مهندسی منابع آب
سال:1398 | دوره:12 | شماره:41 |تعداد مقالات:12

مدیریت منابع آب در مناطق خشک از اهمیت بالایی برخوردار است. از آنجا که در این مناطق بیشتر سهم مصارف متوجه منابع آب زیزمینی است، اطلاع از وضعیت کمی و کیفی این منابع ضروری است. خروجی های مدل های گردش عمومی ابزاری سودمند در جهت پیش بینی تغییرات متغیرهای اقلیمی به شمار می رود. در این پژوهش در ابتدا جهت بررسی پیامدهای کمی گرم شدن جهانی، با استفاده از بهترین خروجی مدل های گردش عمومی اثر تغییر اقلیم بر بارش براورد گردید، و در ادامه به منظور تحلیل وضعیت کمی آبخوان دشت بیرجند، از مدل مفهومی بیلان استفاده شد. واسنجی و صحت سنجی مؤلفه ها و اجزاء مدل مفهومی بیلان با استفاده از الگوریتم بهینه سازی چندهدفه MOPSO، و میانگین سطح آب زیرزمینی حدفاصل سال های 1390 تا 1393 (به عنوان ارتفاع مشاهداتی سطح آبخوان) انجام شد. از شاخص های R2 و RMSE به عنوان توابع هدف در این بهینه سازی استفاده شد. بازه ی تغییرات توابع هدف در مرحله ی واسنجی اعضای جمعیت نیز بین 96/0 تا 2/0 برای تابع RMSE، و بین 77/0 تا 97/0 برای تابع R2 رسید. همچنین میزان دقت توابع هدف در مرحله ی صحت سنجی برای تابع RMSE و R2به ترتیب برابر است با 84/0 و 91/0. در مرحله ی بعد، براورد سطح آب زیرزمینی آبخوان حدفاصل سال های 2015 تا 2030 میلادی انجام شد. نتایج مطالعه ی حاضر نشان داد که سطح آب زیرزمینی آبخوان دشت بیرجند در بازه مطالعه شده با روندی نزولی مواجه خواهد گردید. طبق شبیه سازی های مدل مفهومی در خصوص سطح آب زیرزمینی، انتظار می رود که حدوداً افت تجمعی و ارتفاع سطح آب زیرزمینی در پایان دوره ی آتی به ترتیب به ارقام 7 و 9/1315 متر برسد.

یکی از پیامدهای گرمایش جهانی و تغییراقلیم جابه جایی در الگوهای زمانی-مکانی سنجه ی جوی مهم و آشوبمند بارش است. هدف از انجام این پژوهش شناختن تغییرات مدت زمان انتظار رخداد بارش استان کردستان طی دهه های اخیر است. بدین منظور داده های روزانه ی بارش162پیمونگاه همدید، اقلیمی و بارانسنجی بر روی پهنه ی استان کردستان و 26 پیمونگاه همدید، اقلیمی و بارانسنجی خارج از مرز استان مربوط به شرکت آب منطقه ای کردستان و سازمان هواشناسی طی بازه ی زمانی 1/1/1340 تا 11/10/1391(21/3/1961 تا31/12/2012) به کارگرفته شدند. با بهره گیری از روش زمین آماری کریجینگ مقادیر بارش بر روی سلول های 6×6 کیلومتر برای هر روز جداگانه میان یابی شدند. سپس داده-های روزانه ی مربوط به 811 سلول که کل استان را پوشش می دادند، از نقشه های میان یابی استخراج شدند. یک پایگاه داده(گاه جای) در ابعاد811×18914 تهیه شد که بر روی سطرها روز(زمان) و بر روی ستون ها سلول ها(مکان) قرار داشتند. میانگین مدت زمان انتظار رخداد بارش برای هر سلول طی هر ماه از سال جداگانه حساب شد. جهت ارزیابی معناداری روند، آزمون ناپارامتریک من کندال در سطح اطمینان 90 درصد بر روی سری زمانی مقادیر مدت زمان انتظار رخداد برازش داده شد. نرخ تغییرات به کمک روش خطی حداقل مربعات براورد شد. یافته ها نشان دادند که طی ماههای سرد سال مدت زمان انتظار رخداد بارش طولانی تر شده است، درحالی که در ماههای گرم سال فاصله ی زمانی بین دو رویداد بارشی پیاپی کوتاهتر شده است. نرخ کاهشی دوره ی انتظار رخداد بارش دست کم دو برابر نرخ افزایشی آن است. پراکنش روند معنادار بر روی استان بیانگر آن است که در نیمه ی غربی و پربارش استان، مدت زمان انتظار رخنمود بارش طولانی تر شده است، برعکس در نیمه ی شرقی و کم بارش، فاصله ی بین دو رویداد بارشی پیاپی کوتاهتر شده است.

خشکسالی یکی از مهمترین بلایای طبیعی است که زیان های فراوانی را بر بخش کشاورزی و منابع آبی وارد می سازد. به منظور پایش و سنجش خشکسالی در هر منطقه و تجزیه و تحلیل آماری این پدیده لازم است از شاخص هایی استفاده گردد. اخیرا، از یک شاخص خشکسالی قدرتمند به نام شاخص شناسایی خشکسالی[1]، استقبال وسیعی گردیده و به طور عمده در مناطق خشک و نیمه خشک آب و هوایی به کار گرفته شده است. از آنجا که شاخص RDI از دو فراسنج بارش و تبخیر-تعرق بالقوه(PET) تشکیل شده، ارزیابی روش محاسبهPET و تاثیر آن برخصوصیات شدت خشکسالی به دست آمده به وسیله ی شاخص RDI ضروری است. در این تحقیق مقایسه نتایج حاصل از شاخص RDI برای دوره های مختلف زمانی براساس پنج روش محاسبه تبخیر-تعرق بالقوه با حداقل داده های لازم انجام شده است. این روش ها عبارتند از: هارگریوز-سامانی، ترنت-وایت، بلانی-کریدل، جنسن-هیز و فائو-پنمن-مانتیث. روش فائو پنمن مانتیث به عنوان روش مرجع و مبنا جهت مقایسه استفاده شده است. از داده های ایستگاه های هواشناسی در استان تهران استفاده شده که نماینده آب و هوایی اقلیم های مختلف هستند. نتایج نشان دادند که روشهای مختلف محاسبهPET تأثیر قابل توجهی بر نتایجRDI ندارند. در میان روش های مختلف تبخیر-تعرق بالقوه، در اکثر ایستگاه های هواشناسی مطالعه شده، روش بلانی-کریدل نزدیک ترین نتایج را با روش مرجع داشته و نسبتا مناسب تر است. این امر نشان می دهد کهRDI شاخصی قوی برای ارزیابی شدت خشکسالی بوده و شدت های خشکسالی محاسبه شده با کاربرد روش های مختلف محاسبه تبخیر-تعرق بستگی ندارد.

استفاده از قابلیت های سنجش از دور و سامانه اطلاعات مکانی در تهیه ی نقشه ی های موضوعی و تلفیق آنها در قالب نقشه های پهنه بندی، یکی از ابزارهای مهم در ارزیابی توان استعداد تغذیه ی آب زیرزمینی است. در این بررسی نقشه های موضوعی با استفاده از عوامل موثر در توان استعداد تغذیه از قبیل عوامل آب شناختی مانند تخلیه ی چشمه ها، زمین ساختاری مانند درزه و شکستگی ها، سنگ شناسی مانند جنس سازندها، پستی و بلندی مانند شیب سطح زمین و نمایه رطوبت پستی و بلندی، اقلیمی مانند بارش، دما و پوشش گیاهی در تهیه ی نقشه ی توان استعداد تغذیه ی آب زیرزمینی استفاده شد. بدین منظور نقشه های موضوعی با استفاده از اطلاعات رقومی سنجش از دور تهیه شد. سپس با استفاده از روش ارجاع دادن، مقایسه ی زوجی و با اعمال نظر کارشناسی که با بازدیدهای صحرایی در برخی نقاط منطقه صورت گرفت، سلول های هر نقشه و متعاقب آن کل نقشه با توجه به تاثیری که در توان استعداد تغذیه دارد، ارزش گذاری شد. پس ارزش گذاری هر کدام از نقشه های موضوعی تهیه ی شده، با بکارگیری روش هم پوشانی، نقشه ی نهایی توان استعداد تغذیه ی آب زیرزمینی تهیه گردید. برای برررسی صحت نسبی نقشه ی توان استعداد تغذیه از موقعیت چشمه های منطقه استفاده شد. اکثر حوضه ی آبگیر چشمه های بزرگ در مناطق با توان استعداد تغذیه ی بالا قرار گرفته اند که حاکی از صحت نسبی بالای نقشه ی موضوعی توان استعداد تغذیه برای منطقه ی مطالعه شده است.

گام اساسی در مدل سازی کیفی محیط های آبی یک بعدی مانند رودخانه ها، تعیین ضریب انتشار طولی (LDC) برای معادله ی انتقال-پخش آلاینده ها است. در این مقاله برای پیش بینی LDC، مدل شبکه ی عصبی مصنوعی (ANN) بر مبنای الگوریتم های آموزشی با رویکرد عددی و همچنین رویکرد اکتشافی توسعه داده شده است. برای این منظور توابع آموزشی گرادیان مزدوج شامل توابع فلچر-ریوس، پولاک-ریبره، پاول-بیل و گرادیان مزدوج مقیاس دار از دسته الگوریتم های عددی و همچنین تابع پس انتشار ارتجاعی از دسته الگوریتم های اکتشافی برای بهینه سازی پارامترهای مدل ANN استفاده شدند. در مرحله ی بعد با استفاده از آماره های بررسی شده برای ارزیابی نتایج، بهترین مدل با ساختار شامل هر یک از توابع نامبرده انتخاب شدند و در ادامه از بین مدل های منتخب، مدلی که بهترین عملکرد را داشت، یعنی مدل با تابع آموزش پس انتشار ارتجاعی، با توجه به آماره ی نسبت تفاوت توسعه یافته (DDR)، به عنوان نتیجه نهایی این مقاله برگزیده شد. در پایان نیز برای ارزیابی بهتر نتایج تحقیق، رویکردی مقایسه ای بین نتیجه بهترین مدل توسعه داده شده با دیگر مطالعات انجام گرفته به وسیله مدل های هوشمند انجام شد که یافته ها حاکی از عملکرد برتر مدل پس انتشار ارتجاعی بود.

درحوضچه های آرامش با شیب معکوس در پایین دست سطوح شیبدار، معمولا قسمتی از پرش بر روی سطح شیبدار منتقل می شود، و در عمل بیشتر پرش نوع B-F اتفاق می افتد. خصوصیات پرشB – F در سطوح شیبدار، از جمله نسبت عمق ها و طول غلتابی، می تواند کمک شایانی به طراحی مناسبت تر و ارزان تر حوضچه ی آرامش پایین دست باشد. دراین تحقیق ابتدا با استفاده از تحلیل ابعادی و انگاره خود-تشابهی ناقص معادله ی کلی جهت محاسبه ی نسبت عمق های مزدوج استخراج شد. آزمایش ها در مدلی با سه شیب مختلف برای نهر بالادست (5/13، 5/21 و 5/29 درجه) با حوضچه-های آرامش در سه شیب (05/0-، 1/0-و 15/0-درصد) انجام شدند. نتایج نشان دادند که با افزایش شیب حوضچه ی آرامش نسبت عمق های مزدوج کاهش می یابد بطوری که در شیب 15/0-درصد، و برای یک موقعیت پرش ثابت (5/0E0=)، نسبت عمق های مزدوج حدود شصت درصد نسبت به شیب 05/0-کاهش پیدا کرد. طول غلتاب پرش نیز بررسی گردید و برای محاسبه ی آن رابطه ای کلی برحسب افت نسبی کارمایه درداخل پرش استخراج شد. نتایج نشان دادند که معادله طول غلتابی مستقل از شیب نهر بالادست وحوضچه ی آرامش است. در نهایت، با استفاده از داده های آزمایشگاهی این تحقیق، ضرایب روابط کلی به دست آمد و درصد متوسط خطای معادله های کلی جهت محاسبه ی نسبت عمق ها و طول غلتابی به ترتیب 72/8 و 31/13 درصد محاسبه گردیدند.

یکی از روش های مهارکردن آبشستگی اطراف پایه ی پل استفاده از شکاف در آنهاست. در تحقیق حاضر اثر شکل شکاف بر آبشستگی موضعی اطراف پایه با مقطع مستطیلی، بررسی شده است. برای این منظور دو شکاف لوزی و مربع شکل با مساحت سطح برابر، در سه تراز قرارگیری نزدیک سطح آب، هم تراز بستر و زیر بستر و در چهار عدد فرود 3/0 و 27/ 0 و 24/0 و 19/0 آزمایش شدند. در ادامه دانه بندی بستر تغییر داده شد و پایه های شکافدار در دو تراز نزدیک سطح آب و هم تراز بستر در جریان با عدد فرود 24/0 آزمایش گردید. نتایج نشان دادند که در تمام حالت ها حضور شکاف موجب کاهش عمق آبشستگی حداکثر و حجم چاله ی آبشستگی گشته و عمق آبشستگی حداکثر و حجم چاله ی آبشستگی با تراز قرارگیری شکاف نسبت به بستر و عدد فرود جریان، رابطه ی مستقیم، و با اندازه ی متوسط دانه های بستر، رابطه ای عکس دارد. با مقایسه ی داده های به دست آمده مشخص شد که با افزایش لنگر دوم سطح شکاف، عمق آبشستگی و حجم و ابعاد چاله ی آبشستگی افزایش می یابد.

آب زیرزمینی یگانه منبع تامین آب در بسیاری از مناطق خشک و نیمه خشک دنیا است. بهره برداری بیش از حد، خشکسالی و تغییر اقلیم در دهه های اخیر باعث افت کمی و کیفی منابع آب زیرزمینی شده اند. یکی از نتایج افت سطح آب زیرزمینی، کاهش آبدهی چاه ها است. افزایش عمق چاه های بهره برداری به عنوان یکی از گزینه های مهم برای جبران این مشکل مطرح شده است. هدف از این تحقیق تعیین عمق بهینه ی چاه های بهره برداری در دشت کاشان است، به طوری که آب باقی مانده در آبخوان پاسخگوی نیازهای آبی شرب و صنعت در یک افق پانزده ساله (سال 1405) باشد. به این منظور اطلاعات زمین شناسی و داده هائی مانند تراز سطح آب زیرزمینی در چاه های مشاهده ای، ارتفاع سنگ کف، ضرایب آب پویایی آبخوان و داده های کیفیت شیمیایی آب زیرزمینی استفاده شده اند. با استفاده از داده های سطح آب زیرزمینی در چاه های مشاهده ای، معادلات ریاضی تغییر سطح آب با زمان استخراج گردیده، و از این معادلات برای پیش-بینی سطح آب زیرزمینی در سال های آینده استفاده شده است. کیفیت آب زیرزمینی نیز با استفاده از داده های کیفی چاه های معرف در سال های آینده پیش بینی شده است. تغییرات کمی و کیفی آب موجود در آبخوان نیز با درنظر گرفتن نمایشنامه های مختلف افزایش افت سطح آب زیرزمینی نسبت به روند بهنجار آن بررسی شده است. با توجه به نتایج به دست آمده از این تحقیق، نمایشنامه افزایش افت 25 درصدی نسبت به افت بهنجار افق طرح به عنوان مناسب ترین راهبرد برای تعیین عمق بهینه ی چاه های بهره برداری در دشت کاشان در نظر گرفته شد. البته با توجه به اینکه عمق اغلب چاه-های منطقه مطالعه شده بیش از مقدار پیشنهاد شده در این نمایشنامه است، بنابراین افزایش عمق و کف شکنی چاه-های بهره برداری پیشنهاد نمی شود.

زیر حوضه ی کوهرنگ یکی از سرچشمه های اصلی کارون شمالی است. متغیرهای اقلیمی، از جمله بارندگی و دما، می توانند در این زیر حوضه تأثیر قابل توجهی را بر بده رودخانه کارون شمالی داشته باشند. برای بررسی چگونگی تأثیر متغیرهای اقلیمی برآورد کوهرنگ از داده های هواشناسی ایستگاه کوهرنگ در طول 27 سال آماری استفاده شد. برای این منظور، متوسط ده سال اخیر هشت متغیر اقلیمی شامل میانگین دمای سالانه، میانگین بیشینه و میانگین کمینه دمای سالانه، تعداد روزهای برفی، تعداد روزهای بارانی، میزان بیشینه ی شدت بارش روزانه، مقدار بارندگی سالانه کوهرنگ و متوسط بده سالانه رودخانه در ایستگاه آب سنجی دزک آباد، نسبت به متوسط سال های گذشته، با استفاده از آماره های آزمون من-کندال[1] و تخمینگر سن[2] تجزیه و تحلیل شدند. آماره های فوق در سطح اطمینان 95 درصد نشان دادند گرچه داده های میانگین دمای سالانه برابر با 5/1 درجه ی سانتی گراد نسبت به میانگین سال های قبل افزایش داشته است ولی بیشینه و کمینه ی دمای سالانه هیچگونه روند معنی داری را نشان نمی دهند. هر چند بیشینه ی شدت بارش روزانه، تعداد روزهای بارانی و تعداد روزهای برفی طی دوره ی آماری روند کاهشی داشته اند، ولی آزمون های آماری فوق این روند را معنی دار نشان نمی دهند. آزمون های آماری یادشده روند نزولی بارندگی سالانه را به مقدار 11 درصد (4/155میلی متر)، و روند کاهشی داده های بده را در ایستگاه دزک آباد به میزان 7/19 درصد تأیید می کنند.

بارش های شدید و رگباری در دوره ی گرم و کم بارش تابستان در مرزهای جنوب شرقی ایران از چالش های پایه ای در حوزه ی پژوهش های اقلیمی محسوب می شوند. هدف این مطالعه بررسی شرایط همدیدی و پویائی الگوهای گردشی، جهت تحلیل و شناسایی منابع رطوبتی، نیز نحوه ی انتقال رطوبت از نواحی اطراف به این منطقه است. بدین منظور ابتدا بخشی از جنوب شرقی کشور به مختصات جغرافیایی 59 تا 61 درجه ی طول شرقی و 23 تا 28 درجه ی عرض شمالی به عنوان محدوده ی مطالعه انتخاب شد، سپس داده های لازم شامل دو گروه داده های محیطی و داده های جوی از پایگاه های مرتبط برای بازه ی زمانی 13 ساله (2013-2000) استخراج گردیدند. جهت بررسی های سینوپتیکی نیز نقشه های فشار سطح زمین و ارتفاع زمین توان سطح 850 و 500 هکتوپاسکال، امگا، نم ویژه، نقشه های ترکیبی فشار تراز دریا و بارش و نقشه های وزش رطوبتی تهیه گردیدند. نتایج نشان دادند که در بیشتر روزهای مطالعه شده، بارش در خشکی زودتر از دریا رخ داده است. همچنین، وقوع بارش های سنگین در بیشتر مواقع به علت اختلاف فشار حاصل شده بین کم فشار پاکستان و پرفشار تبت بوده است. به علاوه، در زمان هایی که کم فشار پاکستان شدت و گسترش فراوانی داشته، مسیر حرکت رطوبت از طریق دریاهای گرم عرب و عمان به سمت شبه قاره ی هند بوده و ازآنجا با حرکت غرب سو، جنوب شرقی ایران را نیز در برگرفته است، اما در شرایطی که از وسعت و گستره ی فروبار پاکستان کاسته شده و پرفشار آزور در جهت غربی-شرقی گسترش پیدا کرده، مسیر جریان رطوبت از دریای عمان به نواحی داخلی ایران تغییر کرده است.

این پژوهش بر روی آبخوان آب زیرزمینی دشت چاردلی، حد فاصل استان های کردستان و همدان واقع در غرب ایران صورت گرفته است. برای این منظور از داده های کیفیت آب زیرزمینی آبخوان در سال های 87-1381 بهره گرفته شده و اقدام به بررسی تغییرات پارامترهای کیفی آبخوان در طی این سال ها، در مقایسه با استانداردهای کیفی مربوط به آب شرب، کشاورزی، خورندگی و رسوب گذاری شده است. تحلیل کیفی آب زیرزمینی براساس نتایج حاصل از اطلاعات تجزیه شیمیایی 25 حلقه چاه در محدوده مورد نظر انجام پذیرفت. پارامترهای کیفی مورد تحلیل شاملpH, HCO3-, SO42-, Cl-, Mg2+, TH, Ca2+, K+, Na+ TDS, Co32-و هدایت الکتریکی می باشند. نتایج حاصل از تحلیل های کیفی در محیط نرم افزار GIS، تحت لایه های توصیفی وارد شده و درون یابی با استفاده از روش کوکریجینگ بر اساس کمترین خطای میانیابی، جهت تهیه نقشه های پهنه بندی کیفی انجام گرفت. وضعیت کیفی آبخوان، نشان دهنده کاهش کیفیت آب زیرزمینی در سال های 1383 تا 1385 و سپس بهبود وضعیت تا سال 1387 است. نقشه های پهنه بندی کیفی آبخوان آب زیرزمینی نیز نشان دهنده افت کیفیت بین سال های 1381 تا 1384 در مناطق خروجی آبخوان بوده و پس از آن تا سال 1387 رو به بهبود نهاده اند. این تغییرات منطبق با افت تراز آب زیرزمینی دشت در سال 1384 می باشد و این موضوع متاثر از وضعیت بارندگی کم منطقه در این دوره و حفر بی رویه چاه بوده است. به طور کلی نتایج حاکی از آن است که مناطق واقع در شمال دشت و نزدیک به خروجی آبخوان از کیفیت پایین تری برخوردار می باشند.

هدف از این مطالعه جداسازی سریع و راحت نیکل از محلول آبی با صرف هزینه ی کم و زمان کوتاه بوسیله جاذب نانو گرافن متخلخل مغناطیس شده(NPG@Fe3O4 ) است. جداسازی از بخش جامد از آب به وسیله ییک آهنربای دستی از ایجاد آلودگی ثانویه جلوگیری می کند. ریخت شناسی و سایر مشخصات جاذب NPG@Fe3O4 با استفاده از روش SEMو XRD تعیین گردید. تعداد 96 آزمایش به منظور بررسی میزان بهینه عوامل موثر بر فرآیند جذب انجام شد که اثر فراسنجهای مختلف همچون pHمحلول، زمان جذب، مقدار لازم جاذب، دما و غلظت اولیه نیکل در روند کاهش غلظت آلاینده مورد بررسی و مقادیر بهینه هر کدام از عامل ها مشخص شد. نتایج نشان داد که میزان pH بهینه جاذب 6، مدت زمان بهینه تماس 30 دقیقه و مقدار لازم بهینه جاذب50 میلی گرم در لیتر بود. خطوط هم دمای جذب با استفاده از دو نمونه خطوط هم دما لانگمایر و فروندلیش و معادلات جنبشی سینتیک شبه درجه اول و دوم بررسی شدند. نتایج نشان دهنده هم خوان بودن میزان جذب با نمونه خطوط هم دما فروندلیش و معادله جنبشی سینتیک شبه درجه دوم بوده است. بررسی ترمودینامیک نشان داد که فرایند جذب با افزایش بی نظمی همراه و گرماگیر بوده است. حداکثر ظرفیت جذب برابر با 25/82 میلی گرم بر گرم بوده که نشان از جذب مطلوب نیکل از آب با استفاده از جاذب ساخت شده از گرافن بوده است.