علوم آب و خاک

شناسایی تغییرات کاربری اراضی برای ارزیابی و پایش مناطق حساس با هدف برنامه‌ریزی و مدیریت پایدار سرزمین امری ضروری است. سنجش ‌از دور و استفاده از فناوری سیستم اطلاعات جغرافیایی، امروزه به‌عنوان یکی از روش‌های متداول و رایج دنیا در امر پایش بررسی تغییرات سرزمین به‌ویژه در بررسی اراضی با وسعت بالا به‌شمار می‌رود. در این مطالعه روند تغییرات مکانی کاربری اراضی در حوزه سد کارون 3 در زمان‌های قبل و بعد از احداث و آبگیری سد با استفاده از علم سنجش ‌از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی طی یک دوره 27 ساله بررسی شد. در این پژوهش، تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 سنجنده TM مربوط به سال‌های 1991 و 2008 و لندست 8 سنجنده OLI سال 2018 مورد تجزیه و تحلیل و پردازش قرار گرفت. با استفاده از طبقه‌بندی شی‌ءگرا نقشه‌های کاربری اراضی برای سه مقطع زمانی 1991، 2008 و 2018 با صحت کلی شاخص کاپا به‌ترتیب 0/93 و 0/89 درصد برای سال 1991، 0/94 و 0/88 درصد در سال 2008 و 0/93 و 0/86 درصد سال 2018 تهیه شد. نتایج نشان می‌دهد کاربری آب منطقه با وسعت 37/68 کیلومترمربع روند افزایشی و اراضی کشاورزی و مناطق مسکونی با وسعت به‌ترتیب 139/04 و 226/56 روند کاهشی، اراضی جنگلی با وسعت 1041/49 به‌عنوان پوشش غالب منطقه باقی ماند و اراضی مرتعی با طی کردن روند کاهشی افزایش در هر دو دوره بعد از کاربری جنگل با وسعت 878/87 بیشترین وسعت را داشتند. با توجه به نتایج به‌دست‌ آمده می‌توان گفت احداث سد کارون 3 باعث زیرآب رفتن زمین‌های کشاورزی و تبدیل آنها به کاربری دیگر شده است، درنتیجه مردم روستا به‌دلیل از دست دادن شغل خود مجبور به مهاجرت شده‌اند و مناطق مسکونی رها شده به سایر کاربری‌های تبدیل می‌شوند.

تحقیق حاضر به بررسی آزمایشگاهی و نرم¬افزاری سد¬های خاکی همگن در حالت تخلیۀ ناگهانی مخزن می‌پردازد. در این پژوهش با به‌کارگیری مدل آزمایشگاهی، مدل عددی در حالت¬های مختلف اشباع بودن خاک مورد ارزیابی قرار داده شد. به‌منظور بررسی آزمایشگاهی تأثیر هدایت هیدرولیکی بر افت سریع سطح آب و به‌کارگیری پارامترهای هیدرولیکی مواد، جریان نشت در مدل توسط نرم‌افزار seep/w مدل‌سازی شد. اطلاعات ورودی به نرم‌افزار شامل، هدایت هیدرولیکی و مقدار حجم آب به‌ترتیب با انجام آزمایش¬ بار ثابت و با به‌کارگیری یک نفوذسنج دیسکی ارائه شد. پس از صحت¬سنجی هدایت هیدرولیکی با مدل عددی، نتایج با داده¬های آزمایشگاهی مقایسه شد. مقایسه بین تخلیه عددی و آزمایشگاهی نشان می¬دهد که مدل عددی تفاوت معناداری با مدل آزمایشگاهی ندارد. علاوه بر این، شبیه¬سازی¬های اشباع و غیراشباع نشان می¬دهد که مدل غیراشباع مطابقت زیادی با مدل آزمایشگاهی دارد. فرض بر این است که با توجه به شرایط افت، مدل¬های غیراشباع می¬توانند دقت زیادی را برای شبیه¬سازی جریان از طریق سد خاکی همگن به‌دست آورند.

پژوهش حاضر برای بررسی آزمایشگاهی مکانیزم شکست سد خاکی ناشی از اثر میزان شیب بالادست و پایین¬دست بدنه سد، طرح‌ریزی شده است. با توجه به اینکه شیب وجه پایین¬دست این نوع سد‏ تأثیر زیادی بر زمان و نحوه‏ی خرابی دارد، بدین¬منظور 8 مدل از سد خاکی با شیب‌‌‌های متفاوت بالادست و پایین¬دست (1:1 و 2:1) برای دو نوع خاک (خاک Sc) ساخته شد. زمان تخریب سد و نحوه آن برای دبی‌‌‌های سیلابی مورد نظر بررسی شد. نتایج نشان داد که شیب بالادست سد خاکی به مراتب تأثیر کمتری نسبت به شیب پایین¬دست بر روند آبشستگی حاصل از پدیده روگذری دارد. همچنین، با افزایش شیب پایین¬دست بدنه سد خاکی، میزان آبشستگی در شکاف آبشستگی تا ماکزیمم 28 درصد افزایش پیدا می¬کند. همچنین، با استفاده از تکنیک رگرسیون غیر خطی، روابطی برای تخمین میزان دبی خروجی و محل تشکیل آبشار ارائه شد. همچنین، با درنظرگرفتن نحوه شسته¬شدن و تشکیل آبشار درون بدنه سد¬های خاکی چسبنده، دو طرح کلی آبشار بزرگ و سری آبشارها ارائه شد. درنهایت نحوه تشکیل این آبشارها با تنش موجود در زمان شسته¬شدن رسوبات نسبت به تنش برشی مواد سازنده سد مورد بررسی و ارزیابی قرار داده شد و با ارائه محدودیت¬هایی بر پایه تنش برشی، وضعیت تشکیل نوع و الگوی شسته شدن بدنه سد¬های خاکی چسبنده در زمان روگذری تخمین زده شد. درنهایت طرح کلی برای تخمین رفتار آبشستگی در سدهای همگن با خاک چسبنده معرفی شد.

استفاده از کودهای آلی در اصلاح و احیای خاک‌های شور و سدیمی می‌تواند از ضرورت استفاده از منابع شیمیایی کلسیم بکاهد. در پژوهش حاضر آزمایش‌های آبشویی خاک در قالب طرح کاملاً تصادفی به‌صورت فاکتوریل خرد‌شده با سه تکرار انجام شد. فاکتورهای اصلی: 1) نوع ماده اصلاح‌گر شامل کود دامی و کمپوست، 2) سطح ماده اصلاح‌گر شامل یک، سه و پنج درصد وزنی و 3) مرحله آبشویی در پنج سطح شامل: بدون آبشویی، یک بار، دو بار، سه بار و چهار بار آبشویی هر بار با یک حجم منفذی و با فواصل 30 روزه بود. تمامی ستون‌ها بعد از اضافه‌کردن اصلاح‌گرها به مدت 30 روز تحت انکوباسیون قرار گرفته و سپس آبشویی شدند. صفات در هر ستون، در سه عمق به‌عنوان فاکتور فرعی بررسی شد. بعد از 120 روز، شوری و درصد سدیم تبادلی خاک تیمار‌شده با هر دو اصلاح‌گر به‌ترتیب به کمتر از پنج دسی‌زیمنس بر متر و 15 درصد رسید. بعد از 150 روز، غلظت پتاسیم و منیزیم تبادلی توسط هر دو اصلاح‌گر کاهش یافت. کلسیم تبادلی خاک در پایان ماه پنجم توسط هر دو اصلاح‌گر افزایش معنی‌داری پیدا کرد. کارایی سطح یک درصد وزنی از هردو اصلاح‌گر با سطوح دیگر در بهبود ویژگی‌های شور و سدیمی خاک برابر بود و بین آبشویی با سه و چهار حجم منفذی در مورد هیچ‌کدام از اصلاح‌گرها در اکثر صفات، تفاوتی مشاهده نشد. در تیمار آبشویی با سه حجم منفذی با کاربرد سطح یک درصد وزنی کود دامی و کمپوست،  ECخاک به‌ترتیب، 80 درصد و 71 درصد و ESPخاک به‌ترتیب 44/5 درصد و 35 درصد کاهش یافت. 

پیش‌بینی دقیق فشار آب حفره‌ای در بدنه سدهای خاکی در زمان ساخت با روش‌های دقیق یکی از مهم‌ترین ارکان در مدیریت پایداری سدهای خاکی است. هدف کلی از این تحقیق توسعه مدل‌های ترکیبی، بر مبنای سیستم استنتاج عصبی فازی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی فرا‌ ابتکاری است. در این راستا الگوریتم‌های فرا ابتکاری بهینه‌ساز شامل الگوریتم ژنتیک (GA)، ازدحام ذرات (PSO)، تفاضل تکاملی (DE)، کلونی مورچگان برای فضای پیوسته (ACOR)، جستجوی هارمونی (HS)، رقابت استعماری (ICA)، کرم شب تاب (FA) و گرگ خاکستری(GWO) به‌منظور بهبود عملکرد آموزش سیستم استنتاج عصبی فازی، استفاده شد. سه ویژگی شامل تراز خاکریزی، زمان ساخت سد و تراز مخزن (آبگیری) حاصل از ابزار دقیق سد به‌عنوان ورودی مدل‌های ترکیبی انتخاب شدند. ارزیابی‌هایی انجام‌ شده از مقایسه مدل‌های ترکیبی با شاخص‌های آماری، نشان‌دهنده دقت قابل ‌قبول هر هشت مدل ترکیبی است. نتایج تحقیق نشان داد مدل ترکیبی الگوریتم ژنتیک در دوره آزمون با مقادیر ، RMSE، NRMSE وMAE  به‌ترتیب برابر با مقادیر0/9540، 0486/، 0/1232 و 0/0345، بهترین عملکرد را نسبت به سایر الگوریتم‌های بهینه‌ساز دارد. همچنین الگوریتم‌های ترکیبی ANFIS-GA، ANFIS-PSO، ANFIS-ICA،ANFIS-HS عملکرد بهتری را نسبت بهANFIS-GWO، ANFIS-FA، ANFIS-ACOR و ANFIS-DE در بهبود آموزش شبکه ANFIS و پیش‌بینی فشار آب حفره‌ای در بدنه سدهای خاکی در زمان ساخت، دارند.

نشست غیرقابل پیش‌بینی سدهای خاکی پژوهشگران را بر آن داشته تا روش‌های نوین نظیر شبکه عصبی مصنوعی، تئوری موجک، منطق فازی و ترکیبی از این روش‌ها مورد توجه آنها قرار گیرد. در این پژوهش با استفاده از روش‌های هوش مصنوعی مقدار نشست تاج در سدهای سنگریزه‌ای با هسته مرکزی تخمین زده شده است. در این پژوهش از داده‌های 35 سد سنگریزه‌ای با هسته مرکزی برای آموزش و صحت‌سنجی مدل‌ها استفاده شد. شبکه عصبی مصنوعی، مدل ترکیب تبدیل موجک و شبکه عصبی مصنوعی و سیستم استنتاج تطبیقی فازی- عصبی مدل‌های پیشنهادی ارائه شده در این پژوهش هستند. بر اساس نتایج حاصل در مطالعه حاضر، بهترین مدل برای شبکه عصبی مصنوعی با دو لایه مخفی که لایه اول 18 نورون و لایه دوم 7 نورون و با تابع فعال‌ساز Tansig-Tansig، با ضریب تعیین R2=0.4969، برای مدل سیستم استنتاج فازی- عصبی، تابع حلقوی (Dsigmoid) به‌عنوان تابع عضویت، با 3 تابع عضویت و تعداد 142 تکرار با ضریب تعیین R2=0.2860، بهترین مدل و همچنین برای ترکیب تبدیل موجک- شبکه عصبی با تابع موجک coif2 به‌دلیل انطباق بیشتر این تابع با متغیرهای ورودی، عملکرد بهتری داشته و این تابع با ضریب تعیین R2=0.9447، دارای بیشترین دقت نسبت به سایر مدل‌ها است. 

انسان‌ها همواره برای استفاده از منابع طبیعی و برطرف‌کردن نیازهای خود درصدد تغییر زمین و اراضی آن هستند. یکی از تغییرات کاربری که برای بهره‌مندی از منابع آبی پایدار رخ می‌دهد، سدسازی است. احداث سد از همان مراحل آغازین تا بهره‌برداری، پیامدهای مثبت و منفی زیادی را برای محیط‌ زیست به‌همراه دارد. هدف از انجام این تحقیق بررسی اثر سد گتوند بر تغییر کاربری اراضی، با توجه ‌به مشکل برخورد مسیر جریان آب به گنبدهای نمکی و تجمع حجم زیادی از نمک، پشت دریاچه سد است؛ لذا به این منظور از تصاویر سنجنده TM ماهواره لندست ۵ برای سال ۱۳۷۰، سنجنده ETM+ ماهواره لندست ۷ برای سال ۱۳۸۷ و سنجنده OLI ماهواره لندست ۸ برای سال ۱۳۹۹ برای طبقه‌بندی تصاویر و همچنین تهیه نقشه‌های کاربری اراضی حوضه مورد مطالعه استفاده شد. با بررسی و ارزیابی نقشه‌های کاربری از منطقه نتایج تحقیق نشان داد که اراضی کشاورزی پس از بهره‌برداری از سد در حال توسعه است. در طول دوره مطالعه اراضی بایر در حال کاهش و همچنین وسعت آب منطقه در حال افزایش است. طی سال‌های ۱۳۸۷ تا ۱۳۹۹ با گسترش جمعیت، مناطق مسکونی با افزایش مساحت همراه بود. مراتع و مرغزارها نیز در طی دوره اول روند افزایشی و در دوره دوم روند کاهشی داشته‌اند. نتایج صحت طبقه‌بندی به روش شیء‌گرا برای سه مقطع زمانی ۱۳۷۰، ۱۳۸۷ و ۱۳۹۹ به‌ترتیب 0/92، 0/97 و 0/93 به‌دست آمد. به‌طور کلی طبق نتایج این تحقیق می‌توان بیان کرد که ساخت سد باعث افزایش سطح زیر کشت اراضی شده است و در مقابل با افزایش جمعیت و گسترش شهرنشینی در محدوده ساخت سد، باعث تخریب و کاهش مساحت مراتع می‌شود.