علوم آب و خاک

تکنیک‏های محاسباتی نرم در سه دهه اخیر به‌طور وسیعی در تحقیقات علمی و مسائل مهندسی مطالعه و به‌کار برده شده‏اند. هدف از این پژوهش، بررسی توانایی شبکه عصبی پرسپترون چند لایه (MLP) و عصبی- فازی (NF) در برآورد پارامتریک منحنی نگهداشت رطوبتی خاک (SWRC) با استفاده از داده‏های کشت و صنعت‏های استان خوزستان بود. آنالیز حساسیت نیز جهت انتخاب ترکیب بهینه ورودی‏ها به‌کار برده شد. در تحقیق حاضر معادله‏های ون‏گنوختن و فردلند و زینگ جهت برآورد پارامتریک SWRC استفاده شد. ویژگی‏های اندازه‏گیری شده شامل توزیع اندازه ذرات خاک، ماده آلی، چگالی ظاهری، کربنات کلسیم معادل، نسبت جذب سدیم، هدایت الکتریکی عصاره اشباع، اسیدیته خاک، میانگین وزنی قطر خاکدانه‏ها، حدود خمیری و روانی، مقاومت نفوذی، درصد رطوبت اشباع و محتوی رطوبتی در مکش‏های 33،100، 500 و 1500 کیلوپاسکال بودند. نتایج این پژوهش بر پایه شاخص‏های ارزیابی عملکرد نشان داد که هر دو مدل MLP و NF برآوردهای مناسبی از SWRC ارائه دادند در حالی‏که شبکه عصبی برآوردهای بهتری از مدل عصبی- فازی فراهم کرد. به‌عنوان مثال مقادیر آماره NMSE در برآورد Sθ، rθ، α، n و m در معادله فردلند و زینگ با استفاده از مدل‏های MLP و NF به‌ترتیب برابر (059/0، 061/0)، (154/0، 162/0)، (109/0، 117/0)، (125/0، 135/0) و (129/0، 145/0) بودند. به‌علاوه پارامترهای α و n در عمق اول و rθ و α در عمق دوم در معادله فردلند و زینگ با دقت بیشتری نسبت به معادله ون‏گنوختن برآورد شدند.

عوامل گوناگونی بر نرخ فرسایش پاشمانی تأثیر دارند که یکی از آنها میزان و نوع نمک می‌باشد. هدف از انجام این پژوهش بررسی اثر شوری و قلیائیت خاک بر قابلیت فرسایش پاشمانی در شیب‌های متفاوت بود. این پژوهش به‌صورت آزمایش فاکتوریل سه عاملی در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار با استفاده از دستگاه جام پاشمانی چندمتغیره اجرا شد. عامل اول شامل شوری و قلیائیت در چهار سطح (2=EC، 2=SAR؛ 24=EC، 15=SAR؛ 56=EC، 42=SAR و 113=EC، 47=SAR)، عامل دوم شدت بارندگی در دو سطح (5/2 و 5/3 میلی‌متر بر دقیقه) و عامل سوم شیب در دو سطح (5 و 15 درصد) بود. نتایج نشان داد که با افزایش شوری و قلیائیت میزان کربن آلی و میانگین وزنی قطر خاکدانه‌ها کاهش یافت. اثر سطوح گوناگون شوری و قلیایی، شیب و شدت بارندگی بر نرخ فرسایش پاشمانی بالادست، پایین‌دست و کل فرسایش پاشمانی معنی‌دار بود. هم‌چنین اثر متقابل شیب-شوری و قلیائیت، شدت بارندگی- شوری و قلیائیت و شیب-شدت بارندگی- شور و قلیائیت بر نرخ فرسایش پاشمانی بالادست، پایین‌دست و کل فرسایش پاشمانی معنی‌دار بود. بنابراین به‌نظر می‌رسد که افزایش شوری و قلیائیت همراه با کاهش کربن آلی و پایداری خاکدانه‌ها سبب افزایش امکان وقوع فرسایش پاشمانی گردید.

اطلاع از تغییرات میزان رسوب معلق در مواقع سیلابی از مسائل مهم در پروژه‌های آبی، به‌ویژه مدیریت حوضه‌های آبخیز و بررسی علل فرسایش می‌باشد. رابطه بین دبی و غلظت رسوبات معلق طی سیلاب‌های مختلف به عللی از قبیل تنوع بارش، دبی و منابع تولید رسوب مشابه و همگن نبوده و تولید حلقه‌هایی شبیه به هیسترتیک می‌نماید. بدین منظور استفاده از حلقه‌های پسماند رسوب که بر مبنای تئوری هیسترتیک است در چند سال اخیر گسترش یافته است. در این تحقیق ابتدا مقادیر بار معلق لحظه‌ای با استفاده از روش‌های برنامه‌ریزی ژنتیک و رگرسیونی شبیه‌سازی گردید. در مقایسه نتایج دو مدل حاصل، مدل برنامه‌ریزی ژنتیک به‌ترتیب با ضریب تبیین و میانگین مربعات خطا 8/0 و 5/0 به‌عنوان بهترین مدل در این تحقیق انتخاب گردید سپس براساس این مدل منحنی‌های هیسترتیک بار معلق برای 6 رویداد ثبت‌شده در طول دوره آماری 1387-1383 ترسیم شد و 4 مورد حلقه هیسترتیک خطی و 2 مورد ساعتگرد برای رسوب معلق رودخانه مشاهده گردید. شناسایی انواع حلقه‌های هیسترتیک در تعیین سهم نسبی فرآیندهای مؤثر در تولید و انتقال رسوب از قبیل مقدار و شدت بارش، میزان دبی و شرایط رطوبتی پیشین حوضه مؤثر است و نیز با بررسی آنها می‌توان از منابع تولید و انتقال رسوب آگاهی یافت. نتایج نشان داد که حلقه‌های هیسترتیک ساعتگرد معمولاً در شرایط بارش و دبی زیاد و حلقه‌های هیسترتیک خطی در فصل بهار و ناشی از بارش‌ها با شدت کم اتفاق افتاده است و در این نوع حلقه‌های پسماند تفاوت قابل توجهی در غلظت رسوبات معلق متناظر با شاخه‌های صعودی و نزولی هیدروگراف وجود ندارد.

تعیین توزیع مکانی آلاینده‌های مختلف در خاک، شالوده ارزیابی آلودگی و کنترل خطر است. روش‌های درون‌یابی گوناگونی به‌طور گسترده‌ به‌منظور برآورد غلظت فلزات سنگین در مناطق نمونه‌برداری نشده استفاده شده‌اند. در این مطالعه، کارایی روش‌های درون‌یابی (وزن‌دهی معکوس فاصله، چندجمله‌ای محلی، کریجینگ معمولی و توابع پایه شعاعی) برای برآورد آلودگی خاک سطحی به مس و نیکل در استان گلستان ارزیابی شدند. به این منظور، 216 نمونه خاک سطحی از استان گلستان جمع‌آوری شد و غلظت نیکل و مس در نمونه‌ها تعیین گردید. سپس با استفاده از روش‌های درون‌یابی گوناگون، میزان آلودگی خاک مشخص شد. ارزیابی متقابل به‌منظور مقایسه روش‌ها با یکدیگر و برآورد میزان صحت آنها استفاده شد. نتایج نشان داد که تمام روش‌های درون‌یابی صحت قابل قبولی در پیش‌بینی غلظت میانگین عناصر مذکور داشتند. روش‌های RBF-IMQ و IDW1 کمترین RMSE را برای هر دو عنصر داشتند؛ در‌حالی که روش RBF-TPS بیشترین RMSE را داشت و مساحت بیشتری از مناطق آلوده را برای هر دو عنصر برآورد کرد. با افزایش توان وزن‌دهی در روش‌های IDW مناطق آلوده وسیع‌تری برآورد شد. روش‌های درون‌یابی در قیاس با روش نسبت نمونه‌ها، مناطق آلوده به مس و نیکل را به‌ترتیب 38/8 و 93/ 6 درصد کمتر برآورد کردند.

مطالعه حاضر با هدف تعیین غلظت برخی عناصر غذایی در خاک و گیاهان در سه طبقه ارتفاعی (1500، 2200 و3000 متری) و دو مرحله زیستگرد گلدهی و شروع بذردهی در مراتع شمال سبلان انجام شد. نمونه‌های خاک از عمق 20 سانتی‌متری و نمونه‌های گیاه از سطح پلات‌های 1×1 متری به تعداد 10 پلات جمع‌آوری شد. پس از آماده‌سازی نمونه‌ها، غلظت عناصر معدنی کلسیم، فسفر، سدیم، پتاسیم، آهن، مس، روی و منگنز با استفاده از دستگاه‌های اسپکتروفتومتر جذب اتمی و فلیم‌فتومتر تعیین شد. داده‌ها با نرم‌افزار SAS9.1 و رویه مدل عمومی خطی در قالب طرح کاملاً تصادفی تجزیه و تحلیل شد. نتایج نشان داد ارتفاع بر غلظت کلسیم، آهن، مس، روی و منگنز خاک و فسفر، سدیم، پتاسیم، منیزیم، مس و منگنز گیاهان در طبقات ارتفاعی اثر معنی‌داری دارد (05/0P&le). فصل رویشی بر کلیه عناصر به جز کلسیم در گیاهان اثر معنی‌داری داشت‌ (05/0P&le). همچنین نتایج نشان داد در هر سه رویشگاه ارتفاعی غلظت عناصر پرنیاز در مرحله شروع بذردهی بالاتر از مرحله گلدهی بود. در مقابل، عناصر کم ‌نیاز در هر سه منطقه ارتفاعی در مرحله گلدهی غلظت‌های بالاتری نسبت به شروع بذردهی داشتند. اثر متقابل ارتفاع و مرحله رشد نیز به جز کلسیم در ارتباط با سایر عناصر معنی‌دار بود (05/0P&le).

استفاده از مواد آلی همچون لجن فاضلاب می‏تواند در بهبود کیفیت خاک موثر باشد. در این مطالعه تاثیر لجن فاضلاب بر ویژگی‏ های شیمیایی، تنفس و کربن زیست توده میکروبی خاک مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور یک نمونه خاک آهکی با بافت‏ لوم سیلتی رسی از اراضی دانشگاه شهرکرد تهیه و به‌واسطه افزودن لجن فاضلاب شهری با نسبت‏های  صفر به صد، پنجاه به پنجاه و هشتاد به بیست (گرم لجن فاضلاب به گرم خاک) تیمار‏ها به ترتیب با سه درجه بدون آبگریزی (S0)، آبگریزی کم (S50) و آبگریزی قوی (S80) انتخاب و تهیه شدند. آبگریزی خاک به‌روش مدت زمان نفوذ قطره آب به خاک اندازه‏گیری شد. ویژگی‏های شیمیایی خاک از جملهpH ، قابلیت هدایت الکتریکی، درصد کربن آلی کل، کربنات کلسیم معادل ، میزان سدیم و پتاسیم محلول خاک تعیین گردید. تنفس پایه و کربن زیست توده میکروبی خاک پس از یک دوره کوتاه پیش انکوباسیون به مدت یک ماه به فاصله هر 10 روز یک بار اندازه‏گیری شد. نتایج نشان داد، اثر مصرف لجن فاضلاب بر آبگریزی و ویژگی‏های شیمیایی خاک معنی‏دار (0001/0 (P≤ بود. لجن فاضلاب شهری در سطح و شرایط بکار رفته شده منجر به افزایش معنی‏دار تنفس (27-16 برابر) و زیست توده میکروبی (5/16-2/15 برابر ) در تیمارهای آبگریز (S50 و S80) نسبت به تیمار شاهد گردید. این افزایش طی 10 روز اول بیشتر، ولی طی 10 روز دوم و سوم با سرعت کمتری افزایش یافت. این می‏تواند به‌علت کربن آلی و عناصر غذایی قابل استفاده در لجن فاضلاب شهری و کاهش میزان ترکیبات آلی قابل تجزیه موجود در لجن با گذشت زمان باشد.
 

جریان‌های سیلابی با ایجاد آب‌شستگی موضعی در کناره‌های پایه پل‌ها، از عوامل تهدید‌کننده پایداری پل محسوب می‌شوند. یکی از روش‌های کاهش آب‌شستگی موضعی تقویت بستر در مقابل تنش‌های وارده است. از جمله روش‌هایی که به‌صورت ‌مستقیم در کاهش و کنترل آب‌شستگی موضعی پایه‌های پل می‌تواند مناسب واقع شود، به‌کار بردن ژئوتکستایل در اطراف پایه پل می‌باشد. در تحقیق حاضر، تأثیر لایه ژئوتکستایل در کاهش آب‌شستگی موضعی تک پایه استوانه‌ای مورد بررسی قرارگرفت و بهترین الگوی پوشش برای بیشترین تأثیر به‌دست آمد، به‌طوری که لایه‌هایی با اشکال دایروی و بیضی به‌صورت نسبتی از قطر پایه در اطراف پایه قرار گرفت و عملکرد هر کدام با حالت پایه بدون محافظ مقایسه گردید. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که با نصب لایه ژئوتکستایل با پوشش بیضوی در کنار پایه عمق نهایی آب‌شستگی به D25/1 می‌رسد. همچنین در مقایسه ژئوتکستایل و طوقه به ابعاد D2، کارکرد ژئوتکستایل در تأخیر فرایند آب‌شستگی حدود 40 برابر بیشتر از کارایی طوقه است ولی طوقه عمق نهایی آب‌شستگی را بیشتر کاهش می‌دهد.