علوم آب و خاک

توسعه شبکه‌ آبیاری دشت عباس و انتقال آب سد کرخه بدون توجه به منابع آب زیرزمینی دشت، باعث ماندابی شدن اراضی کشاورزی دشت در سال‌های اخیر شده است. هدف از این مطالعه بهینه‌سازی تلفیق منابع آب سطحی و زیرزمینی دشت عباس برای حداقل کردن مشکلات ماندابی شدن اراضی و دستیابی به حداکثر درآمد خالص دشت بود. برای این منظور ابتدا رفتار آبخوان دشت با استفاده از روش پویایی سیستم‌ها شبیه‌سازی شد. سپس با استفاده از روش بهینه‌سازی چندمعیاره مدل Vensim تلفیق آب‌های سطحی و زیرزمینی با تابع هدف حداکثرسازی درآمد خالص دشت بهینه‌سازی شد. زمان شروع مدل‌سازی سال 1380 و پایان آن سال 1410 و به‌مدت 30 سال است. مدل با استفاده از داده‌های زمانی سال 1380 تا 1388 واسنجی و با استفاده از داده‌های زمانی سال 1388 تا 1395 صحت‌سنجی شد. نتایج ارزیابی‌ها نشان داد که مدل قادر است متغیر‌های کلیدی تراز آب زیرزمینی (ME برابر 60 سانتی‌متر، R² برابر 97 درصد وRMSE  برابر 47 سانتی‌متر) و شوری آب زیرزمینی (ME برابر0/123 میکروموس بر سانتی‌متر، R²  برابر 74 درصد و RMSE برابر 100 میکروموس بر سانتی‌متر) را با دقت مناسب شبیه‌سازی کند. همچنین نتایج مدل بهینه‌سازی نشان داد که بهینه‌ترین نسبت مصرف آب سطحی و زیرزمینی برای تأمین نیاز کشاورزی دشت عباس به‌ترتیب 65 و 35 درصد است. به‌طور کلی می‌توان نتیجه گرفت که با بهینه‌سازی تلفیق آب سطحی و زیرسطحی با صرفه‌جویی سالانه حدود 10 میلیون متر مکعب آب می‌توان 800 هکتار اراضی جدید را آبیاری کرد.

در سطح جهانی تغییرات آب و هوایی، موضوع پذیرفته شده بسیار مهمی است ولی تأثیرات منفی آن در مناطق خشک و نیمه‌خشک مثل ایران بسیار شدید خواهد بود. لذا در این مطالعه، به بررسی دو سناریوی اقلیمی شامل 8/5- RCP (سناریوی بحرانی) و 4/5- RCP (سناریوی متوسط) در سال‌های 2020، 2030 و 2040 و تأثیر آن بر تغییرات دما در دوره رشد گندم در 5 شهرستان استان اصفهان شامل: اصفهان، نجف‌آباد، چادگان، برخوار و میمه پرداخته شد. بررسی تغییرات دما در طول دوره رشد گندم طی دهه‌های آتی نشان داد که شهرستان‌های برخوار، اصفهان، نجف‌آباد، چادگان و میمه به‌ترتیب تعداد روز بیشتری با دمای بالاتر از 30 درجه سلسیوس را در سال‌های 2020، 2030 و 2040 نسبت به میانگین دو سال اخیر (18-2017) تجربه خواهند کرد. همچنین در مقایسه با شرایط کنونی بیشترین درصد تغییرات از نظر تعداد روزهای با دمای بالاتر از 30 درجه سلسیوس در شرایط اقلیمی آینده (2020، 2030 و 2040)، به‌ترتیب در شهرهای برخوار، میمه، چادگان، نجف‌آباد و اصفهان مشاهده شد. دامنه درصد تغییرات تعداد روزهای بالاتر از 30 درجه سلسیوس در شرایط اقلیمی آینده نسبت به شرایط کنونی، بین 5 درصد (اصفهان) تا 97 درصد (برخوار) متغیر بود. درصد تغییرات در تمام شهرهای مطالعه شده در 8/5-RCP بیشتر از 4/5-RCP بود. در طول دوره رشد گندم، تعداد روزهای با دماهای کمتر از صفر درجه سلسیوس در شهرستان‌های اصفهان، برخوار و میمه کمتر و در شهرستان‌های نجف‌آباد و چادگان بیشتر خواهد بود. مقدار تبخیر- تعرق در طول دوره رشد گندم نیز در دهه‌های آتی افزایش خواهد یافت. بنابراین تدوین و کاربرد استراتژی‌های سازگاری برای هر شهرستان به‌منظور تضمین تولید گندم در منطقه حائز اهمیت است. 

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.

ضربه قوچ یکی از حالت‌های جریان‌های غیرماندگار در شبکه‌های توزیع آب شهری است که به‌دلیل خساراتی که در خط لوله به‌وجود می‌آورد اهمیت زیادی داشته و همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. در این تحقیق پدیده ضربه قوچ در اثر بسته شدن ناگهانی شیر در پایین‌دست به‌طور آزمایشگاهی و با استفاده از مدل عددی بررسی شده است. در بخش آزمایشگاهی تحقیق، تأثیر تغییرات دبی جریان با وجود تجهیزات کنترلی و بدون تجهیزات کنترلی روی حداکثر و حداقل ارتفاع موج فشاری بررسی شد. نتایج تحقیق نشان‌دهنده عملکرد مناسب لوله موج‌گیر در کاهش حداکثر موج فشاری و همچنین بهبود فشارهای منفی در سیستم است. در دبی حداکثر 35/75 لیتر در دقیقه، لوله موج‌گیر ارتفاع حداکثر موج فشاری را به اندازه 70/40 درصد کاهش داده است. در دبی حداقل 7/70 لیتر در دقیقه، لوله موج‌گیر باعث کاهش 34/82 درصدی ارتفاع حداکثر موج فشاری شده است. همچنین در دبی حداقل، لوله موج‌گیر حداقل موج فشاری را بیش از ۷۸ درصد بهبود داده است. برای تحلیل ضربه قوچ به‌صورت عددی از ﻧﺮم‌اﻓﺰار AFT Impulse استفاده شده است. نتایج مدل عددی با روش کاراکترستیک در یک مسئله نمونه بررسی شد و صحت عمکرد آن مورد تأیید قرار گرفت. شبیه‌سازی مدل آزمایشگاهی با نرم‌افزار نشان داد که این نرم‌افزار در مواقعی که ضربه قوچ فشارهای منفی تولید می‌کند تنها سیکل اول موج را به‌خوبی محاسبه می‌کند اما در سیکل‌های بعدی میزان استهلاک موج فشاری را به‌درستی نشان نمی‌دهد.

در مدیریت ریسک خشکسالی موضوع تحلیل منطقه‌ای خشکسالی بسیار حائز اهمیت به‌نظر می¬رسد. در این مقاله با ارائه شاخص خشکسالی هیدرولوژیکی منطقه‌ای جدید (RDI) به این موضوع مهم پرداخته شده است. برای این منظور حوضه آبریز آجی‌چای به‌عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شد. برای تحلیل منطقه‌ای خشکسالی هیدرولوژیکی ابتدا برای هر یک ایستگاه‌های آب‌سنجی حوضه سری زمانی شاخص خشکسالی جریان (SDI) محاسبه شد. سپس به‌منظور تعیین مناطق همگن به لحاظ خشکسالی هیدرولوژیکی از تحلیل خوشه‌بندی به‌روش k-means استفاده شد. بر اساس نتایج خوشه‌بندی 6 منطقه همگن در حوضه تشخیص داده شد. برای هر یک از این مناطق سری زمانی RDI برای دوره
1393-1365 محاسبه شد. نتایج نشان داد که طی دوره مورد مطالعه در هر یک از مناطق 1، 2، 3، 4، 5 و 6 به‌ترتیب 3/84، 3/83 ، 9/78، 1/80 و 1/82 درصد از مواقع ترسالی و خشکسالی خفیف رخ داده است. همچنین در همه مناطق مجموع درصد وقوع خشکسالی (متوسط و به بالا) از مجموع درصد وقوع ترسالی (متوسط و به بالا) بیشتر است. طوری که طی دوره مورد مطالعه در مناطق 2 و 3 مجموع درصد وقوع خشکسالی (متوسط و به بالا) نسبت به مجموع درصد وقوع ترسالی (متوسط و به بالا) بیش از دو برابر است. 

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.

شوری خاک و شور شدن اراضی یکی از معضلات کشاورزی است که بایستی با تدبیر و مدیریت صحیح علمی این روند مهار شود. اولین گام در این راه شناسایی مناطق شور و تهیه نقشه شوری خاک است. امروزه با توجه به مشکلات موجود در تهیه نقشه¬های سنتی، استفاده از داده¬های کمکی در نقشه‌برداری رقومی به‌طور روز افزون در حال افزایش است. این تحقیق با هدف پهنه‌بندی شوری خاک با استفاده از روش رگرسیون کریجینگ (RK)، شناسایی مناطق دارای شوری زیاد و بررسی ارتباط شوری خاک با فاکتور¬های خاکساز انجام شد. به این منظور تعداد 291 نمونه خاک سطحی (10-0 سانتی متر) در فروردین 1393 به‌صورت تصادفی برداشت شد. متغیر¬های کمکی یا فاکتور¬های خاکساز مورد استفاده در این مطالعه شامل پارامتر¬های سرزمین (مانند شیب، حوزه آبخیز و شاخص خیسی)، داده¬های تصاویر OLI و TIRS ماهواره لندست 8 و نقشه¬های کاتگوری (ماند نقشه خاک، کاربری اراضی و زمین¬شناسی) بودند. همچنین از روش کریجینگ عام به‌منظور مقایسه با روش رگرسیون کریجینگ استفاده شد. نتایج نشان داد که روش رگرسیون کریجینگ دقت بیشتری نسبت به روش¬ کریجینگ عام دارد به‌طوری که در این روش ضریب تبیین، میانگین قدر مطلق خطا و مجذور میانگین مربعات خطا به‌ترتیب برابر 0/84، 0/41 و 6/21 برآورد شد. همچنین روش رگرسیون درختی به‌خوبی توانست ارتباط قوی بین شوری خاک و متغیر¬های کمکی برقرار کند. به‌علاوه، نتایج نشان داد که مهم‌ترین متغیر¬های کمکی در پیش¬بینی شوری خاک باند¬های 2، 4، 5 و7 تصاویر ماهواره لندست 8، شاخص روشنایی، شاخص خیسی، شاخص همواری سطح دره با درجه تفکیک بالا، سطح مبنای شبکه زهکشی، نقشه خاک، شاخص پوشش گیاهی نرمال شده و شاخص پوشش گیاهی تعدیل شده هستند. با استفاده از قوانین به‌دست آمده نقشه رقومی شوری خاک تهیه و سپس با تلفیق آن با نقشه واریانس خطا نقشه نهایی شوری خاک تهیه شد. نتایج این مطالعه حاکی از این است که تغییرات شوری خاک در استان از شمال به جنوب روند افزایشی دارد و نشان‌دهنده مشکل شوری در نواحی جنوب استان است. از دلایل عمده شوری خاک در این مناطق می¬توان به بالا بودن آب زیرزمینی، تفاوت در پستی و بلندی، حرکت موئینگی املاح به سطح خاک، تفاوت در نوع کاربری اراضی در نواحی مختلف استان و همچنین کیفیت آب زیرزمینی و آب آبیاری اشاره کرد که تحت تأثیر استفاده مکرر از کود¬های حیوانی و پساب فاضلاب¬ها تغییر می¬کند.

در مزارعی که زهکش¬های زیرزمینی در عمق زیاد نصب شده¬اند نظیر کشت و صنعت¬های خوزستان، با مدیریت آب و کود در سطح مزرعه می¬توان، کارایی مصرف آب را افزایش و همچنین حجم زه¬آب خروجی و تلفات کودی و سایر آلاینده¬ها را کاهش داد. در این پژوهش از یک مدل جامع شبیه¬سازی چرخه آب و دینامیک نیتروژن در زمین¬های کشاورزی تحت پوشش سیستم¬های زهکشی با استفاده از رویکرد پویایی سیستم، برای شبیه¬سازی سناریوهای مختلف مدیریت آب آبیاری و کود استفاده شد. به‌منظور کاهش آب مصرفی و کاهش تلفات کود اوره در یکی از مزارع کشت و صنعت امام خمینی، پنج سناریوی مختلف مدل¬سازی شامل چهار سناریوی مدیریت آب آبیاری به میزان 5، 10، 15 و 20 درصد کاهش در مقدار آب آبیاری (I1، I2، I3 و I4) نسبت به وضعیت موجود آبیاری در این کشت و صنعت (I0)، و یک سناریوی مدیریت توأم آب و کود (20 درصد کاهش مقدار آب آبیاری و 210 کیلوگرم بر هکتار کود اوره، I4F) برای شبیه¬سازی و مقایسه حجم زه¬آب تولیدی، تلفات نیترات و آمونیوم توسط سیستم زهکشی و میزان نیتروژن باقیمانده در خاک اجرا شد. نتایج مدل¬سازی نشان داد که سناریو I4F، باعث کاهش شدت زهکشی تجمعی، تلفات تجمعی نیترات و آمونیوم زه‌آب، مجموع تلفات تجمعی نیترات و آمونیوم زه‌آب و تلفات تجمعی نیترات¬زدایی به‌ترتیب برابر با 31، 70، 71، 70، و 85 درصد می¬شود که علاوه بر آن¬که باعث صرفه¬جویی در آب و کود مصرفی می¬شود، باعث کاهش مؤثر در آلودگی محیط زیست می¬شود. بنابراین، سناریوی I4F (آبیاری به مقدار 2656 میلی¬متر برای شش ماه و 210 کیلوگرم بر هکتار کود اوره) برای نیشکر در کشت و صنعت نیشکر امام خمینی توصیه می¬شود.