشد. همچنین، نتایج نشان داد که با افزایش مصرف کود اوره از مقدار 210 کیلوگرم در هکتار باعث افزایش مجموع تلفات نیتروژن و کاهش راندمان مصرف نیتروژن می‌شود. از این مدل می‌توان برای مدیریت کود و کنترل غلظت نیترات وآمونیوم زه‏آب برای جلوگیری از آسیب‌های زیست‌محیطی به منابع پذیرنده این زه‏آب‌ها استفاده نمود. همچنین، روش پویایی سیستم به‌عنوانی روشی کارآمد، قابلیت شبیه‌سازی سیستم پیچیده آب- خاک- گیاه- زهکش را دارد.

امروزه سازه‌های آبی با صرف هزینه‌های بسیار زیاد به‌منظور استفاده بهینه از منابع آب و خاک احداث می‌گردند. عدم انجام مطلوب مطالعات فنی، اجتماعی و اقتصادی باعث تحمیل هزینه‌های نامتعارف نگهداری این تأسیسات در دوران بهره‌برداری می‌گردد. منابع آب به دلیل رشد صنایع، افزایش جمعیت بشر و عدم رعایت استانداردهای زیست محیطی آلوده گردیده‌اند. اکثر سازه‌های آبی هم در مناطقی با کیفیت آب نامناسب ساخته می‌شوند. از طرف دیگر، ویژگی‌های مهندسی خاک‌های ریزدانه به‌ویژه خاک‌های رسی تابع عوامل از جمله املاح موجود در آب منفذی است. به‌طوری‌ که تغییر در آن سبب ایجاد تغییر در ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی خاک‌ها گردیده و در نتیجه سازه‌های بنا شده برروی خاک‌ در معرض آسیب قرار می‌گیرند. این پژوهش، تأثیر آب‌های شوری بر خصوصیات مهندسی خاک را بررسی نمود. در این رابطه کلرور سدیم ((NaCl با 5 سطح مختلف (0، 1/0، 21/0، 41/0 و 72/0 مول بر لیتر) به خاک افزوده شد و مشخصات تراکمی، پارامترهای برشی، حدود اتربرگ و پارامترهای تحکیم بررسی شدند. نتایج نشان داد که افزودن شوری تغییرات معنی‌داری بر وزن واحد حجم خشک بیشینه و رطوبت بهینه خاک ایجاد نمی‌کند ولی باعث کاهش چسندگی خاک و افزایش زاویه اصطکاک داخلی می‌گردد همچنین نتایج نشان داد افزایش شوری حد روانی را کاهش داده ولی تأثیر ناچیزی بر حد خمیری خاک داشت.
 

تغییر تاریخ وقوع اولین یخبندان پاییزه و آخرین یخبندان بهاره که به‌لحاظ کشاورزی بسیار حائز اهمیت است، می‌تواند یکی از پیامدهای ناشی از پدیدۀ گرمایش جهانی باشد. یکی از روش‌های مطالعۀ اقلیم آینده، استفاده از خروجی مدل‌های گردش عمومی جو است. با استفاده از روش وزن‌دهی میانگین مشاهداتی دما و بارندگی (MOTP) که طی آن مدل‌های گردش عمومی جو بر اساس مقدار انحراف میانگین دما یا بارندگی شبیه‌سازی شده در دورۀ پایه از میانگین داده‌های مشاهداتی وزن‌دهی می‌شوند، مدلی که وزن بیشتری در مدل¬سازی در مورد دادۀ دمای گذشتۀ منطقه دارد، به‌عنوان مدل بهینه انتخاب می‌شود. اما این مدل‌ها به‌دلیل قدرت تفکیک مکانی پایین، گویای تغییر اقلیم ایستگاهی نیستند. لذا در این تحقیق برای ریزمقیاس‌نمایی نتایج مدل‌های GCM تحت سه سناریوی انتشار A2 و B1 و A1B در ایستگاه اصفهان از مدل LARS-WG استفاده شد. نتایج استخراج شده با نرم‌افزار SPSS مورد تحلیل آماری قرار گرفت و بررسی‌ها در سطح آماری 5 درصد (05/0P<) انجام پذیرفت. نتایج این بررسی‌ها برای چشم‌انداز 2049-2020 نشان داد که میانگین شماره روز وقوع اولین یخبندان پاییزه مبتنی بر هر سه سناریو در مقایسه با اقلیم گذشته، در ایستگاه اصفهان 2 تا 5 روز افزایش خواهد یافت. همچنین در این ایستگاه برای میانگین شماره روز وقوع آخرین یخبندان بهاره مبتنی بر هر سه سناریو در مقایسه با اقلیم گذشته، بین 2 تا 4 روز کاهش مشاهده می‌شود. درنهایت برای داده‌های به‌دست آمده با استفاده از نرم‌افزار Easy Fit بهترین توابع توزیع برای تعیین احتمال وقوع اولین یخبندان پاییزه و آخرین یخبندان بهاره در دورۀ پایه و در شرایط تغییر اقلیم تحت سه سناریوی انتشار انتخاب شد و مورد مقایسه قرار گرفت.

ایران در کمربند خشک کره زمین واقع شده است و پیش‌بینی می‌شود طی نیم قرن آینده با تنش آبی مواجه شود. سطح زیرکشت نیشکر در خوزستان هم‌اکنون بالغ بر 85 هزار هکتار است و با توجه به نیاز آبی بالای نیشکر و شرایط خشکسالی، بهینه‌سازی مصرف آب و مدیریت آبیاری به‌منظور استمرار تولید در این بخش ضروری است. لذا در این پژوهش مقادیر رطوبت خاک، پوشش سبز، عملکرد زیست‌توده در پنج تیمار و سطوح آبیاری (شروع آبیاری در زمان¬های40، 50، 60، 70 و 80 درصد تخلیه رطوبتی خاک) طی 2 تاریخ کشت در رقم CP69-1062 در سال زراعی 95-1394 درکشت و صنعت نیشکر امیرکبیر واقع در جنوب خوزستان توسط مدل آکواکراپ شبیه‌سازی شد. داده¬های اندازه‌گیری شده در تاریخ کشت اول (D1) برای واسنجی مدل و تاریخ کشت دوم (D2) برای صحت¬سنجی استفاده شد. نتایج آماره NRMSE در شبیه‌سازی پوشش سبز در مراحل واسنجی و صحت‌سنجی به‌ترتیب با مقادیر 2/1 تا 15/6 و 3/8 تا 18/3 درصد و در شبیه‌سازی زیست‌توده به‌ترتیب با مقادیر 6/2 تا 15/2 و 9/5 تا 12/6 درصد و ضریب تعیین (R2)، محدوده 0/98 تا 0/99 مبین توانایی بالای مدل آکواکراپ در شبیه‌سازی پوشش سبز و عملکرد زیست‌توده است. درحالی‌ که مقادیر آماره NRMSE رطوبت عمق خاک در مراحل واسنجی و صحت‌سنجی به‌ترتیب در محدوده 11/6 تا 23/8 و 12/2 تا 22/7 با ضریب تعیین (R2)، 0/73 تا 0/96 (در مرحله واسنجی) 0/8 تا 0/93 (در مرحله صحت‌سنجی) دقت کمتر مدل در شبیه‌سازی را نشان داد. بهترین سناریو مربوط به سومین پیشنهاد است که در آن مصرف آب 1710 میلی‌متر و راندمان مصرف آب 1/53 و عملکرد 42/27 تن در هکتار است که کاهش مصرف آب 360 میلی¬متر را نشان می‌دهد.