مهندسی و مدیریت آبخیز
سال:1394 | دوره:7 | شماره:2 |تعداد مقالات:10

به دلیل محدودیت منابع آبی در کشور، آب زیرقشری و یا زیر بستر رودخانه های فصلی از اهمیت زیادی برخوردار است. این منابع آبی در محل هایی که دارای خصوصیات خاصی باشند، از طریق احداث سدهای زیرزمینی، استحصال و مورد استفاده قرار می گیرد. به منظور استفاده از آب های زیرقشری، ضروری است تا ابتدا برآوردی با دقت مناسب از این پتانسیل آبی به-عمل آید. لذا، هدف این پژوهش، برآورد جریان زیرقشری با استفاده از مدل Salas است که مبتنی بر بیلان هیدرولوژیکی می باشد. در این رابطه، داده ها و اطلاعات هواشناسی و هیدرومتری 15 ایستگاه اخذ شد و با ارزیابی و بازدیدهای میدانی، دو ایستگاه هیدرومتری در حوزه های آبخیز آبگلال و مرغاب به عنوان ایستگاه مناسب انتخاب شدند. در این ایستگاه ها با استفاده از مدل یاد شده، بیلان جریان زیرقشری محاسبه شد. نتایج نشان داد که در حوزه آبخیز آبگلال، از کل مقدار بارش، 73 درصد از آن به صورت تبخیر و تعرق به جو بازگشته و 11 درصد از آن در سطح حوضه نفوذ کرده و تنها مقدار 16 درصد آن به رواناب تبدیل شده و از حوضه خارج می شود. همچنین، در حوزه آبخیز مرغاب بیشینه مقدار بارندگی از طریق رواناب سطحی از حوضه خارج می شود، به طوری که ضریب رواناب معادل 58. 7 درصد محاسبه شده است. در این حوضه، از کل مقدار بارش میزان 41. 2 درصد در سطح حوضه نفوذ کرده و 29. 9 درصد آن به صورت تبخیر و تعرق و 27. 4 درصد آن به داخل زمین نفوذ می کند. با در نظر گرفتن مساحت 151. 6 کیلومتر مربعی حوضه آبگلال، سالانه حدود 8. 4 میلیون مترمکعب آب به صورت جریانات زیرقشری از حوضه خارج می شود. با توجه به مساحت 664. 3 کیلومتر مربعی حوضه مرغاب نیز سالانه حدود 250 میلیون متر مکعب آب به صورت جریانات سطحی و حدود 43 میلیون مترمکعب به صورت جریانات زیرقشری از حوضه خارج می شود. همچنین، ارزیابی مدل در هر دو ایستگاه با استفاده از آماره های جذر میانگین مربع خطای نسبی، ضریب نش-ساتکلیف و میانگین قدر مطلق خطا صورت گرفت که به ترتیب میزان این آماره ها در ایستگاه مرغاب برابر 2. 53، 0. 53، 10. 08 و برای ایستگاه آبگلال برابر 0. 97، 0. 32 و 8. 9 به دست آمد.

حیات بشر، شاهد حوادث مختلف هیدرولوژیکی نظیر سیل، کمبود آب، خشکسالی، آلودگی­ های کیفی آب، وقوع بهمن و غیره بوده است که دامنه خطر آن­ ها تابع رفتار متغیرهای هیدرولوژیکی و خصوصیات حوزه های آبخیز است. فقدان آمار و اطلاعات یا کافی نبودن آمار درست و مناسب سبب شده است تا بررسی و شناخت رفتار متغیرهای هیدرولوژیکی و خصوصیات حوزه های آبخیز با دقت قابل قبولی صورت نگیرد. در این رابطه، مدل­ هایی هستند که قادرند رفتار و خصوصیات حوضه را تقلید نموده و مقادیر رواناب و رسوب و سایر مؤلفه های بیلان حوزه را برآورد و یا شبیه ­ سازی نمایند. یکی از مدل­ های هیدرولوژیکی مهم مدل ارزیابی آب و خاک (SWAT) می­ باشد. در تحقیق حاضر، شبیه سازی جریان رودخانه اترک، با استفاده از این مدل و بر اساس داده های جمع آوری شده در آبخیز مراوه ­ تپه استان گلستان به­ صورت ماهانه انجام شد. اطلاعات مورد نیاز برای این تحقیق شامل نقشه های توپوگرافی، کاربری اراضی و اطلاعات خاکشناسی و همچنین، اطلاعات آب و هوا شامل داده های روزانه بارش، دما، رطوبت نسبی و رواناب جریان تهیه شد. به­ منظور مشخص کردن عوامل مهم و حساس مدل، تحلیل حساسیت مدل با استفاده از روش "هر بار یک عامل" (OAT) انجام شد. بر اساس نتایج در این مرحله، عوامل شماره منحنی، هدایت هیدرولیکی کانال، ضریب تاخیر رواناب سطحی، ثابت تخلیه آب زیرزمینی و عامل جبران تبخیر در خاک در بخش های مختلف بیشترین تاثیر را داشتند. واسنجی و اعتبارسنجی مدل با استفاده از برنامه SUFI2 به ­ ترتیب برای سال­ های 1994 تا 1999 و 2000 تا 2008 صورت پذیرفت. دقت شبیه سازی با استفاده از شاخص های ارزیابی نش-ساتکلیف و ضریب تبیین در دوره واسنجی به ­ ترتیب 0. 54 و 0. 54 و در دوره اعتبارسنجی به­ ترتیب 0. 46 و 0. 46 برآورد شد که کارایی مدل SWAT را در برآورد رواناب را با مطلوبیت نسبتاً خوبی نشان می دهد.

فرسایندگی باران یکی از مهم ترین عوامل در فرسایش خاک می باشد. این عامل معمولا در قالب شاخص های فرسایندگی که مبتنی بر خصوصیات بارندگی است، بیان می شود. در این پژوهش پس از احداث 12 کرت رواناب و رسوب در ایستگاه تحقیقات مرتع نیر در استان یزد، مقادیر رواناب و رسوب هر یک از کرت ها در 12 واقعه بارش که منجر به ایجاد رواناب و تلفات خاک شده بودند، پایش و اندازه گیری شدند. اطلاعات شدت و مقدار رگبارها نیز با استفاده از باران نگار دیجیتالی واقع در محل ایستگاه، ثبت و مورد استفاده واقع شدند. سپس، با توجه به مرور منابع گسترده در سطح جهان، نهایتاً 61 شاخص فرسایندگی باران شناسایی شدند. پس از استخراج عوامل مورد نیاز، مقادیر هر یک از شاخص های فرسایندگی باران برای هر یک از رگبارها تعیین شدند. در ادامه جهت تعیین بهترین شاخص فرسایندگی باران، همبستگی بین هر یک از شاخص ها و مقادیر تلفات خاک تعیین شد. نتیجه حاکی از آن بود که در منطقه مورد مطالعه شاخص های فرسایندگی باران به ترتیب RI60، RPI302، RPI602، PI302، PI602 با ضرایب همبستگی 0. 730، 0. 713، 0. 703، 0. 694 و 0. 664، بالاترین مقدار همبستگی را با مقادیر تلفات خاک داشتند. به طور کلی، در این شرایط اقلیمی، غلبه شاخص های مبتنی بر شدت بارش که به صورت حاصل ضرب مقدار کل بارش در مربع بیشینه شدت های 60 و 30 دقیقه ای بارش، نسبت به سایر شاخص های مورد مطالعه مشاهده می شود.

امروزه پیش بینی بلندمدت متغیرهای اقلیمی برای اطلاع از میزان تغییرات و در نتیجه در نظر گرفتن تمهیدات لازم برای سازگاری و تعدیل اثرات سوء ناشی از تغییر اقلیم مورد توجه هیدرولوژیست ها و پژوهشگران قرار گرفته است. در حال حاضر، مدل های گردش عمومی جو (GCM) قوی ترین ابزار به منظور تولید سناریوهای اقلیمی می باشند. به دلیل دقت مکانی پایین مدل های گردش عمومی جو، این مدل ها نمی توانند تقریب درستی از شرایط آب و هوایی منطقه مورد مطالعه ارائه دهند. لذا بایستی خروجی آن ها تا حد ایستگاه هواشناسی ریزمقیاس شود. در این پژوهش، ابتدا با استفاده از آزمون ناپارامتریک من-کندال روند متغیرهای بارش، دمای کمینه، دمای بیشینه و تابش برای دوره پایه مورد بررسی قرار گرفت. سپس این متغیرها با استفاده از خروجی های مدل HADCM3 تحت سه سناریوی A1، A2 و B1 تأیید شده IPCC ریز مقیاس شده و تغییرات ماهانه آن ها در حوزه آبخیز بار نیشابور برای سه دوره 2030-2011، 2065-2046 و 2099-2080 نسبت به دوره پایه 2010-1971 مورد بررسی قرار گرفت. هر سه سناریو نتایج تقریباً مشابهی مبنی بر کاهش بارش و افزایش تابش، دمای کمینه و دمای بیشینه در دوره های آتی نشان دادند. به عنوان مثال، نتایج حاصل از سناریوی A2 حاکی از افزایش میانگین سالانه دمای بیشینه و کمینه تقریباً به صورت یکسان و به میزان 1. 1، 3. 2 و 4. 6 درجه سانتی گراد، افزایش تابش به میزان 0. 07، 0. 30 و 0. 33 میلی ژول در مترمربع در روز و کاهش بارش به میزان 16. 4، 17. 6 و 31. 9 درصد به ترتیب در این دوره ها نسبت به دوره پایه می باشد.

مطالعه تغییرات اقلیمی و تأثیر آن بر شدت و تواتر خشکسالی های دهه های آتی می تواند به برنامه ریزی به منظور استفاده صحیح منابع آب و سازگاری با آثار مخرب پدیده خشکسالی کمک شایانی نماید. در این پژوهش به ارزیابی تغییرات اقلیمی دوره 2030-2011 و اثر آن بر خشکسالی حوزه آبخیز اسکندری پرداخته شده است. بدین منظور پس از ارزیابی توانایی LARS-WG در شبیه سازی دوره 2008-1965 بر اساس سناریوی پایه، اقدام به ریز مقیاس نمایی برون دادهای مدل HadCM3 تحت دو سناریوی A2 و B1 و پیش بینی دمای کمینه، بیشینه و بارش و بررسی شاخص خشکسالی SPI شده است. بر اساس سناریوهای A2 و B1 دمای کمینه افزایش 0. 3 تا 1. 6 درجه سانتی گراد را در ماه های مارس، ژوئن، ژوئیه و سپتامبر خواهد داشت. بیشترین و کمترین افزایش دمای بیشینه به ترتیب مربوط به می و فوریه به میزان 1. 6 و 0. 02 درجه سانتی-گراد است. نتایج نشان از افزایش 7. 2 تا 10. 9 درصدی متوسط بارش سالانه دارد. اما از آن جایی که تعداد روزهای تر افزایشی نخواهند داشت، بنابراین، بر شدت بارش های حدی افزوده می شود. بیشترین کاهش بارندگی مربوط به ماه های آوریل و می بوده و با توجه به این که این کمبود بارندگی با تأخیر چند ماهه نمود پیدا می کند، شدیدترین خشکسالی با توجه به SPI شش ماهه مربوط به آگوست و شدیدترین خشکسالی بر اساس SPI دوارده ماهه متعلق به دسامبر است. تحلیل سالانه این شاخص نشان داد که 75 درصد سال ها وضعیتی نرمال دارد، بنابراین، حوزه آبخیز اسکندری در دهه 2020 با افزایش فراوانی وقوع خشکسالی روبه رو نخواهد بود، اما انتظار می رود، بارش ها به سمت فصل گرم جابه جا شوند.

در کشورهای توسعه نیافته و کمتر توسعه یافته مناطق خشک، برای تأمین آب مورد نیاز، ساده ترین راه یعنی برداشت از سفره های آب زیرزمینی انتخاب می شود. پی آمد منفی این نوع برداشت در بخش کمیت منابع آب، روشن و ملموس است. پخش سیلاب یکی از راه کارهای مدیریت منابع آب در مناطق خشک و نیمه خشک است که می تواند تأثیرات مثبتی بر منابع آب زیرزمینی داشته باشد. این پژوهش، سعی بر نشان دادن تأثیر پخش سیلاب بر کمیت آب های زیرزمینی منطقه گربایگان فسا دارد. با بررسی داده های ماهانه سطح آب چهار چاه پیزومتری از سال 1371 تا سال 1392، تغییرات سالانه چاه ها تعیین شد. روند عمومی سطح آب زیرزمینی دشت، به رغم عملکرد پخش سیلاب، حالت نزولی را نشان می دهد. بنابراین، برای این که نقش پخش سیلاب در تغذیه آبخوان نشان داده شود، تغییرات سطح آب زیرزمینی در سال های با افزایش سیلاب و همچنین، سال های با کاهش سیلاب بررسی شد. نتایج نشان می دهد که کمترین افت مربوط به پیزومترهای یک و سه می باشد. پیزومتر یک به علت تأثیر گسل و پیزومتر سه به علت تأثیر پخش سیلاب، کمترین افت را نشان می دهند. نتایج حاصل از تحلیل آماری مؤلفه های اصلی بر روی داده های سطح آب چهار پیزومتر به صورت ماهانه نشان می دهد که مؤلفه اول با بیان بیش از 83 درصد از پراش داده ها، مهم ترین و مؤثرترین شاخص افت سطح آب در منطقه می باشد. مرتب سازی بارهای مؤلفه های اصلی بر اساس مؤلفه اول، نشان دهنده میزان افت زیاد در پیزومترهای دو و چهار می باشد که با نتایج حاصل از بررسی نقشه هم افت دشت مطابقت دارد. پیزومتر دو به علت اثر تبخیر و تعرق درختان جنگلی و پیزومتر چهار به علت استحصال بیش از حد آب کشاورزی در آن محدوده، بیشترین افت را نشان می دهند.

عوامل اقلیمی و هیدرولوژیکی مانند بارش به تغییر اقلیم حساس می باشند. لذا، بررسی روند زمانی در چنین متغیرهایی می تواند در تشخیص اثر تغییر اقلیم بر روی منابع آب کمک نماید. تغییر اقلیم می تواند در داده ها به صورت تغییرات پله ای و یا تدریجی (روند) باشد. هر دو این تغییرات در یک سری زمانی می توانند به وسیله روش های ناپارامتریک مورد بررسی قرار داده شوند. در این تحقیق، از آمار 30ساله و هیدرومتری سال های 1349 تا 1380 در حوضه کرخه استفاده شد. آزمون های ویلکاکسن و رتبه ای اسپیرمن به ترتیب برای تعیین تغییرات پله ای و روند در طول سری زمانی مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان می دهد که بارندگی در این منطقه طی دوره آماری مورد بررسی دارای روند کاهشی می باشد و این روند در بالادست حوضه که تحت تاثیر مصارف و فعالیت های انسانی می باشد، شدت بیشتری دارد. ضمن این که فرض وجود تغییرات پله ای نیز در سری داده ها رد شد.

بیشینه دبی لحظه ای سالانه 38 ایستگاه هیدرومتری استان مازندران به همراه خصوصیات فیزیوگرافی و اقلیمی حوزه های آبخیز گردآوری شد. نخست، از روش درون یابی بر پایه فضای فیزیوگرافی جهت برآوردهای منطقه ای سیلاب با دوره های برگشت 10، 20، 50 و 100 سال استفاده شد. طراحی فضای فیزیوگرافی بر اساس روش تحلیل همبستگی متعارف انجام شد و برآوردهای منطقه ای سیلاب با استفاده از سه روش درون یابی کریجینگ معمولی، کریجینگ ساده و IDW در فضای فیزیوگرافی به دست آمد. نتایج نشان داد که مقادیر سیلاب ایستگاهی از بیشینه همبستگی مکانی در فضای فیزیوگرافی برخوردارند و ساختار مکانی آن ها از نیم تغییرنمای گوسی تبعیت می نماید. در ادامه، از گشتاورهای خطی نیز برای تحلیل فراوانی منطقه ای سیلاب استفاده شد. در این روش، مناطق همگن بر اساس الگوریتم خوشه بندی Ward تعیین شدند. همگنی مناطق به دست آمده از خوشه بندی با استفاده از آزمون های همگنی و ناهماهنگی بررسی شد. سپس با استفاده از آزمون نکویی برازشZDIST، توزیع لجستیک تعمیم یافته برای هر سه خوشه به عنوان بهترین توزیع منطقه ای انتخاب شد و برآوردهای منطقه ای بر اساس عوامل توزیع منتخب به دست آمد. در نهایت عملکرد دو روش با استفاده از روش ارزیابی جک نایف و پنج شاخص آماری BIAS، BIASr، RMSE، RMSEr و NASH بررسی شد. بر اساس شاخص NASH هر دو روش عملکرد مطلوب و مشابهی ارائه می دهند، اما، بر اساس نتایج سایر شاخص های آماری روش درون یابی بر پایه فضای فیزیوگرافی عملکرد بهتری نسبت به گشتاورهای خطی ارائه می دهد و با افزایش دوره بازگشت کیفیت برآوردهای آن بهبود می یابد. در حالی که، گشتاورهای خطی برای دوره های بازگشت کوتاه عملکرد بهتری را ارائه می دهد. همچنین، نتایج درون یابی نشان داد که تخمین های زمین آماری نسبت به قطعی از دقت بالاتری برخوردارند و بهترین عملکرد متعلق به کریجینگ معمولی است.

در شرایط اقلیمی خشک و نیمه خشک کشور، فقر پوشش گیاهی و کوهستانی بودن حوزه های آبخیز، با تمرکز و تبدیل رواناب به سیلاب، سالانه خسارات جانی و مالی فراوانی به مراکز صنعتی، شهری و روستایی وارد می شود. در طراحی و ایمن سازی پروژه های عمرانی، برآورد آستانه شروع رواناب یکی از مهم ترین عوامل موثر در دقت برآورد حجم و شدت سیل محسوب شده و محاسبه دقیق آن می تواند منجر به صرفه جویی در هزینه اجرایی و بهینه کردن ابعاد سازه های فنی شود. در این پژوهش، برای بررسی عوامل مؤثر در تعیین آستانه شروع رواناب از داده های باران ساز و شبیه سازی رایانه ای استفاده شد. با استفاده از دستگاه باران ساز، باران در شدت های هشت تا 40 میلی متر در ساعت و مدت های 15، 30، 60 و 120 دقیقه شبیه سازی و آستانه شروع رواناب در هر آزمایش اندازه گیری شد. با استفاده از مقادیر اندازه گیری شده و به کارگیری روش های رگرسیونی چند متغیره خطی و غیرخطی، مدل های مناسبی برای برآورد آستانه شروع رواناب بر اساس عوامل و ویژگی های بارش، خاکشناسی و زمین به دست آمد. نتایج نشان داد که عمق و شدت بارندگی به عنوان عوامل اقلیمی، پوشش گیاهی و شیب به عنوان عوامل زمین و نوع بافت شنی و رسی نیز به عنوان عوامل خاکشناسی، متغیرهایی موثر در تعیین آستانه شروع رواناب هستند. ارتباط عوامل مستقل یاد شده و مشارکت آن ها به نحوی است که تخمین گر معنی دار برای آستانه شروع رواناب در منطقه می باشند. نتایج این پژوهش بیانگر ارتباط معنی داری بین مقادیر مشاهداتی و برآوردی آستانه شروع رواناب است، به نحوی که روابط رگرسیونی بین این مقادیر ضریب تبیینی معادل 0. 98 را نشان داد.

استفاده بهینه از نزولات جوی به خصوص برف و باران در مناطق خشک و نیمه خشک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. ایجاد سطوح آبگیر با ضریب رواناب بالا و ذخیره کردن رواناب حاصل از آن می تواند شرایط پایداری را در برطرف کردن نیاز آبی گیاهان و درختان برای فصول کم آب فراهم نماید. برای این منظور، سه تیمار انتخاب شد که شامل سطح طبیعی دست نخورده، سطح طبیعی با پوشش لاشه چینی و پوشش پلاستیک با رویه لاشه چینی بودند. مساحت هر کدام از کرت های آزمایش چهار مترمربع و به شکل مربع بودند که در زمین شیب دار با شیب متوسط 18-11 درصد احداث شده بودند. نتایج حاصل از 34 مورد بارندگی نشان داد که رواناب حاصل از سطح طبیعی با پوشش لاشه چین، سطح طبیعی دست نخورده و سطح پوشش نایلون با رویه لاشه چین به ترتیب 13، 20 و 57 درصد بارندگی می باشد. میزان بارندگی برای شروع رواناب در تیمار های مذکور به ترتیب 5. 3، 4. 7 و 2. 6 میلی متر بود. بیشترین مقدار رواناب مربوط به تیمار پوشش نایلون با رویه لاشه چین بود که در این پژوهش به عنوان یک گزینه مناسب برای استحصال آب باران پیشنهاد می شود.