علوم آب و خاک

پوشش برف یکی از عناصر مهم اقلیمی است که بر اساس آن ممکن است، تغییرات آب‌وهوایی تأثیر خاصی داشته باشد. به‌طور کلی، تغییرات آب‌وهوایی ممکن است در عناصر مختلف اقلیمی منعکس شود بنابراین مطالعه و اندازه‌گیری تغییرات سطوح برف به‌عنوان یکی از منابع مهم تأمین آب، بسیار حائز اهمیت است. شهرستان¬های اردبیل و سرعین از نظر موقعیت جغرافیایی در 48 درجه و 18 دقیقه طول شرقی و 38 درجه و 15 دقیقه عرض شمالی قرار گرفته‌اند. در تحقیق حاضر به‌منظور پایش سطح پوشش برف در سال 1397 از تصاویر ماهواره¬های اپتیکال سنتینل-2 و برای تشخیص سطوح پوشیده شده از برف از شاخص¬های NDVI , S3 , NWDI, NDSI] Cloud mask در نرم‌افزارهای Arcgis و Snap استفاده شده است. در ادامه به‌منظور صحت¬سنجی نقشه¬های برف استخراج شده از طریق تصاویر با داده¬های برف در ایستگاه¬های برف‌سنجی زمینی از رگرسیون خطی در نرم‌افزار MATLAB  استفاده شد همچنین به‌منظور ارزیابی دقت مدل مورد استفاده و اطمینان از دقت بالای نقشه‌های به‌دست‌آمده از شاخص‌های آماری RMSE، MSE، BIAS، CORRاستفاده شد. نتایج نشان داد با توجه به شرایط اقلیمی منطقه موردمطالعه حداکثر سطح پوشیده شده از برف در دی‌ماه با مقدار مساحت 356/52 کیلومترمربع و حداقل سطح پوشیده از برف در اسفندماه با مقدار مساحت 96/10 کیلومترمربع رخ ‌داده است. بیشترین پوشش برف در مناطق با شیب‌های بالا در دامنه‌های غربی (ارتفاعات کوهستانی سبلان) بوده و کمترین پوشش برف در ارتفاعات پایین‌تر مربوط به دامنه¬های شرقی مشاهده ‌شده است. نتایج بیانگر دقت کلی 91/3 درصد و ضریب کاپای 84/45 نقشه سطح برف است که نتایج حاصل از رگرسیون خطی نیز بین مقادیر مشاهداتی و تصاویر ماهواره‌ای برابر با ضریب تبیین 85 درصد بوده و نتایج مربوط به خطای آماری مدل¬ها برابر با     0/086-MSE  و  0/165-BIAS و   0/924-CORR     و RMSE برابر 0/043 به‌دست آمد. روابط همبستگی بین داده¬های زمینی و نقشه¬های برآوردی از برف میزان بالایی از همبستگی را نشان می¬دهند. این نتیجه از لحاظ آماری در سطح 99 درصد معنی‌دار است نتایج به‌دست ‌آمده در تحقیق حاضر نشان داده که تصاویر اپتیکی سنتینل-2 با توجه به قدرت تفکیک مکانی بالا و همبستگی مناسب با داده‌های زمینی می‌توانند جایگزین خوبی برای ایستگاه‌های زمینی برف¬سنجی در ارتفاعات و یا مناطق صعب‌العبور باشند.

طراحی الگوی کشت بهینه و تخصیص به موقع منابع آب همراه با کم¬آبیاری از جمله راهکارهای بهینه حداکثرساختن شاخص بهره¬وری اقتصادی از آب است. در این مقاله به بهینه¬سازی همزمان الگوی کشت و تخصیص آب با استفاده از شیوه کم¬آبیاری پرداخته شده است. منطقه مورد مطالعه غرب شبکه آبیاری دشت قزوین و 6 سطح متفاوت درصد کاهش میزان آبیاری نسبت به پتانسیل نیاز آبی ماهانه
(0، 0 تا10، 0 تا20، 0 تا30، 0تا40 و 0 تا50 درصد) در سه سال خشک، نرمال و تر مورد مقایسه قرار گرفت و در هر سال بهترین سناریوی کم¬آبیاری انتخاب و نتایج با الگوی کشت موجود همان سال مقایسه شد. الگوی کشت جدید شامل محصولات اصلی منطقه و اضافه شدن محصول کلزا بود. هدف، رسیدن به حداکثر بهره¬وری اقتصادی آب (سود خالص در واحد حجم آب) با رعایت سقف برداشت ماهانه و سالانه آب¬های سطحی و زیرزمینی بود. نتایج نشان داد که بهترین سناریو در سال خشک حداکثر درصد کاهش میزان آبیاری نسبت به پتانسیل نیاز آبی ماهانه 20 درصد، در سال نرمال آبیاری کامل و در سال تر حداکثر درصد کاهش میزان آبیاری نسبت به پتانسیل نیاز آبی ماهانه 10 درصد می¬باشد. بهبود شاخص بهره¬وری اقتصادی آب برای سال خشک 52/2 درصد، سال نرمال 41/5 درصد و سال تر 19/6 درصد بوده و متوسط درصد تأمین آبیاری سالانه در سال خشک از 64/3 به 91/7 درصد، در سال نرمال از 70/0 به 100 درصد و در سال تر از 77/5 به 97/1 درصد افزایش می¬یابد، همچنین عملکرد نسبی کلیه محصولات به¬ویژه گندم، یونجه و چغندرقند را به مقدارقابل توجهی ارتقا می¬دهد. بنابراین، الگوریتم جستجوی گرانشی، به¬عنوان یک مدل بهینه¬ساز می¬تواند در انتخاب الگوی کشت و تخصیص مناسب منابع آب¬های سطحی و زیرزمینی با لحاظ منافع اقتصادی در مدیریت شبکه¬های آبیاری مدنظر قرار گیرد.
 

گرد و غبار هوا یکی از مشکلات زیست¬محیطی در مناطق خشک و نیمه¬خشک دنیا است و در بعضی مناطق تحت تأثیر فعالیت‌های صنعتی، گرد و غبار هوا آلوده به فلزات سنگین است. در این مطالعه گرد و غبار هوای 10 ایستگاه در منطقه کوهدشت استان لرستان در چهار فصل بهار، تابستان، پاییز و زمستان و همچنین خاک سطحی مجاور آن (در مجموع 40 نمونه گرد و غبار و 10 نمونه خاک سطحی) مورد نمونه‌برداری قرار گرفت و تجزیه فلزات سنگین روی، سرب، کادمیم، نیکل، مس و منگنز روی آنها انجام شد. نتایج نشان داد که مقدار روی در گرد و غبار بسیار بیشتر از خاک‌های سطحی منطقه (800 در مقابل 85 میلی گرم بر کیلوگرم) است. شاخص عامل آلودگی گرد و غبار حاکی از آلودگی بسیار زیاد کادمیم و روی، آلودگی قابل توجه نیکل و سرب و عدم آلودگی به مس و منگنز بود. شدت غنی¬شدگی سالیانه عناصر کادمیم (33/9) و روی (24/6) بسیار زیاد، نیکل (11/3) قابل توجه، سرب (6/4) متوسط، منگنز (1) و مس (0/82) کم است. بر اساس نتایج عامل غنی¬شدگی، منشأ عنصر کادمیم، روی و نیکل انسانی، منشأ سرب انسانی و طبیعی توأم و منشأ مس و منگنز طبیعی است.

توجه به ارزیابی کیفیت منابع آب زیرزمینی به‌عنوان مهم‌ترین منبع تأمین آب شرب و کشاورزی از اهمیت بسزایی برخوردار است. از این‌رو، مطالعه حاضر با هدف ارزیابی کیفی فلزات سنگین در منابع آب زیرزمینی دشت همدان- بهار انجام یافت. بدین منظور، 120 نمونه آب زیرزمینی از 20 ایستگاه در فصول بهار و تابستان سال 1397 به‌روش مرکب برداشت و مقادیر پارامترهای فیزیکوشیمیایی نمونه‌ها طبق روش استاندارد و محتوی عناصر در نمونه‌ها هم به‌روش طیف‌سنجی پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP) خوانده شد. نتایج نشان داد که میانگین غلظت آرسنیک، کادمیم، کروم، مس، آهن، منگنز، نیکل، سرب و روی (میکروگرم در لیتر) در نمونه‌های فصل بهار به‌ترتیب برابر با 5/08، 0/260، 1/05، 2/70، 1/50، 0/490، 1/50، 7/48 و 1/75 و در فصل تابستان نیز به‌ترتیب برابر با 20/7، 0/220، 0/950، 7/12، 1/34، 0/490، 1/29، 8/23 و 2/08 و به¬جز در مورد عنصر آرسنیک در نمونه‌های فصل تابستان، میانگین غلظت همه عناصر در نمونه‌های هر دو فصل کوچک‌تر از حد استاندارد سازمان بهداشت جهانی برای آشامیدن بود. از طرفی میانگین شاخص آلودگی، شاخص آلودگی فلزات سنگین، شاخص ارزیابی فلزات سنگین، شاخص فلزات سنگین و شاخص کیفی در فصل بهار با 7/51-، 9/91، 1/42، 1/42 و 328 به‌ترتیب بیان‌گر سطح کیفی آلودگی کم، اندک، کم، تحت تأثیر اندک و آلودگی متوسط و در فصل تابستان نیز با 5/90-، 10، 3/04، 3/04 و 673 به‌ترتیب بیان‌گر سطح کیفی آلودگی کم، اندک، کم، تحت تأثیر متوسط و آلودگی زیاد بود. با توجه به توان کشت دو بار در سال در منطقه مورد مطالعه و استفاده بی‌رویه از انواع کودها و آفت‌کش‌های شیمیایی، امکان آلوده شدن منابع آب زیرزمینی این منطقه به فلزات سنگین در طولانی‌مدت دور از انتظار نیست. از این‌رو، نسبت به پایش دوره‌ای و منظم منابع آب زیرزمینی دشت همدان-بهار از نظر غلظت فلزات سنگین توصیه می‌شود.

انجام برنامه‌ریزی و فراهم آوردن ابزارهای مناسب برای کاهش اثرات نامطلوب مخاطرات طبیعی از جمله سیل، اجتناب‌ناپذیر است. دستیابی به هدف فوق وابسته به وجود آگاهی و اطلاعات کافی و دقیق درباره آسیب‌پذیری بوم‌سازگان‌های مختلف (آبخیزها) نسبت به عوامل مخرب گوناگون است. ارزیابی آسیب‌پذیری از طریق شناسایی تنش‌ها و آشفتگی‌های بالقوه (طبیعی و انسان پدید) و نیز برآورد درجه حساسیت آبخیزها، امکان پیش‌بینی اثرات و انتخاب راه‌کارهای مناسب را برای مدیریت پایدار این بوم‌سازگان‌ها فراهم می‌آورد. از این‌رو، این پژوهش با هدف شناسایی و رتبه‌بندی زیرحوضه‌های آسیب‌پذیر در مقابل سیلاب در دشت اردبیل با درنظر گرفتن ابعاد اجتماعی، اقتصادی، زیرساختی و بوم‌شناختی طرح‌ریزی شده است. برای این منظور ابتدا شاخص‌ها و معیارهای هر بُعد با درنظر گرفتن شرایط حاکم بر دشت اردبیل شناسایی شده، سپس اطلاعات و داده‌های اقلیمی، هیدرولوژیکی، جمعیتی، اقتصادی و زیرساختی و کاربری اراضی از مراجع ذی‌ربط اخذ شد. در ادامه معیارهای مذبور استاندارد شده و وزن متناسب با اهمیت آنها بر اساس روش BWM محاسبه و داده‌های حاصل از این مرحله با استفاده از تکنیک TOPSIS، برای رتبه‌بندی آسیب‌پذیری سیلاب برای زیرحوضه‌های مختلف موجود در دشت اردبیل و برای دوره زمانی 1385-1395 انجام شد. درنهایت نقشه آسیب‌پذیری دشت اردبیل در مقابل سیلاب تهیه و ارائه شد. طبق نتایج، معیارهای تراکم ساختمان، بارش، تراکم جمعیت و نرخ بیکاری از مهم‌ترین معیارهای آسیب‌پذیری بود و در میان ابعاد مورد بررسی، بُعد زیرساختی دارای اهمیت زیادی در آسیب‌پذیری در مقابل سیلاب در دشت اردبیل است. بر اساس نقشه جامع آسیب‌پذیری نیز زیرحوضه 7 در دشت اردبیل، آسیب‌پذیر‌ترین زیرحوضه منطقه مورد مطالعه شناسایی شد.

در سال‌های اخیر از روش‌های غیرمستقیم نظیر سنجش از دور و داده‌کاوی برای برآورد شوری خاک زمین‌های کشاورزی استفاده می‌شود. در این تحقیق، هدایت الکتریکی 94 نمونه خاک از 0 تا 100 سانتی‌متر با استفاده از تکنیک ابرمکعب در دشت ساوه، اندازه‌گیری شد. تعداد 23 نوع داده ورودی در قالب دو دسته توپوگرافی و طیفی استفاده شدند. پارامترهای سطح زمین مانند شاخص رطوبت توپوگرافیک (TWI)، شاخص طبقه‌بندی زمین برای مناطق پست (TCI)، شاخص قدرت جریان (STP)، مدل رقومی ارتفاع (DEM) و طول شیب (LS) با استفاده از نرم‌افزارهای Arc-GIS و SAGA به‌عنوان ورودی‌های توپوگرافی لحاظ شدند. همچنین شاخص‌های مکانی شوری و پوشش گیاهی از تصاویر لندست 8 استخراج شدند و به‌عنوان ورودی‌های طیفی درنظر گرفته شدند. به‌منظور مدل‌سازی شوری از شبکه عصبی GMDH با نسبت 70 درصد برای آموزش و 30 درصد برای صحت‌سنجی استفاده شد. نتایج اندازه‌گیری نشان داد مقادیر شوری خاک بین 0/1 تا 18 با میانگین 5 و انحراف معیار 4/7 دسی‌زیمنس بر متر بودند. نتایج مدل‌سازی نیز نشان داد پارامترهای آماری R2، MBE وNRMSE  در مرحله آموزش به‌ترتیب 0/80، 0/06 و 42/1 درصد بودند. همین مقادیر در مرحله صحت‌سنجی به‌ترتیب 0/79، 0/13 و 48/7 درصد بودند. بنابراین استفاده از شاخص‌های طیفی، توپوگرافی و شبکه عصبی GMDH، در مدل‌سازی شوری خاک، کارایی مناسبی دارد.

مطالعه اثرهای خشکسالی در نواحی کوهستانی به‌دلیل پراکنش نامناسب ایستگاه، نبود داده‌های طولانی‌مدت و نواحی فاقد آمار، با مشکلاتی مواجه است. از این‌رو، هدف اصلی این پژوهش، بررسی شاخص‌های خشکسالی استان کردستان با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای TRMM و پایگاه ECMWF و همچنین ارزیابی دقت آنها در مقابل داده‌های ایستگاه‌های زمینی استان کردستان است. برای رسیدن به این منظور، ابتدا داده‌های بارش ECMWF برای بازه 2020-2000 و بارش TRMM برای بازه 2019-2000 دریافت و با استفاده از آماره‌های RMSE، MBE و ضریب همبستگی ارزیابی شد. نتایج ارزیابی ضریب همبستگی اسپیرمن نشان داد که بین داده‌های بارش ماهواره TRMM و پایگاه ECMWF با ایستگاه‌های زمینی رابطه معناداری در سطح 5% وجود دارد و مقدار این ضریب بین 95/0-85/0 بود. مقدار آمارهRMSE  بین 32/19-11/22 به‌دست آمد. با توجه به نتایج می‌توان اذعان کرد که بارش ماهواره TRMM و پایگاه ECMWF در مقیاس زمانی ماهانه از دقت مناسبی در سطح استان کردستان برخوردار است به همین جهت از این دو منبع برای برررسی وضعیت شاخص‌های خشکسالی استفاده شد. شاخص‌های خشکسالی SPI، SPEI و ZSI در دوره‌های مختلف ماهانه (48-1)، PNI در دوره‌های مختلف ماهانه، فصلی و سالانه در استان کردستان (ایستگاه‌های سقز، قروه، بیجار، سنندج) محاسبه شد. نتایج ارزیابی ضریب همبستگی اسپیرمن نشان داد که بین شاخص PNI، ZSI،SPI و SPEI داده‌های پایگاه ECMWF با ایستگاه‌های زمینی رابطه معناداری در سطح 5% وجود دارد. نتایج ارزیابی شاخص SPI نشان داد کمترین مقدار آماره RMSE برای ماهواره TRMM در ایستگاه سقز و دوره سه ماهه برابر 0/45 و برای پایگاه ECMWF در ایستگاه سنندج و دوره 24 ماهه برابر 0/35 بود.

اطلاع از انواع تغییرات پوشش گیاهی و فعالیت‌های انسانی در قسمت‌های مختلف، به‌عنوان اطلاعات پایه برای برنامه‌ریزی‌های مختلف، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. گردآوری اطلاعات در مورد تغییرات پیوسته پوشش گیاهی توسط روش‌های معمولی بسیار مشکل و پرهزینه است، از این‌رو استفاده از فناوری‌های نوین مثل سنجش از دور بسیار سودمند است. هدف از این پژوهش معرفی شاخص پوشش گیاهی مناسب و تعیین سطح زیر کشت شبکۀ آبشار است. از شاخص‌های پوشش گیاهی MSAVI، SAVI، EVI و NDVI از سال 2000 تا 2021 هر سال و به‌صورت ماهیانه مساحت‌ها در سامانه گوگل ارث انجین با استفاده از تصاویر ماهوارۀ لندست 7 سنجندۀ ETM+ محاسبه شد. همچنین شاخص خشکسالی SPI با استفاده از آمار بارش ایستگاه کوهرنگ در نرم‌افزار اکسل محاسبه شد. نتایج حاصل از مقایسه چهار شاخص نشان‌دهنده برتری و عملکرد برتر NDVI نسبت به سه شاخص دیگر برای تشخیص تغییرات پوشش گیاهی بود. سپس تغییرات سطوح زیر کشت محاسبه شد. نتایج نشان داد که روند توسعۀ کشاورزی در شبکه آبشار به‌صورت نزولی است و ارتباط مستقیمی با بارندگی و شاخص خشکسالی SPI دارد. همچنین نتایج نشان داد سال‌ 2008 مقدار شاخص خشکسالی SPI برابر با 73/1- است که نشان‌دهندۀ خشکسالی شدید در منطقه است. مقایسۀ این نتایج با سطح زیر کشت نشان داد در این سال‌ مقدار سطح زیرکشت 35721 هکتار و سال بعد از خشکسالی یعنی سال 2009 سطح زیر کشت 22950 هکتار است. بنابراین در سال 2008 کاهش بارندگی و کاهش شدید شاخص SPI وجود داشته است که منجر به کاهش شدیدی معادل 35 درصد در سطح زیرکشت در سال 2009 شده است.

خصوصیات کیفی آب از مؤلفه‌هایی است که لحاظ آن در برنامه‌ریزی‌های مربوط به مدیریت منابع آب، ارزیابی سلامت حوضه‌های آبخیز و همچنین اعمال تغییرات مدیریتی ضرورت دارد. هدف از این تحقیق، ارائه یک تصویر کلّی از وضعیت کیفیت آب‌های سطحی در حوضه رودخانه گرگانرود برای استفاده در طرح‌ها و برنامه‌های مدیریت آبخیز است. بدین منظور از داده‌های ثبت شده تعدادی از متغیرهای فیزیکوشیمیایی آب (شامل آنیون‌ها و کاتیون‌های اصلی، TDS، EC، SAR، pH و سختی کل) در 25 ایستگاه هیدرومتری و شاخص کیفیت آب کانادا (CCME) برای ارزیابی استفاده شد. نتایج ارزیابی کیفیت آب برای مصارف شرب، کشاورزی و صنعت نشان داد که به‌طور کلی، میانگین شاخص کیفیت آب در سرشاخه‌ها و مناطق مرتفع، بیشتر از مناطق پایین‌دست و نزدیک به خروجی حوضه است. فرایندهای ژئوشیمیایی و اضافه‌شدن انواع آلاینده به آب در مسیر حرکت آب از سرشاخه‌ها تا خروجی حوضه باعث کاهش کیفیت آب شده است. بالاترین کیفیت آب در سطح حوضه برای ایستگاه‌های کبودوال و شیرآباد و پایین‌ترین در ایستگاه باغه‌سالیان ارزیابی شده است. در مورد کیفیت آب برای مصرف شرب، از بین متغیرهای منتخب برای ارزیابی، متغیرهای سختی، بی‌کربنات و کلرید، عوامل تنزل کیفیت آب در سرشاخه‌ها و مناطق بالادست حوضه تشخیص داده شد. امّا به سمت پایین‌دست حوضه، با افزایش آلاینده‌هایی مانند TDS، سولفات و سدیم، کیفیت آب رودخانه به‌شدت کاهش پیدا کرده و در وضعیت نسبتاً ضعیف تا ضعیف قرار گرفته است. کیفیت آب برای مصارف کشاورزی در اکثر ایستگاه‌های حوضه (حدود 60% ایستگاه‌ها) در طبقه عالی قرار دارد و عامل محدودکننده‌ای از منظر کیفی وجود ندارد. تنها در 3 ایستگاه در نزدیکی خروجی حوضه میزان بالای کلرید، SAR و هدایت الکتریکی باعث شده کیفیت آب برای مصارف کشاورزی در طبقه نسبتاً ضعیف تا ضعیف قرار گیرد. در خصوص کیفیت آب برای مصارف صنعتی، تنها 28% از ایستگاه‌های هیدرومتری که در سرشاخه‌ها قرار دارند، در وضعیت خوب ارزیابی شده است. سختی آب، اسیدیته و TDS مهم‌ترین عوامل تنزل کیفیت آب برای مصارف صنعتی در مناطق بالادست حوضه و کلرید و سولفات عوامل کاهش کیفیت آب در پایین‌دست حوضه هستند. نتایج این تحقیق می‌تواند به برنامه‌ریزی‌های مدیریت منابع آب، آبخیزداری و منابع طبیعی در حوضه گرگانرود کمک نماید. امّا در بخش صنعت و به‌ویژه بهداشت و سلامت نیاز به بررسی‌های تفصیلی‌تر، با درنظرگرفتن برخی دیگر از متغیرهای مهم کیفیت آب (مانند نیترات، کلیفرم کل، کلیفرم روده‌ای و...) است.