علوم آب و خاک

---

در این مقاله یک مدل عددی برای حل جریان یک بعدی آب در محیط غیراشباع معرفی گردیده است. جریان آب در لایه‌های غیراشباع خاک تابع یک معادله غیرخطی است، که حل تحلیلی آن بجز در موارد معدود و ساده امکانپذیر نیست. در این تحقیق معادلات دیفرانسیلی حرکت آب در خاک، با استفاده از یک روش تفاضل محدود جدید موسوم به روش عملگرهای مرجع حل گردید. روش عملگرهای مرجع برای جای‌گزین کردن معادلات دیفرانسیل جزیی با یک رشته معادلات تقریبی انتخاب گردیده که قابل حل کردن با روش‌های عددی هستند. بسیاری از روش‌های استاندارد تفاضل‌های محدود، حالت خاصی از این روش‌اند. ولی بر خلاف آنها، با استفاده از این روش می‌توان محیط‌های با مرز نامنظم را هم مدل نمود. یک مدل یک بعدی برای پیش‌بینی مکش آب خاک (بار فشار منفی) و مقدار رطوبت در خاک غیرهمگن، که دارای لایه‌بندی متفاوت است، با استفاده از روش عملگرهای مرجع ساخته شده، و با تعدادی حل تحلیلی و نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید. نتایج نشان‌دهنده دقت خوب و قابل قبول مدل در شبیه‌سازی حرکت آب در خاک می‌یاشد

---

سیل از جمله پدیده‌هایی است که همواره مورد توجه پژوهشگران هیدرولوژی قرار دارد. در این بررسی، مدل برآورد یکی از شاخص‌های مهم بیان‌کننده سیلاب، یعنی حداکثر دبی میانگین روزانه در چند حوزه آبریز غرب ایران تعیین گردید. زیرحوزه‌های مورد بررسی عبارتند از گاماسیاب، قره‌سو، سیمره، کشکان (حوزه آبریز کرخه)، سزار (حوزه آبریز دز) و آبشینه (حوزه آبریز قره چای). پس از تهیه آمار دبی‌های میانگین روزانه ایستگاه‌های هیدرومتری، از سال‌های آماری موجود 30 سال دوره مشترک آماری انتخاب شد، و با کمک نرم‌افزارهای HYFA و TR تحلیل فراوانی روی داده‌های سیلاب انجام گرفت، و بهترین توزیع آماری توسط آزمون‌های نیکویی برازش برگزیده شد. سپس دبی یا دوره‌های بازگشت 2، 5، 10، 25، 50، 100، 500 و 1000 ساله برآورد گردید. مدل‌سازی توسط تحلیل منطقه‌ای و به کمک روش رگرسیون چندگانه میان دبی و ویژگی‌های فیزیوگرافیک حوزه‌ها انجام شد. معیار اصلی گزینش مدل، ضریب تبیین اصلاح شده بود، و سطح معنی‌دار بودن، خطای استاندارد و نمودارهای دبی مشاهده شده و محاسبه شده، درستی مدل را کنترل نمودند. بدین ترتیب، مدل‌هایی با شکل‌ها و پارامترهای گوناگون از میان مدل‌های توانی، نمایی، خطی و لگاریتمی انتخاب شد، ولی مدل توانی بیشتر از دیگر مدل‌ها برای منطقه به کار رفت. بر پایه نتایج این پژوهش، پارامترهای طول آبراهه اصلی، تراکم زه‌کشی، و زمان تمرکز بیشترین تأثیر را در تولید دبی داشتند. از تحلیل خطا چنین برآمد که هر چه دوره بازگشت افزایش پیدا کند میزان خطای برآورد مدل‌ها نیز افزایش می‌یابد، به گونه‌ای که در دوره بازگشت 1000 ساله مقدار خطا به 2/32 درصد رسید.

---

برای ارزیابی تأثیرپذیری طول مراحل مختلف نمو سه رقم آفتاب‌گردان از تغییرات طول روز و دما در شرایط مزرعه‌ای، و مدل‌سازی سرعت نمو آنها در دوره‌های مختلف نمو، آزمایشی با بهره‌گیری از طرح کرت‌های یک بار خرد شده، در چارچوب بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار، در مزرعه پژوهش کشاورزی دانشگاه صنعتی اصفهان، در سال 1375 انجام شد. تیمار اصلی شامل پنج تاریخ کاشت (7 و 22 اردیبهشت، 6 و 22 خرداد و 8 تیر) و تیمار فرعی شامل سه رقم آزاد گرده‌افشان آفتاب‌گردان به نام‌های رکورد، ونیمیک 8931 و آرماویرس بود.

 شمار روز از کاشت تا رؤیت طبق، و کاشت تا آغاز گرده‌افشانی، به گونه معنی‌داری با تأخیر در کاشت و در نتیجه افزایش دما در دوره‌های یاد شده کاهش یافت. شمار روز از کاشت تا رسیدگی فیزیولوژیک نیز با تأخیر در کاشت به گونه معنی‌داری کم شد. ولی تفسیر نتایج با بهره‌گیری از روند تغییرات دما و طول روز در این دوره امکان‌پذیر نگردید. شمار روز از رؤیت طبق تا آغاز گرده‌افشانی، در هماهنگی با ثبات نسبی دماهای حداکثر و میانگین شبانه‌روزی در دوره یاد شده، از تاریخ کاشت تأثیر نپذیرفت. شمار روز از آغاز گرده‌افشانی تا رسیدگی فیزیولوژیک، تنها در تاریخ کاشت آخر با دیگر تاریخ‌های کاشت تفاوت معنی‌دار داشت. این تفاوت به دوام اثر دماهای حداکثر بسیار زیاد و پایدار در دوران رؤیت طبق، تا آغاز گرده‌افشانی در تاریخ کاشت آخر ارتباط داده شد. رقم آرماویرس به گونه معنی‌داری از لحاظ شمار روز از کاشت تا رؤیت طبق و کاشت تا آغاز گرده‌افشانی، زودرس‌تر از ارقام رکورد و ونیمیک 8931 بود. در دوره‌های آغاز گرده‌افشانی تا رسیدگی فیزیولوژیک و کاشت تا رسیدگی فیزیولوژیک، تفاوت‌های میان هر سه رقم آشکارا نمایان گردید. آرماویرس زودرس‌ترین، و رکورد دیررس‌ترین رقم بود. بر پایه نتایج آزمایش، ارقام مورد بررسی از لحاظ واکنش به طول روز بی‌تفاوت می‌باشند. سرعت نمو رقم آرماویرس به گونه خطی، و ارقام رکورد و ونیمیک 8931 به گونه غیرخطی، به افزایش متغیرهای دمایی در دوره‌های کاشت تا رؤیت طبق و کاشت تا آغاز گرده‌افشانی واکنش نشان داد. شتاب نمو ونیمیک 8931 در اثر دماهای بسیار زیاد بیش از رکورد بود. سرعت نمو ارقام مورد آزمایش در دوران کاشت تا رسیدگی فیزیولوژیک، به گونه معنی‌دار و خطی با افزایش طول روز کاهش یافت. پیوستگی میان سرعت نمو و طول روز را می‌توان به عنوان یک مدل کاربردی برای برآورد طول دوران کاشت تا رسیدگی فیزیولوژیک این سه رقم آفتاب‌گردان به کار برد.

---

در این تحقیق توانایی مدل‌های شبکه عصبی مصنوعی جهت شبیه سازی رفتار هیدرولوژیکی آب در حوزه‌های آبخیز مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی تحقیق بررسی کاربرد انواع مختلف شبکه‌های عصبی مصنوعی جهت شبیه سازی جریان در یک حوزه آبخیز با چند ایستگاه هیدرومتری و پیش بینی بهنگام جریان‌های سیلابی در پایین دست بوده است. منطقه مورد بررسی قسمت فوقانی رودخانه درونت (Derwent) می‌باشد که یکی از شاخه‌های اصلی رودخانه ترنت (Trent river)در ناحیه مرکزی انگلستان است. جریان سیلاب رودخانه 3، 6، 9 و 12 ساعت قبل از وقوع در محل ایستگاه هیدرومتری واتستندول (Whatstandwell) با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده در بالا دست پیش بینی گردیده است. سه نوع شبکه عصبی مختلف که عبارت‌اند از شبکه پرسپترون چند لایه(MLP network) ، شبکه برگشتی (Recurrent network)و شبکه برگشتی با تأخیر زمانی(Time lag recurrent network) به‌صورت جداگانه مورد استفاده و ارزیابی قرار گرفتند. هم‌چنین جهت بررسی تأثیر طول داده‌های ورودی در کارایی مدل‌های شبکه عصبی، شبیه سازی‌های مختلف با استفاده از داده‌های هیدرولوژیکی با طول و تعداد متفاوت مورد استفاده قرار گرفت. داده‌های با فاصله اندازه‌گیری 30 دقیقه‌ای با طول دوره‌های 1 ماه، 6 ماه و سه سال ( که تولید تعداد مشاهده‌های متفاوتی را می‌نماید) بدین منظور مورد استفاده واقع شد. براساس نتایج به‌دست آمده هرچند شبکه‌های عصبی مصنوعی به‌صورت عمومی و کلی کارایی مناسبی را در شبیه سازی و پیش بینی دبی جریان از خود نشان داده‌اند ولی نوع شبکه عصبی مصنوعی و نیز خصوصیات داده‌های ورودی مدل خصوصاً داده‌های آموزشی پارامترهای بسیار مهمی هستند که تأثیر عمده‌ای را روی خروجی‌های مدل دارند.

---

آبخوان شهرکرد با بیش از 800 چاه عمیق و نیمه‌عمیق تخیله می‌گردد که عمده چاه‌ها برای کشاورزی و تعدادی جهت تأمین آب شرب استفاده می‌شوند. سطح آب زیرزمینی در بخش‌هایی از جنوب دشت به‌دلیل برداشت زیاد با افت شدید مواجه شده و ورود فاضلاب خانگی نیز در همین محدوده کیفیت آب را تنزل داده است. احداث سد زیرزمینی و تأثیر آن بر افزایش ارتفاع سطح ایستابی در محل مصرف، کاهش هزینه‌های انتقال و جلوگیری از حرکت آلاینده‌ها اهدافی است که در این مطالعه به آن پرداخته شده است. بدین منظور مدل هیدرولیکی آبخوان شهرکرد با واسنجی ضرایب هیدرودینامیک توسط نرم‌افزار PMWIN 5.3 تهیه شد. بخش خروجی جنوب دشت (پایین‌دست روستای بهرام آباد) جهت انجام مطالعات احداث سد زیرزمینی انتخاب و لایه‌ای با میانگین آبگذری 5/0 متر در روز در مسیر جریان شبیه‌سازی گردید. ارتفاع سطح ایستابی و کیفیت آب قبل و بعد از احداث سد توسط نرم‌افزار ArcGIS 9.2 ترسیم و تحلیل شد. نتایج نشان می‌دهد احداث سد تا فاصله چهار کیلومتر سطح آب زیرزمینی بالادست را تحت تأثیر قرار داده است. در نتیجه حجم آب قابل دسترس به میزان000/500/1 مترمکعب افزایش یافته و استحصال آب را آسان‌تر نموده است. توزیع نیترات در منطقه نسبت به حالت اولیه تغییر زیادی نداشت. اما با انباشته شدن آب در محدوده مخزن و به‌دلیل واقع شدن در نزدیکی تصفیه‌خانه شهرکرد و چاه-های فاضلاب خانگی امکان بالا رفتن غلظت سایر آلاینده‌های شیمیایی وجود خواهد داشت.

---

فرسایش خاک، بی ­شک یکی از مهمترین مسائل و مشکلات موجود در عرصه های طبیعی کشور است و آثار مخربی در اکوسیستم ­های مختلف به جای می­گذارد. با توجه به اینکه محاسبه مقادیر رسوب از طریق ایستگاه های رسوب سنجی و اندازه ­گیری­ های مستقیم فرسایش فرایندی هزینه­ بر و مشکل است، یافتن روش­هایی برای برآورد دقیق میزان رسوبدهی حوضه­ های آبخیز بویژه در مناطق خشک و فراخشک به دلیل شرایط حساس اکولوژیکی ضروری می نماید. یکی از روش هایی که تا به امروز در این مناطق نسبت به سایر روش های برآورد رسوب بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است روش های رگرسیونی سنجه رسوب می باشد. لذا در این تحقیق مقادیر رسوب مشاهداتی 48 واقعه (دبی و رسوب متناظر) در یک دوره 23 ساله حوضه فخرآباد- مهریز با مقادیر برآوردی از روش های سنجه چند خطی، حد وسط دسته ­ها، منحنی سنجه حد وسط دسته­ ها با ضریب اصلاحی QMLE، SMEARING و ضریب اصلاحی FAO و همچنین با نتایج حاصل از روش شبکه عصبی مصنوعی (ANN) مورد مقایسه قرار گرفته و صحت هر یک از این روش­ها مورد آزمون قرار گرفت. بررسی حاصل از آزمون های مجذور میانگین مربع خطا ها (RMSE)، ضریب تبیین (R²) و معیار ناش (ME) کارایی بالاتر روش شبکه عصبی (ANN) را نسبت به سایر روش های مذکور نشان دادند. نتایج آزمون­ های مذکور برای روش شبکه عصبی مصنوعی به عنوان روش بهینه به ترتیب 3/203، 86/0 و 66/0 را نشان دادند. نتایج حاصل مبین این است که در استفاده از هر روشی برای برآورد رسوب معلق جریان در مناطق خشک و فراخشک به دلیل ماهیت داده های مشاهداتی و همچنین رژیم خاص جریان ها که اغلب به صورت موقت و فصلی می باشند باید جانب احتیاط را رعایت نمود. در عین حال بررسی نتایج این تحقیق گویای انعطاف­پذیری بالاتر مدل­ های شبکه عصبی مصنوعی است که آنها را به ابزار مناسبی جهت مدلسازی در شرایطی که با فقر داده مواجه هستیم مبدل می سازد.  

---

حفاظت خاک مؤثر ‏نیازمند یک مدل و چهارچوب مناسب در ارزیابی فرسایش خاک سناریوهای کاربری اراضی است. مدل ‏USLE‏ با هدف پیش‌بینی واکنش ‏سناریوهای مناسب کاربری اراضی در کاهش تولید رسوب بالادست سد یامچی (747 کیلومتر مربع) در غرب اردبیل مورد استفاده قرار گرفت. ‏علاوه بر وضعیت موجود، هفت سناریوی مدیریت کاربری اراضی براساس الگوی استفاده از اراضی در محیط ‏GIS‏ تهیه شد. سپس داده‌های ورودی براساس ‏داده‌های زمینی، کاربری اراضی و داده‌های مشاهداتی تهیه شد. براساس نتایج مدل، مقدار فرسایش در سناریوی مبنا برابر 92/3 تن در هکتار در سال است. در این راستا می‌توان با انجام عملیات حفاظتی در اراضی دیم و شیب‌دار و تنها با اجرای سناریوی 5 (حفاظت خاک در اراضی دیم با کشت تراز- باقی گذاشتن بقایای گیاهی پس از برداشت) فرسایش را از مقدار 92/3 به 02/2 تن در هکتار در سال کاهش داد. کم‌ترین مقدار کاهش فرسایش مربوط به حفاظت خاک در اراضی آبی مربوط به سناریوی 6 (حفاظت خاک در اراضی زراعی آبی با بقایای گیاهی) و بیشترین مقدار کاهش فرسایش در اثر اجرای عملیات مدیریتی مربوط به اجرای سناریوی 7 (حفاظت بیولوژیکی خاک در اراضی آبی و دیم) می‌باشد. نتایج حاکی از قابلیت چهارچوب مبتنی بر سناریو و ارزیابی اثرات سناریوهای مدیریتی بر کاهش رسوب ورودی به سد و اولویت‌بندی عملیات حفاظت خاک در منطقه مورد مطالعه است.