مجله مهندسی و مدیریت آبخیز
سال هفتم شماره 3 (پاییز 1394)

فرسایش خاک از مشکلات اساسی حوزه های آبخیز کشور به شمار می رود. تحلیل اقتصادی اثرات احیای آبخیزها در ایران کمتر صورت گرفته است. محاسبه ارزش اقتصادی اقدامات حفاظت خاک به دلیل تاثیر شاخص های ترکیبی و عدم ارزش اقتصادی مشخص در بازار دشوار می باشد. در این پژوهش، اثربخشی فعالیت های حفاظت خاک به کمک روش ارزش فعلی خالص در زیرحوضه میان بیشه در حوزه آبخیز طالقان، استان البرز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. این حوضه، به دلیل داشتن اقدامات حفاظت خاک در یک دوره زمانی مناسب برای تجزیه و تحلیل و وجود سابقه ارزیابی تکنیکی، انتخاب شد. ابتدا، تدقیق اطلاعات پایه با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی، بررسی میدانی و شناسایی و اندازه گیری شاخص های سود و هزینه صورت گرفت. سپس، ارزش اقتصادی سه شاخص اصلی هزینه و شش شاخص ترکیبی سود شناسایی و تعیین شد. با تلفیق داده های موجود شاخص های اقتصادی شامل ارزش خالص فعلی (NPV) و نسبت سود به هزینه برآورد شدند. ارزیابی ها نشان می دهد که احیای آبخیز میان بیشه در دوره تحلیل 30ساله با استفاده از نرخ تنزیل 15 درصد از لحاظ اقتصادی در اراضی دارای قابلیت بهره وری نسبی مانند مراتع کوهستانی و اراضی تپه ای بدلند با فرسایش بالا توجیه پذیر است و NVP مثبت را در پی دارد. همچنین، 25 درصد از مجموع سودها مربوط به درآمدهای درون حوضه، 55 درصد مربوط به درآمدهای پایین دست حوضه و 20 درصد مربوط به حوضه های مجاور و ناشی از کاهش خطر سیلاب است.

آبشستگی پدیده ای است که در بعضی مواقع به تخریب سازه های زیربنایی منجر شده و وقایع جبران ناپذیری را به همراه دارد. تحقیقات معدود قبلی نشان داده که در شرایطی که بستر متشکل از ذرات ریزدانه چسبنده باشد، کاربرد معیارهای مبتنی بر رسوبات غیرچسبنده ابعاد گودال آبشستگی موضعی را بیش از واقعیت برآورد نموده و هزینه های گزافی را به طرح تحمیل می کند. بر اساس این تحقیقات، میزان و نوع رس بر آبشستگی بستر چسبنده بسیار موثر می باشد. در مقاله حاضر، آبشستگی موضعی ناشی از جت افقی مستغرق خروجی از دریچه کشویی قائم در شرایط وجود مصالح چسبنده در بستر فرسایش پذیر به صورت آزمایشگاهی مطالعه شد. در ابتدا عوامل اصلی موثر بر این پدیده شناسایی و رس بنتونیت به عنوان مصالح چسبنده انتخاب شد. مجموعا 48 آزمایش با در نظر گرفتن چهار میزان رس، سه بازشدگی دریچه و چهار عمق پایاب، در یک فلوم مستطیلی در آزمایشگاه پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری انجام شد. نتایج نشان داد، با افزودن رس بنتونیت به بستر فرسایش پذیر، اثر چسبندگی در میزان رس 10 درصد نمایان شده و با افزایش میزان رس، بیشینه عمق آبشستگی کاهش چشمگیری می یابد. به نحوی که در شرایط وجود 20 درصد رس بنتونیت در بستر به طور متوسط 76 درصد کاهش در بیشینه عمق آبشستگی نسبت به مصالح غیرچسبنده رخ می دهد. بر اساس نتایج آزمایش ها، یک رابطه کلی ارائه شد که قابلیت برآورد بیشینه عمق آبشستگی هم در شرایط وجود مصالح چسبنده و هم غیاب آن را با خطای متوسط 19 درصد دارا می باشد. حساسیت عوامل موجود در رابطه برآورد بیشینه عمق آبشستگی سنجیده و با رابطه محقق پیشین مقایسه شد. نتایج تحقیق حاضر در قالب دو نوع نیمرخ برای حفره آبشستگی تعریف شد که با روابط قبلی تطبیق نسبتا مناسبی را نشان داد.

تغییرپذیری اقلیمی و فعالیت های انسانی به عنوان دو علت اصلی تغییرات رواناب شناخته شده اند. در این مطالعه ابتدا روند و نوسانات در سری داده های هیدروکلیماتیک حوضه رودخانه کشکان در طی سال های 1391-1351 مورد بررسی قرار گرفت. سپس از روش الاستیسیته اقلیمی به منظور ارزیابی کمی پاسخ رواناب این حوضه به تغییرپذیری اقلیمی و فعالیت های انسانی استفاده شد. نتایج نشان داد، کاهش 10 درصدی در بارش، کاهش 25.7∼25.1 درصدی در رواناب و افزایش 10 درصدی در تبخیر تعرق پتانسیل، کاهش 15.7∼15.1 درصدی در رواناب را به دنبال خواهد داشت. سهم فعالیت های انسانی در کاهش رواناب حوضه رودخانه کشکان 73.97∼74.22 درصد و سهم تغییرپذیری اقلیمی 25.77∼26.02 درصد برآورد شد. بنابراین، فعالیت های انسانی در مقایسه با تغییرپذیری اقلیمی سهم بیشتری در کاهش رواناب حوضه رودخانه کشکان داشته است. نتایج حاصل از این مطالعه می تواند به تهیه مرجعی به منظور توسعه، بهره برداری و مدیریت منابع آب منطقه ای و حفاظت از محیط زیست کمک کند.

فرسایش خاک و انتقال رسوب از مشکلات اغلب حوزه های آبخیز کشور است. برنامه های آبخیزداری بدون برآورد صحیح فرسایش و رسوبدهی با مدل های مناسب امکان پذیر نیست. این تحقیق با هدف ارزیابی دو مدل تجربی MPSIAC و EPM انجام گرفت. ابتدا، 10 آبخیز کوچک در گستره استان آذربایجان غربی انتخاب شد که در آن ها 113 سد رسوبگیر متوالی در قالب طرح های آبخیزداری اجرا شده بود. اطمینان از عدم خروج رسوب در آخرین سد رسوبگیر، به عنوان ملاک انتخاب آبخیزها در نظر گرفته شد. علاوه بر اندازه گیری مستقیم رسوب نهشته شده در پشت بندها، رسوبدهی آبخیزهای انتخابی با استفاده از مدل ها نیز برآورد شد. مقایسه میانگین ها با آزمون ناپارامتری من-ویتنی، اختلاف معنی داری در سطح پنج درصد نشان نداد. در مرحله آخر، دو مدل با آماره های MAE و MBE مورد آزمون قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل MPSIAC با MAE=1.34 و MBE=-0.12، نسبت به مدل EPM برتری دارد.

شیوه بهره برداری از منابع آب زیرزمینی دشت الشتر، موجب افت سطح آب و کاهش آبدهی چاه های منطقه شده است. طی دوره آماری 1371 تا 1389 تراز سطح ایستایی دشت، سالانه به طور متوسط 24 سانتی متر افت نموده است. استفاده ترکیبی از تکنیک های شبیه سازی و بهینه سازی، روشی مفید و قدرتمند در تعیین استراتژی های تصمیم گیری و مدیریتی، برای بهره برداری اصولی از منابع آب می باشند. در این راستا از مدل‍ ریاضی MODFLOW و نرم افزار Lingo به عنوان ابزارهایی کارآمد و با صرفه، برای بررسی گزینه های مختلف مدیریتی استفاده شد. در فرایند شبیه سازی با هدف مدیریت منابع آب، از نتایج حاصل از مدل سازی و کالیبراسیون مدل، برای بهینه سازی سفره آب زیرزمینی استفاده شد. از آن جا که توابع هدف در این مطالعه از نوع خطی بوده، برنامه ریزی خطی چند هدفی به منظور حل مساله بهینه سازی انتخاب شد. مساله عمومی بهینه سازی چند هدفه با n متغیر تصمیم، m محدودیت و p هدف در روابط بهینه سازی ارائه شد. هدف از حل مسئله بهینه سازی، بیشینه کردن سود حاصل از محصولات کشاورزی و کمینه کردن مصرف آب برای استفاده بیشتر از آبخوان است. میزان سوددهی کل محصولات زراعی قبل از بهینه سازی برابر 47798 میلیون ریال بود که پس از بهینه سازی با 33.25 درصد افزایش به 63689 میلیون ریال رسید. میزان مصرف آب قبل از بهینه سازی، 92220 هزار متر مکعب در سال بود، که پس از حل مسئله بهینه سازی 18.1 درصد کاهش یافت و به 75510 هزار متر مکعب در سال رسید. سوددهی کل محصولات بر اساس سناریو سند ملی (نیاز خالص آبی) 15 درصد افزایش یافت. در این سناریو میزان مصرف آب کشاورزی 65.5 درصد کاهش می یابد.

در حال حاضر بیشتر حوزه های آبخیز کشور در اثر بهره برداری غیراصولی و عدم اعمال مدیریت های لازم در وضعیت بحرانی می باشد. از آن جایی که حدود 80 درصد آبخیزهای ایران دارای شرایط اقلیمی خشک و نیمه خشک می باشند، لذا مقوله بهره برداری بهینه از نزولات آسمانی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این تحقیق به منظور افزایش ضریب رواناب در سطح سامانه های آبگیر و بهبود رطوبت خاک در پای سامانه، اقدام به ایجاد سامانه لوزی شکل، عایق کردن سطح سامانه ها با پلاستیک گلخانه ای و ایجاد تیمارهای مختلف در پای سامانه شد. لذا در پای سامانه ها، شش تیمار و سه تکرار با سطح مقطع مثلثی برای جمع آوری آب باران و اندازه گیری رطوبت خاک تعبیه شد. سطح تیمارها با مصالح قابل دسترس کشاورزان همچون پلاستیک گلخانه ای، شن و ترکیبی از آن ها ایجاد و برای انتقال رطوبت به عمق خاک فیلتری به عمق 50 و قطر 15 سانتی متر در وسط تیمار تعبیه شد. در طول تحقیق، پایش حجم رواناب با ظروف مدرج و تغییرات رطوبت خاک به وسیله دستگاه TDR در عمق های 30 و 50 سانتی متر انجام شد. در مرحله اول 18 رویداد بارش در سطح سامانه ها فقط با برداشت علف های هرز و کوبیدن سطح آماده سازی شد. در مرحله دوم با پوشاندن سطح سامانه ها به وسیله پلاستیک، تعداد 21 رویداد بارش مورد اندازه گیری قرار گرفت که اختلاف مجموع بارش در دو مرحله تنها 10 درصد را نشان می داد که این اختلاف کم مبنای مناسبی در کاهش عدم قطعیت نتایج تحقیق شد. نتایج حاصل از عایق کردن سطح سامانه های لوزی شکل نشان می دهد که ضریب رواناب از شش به 47 درصد افزایش یافته و یا به عبارتی ضریب رواناب 7.8 برابر شرایط طبیعی شده است. مقایسه آماری بین داده های مربوط به رطوبت خاک در اعماق 30 و 50 سانتی متری در دو حالت عایق و طبیعی به روش T-test نشان می دهد که مقدار رطوبت در حالات یاد شده در سطح اعتماد 90 درصد در کلیه تیمارها دارای اختلاف معنی دار می باشد. در این ارتباط متوسط اختلاف رطوبت حجمی بین شرایط عایق و طبیعی در عمق های 50 و 30 سانتی متر به ترتیب برابر 6.4 و 9.4 درصد به دست آمد. در صورتی که اختلاف رطوبت حاصل از تیمار بیشینه (تیمار B در عمق 50 سانتی متری و تیمار A در عمق 30 سانتی متری) با تیمار شاهد در دو عمق 50 و 30 سانتی متر به ترتیب معادل 1.7 و 3.4 درصد می باشد. بنابراین، می توان نتیجه گرفت، افزایش رطوبت خاک به دلیل شرایط عایق در مقایسه با شرایط طبیعی در خاک های منطقه مورد مطالعه (لومی رسی و یا سیلتی لومی) به مراتب بهتر از نوع تیمار است و عایق نمودن سطح سامانه ها در مقایسه با استفاده از تیمارها به ترتیب افزایش رطوبتی 3.8 و 2.8 برابری را به همراه دارد.

سیستان همواره مورد هجوم طوفان های شنی قرار دارد، به طوری که اثرات محدود کنند های در توسعه آن ایفاء می کند. عوامل متعددی در ایجاد این طوفان ها نقش دارند که یکی از آن ها، تخریب پوشش گیاهی منطقه به دلیل تردد خودرو است. به منظور شناسایی نقش این تردد در بروز طوفان های شنی سیستان این پژوهش انجام شد. برای اجرای این پژوهش، سه منطقه در داخل دریاچه هامون که تحت تاثیر فرسایش قرار گرفته بودند، انتخاب و علاوه بر آن تیماری نیز به عنوان شاهد مشخص شدند. در هر یک از این محدوده ها، ترانسکت خطی به طول 600 متر انداخته و از هر محل سه نمونه خاک از ابتدا، 50 درصد طول و انتهای آن ها جمع آوری و به آزمایشگاه انتقال و ویژگی هایی از قبیل رطوبت، بافت، مواد آلی EC، OM، pH، کربنات کلسیم خاک تجزیه و همچنین، پوشش گیاهی آن ها نیز اندازه گیری شد. با استفاده از معادله جهانی فرسایش و تعیین هریک از عوامل آن به روش علمی، میزان فرسایش سالانه خاک برآورد شد. بررسی داده ها نشان داد که محدوده های همراه با تردد خودرو با کاهش میزان رس، پوشش گیاهی، پستی و بلندی، زبری سطح خاک و مواد آلی همراه بوده، ولی باعث افزایش ذرات ریز خاک با قطر کوچک تر از 0.84 میلی متر، pH، EC، CaCO3 و طول زمین که هر کدام از آن ها در افزایش فرسایش بادی منطقه نقش دارند. نتایج این پژوهش نشان می دهد که میزان فرسایش در مناطق مورد مطالعه بین 216.3-15.8 تن در هکتار است.

در روش های ریزمقیاس گردانی آماری که بر اساس رابطه بین داده های گردش عمومی اتمسفری-اقیانوسی و هر یک از متغیرهای اقلیمی (بارش، دمای کمینه، دمای بیشینه) ایجاد می شود، دوره آتی آن متغیر اقلیمی شبیه سازی می شود. از آن جایی که در شبیه سازی، تمامی عوامل رخ داد، یک متغیر در مدل وارد نمی شود، لذا برآورد به وجود آمده همراه با خطا و یا عدم قطعیت می باشد. خروجی مدل های ریزمقیاس گردانی به عنوان ورودی در مدل های منابع آب و کشاورزی وارد شده و در صورتی که این ورودی ها دارای خطا باشند، خروجی مدل های ذکر شده نیز با عدم قطعیت بیشتری مواجه خواهد شد. شناخت مقدار خطا و یا عدم قطعیت هر مدل در قضاوت و اطمینان به نتایج به دست آمده ضروری است. در این تحقیق سعی شده است، عدم قطعیت ریزمقیاس گردانی مدل های GCM با شبکه عصبی در ایستگاه های شمال غرب کشور بررسی شود. بدین منظور، مدل شبکه عصبی اجراء و برای هر یک از ماه های سال، دمای کمینه، بیشینه و بارش با داده های NCEP واسنجی و ارزیابی شد. سپس، با داده های HadCM3 در دوره حاضر مدل ایجاد شده، مقادیر فوق شبیه سازی شد. داده های روزانه مشاهده ای هر ماه در دوره (2001-1961) تهیه و در هر ایستگاه و هر ماه با روش بوت استرپ فاصله اطمینان 99 درصد استخراج شد. سپس متوسط ماهانه دوره هر یک از متغیرهای اقلیمی برآورد شده به وسیله شبکه عصبی محاسبه شد. برای این منظور از دو معیار میانگین و واریانس داده ها استفاده شد. در هر ماه هرگاه میانگین یا واریانس برآورد شده در محدوده اطمیان قرار گیرد، برآورد به دست آمده دارای اطمینان است. برای مقایسه نتایج از تعداد ایستگاه-ماه استفاده شد. نتایج نشان داد که میانگین دمای بیشینه در 14 ایستگاه-ماه در محدوده اطمینان واقع شدند. تحلیل ماهانه آن نیز نشان داد، دقت شبکه عصبی در تابستان کم بوده و عدم قطعیت بالاتری نسبت به فصول دیگر دارد. در شبیه سازی دمای کمینه بر اساس این معیار 18 ایستگاه-ماه در محدوده اطمینان واقع شد. دقت شبکه عصبی در تابستان برای برآورد دمای کمینه کم و دارای عدم قطعیت در اغلب ایستگاه ها بود. به طوری که در ماه های ژوئن و آگوست در هیچ یک از ایستگاه ها برآورد به دست آمده در محدوده اطمینان قرار نگرفت. محدوده اطمینان بارش به دلیل ماهیت تغییرات زیاد آن نسبت به دما بسیار بالا بوده و تا بیش از 50 درصد بارش متوسط ماه نیز در برخی ایستگاه ها رسید. باتوجه به دامنه اطمینان بالای بارش، در 53 مورد ایستگاه-ماه در محدوده اطمینان قرار گرفتند.

وجود سیلاب های استثنایی بزرگ که در دوره آماربرداری منظم و سیستماتیک در ایستگاه های آب سنجی مشاهده می شوند، باعث دشواری هایی در اجرای روش کلاسیک تحلیل فراوانی سیلاب می شوند. در این پژوهش در ابتدا شناسایی سیلاب های استثنایی به وسیله یکی از آزمون های متداول تعیین مقادیر پرت نظیر دیکسون، گرابز و گرابز-بک در ایستگاه های منطقه مورد مطالعه (حوزه آبخیز سد گلستان) صورت گرفت. به منظور تعیین تابع توزیع احتمال و تعیین تاثیر کاربرد مستقیم این سیلاب ها در نتایج تحلیل فراوانی سیلاب، تحلیلی با سری کامل و سپس با حذف آن ها انجام شد. در این مرحله، 15 تابع توزیع احتمالاتی مختلف به کار گرفته شد و برآورد عوامل در دو حالت اریب و نااریب، به سه روش گشتاورها، بیشینه درست نمایی و گشتاورهای وزنی انجام شد. با توجه به نتایج آزمون های خوبی برازش مربع کای و کلموگروف-اسمیرنوف و محاسبه شاخص های خطا، توزیع لوگ پیرسون تیپ سه به عنوان توزیع برتر در سری کامل و پس از حذف مقادیر سیل های استثنایی انتخاب شد. نتایج تحلیل فراوانی سیلاب در این مرحله نشان داد که هر چند حذف مقادیر سیلاب های استثنایی باعث تغییر نوع توزیع احتمالاتی نشد، لیکن در نتایج برآورد سیلاب بسیار تاثیرگذار است. در مرحله بعد، به منظور تلفیق سیلاب های استثنایی با بقیه داده های مشاهداتی، روش کمیته منابع آب ایالات متحده به کار گرفته شد. دوره تاریخی سیلاب های استثنایی به وسیله تحلیل حساسیت در ایستگاه های تنگراه، تمر و گالیکش به ترتیب برابر 300، 60 و 80 سال محاسبه شد. با اعمال دوره تاریخی محاسبه شده، مقادیر سیلاب در دوره برگشت های مختلف برآورد شد. بر این اساس، به طور مثال میزان دبی در دوره برگشت 1000 ساله در ایستگاه های مذکور به ترتیب از رقم های 14946، 1639 و 2635 مترمکعب بر ثانیه (در سری کامل عادی) به مقدار 1434، 1423 و 1296 (در سری کامل، پس از اصلاح عوامل تابع توزیع احتمال) کاهش یافت. بنابراین، کاربرد روش مورد استفاده این پژوهش، در کاهش هزینه های ساخت سازه های هیدرولیکی بسیار تاثیرگذار خواهد بود.

با افزایش روزافزون جمعیت، موضوع بهره وری از منابع آب اهمیت بیشتری پیدا می کند. امروزه برای تامین آب به ویژه در مناطق خشک، آبخیزداری جایگاه خاصی در برنامه ها یافته و تنظیم گردش آب و ذخیره نزولات و بهره برداری از رواناب های فصلی و سیلابی به عنوان یکی از راه ها برای رفع کمبود آب مطرح است. منطقه مورد مطالعه حوزه آبخیز مته سنگ با وسعت 6100 هکتار در شمال شرقی شهرستان نیکشهر استان سیستان و بلوچستان در جنوب شرقی ایران قرار دارد. ابزار گردآوری این پژوهش، پرسشنامه است که روایی آن به وسیله متخصصان آبخیزداری و کارشناسان منابع طبیعی بررسی شده است. ضریب پایایی آن با استفاده از نرم افزار SPSS و ضریب آلفای کرونباخ بین 0.76 و 0.78 برای مقیاس های مختلف به دست آمده است. به منظور ارزیابی اثرات اقتصادی طرح های حفاظت خاک و آب در منطقه مورد نظر از روش تحلیلی سود به هزینه و روش پرسشنامه و آزمون کای اسکوئر استفاده شده است. میزان نسبت سود به هزینه برابر با 1.03 به دست آمده که نشان دهنده توجیه اقتصادی این طرح ها است. نتایج آزمون کای اسکوئر در بحث اجتماعی، با ارزیابی طرح های حفاظت خاک از طریق پرسشنامه، نمایانگر کاهش مهاجرت، کاهش وقوع سیل، کاهش بیکاری، کنترل سیلاب و رسوب، رضایتمندی و مشارکت صددرصدی در این طرح ها است. همچنین، در بحث اقتصادی، نتایج استفاده از آزمون آماری در خصوص ارتباط عملکرد طرح های حفاظت خاک و آب با افزایش محصولات، کاهش زمین های بایر، افزایش پوشش گیاهی، افزایش تعداد دام، افزایش مقدار منابع آب و افزایش سطح اراضی زراعی و باغی، دلالت بر رد فرض صفر و معنی داری این روابط از نظر آماری بوده است. به طور کلی طرح های مکانیکی حفاظت خاک و آب در این پژوهش جنبه های مثبت چند منظوره را نشان داده است.