علوم آب و خاک

این مطالعه با هدف بررسی اثر تغییر کاربری اراضی (جنگل و مرتع طبیعی به کشاورزی) بر برخی شاخص‌های میکرومورفولوژیکی کیفیت خاک در بخشی از حوزه آبخیز رکعت در شرق استان خوزستان انجام شد. نمونه‌های دست‌نخورده خاک از لایه‌های 15-0 و 30-15 سانتی‌متری کاربری‌های مزبور تهیه و ساختمان میکروسکوپی، نوع و فراوانی حفرات، ویژگی‌های اکسید و احیائی، فراوانی مواد هومیکی در این اراضی مقایسه شدند. نتایج نشان دادند که در کاربری جنگل طبیعی غالب حفرات از نوع آرایشی و ماکروپور بوده درحالی که در تغییر کاربری از جنگل به کشاورزی این حفرات از توسعۀ کمتری برخوردار هستند. در کاربری مرتع طبیعی حفرات عمدتاً از نوع آرایشی، کانال و ماکروپور بوده اما پس از تغییر کاربری از مرتع به کشاورزی حفرات بیشتر از نوع وگی مشاهده شد. نتایج همچنین نشان داد که کاربری جنگل طبیعی و پس از آن مرتع طبیعی به‌ترتیب با 73/27 و 18/22 درصد فراوانی حفرات بیشتری را در مقایسه با کاربری‌های چنگل به کشاورزی (01/19) و مرتع به کشاورزی (62/18) دارا هستند. در هر دو کاربری جنگل طبیعی و مرتع طبیعی انواع گرهک‌های اکسیدی، پوشش‌ها، پوشش‌های زیرسطحی و در امتداد سطح آهن و منگنز به‌میزان قابل توجهی بیشتر از کاربری‌های کشاورزی بود.

یکی از مشکلاتی که شبکه¬های آبیاری با آن مواجه هستند، تغییر میزان دبی عبوری از سازه آبگیر به‌واسطه نوسانات شدید سطح آب در مجرای اصلی است. یکی از راه¬های مؤثر کاهش این نوسانات، افزایش طول تاج سرریز در عرض مشخصی از کانال است که با استفاده از سرریزهای کنگره¬ای می¬توان به این هدف دست یافت. سرریز کنگره‌ای همان سرریز خطی است که در پلان به‌صورت شکسته دیده می‌شود. در این پژوهش، از یک سرریز کنگره¬ای با طول 3/72 متر، سه ارتفاع 15، 17 و 20 سانتی‌متر، سه شکل مختلف دندانه (مستطیل، مثلث و ذوزنقه) و یک سرریز خطی با همان سه ارتفاع استفاده شده است. همچنین ضریب ¬دبی این سرریز به‌صورت آزمایشگاهی در یک کانال به‌طول 15 و عرض 1 متر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داده است که در یک طول و ارتفاع ثابت، با افزایش نسبت هد آب بالادست به ارتفاع سرریز (H_t/P )، ضریب¬دبی کاهش یافته است. همچنین برای یک طول مشخص از سرریز و در یک H_t/P  ثابت، با افزایش ارتفاع سرریز، ضریب ¬دبی کاهش یافته است. سرریز خطی و سرریز کنگره¬ای بدون دندانه نسبت به سرریز کنگره¬ای دندانه¬دار به‌ترتیب 3/3 و 1/2 برابر عمق آب بیشتری در بالادست ایجاد می¬کنند.

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.

.آلودگی محیط‌زیست به‌وسیله فلزات دارای پتانسیل سمیت به¬ویژه کادمیم، یکی از مسائل مهم محیط زیست به¬شمار می‌آید. همچنین شورشدن خاک‌ها به دلیل کاهش کیفیت آب‌ آبیاری از تنش‌هایی است که گیاهان با آن روبرو می‌شوند. بنابراین، به¬منظور بررسی اثر بیوچارهای باگاس نیشکر بر قابلیت استفاده و شکل‌های کادمیم در خاک آلوده (15 میلی‌گرم بر کیلوگرم کادمیم) و شور، آزمایشی به¬صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی شامل فاکتور بیوچار دارای سطوح شاهد، 1 درصد (وزنی- وزنی) باگاس، 1 درصد (وزنی- وزنی) بیوچار 400 درجه سلسیوس، 1 درصد (وزنی- وزنی) بیوچار 600 درجه سلسیوس و فاکتور شوری شامل شاهد، 20 و 40 میلی‌مول کلرید سدیم در کیلوگرم خاک در 3 تکرار انجام گرفت. مقدار کادمیم قابل استفاده با ‌روش DTPA-TEA و شکل¬های کادمیم با روش عصاره¬گیری تسیر و همکاران (1979) تعیین شد. نتایج نشان داد که کاربرد بیوچار و شوری تأثیری بر pH خاک نداشتند (0/05P). برهمکنش بیوچار و شوری بر کادمیم عصاره‌گیری‌شده با DTPA-TEA و شکل‌های کادمیم معنی‌دار نبود (0/05P)؛ درحالی ‌که در خاک‌های شور نسبت به شاهد افزایش یافت (0/005>P). تیمار خاک با بیوچار تهیه¬شده در دمای 600 درجه سلسیوس موجب کاهش (0/05>P) کادمیم تبادلی (23/8%) و افزایش (0/05>P) کادمیم پیوندشده با اکسیدهای آهن و منگنز (25/2%) و باقیمانده (15/6%) نسبت به شاهد شد. نتایج نشان داد که شوری اثر معنی¬داری بر شکل¬های کادمیم نداشت (0/05

در این مطالعه، عمق حفره آبشستگی در پائین¬دست سرریزهای سنگی با شکل¬های مختلف J، I، U و W توسط یک روش نوین هوش مصنوعی تحت عنوان ماشین آموزش نیرومند خارج از محدوده (ORELM) شبیه¬سازی شد. داده¬های مشاهداتی به دو دسته آموزش (70 درصد) و تست (30 درصد) تقسیم شدند. سپس تابع فعال¬سازی بهینه برای شبیه¬سازی عمق آبشستگی در پائین¬دست سرریزهای سنگی انتخاب شد. در ادامه، با استفاده از پارامترهای ورودی که شامل نسبت طول سازه به عرض کانال (b/B)، عدد فرود تراکمی (Fd)، نسبت اختلاف عمق جریان بالادست و پائین¬دست سازه به ارتفاع سازه (Δy/hst) و فاکتور شکل سازه (φ)، یازده مدل مختلف ORELM برای تخمین عمق آبشستگی توسعه داده شدند. با انجام یک تحلیل حساسیت، مدل برتر و مؤثرترین پارامترهای ورودی شناسایی شدند. مدل برتر مقادیر آبشستگی¬ها را توسط پارامترهای بدون بعد b/B, Fd, Δy/hst شبیه¬سازی کرد. برای این مدل، مقادیر ضریب همبستگی (R)، شاخص عملکرد  (VAF)و ضریب نش (NSC) برای مدل برتر در شرایط تست به¬ترتیب مساوی با 0/956، 91/378 و 0/908 بدست آمدند. همچنین، پارامترهای بدون بعد b/B, Δy/hst به¬عنوان مؤثرترین پارامترهای ورودی شناسایی شدند. همچنین، نتایج مدل برتر با مدل ماشین آموزش نیرومند نیز مقایسه شدند که مدل ORELM دقت بیشتری داشت. علاوه بر این، تحلیل عدم قطعیت نشان داد که مدل ORELM مقادیر آبشستگی¬ها را بیشتر از واقعیت تخمین زد. در ادامه، برای مدل برتر، یک تحلیل حساسیت مشتق نسبی (PDSA) اجرا گردید.

بیابان¬زایی در سال¬های اخیر به یکی از اصلی¬ترین معضلات جوامع ساکن در مجاورت مناطق بیابانی تبدیل شده است. یکی از روش¬هایی که در سال¬های اخیر برای بهسازی خاک این مناطق مورد توجه قرار گرفته و به سرعت در حال گسترش در زمینه علوم مکانیک خاک می‌باشد، روش بهسازی میکروبی کربنات کلسیم (MICP) است. به کمک این فرآیند می توان با استفاده از میکروارگانیسم‌های موجود در خاک و استفاده از اوره و کلرید کلسیم، خاک را تثبیت نموده و پارامترهای مهندسی آن را ارتقا داد. بر این اساس به تازگی تلاش¬هایی برای استفاده از این روش صورت گرفته که در آن با ایجاد یک لایه سطحی مقاوم بر روی ماسه از بلندشدن دانه های گرد و غبار ممانعت می نماید. در مطالعه حاضر سعی شده با بررسی این روش، تأثیر شرایط محیطی موجود در بیابان¬ها از قبیل درجه دما و طوفان¬های ماسه‌ای بر روی خاک تثبیت¬شده به روش میکروبی بررسی شود. از این¬رو نمونه¬های بهسازی¬شده تحت دماهای متوسط و بیشینه منطقه قرار گرفته که بر این اساس با افزایش دما میزان مقاومت لایه سطحی بیشتر گردید. این افزایش مقاومت تا دما 24 درجه با شیب زیاد ادامه داشته ولی از دمای 24 درجه به بعد این شیب کاهش می یابد. همچنین، شرایط طوفان ماسه¬ای منطقه با استفاده از بارش ماسه¬ای سه سایز مختلف دانه (ریز، متوسط و درشت) در داخل تونل باد شبیه¬سازی شد. نتایج این آزمایش¬ها نشان داد که در سرعت¬های باد 7 و 11 متربرثانیه خاک تثبیت شده امکان تحمل شرایط محیطی را به خوبی داشته ولی با افزایش سرعت باد به 14 متربرثانیه و همچنین افزایش سایز دانه¬ها به درشت¬دانه، لایه مقاوم سطحی دچار سایش و خرابی شده که افزایش فرسایش بادی خاک را نیز به دنبال دارد.

پیش¬بینی صحیح دبی سیل، برای طراحی سازه‌های هیدرولیکی، کاهش خطر شکست و به حداقل¬رساندن آسیب‌های محیط زیستی پایین‌دست، از اهمیت زیادی برخوردار است. هدف از انجام این مطالعه، بررسی کاربرد روش‌های یادگیری ماشین برای تحلیل منطقه‌ای فراوانی سیلاب است. برای دستیابی به این هدف، 18 پارامتر فیزیوگرافی، اقلیمی، سنگ¬شناسی و کاربری اراضی برای حوضه‌های بالادست ایستگاه‌های هیدرومتری حوزه‌های آبخیز کرخه و کارون (46 ایستگاه با طول آماری 21 سال) درنظر گرفته شد. سپس، بهترین تابع توزیع احتمال با استفاده از آزمون کولموگروف- اسمیرنف در هر ایستگاه برای برآورد دبی سیل با دوره بازگشت 50 سال با استفاده از روش‌های حداکثر درستنمایی و گشتاورهای خطی تعیین شد. درنهایت، تحلیل منطقه‌ای فراوانی سیلاب با استفاده از درخت تصمیم، شبکه بیزی و شبکه عصبی مصنوعی انجام شد. نتایج نشان داد که توزیع لوگ پیرسون تیپ 3 در روش حداکثر درستنمایی و توزیع نرمال‏ تعمیم‏یافته در روش گشتاورهای خطی بهترین توزیع احتمالی منطقه‌ای هستند. بر اساس آزمون گاما، پارامترهای محیط، طول حوضه، عامل شکل و طول جریان اصلی به‌عنوان بهترین ترکیب ورودی انتخاب شدند. نتایج تحلیل منطقه‌ای فراوانی سیلاب نشان داد که مدل بیزی با روش گشتاور خطی ((R2=0.7 بهترین برآورد را در مقایسه با روش‌های دیگر دارد. درخت تصمیم و شبکه عصبی مصنوعی در رده‌‌های بعدی قرار داشتند.

پژوهش حاضر با هدف محاسبه عدد کاویتاسیون دریچه تحتانی در آبگیر تحتانی سد نسا، به صورت مدل آزمایشگاهی و عددی طرح¬ریزی شده است. مقادیر فشار استاتیک در طول مدل دریچه تحتانی، توسط 22 پیزومتر تعبیه شده، اندازه‌گیری شد. برای مشخص کردن نقاط و مناطق با ریسک بالای کاویتاسیون، مقطع طولی دریچه تحتانی به سه بلوک تقسیم¬بندی شد. این تقسیم‌بندی براساس تأثیر پارامترهای هیدرولیکی مؤثر بر پدیده کاویتاسیون معرفی می‌شود. در بلوک شماره یک، نتایج محاسبه عدد کاویتاسیون نشان داد، این منطقه که در ابتدای جت خروجی سد را در بر می¬گیرد، سطح خطر، "امکان کاویتاسیون" را نشان می‌دهد. بررسی‌ها نشان داد، عدد کاویتاسیون در این منطقه وابسته به ارتفاع آب در کانال بالادست است. برای منطقه شماره دو، نتایج نشان داد، به¬ازای نسبت موقعیت درنظر گرفته شده به کل طول دریچه تحتانی و در محدود 0/44 و0/9 مقادیر کاویتاسیون، پارامتری از سرعت خروجی جت در دریچه تحتانی هستند. لازم به ذکر است، بررسی سطح خطر در مناطق دوم و سوم به ازای 0/44 = x/L، سطح خطر وابسته به فشار منفی در این مناطق است. همچنین مدل‌سازی عددی به ازای روش‌های مختلف مدل آشفتگی نشان داد که مدل آشفتگی K-ε RNG با مش ریز بهترین همخوانی را با نتایج مدل آزمایشگاهی دارد و مقادیر خطای آن به¬ازای مدل آزمایشگاهی و عددی محاسبه شد.

بررسی آمار خسارت سالانه ناشی از وقوع سیلاب‌ها در ایران و جهان بیانگر گستردگی صدمات ناشی از سیلاب به منابع طبیعی و انسانی مناطق مختلف است. تعیین پهنه سیلابی رودخانه‌ها در راستای صیانت از منابع ملی و کاهش خسارات سیل، امکان حفاظت رودخانه در مقابل دست‌اندازی و احداث هرگونه تأسیسات غیرمجاز در آن را فراهم می‌سازد. از این‌رو در تحقیق حاضر به‌منظور ارزیابی قابلیت مدل‌های عددی در شبیه‌سازی پهنه سیلابی رودخانه‌ها بازه‌ای از رودخانه قوشقرای آذرشهر با استفاده از مدل هیدرولیکی دوبعدیHEC-RAS 5.0.7 و مدل یک‌بعدی HEC-RAS شبیه‌سازی و مقایسه شد. تغییرات مشخصه‌های هیدرولیکی جریان سیلابی شامل عمق، سرعت در مقاطع عرضی مختلف در مدل‌ها مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که نتایج تراز سطح آب (عمق جریان) مدل دوبعدی HEC-RAS نسبت به مدل یک‌بعدی، کمترین خطا را در مقایسه با سایر پارامترهای هیدرولیکی جریان سیلابی دارد. مدل دوبعدی HEC-RAS، بیشترین میزان خطا را در پارامتر سرعت جریان با مدل یک‌بعدی نشان داد. به‌علاوه مدل دوبعدی HEC-RAS 5.0.7، سطح پهنه سیل‌گیر را 12/46 درصد بیشتر از مدل یک‌بعدی HEC-RAS نشان می‌دهد که تطبیق پهنه‌های حاصل روی وضع موجود رودخانه و مقایسه با عکس هوایی سال 1346 رودخانه، گویای دقت بالاتر مدل دوبعدی HEC-RAS در تخمین پهنه‌ سیلابی رودخانه است.

وجود خاک سیلت ماسه¬ای در زمان فونداسیون¬های سازه‌های بتنی و سازه‌های هیدرولیکی و آبیاری همواره باعث به‌وجود آمدن چالش‌هایی شده است. بالابردن پایداری و ظرفیت باربری این خاک سست، با استفاده از اضافه کردن مواد دیگر همواره مورد بحث و تحقیق بوده است. تحقیق حاضر، اثر دوره عمل‌آوری و درصدهای مختلف مواد افزودنی گوناگون روی مقاومت خاک‌های سیلت ماسه‌ای را مورد بحث و بررسی قرار می‌دهد. از این‌رو، مواد افزودنی مختلفی با درصد ‌اختلاط 3، 5 و 7 درصد وزنی در دوره‌‌های عمل‌آوری 3، 7، 14، 21 و 28 روز به خاک اضافه شد. به‌منظور بررسی تأثیر هر یک از این مواد افزودنی بر پارامترهای مقاومتی خاک سیلت ماسه‌ای، تست‌های آزمایشگاهی نظیر مقاومت فشاری تک محوری (U.C.S) و ظرفیت باربری کالیفرنیا (C.B.R) انجام شد. در مجموع، 299 آزمایش در آزمایشگاه مکانیک ¬خاک دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران انجام گرفت. نتایج نشان داد،که اضافه کردن افزودنی‌های بتن به‌مراتب تأثیر بیشتری را بر بالابردن مقاومت فشاری و ظرفیت باربری در خاک سیلت ماسه‌دار دارد. همچنین، مقاومت فشاری و ظرفیت باربری به‌مرور زمان برای افزودنی‌های سیمان افزایش پیدا کرده و در روز 21 این درصد نرخ ثابت به‌خود می‌گیرند. درحالی که مواد افزودنی کانفیکس و بنتونیت تأثیر معناداری بر افزایش ظرفیت باربری ندارند. در ادامه تغییرات درصد اختلاط مواد نشان داد، افزایش میزان اختلاط مواد سیمانی باعث افزایش مقاومت فشاری و ظرفیت باربری برای مواد بتنی می¬شود. درحالی که مواد کانفیکس و بنتونیت همچنان تأثیر کمی را دارا هستند. بیشترین ظرفیت باربری و مقاومت فشاری به‌ازای سیمان پوزولانی به‌وجود می¬آمد. این مقادیر نشان داد به‌ازای افزودن 5 درصد سیمان پوزولانی و 7 درصد سیمان پرتلند با 28 روز عمل‌آوری، بیشترین عدد CBR  و مقاومت UCS   به‌ترتیب به‌مقدار 176/26  و 17/58 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع به‌وجود خواهد آمد. همچنین الگوی گسیختگی مورد بررسی قرار داده شد. این مقایسه¬ها نشان داد با افزایش دوره عمل‌آوری، رفتار نمونه‌ها از نیمه ترد به ترد و به‌سمت سخت شدن تغییر می‌کند.