حفاظت منابع آب و خاک
سال:1391 | دوره:2 | شماره:1 |تعداد مقالات:6

تخمین صحیح نیاز آبی گیاهان برای حفاظت از منابع آبی کشور بسیار مهم است. لیکن در بیشتر مطالعات انجام شده در ایران برای تخمین تبخیر - تعرق گیاه از آمار بلندمدت هواشناسی استفاده می شود. این در حالی است که حتی داده های همزمان ایستگاه های هواشناسی غیرکشاورزی می تواند به کم یا فرآبرآورد تبخیر - تعرق گیاه منجر شود. بنابراین ضرورت دارد کارشناسان و متخصصان آبیاری از میزان خطای برآورد تبخیر - تعرق محاسبه شده با استفاده از آمار بلندمدت هواشناسی آگاه باشند. هدف از این مطالعه، ارزیابی دقت تخمین تبخیر - تعرق گیاه مرجع با استفاده از آمار بلندمدت هواشناسی به جای آمار همزمان در مدیریت های آبیاری - قطره ای و بارانی بود. به این منظور، آمار سال های 1995 تا 2009 در سه ایستگاه هواشناسی اصفهان، هواشناسی کبوترآباد اصفهان و فرودگاه شهید بهشتی اصفهان برای ارزیابی انتخاب شد. نتایج نشان داد حداکثر مقدار خطای میانگین مربعات نسبی (n-RMSE) در صورت استفاده از آمار بلندمدت هواشناسی (تخمینی) به جای آمار همزمان هواشناسی (واقعی) برای محاسبه تبخیر - تعرق در مدیریت آبیاری قطره ای 24 درصد، در مدیریت آبیاری بارانی 18 درصد، در فصل بهار 22 درصد، در فصل تابستان 20 درصد، در فصل پاییز 44 درصد و در فصل زمستان 56 درصد بدست آمد. بر پایه نتایج این مطالعه، آمار بلندمدت هواشناسی قابلیت کاربرد در مدیریت کم آبیاری را ندارند. از سویی با توجه به حساسیت بیشتر سیستم آبیاری قطره ای به تنش رطوبتی در مقایسه با سیستم آبیاری بارانی، استفاده از آمار بلندمدت در تخمین تبخیر - تعرق به منظور برنامه ریزی آبیاری قطره ای، توصیه نمی شود. در نهایت، استفاده از ایستگاه های هواشناسی اتوماتیک و استفاده از آمار همزمان برای مدیریت آبیاری دقیق، بویژه برای اعمال مدیریت کم آبیاری در شرایط بحران کمبود آب توصیه می شود.

عوامل متعددی بر تعیین و تغییر فرآیند تولید رواناب و ایجاد فرسایش خاک موثر هستند. لیکن نقش بسیاری از این عوامل مانند فرآیندهای انجماد و ذوب به خوبی مدنظر قرار نگرفته است. از این رو، پژوهش حاضر با هدف شبیه سازی و تبیین اثرات چرخه انجماد - ذوب در خاک تحت شرایط شبیه سازی باران بر تولید رواناب و رسوب انجام گرفت. پس از تحلیل شرایط دمای هوا و اعماق مختلف خاک حاکم بر منطقه مادری و تعیین عمق هدف 10 سانتی متر و القاء انجماد به مدت سه روز و ذوب به مدت دو روز، واقعه بارشی با شدت 1.2 میلی متر در دقیقه و با تداوم 30 دقیقه بر تیمارهای آزمایشی و در آزمایشگاه شبیه ساز باران و فرسایش خاک دانشگاه تربیت مدرس شبیه سازی شد. نتایج به دست آمده، رفتار معنی دار و متفاوت خاک متاثر از انجماد و چرخه انجماد - ذوب را تایید کردند. به نحوی که زمان شروع رواناب در تیمارهای انجماد و انجماد - ذوب به ترتیب 2.74 و 3.25 برابر نسبت به تیمار شاهد کاهش نشان داد. همچنین، تیمارهای مذکور به ترتیب 1.46 و 1.16 برابر، تولید رواناب و 11.92 و 2.65 برابر، تولید رسوب را افزایش دادند. عملکرد لنزهای یخی و جبهه یخ بندان و ایجاد رطوبت نزدیک به اشباع پس از تکمیل چرخه، از مهمترین عوامل موثر در رفتار متفاوت خاک تحت چرخه انجماد - ذوب ارزیابی شدند.

آلودگی منابع آب و خاک یکی از چالش های مهم استفاده بهینه از این منابع در سرتاسر جهان است. ضریب توزیع(Kd)  نه تنها یک پارامتر کاربردی در مدلسازی انتقال آلاینده ها در خاک است، بلکه در ارزیابی ریسک آلودگی منابع آب و خاک نیز کاربرد دارد. مدل های پارامتریک، معمول ترین روش کمی برای تخمین Kd هستند. لیکن معمولا ضریب همبستگی این مدل ها اندک است. در حالیکه مقدار تخمینی این پارامتر می تواند باعث اشتباه قابل توجه در پیش بینی مهاجرت آلاینده ها در آبخوان و یا انتخاب روش پایش محیط آلوده شود. هدف از این پژوهش، بررسی توانایی شبکه های عصبی مصنوعی در مدلسازی ضریب توزیع فلزات سنگین و بهبود دقت تخمین آن بود. بدین منظور، سه نوع شبکه عصبی پرسپترون چند لایه (MLP)، توابع پایه شعاعی (RBF) و شبکه های سلسله مراتبی (HN) و دو فلز سنگین کروم و کادمیوم، برای مدلسازی انتخاب شدند. ابتدا داده های جمع آوری شده به دو دسته آموزش و آزمون تفکیک شدند که یک دسته برای آموزش شبکه ها بکار رفت و با دسته دیگر دقت شبکه های تعمیم یافته ارزیابی شد. بهترین هندسه شبکه نیز با روش آزمون و خطا بدست آمد. نتایج مدلسازی برای فلز کروم نشان داد که هر دو شبکه MLP و RBF، بسیار توانمند عمل کرده اند و برتری نسبی در تخمین Kd با شبکه MLP بوده است. هر چند تعداد داده های کاربردی برای آموزش شبکه ها زیاد نبود (حداقل 9 و حداکثر 16 داده)، لیکن نتایج نشان داد که این تعداد کم برای مدلسازی کفایت می کند. این یافته گامی موثر در تخمین Kd است چرا که افزون بر زمان بر و هزینه بر بودن اندازه گیری مستقیم آن، در هر پروژه نیز معمولا تعداد اندکی نمونه در اختیار است. نتایج مدلسازی تخمین Kd(Cd) با شبکه های عصبی مصنوعی نیز نشان دهنده برتری شبکه MLP در مدلسازی بود. این شبکه ها توانستند مقدار ضریب همبستگی بین مقادیر واقعی و پیش بینی شده را به طور قابل توجهی افزایش دهند و از 0.37 در مدل پارامتریک برازش داده شده به داده ها، به 0.63 برسانند.

ارزیابی کمی ویژگی های هیدرولیکی خاک های آلوده به مشتقات نفتی برای حفاظت بهینه از منابع آب و خاک ضروری است. هدف از این پژوهش بررسی اثر حضور نفت سفید بر ویژگی های هیدرولیکی خاک بود. بدین منظور، منحنی های نگهداشت و هدایت هیدرولیکی اشباع خاک برای نفت سفید و آب به ترتیب به وسیله دستگاه ستون آویزان و روش بار ثابت تعیین شدند. پارامترهای منحنی های نگهداشت خاک، برای آب و نفت سفید بر اساس مدل های ون گنوختن، بروکس - کوری و کمپبل برآورد شد. هدایت هیدرولیکی غیر اشباع به عنوان تابعی از پتانسیل ماتریک خاک به وسیله مدل های معلم - ون گنوختن، معلم - بروکس - کوری، بوردین - بروکس - کوری و کمپبل تعیین شد. نتایج نشان داد به دلیل کشش کمتر نفت سفید، این سیال نسبت به آب با نیروی کمتری در خاک نگهداشت می شود. همچنین، مقدار پارامترهای توزیع تخلخل تقریبا بدون تغییر و نقطه ورود هوا در سیستم دو فازی نفت سفید - هوا نسبت به آب - هوا افزایش یافت.نسبت پتانسیل ماتریک خاک برای نفت سفید 0.48 پتانسیل ماتریک خاک برای آب در یک حجم مایع خاک یکسان بود. مقدار فاکتور مقیاسی لورت 0.39 و فاکتور مقیاسی پیشنهاد شده در این پژوهش 0.49 بود که نشان می دهد فاکتور مقیاسی پیشنهادی با دقت بیشتری منحنی نگهداشت سیالات را برآورد می کند. همچنین به دلیل لزوجت بیشتر نفت سفید و نگهداشت کمتر خاک برای این سیال، هدایت هیدرولیکی اشباع و غیر اشباع خاک برای نفت سفید کمتر از آب بود.

محدودیت منابع آب در کشورهای واقع در مناطق خشک و نیمه خشک، رشد روزافزون جمعیت و توسعه شهرنشینی و فشار بر منابع آب متعارف، در کنار مشکلات و هزینه های دفع بهداشتی فاضلاب ها باعث رویکرد به سمت استفاده از پساب در بخش کشاورزی شده است. پژوهش ها نشان داده که از میان روش های مختلف آبیاری، روش آبیاری قطره ای بهترین سازگاری را با کاربرد پساب دارد. با این وجود بزرگترین مشکل کاربرد پساب در آبیاری قطره ای گرفتگی قطره چکان هاست. به منظور بررسی اثر شستشوی هفتگی بر عملکرد قطره چکان ها در شرایط آبیاری با پساب، یک مدل فیزیکی آبیاری قطره ای طراحی و ساخته شد. در این پژوهش از چهار نوع قطره چکان میکروفلاپر، نتافیم، لوله قطره چکان دار و آنتیلکو که از کاربردی ترین قطره چکان ها در آبیاری تحت فشار محسوب می شوند، استفاده شد. نتایج نشان داد که تیمار مدیریتی شستشو باعث افزایش آبدهی، یکنواختی پخش، یکنواختی پخش مطلق، یکنواختی کریستیان سن و کاهش ضریب تغییرات دبی تمامی قطره چکان ها در شرایط آبیاری با پساب می شود. این افزایش بستگی به نوع قطره چکان ها داشته که در این میان بیشترین تاثیر را بر روی قطره چکان آنتیلکو گذاشت. همچنین بررسی نتایج نشان داد که در شرایط استفاده از پساب، قطره چکان نتافیم و میکروفلاپر به ترتیب با 8.5 و 27.8 درصد کاهش، کمترین و بیشترین کاهش دبی را داشتند. قطره چکان نتافیم در شرایط استفاده از پساب و تیمار مدیریتی شستشو دارای عملکرد بالایی بوده و در درازمدت نسبت به سایر قطره چکان ها برتری دارد.

هر چند بررسی تغییرات زمانی و مکانی مولفه های هیدرولوژی اساس مدیریت صحیح و کارآی منابع آب و خاک در مقیاس حوزه آبخیز محسوب می شود، لیکن این مهم کمتر مورد توجه قرار گرفته است. بر همین اساس، در این تحقیق میزان آورد رواناب، رسوبات معلق و مواد مغذی محلول (نیترات و فسفات) از طریق ورودی های فعال دریاچه زریوار محاسبه و تغییرات زمانی و مکانی آنها بررسی گردیده است. برای این منظور، 8 نقطه نمونه برداری روی 7 ورودی دریاچه از فروردین 1390 تا اردیبهشت 1391 مورد پایش روزانه در شرایط جریان پایه و همچنین نمونه برداری با فواصل زمانی یک ساعت در طول رگبارها قرار گرفت. طی سال 1390، میزان آورد رواناب، رسوب معلق، نیترات و فسفات ورودی به دریاچه به ترتیب برابر با 9.7 میلیون مترمکعب و 685.8، 25.4 و 1.15 تن بود. با وقوع 7 رگبار در دو دوره در این مدت به ترتیب 1.6 میلیون مترمکعب رواناب، 685.8 تن رسوب معلق، 4 تن نیترات و 211 کیلوگرم فسفات به دریاچه حمل گردید. در حالت آب پایه 8.1 میلیون مترمکعب رواناب، 718.65 کیلوگرم رسوب معلق، 21.4 تن نیترات و 944.35 کیلوگرم فسفات وارد دریاچه شد. نتایج تحقیق حاکی از مشارکت مکانی بسیار بیشتر بخش های شمالی حوزه آبخیز دریاچه زریوار در آورد رواناب و نیترات بود. همچنین بیشترین آورد رسوبات معلق از بخش های شمالی و غربی دریاچه بود. در حالی که بخش غربی دریاچه بیشترین آورد فسفات را داشت. از نظر زمانی نیز بیشترین آورد رواناب، رسوب معلق، نیترات و فسفات به ترتیب در فصول بهار و زمستان اتفاق افتاد. همچنین، حدود 82 درصد رسوب معلق در دوره مطالعاتی طی یک بارش بهاره 50 ساعته وارد دریاچه زریوار شده که نشانگر تغییرپذیری بسیار زیاد رسوب معلق در شرایط رگبار و ضرورت لحاظ آن در مدیریت منابع آب و خاک در حوزه آبخیز بسته این دریاچه است.