علوم آب و خاک

انتخاب یک معادله زهکشی با دقت قابل‌قبول همواره چالش اصلی طراحان برای طراحی سامانه‌های زهکش زیر‌زمینی است. در این پژوهش برای تخمین شدت روزانه و تجمعی زهاب خروجی از مزرعه‌ای واقع در کشت و صنعت امام خمینی (ره) ، از هفت معادله جریان همگام زهکشی شامل معادلات هوخهات، ارنست، کرکهام و داگان که در سالیان گذشته بسط داده ‌شده‌اند و معادلات میشرا و سینگ هناین و یوسفی و همکاران که جدیداً توسعه یافتند، استفاده شد. نتایج ارزیابی عملکرد معادلات زهکشی نشان داد که معادله هوخهات با شاخص‌های آماری P-valu، RMSE،²R و درصد خطای براورد شدت تجمعی زهکشی به‌ترتیب برابر با 0/9501، 1/49 (میلی‌متر بر روز)، 0/80 و 0/19- درصد دارای بیشترین دقت در پیش‌بینی شدت‌جریان زهکشی و معادله ارنست با 0/1000، 2/46 (میلی‌متر بر روز)، 0/34 و 16/98 درصد، دارای کمترین دقت در پیش‌بینی شدت‌جریان زهکشی است. همچنین از بین معادلات جدیداً توسعه‌یافته، تنها معادله یوسفی و همکاران با دقت نسبتاً خوبی، شدت‌جریان خروجی از زهکش را پیش‌بینی کرد و در اولویت دوم بعد از معادله هوخهات قرار گرفت. سایر معادلات نیز عملکرد نامطلوبی را نشان دادند. از این‌رو، با انتخاب مناسب شدت‌جریان زهکشی، می‌توان معادله هوخهات را برای طراحی فاصله زهکش‌ها در خاک‌های با بافت متوسط تا سنگین نظیر کشت و صنعت‌های نیشکر خوزستان، پیشنهاد کرد.

اطلاعات اندکی در مورد نقش ضربه قطرات باران بر ویژگی‌های هیدرولیکی جریان در شیارها وجود دارد. در این آزمایش برای بررسی نقش ضربه قطرات باران بر دبی رواناب، غلظت رسوب و ویژگی‌های هیدرولیکی جریان، خاکی با بافت رسی در چهار شیب (5، 10، 15 و 20 درصد) در فلومی به ابعاد 4/0×3/0×4 متر با بارانی به‌شدت 90 میلی‌متر در ساعت تا رسیدن به حالت ماندگار، در دو حالت با وجود ضربه قطرات باران و بدون وجود ضربه قطرات باران با باران شبیه­سازی شده، بررسی شد. نتایج نشان داد که با حذف ضربه قطرات باران بر سطح خاک، دبی رواناب، غلظت رسوب، عمق جریان، تنش برشی، قدرت جریان، عدد رینولدز و سرعت جریان به‌ترتیب به اندازه 62/0 تا 54/3، 08/0 تا 83/11، 91/0 تا 96/0، 26/0 تا 25/3، 52/0 تا 45/4، 36/0 تا 27/3 و 23/0 تا 79/0 برابر کاهش یافت (05/0P<)؛ درحالی‌ که ضرایب دارسی ویسباخ، شزی و مانینگ در حالت بدون ضربه بیشتر از حالت با وجود ضربه قطرات باران بودند (01/0P<) که با توجه به نتایج عمق رواناب و سرعت در دو حالت سطح خاک بدیهی به‌نظر می‌رسد. نتایج نشان داد که سرعت جریان مهم‌ترین ویژگی هیدرولیکی جریان است که تحت تأثیر ضربه قطره باران و شیب سطح قرار داشت. به‌طور کلی این پژوهش نشان داد که ضربه قطره باران عاملی مهم در تغییر ویژگی‌های هیدرولیکی جریان در شیارها بود. با افزایش شیب نیز نقش ضربه قطرات باران در ویژگی‌های هیدرولیکی جریان افزایش یافت. این نتایج نقش کلیدی ضربه قطرات باران را در خصوصیات هیدرولیکی رواناب و نیز شدت برداشت ذرات در شیارها نشان داد. آگاهی از این موضوع گامی اساسی در مدل‌سازی فرسایش شیاری است. مهار ضربه قطرات باران به‌ویژه در دامنه‌های با شیب تند از طریق حفظ پوشش گیاهی نقشی مهم در کاهش فرسایندگی جریان و هدررفت خاک از شیارها خواهد داشت. 

در مزارعی که زهکش¬های زیرزمینی در عمق زیاد نصب شده¬اند نظیر کشت و صنعت¬های خوزستان، با مدیریت آب و کود در سطح مزرعه می¬توان، کارایی مصرف آب را افزایش و همچنین حجم زه¬آب خروجی و تلفات کودی و سایر آلاینده¬ها را کاهش داد. در این پژوهش از یک مدل جامع شبیه¬سازی چرخه آب و دینامیک نیتروژن در زمین¬های کشاورزی تحت پوشش سیستم¬های زهکشی با استفاده از رویکرد پویایی سیستم، برای شبیه¬سازی سناریوهای مختلف مدیریت آب آبیاری و کود استفاده شد. به‌منظور کاهش آب مصرفی و کاهش تلفات کود اوره در یکی از مزارع کشت و صنعت امام خمینی، پنج سناریوی مختلف مدل¬سازی شامل چهار سناریوی مدیریت آب آبیاری به میزان 5، 10، 15 و 20 درصد کاهش در مقدار آب آبیاری (I1، I2، I3 و I4) نسبت به وضعیت موجود آبیاری در این کشت و صنعت (I0)، و یک سناریوی مدیریت توأم آب و کود (20 درصد کاهش مقدار آب آبیاری و 210 کیلوگرم بر هکتار کود اوره، I4F) برای شبیه¬سازی و مقایسه حجم زه¬آب تولیدی، تلفات نیترات و آمونیوم توسط سیستم زهکشی و میزان نیتروژن باقیمانده در خاک اجرا شد. نتایج مدل¬سازی نشان داد که سناریو I4F، باعث کاهش شدت زهکشی تجمعی، تلفات تجمعی نیترات و آمونیوم زه‌آب، مجموع تلفات تجمعی نیترات و آمونیوم زه‌آب و تلفات تجمعی نیترات¬زدایی به‌ترتیب برابر با 31، 70، 71، 70، و 85 درصد می¬شود که علاوه بر آن¬که باعث صرفه¬جویی در آب و کود مصرفی می¬شود، باعث کاهش مؤثر در آلودگی محیط زیست می¬شود. بنابراین، سناریوی I4F (آبیاری به مقدار 2656 میلی¬متر برای شش ماه و 210 کیلوگرم بر هکتار کود اوره) برای نیشکر در کشت و صنعت نیشکر امام خمینی توصیه می¬شود.

صیانت از کیفیت آب رودخانه¬ها ‌به‌عنوان در دسترس¬ترین منبع تأمین آب همواره مورد توجه بوده است. در مقاله حاضر توان خودپالایی و تغییرات فصلی ضرایب زوال آلودگی رودخانه تالار بر اساس اندازه¬گیری¬های میدانی پارامترهای DO، BOD، pH، EC، نیترات، فسفر و درجه حرارت در چهار فصل از سال 1397 به همراه شبیه¬سازی و واسنجی آن با کاربرد مدل QUAL2Kw و روش استریتر فلپس مورد مطالعه قرار گرفته است. درضمن، علاوه بر نتایج شبیه¬سازی¬ها و ارائه مقادیر فصلی ضرایب زوال آلودگی، مقادیر داده¬های اندازه¬گیری¬های میدانی نمونه-های آب رودخانه نیز ارائه شده است. بر اساس نتایج، مقدار تغییرات میانگین DO از 5/15 در فصل تابستان تا 7/47 میلی¬گرم در لیتر در فصل بهار و تغییرات میانگین BOD از 1/88 در فصل پاییز تا 7/9 میلی¬گرم در لیتر در فصل تابستان ثبت شد. همچنین، در روش استریتر فلپس کمترین مقدار ضریب زوال از 1/57 یک بر روز در فصل بهار تا 9/63 یک بر روز در فصل پاییز متغیر بوده است. مقادیر ضریب زوال رودخانه تالار با استفاده از مدل QUAL2Kw نیز از 2 در فصل پاییز تا 7/7 یک بر روز در فصل تابستان به ثبت رسید.

بیابان¬زایی در سال¬های اخیر به یکی از اصلی¬ترین معضلات جوامع ساکن در مجاورت مناطق بیابانی تبدیل شده است. یکی از روش¬هایی که در سال¬های اخیر برای بهسازی خاک این مناطق مورد توجه قرار گرفته و به سرعت در حال گسترش در زمینه علوم مکانیک خاک می‌باشد، روش بهسازی میکروبی کربنات کلسیم (MICP) است. به کمک این فرآیند می توان با استفاده از میکروارگانیسم‌های موجود در خاک و استفاده از اوره و کلرید کلسیم، خاک را تثبیت نموده و پارامترهای مهندسی آن را ارتقا داد. بر این اساس به تازگی تلاش¬هایی برای استفاده از این روش صورت گرفته که در آن با ایجاد یک لایه سطحی مقاوم بر روی ماسه از بلندشدن دانه های گرد و غبار ممانعت می نماید. در مطالعه حاضر سعی شده با بررسی این روش، تأثیر شرایط محیطی موجود در بیابان¬ها از قبیل درجه دما و طوفان¬های ماسه‌ای بر روی خاک تثبیت¬شده به روش میکروبی بررسی شود. از این¬رو نمونه¬های بهسازی¬شده تحت دماهای متوسط و بیشینه منطقه قرار گرفته که بر این اساس با افزایش دما میزان مقاومت لایه سطحی بیشتر گردید. این افزایش مقاومت تا دما 24 درجه با شیب زیاد ادامه داشته ولی از دمای 24 درجه به بعد این شیب کاهش می یابد. همچنین، شرایط طوفان ماسه¬ای منطقه با استفاده از بارش ماسه¬ای سه سایز مختلف دانه (ریز، متوسط و درشت) در داخل تونل باد شبیه¬سازی شد. نتایج این آزمایش¬ها نشان داد که در سرعت¬های باد 7 و 11 متربرثانیه خاک تثبیت شده امکان تحمل شرایط محیطی را به خوبی داشته ولی با افزایش سرعت باد به 14 متربرثانیه و همچنین افزایش سایز دانه¬ها به درشت¬دانه، لایه مقاوم سطحی دچار سایش و خرابی شده که افزایش فرسایش بادی خاک را نیز به دنبال دارد.

اساس آمایش سرزمین پهنه‌بندی ژئومورفولوژیک سطح زمین است که بر مبنای خصوصیات ژئومورفولوژیک یکسان پهنه‌بندی تعیین می‌شود. پهنه‌هایی که از نظر ژئومورفولوژیک همگن هستند، می‌توانند با یک روش مدیریت شوند. پهنه‌بندی سطح زمین، تشخیص عوارض زمین به‌وسیله ویژگی‌های اساسی سطح مانند ارتفاع، شیب و جهت شیب است. در این مطالعه به‌منظور تشخیص محدوده‌های مناسب برای تغذیه مصنوعی در منطقه کوهستانی گهر و دشت گربایگان در استان فارس، از پهنه¬بندی کمّی سطح زمین با استفاده از ضرایب کمّی نسبت به سطح زمین استفاده گردیده است. پهنه‌بندی سطح زمین به روش کمّی با کمک ضرایب ایوانس- شری به دلیل تعیین و تفکیک دقیق تیپ‌ها، رخساره‌ها و عوارض سطحی زمین نقش مهمی در تعیین دقیق‌ترکاربری اراضی دارد. در این پژوهش از مدل‌های بنیادی شامل مدل‌های خطی، دایره‌ای و واگرا استفاده شده است که این مدل‌های بنیادی با ابعاد پنجره‌های نه¬تایی در رتبه درجه‌ دو در نرم‌افزار متلب به سطح زمین برازش داده و به‌منظور تعیین میزان برازش این مدل‌ها از پارامتر مجموع اختلاف مربعات استفاده شده است. علاوه بر این، با استفاده از منطق فازی میزان مناسب¬بودن محدوده مورد مطالعه برای پخش سیلاب در پنج کلاس مختلف طبق¬بندی شد که مناسب¬ترین و نامناسب¬ترین منطقه برای تغذیه به ترتیب امتیاز 20 و 0 دارا هستند. مناسب¬ترین مناطق برای تغذیه مصنوعی در پایین¬دست مخروط¬ها امتیاز 20 دارد و کلاس نامناسب مربوط به دشت¬های پایینی مخروط افکنه¬ها حداقل امتیاز در منطق فازی که معادل صفر است را دارد.

انتخاب راهبردهای بهینه عامل مؤثری در افزایش کارایی طرح‌های احیای اراضی است، از سوی دیگر روند بیابانی¬شدن اراضی، در طی فرآیند تخریب محیط زیست حاصل عملکرد و برهم¬کنش میان عوامل متعددی است که انتخاب راهکارهای مناسب را با اشکال مواجه می‌کند. بنابراین، این پژوهش با هدف ارائه راهبردهای بهینه به صورت نظام¬مند و در قالب یک روش تصمیم‌گیری گروهی در دشت یزد– خضرآباد انجام گرفت. به این منظور در ابتدا، راهبردهای مهم از روش دلفی رتبه‌بندی شد. سپس با در نظرگرفتن رأی تصمیم‌گیرندگان در رابطه با اولویت‌بندی راهبردها، رتبه‌بندی اولیه از راهبردها در قالب روش کوک و سیفورد (Cook-Seiford's Method)، شکل گرفت. در ادامه با برآورد فاصله خطی هر راهبرد و شکل‌گیری ماتریس فواصل، اولویت نهایی راهبردها از حل مسئله تخصیص حاصل شده مورد ارزیابی قرار گرفت. یافته¬های پژوهش نشان داد که، راهبردهای جلوگیری از تغییر نامناسب کاربری اراضی (18A) و توسعه و احیاء پوشش گیاهی (23A) به‌ترتیب در رتبه اول و دوم باValue=1  وReduced Cost=0 ، به‌عنوان مهمترین راهبردهای مقابله با بیابان‌زایی، هستند. نتایج این پژوهش به مدیران مناطق بیابانی این امکان را می¬دهد که امکانات محدود را به شیوه¬های صحیح به کارگیرند تا از هدر رفتن سرمایه¬های ملی جلوگیری کنند.

یکی از اجزا مهم در هیدرولیک سدها، سرریزها هستند. مبنای طراحی سرریزهای اوجی، پروفیل زیرین جریان عبوری از سرریز لبه‌تیز است. چنانچه پروفیل سرریز اوجی در حالت دبی حداکثر از پروفیل زیرین جریان عبوری از سرریز لبه‌تیز تبعیت نماید، فشار وارده به کف سرریز برابر با صفر می‌شود. بنابراین، در این مقاله به طراحی سرریز اوجی براساس پروفیل زیرین جریان عبوری از سرریز لبه‌تیز مستطیلی حاصل از شبیه¬سازی عددی در حالت دو بعدی قائم و سه‌بعدی و مقایسه آن با پروفیل استاندارد سرریز اوجی پرداخته شده است. نتایج نشان داد که پروفیل استاندارد سرریز اوجی و پروفیل زیرین به دست آمده از حالت دو بعدی کاملاً بر یکدیگر منطبق شدند ولی در مقایسه با پروفیل سه‌بعدی تفاوت‌هایی مشاهده شد، که این مهم به عدم در نظر گرفتن دیوار هدایت¬ها در داخل مخزن سد مرتبط بود. با توجه به تحلیل¬ها، درصورتی که جریان ورودی به سرریز به صورت موازی با محور آن باشد پروفیل زیرین سرریز لبه‌تیز در تطابق کامل با پروفیل استاندارد خواهد بود. از آنجا که هندسه دیوار هدایت سرریزها معمولاً بوسیله ساخت مدل فیزیکی در آزمایشگاه بوده و این عمل نیز اغلب بصورت سعی و خطا و با هزینه زیاد انجام می‌شود، در این مقاله بر اساس مطالعه موردی سرریز سد کارون 3، سعی شده است با استفاده از مدل‌سازی عددی نزدیکترین هندسه به هندسه‌ دیوار هدایت سرریز که کمترین اختلاف را در سرعت-های عرضی ایجاد نماید، به دست آید. این روش باعث خواهد شد تا روند طراحی و مدل‌سازی فیزیکی سرریز نیز از نظر زمانی و اقتصادی بهینه¬تر و سریعتر انجام شود.