مهندسی و مدیریت آبخیز
سال:1396 | دوره:9 | شماره:1 |تعداد مقالات:10

سالانه مقدار زیادی خاک از سطح حوزه های آبخیز به وسیله عوامل فرسایشی شسته می شود. لذا، اعمال روش های مدیریتی مناسب برای مهار فرسایش خاک ضروری است. یکی از راه کارها و فناوری های جدید برای مهار فرسایش خاک، استفاده از اصلاح کننده های اقتصادی و دوست دار محیط زیست است. بر همین اساس، پژوهش حاضر با هدف ارزیابی عملکرد کاربرد ترکیبی پلی آکریل آمید (شش گرم بر متر مربع) و ورمی کمپوست (24 گرم بر متر مربع) در مقایسه ی کاربرد جداگانه هر یک از آن ها و همچنین شرایط عدم استفاده از افزودنی روی مهار رواناب و فرسایش از کرت های کوچک از شرایط آزمایشگاهی و روی یک خاک لومی رسی انجام پذیرفت. تیمارهای پژوهش تحت تأثیر بارندگی مصنوعی با شدت 80 میلی متر بر ساعت و تداوم هشت دقیقه قرار گرفته و مقدار رواناب، غلظت رسوب و هدررفت خاک مورد ارزیابی قرار گرفتند. تحلیل نتایج آماری دلالت بر اثر معنی دار کلیه تیمارها (p=0. 00) روی کاهش میزان رواناب، هدررفت خاک و غلظت رسوب خروجی داشت. همچنین، تأثیر کاربرد ترکیبی پلی آکریل آمید و ورمی کمپوست بر رواناب و غلظت رسوب بیش از اثر آن بر رواناب بود.

یکی از منابع مهم تأمین آب در بیشتر نقاط ایران سفره های آب زیرزمینی است که در دهه های اخیر تحت تأثیر عوامل مختلف طبیعی و انسانی قرار گرفته است. از جمله عوامل طبیعی می توان به جنس زمین و سازندهای زمین شناسی در هر منطقه اشاره کرد. در این پژوهش، بررسی کیفی منابع آب زیرزمینی و ارتباط آن ها با سازندهای زمین شناسی مدنظر قرار گرفت. به این منظور، ابتدا با استفاده از نقشه زمین شناسی منطقه، سازندهای زمین شناسی استخراج شد. سپس، داده های کیفی 76 چاه بهره برداری و سه چاه شاهد، به منظور تعیین تیپ آب منطقه وارد نرم افزار Chemistry شد. در ادامه سازندها با توجه به توان تولید تیپ آن ها و اثر انحلالی شان (کیفیت)، طبقه بندی شد؛ در مرحله بعد، بافرهایی به فواصل یک، سه، پنج، هفت و 10 کیلومتری در اطراف چاه ها ایجاد و لایه های آن با نقشه های زمین شناسی قطع داده شد. نتایج به دست آمده با استفاده از آزمون t-test نشان داد که با احتمال 95 درصد، در فواصل یک، سه، پنج و هفت کیلومتری از چاه ها، درصد تأثیر سازندها بر چاه های بهره برداری، معنی دار است، اما در فاصله 10 کیلومتری و با افزایش فاصله، این تأثیر کمتر شده و تأثیر معنی داری به این دلیل وجود ندارد، اما تأثیر مجموع سازندهای غیرکواترنری بر چاه ها افزایش می یابد. نتایج حاصل از منطق بولین نیز نشان داد که سازند (Qt2) در فواصل نزدیک به چاه ها بیشترین گسترش را دارند که شامل مخروط افکنه ها و رسوبات آبرفتی جوان است و محل اصلی تغذیه آبخوان ها می باشند. اما هرچه فاصله از چاه ها افزایش می یابد، تأثیر سازندهای غیرکواترنری از جمله آهک کرتاسه و سنگ های باتولیتی (آتشفشانی) که به ترتیب دارای توان تولید تیپ آبی کلروره و کربناته را دارند، افزوده می شود.

باور عمومی کارشناسی در ایران حکایت از افزایش رسوب سالانه در بیشتر حوزه های آبخیز دارد. پژوهش حاضر به ارزیابی این باور با تحلیل چهار دهه آمار رسوب در ایستگاه رودک روی جاجرود و ایستگاه سیرا روی رودخانه کرج پرداخته است. از آن جا که تغییرات مقدار رسوب تابعی از تغییرات دبی و غلظت جریان است، هر سه متغیر به صورت جداگانه تحلیل شد. بررسی اولیه داده ها نشان داد، بیش از 92 درصد از رسوب معلق ایستگاه های رودک و سیرا به ترتیب به وسیله دو و سه دهک (معادل20 و 30 درصد) بالای جریان (دبی های سیلابی یا موثر) انتقال می یابد. در این میان، بالاترین دهک (10 درصد) جریان نیز به تنهایی مسئولیت حمل حدود 80 و 64 درصد از رسوب این دو ایستگاه را به خود اختصاص می دهد. لذا، در بررسی روند، عمدتا تحلیل داده های بالاترین دهک جریان مورد توجه قرار گرفت. چند روش مشتمل بر الف) برازش خط رگرسیون بر داده های اندازه گیری شده غلظت و وزن رسوب نسبت به زمان، ب) مقایسه ترسیمی میانگین دبی، غلظت و وزن رسوب در چهار دهه، ج) استفاده از آزمون کروسکال-والیس و د) ضریب همبستگی رتبه ای کندال برای تحلیل روند به کار رفت. هر چهار روش، روند نزولی در مقدار غلظت و وزن رسوب هر دو ایستگاه در طول چهار دهه را نشان دادند که در مورد دو روش ناپارامتری از نظر آماری معنی دار بود. نظر به این که در این چهار دهه، بالاترین دهک دبی های روزانه نیز روندی افزایشی نداشت، می توان مطرح نمود که بر خلاف باور عمومی، رسوب معلق این رودخانه ها کاهش یافته است. تقلیل رسوبدهی احتمالا ناشی از سطح گسترده عملیات حفاظت خاک و آب اجرا شده در سطح حوضه بالادست سدهای امیرکبیر و لتیان است. البته، روند نزولی رسوب معلق رودخانه، الزاما به معنی کاهش فرسایش دامنه ها نیست و ممکن است، ناشی از کمتر شدن نسبت تحویل رسوب باشد.

ویژگی خودتشابهی در متغیرهای اقلیمی، امکان استفاده از بعد فرکتالی و تحلیل تغییرات زمانی و مکانی آن را فراهم می نماید. بر این اساس استفاده از هندسه فرکتالی در پیش بینی رفتار بسیاری از فرایندهای طبیعی از جمله بارندگی در مناطق مختلف از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در همین راستا هدف پژوهش حاضر، تعیین و محاسبه بُعد فرکتالی وقوع دوره های خشک و مرطوب، تفسیر خصوصیات دوره های خشک و مرطوب و بررسی تغییرات مکانی آن در 40 ایستگاه باران سنجی استان گلستان است. بدین منظور از روش شمارش باکس با دست کم یک تکرار در داده ها و تعداد وقوع ماه های پر باران یا کم باران در دوره های یک تا نه ماهه و محاسبه بعد فرکتالی استفاده شده است. سپس از روش رگرسیون برای محاسبه بُعد فرکتال در دوره های پرباران و کم باران استفاده شد و در ادامه درصد ماه های پرباران و کم باران طی دوره آماری و نیز شدت و مدت وقوع دوره های پرباران و کم باران محاسبه و به صورت مکانی ارائه شد. بر اساس نتایج، تغییرات درصد وقوع ماه های دوره پرباران و کم باران در یک دامنه 11 درصدی می باشد. بر اساس نتایج، در ایستگاه های مورد مطالعه با افزایش مقیاس زمانی از تعداد ماه های متوالی خشک و مرطوب کاسته شده است. نتایج محاسبه بُعد فرکتالی بارش نشان داد که در منطقه مطالعاتی دوره های خشک دارای شدت وقوع کمتری نسبت به دوره های مرطوب می باشد. با استفاده از مقادیر بُعد خصوصیات رژیم بارندگی ایستگاه ها تعیین شد. همچنین، بر اساس نتایج، شدت دوره های پرباران در نواحی مرکزی و شرقی بیشتر بوده ولی مدت آن در قسمت های غربی استان تداوم بیشتری دارد.

بررسی اثرات خشکسالی بر منابع آب دشت های کشور در مدیریت بهینه منابع آب در بخش کشاورزی و منابع طبیعی بسیار حائز اهمیت می باشد. مدل آب های زیرزمینی می تواند به عنوان یک ابزار ارزشمند در مدیریت منابع آب زیرزمینی به کار رود. لذا بررسی بیلان آب زیرزمینی تحت تأثیر خشکسالی هواشناسی به کمک مدل های ریاضی از جمله اهداف کاربردی و مهم در توسعه پایدار منابع طبیعی و محیط زیست می باشد. تویسرکان از دشت های مهم استان همدان است که منبع اصلی تأمین آب باغات و کشتزارهای وسیع آن چاه های حفر شده در دشت می باشد. هدف از تحقیق حاضر بررسی اثرات خشکسالی هواشناسی بر تغییرات بیلان آب زیرزمینی به کمک مدل سازی ریاضی با استفاده از مدل MODFLOW در نرم افزار GMS می باشد. به این منظور پس از محاسبه شاخص بارش استاندارد و تعیین سال های خشک و تر در منطقه مطالعاتی و انتخاب سه سال شاخص به عنوان سال نرمال (1387)، ترسال (1388) و خشکسال (1389) به بررسی بیلان آب زیرزمینی در این سه سال پرداخته شده است. در همین راستا سال نرمال به عنوان سال واسنجی مدل و سال های ترسال و خشکسال به عنوان صحت سنجی مدل استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل MODFLOW به خوبی توانسته است سطح ایستابی چاه های مشاهداتی را در سال نرمال، ترسال و خشکسال (به ترتیب با ریشه خطای استاندارد 0. 73، 0. 85، 0. 93) پیش بینی نماید. بررسی تطابق شاخص خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی نشان داد که خشکسالی هواشناسی به تنهایی نمی تواند بر تغییرات افت سطح آب زیرزمینی تأثیر بگذارد و استفاده بی رویه از چاه های بهره برداری و برداشت از آن ها تاثیر زیادی بر تغییرات آب زیرزمینی خواهد داشت. نکته قابل توجه آن که بر اساس نتایج حاصله خشکسالی هواشناسی بر تغییرات بیلان آب زیرزمینی به شدت تأثیرگذار بوده است.

در این تحقیق، کاربرد مدل پویایی سامانه برای پیش بینی اثرات اجرای سناریوهای مدیریت پوشش گیاهی بر ساختار اکولوژیک سیمای منظر بررسی شد. رودخانه حبله رود در استان های سمنان و تهران قرار گرفته است. سناریوهای مدیریتی مورد بررسی شامل حفظ وضع موجود، تراس بندی، تاغ کاری، بهبود پوشش گیاهی جوامع رودخانه، علوفه کاری، کپه کاری، کنتورفارو، درخت کاری، قرق، بذرپاشی، بذرکاری، باغ کاری و اگروفارستری می باشند. برای پیش بینی اثرات ساختار اکولوژیکی با مدل پویایی سامانه، از شاخص های میانگین وزنی اندازه لکه پوشش گیاهی (WMPSI)، شاخص وزنی مساحت پوشش گیاهی (WLCAI) و نسبت جوامع حاشیه رودخانه (RPI) استفاده شد. عدم قطعیت شاخص ها با روش بوت استرپ بررسی شد. اثرات اکولوژیکی سناریوهای مدیریتی با استفاده از شاخص های فوق پیش بینی شد و سناریوهای برتر با استفاده از مدل پویایی سامانه انتخاب شدند. نتایج مدل اکولوژیکی ساخته شده با مدل پویایی سامانه نشان داد، در شاخص WMPSI، درخت کاری و تاغ کاری، در شاخص WLCAI، بذرپاشی و بذر کاری و در شاخص RPI، بهبود پوشش گیاهی جوامع رودخانه و تاغ کاری سناریوهای برتر هستند. سناریوهای بهبود پوشش گیاهی جوامع رودخانه و بذرپاشی بالاترین اولویت را در ترکیب شاخص ها به خود اختصاص دادند. شاخص های WLCAI و RPI به ترتیب با ضریب تغییرات 0. 28 و 0. 45، دارای کمترین و بیشترین عدم قطعیت هستند. مدل های پویایی سامانه قادرند، اثرات اجرای سناریوهای مدیریتی مختلف را پیش بینی کنند. بدین ترتیب اطلاعات لازم برای تصمیم گیری و مدیریت در مقیاس آبخیز فراهم می شود.

از دلایل اصلی فرسایش خاک، عدم استفاده صحیح از اراضی، منطبق بر استعداد آن هاست. با توجه به مسائل اجتماعی و اقتصادی حاکم بر حوزه های آبخیز کشور، ممکن است، مهار فرسایش خاک و رساندن آن به حد طبیعی غیرممکن باشد. ولی، کاهش آن از طریق اعمال مدیریت یکپارچه امکان پذیر است. در صورتی که بهره برداری از اراضی موجود در حوزه های آبخیز بر اساس استعداد آن ها انجام شود، با کاربری مناسب می توان انتظار داشت، ضمن کسب درآمد، خسارت کم تری به خاک وارد شود. در این تحقیق، حوزه آبخیز ششتمد از شهرستان سبزوار واقع در استان خراسان رضوی با هدفِ ارائه یک الگو ی مناسب کاربری اراضی در آن، به گونه ای که بیشترین سود و کمترین فرسایش را داشته باشد، انتخاب و با استفاده از مدل برنامه ریزی خطی چند هدفی به روش گام به گام و مناسب توابع هدف، سطح بهینه کاربری برای سه حالتِ وضعیت فعلی، با اعمال مدیریت، و شرایط استاندارد، مشخص شد. برای این کار، میزان درآمد خالص و فرسایش خاک در کاربری هایِ مرتع، باغ، مرتع مشجر، زراعت دیم، و زراعت آبی در هر سه وضعیت محاسبه و سطح بهینه در هر سه حالت به کمک نرم افزار بهینه سازی تعیین شد. نتایج نشان دادند که در حوضه مورد پژوهش، با حل مسئله بهینه سازی، میزان فرسایش کل کاهش و درآمد کاربران افزایش می یابد. لکن، بر خلاف نتایج بسیاری از تحقیقات به عمل آمده در سایر نقاط کشور، این کاهش فرسایش و افزایش درآمد به دلیل شرایط حوزه مورد پژوهش، قابل توجه نمی باشد. به طوری که، برای سه حالتِ مورد مطالعه شاملِ شرایط موجود، با اعمال مدیریت و وضعیت استاندارد، فرسایشِ سالیانه خاک در کل حوزه آبخیز به ترتیب معادل 0. 08 درصد، 0. 36 درصد و 0. 75 درصد، کاهش و سود خالص نیز به ترتیب 3. 12، 20. 88 و 313. 75 هزار ریال در سال در سطح حوضه افزایش می یابد که تغییر ناچیزی را در هر هکتار شامل می شود. نتایج همچنین، نشان می دهند که کاهش فرسایش بعد از اعمال برخی شیوه های صحیح مدیریتی، نسبت به کاهش فرسایش بعد از بهینه سازی کاربری اراضی، بیش از 3. 25 برابر بهبود یافته و در صورت اعمال مدیریت، درآمد آبخیزنشینان در مقایسه با حال بهینه سازی کاربری اراضی، حدود 6. 7 برابر افزایش می یابد.

یکی از روش های متداول در شبیه سازی سیلاب، استفاده از مدل های بارش– رواناب است. همچنین، واسنجی پارامترهای مدل های بارش-رواناب از جمله مسائل مهم و چالش انگیز در شبیه سازی سیلاب است. با توجه به رفتار تصادفی و غیرقطعی پارامترهای مدل های بارش-رواناب، استفاده از روش های بهینه یابی قطعی واسنجی همواره نتایج صحیحی را ارائه نمی دهد. از این رو در این تحقیق سعی شده است، با استفاده یک رویکرد غیرقطعی و استفاده از الگوریتم SUFI، محدوده بهینه ای از پارامترهای مدل بارش-رواناب HEC-1 ارائه شود. با بررسی نتایج واسنجی و مقایسه هیدروگراف های مشاهداتی (سه واقعه) با بهترین هیدروگراف های تولیدی، مشخص شد که ضریب تعیین در هر سه واقعه بیش از 0. 85 است. همچنین، متوسط اختلاف بین مقادیر دبی مشاهداتی و تولیدی کمتر از حدود پنج درصد است. همچنین، در مرحله صحت سنجی نیز نتایج نشان داد که ضریب همبستگی در حدود 0. 98 است. همچنین، متوسط اختلاف بین مقادیر دبی مشاهداتی و تولیدی حدود 11 درصد است. بنابراین الگوریتم SUFI جهت واسنجی غیرقطعی مدل HEC-1 دقت مناسبی نشان داد.

برنامه ریزی و مدیریت بهینه منابع آب حوزه های آبخیز نیاز به داده های مختلفی از جمله، جریان پایه و شاخص آن دارد. این شاخص که متأثر از عوامل مورفومتری، زمین شناسی و هیدرواقلیمی است، همواره یکی از موضوعات مهم در هیدرولوژی بوده است. در این پژوهش با استفاده از داده های جریان روزانه رودخانه، جریان پایه و شاخص آن، از روش فیلتر رقومی برگشتی دو شاخصه در 43 ایستگاه آب سنجی مربوط به حوضه های درجه چهار استان کرمان، استخراج شد. پارامترهای هیدرولوژیکی و اقلیمی محاسبه و برآورد و عوامل فیزیوگرافی در محیط GIS استخراج شد. با استفاده از روش آزمون تحلیل عاملی از بین 14 پارامتر مؤثر در شاخص جریان پایه، شش عامل ثابت افت منحنی هیدروگراف، بارش متوسط سالانه، تبخیر و تعرق واقعی، نفوذ پذیری، توپوگرافی (شیب و ارتفاع ) و شماره منحنی، به عنوان عوامل مستقل انتخاب شدند. سپس روابط منطقه ای به روش رگرسیون خطی، در سطوح معنی داری کمتر از یک درصد با ضریب تبیین 0. 99 به دست آمد. علاوه بر این، به منظور مقایسه و ارزیابی صحت و کارایی مدل های برآوردی، روش آزمون استقلال خطاها، نرمال بودن توزیع خطاها و هم خطی مورد استفاده قرار گرفت. از بین عوامل مورد بررسی، مشخصاً روش رگرسیون های چند متغیره به عنوان بهترین برآورد کننده شاخص جریان پایه رودخانه ها در منطقه پژوهش، تشخیص داده شدند.

به منظور تعیین نقش طول دوره آمار هیدرولوژیکی در پیش بینی سیلاب در حوزه آبخیز سفیدرود، اقدام به جمع آوری آمار و اطلاعات دبی بیشینه روزانه ایستگاه های هیدرومتری این حوزه آبخیز شد و 17 ایستگاه هیدرومتری دارای آمار مناسب و طولانی مدت تر را انتخاب نموده و با در نظر گرفتن پایه زمانی مشترک، داده هایی که در بعضی سال های آماری موجود نبود، بازسازی شد. سپس آمار و اطلاعات به سری های آماری با طول دوره 10، 15، 20، 25، 30 و بالاتر از 30 ساله تقسیم شد. بعد از این کار با استفاده از نرم افزار Smada، در سری های آماری در نظر گرفته شده، اقدام به تعیین برازش توزیع های آماری نرمال، لوگ نرمال دو پارامتره، لوگ نرمال سه پارامتره، پیرسون نوع 3، لوگ پیرسون نوع 3 و گمبل شد و نیز سیلاب های با دوره بازگشت دو، سه، پنج، 10، 25، 50، 100 و 200 ساله محاسبه شد. به وسیله نرم افزارهای SPSS و Excel و از طریق روش RMSE (کمینه مربعات خطا)، بهترین توزیع های آماری برای همه ایستگاه های هیدرومتری در سری های آماری مختلف تعیین شد. با در نظر گرفتن خطای صفر درصد برای سیلاب های پیش بینی شده با استفاده از سری های با طول دوره آماری بلندمدت (بالاتر از 30 ساله) در دوره بازگشت های مورد نظر در این تحقیق (به صورت فرضی برای مقایسه سری های کوتاه مدت تر)، و مقایسه آن با سیلاب های پیش بینی شده با سری های با طول دوره آماری کوتاه مدت تر، خطای برآورد سیلاب برای همه ایستگاه های هیدرومتری حوزه آبخیز سفیدرود محاسبه شد. به طور کلی می توان گفت که با افزایش طول دوره آماری، دقت پیش بینی ها در بیشتر ایستگاه های هیدرومتری مختلف در حوزه آبخیز سفیدرود، افزایش می یابد و استفاده از آمار کوتاه مدت مخصوصاً برای پیش بینی سیلاب های با دوره بازگشت بالا، امکان خطاهای بالایی را به دنبال دارد.