علوم آب و خاک

در گذشته روش‌های مختلفی برای کنترل آبشستگی پاشنه ساحل پیشنهاد شده است برای رودخانه‌های کم‌عمق (نظیر رودخانه‌های کوهستانی) از انواع سرریزها استفاده می‌شود؛ بنابراین در این پژوهش به بررسی توسعه آبشستگی در سازه‌های cross vane و w-weir برای حفاظت سواحل پرداخته شد. نتایج نشان داد، با نصب سازه w-weir در موقعیت 90 درجه نسبت به موقعیت 30 و 60 درجه به‌ترتیب شاهد 37/9 و 19/7 درصد کاهش آبشستگی هستیم. همچنین با نصب سازه cross vane در موقعیت 90 درجه نسبت به موقعیت 30 و 60 درجه به‌ترتیب شاهد 35/4 و 21/2 درصد کاهش آبشستگی هستیم. با افزایش عرض (L/B) (نسبت عرض سازه به عرض فلوم) سازه w-weir از 1/5 به 2، میزان آبشستگی 7/9 درصد کاهش داشته است. همچنین با افزایش عرض (L/B) سازه cross vane از 1/3 به 1/7، میزان آبشستگی 4/7 درصد کاهش داشته است. سازه w-weir به‌طور متوسط 7/3 درصد آبشستگی کمتری نسبت به سازه cross vane داشته است.

فرسایش آبی می‌تواند به‌شدت تحت‌تأثیر تغییر کاربری زمین و تخریب فیزیکی خاک در اثر عملیات کشاورزی قرار گیرد. این پژوهش به‌منظور بررسی اثرات تغییر کاربری مراتع ضعیف بر تخریب‌پذیری فیزیکی خاک و فرسایش خاک در عرصه‌های مرتعی منطقه نیمه‌خشک انجام شد. آزمایش در 42 نمونه خاک مربوط به هفت عرصه با کاربری مرتع ضعیف و زراعت دیم که از خاک متفاوت (لوم رسی، لوم رس سیلتی، لوم رس شنی، لوم سیلتی، لوم، لوم شنی و شن لومی) برخوردار بودند، انجام شد. ویژگی‌های فیزیکی خاک در نمونه‌های هر دو نوع کاربری زمین اندازه‌گیری شد و تغییرات آن به‌عنوان تخریب فیزیکی خاک بیان شد. حساسیت به فرسایش در خاک‌ها تحت باران شبیه‌سازی‌شده با شدت 50 میلی‌متری بر ساعت به مدت 60 دقیقه اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که تغییر کاربری زمین‌های مرتعی به زراعت دیم به‌شدت منجر به تخریب فیزیکی خاک‌ها می‌شود؛ به‌طوری که چگالی ظاهری، تخلخل کل، تخلخل درشت، رطوبت ظرفیت مزرعه، درصد رطوبت اشباع، اندازه خاکدانه، پایداری خاکدانه به‌ترتیب 28، 22، 41، 11، 5، 62 و 63 درصد در اثر تغییر کاربری زمین تخریب شدند. ویژگی‌های ساختمانی خاک (اندازه خاکدانه و پایداری خاکدانه) بیشترین تخریب‌پذیری فیزیکی را داشتند. تغییر کاربری زمین حساسیت خاک‌ها را به فرسایش افزایش داد. میان حساسیت به فرسایش در اثر تغییر کاربری و تخریب‌پذیری فیزیکی خاک رابطه معنی‌دار وجود داشت. نتایج نشان داد که خاک‌هایی که از خاکدانه‌های درشت و پایدارتری برخوردارند، بیشترین تخریب‌پذیری فیزیکی را در اثر تغییر کاربری زمین ‌دارند و بیشترین حساسیت را به فرسایش نشان می‌دهند.

حرکت سریع و پیچیده رسوبات در محیط‌های رودخانه‌ای و ساحلی با جریان بسیار فرسایشی و گذرا مشکلات زیادی را برای مهندسان رودخانه در موضوع ژئومورفولوژی رودخانه‌های آبرفتی ایجاد می‌کند. پیش‌بینی دقیق این پیچیدگی‌ها در سیستم آب - رسوب (یک سیستم جریان دانه‌ای متراکم چند فازی) هنوز یک چالش عمده برای مدل‌های مبتنی بر شبکه است. باتوجه‌به توانایی روش‌های لاگرانژی بدون شبکه در مدل‌سازی تغییر شکل‌های بزرگ و ناپیوستگی‌ها، روش‌های لاگرانژی بدون شبکه می‌توانند یک فرصت منحصربه‌فرد برای مقابله با چنین پیچیدگی فراهم کنند. پژوهش حاضر قابلیت‌های مدل نیمه‌ضمنی ذرات متحرک با تراکم ضعیف Weakly compressibility moving particle semi-implicit (WC-MPS) در مدل‌سازی برهم‌کنش خاک - سیال را توسعه می‌دهد تا امکان مدل‌سازی انتقال رسوب و اثرات آب‌شستگی را در پشت دیواره‌های ساحلی فراهم کند. در این روش مواد دانه‌ای به‌صورت یک سیال غیر نیوتنی و ویسکوپلاستیک در نظر گرفته شده است. برای پیش‌بینی رفتار غیر نیوتنی فاز دانه‌ای، از مدل رئولوژیکی 𝜇(I) استفاده شده است. به‌منظور تأیید کاربرد مدل حاضر در شبیه‌سازی برهم‏کنش فازهای مایع و جامد، ابتدا مسئله پرکاربرد شکست سد روی بستر فرسایش‌پذیر مدل‌سازی شد. متوسط خطای مدل مد نظر تقریباً 6 درصد محاسبه شد که نشان‌دهنده کارایی و دقت مدل مد نظر در این مسئله است. در انتها، آب‌شستگی دیواره‌های ساحلی شبیه‌سازی شد. بررسی‌ها نشان داد که فرایندهای مرتبط با فرسایش و آب‌شستگی به‌خوبی توسط روش لاگرانژی حاضر قابل مدل‌سازی بوده و نتایج عددی با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی مطابقت بسیار خوبی (با متوسط خطای مدل برابر با 10 درصد) را نشان داد.

آلودگی ناشی از فلزات سنگین به دلیل سمیت و تجزیه‌ناپذیری آن‌ها یک خطر بسیار جدی برای محیط‌زیست و همچنین سلامتی بشر محسوب می‌شود. اندازه‌گیری و پایش غلظت‌های ناچیز (حتی کمتر از حد تشخیص دستگاه) در مورد آلاینده‌های خطرناک و زیست پایداری همچون فلز سنگین کادمیم در نمونه‌های آب طبیعی یک ضرورت است. استخراج فاز جامد با استفاده از جاذب‌های کربنی کارآمدترین و رایج‌ترین روش پیش‌تغلیظی فلزات سنگین از نمونه‌های محیطی است. جاذب کربنی مورد استفاده در استخراج فاز جامد باید علاوه بر هزینه کم و زیست‌سازگاری، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مطلوبی داشته باشد. در این پژوهش از یاخته‌های سیانوباکتری آفانوکاپسا به‌عنوان یک پیش‌ماده ارزان‌قیمت برای ساخت یک جاذب میکرومقیاس با استفاده از روش هیدروترمال بهره‌گیری شد. ویژگی‌های کیفی و جذبی این جاذب با استفاده از آزمون‌های تجزیه دستگاهی و آزمایش‌های شیمیایی مبتنی بر کادمیم ارزیابی شد. جاذب ساخته شده به صورت ذرات به نسبت کروی (با اندازه کمتر از 10 میکرومتر) با سطحی ناهموار و سطح ویژه 382/02 مترمربع بر گرم بود. این جاذب به نوعی خاصیت بافری داشت که کارایی جذب کادمیم توسط آن در محدوده وسیعی از pH (3 تا 8) بیش از 90 درصد بود. سطح جاذب به لحاظ گروه‌های عامل اکسیژن‌دار و نیتروژن داری همچون هیدروکسیل، ایزوتیوسیانات و کربونیل غنی بود. هم‌دمای جذب کادمیم بهترین برازش را با مدل غیرخطی فروندلیچ و سرعت جذب کادمیم بهترین برازش را با مدل غیرخطی شبه‌مرتبه دوم داشت. متغیرهای محاسباتی مرتبط با مدل فروندلیچ از جمله شدت جذب نشان داد که جاذب تمایل زیادی به جذب غلظت‌های کم کادمیم دارد. کادمیم بیشترین و کمترین رقابت را برای جذب روی جاذب، به‌ترتیب با کاتیون‌های فلزات قلیایی و کاتیون‌های فلزات سنگین داشت. مقاومت جاذب در برابر افزایش قدرت یونی و غلظت کاتیون‌های رقیب به‌ترتیب برابر با 4 و 20 میلی‌گرم بر لیتر بود. کارایی شست‌وشوی جاذب بارگذاری‌شده در نسبت جاذب به محلول (1 به 1000)، در غلظت 0/3 نرمال و حجم 160 میکرولیتر شوینده (اسید نیتریک) به بیشترین مقدار خود رسید. با توجه به یافته‌های این پژوهش می‌توان گفت جاذب کربنی با منشأ سیانوباکتری آفانوکاپسا به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد خود می‌تواند جاذب کارآمدی برای استفاده در استخراج فاز جامد کادمیم به‌منظور کاهش آلودگی زیست‌محیطی باشد.

یکی از عوامل اصلی ایجاد فرسایش آبی، ویژگی ذاتی خاک یا فرسایش‌پذیری است. فرسایش‌پذیری تابعی از توزیع اندازه ذرات، ماده آلی، ساختمان و نفوذپذیری خاک است. هدف پژوهش حاضر بررسی تغییرات عامل فرسایش‌پذیری خاک در رخساره‌های ژئومورفولوژی است. شاخص فرسایش‌پذیری خاک با نمونه‌برداری از 58 نقطه در رخساره‌های ژئومورفولوژی حوضه آبخیز دوراهان - بروجن با روش ویشمایر و اسمیت برآورد شد. در آزمایشگاه توزیع دانه‌بندی خاک، درصد مواد آلی، ساختمان خاک، مقدار سنگ‌ریزه، آهک، شوری، اسیدیته و نسبت جذب سدیم تعیین شد. نتایج نشان داد فرسایش‌پذیری خاک در کل حوضه بین 0/0661- 0/0148 تن ساعت بر مگاژول میلی‌متر متغیر است. شاخص فرسایش‌پذیری خاک (K) در رخساره‌های تپه‌ماهور با دامنه منظم و برونزد سنگی بین 25 تا 50 درصد از لحاظ مقدار بیشتر از بقیه است و از لحاظ دامنه تغییرات نیز از بقیه رخساره‌ها بیشترین دامنه تغییرات را دارد. از طرفی کمترین دامنه تغییرات در رخساره‌های ژئومورفولوژی، مربوط به رخساره تپه‌ماهور با دامنه منظم و برونزد سنگی کمتر از 25 درصد است. به‌طور کلی با حرکت از سمت شرق به غرب حوضه، شاخص فرسایش‌پذیری کاهش پیدا می‌کند و یکی از دلایل آن، وجود رخساره‌های برونزد سنگی بوده که به‌عنوان لایه پوششی از خاک محافظت می‌کند.

منابع آب زیرزمینی یکی از بخش‌‌های متأثر از شرایط بلند‌مدت خشکسالی هستند که متأسفانه کمتر از سایر بخش‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند. پژوهش حاضر با هدف بررسی و پهنه‌بندی نوسانات کمی آب زیرزمینی و نیز تحلیل زمانی خشکسالی آب زیرزمینی با استفاده از شاخص GRI در محدوده مطالعاتی شیراز در حوزه آبخیز مهارلو - بختگان انجام شده است. بدین منظور با استفاده از آمار ۱۵ساله (1382-1397) منابع آب زیرزمینی و تقسیم آن به سه دوره زمانی پنج‌ساله، پهنه‌بندی تغییرات سطح و تراز آب زیرزمینی در محیط ArcGIS انجام و آبنمود معرف آبخوان تهیه شد. همچنین خشکسالی منابع آب زیرزمینی دشت مورد مطالعه با استفاده از شاخص GRI بررسی شد. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، بیشترین تراز سطح آب زیرزمینی مربوط به ناحیه شمال غرب آبخوان و حدود 1810 متر در مهرماه سال 1387 و کمترین مقدار نیز مربوط به نواحی جنوبی آبخوان با میزان 1423 متر در مهرماه 1397 است. همچنین نتایج نشان داد که سطح آب زیرزمینی در طول دوره ۱۵ساله مورد مطالعه با افتی برابر شش متر و متوسط افت سالانه 0/5 متر روبرو بوده است. بررسی تغییرات حجم مخزن نیز حاکی از این نکته بود که در سال‌های گذشته علاوه‌بر مصرف کل ذخیره تجدیدشونده، بخش زیادی از ذخیره ثابت نیز بهره‌برداری شده است. روند نزولی شاخص خشکسالی منابع آب زیرزمینی (GRI) و شدت‌گرفتن آن در سال‌های پایانی بازه زمانی مورد مطالعه، از مهم‌ترین نتایج این پژوهش بوده که در پی افزایش جمعیت و سطح زیرکشت، کاهش نزولات جوی و تغییر اقلیم رخ داده است.