آبیاری و زهکشی ایران
سال:1395 | دوره:10 | شماره:5 |تعداد مقالات:14

روش متداول در تحلیل فراوانی سیلاب رویکرد پارامتری است. این روش در تحلیل چگالی های نامتقارن و دارای چند نقطه اوج توانمند نیست. به منظور رفع این مشکل می توان از مدل های ناپارامتری استفاده کرد. روش های تخمین چگالی هسته با پهنای باند ثابت و پهنای باند متغیر از جمله روش های ناپارامتری در تخمین تابع است. تابع چگالی احتمال در روش برآورد چگالی هسته با پهنای باند ثابت با انتخاب یک تابع هسته و یک پهنای باند بهینه برآورد می شود. تابع چگالی احتمال در روش پهنای باند متغیر با انتخاب یک تابع هسته و محاسبه پهنای باند در هر نقطه مشاهداتی تخمین زده می شود. روش-های قاعده سرانگشتی و صحت سنجی مضاعف روش های رایج در محاسبه پهنای باند بهینه است. روش مرتبط با پهنای باند علاوه بر روش های محاسباتی پهنای باند مذکور در این تحقیق استفاده شده است. تحلیل فراوانی سیلاب با رویکرد ناپارامتری با توجه به دبی های حداکثر لحظه ای سالانه رودخانه دز برای 38 سال آماری انجام و نتایج با روش پارامتری مقایسه شد. با توجه به معیار کارایی جذر میانگین مربع خطا، نتایج نشان داد پهنای باند بهینه محاسبه شده بر اساس روش مرتبط با پهنای باند دقیق ترین روش محاسبه پهنای باند تابع هسته نسبت به روش های قاعده سرانگشتی و صحت-سنجی مضاعف است. همچنین روش چگالی هسته با پهنای باند متغیر دقیق تر از روش چگالی هسته با پهنای باند ثابت است. هر دو روش ناپارمتری مذکور نیز از توزیع پارامتری لوگ پیرسون نوع 3 دقیق تر هستند.

تبخیر-تعرق گیاه مرجع یکی از عوامل مهم چرخه هیدرولوژیکی است که باید در طرح سیستم های آبیاری، تاسیسات آبی، مطالعات زهکشی و هیدرولوژیکی برآورد شود. یکی از داده های موردنیاز برای محاسبه این پارامتر بااهمیت، مقدار تابش خورشیدی می باشد که در صورت عدم وجود داده های آن از مجموع ماهیانه ساعات آفتابی استفاده می شود. با توجه به اینکه در اکثر ایستگاه های هواشناسی کشور در سال های گذشته داده های مربوط به مجموع ماهیانه ساعات آفتابی موجود نمی باشد، نیاز به بازسازی داده های مربوط به آن احساس می شود. در تحقیق حاضر با استفاده از دو نوع شبکه عصبی مصنوعی MLP و RBF و همچنین داده های هواشناسی ایستگاه هدف و ایستگاه های مجاور اقدام به بازسازی داده های مجموع ماهیانه ساعات آفتابی گردید. نتایج این تحقیق نشان داد که می توان با استفاده از داده های هواشناسی ایستگاه هدف و ایستگاه های مجاور، مجموع ماهیانه ساعات آفتابی را با دقت بالایی بازسازی کرد. نتایج سناریوهای مختلف اعمال شده نشان داد که درصورتی که صرفا از داده های هواشناسی ایستگاه هدف استفاده شود می توان با پارامترهای هواشناسی حداقل و حداکثر دما، رطوبت نسبی متوسط، تابش فرازمینی و تعداد روزهای صاف، ابری و نیمه ابری با RMSE، 16.79 ساعت و درصد خطای متوسط 6.44 درصد مجموع ماهیانه ساعات آفتابی را تخمین زد. همچنین درصورتی که تنها از داده های ایستگاه مجاور استفاده شود، استفاده از ایستگاه های بیش تر منجر به افزایش دقت می شود (RMSE، 14.25 ساعت و درصد خطای متوسط 5.71 درصد). بهترین نتیجه زمانی به دست آمد که از هر دو سری داده هواشناسی ایستگاه هدف و ایستگاه های مجاور استفاده شود (RMSE، 13.78 و درصد خطای متوسط 4.97 درصد). مقایسه عملکرد دو شبکه عصبی مصنوعی MLP و RBF نشان داد که دقت شبکه عصبی مصنوعی MLP تا حدودی بیش تر از شبکه عصبی RBF می باشد. در پایان نیز سری زمانی تبخیر- تعرق مرجع برای سال هایی که داده مجموع ماهیانه ساعات آفتابی موجود نبود، بازسازی گردید.

تخمین دقیق ضریب پراکندگی طولی آلاینده ها در اغلب مسائل هیدرولیکی و زیست محیطی رودخانه مانند مهندسی رودخانه، طراحی آبگیر، مدل سازی جریان در دلتاها و ارزیابی ریسک ناشی از تزریق آلاینده ها به جریان رودخانه دارای اهمیت خاصی می باشد. بررسی تحقیقات اخیر نشان می دهد که استفاده از روش های داده محور باعث افزایش دقت و صحت تخمین ضریب پراکندگی طولی آلاینده ها در رودخانه های طبیعی شده است. در این تحقیق توانایی و عملکرد روش هوشمند داده محور برخورد گروهی با داده ها (GMDH) در تخمین ضریب پراکندگی طولی مورد بررسی قرار گرفته است. مجموعه ای از 71 داده مشاهداتی از رودخانه های مختلف گردآوری شده که 51 داده برای آموزش و 20 داده باقی مانده برای آزمون مدل استفاده شده است. متغیرهای هیدرولیکی و هندسی ورودی مدل شامل عمق متوسط جریان (H)، عرض آبراهه (W)، سرعت متوسط طولی جریان (U)، سینوسیتی آبراهه (s) و سرعت برشی متوسط بستر (U*) و متغیر خروجی ضریب پراکندگی طولی (Kx) می باشند. یک برنامه کامپیوتری در محیط برنامه نویسی نرم افزار MATLAB برای مدل سازی ضریب پراکندگی طولی بر اساس رویکرد هوشمند داده محور GMDH تهیه شده است. بررسی عملکرد مدل توسعه داده شده با استفاده از معیارهای آماری  R2، RMSE،CC و DR حاکی از عملکرد بسیار بالای مدل GMDH در تخمین ضریب پراکندگی طولی در رودخانه دارد. همچنین مقایسه نتایج روش GMDH با چند رابطه تجربی و چند روش داده محور دیگر مانند شبکه های عصبی (ANN)، ماشین بردار پشتیبان (SVM) و الگوریتم ژنتیک (GA) بیانگر شناسایی صحیح الگوی حاکم بر فرایند پراکندگی طولی آلاینده ها در رودخانه های طبیعی توسط مدل توسعه داده شده می باشد. مقادیر شاخص های آماری  RMSE،R2 و CC در مدل GMDH به ترتیب برابر با 21.5، 0.99 و 0.995 به دست آمده است که حاکی از عملکرد مناسب مدل ارایه شده در تخمین ضریب پراکندگی طولی آلاینده ها در رودخانه های طبیعی می باشد.

در دهه های اخیر، پیش بینی تغییرات رطوبت خاک و شوری آن به منظور مدیریت آبیاری در اراضی تحت کشت و در مناطق با محدودیت های روزافزون در دستیابی به منابع آب، امری ضروری می باشد. مدل SALTMED 2013 یکی از محدود مدل های گیاهی دردسترس است که با درنظر گرفتن سامانه های مختلف آبیاری، انواع خاک و لایه بندی آن و انواع گیاهان رویکرد جامعی نسبت به مدیریت آب، خاک و محصول در مزرعه دارد. مبنای فیزیکی این مدل بر اساس معادلات انتقال آب و املاح، تبخیر-تعرق و جذب آب است. در این تحقیق از مدل SALTMED 2013 برای واسنجی و اعتباریابی دینامیک و نیم رخ های رطوبتی و شوری در خاک سیلت لومی باغ پسته واقع در اقلیم خشک و بیابانی استان کرمان (شهرستان سیرجان) استفاده شد. درختان پسته با سامانه آبیاری قطره ای زیرسطحی (SDI) آبیاری شدند و شوری آب آبیاری 2.5 دسی-سیمنز بر متر بود. آبیاری هر سه روز یک بار و بر اساس اندازه گیری های رطوبت خاک با استفاده از TDR انجام شد. شبیه-سازی تغییرات رطوبت و شوری نیم رخ خاک در فواصل 10، 40، 60 و 90 سانتی متری از قطره چکان و فواصل 20، 40، 60، 80 و 100 سانتی متری از سطح خاک انجام شد. طبق نتایج مدل قادر به پیش بینی روند مشاهده ای رطوبت در فواصل نزدیک به قطره چکان بود اما در فواصل دورتر، اندکی بیش برآورد صورت گرفت. نتایج واسنجی و اعتبارسنجی مدل برای بخش املاح، بیانگر کارآیی مطلوب آن در پیش بینی توزیع دینامیکی و مکانی شوری در سیستم SDI است. بنابراین می توان از مدل SALTMED به عنوان ابزاری مفید برای مدیریت آب، خاک و گیاه استفاده کرد.

به منظور بررسی تاثیر دو عامل تاریخ کاشت و آبیاری تکمیلی بر میزان عملکرد عدس بهاره دیم در شرایط آب و هوایی دشت قزوین، از مدل AquaCrop استفاده گردید. به این منظور، مدل ابتدا برای گیاه عدس مورد واسنجی قرار گرفت. در تعیین تاریخ بهینه کاشت، شش تاریخ مختلف در بازه زمانی متداول کاشت عدس بهاره در منطقه با فاصله زمانی 10 روز و هشت تاریخ پیشنهادی مدل براساس معیار بارش و دما انتخاب شد. مقادیر عملکرد محصول با استفاده از مدل واسنجی شده برای هر 14 تاریخ کاشت شبیه سازی و چهار تاریخ کاشت با بیش ترین میزان عملکرد مشخص گردید. سپس برای هریک از تاریخ های کاشت، میزان عملکرد محصول برای دو تاریخ مختلف آبیاری تکمیلی توسط مدل تخمین زده و مقایسه گردید. نتایج نشان داد بیش ترین میزان عملکرد مربوط به کاشت در بازه زمانی اواسط بهمن تا اواسط اسفند و بهترین زمان برای آبیاری تکمیلی 55 تا 65 روز پس از زمان کاشت در مرحله گل دهی می باشد. همچنین نتایج این بررسی نشان می دهد که با یک مرحله آبیاری تکمیلی در زمان مناسب، افزایش حدود 90 درصدی در میزان عملکرد محصول عدس نسبت به شرایط دیم در تاریخ کشت یکسان مشاهده می شود.

خشکسالی از پدیده های جوی است که می تواند در هر ناحیه ای رخ دهد و منجر به خسارت های عمده اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی شود. این پدیده بخش های مختلف محیطی از جمله منابع آب های زیرزمینی را در طول دوره ی حاکمیت خود تحت تاثیر قرار می دهد. اثر خشکسالی بر روی منابع آب های زیرزمینی کم تر مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش با استفاده از شاخص استاندارد بارش4 و شاخص سطح آب استاندارد زیرزمینی5 تاثیر خشکسالی بر منابع آب زیرزمینی دشت یزد-اردکان طی سال های آبی 82-1381 تا 91-1390 برای کلیه ی چاه های موجود و آمار بیست ساله برای 8 چاه منتخب حوضه ی مورد بررسی قرار گرفت. در بررسی توزیع مکانی شدت خشکسالی بر افت سطح سفره آب زیرزمینی منطقه نقشه های مربوطه با استفاده از نرم افزار GIS ترسیم شد. روند خشکسالی نیز در سطح ایستگاه های مورد مطالعه با روش من-کندال تعیین گردید. نتایج تحقیق نشان داد که درسال های آبی 79-1378 و 87-1386 خشکسالی در اکثر ایستگاه های مورد مطالعه واقع شده است. همچنین در بررسی تاثیر خشکسالی هیدرولوژیکی بر سطح ایستابی چاه ها از شاخص SWI استفاده شده است که نتایج به دست آمده نشان می دهد خشکسالی های اخیر، باعث افت سطح ایستابی و سطح آب های زیرزمینی کلیه چاه های مورد مطالعه در دشت یزد-اردکان شده است. در نهایت با تعیین ضریب همبستگی بین عمق سطح ایستابی چاه ها و بارندگی در مقیاس زمانی سالیانه، بالاترین ضریب همبستگی مربوط به چاه شحنه و چرخاب بود.

پرش هیدرولیکی یکی از مهم ترین پدیده ها در جریان متغیر سریع است که مورد توجه مهندسین هیدرولیک می باشد که برای استهلاک انرژی جریان در انتهای ساز هایی نظیر سدها، تن آب ها، آبشارها ودریچه ها، به منظور حفاظت پایین دست حوضچه آرامش مورد استفاده قرار می گیرد. در این تحقیق زبری بستر و واگرایی حوضچه به طور هم زمان بررسی شدند و زبری ها در حوضچه هایی با دیواره های واگرا با زوایای 0، 2، 4، 6 و 8 درجه و هر کدام از این حالت ها با 6 عدد فرود (دبی) مختلف آزمایش شده است. در مجموع 190 آزمایش در محدوده اعداد فرود 5 تا 8 انجام شد. مقدار کاهش نسبی عمق مزدوج پرش به طور متوسط برای زوایای انتخابی به ترتیب برابر 10، 17.2، 22، 25 و 25.5 درصد بدست آمد. میانگین کاهش طول نسبی پرش برای زوایای مورد نظر با بستر زبر به ترتیب برابر 45.5، 55، 56.1، 64 و 66.2 درصد بدست آمده است. میانگین کاهش طول پرش هیدرولیکی برای زبری های مکعب مستطیلی 60.3 درصد بدست آمد. البته واگرایی حوضچه به تنهایی و بدون اعمال زبری نیز تاثیر بسیار زیادی بر کاهش طول نسبی پرش هیدرولیکی بین 37 تا 47 درصد دارد واین کاهش با افزایش زاویه واگرایی حوضچه نسبت مستقیم دارد. نتایج نشان می دهد که هر دو عامل واگرایی دیواره حوضچه آرامش و زبری بستر باعث کاهش طول و عمق مزدوج پرش هیدرولیکی می شوند. این مساله موجب می-شود که ساخت حوضچه اقتصادی تر شود و کنترل پرش بهتر صورت گیرد.

شناخت مناطق همگن از لحاظ وضعیت رخداد خشکسالی در طول زمان، این امکان را فراهم می کند علاوه بر درک وسعت منطقه ای خشکسالی ها، نحوه تاثیر سیستم های موثر بر بارش در مناطق مختلف را شناسایی کرد. بر اساس این مفهوم در این پژوهش از آمار و اطلاعات بلند مدت 26 ساله داده های بارش 120 ایستگاه سینوپتیک که در کل پهنه جغرافیایی ایران توزیع شده، استفاده شد. برای محاسبه شدت خشکسالی، شاخص بارش استاندارد شده (SPI) در پنجره زمانی 12، 24، 48 ماهه محاسبه و به منظور پهنه بندی خشکسالی از روش درون یابی کریجینگ استفاده شد. شبکه مکانی نقاطی به فواصل مکانی 10 کیلومتر 10 کیلومتر ایجاد شده و برای نقاط این شبکه، مقادیر درون یابی شده SPI توسط نرم افزار GIS استخراج گردید. ماتریس تشکیل شده تحت سناریو های مختلف (یک سالانه، دوسالانه، چهارسالانه) به روش Kمیانگین خوشه بندی و تعداد بهینه خوشه ها به روش ضریب نیم رخ محاسبه شدند. نتایج نشان داد که پهنه جغرافیایی ایران از لحاظ تغییرات زمانی خشکسالی های بلند مدت یک سالانه، دوسالانه، چهارسالانه به ترتیب به 12، 9 و 9 خوشه دسته بندی می شود و با طولانی شدن پنجره زمانی، از تعداد خوشه ها کاسته می شود. همچنین در تمامی این خوشه بندی ها، استان های شمالی حاشیه دریای خزر، هر یک در خوشه ای جداگانه قرار داشتند و همچنین جنوب شرقی ایران که از رژیم بارشی موسمی تبعیت می کند، خوشه ای جداگانه ای را به خود اختصاص داد.

خشکسالی یکی از بلایای طبیعی است که جوامع بشری، گیاهی و اکولوژی محیط را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. این پدیده دارای مکانیسم پیچیده ای بوده که ماهیت آن کم تر شناخته شده است. برآورد دقیق جریان کمینه به عنوان معیاری جهت اهداف مختلف در مدیریت منابع آب از جمله خشکسالی از اهمیت بسزایی برخوردار است. با توجه به ماهیت پیچده کم آبی ها و مطالعات محدود صورت گرفته، هم چنان تحلیل فراوانی جریان های کمینه یکی از روش های مورد توجه محققان است. بنابراین، در مطالعه حاضر آنالیز فراوانی جریان کمینه حوضه آبریز دز با تداوم های مختلف (7، 10، 15، 30، 60 و 95 روزه) در دوره آماری 1391-1335 با استفاده از توزیع های نرمال  (NOR)، لوگ نرمال (LN)، پیرسون تیپ سه (P3)، نمایی (EXP)، گاما (GAM)، توزیع مقادیر حدی تعمیم یافته (GEV)، ناکاگامی  (NAK)، رایلی (RAY)، لجستیک (LOG)، لجستک تعمیم یافته (GLOG)، پارتوی تعمیم یافته (GPA) و ویبول (WEI) انجام شد. قبل از برازش توزیع های آماری، ایستایی و همگنی سری های جریان کمینه حوضه آبریز دز به ترتیب با استفاده از آزمون های من- کندال اصلاح شده و آزمون ریشه واحد دیکی- فولر (ADF) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این آزمون ها همگنی و ایستایی داده ها را تایید نمود. در مرحله بعد، توزیع های آماری مختلف بر روی سری های جریان کمینه برازش داده شد و به منظور تعیین توزیع مناسب از آماره های جذر میانگین مربعات نرمال شده (NRMSE) و معیار نش-ساتکلیف (NS) استفاده گردید. نتایج به دست آمده نشان داد که توزیع های آماری LOG و GEV بیش ترین تطابق را با داده های جریان کمینه حوضه آبریز دز داشته است. همچنین توزیع نرمال نیز از عملکرد بسیار خوبی در برآورد جریان کمینه برخوردار بوده و به دلیل سهولت در کاربرد می تواند با خطای قابل قبول برای برآورد جریان کمینه حوضه آبریز دز انتخاب گردد.

تغییرات اقلیمی یکی از مشکلات امروزه بشر است و تهدیدی برای کره خاکی به حساب می آید که شناسایی و پیش بینی عناصر آن در جهت مدیریت شرایط بحرانی اهمیت بسیاری دارد. در این تحقیق روند تغییرات زمانی پارامتر تبخیروتعرق برای محصول گندم همراه با بررسی روند تغییرات زمانی پارامتر دما در شهرستان اصفهان مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور از داده های هواشناسیایستگاه هواشناسی سینوپتیک اصفهان با دوره آماری 47 ساله (2010-1964) استفاده گردید و با بکارگیری آزمون های پارامتری تحلیل رگرسیون و غیرپارامتری من-کندال، وجود روند معنی دار برای سری های زمانی ماهانه و سالانه در سطوح معنی داری 95 و 99 درصد مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که روند تغییرات زمانی تبخیروتعرق گندم، کاهشی بوده است. بیش ترین موارد معنی داری روند تبخیروتعرق ماهانه در ماه های تیر و خرداد مشاهده شد ولی در مورد افزایش دما روند معنی داری مشاهده نگردید. در سری زمانی با مقیاس سالانه، تبخیر و تعرق با شیب حدود 29 درصد روند نزولی معنی داری در سطح 99 درصد نشان داد، ولی روند افزایش دما معنی دار نبود. مقایسه نتایج حاصل از بررسی روند تغییرات تبخیر و تعرق و دما توسط هر دو آزمون مبین این موضوع است که پدیده تناقض تبخیر در شهرستان اصفهان وجود داشته است.

تعیین مناطق مولد سیل و عوامل موثر بر سیل خیزی هر زیرحوضه می تواند در مدیریت بهتر حوضه های آبریز بزرگ نقش مهمی داشته باشد. در این مطالعه اولویت بندی سیل خیزی زیر حوضه های کارده واقع در خراسان رضوی با اعمال پارامترهای مختلف مانند اندازه سلول مدل رقومی ارتفاع، شماره منحنی رواناب در سه وضعیت رطوبتی زمین، محاسبه هیدوگراف واحد با دو روش متفاوت و هم چنین وجود یا عدم وجود چالاب بررسی گردید. نتایج نشان داد که بدون اعمال چالاب در زیرحوضه ها تاثیر پارامترهای اندازه سلول مدل رقومی ارتفاع و زمان تمرکز در پتانسیل سیل خیزی حوضه، در مقایسه با پارامتر شماره منحنی رواناب بسیار ناچیز می باشد. اما با افزایش چالاب علاوه بر اینکه اولویت بندی ها تغییر می-کند، تاثیر سایر پارامترها نیز بر سیل خیزی زیرحوضه ها بیش تر می شود.

مطالعات تحلیل ریسک سیلاب بر اساس برآورد تابع چگالی احتمال دبی اوج سیلاب صورت می گیرد. روش های مرسوم برای تخمین تابع چگالی احتمال توزیع های پارامتری هستند که دارای محدودیت های مختلف از جمله حساسیت در دقت برازش نسبت به کاهش اندازه نمونه می باشند. روش های ناپارامتری برآورد تابع چگالی احتمال دارای محدودیت های کمتری نسبت به توزیع های پارامتری می باشند. در این مطالعه از توزیع های پارامتری نمایی، لوگ نرمال، گاما و گامبل و روش سری های متعامد نرمال به عنوان یک روش نوین ناپارامتری و همچنین معیارهای دقت برازش معیار اطلاعات آکائیک (AIC)، معیار اطلاعات بیزی (BIC) و میانگین مربعات خطا (MSE) استفاده شد تا دقت این روش ها و نیز حساسیت آن ها به کاهش اندازه نمونه دبی اوج سالانه سیلاب بررسی گردد. بر اساس داده های ثبت شده پنج ایستگاه هیدرومتری در استان گلستان (با طول دوره آماری 38 تا 48 سال)دقت و تغییرات دقت برازش توزیع های پارامتری و ناپارامتری به کاهش اندازه نمونه ها بررسی شد. نتایج نشان داد دقت روش ناپارامتری سری های متعامد نرمال از توزیع های پارامتری به شکل محسوسی بالاتر می باشد. به علاوه روش سری های متعامد نرمال در مقایسه با روش های پارامتری دارای حساسیت کمتر به کاهش اندازه نمونه می باشد که این ویژگی موجب می شود بتواند به عنوان یک گزینه مناسب در مواردی که داده-های ثبت شده کوتاه مدت است به حساب آید.