مهندسی آبیاری و آب ایران
سال:1395 | دوره:6 | شماره:23 |تعداد مقالات:12

تحلیل هیدرولیکی شبکه های آب شامل تعیین مقادیر دبی توزیع شده در هر لوله و هد در گره های شبکه می باشد. امروزه استفاده از الگوریتم فرا ابتکاری آنیلینگ شبیه سازی شده در حل مسائل پیچیده مهندسی با توجه به قابلیت های آن رو به افزایش نهاده است. هدف از انجام این تحقیق تحلیل هیدرولیکی شبکه توزیع آب بر اساس آنیلینگ شبیه سازی شده و مقایسه نتایج حاصل از آن بر اساس شاخص های آماری: میانگین خطا و مجذور میانگین مربع خطا با روش های عددی: هاردی کراس، نیوتن- رافسون، نظریه خطی، گرادیان و نرم افزار Epanet می باشد. جهت تعیین توانایی انواع روش ها در ارضای همزمان معادلات پیوستگی و افت انرژی شبکه، از تابع هدف بهره برده می شود. در پایان مقدار تابع هدف آنیلینگ برای شبکه دو حلقه ای مورد نظر برابر 0.00016 گردید و بررسی نتایج شاخص ها بیانگر دقت آن در رسیدن به جواب های مساله بود. این نتایج کارایی این روش را نسبت به سایر روش های متداول اثبات می نماید. بر اساس این ارزیابی می توان آنیلینگ شبیه سازی شده را روشی جدید و قابل اطمینان در طراحی و تحلیل شبکه های آب تحت فشار توصیه نمود.

بدون شک اولین قدم در مدیریت رودخانه پیش بینی بارش سطح حوضه آبریز می باشد. با این حال، با توجه به بالا بودن خاصیت تصادفی فرآیندها، بسیاری از مدل ها هنوز هم به منظور تعریف چنین پدیده پیچیده ای در زمینه مهندسی هیدرولوژیک توسعه داده می شوند. اخیرا شبکه های عصبی مصنوعی به عنوان یک برونیابی و درون یابی غیرخطی گسترده توسط هیدرولوژیست ها مورد استفاده قرار می گیرد. در پژوهش حاضر، تجزیه و تحلیل موجک به صورت ترکیب با شبکه عصبی مصنوعی و مقایسه با شبکه عصبی مصنوعی برای پیش بینی بارش ایستگاه وراینه در شهرستان نهاوند انجام شد. برای این منظور، سری زمانی اصلی با استفاده از تئوری موجک به چندین زیرسیگنال زمانی تجزیه شد، پس از آن این زیرسیگنال ها به عنوان داده های ورودی به شبکه عصبی مصنوعی برای پیش بینی بارش ماهانه استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان داد که با توجه به ضریب همبستگی 0.92 و میانگین مربعات خطای 0.002 مدل ترکیبی شبکه عصبی مصنوعی-موجک، عملکرد این مدل نسبت به مدل شبکه عصبی مصنوعی با ضریب همبستگی 0.75 و میانگین مربعات خطای 0.003 بهتر می باشد و میتواند برای پیشبینی بارش کوتاه مدت و بلند مدت استفاده شود.

ارزیابی تغییرات مکانی و زمانی و تفسیر مجموعه زیادی از داده های کیفی آب در حوزه آبخیز کارون با استفاده از روش های آماری چند متغیره مثل آنالیز خوشه ای، تحلیل مولفه های اصلی و عاملی برای 13 متغیر کیفی آب در 26 ایستگاه از سال 1373 تا 1385 صورت پذیرفت. با استفاده از روش آنالیز خوشه ای ایستگاه ها به چهار دسته با آلودگی کم، متوسط، زیاد و خیلی زیاد طبقه بندی شدند. نتایج تحلیل مولفه های اصلی و عاملی برای داده های سه دسته ایستگاه با آلودگی کم، متوسط و زیاد به کار برده شد. متغیرهای موثر به دست آمده از تحلیل مولفه های اصلی و عاملی در این تحقیق به طور کلی به درصد سدیم، نسبت جذب سدیمی، سدیم، کلر، هدایت الکتریکی و کل مواد جامد محلول در عامل اول کاهش یافت. درصد مشارکت عامل اول از کل تغییرات کیفی آب به ترتیب شامل 35.89، 45.18 و 36.43 در ایستگاه های با آلودگی کم در فصل تابستان و پاییز و ایستگاه های با آلودگی متوسط در فصل بهار می باشد و هم چنین درصد مشارکت عامل اول از کل تغییرات کیفی آب به ترتیب 41.77، 44.97، 52.24، 35.14، 26.87، 38.46 و 48.38 در فصل بهار در ایستگاه های با آلودگی زیاد و در فصل تابستان، پاییز و زمستان در ایستگاه های با آلودگی متوسط و زیاد به دست آمد.

یکی از اطلاعات بسیار مهم، به عنوان ورودی در مدل سازی فرایندهای هیدرولوژیکی، اطلاعات مربوط به خصوصیات رطوبتی خاک و بخصوص کل نگهداشت قابل دسترس در سطح حوضه آبریز، می باشد. این پژوهش با هدف ارائه روشی برای تخمین نسبی این کمیت ها می باشد. بر این اساس در ابتدا تحقیق، تعیین و استخراج کلاس های بافت خاک روش USDA، از روی نقشه ملی خاک شناسی ایران که دارای کلاس بافت خاک به روش کمیسیون انجمن اروپا (CEC) است «این روش «CEC» دارای 6 کلاس بافتی با کدهای 0 تا 5 می باشد»، صورت گرفت. در ادامه از این کلاس های بافت (کلاس های بافت روش USDA) برای تخمین و در نتیجه تهیه نقشه مقادیر گنجایش زراعی و نقطه پژمردگی (برای سراسر کشور) استفاده شده است. در این راستا نتایج نشان داد که در حالت کلی متوسط دامنه تغییرات رطوبتی خاک در کلاس های بافت به روش CEC، برای نقطه پژمردگی دائم بیش از مقادیر گنجایش زراعی است، بطوریکه این تغییرات برای نقطه پژمردگی دائم از متوسط 6.77 تا 10.9 و برای مقادیر گنجایش زراعی از 6.03 تا 9.3 درصد، دارای تغییرات می باشد. همچنین در این تحقیق منطبق بر نظر کارشناسی و بهره گیری از منابع علمی اقدام به بررسی اثر متقابل بین تاثیر کاربری اراضی و شیب حوضه در جهت تخمین اطلاعات و در نتیجه نقشه عمق موثر نگهداشت رطوبتی لایه سطحی خاک گردید. در این راستا به منظور ارزیابی کاربردی بودن و بررسی میزان تطابق رویکرد مورد نظر با فیزیک حاکم بر حوضه های آبریز، اقدام به بهره گیری از آن (نقشه عمق موثر لایه سطحی نگهداشت رطوبتی خاک) به همراه نقشه های خصوصیات رطوبتی گنجایش زراعی و نقطه پژمردگی دائم که از نقشه ملی خاکشناسی (مرحله اول تحقیق) حاصل شده بود، در جهت برآورد و تهیه نقشه کل رطوبت قابل دسترس در محدوده های مطالعاتی رخ، نیشابور، عطائیه، قلعه میدان و سبزوار به عنوان مناطق موردی انتخابی جهت مطالعه، بهره گرفته شد. نتایج بدست آمده نشان دهنده این است که نقشه حاصله متناسب با فیزیک حاکم بر محدوده های مورد مطالعه در جهت رسیدن به کل رطوبت قابل دسترس میباشد و نقش اثر متقابل شیب حوضه، کاربری اراضی موجود در آن، و همچنین تاثیر میزان رطوبت گنجایش زراعی و نقطه پژمردگی دائم که از نقشه خاک شناسی استخراج شده بود، بر میزان کل رطوبت قابل دسترس بخوبی مشهود است. بر این اساس با توجه به یکپارچه و جامع بودن نقشه خصوصیات رطوبتی (گنجایش زراعی و پژمردگی دائم) برای کل کشور، این مقادیر می تواند به عنوان یک دامنه اولیه از این خصوصیات به همراه رویکرد ارائه شده در برآورد عمق موثر نگهداشت رطوبتی لایه سطحی خاک، در مدلسازی های هیدرولوژیکی بخصوص آگاهی یافتن از مقدار کمی پدیده نفوذ، توان نگهداشت رطوبتی قابل دسترس برای لایه سطحی خاک، برآورد مولفه های بیلان و..در راستای جلوگیری از تخریب اراضی و مدیریت منابع خاک و آب، مورد استفاده قرار بگیرد.

برف یکی از منابع بزرگ آب در بیشتر نقاط دنیا می باشد و تخمین رواناب ناشی از ذوب آن یکی از مهم ترین فعالیت های هیدرولوژیست ها به حساب می آید. ذوب برف، رطوبت خاک، ذخیره آب زیرزمینی و منابع آب دریاچه ها و رودخانه ها را تامین کرده و رواناب حاصل از آن در حوضه های کوهستانی و مرتفع عامل مهم و کنترل کننده رژیم جریان محسوب می شود. اما با توجه به عدم وجود اطلاعات زمینی کافی، مدل سازی رواناب حاصل از ذوب برف بسیار مشکل می باشد. در این خصوص استفاده از مدل های شبیه سازی ذوب برف و تصاویر ماهواره ای بسیار راهگشا می باشد. در این تحقیق سعی شد با استفاده از مدل شبیه سازی رواناب حاصل از ذوب برف SRM و اطلاعات به دست آمده از تصاویر هشت روزه سنجنده MODIS رواناب روزانه حاصل از ذوب برف برای حوضه آبریز نهاوند که جزئی از حوضه آبریز کرخه محسوب می شود، مورد شبیه سازی و ارزیابی قرار گیرد. بدین منظور مدل SRM برای حوضه مورد مطالعه در سال های آبی 2003 تا 2010 اجرا و واسنجی گردید و برای سال های آبی 2010 تا 2013 مورد صحت سنجی قرار گرفت. بالاترین ضرایب همبستگی و تفاضل حجمی برای مدل در دوره واسنجی به ترتیب 0.75 و 3.62- و در دوره صحت سنجی برابر 0.79 و 26.67 بدست آمد. تحلیل حساسیت پارامترهای ضریب درجه روز، ضریب رواناب برف و باران مدل انجام گردید که نشان دهنده حساسیت کمتر مدل به افزایش و کاهش ضریب رواناب باران در میان سایر پارامترها بود. مقادیر به دست آمده دقت بالای مدل در برآورد رواناب حاصل از ذوب برف را برای حوضه مذکور نشان داد و نشانگر قابلیت کاربرد مدل برای سایر حوضه های مشابه در منطقه است.

تخمین صحیح تبخیر- تعرق مرجع (ETo)، مستلزم برآورد دقیق مقادیر تابش خورشیدی (RS) میباشد. مدلهای بسیاری برای برآورد تابش خورشیدی وجود دارد، به طوری که یکی از این روابط، معادله آنگستروم– پرسکات (A-P) است. دقت معادله آنگستروم– پرسکات در تخمین میزان تابش خورشیدی، به دقت برآورد ضرایب a و b معادله مذکور بستگی دارد. هدف تحقیق حاضر، بررسی دقت مدلهای تخمین ضرایب معادله A-P و تاثیر آن ها در میزان تابش خورشیدی و تبخیر- تعرق مرجع بود. برای این منظور، داده های هواشناسی 4 ایستگاه سینوپتیک ارومیه، تکاب، مهاباد و سلماس در حوضه آبریز دریاچه ارومیه طی سالهای 1377 تا 1387 در مقیاس روزانه استفاده گردید. مدل های مورد استفاده در تعیین ضرایب معادله آنگستروم– پرسکات شامل مدل های بر پایه متوسط سالانه ساعات آفتابی نسبی (n/N)، ارتفاع از سطح دریا و (n/N)، ارتفاع از سطح دریا و عرض جغرافیایی و ، ارتفاع از سطح دریا و عرض جغرافیایی (n/N)، متوسط سالانه دمای هوا و ارتفاع از سطح دریا بودند. ضرایب به دست آمده به منظور محاسبه میزان تابش خورشیدی در رابطه آنگستروم– پرسکات قرار گرفت و سپس تبخیر- تعرق مرجع با استفاده از معادله فائو- پنمن- مونتیث محاسبه گردید. به منظور ارزیابی دقت مدل ها از شاخص های آماری RMSE، MBE، MPE و R2 استفاده شد. نتایج ارزیابی مدل ها نشان داد که مدل بر پایه متوسط سالانه ساعات آفتابی نسبی (n/N) (مدل Rietveld)، دارای بهترین عملکرد در برآورد ضرایب معادله آنگستروم– پرسکات در تمامی ایستگاه ها بود. مقدار متوسط شاخص های RMSE، MBE، MPE و R2 برای مقادیر تبخیر-تعرق مرجع واقعی و تبخیر- تعرق مرجع حاصل از ضرایب مدل مذکور به ترتیبmm/day 0.33 و 0.25، 6.27% و 0.9977 به دست آمد. در نهایت ضرایب به دست آمده از مدل منتخب، 0.26=a و 0.43 = b، به عنوان ضرایب معادله آنگستروم-پرسکات در ایستگاه های مورد مطالعه پیشنهاد گردیدند.

سد اکباتان همدان بر روی رودخانه آبشینه قرار دارد و هدف آن تامین آب شرب و کشاورزی همدان است. با توجه به اهمیت کیفیت آب پشت سدها، هدف این تحقیق بررسی وضعیت تغذیه گرایی آب دریاچه سد اکباتان میباشد. در این تحقیق فصل خشک سال (تابستان) به عنوان زمان بحرانی که دما و نور بیشتری در محیط فراهم است برای بررسی میزان تغذیه گرایی آب پشت سد انتخاب شده است. تعداد 12 ایستگاه در نقاط مختلف دریاچه سد اکباتان مشخص و نمونه برداری از این نقاط صورت گرفت. در این مطالعه پارامترهای pH، دما، دیسک سکی، نیترات، فسفات و کلروفیل اندازهگیری شد. سپس با استفاده از شاخص کارلسون میزان تغذیه گرایی در نقاط مختلف دریاچه این سد تخمین زده شد. همچنین پهنه بندی پارامترهای کیفی و شاخص کارلسون با استفاده از GIS انجام گرفت. شاخص کارلسون در نقاط مختلف دریاچه بین 35.7 تا 50.7 تغییر می کند. با توجه به مقدار به دست آمده برای این شاخص، دریاچه در نقاط ورودی بیشتردر معرض تغذیه گرایی قرار دارد. همچنین فسفر عامل کنترل تغذیه گرایی این سیستم میباشد. نتایج نشان داد در نقطه شماره یک که نزدیک به بدنه سد قرار دارد شاخص کارلسون از سایر نقاط کمتر و در وضعیت الیگوتروفیک دارد. نقطه شماره 11 که در شاخه سمت چپ ورودی به دریاچه سد قرار دارد در وضعیت یوتروفیک است. سایر نقاط حالت مزوتروفیک را نشان می دهند. این تحقیق نشان داد دریاچه سد مخزنی اکباتان پتانسیل مغذی شدن را دارد.

ایران درکمربند خشک و نیمه خشک جهان قرار دارد که در چندسال اخیر بیشتر مناطق آن، دچار پدیده خشکسالی و بدنبال آن کمبود آبهای سطحی وزیرزمینی روبرو شده است. نود و دو درصد آب مصرفی در ایران مربوط به بخش کشاورزی است، که بدنبال آن سبب برداشت بی رویه از منابع آب زیرزمینی شده که سبب وارد آمدن صدمات جبران ناپذیری بر پتانسیل آبی شده است، لذا مدیریت بهینه در مصرف آب و رعایت الگوی صحیح کشت، امری لازم و ضروری به نظر میرسد. در این تحقیق سعی گردید، پس از تشریح وضعیت خشکسالی در دشت سرخون، با برنامه ریزی مدیریتی در بخش کشاورزی و تغییر الگوی کشت، در جهت حفظ و مدیریت منابع آب قدم برداشته شود. با این هدف، از مقادیر آمار بارندگی و تراز آب زیرزمینی طی دوره آماری 68-1367 تا 94-1393، شاخص SPI و GRI برای پایش وضعیت خشکسالی و مدل برنامه ریزی خطی (لینگو) جهت مدیریت بهینه مصرف آب استفاده گردید، که در آن از سه سناریوی بهینه سازی الگوی کشت در وضع موجود، تغییر راندمان آبیاری و افزایش جمعیت با هدف حداکثر کردن سود حاصله از کشت محصولات و میزان آب مصرفی استفاده گردید. نتایج نشان میدهد که سطح آب زیرزمینی دشت سرخون به میزان 6 متر افت داشته است که این افت از سال 1387 آغاز می گردد و از سال 1379 به بعد بطور متوالی با خشکسالی های شدید و خیلی شدید همراه بوده، که با بهینه سازی الگوی کشت در سال هدف (سال 1390)، به میزان دو میلیون مترمکعب در مصرف آب صرفه جویی شده و سود به دست آمده در الگوی کشت بهینه نسبت به وضع موجود، افزایش 107 درصدی را نشان می دهد.

سیستم استحصال از آب های زیرزمینی با استفاده از قنات ها به همان شکلی که درگذشته ابداع شده، با کمترین تغییرات به صورت سنتی طی سالیان متمادی مورد استفاده قرار گرفته است، همگام با پیشرفت تکنولوژی هیچ گونه تحول اساسی در بازسازی قنات ها صورت نگرفته است. از سوی دیگر هر ساله از محل اعتبارات دولتی، مبالغ قابل توجهی در جهت احیاء و مرمت قنات ها هزینه می شود ولی به علت عدم اطلاعات کافی در این خصوص، قنات هایی مورد بازسازی و مرمت قرار گرفته اند که در اولویت بازسازی نبوده اند. در این پژوهش، بازسازی قنات ها از دو دیدگاه مدیریتی و فنی مورد بررسی قرار گرفت. در هر دیدگاه، 10 قنات در گروه قنات های دشتی و 10 قنات در گروه قنات های کوهستانی با استفاده از روش تحلیل شبکه ای (ANP) با استفاده از نرم افزار Super Decisions جهت بازسازی اولویت بندی شدند. شاخص های استفاده شده برای قنات ها شامل دبی، طول، عمق، کیفیت شیمیایی، بارندگی، فاصله از مسیر آبراهه، جمعیت و سطح زیرکشت بودند. در این پژوهش، روش جدید علمی، جهت اولویت بندی بازسازی قنات ها معرفی گردید. همچنین با روش مورد استفاده در پژوهش حاضر، قنات هایی در اولویت بازسازی قرار می گیرند که با هزینه تخصیص یافته می توانند به آبدهی مطلوب برسند. در این پژوهش در روش ANP، قنات بشرویه در گروه قنات های دشتی از دو دیدگاه مدیریتی و فنی به ترتیب با وزن 0.159 و 0.164 و در گروه قنات های کوهستانی، قنات درمیان در هر دو دیدگاه مدیریتی و فنی به ترتیب با وزن 0.247 و 0.202 در اولویت بازسازی قرار گرفت.

با توجه به اهمیت کیفیت آب و اثرات آن بر انسان، در این مطالعه کیفیت آب آشامیدنی در جنوب استان فارس بررسی شد. در این مطالعه از پارامترهای Ca، Cl، Mg، TH، Na، Ec و So4 در 28 نقطه به عنوان داده های ورودی برای تعیین کیفیت آب استفاده شد. به دلیل نرمال نبودن داده ها با روش میانگین عکس فاصله (IDW) که دارای میزان خطای کمتری نسبت به دیگر روش های زمین آمار بود، نقشه پهنه بندی هر یک از عناصر در محیط GIS تهیه شد. به منظور همگن سازی هریک از داده ها جهت تهیه نقشه نهایی کیفیت آب از روش فازی استفاده شد. توابع عضویت فازی با استفاده از استاندارد های کیفیت آب (WHO) تهیه شدند. جهت تهیه نقشه نهایی کیفیت آب با سطح اطمینان های مختلف از روش میانگین وزنی مرتب شده (OWA) استفاده شد. نتایج نشان داد که با کاهش ریسک پذیری (بدون trade-off) اکثر منطقه مشکلی از نظر کیفیت آب ندارد، به طوریکه مناطق داری کلاس 4 و 5 که دارای کیفیت آب متوسط و خوب می باشند دارای مساحت بیشتری نسبت به بقیه کلاس ها می باشند. با افزایش سطح اطمینان و کاهش ریسک پذیری، مناطق نامناسب از نظر کیفیت آب بیشتر می شوند، به طوریکه بیشتر منطقه در کلاس 1 که دارای کیفیت آب نامناسبی است قرار می گیرند.

هر گونه تغییر اقلیم در کره خاکی، سرآغاز زنجیرهای از واکنش هاست که اثر آن به طور مستقیم در فرآیندهای هیدرولوژیکی ظاهر می شود. حوضه ی آبریز قره سو واقع در استان کرمانشاه و یکی از زیرحوضه های مهم کرخه است که از لحاظ کشاورزی و تامین امنیت غذایی، یک منطقه مهم در غرب کشور قلمداد می شود. در راستای این امر، دستیابی به روش های مطمئن پیش بینی جریان رودخانه ها به منظور برنامه ریزی در بهره برداری به موقع از منابع آب از اهمیت روزافزونی برخوردار است. در این مطالعه ابتدا با استفاده از مدل ریز مقیاس نمایی SDSM، داده های بزرگ مقیاس مدل گردش عمومی جو (HadCM3) در سناریوی اقلیمی A2 که رشد اقتصادی بسیار سریع جهان آینده و توسعه چشمگیر تکنولوژی و همچنین استفاده افراطی از سوخت های فسیلی را برای آینده در نظر دارد، برای پارامترهای هواشناسی دما و بارندگی در حوضه قره سو ریز مقیاس شد. سپس با استفاده از داده های بارش، دما و دبی در دورهی پایه (2000-1971) و خروجی های مدل ریز مقیاس نمایی در دوره (2040- 2011)، و با بکار گرفتن شبکه عصبی مصنوعی در نرم افزار MATAB، دبی رودخانه در دوره آتی شبیه سازی شده و در نهایت به کمک مدل ارزیابی و برنامه ریزی منابع آب، WEAP، وضعیت تخصیص منابع آب و تامین نیاز بخش کشاورزی بررسی شد. نتایج مدل اقلیمی، نشان دهنده افزایش دما و کاهش بارندگی در دورهی مورد نظر نسبت به دوره پایه (2000- 1971) می باشد. بطوریکه تحت سناریوی اقلیمی A2، افزایش 1.6 درجه سانتیگراد دما و کاهش 1.77 درصد بارندگی در منطقه و به تبع این افزایش دما و کاهش بارندگی، برای رودخانه قره سو نیز 32.62 درصد کاهش آبدهی پیش بینی میشود. بررسی نتایج مدل WEAP، تحت سناریوهای اقلیمی، در وضعیت سطح زیر کشت کنونی، نشان دهنده افزایش نیاز تامین نشده بخش کشاورزی در منطقه مورد مطالعه در دوره آتی می باشد.

فعالیت های انسانی در دهه های اخیر باعث افزایش گازهای گلخانه ای اتمسفر شده است که این امر باعث گرم شدن زمین و تغییر اقلیم گردیده است. انتظار می رود افزایش دمای ناشی از تغییر اقلیم منجر به افزایش تبخیر و تعرق (که عامل کلیدی در تعیین نیاز آبی گیاهان می باشد) گردد. در این تحقیق به منظور آشکارسازی اثر تغییر اقلیم بر تبخیر و تعرق پتانسیل (ETo)، مقدار ETo با استفاده از روش فائو 56 و بکارگیری نرم افزار Ref-ET برای دوره پایه 2000-1971 و 2 دوره آتی 2045-2016 و 2099-2070 برای شهرستان شاهرود محاسبه گردید. برای این منظور، سناریوهای تغییر اقلیم توسط 13 مدل AOGCM تحت دو سناریوی انتشار گازهای گلخانه ای A2 و B1 تولید و با استفاده از مدل LARS-WG ریزمقیاس گردیدند و ETo محاسبه شده برای سناریوهای تغییر اقلیم و دوره پایه مقایسه گردید. نتایج نشان داد در دوره آتی اول (2045- 2016)، تحت هر دو سناریوی انتشار، متوسط ETo حدود 4.5 درصد و در دوره آتی دوم حدود 15 و 8 درصد به ترتیب برای سناریوی A2 و B1 افزایش خواهد یافت. همچنین مشخص گردید که مقدار ETo در ماه های گرم در مقایسه با ماه های سرد سال بیشتر افزایش می یابد.