علوم آب و خاک

هدف از این پژوهش بررسی اثر آتش‌سوزی مراتع منطقه گنبد همدان بر ذخیره کربن آلی خاک در دو منطقه شاهد و دچار آتش‌سوزی، پس از گذشت سه سال از آتش‌سوزی، و امکان‌سنجی کاربرد سنجش‌ازدور در برآورد غیرمستقیم کربن خاک است؛ ازاین‌رو پس از گذشت 3 سال از زمان وقوع آتش‌سوزی، 20 نمونه خاک سطحی (عمق 10-0 سانتی‌متری) از منطقه آتش‌سوزی‌شده و 20 نمونه از منطقه شاهد (در مجموع 40 نمونه) به‌صورت سیستماتیک - تصادفی برداشت شد. تغییرات میزان کربن آلی، نیتروژن کل، اسیدیته و شوری خاک سطحی بین مناطق شاهد و آتش‌سوزی با استفاده از آزمون t مستقل مورد بررسی قرار گرفته‌است. سپس به‌منظور بررسی رابطه خطی ذخیره کربن‌ آلی خاک با سایر پارامترها از آزمون همبستگی پیرسون در نرم‌افزار SPSS v.26 استفاده شد. نتایج آزمون t مستقل تفاوت معنی‌داری در EC، اسیدیته و کربن آلی خاک دو منطقه شاهد و آتش‌سوزی نشان نداد و تنها میزان نیتروژن کل خاک تفاوت معنی‌داری بین دو منطقه داشته‌است. نتایج در منطقه آتش‌سوزی نشان داد، بین کربن آلی خاک و نیتروژن کل ارتباط مثبت معنی‌داری به میزان 0/830 (0/01>p) و با شاخص لختی خاک ارتباط منفی به میزان 0/727- دیده شده‌است (0/05>p). در منطقه شاهد نیز بین کربن آلی و نیتروژن کل ارتباط مثبت معنی‌داری به میزان 0/627 دیده شد (0/05>p). نتایج پردازش تصاویر لندست 8 (سنجنده OLI-TIRS) در منطقه آتش‌سوزی نشان داد، بین کربن آلی خاک با شاخص روشنایی و شاخص خیسی حاصل از تسلدکپ ارتباط آماری معنی‌داری به‌ترتیب به میزان 0/726- و 0/674 و مؤلفه PC1 حاصل از تجزیه مؤلفه‌های اصلی و 0/724- دیده شد (0/05>p). این نتایج نشان می‌دهد امکان استفاده از تصاویر تسلدکپ برای پیش‌بینی کربن آلی خاک در مناطق آتش‌سوزی وجود دارد.

سرریزهای کلیدپیانویی جزء جدیدترین سرریزهای غیرخطی هستند که ضریب آبگذری بیشتری نسبت به سرریزهای مشابه دارند. این سازه‌های هیدرولیکی دارای فونداسیون سبک و ساده‌ای هستند که روی سدها و کانال‌های زهکشی طراحی و نصب می‌شوند. به‌دلیل راندمان زیاد این سرریزها، بررسی آبشستگی پایین‌دست آنها و راهکار برای کاهش مقدار آن در سال‌های اخیر، موردتوجه مهندسان قرار گرفته است. در این پژوهش سعی شده از یک سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع C، سه دبی و سه عمق پایاب استفاده شود. همچنین از دو مانع با ارتفاع‌های 02/0 و 04/0 متر در انتهای کلیدهای خروجی سرریز استفاده شد. نتایج نشان داد که وجود مانع، باعث کاهش آبشستگی در پنجه سرریز می‌شود. مقدار کاهش آبشستگی در پنجه سرریز و با ارتفاع مانع بزرگ‌تر، بیشتر از سرریز با ارتفاع مانع کوچک‌تر و در هر دو بیشتر از سرریز بدون مانع است. وجود مانع باعث کاهش بیشینه عمق آبشستگی و دورتر شدن فاصله بیشینه عمق آبشستگی از پنجه سرریز می‌شود. در سرریز با ارتفاع مانع 02/0 و 04/0 متر نسبت به سرریز بدون مانع، مقدار بیشینه عمق آبشستگی حدود 4/16 و 9/26 درصد کمتر و فاصله بیشینه عمق آبشستگی در آن‌ها نسبت به سرریز بدون مانع، حدود 7/8 و 1/19 درصد بیشتر است. شاخص آبشستگی در سرریزهای دارای مانع کمتر از سرریزهای بدون مانع است که می‌تواند خطر واژگونی سرریز را کاهش دهد. کمترین مقدار شاخص آبشستگی در سرریز با ارتفاع مانع 04/0 متر دیده شد که تقریباً 2/41 درصد کمتر از سرریز بدون مانع است.

در این مطالعه، یک مدل مفهومی مبتنی بر سیستم پویا برای بهینه‌سازی مدیریت آب، زمین و تولید محصولات کشاورزی (چای و برنج) در نواحی آبیاری شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود توسعه داده شد. به‌منظور شناخت رفتار شبکه و تهیه مدل شبیه‌سازی سیستم از یک مدل مفهومی مبتنی بر مدل پویایی سیستم استفاده شد که در محیط MATLAB/Simulink شبیه‌سازی مدل انجام شد. در ادامه با استفاده از روش بهینه‌سازی الگوریتم ژنتیک مدل بهینه‌سازی سیستم مورد مطالعه به‌صورت یک مدل چندهدفه توسعه داده شد و سپس با استفاده از روش وزن‌دهی توابع هدف، شرایط مختلف مدیریتی اجرا شد. نتایج نشان داد که انتخاب بهترین پاسخ از مدل‌های بهینه‌سازی چندهدفه به مقادیر وزنی توابع هدف وابسته است و با تغییر این مقادیر، تصمیم‌گیرندگان می‌توانند پاسخ‌های متنوعی برای مسائل پیچیده بهینه‌سازی ارائه دهند. مدل بهینه‌سازی با ترکیب وزنی مختلف، سطح زیر کشت و تخصیص آب را به‌گونه‌ای تعیین می‌کند که کمبود آب کمینه و عملکرد محصولات بیشینه شود. علاوه بر این، یافته‌ها حاکی از آن است که کانال‌های شبکه آبیاری نقش حیاتی در تأمین نیاز آبی دارند و تخصیص عادلانه آب برای جلوگیری از برداشت بی‌رویه و پیامدهای منفی مانند پیشروی آب شور و فرونشست زمین ضروری است. مطالعه نشان می‌دهد که بهترین راهکار به شرایط محلی و سیاست‌های تصمیم‌گیرندگان بستگی دارد. برای دستیابی به بیشترین سود اقتصادی و پاسخگویی به نیازهای آب، پیشنهاد می‌شود از ترکیب وزنی نزدیک به   استفاده شود. درنهایت، این مدل به مدیران و تصمیم‌گیرندگان کمک می‌کند تا با تغییر سطح زیر کشت و بهره‌برداری بهینه از منابع آب، کمترین میزان کمبود آبی را در منطقه ایجاد کنند.

گندم یکی از مهم‌ترین محصولات غذایی در سراسر جهان است. در زمینه بحران جهانی غذا و تغییرات آب‌وهوایی، پیش‌بینی دقیق تولید گندم برای توسعه کشاورزی دقیق از اهمیت زیادی برخوردار است. سنجش‌ازدور امکان پیش‌بینی غیرمستقیم تولید محصول را قبل از برداشت فراهم می‌کند. در این پژوهش به بررسی کاربرد روش‌های جنگل تصادفی و رگرسیون بردار پشتیبان در شبیه‌سازی تولید گندم در ده مزرعه انتخابی در دشت قزوین طی دوره 2020-2019 با استفاده از شاخص‌های گیاهی MSAVI ،NDVI و EVI پرداخته شده است. برای شاخص‌های گیاهی از ماهواره سنتینل2 استفاده شد. تولید ده مزرعه گندم از سازمان جهاد کشاورزی استان قزوین دریافت شد. به‌منظور ارزیابی داده‌های تولید گندم مشاهداتی و شبیه‌سازی‌شده با استفاده از روش‌های رگرسیون بردار پشتیبان و جنگل تصادفی از آماره‌های  RMSE ،MBE ،R² و  MAE ارزیابی شد. به‌منظور بررسی شبیه‌سازی تولید گندم با استفاده از شاخص‌های گیاهی، هفت روش (روش‌های یک تا سه هر شاخص به‌صورت جداگانه، در روش‌های چهار تا شش شاخص‌ها به‌صورت ترکیب دوتایی و در روش هفت اثر ترکیبی هر سه شاخص) تعریف شد. مدل رگرسیون بردار پشتیبان در همه روش‌ها به‌جز روش یک و چهار در مرحله آزمون با ضریب تبیین بیش از 0/98 و مقدار اندک RMSE تخمین مناسبی از تولید گندم داشته است. مدل جنگل تصادفی در همه روش‌ها به‌جز روش دو و شش در مرحله آزمون با احتمال معنی‌داری 95% (0/00=P-value) و ضریب تبیین بیش از 0/8 تخمین مناسبی از تولید گندم داشته است. به‌طورکلی، این پژوهش اهمیت و پتانسیل تکنیک‌های یادگیری ماشین را برای پیش‌بینی به‌موقع تولید محصول نشان می‌دهد که پایه محکمی برای امنیت غذایی در منطقه فراهم می‌کند.

ردپای آب یک ابزار تحلیلی است که دیدگاه بهتر و جامع‌تری از چگونگی ارتباط بین یک مصرف‌کننده یا تولیدکننده با مصرف آب شیرین ارائه می‌کند. با توجه به بحران آب در کشور و به‌خصوص استان اصفهان، هدف اصلی در این مطالعه، برآورد و مقایسه ردپای آب مستقیم و غیرمستقیم در برخی صنایع بزرگ شامل فولاد مبارکه، ذوب‌آهن، پالایشگاه و نیروگاه مستقر در حوضه آبریز زاینده‌رود است. بعد از تعیین اهداف مد نظر و زمینه‌های مورد مطالعه و نیز قابلیت دستیابی به داده‌های مد نظر، اطلاعات از صنایع منتخب جمع‌آوری شد. سپس از دو روش تجمیع کل زنجیره و حاصل جمع گام‌ها برای محاسبه ردپای آب در صنایع مورد مطالعه استفاده شد. با توجه به محاسبات انجام‌شده، مقدار ردپای آب به صورت مستقیم و غیرمستقیم در صنعت ذوب‌آهن، 9/196 مترمکعب به‌ازای یک تن فولاد در سال است که 4/026 مترمکعب آن مربوط به مصرف مستقیم و 5/17 مترمکعب آن مربوط به مصرف غیرمستقیم است. در پالایشگاه، برای تولید یک بشکه محصول (بنزین یا گازوئیل)، مقدار 18/80 لیتر آب به‌صورت مستقیم و غیرمستقیم مصرف می‌شود. همچنین ردپای آب مستقیم و غیرمستقیم در نیروگاه اسلام‌آباد برابر با 1198320 مترمکعب بر تراژول و یا به عبارتی 4/31 لیتر بر کیلووات‌ساعت است. نتایج این پژوهش نشان داد که میزان مصرف ردپای آب غیرمستقیم در صنایع مورد مطالعه، برابر و یا بیشتر از میزان مصرف آب مستقیم است و هر دو به یک اندازه اهمیت دارند. درنهایت گفتنی است که نتایج این پژوهش می‌تواند توسط تصمیم‌گیرندگان و سیاست‌گذاران در صنعت، از جمله صنایع ذوب‌آهن، پالایشگاه و نیروگاه برای مدیریت ردپای آب استفاده شود.

سرریزهای زیگزاگی با افزایش طول تاج در یک محدوده عرضی مشخص، موجب افزایش ظرفیت آبگذری سرریز می‏شوند. در این میان نباید از تأثیر افت هیدرولیکی در روند عملکرد هیدرولیکی سرریزها غافل شد و در همین راستا در پژوهش حاضر به‌منظور بررسی افت هیدرولیکی سرریزها و نیز ضریب آبگذری آن‌ها از یک فلوم آزمایشگاهی به طول 8 متر، عرض 0/6 متر و ارتفاع 0/6 متر استفاده شد. سرریزهای مورد استفاده در این پژوهش از نوع زیگزاگی با پلان قوسی و خطی بودند. آنالیز ابعادی به روش باکینگهام نشان داد که ضریب آبگذری (Cd) تابع پارامترهایی همچون نسبت هد هیدرولیکی (Ht/P)، فاکتور شکل سرریز (Sf)، نسبت افت هیدرولیکی (Hf/P) و عدد فرود (Fr) بوده است. نتایج نشان داد افزایش هد هیدرولیکی موجب کاهش ضریب آبگذری در سرریزها شده است. علاوه‌بر این شدت تداخل تیغه‌های عبوری جریان از روی سرریزها به‌تدریج و با افزایش هد هیدرولیکی موجب افزایش افت هیدرولیکی شده است. افزایش افت هیدرولیکی تا حد مشخصی از هد هیدرولیکی اتفاق افتاد و بعد از آن سیر کاهشی به خود گرفت. در این صورت می‌توان گفت نمودار افت هیدرولیکی برای سرریزهایی همچون ARCL روند سینوسی داشت. در نسبت هد هیدرولیکی 0/4، سرریز ARCL نسبت به سرریز APKW به میزان 227/7 درصد دارای افت هیدرولیکی بیشتری بود. در نسبت هد هیدرولیکی 0/6، سرریز RCL نسبت به سرریز PKW به میزان 200 درصد دارای افت هیدرولیکی بیشتری بود. روند تغییرات افت هیدرولیکی نسبت به افزایش عدد فرود در سرریزهای ARCL و RCL به‌صورت سینوسی بود. سرریز ARCL نسبت به دیگر سرریزها، به‌ازای افزایش عدد فرود دارای بیشترین افت هیدرولیکی بود. تمامی سرریزهایی که با استفاده از نرم‌افزار FLOW-3D مدل‌سازی شدند، دارای مقادیری (Cd و Hf/P) بیش از مقادیر حاصل از مدل‌سازی فیزیکی بودند و این از نظر فاکتور ایمنی دارای اهمیت است؛ علاوه‌بر آنکه میزان خطا در مدل‌سازی عددی بسته به پارامترها و شرایط مختلف متفاوت است، اما به‌طور متوسط در محدوده 10% تا 30% قرار داشت. مقدار خطا برای سرریزهای زیگزاگی در برخی موارد بیشتر از سرریزهای کلیدپیانویی بود.

تمایل به حفاظت از محیط‌زیست و افزایش تقاضای شیوه‌‌های سبز در برخورد با معضلات زیست‌محیطی، پژوهشگرا‌‌ن را به سمت درنظرگرفتن روشی پایدار و مطمئن در تصفیه فاضلاب رنگرزی سوق می‌‌دهد. یکی از این روش‌‌ها، تصفیه با استفاده از فرایند انعقاد الکتریکی است. در این پژوهش، به‌منظور ارزیابی کارایی سیستم‌ انعقاد الکتریکی در تصفیه فاضلاب رنگرزی، یک رآکتور انعقاد الکتریکی ناپیوسته طراحی و تأثیر دو پارامتر فاصله بین الکترودها و زمان ماند بر راندمان حذف آلاینده‌ها بررسی شد. به‌منظور بررسی تأثیر فاصله الکترود، فاصله‌‌های 2، 5 و 7 سانتی‌متر در نظر گرفته شد و به‌منظور مشخص‌کردن تأثیر زمان ماند، آزمایش‌‌ها با زمان ماند 10، 15، 20، 25 و 30 دقیقه انجام شد. بررسی نتایج نشان داد که بهترین فاصله بین الکترودها، 5 سانتی‌متر و بهترین زمان ماند، 20 دقیقه است که در این حالت، راندمان حذف TSS، COD، BOD، رنگ و کدورت به‌ترتیب 83، 85، 98، 98 و 93 درصد محاسبه شد. نتایج این پژوهش نشان می‌‌دهد که سیستم انعقاد الکتریکی پتانسیل زیادی در تصفیه فاضلاب رنگرزی دارد.

باتوجه به نیاز روزافزون به منابع آب و کاهش منابع آب سطحی، آگاهی از کیفیت منابع آب سطحی از نیازهای مهم در برنامه‌ریزی، توسعه و حفاظت از منابع آب به شمار می‌رود. این پژوهش با هدف مدل‌سازی شاخص کیفیت آب (ویژگی پرکاربرد تعیین کیفیت آب) به کمک مدل‌های یادگیری ماشین جنگل تصادفی و ماشین بردار پشتیبان در رودخانه زاینده‌رود انجام شده است. باتوجه به تعدد شاخص‌های کیفیت آب، در این پژوهش از شاخص NSFWQI استفاده شد. ابتدا این شاخص محاسبه و در ادامه، از داده‌های ورودی شامل ویژگی‌های کیفی آب 8 ایستگاه در یک دوره ۳۱ساله و شاخص کیفیت آب رودخانه‌ استفاده شد. در این پژوهش در مرحله آموزش 80 درصد داده‌ها و در مرحله ارزیابی 20 درصد باقی‌مانده استفاده شده و بر اساس نتایج معیارهای ارزیابی R²،  CRMو NRMSE مدل بهینه انتخاب شد. نتایج نشان داد در چهار ایستگاه الگوریتم ماشین بردار پشتیبان (-0/003122<0/982 ) و در چهار ایستگاه الگوریتم جنگل تصادفی (-0/001142<0/999) عملکرد بهتری نشان داد. همچنین نتایج نشان داد که برای صرفه‌جویی در زمان و هزینه، سری شماره 3 (شامل سه ویژگی هدایت الکتریکی، کل مواد جامد محلول و سختی کل) به‌منظور برآورد شاخص کیفیت آب بهترین ترکیب بوده است.

برنج به‌عنوان یکی از مهم‌ترین محصولات استراتژیک جهان، نقش حیاتی در تأمین امنیت غذایی دارد. این پژوهش با هدف بررسی تأثیر روش‌های مختلف مدیریت تغذیه بر عملکرد و بهره‌وری آب در کشت خشکه‌کاری برنج (رقم عنبوری قرمز پاکوتاه) در ایستگاه تحقیقاتی شاوور خوزستان انجام شد. آزمایش به‌صورت طرح بلوک‌های کامل تصادفی با چهار تیمار شامل: 1) عرف زارع، 2) آزمون خاک، 3) آزمون خاک + تغذیه تکمیلی و 4) کاهش ۲۵ درصد کود شیمیایی + کودهای زیستی در سه تکرار اجرا شد. نتایج نشان داد که تیمارهای آزمون خاک + تغذیه تکمیلی (4270 کیلوگرم در هکتار) و کود زیستی با کاهش 25 درصد کود شیمیایی (4356 کیلوگرم در هکتار) به‌ترتیب 17 و 19/3 درصد افزایش عملکرد نسبت به عرف زارع (3651 کیلوگرم در هکتار) داشتند که بیشتر ناشی از افزایش تعداد خوشه در مترمربع (%14-10) و کارایی جذب عناصر غذایی بود. همچنین، تیمار کود زیستی با کاهش مصرف نهاده‌های شیمیایی، بیشترین بهره‌وری مصرف آب (0/25 کیلوگرم بر مترمکعب) و بهترین نسبت فایده به هزینه (23/25) را نشان داد. تحلیل اقتصادی تأیید کرد که ترکیب کودهای زیستی با کاهش 25 درصدی کودهای شیمیایی، علاوه بر حفظ عملکرد، هزینه‌ها را به‌طور معنی‌داری کاهش می‌دهد. یافته‌ها حاکی از آن است که تلفیق آزمون خاک با کودهای زیستی یا تغذیه مرحله‌ای، راهکاری مؤثر برای افزایش عملکرد، بهبود کارایی مصرف آب و کاهش وابستگی به نهاده‌های شیمیایی در کشت خشکه‌کاری برنج است. این روش‌ها به‌ویژه در مناطق کم‌آبی مانند خوزستان که با چالش شوری و محدودیت منابع آب مواجه‌اند، می‌توانند به عنوان الگویی پایدار برای کشاورزان توصیه شوند.

سیلاب یکی از پرتکرارترین و مخرب‌ترین بلایای طبیعی در جهان به شمار می‌رود که هر ساله خسارات گسترده‌ای به زیرساخت‌های انسانی و محیط‌زیست وارد می‌کند. هدف این پژوهش، ارزیابی خسارات مستقیم سیلاب با استفاده از مدل HEC-FIA در حوضه آبخیز سمیرم است. در گام نخست، نقشه‌های سیلاب حاصل از مدل HEC-RAS بر مبنای داده‌های مدل ارتفاع رقومی (DEM)، اطلاعات هیدرولوژیک و ضرایب زبری، در شرایط جریان یکنواخت و ناپایدار تولید شدند. سپس با تبدیل نقشه‌ها به فرمت قابل‌استفاده در نرم‌افزار HEC-FIA و تلفیق آن با داده‌های اقتصادی، کاربری اراضی و جمعیت، برآورد خسارات سیلاب انجام گرفت. پایگاه داده‌های اقتصادی شامل اطلاعات به‌روز‌شده مربوط به کاربری‌های کشاورزی، باغی، مسکونی و صنعتی بوده که بخشی از آن از طریق بازدیدهای میدانی تأمین شد. سیلاب رخ‌داده در تاریخ ۲۰ اسفند ۱۳۸۴ به‌عنوان سیلاب پایه انتخاب شد و تحلیل خسارات برای دوره‌های بازگشت مختلف انجام شد. نتایج نشان دادند که بیشترین خسارت به بخش کشاورزی وارد شده است. در سیلاب سال پایه، مجموع خسارات کشاورزی بیش از ۸۲۱ میلیارد ریال و خسارات ساختمانی حدود ۳ میلیارد ریال برآورد شد. همچنین، در دوره بازگشت ۱۰۰۰ساله، خسارات کشاورزی به ۱۴۲۷ میلیارد ریال و خسارات ساختمانی به ۴۴ میلیارد ریال رسید. روند کاهش خسارات در دوره‌های بازگشت کمتر نیز بررسی شد و نشان داد که در دوره‌های بازگشت ۱۰ساله و کمتر، بخش ساختمانی خسارتی متحمل نشده، اما بخش کشاورزی همچنان آسیب‌پذیر باقی مانده است. یافته‌ها بیانگر آن است که مدل HEC-FIA قابلیت زیادی در برآورد خسارات مستقیم سیلاب در سطوح مختلف مکانی و زمانی دارد و می‌تواند ابزاری کارآمد در تصمیم‌سازی‌های مدیریتی و برنامه‌ریزی مقابله با سیلاب باشد.