فهرست مطالب

مجله تحقیقات منابع آب ایران
سال هفدهم شماره 1 (پیاپی 56، بهار 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/03/28
  • تعداد عناوین: 20
|
  • بهرام بختیاری*، نکیسا مهدوی، نسرین سیاری صفحات 1-15
    شاخص خشکی (AI) به عنوان نسبت تبخیر-تعرق به بارش برای کمی سازی مقدار خشکی به کار می رود. در این مطالعه، تحلیل حساسیت AI براساس 7 متغیر هواشناسی شامل بارش، دمای حداکثر، دمای حداقل، فشار بخار هوا، سرعت باد و تابش ورودی در 5 نمونه اقلیمی متفاوت بر اساس طبقه بندی دومارتن طی دوره 2019-1990 در مقیاس زمانی سالانه با استفاده از روش مشتقات جزیی محاسبه شد. برای روندیابی تغییرات AI، از آزمون من-کندال و روش تخمین گر شیب خط سن استفاده شد. به منظور پیش نگری تغییرات AI در دوره آینده 2050-2020، از مدل گردش عمومی جو (canESM2) تحت دو سناریوی RCP4.5 و RCP8.5 و مدل ریز مقیاس نمایی (SDSM) استفاده شد. نتایج تحلیل روند حاکی از افزایش خشکی در همه ایستگاه ها به جز مشهد بود. نتایج ضریب حساسیت نشان داد، در بین متغیرهای اقلیمی، بارش بیش ترین سهم را در تغییرات AI داشته است. به طوری که %10 افزایش در بارش، باعث کاهش AI در ایستگاه های رشت، ایلام، یاسوج، مشهد و کرمان به ترتیب %10/72، %11/81، %12/48، %11/14 و %12/82 می شود. بعد از بارش، بیشترین حساسیت AI به متغیرهای اقلیمی در ایستگاه های ایلام و رشت به ترتیب دمای حداکثر و حداقل، در ایستگاه های کرمان و مشهد، فشار بخار هوا، و در ایستگاه یاسوج مقدار تابش ورودی است. طی دوره 30 سال پیش رو، انتظار می رود مقادیر AI در همه ی ایستگاه های مطالعاتی به جز یاسوج افزایش یافته و بیشترین و کمترین نرخ افزایش AI سالانه به ترتیب در ایستگاه های رشت تحت سناریوی RCP8.5 و مشهد تحت سناریوی RCP4.5، رخ دهد.
    کلیدواژگان: شاخص خشکی، ضرایب حساسیت، سناریوهای تغییر اقلیم، آزمون روند
  • محمد انصاری قوجقار، شهاب عراقی نژاد، جواد بذرافشان، بنفشه زهرایی*، احسان پارسی صفحات 16-32

    درک صحیح از وقوع طوفان های گرد و غبار در هر منطقه و آگاهی از تغییرات زمانی- مکانی این پدیده به مدیریت و کاهش خسارت های ناشی از گرد و غبار کمک شایانی می کند. در سال های اخیر، توسعه فرامدل ها و ترکیب آن ها با الگوریتم های بهینه سازی به منظور مدل سازی و پیش بینی متغیرهای آب و هوایی، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از این رو در مطالعه حاضر، نوعی رویکرد ترکیبی به منظور پیش بینی فراوانی روزهای همراه با طوفان گرد و غبار (FDSD) در مقیاس فصلی پیشنهاد شده که در آن از ترکیب شبکه های عصبی LSTM و GRU استفاده می شود. در این پژوهش، عملکرد مدل هیبریدی پیشنهادی با شبکه عصبی مبتنی بر توابع پایه شعاعی (RBF) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) مورد مقایسه قرار گرفته است. بدین منظور، از داده های ساعتی گرد و غبار و کدهای سازمان جهانی هواشناسی در مقیاس فصلی با طول دوره آماری 30 ساله (2019-1990) در هفت ایستگاه سینوپتیک استان خوزستان استفاده شد. نتایج معیارهای ارزیابی در مرحله آموزش و آزمایش مدل ها نشان داد که مدل هیبریدی GRU-LSTM عملکرد بهتری نسبت به سایر مدل های مورد استفاده به منظور پیش بینی فراوانی روزهای همراه با طوفان گرد و غبار ارایه می نماید؛ به طوری که مدل هیبریدی پیشنهادی با ضریب همبستگی (0/988-0/905=R)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE=0/313-0/402 day)، میانگین قدر مطلق خطا (MAE= 0/144-0/226 day) و ضریب نش -ساتکلیف (0/903-0/819=NS)، عملکرد بهتری نسبت به سایر مدل های مورد استفاده در پیش بینی شاخص FDSD داشته است. در مجموع با مقایسه مدل های مورد استفاده، روش هیبریدی GRU-LSTM بهترین عملکرد و بعد از آن مدل SVM بهترین نتیجه را ارایه نمود. لذا مدل هیبریدی پیشنهادی می تواند به عنوان ابزاری مناسب جهت پیش بینی شاخص FDSD و به تبع آن اتخاذ تصمیمات مدیریتی به منظور کاهش خسارات طوفان های گرد و غبار، در منطقه مطالعاتی مورد استفاده قرار گیرد.

    کلیدواژگان: پیش بینی، طوفان گرد و غبار، روش ماشین بردار پشتیبان، روش GRU-LSTM، خوزستان
  • عبدالمجید نوری، حامد سرورام*، هومن اسحاقی شربیانی، محمدحسین نوری قیداری، فرناز قاسمی صفحات 33-46

    محدودیت منابع آب شیرین در کشور ما و نیاز روزافزون به منابع آبی پایدار موجب توجه ویژه به آب های زیرزمینی شده است. این در حالی است که تجدید پذیری آبخوان ها در اثر خشک سالی و تغییرات اقلیمی کاهش یافته است. منابع آب زیرزمینی دشت ابهر تامین کننده نیاز عمده شهرستان های ابهر و خرمدره، در اثر حفر چاه های متعدد، با افت سطح ایستابی چشم گیری مواجه گشته و در نتیجه کف شکنی چاه ها به عنوان راهکار مورد استفاده قرار گرفته است. در این پژوهش منابع آب زیرزمینی دشت ابهر به منظور تعیین حداکثر عمق کف شکنی چاه ها بررسی گردیده است. بدین منظور، حجم آبخوان دشت ابهر با استفاده از نرم افزار ArcGIS تعیین شد. براساس وضعیت فعلی دشت و سیاست های مدیریت منابع آب آن، سه سناریوی پیش بینی وضعیت آینده آبخوان دشت تهیه و مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج هر سه سناریو نشان می دهد در صورت ادامه رویه بهره برداری فعلی، قسمت وسیعی از بخش غربی دشت طی 25 سال آینده کاملا خشک شده و وسعت اشباع آبخوان به 65 درصد اندازه فعلی کاهش خواهد یافت. نتایج حاصل بیانگر نقش موثر محدود ساختن عمق چاه های کشاورزی به عنوان یک راهبرد مدیریتی در جلوگیری از خشک شدن آبخوان و کند شدن روند کاهش وسعت اشباع آن می باشد.

    کلیدواژگان: ذخیره آبخوان، GIS، مدیریت آب زیرزمینی، سقف کف شکنی، دشت ابهر
  • علیرضا کیهانی، علی محمد آخوندعلی*، حسین فتحیان صفحات 47-67
    برآورد بار رسوب معلق و بستر حمل شده توسط جریان، برای برنامه ریزی و ذخیره منابع آب مخازن سدها، مدیریت آبخیز، حفاظت سواحل و محیط زیست حایز اهمیت است. در این تحقیق تحلیل فراوانی چند متغیره بین مقادیر حداکثر سالانه دبی سیل، بار رسوب معلق و بار رسوب بستر در ایستگاه هیدرومتری سیرا کرج با توابع مفصل مختلف انجام شد. دوره زمانی مشترک بین متغیرهای بار رسوب معلق و بار رسوب بستر از سال آبی 89-1388 تا 99-1398 تعیین گردید. نتایج نشان می دهد که برترین توابع مفصل در تحلیل وابستگی بین متغیرهای دبی سیل- بار رسوب معلق، دبی سیل- بار رسوب بستر و بار رسوب معلق - بار رسوب بستر به ترتیبTawn،  Shih-Louis و Gaussian است. نتایج نشان می دهد که به ازای دوره بازگشت توام با سناریو “OR” برابر با 10 سال، مقادیر دبی سیل، بار رسوب معلق و بستر به ترتیب برابر با 125 مترمکعب در ثانیه، 100 هزار تن در روز و 2500 تن در روز می باشد. مقادیر با حداکثر احتمال وقوع بار رسوب معلق و بار رسوب بستر برای دوره بازگشت توام با سناریو “AND” برابر با 10سال، به ترتیب برابر با 45000 تن در روز و 1500 تن در روز است. نتایج نشان می دهد که بر اساس سناریو "AND" برای دوره بازگشت توام، مقادیر طراحی چندمتغیره بار رسوب معلق و بستر کوچکتر از مقادیر تک متغیره هستند. بنابراین نادیده گرفتن همبستگی بین بار رسوب معلق و بستر و دبی سیل ممکن است بطور قابل توجهی مقدار واقعی رسوب را بیشتر برآورد کند، در نتیجه احتمال وقوع متناظر بیشتر برآورد شود.
    کلیدواژگان: توابع مفصل، تحلیل تک متغیره، تحلیل دو متغیره، تحلیل وابستگی، دوره بازگشت توام
  • احسان یوسفی خوش قلب، ایمان مصلحی، محمدرضا جلیلی قاضی زاده*، هانی غمخوار صفحات 68-101

    نشت به عنوان یکی از ارکان اصلی هدررفت واقعی آب، جزو لاینفک شبکه های توزیع آب شهری محسوب می شود؛ به طوری که حتی بهترین شبکه های توزیع آب نیز از مقداری نشت در زیرساخت خود برخوردار هستند. جهت کاهش نشت و بهبود عملکرد شبکه های توزیع آب، روش ها و رویکردهای متعددی ارایه شده است. اقدامات و استراتژی های اصلی جهت کنترل و مدیریت نشت توسط شرکت های آب و فاضلاب، شامل چهار استراتژی اصلی عملیات کنترل فعال نشت (نشت یابی فعال)، مدیریت حوادث و شکستگی ها (کنترل منفعل نشت)، مدیریت فشار و مدیریت دارایی (بازسازی و نوسازی زیرساخت شبکه) می باشد. سوال حایز اهمیت این است که، کدام یک از این رویکردها برای یک شبکه ی توزیع آب مناسب تر است؟ پاسخ این سوال با انجام تحلیل سطح اقتصادی نشت به دست می آید. لذا مهمترین جزء یک استراتژی کنترل و مدیریت نشت، هدف گذاری آن بر اساس سطح اقتصادی نشت است. این مقاله، مروری جامع بر روش های برآورد سطح اقتصادی نشت در شبکه های توزیع آب، در قالب دوره های زمانی مختلف از جمله کوتاه مدت، بلندمدت و پایدار دارد. علاوه بر این رویکردی جهت تخمین سطح اقتصادی نشت با توجه به شرایط حاکم در هر شبکه و یا شرکت آب و فاضلاب مربوطه پیشنهاد می شود. نتایج این مقاله برای متخصصان و محققان حوزه ی آب بدون درآمد که در شبکه های توزیع آب فعالیت دارند مرجعی مفید و کاربردی محسوب می شود.

    کلیدواژگان: سطح اقتصادی نشت، مدیریت نشت، کنترل فعال نشت، تحلیل اقتصادی، شبکه توزیع آب شهری
  • ابوالحسن غیبی*، سعیده خوارزمی، مهدی رهنما صفحات 102-115
    این مطالعه به منظور بازیابی میزان بارش با استفاده از دمای روشنایی کانال های فروسرخ از داده های تصویربردار چرخان پیشرفته مریی و فروسرخ (SEVIRI) از نسل دوم ماهواره های Meteosat (MSG) انجام گرفته است. با توجه به ارتباط بین دمای روشنایی کانال های فروسرخ ماهواره ای با ویژگی های میکروفیزیکی و نوری ابرها (مانند دمای قله ابر، ارتفاع قله ابر، ضخامت نوری ابر، اندازه ذرات و همچنین فاز ذرات)، و تاثیر تغییر هر یک از این ویژگی ها در تعیین میزان و محدوده شدت بارش، با استفاده از مدل های آماری و رگرسیونی و همچنین روش شبکه-های عصبی مصنوعی ارتباط بین تغییرات دمای روشنایی و بارش در دو ایستگاه هواشناسی استان هرمزگان، مورد مطالعه قرار گرفته و عملکرد روش های مذکور برای بازیابی میزان بارش مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج بررسی مدل ها نشان داد مدل رگرسیون فرآیند گاوسی نمایی پس از انجام تحلیل مولفه اصلی با POD: 0/96 ، RMSE: 0/44 و HSS:0/67 برای آستانه بارش 0.1 میلیمتر (در طی نیم ساعت) برای مجموعه داده های بارش کمتر از 10 میلیمتر، بهترین عملکرد را دارا می باشد. شبکه عصبی مصنوعی نیز با RMSE 1/27 عملکرد ضعیف تری نسبت به مدل رگرسیونی را نشان داد اما عملکرد خوبی را در تفکیک شرایط بارشی از غیربارشی (POD: 0.85 و HSS: 0.48) ارایه داد. با مقایسه همبستگی بین بارش و دمای روشنایی (بطور متوسط 0.36)، و همبستگی بین بارش مشاهده شده و بارش بازیابی شده (در مدل رگرسیونی 0.91 و در شبکه عصبی 0.43)، می توان نتیجه گرفت در این مطالعه محصولات بارشی تولید شده که توانست همبستگی خوبی را بین بارش مشاهده شده و بارش بازیابی شده نشان دهد.
    کلیدواژگان: بازیابی بارش، دمای روشنایی فروسرخ، سنجنده SEVIRI، مدل رگرسیونی، شبکه عصبی مصنوعی
  • آرش تقی پور زارعی*، مهدی ضرغامی صفحات 116-135
    مسئله افزایش جمعیت و نیازهای جمعیتی ازجمله نیاز به غذا و تقاضای آب، نیاز به تدوین و اجرای راهکارهای سیاستی مبتنی بر کاهش فشار بر منابع آب را ضروری می نماید بخصوص که بحث امنیت غذایی و اتخاذ سیاست خودکفایی در محصولات استراتژیک موردتوجه برنامه های بالادستی کشور بوده است. یکی از راهکارهای موثر، بهره گیری از رژیم غذایی کم آب بر می تواند باشد. از طرفی نیز نظر بر برخی کمبودها در رژیم غذایی فعلی کشور؛ لزوم تغییر آن و طراحی رژیم سالم و پایدار که توامان ارتقای سلامت جامعه و کاهش اثرات محیط زیستی آن (مانند میزان ردپای کمتر آب) را به دنبال داشته باشد، ضرورت پیدا می کند. در این مطالعه، رژیم غذایی فعلی همراه با سه رژیم جایگزین به کمک تصمیم گیری چندشاخصه گروهی با در نظر گرفتن شاخص های سلامتی (میزان انرژی و پروتئین دریافتی از رژیم)، آثار محیط زیستی (ردپای آب)، هزینه اقتصادی رژیم برای خانوار و پذیرش اجتماعی رژیم مورد ارزیابی قرار گرفته و درنهایت رژیم مطلوب و تاثیر آن معرفی شده است. همچنین در جهت لحاظ عدم قطعیت برخی از داده ها نظیر قیمت اقلام غذایی و ایجاد اعداد تصادفی از ابزارهایی نظیر قضیه حد مرکزی بهره گرفته شده است. از مهم ترین خروجی این مطالعه، می توان به ضعف رژیم غذایی فعلی نسبت به سایر رژیم های غذایی از منظرهای محیط زیستی، سلامتی و اقتصادی اشاره کرد. همچنین نتایج نشان داد که با طراحی رژیم هایی می توان هم در جهت بهبود سلامت و هم در جهت کاهش مصرف آب قدم نهاد که تحقق امنیت غذایی در کشور را به دنبال داشته باشد.
    کلیدواژگان: هم بست آب و غذا، امنیت غذایی، ردپای آب، رژیم غذایی سالم و پایدار
  • فاطمه اکبری، مجتبی شوریان*، علی مریدی صفحات 136-150
    در کشورهای دارای اقلیم خشک نظیر ایران، منابع آب سطحی و زیرزمینی به علت استفاده بیش از حد و فاقد مدیریت بهم پیوسته تحت فشار و تنش قرار دارد. بررسی تعاملات بین آب سطحی و زیرزمینی و پیدا کردن یک استراتژی مناسب برای مدیریت منابع آب، برای حفظ و پایداری این منابع ضروری می باشد. هدف مطالعه حاضر، بهینه سازی تخصیص منابع آب به محصولات کشاورزی در دشت اشتهارد واقع در استان البرز است که در آن آبخوان، یک منبع مهم برای زراعت آبی می باشد و به علت برداشت بیش از حد از آبخوان، افت شدید سطح آب آبخوان به مساله بحرانی در منطقه تبدیل شده است. به این منظور، با استفاده از یک رویکرد شبیه سازی- بهینه سازی تعاملات آب سطحی و زیرزمینی مورد بررسی قرار گرفته که در آن با استفاده از مدل های SWAT و  MODFLOW به ترتیب حوضه آبریز و عملکرد محصولات کشاورزی و رفتار آبخوان و سطح آب زیرزمینی شبیه سازی شده و الگوی کشت بهینه کشاورزی در دشت با استفاده از الگوریتم PSO به دست آمده است. متغیرهای تصمیم در مساله بهینه سازی، سطح زیرکشت محصولات آبی و میزان آبیاری هر یک از محصولات است و تابع هدف مساله، بیشینه سازی سود به دست آمده از تولیدات محصولات زراعی است. محدودیت اصلی حاکم بر مساله نیز این است که سطح آب زیرزمینی از سطح پایداری آبخوان نبایستی پایین تر رود. نتایج بدست آمده نشان می دهد که در شرایط بهینه، میزان افت سطح آب زیرزمینی کاهش یافته و آبخوان با بحران کمتری در طول دوره بهره برداری مواجه شده است. برای نیل به این هدف، در جواب بهینه بخشی از سطح زیر کشت گندم زمستانه و پنبه با جوی زمستانه جایگزین شده و مقدار آبیاری بهینه با کاهش %45، %7 و %10 به ترتیب برای گندم زمستانه، جوی زمستانه و پنبه باعث کاهش برداشت آب از آبخوان شده است. پس از اعمال این تغییرات سود حاصل از عملکرد محصول گندم زمستانه و پنبه به ترتیب %35 و %13 کاهش و جو %49 افزایش یافته که به طور کلی منجر به افزایش سود تولید محصولات آبیاری به میزان %4 شده است.
    کلیدواژگان: مدیریت حوضه آبریز، برنامه ریزی الگوی کشت، پایداری آبخوان، مدل سازی آب و کشاورزی
  • بهرام ثقفیان*، هما خان احمدی بافقی، پیمان دانش کار آراسته صفحات 151-165
    تداوم خشکسالی در سطوح مختلف باعث خشکی رودخانه ها و تالاب ها می شود. در این تحقیق با استفاده از تصاویر ماهواره Landsat، تغییرات مساحت دریاچه بختگان و طشک در طول سال های 1986 تا 2019 میلادی بررسی شده است. همچنین، بر مبنای شاخص بارش استاندارد (SPI) اثر بارش بر مساحت دریاچه و مجموع جریان ورودی به آن بررسی شد. در ادامه با تولید نقشه های کاربری اراضی، تغییرات کاربری اراضی در سطح حوضه دریاچه بختگان و طشک بررسی شد. به علاوه، مدلی برای پیش‎بینی مساحت دریاچه با استفاده از مساحت دریاچه در سال گذشته، مجموع جریان ورودی و عمق بارش سالانه بر روی دریاچه ارایه شد. نتایج نشان داد که در دوره مطالعاتی، کمترین مساحت دریاچه بختگان و طشک در سال 2011 برابر با 17/038 کیلومتر مربع بوده که در مقایسه با حداکثر مساحت دریاچه در سال 1993 کاهش %98 را نشان می دهد. بررسی SPI در سطح حوضه دریاچه بختگان و طشک در مقیاس 12 ماهه در ماه شهریور نشان می دهد که شاخص خشکسالی هواشناسی به طور مستقیم تغییرات سطح دریاچه را تحت تاثیر قرار می دهد اما در سال 2006 تا 2012 جریان ورودی به دریاچه تحت تاثیر گسترش فعالیت انسانی در سطح حوضه به شدت کاهش یافته و در این دوره روند تغییرات سطح دریاچه مطابق با تغییرات شاخص SPI نیست. نتایج حاصل از مدل پیش ‎بینی نشان می دهد مقدار ضریب تعیین برای نتایج حاصل از مدل شبکه عصبی و نتایج حاصل از تصاویر ماهواره ای برابر با 0/72 است. در نتیجه با استفاده از مدل می توان تغییرات دریاچه را با دقت قابل قبولی پیش ‎بینی کرد.
    کلیدواژگان: دریاچه بختگان و طشک، شاخص بارش استاندارد (SPI)، سنجش از دور، خشکسالی، تغییر کاربری اراضی
  • محمد نورالهی، علی نقی ضیایی*، کامران داوری صفحات 166-180
    کاهش کیفیت آب و کمبود آن دو مشکل جدی است و مدیریت منابع آب مربوط به این مشکلات معمولا با مناقشاتی همراه است. هدف از پژوهش حاضر، تحلیل رفتارها و تعاملات ذینفعان در حوضه کرج به منظور ارایه راهبرد مطلوب در سیاست گذاری پایدار منابع آب با در نظر گرفتن حفظ محیط زیست است. در این پژوهش، از تعاریف پایداری برای تحلیل نتایج حاصل از مدل گراف در نظریه بازی های غیر همکارانه استفاده شد. بازیکنان شامل سازمان جهاد کشاورزی، شرکت آب منطقه ای، کشاورزان و سازمان محیط زیست می باشند. نتایج حاصل از مدل گراف نشان داد که از بین تعاریف پایداری مورد استفاده در این پژوهش، تحلیل پایداری Non myopic برای تحلیل این بازی قابل اطمینان بوده و خروجی این پایداری، احتمال بیشتری در رخداد رفتار بازیکنان دارد. یکی از مطلوبترین نقاط تعادل، وضعیت پایه و نقطه تعادل دیگر وضعیتی است که کشاورزان برداشت غیر مجاز از کانال های آبیاری انجام می دهند که باعث وضعیت نامناسبی در آینده خواهد شد. لذا می توان با تعیین تشویق هایی از سوی شرکت آب منطقه ای به منظور همکاری کشاورزان و آموزش آن ها و نیز شناسایی و تنبیه متخلفان، مدیریت منابع آب را بهبود بخشید. در نهایت، نتایج نشان داد بکار بردن تعاریف پایداری مناسب، زمانیکه عدم اطمینان در مورد رفتار بازیکنان وجود داشته باشد، برای تجزیه و تحلیل مناقشه ای خاص، می تواند بینش ارزشمندی برای سیاست گذاری ایجاد نماید.
    کلیدواژگان: نقاط تعادل، تعاریف پایداری، مدل گراف، مدیریت منابع آب، نظریه بازی های غیرهمکارانه
  • الهام شکوهی مهر، جعفر یزدی، علی اکبر صالحی نیشابوری* صفحات 181-194

    با رشد جمعیت، توسعه شهرنشینی و افزایش نیازهای جوامع، امروزه مدیریت منابع آب بیش از گذشته مورد توجه گرفته است. مدیریت حوضه آبریز شهری با کنترل و هدایت رواناب، به منظور کاهش دبی اوج رواناب و کاهش حجم آبگرفتگی انجام می شود. احداث حوضچه های تعدیل سیلاب در سیستم های جمع آوری رواناب شهری موجب تاخیر در زمان وقوع دبی اوج و کاهش دبی اوج رواناب می گردد. عملکرد این حوضچه ها، نه تنها به ابعاد آن ها و سازه های ورودی و خروجی شان، بلکه به نحوه ی بهره برداری از این سازه ها نیز وابسته است و می تواند در میزان راندمان و کارایی آن ها در کنترل سیلاب شبکه زهکشی شهری موثر واقع شود. در این تحقیق، بهره برداری هماهنگ از حوضچه های تعدیل سیلاب شبکه زهکشی شرق تهران، با استخراج منحنی های کنترل بهینه ی دریچه ها مورد توجه قرار گرفته است. برای این منظور از الگوریتم جستجوی هارمونی (HS) در ترکیب با مدل هیدرولوژیکی- هیدرولیکی SWMM برای استخراج منحنی های کنترل بهینه ی دریچه های سازه های ورودی و خروجی حوضچه ها، با هدف حداقل سازی حجم سیلاب مازاد بر ظرفیت شبکه استفاده شده است. نتایج برای 5 رویداد بارش بزرگ در ایستگاه باران سنجی نیاوران نشان می دهد که بهره برداری بهینه ی هماهنگ از این حوضچه ها باعث بهبود سطح عملکرد حوضچه ها در مقایسه با روش فعلی بهره برداری شده است، بطوریکه رویکرد پیشنهادی برای رویدادهای بزرگ بارش مورد بررسی به طور متوسط حدود 62 درصد سیلاب مازاد بر ظرفیت شبکه زهکشی را کاهش داده است.

    کلیدواژگان: سیلاب شهری، حوضچه های تعدیل سیلاب، بهره برداری بهینه، الگوریتم HS، مدل SWMM
  • احسان بهرامی جوین*، امین غیوری مطلق، مسعود گوهری منش صفحات 195-211

    تهیه مدل مفهومی جریان آب زیرزمینی به عنوان مهمترین گام در مدل سازی جریان آب زیرزمینی، یکی از اصلی ترین اقدامات در فرآیند مدیریت درست منابع آب زیرزمینی، بخصوص در نواحی خشک که بیشتر مصرف متوجه منابع آب زیرزمینی است، می باشد. تهیه بیلان منابع آب زیرزمینی به عنوان جزء اساسی مدل مفهومی جریان آب زیرزمینی با مشکلاتی از قبیل کمبود و ناهمگنی اطلاعات به علت نبود شبکه پایش مناسب مکانی-زمانی همراه است. در تحقیق حاضر سعی شده با استفاده از داده های کمکی، ابزارهای ریاضی- آماری و قابلیت های نوین سامانه اطلاعات جغرافیایی از جمله تحلیلگر مکانی زمین آمار، روش هایی جهت برآورد هر چه دقیق تر مولفه های بیلان ارایه شود. این روش ها در آبخوان مه ولات که از آبخوان های بحرانی کشور بوده، برای سال های آبی 1380 الی 1391 پیاده سازی گردید. خطای متوسط معادله بیلان با استفاده از روش های پیشنهادی تحقیق حاضر، 26/9 درصد مجموع مولفه های ورودی بیلان محاسبه گردید که با توجه به عدم قطعیت زیاد مولفه های بیلان آب زیرزمینی نشان از کارایی روش های پیشنهادی در تدقیق مولفه های بیلان دارد. در ادامه، با توجه به وجود خطا در سطح اطلاعات موجود، با در نظر گرفتن ضرایبی اصلاحی برای مولفه های موجود در معادلات بیلان در مقیاس سالانه، در یک فرآیند بهینه یابی با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی، مجموع قدرمطلق خطاهای موجود در معادله بیلان آب زیرزمینی مه ولات کمینه شدند. خروجی این محاسبات، مقادیر بهینه ضرایب اصلاحی در دامنه تغییرات منظور شده برای آن ها بود. پس از کمینه سازی مجموع قدرمطلق خطاها، این خطا با حدود 97 درصد کاهش از 227 به 115 میلیون مترمکعب تقلیل یافت.

    کلیدواژگان: آبخوان مه ولات، سیستم اطلاعات جغرافیایی، مدل مفهومی، معادله بیلان، روش تاگوچی
  • مهدی نجفی، بهاره اسکندری تربقان* صفحات 212-227
    یکی از مهمترین اثرات تغییر کاربری اراضی و تبدیل حوضه های طبیعی به شهری، کاهش سطوح نفوذپذیر و در نتیجه افزایش احتمال وقوع سیلاب های شهری و آبگرفتگی معابر در هنگام بارندگی می باشد. با توجه به افزایش بی سابقه وسعت شهر مشهد در سال های اخیر و به دنبال آن افزایش پتانسیل رواناب ناشی از بارندگی ها از یک طرف و کمبود جدی منابع آب از طرف دیگر، انجام یک مطالعه جامع در ارتباط با رواناب های سطحی در شهر مشهد و چگونگی مدیریت آنها ضرورت جدی پیدا کرده است. در این تحقیق، پس از انجام حوضه بندی با توجه به اطلاعات موجود ابتدا فرآیند بارش-رواناب با استفاده از مدل HEC-HMS برای بخشی از زیرحوضه های شهری و طبیعی مشهد واسنجی و سپس حجم رواناب برای کل شهر محاسبه گردیده و در نهایت چگونگی مدیریت و امکان فنی و اقتصادی بویژه ذخیره رواناب تولید شده جهت استفاده در فضای سبز بررسی شده است. نتایج بدست آمده از تحقیق حاضر نشان می دهد که علی رغم حجم بالای رواناب تولید شده، انتظار حل مشکل صرفا با احداث مخزن ذخیره به دلیل محدودیت های مکانی به جز در چند نقطه محدود چندان قابل توجیه نیست. به عبارت دیگر نسبت هزینه لازم برای ذخیره و استفاده هر متر مکعب رواناب بسیار بالا و غیر اقتصادی است. لذا رویکرد اصلی استفاده از پتانسیل دریاچه ها و مخازن موجود و استفاده از ذخیره ی رواناب حوضه بند گلستان در 5 کیلومتری جنوب غرب مشهد می باشد.
    کلیدواژگان: مدلسازی بارش-رواناب، مدیریت رواناب شهری، ذخیره رواناب
  • نصرالله کلانتری*، علاهن شیخ زاده، هادی محمدی صفحات 228-238
    آبخوان گتوند یکی از آبخوان هایی است که از منابع آب آن، عمدتا برای مصارف کشاورزی بهره‎برداری می‎شود. برای بررسی کیفیت آب این آبخوان با تاکید بر آلودگی نیتراته، در خرداد ماه سال آبی 99-1398 از یازده حلقه چاه نمونه برداری انجام شد. پارامتر های صحرایی (دما، pH و EC) اندازه گیری و غلظت عناصر عمده (Ca2+،Mg2+،Na+ ،K+ ، -Cl،-SO42، -CO32 و -HCO3) و نیترات نیز مورد سنجش شیمیایی قرار گرفت. توزیع مکانی یون نیترات، تقریبا از جهت جریان آب زیرزمینی آبخوان گتوند تبعیت نموده و از ابتدای جهت جریان در بخش های شمالی و غربی به سمت انتهای جهت جریان در شرق و جنوب شرقی روند کاهشی را نشان داده است. نسبت های یونی (-NO3-/CL)، (-K+/CL) و (-SO42-/CL) نشان دادند که افزایش یون کلرید و سولفات به غیر از عامل طبیعی زمین زاد، ناشی از فعالیت های انسانی می باشد. در تحلیل آماری مولفه های اصلی، عامل اول 47/7 درصد و عامل دوم 32/2 درصد از کل تغییرات را نشان داده اند. تیپ غالب آب زیرزمینی سولفات- کلسیک است. به طور کلی تغییرات غلظت یون نیترات در آب زیرزمینی آبخوان گتوند متاثر از اندازه ذرات خاک موجود در منطقه، عمق آب زیرزمینی، شبکه آبیاری و زهکشی، نشت فاضلاب خانگی و استفاده از کودهای شیمیایی بوده است.
    کلیدواژگان: آبخوان گتوند، آلودگی نیترات، تحلیل مولفه اصلی (PCA)
  • حجت میان آبادی*، سیده زهرا قریشی صفحات 239-261
    اهمیت سیاست گذاری در حوزه «امنیت آبی» از یک سو و درهم تنیدگی امنیت انسانی و آبی از سویی دیگر، سبب شده است که درک و شناخت جامع و صحیح از مفهوم «امنیت آب» به عنوان اولین و یکی از مهم ترین مراحل فرآیند سیاست گذاری آبی از ضرورت جدی برخوردار گردد. تاکنون عمده تحلیل های صورت گرفته مربوط به امنیت آب و سیاست گذاری کلان در این حوزه، تنها به تدوین شاخص های عینی محدود شده اند. برای پاسخ به این ضرورت، این مقاله تلاش دارد با مرور مطالعات صورت گرفته در حوزه امنیت و با استفاده از روش توصیفی-تحلیلی و استناد به منابع کتابخانه ای به بازتعریف مولفه های امنیت آبی و جهت دهی صحیح به سیاست گذاری در این حوزه بپردازد. نتایج این مطالعه نشان می دهند که نیل به امنیت آبی در گرو لحاظ ابعاد اجتماعی-سیاسی-فرابخشی در کنار ابعاد عینی در سیاست گذاری آب است و تبیین مولفه های امنیت آبی، نیازمند شناخت و درک توامان ماهیت مفهوم «امنیت» و ذات منابع «آب» است. بر این اساس، مقاله حاضر به بازتعریف مولفه های امنیت آب با مد نظر قرار دادن 1) هویت های برسازنده و شکل دهنده به مناسبات آبی، 2) خواسته ها، داشته ها و ضریب ایدیولوژی ذی مدخلان، 3) فرآیند امنیتی سازی یا امنیتی زدایی شدن طرح ها و اقدامات آبی برای جلوگیری از سیاسی شدن آن ها و 4) همبست آب-غذا-انرژی می پردازد.
    کلیدواژگان: هویت، ایدئولوژی، امنیتی سازی، امنیتی زدایی، همبست آب-غذا-انرژی
  • شیرین فرخانی* صفحات 262-276
    رودخانه ها به عنوان یکی از مهم ترین منابع تامین آب مصرفی، در سراسر جهان از اهمیت خاصی برخوردارند. توسعه روزافزون شهرنشینی، فعالیت های صنعتی و افزایش قابل توجه حجم پساب های شهری موجب آلودگی رودخانه ها گشته و کیفیت آب این منابع حیاتی را در بسیاری از نقاط مورد مخاطره جدی قرار داده است. در این مطالعه با استفاده از مدل عددی QUAL2K به بررسی وضعیت کیفی رودخانه هراز و شناسایی تاثیر پساب های ورودی به رودخانه پرداخته شده است. مطابق نتایج حاصل از مدلسازی کیفی رودخانه در سال 1395، در کیلومتر 48 که سد انحرافی آمل واقع شده است، بواسطه کاهش سرعت جریان و دبی، ضمن افزایش تخلیه آلاینده های مربوط به کارگاه ها و کارخانجات به رودخانه، میزان BOD دچار افزایش ناگهانی می گردد. در فصول بهار و تابستان، حدفاصل سد انحرافی آمل تا مصب رودخانه مقدار غلظت اکسیژن محلول در حالت بحرانی واقع شده است. به لحاظ اسیدیته، آب رودخانه هراز دارای خاصیت قلیایی می باشد. پارامتر هدایت الکتریکی نیز به دلیل ته نشینی تدریجی جامدات محلول و معلق در آب، در طول رودخانه روندی نزولی را طی می کند. غلظت نیترات موجود در آب نیز پس از سد انحرافی دچار جهش افزایشی می گردد، هر چند که در کل مقدار قابل توجهی ندارد.
    کلیدواژگان: مدلسازی عددی، کیفیت آب، رودخانه هراز، QUAL2K
  • امیرحسین نورافکن، روح انگیز اختری*، مجید دلاور صفحات 277-289

    اقدامات آبخیزداری و سیاست های توسعه ای آن از جمله موارد مهم در اسناد بالادستی بخش آب و محیط زیست محسوب می گردد. در توسعه چنین اقداماتی توجه به اصل مدیریت یکپارچه منابع آب ضروری است. ارزیابی اثربخشی این اقدامات بر بیلان آبی حوضه آبریز موضوع این مطالعه است. مطالعه حاضر تلاش دارد تا با استفاده از رویکرد شبیه سازی جامع این اقدامات، ضمن ارزیابی آنها، به بررسی کارایی و اثرات جانبی آن ها بپردازد. بدین منظور حوضه آبریز وردیج-واریش و اقدامات آبخیزداری انجام شده توسط پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری در منطقه ورکباد این حوضه با استفاده از مدل SWAT شبیه سازی شد . مدل برای دوره 2017 تا 2018 مورد واسنجی و اعتبارسنجی قرار گرفت. که برای دوره واسنجی مقادیر R2 و ضریب NS برابر با 0/85 و 0/7 و برای دوره اعتبارسنجی برابر با 0/89 و 0/63 می باشد. نتایج نشان داد که همه ی اقدامات تاثیر مناسبی در راستای حفظ منابع آبی و خاکی دارند و متناسب با اهداف مربوطه می توان از آن ها استفاده کرد. اقدام بیولوژیک بذرکاری در افزایش رطوبت خاک در منطقه غیر اشباع (60 درصد) و نهال کاری در کاهش رواناب حوضه (36 درصد) موثر بود. این دو اقدام همراه با عملیات بیومکانیکی در افزایش و یا کاهش مولفه های بیلان آبی تاثیرگذارتر خواهد بود. به گونه ای که افزایش تبخیر و تعرق به میزان 11/5 درصد در بذرکاری با تلفیق با کنتور فارو به 1/5 درصد تلقیق می باید. همچنین با استفاده از روش تصمیم گیری چند معیاره اقدام بذرکاری به عنوان بهترین شیوه ی مدیریتی درحوضه آبریز وردیج - واریش انتخاب شد.

    کلیدواژگان: مولفه های بیلان آب، اقدامات آبخیزداری، مدل SWAT، حوضه آبریز وردیج
  • سمیه منصوری کارگر*، محمود شفاعی بجستان، محمدرضا زایری صفحات 290-301
    در دهه های اخیر، کمبود بی سابقه منابع آب، آلودگی و تخریب اکوسیستم ها در بسیاری از نقاط جهان، محققان و در دهه ی اخیر، آلودگی و تخریب اکوسیستم های آبی نیاز به ابداع و ارتقای روش های افزایش ضریب اختلاط عرضی و در نتیجه کاهش طول اختلاط بخصوص در مجاری باز را افزایش داده است. در همین راستا این مطالعه به بررسی عملکرد احداث سرریزهای مستطیلی و U -شکل در افزایش کیفیت آب در مجاری باز مستقیم به صورت آزمایشگاهی می پردازد. آزمایش ها در فلوم 12 متری با عرض 80 سانتی متر انجام گرفت. به منظور مقایسه، سرریز مستطیلی نیز مورد آزمایش قرار گرفت. ماده ردیاب در بالادست سرریز، تزریق و غلظت آن در 5 مقطع عرضی به طور همزمان در 175 گره و در زمان های مختلف اندازه گیری شد. به منظور محاسبات لازم، مولفه های سه بعدی سرعت نیز برداشت شد. با تحلیل نتایج و بررسی توزیع عرضی و طولی غلظت و نیز الگوی جریان در پایین دست سرریز U-شکل مشخص گردید که این سرریز می توانند با ایجاد جریان های ثانویه عرضی، موجب تشدید ضریب اختلاط عرضی تا 12.2 برابر و کاهش طول اختلاط تا% 91.9 نسبت به حالت بدون سرریز شود. این در حالیست که سرریز مستطیلی باعث افزایش ضریب اختلاط عرضی تا 1.53 برابر و کاهش طول اختلاط کامل تا %34.7 نسبت به حالت بدون سرریز گردید.
    کلیدواژگان: رودخانه، کیفیت آب، جریان ثانویه، ضریب اختلاط عرضی، سرریز U-شکل
  • امین افخمی نیا، وحید نورانی، صغری اندریانی*، ابوالفضل مختاری اصل صفحات 302-317
    با توجه به افت شدید سطح ایستابی چاه های پیزومتری در سال های اخیر، هدف از مطالعه حاضر بررسی روند و پیچیدگی فرایندهای هیدرواقلیمی و پوشش گیاهی در حوضه آبریز زیلبیرچای، آذربایجانشرقی می باشد. بدین منظور ابتدا سطح ایستابی چاه های موجود در منطقه برای 18 سال به صورت سالانه، داده های دبی، بارش، دما و پوشش گیاهی برای 30 سال به صورت ماهانه و سالانه با استفاده از روش من-کندال روندیابی گردید؛ سپس با استفاده از تحلیل موجک مادر db2 متغیرها در سه بازه 10 ساله و در پنج سطح زمانی تجزیه و آنتروپی آن ها محاسبه گردید. نتایج نشان دهنده روند معنی داری کاهشی سطح ایستابی آب های زیرزمینی و دبی است. همچنین برای داده های بارش و پوشش گیاهی روند معنی داری چشمگیری مشاهده نگردید ولی برای متغیر دما روند معنی داری افزایشی در اکثر ماه ها وجود دارد. از طرفی تغییرات پیچیدگی متغیر دما (حدود 2 درصد رشد) چندان چشمگیر نبود ولی متغیر بارش با کاهش نوسانات در طول دوره همراه بود (حدود 20 درصد) و علاوه بر کاهش مقدار میانگین، الگوی نوسانات آن نیز در حال تغییر است و بر کاهش پیچیدگی دبی (17 درصد) و سطح آب زیرزمینی (13 درصد) تاثیر گذاشته است. همچنین افزایش پوشش گیاهی هم زمان با افزایش دما از طریق افزایش تبخیر- تعرق و از سوی دیگر کاهش دبی و بارش در منطقه باعث افزایش بهره برداری از چاه ها و کاهش سطح ایستابی آن ها شده است. بنابراین در نظر گرفتن روابط پیچیده و اثرات هم افزای عوامل طبیعی و انسانی بر منابع آب در کنار هم می تواند مدیران را در تصمیم گیری بهینه و کارآمد یاری کند.
    کلیدواژگان: منابع آب زیرزمینی، فرایندهای هیدرولوژیکی، موجک-آنتروپی، NDVI، زیلبیرچای-آذربایجانشرقی
  • محمدحسن دهقانی پور، حمیدرضا قزوینیان، امیرحسین دهقانی پور* صفحات 318-327

    در این تحقیق، مدل های شبیه سازی روزانه تبخیر از تشت با استفاده از شبکه عصبی پرسپترون چندلایه، تابع پایه شعاعی و یک رابطه تجربی بهینه سازی شده بر پایه الگوریتم ژنتیک، با 13 ترکیب ورودی از متغیرهای هواشناسی یعنی میانگین دمای روزانه، دمای بیشینه و کمینه، رطوبت نسبی، ساعات آفتابی و سرعت باد توسعه داده شد. این مدلها برای شبیه سازی تبخیر در ایستگاه های سمنان، شاهرود و رشت با شرایط اقلیمی خشک، نیمه خشک و بسیار مرطوب به کار گرفته شد. پس از ارزیابی کمی مدلها، ترکیب ورودی شامل دما، رطوبت نسبی، ساعات آفتابی و سرعت باد برای مدلهای شبیه سازی تبخیر، با ضریب همبستگی بین 0.56 تا 0.85، ریشه میانگین مربعات خطا بین 1.1 تا 2.6 میلی متر و پی بایاس 1 تا 29.5 درصد، به عنوان ترکیب ورودی برتر انتخاب شد. با انجام آنالیز حساسیت مدلهای توسعه داده شده، دما و سپس رطوبت نسبی، به عنوان متغیرهای حساس برای شبیه سازی تبخیر انتخاب شدند. همچنین رابطه تجربی بهینه سازی شده با ترکیب ورودی برتر، توانایی بیشتری برای شبیه سازی مقادیر میانگین و انحراف معیار تبخیر از خود نشان داد و این مدل به عنوان مدل برتر انتخاب شد. در نهایت توانایی مدل برتر به همراه ترکیب ورودی برتر در شبیه سازی تشت تبخیر سه ایستگاه گرمسار (خشک)، دامغان (نیمه خشک) و رامسر (بسیار مرطوب)، با ضرایب همبستگی 0.6 تا 0.84، ریشه میانگین مربعات خطا 1.29 تا 3.16 میلی متر و پی بایاس 2.1 تا 9.2 درصد، مورد تایید قرار گرفت.

    کلیدواژگان: هوش مصنوعی، شبکه های عصبی، الگوریتم ژنتیک، تبخیر، ایران
|
  • Bahram Bakhtiari *, Nakisa Mahdavi, Nasrin Sayari Pages 1-15
    As the ratio of evapotranspiration to precipitation, Aridity Index (AI) is used to quantify the value of aridity. In this study, sensitivity analysis was performed on AI using the partial derivative method based on 7 meteorological variables including Pre, TMax, TMin, ea, U2 and RS in 5 different climates based on De Martonne’s classification method during the period 1990-2019 on annual time scale. Mann-Kendall test and Sen’s slope estimation method were employed for the purpose of trend detection of AI variations. CanESM2 atmospheric circulation method under two scenarios including RCP4.5 and RCP8.5 and Statistical Downscaling Model (SDSM) were used to predict AI variations in the future period of 2020-2050. The Results of AI trend analysis indicated increased aridity in all stations excluding Mashhad. The Results of sensitivity coefficient showed that precipitation, among all other climate variables, contributed the most to AI variations, as 10% increase in precipitation resulted in a decrease in AI in Rasht, Ilam, Yasouj, Mashhad and Kerman by 10.72%, 11.81%, 12.48%, 11.14% and 12.82%, respectively. AI had then the highest sensitivity to TMax and TMin in Ilam and Rasht stations, to ea in Kerman and Mashhad stations, and to Rs in Yasouj station. Throughout the next 30-year period, it is expected that AI values increase in all observed stations except Yasouj. The highest and lowest annual AI increase rates throughout this period would take place in Rasht station under scenario RCP8.5, and in Mashhad station under scenario RCP4.5.
    Keywords: Aridity Index (AI), sensitivity coefficients, Climate Change Scenarios, Trend test
  • Mohammad Ansari Ghojghar, Shahab Araghinejad, Javad Bazrafshan, Banafsheh Zahraie *, Ehsan Parsi Pages 16-32

    Understanding the frequency of dust storms in each area and being mindful of temporal-spatial variation of this event can help to monitor and reduce the damages induced by dust events. Due to the increasing development of metamodels and their combination with optimization algorithms used to model and predict hydrological variables, machine learning models due to high accuracy in forecasting, in the form of a black box, have received a lot of attention. Therefore, in the present study, a hybrid approach is proposed to predict the Frequency of Dust Storm Days (FDSD) on a seasonal scale, which uses a combination of Lang Short Term Memory (LSTM) and Gated Recurrent Unit (GRU) neural networks. In this study, the performance of the proposed hybrid model was compared with a neural network based on Radial Basis Functions (RBF) and Support Vector Machine (SVM). For this purpose, hourly dust data and codes of the World Meteorological Organization were used on a seasonal scale with a statistical period of 30 years (1990-2019) for seven synoptic stations in Khuzestan province. The results of the evaluation criteria in the training and testing Stages showed that the GRU-LSTM hybrid model offered better performance than other models used to predict the frequency of days with dust storms; The proposed hybrid model with correlation coefficient (R) of 0.905-0.988, Root Mean Square Error (RMSE) of 0.313-0.402 day, Mean Absolute Error (MAE) of 0.144-0.236 day, and Nash-Sutcliffe (NS) of 0.819-0.903 had better performance compared to the other models used in predicting the FDSD index. In general, comparing the models used in this study, the GRU-LSTM hybrid method and the SVM model, respectively, provided the best prediction skills. As a result, application of the proposed hybrid model can be used as a suitable tool to predict the FDSD index and adopting management decisions to reduce the dust storms damages in the study area.

    Keywords: prediction, Dust Storm, SVM, GRU-LSTM method, Khuzestan Province
  • Abdolmajid Noori, Hamed Sarveram *, Hooman Eshaghi Sharabiani, MohammadHossein Nouri Gheidari, Farnaz Ghasemi Pages 33-46

    Limitated fresh water resources in Iran and increasing need for sustainable water resources have attracted great attention to groundwater. However, the renewability of aquifers has worsened owing to drought and climate changes. Groundwater supplies in Abhar plain which provide water for Abhar and Khorramdareh cities have been dramatically affected by over-drilling, which resulted in a sharp drop in the water level. Consequently, deepening of wells has been applied in this area. In this study, the groundwater resources of Abhar plain were investigated to determine the optimum depth in well deepening. To this end, Abhar plain aquifer volume was determined using ArcGIS software. Considering the current conditions of the plain and water resources management policies, three different scenarios were used to predict and evaluate the future conditions of the plain aquifer. The results of these scenarios demonstrated that in the case of current exploitation method, a large area of the western part of the plain would thoroughly dry over the next 25 years, and the saturated aquifer extent will diminish to 65% of the current level. The study findings illustrated the critical role of limiting the agricultural well depth as a management strategy in retarding the aquifer drying trend and slowing down the decreasing rate of the saturated aquifer level.

    Keywords: Aquifer Storage, GIS, Groundwater management, Well Depth, Well deepening, Abhar Plain
  • Alireza Keihani, Hossein Fathian Pages 47-67
    Estimation of suspended and bed sediment load transferred by streamflow is important for planning and storing water in dam reservoirs, watershed management, coastal and environment protection. In this study, multivariate frequency analysis was performed between the maximum annual values of flood discharge, suspended sediment load and bed sediment load in Sierra Karaj hydrometric station with different copula functions. The common time period between the variables of suspended sediment load and bed sediment load was determined from the water year of 2009-2010 to 2019-2020. The results showed that the best copula functions in the analysis of dependency between the variables of flood discharge-suspended sediment load, flood discharge-bed sediment load and suspended sediment load-bed sediment load are Tawn, Shih-Louis and Gaussian, respectively. The results showed that for the joint return period equal to 10 years for the “OR” scenario, the values of flood discharge, suspended sediment load and bed sediment load are respectively equal to 125 cubic meters per second, 100 thousand tons per day and 2500 tons per day. Maximum probability of occurrence of suspended sediment load and bed sediment load for joint return period equal to 10 years for “AND” scenario are equal to 45000 tons per day and 1500 tons per day, respectively. According to the "AND" scenario for the joint return period, the multivariate design quantiles of the suspended and bed sediment loads are smaller than the univariate quantiles. Therefore, ignoring the correlation between suspended and bed sediment load and flood discharge may significantly overestimate the actual sediment value and, consequently, overestimate the corresponding occurrence probability.
    Keywords: Copula functions, univariate analysis, Bivariate analysis, Dependency Analysis, Joint return period
  • Ehsan Yousefi Khoshqalb, Iman Moslehi, Mohammadreza Jalili Ghazizadeh *, Hani Ghamkhar Pages 68-101

    As the main component of real water losses, leakage afflicts most water networks worldwide; even the best Water Distribution Networks (WDNs) have leakage in their network infrastructure. Several methods and strategies have been developed for leakage reduction and performance improvement in WDNs. In practice, leakage control strategies, including active leakage control, passive leakage control, pressure management, and infrastructure asset management, are performed by water utilities to reduce leakage. The main question is, which of these leakage management strategies are the most appropriate for a specific WDN? The answer to this question is obtained by analyzing the economic level of leakage (ELL). In fact, the essential component of a leakage control strategy is that its target is set in terms of the economic level of leakage (ELL). This paper provides a comprehensive review of the estimation of the ELL at different time frames, including short-run, long-run, and sustainable in WDNs. In addition, a procedure to estimate the ELL is proposed according to the conditions in each network or the relevant water utilities. Results of this review could be a valuable reference resource for practitioners and researchers dealing with non-revenue water in WDNs.

    Keywords: Economic Level of Leakage, Leakage Management, Active Leakage Control, Economic Analysis, water distribution networks
  • Abolhassan Gheiby *, Saeideh Khwarazmi, Mehdi Rahnama Pages 102-115
    This study is performed to retrieve precipitation amount using Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) from Meteosat Second Generation (MSG). According to the relationship between the infrared channels brightness temperature and the microphysical and optical properties of the clouds (such as cloud top temperature, cloud top height, optical thickness, particle size, and particle phase), and the influence of changes in these properties on the determination of precipitation amount and intensity, the relationship between brightness temperature and precipitation have been studied for two stations in Hormozgan province. The performance of an artificial neural network and also several regression models to estimate precipitation has been evaluated. The results showed that the exponential Gaussian process regression model with performing principal component analysis by RMSE of 0.44, POD of 0.96 and the HSS of 0.67 for precipitation threshold 0.1 mm for the less than 10 mm precipitation data set have the best performance. The artificial neural network also presented a RMSE of 1.27 which indicates weaker performance in comparison with the regression model but showed good performance in distinguishing precipitation conditions from non-precipitation conditions (POD of 0.85 and HSS of 0.48). By comparing the correlation between precipitation and brightness temperature of infrared channels (average 0.36), and the correlation between observed and retreived precipitation (0.91 in the regression model and 0.43 in the neural network), it can be concluded that the precipitation products which extracted in this study, show a good correlation between observed and retrieved precipitation.
    Keywords: Precipitation, Infrared Brightness Temperature, SEVIRI, Regression Model, Artificial Neural Network
  • Arash Taghipour Zarei *, Mahdi Zarghami Pages 116-135
    Population growth and population needs, including the need for food, necessitates the development and implementation of policy solutions based on reducing the pressure on water resources. Especially when the notion of food security and self-sufficiency policies for strategic commodities have been the focus of attention in higher policies of the country. One of the most effective solutions is to use a diet that has low water demand. On the other hand, considering some deficiencies in the current diet of the country; it is necessary to change it and design a healthy and sustainable diet that simultaneously promotes the health of the community and reduces its environmental effects (such as water footprint). In this study, the current dietary pattern and three alternative food baskets are evaluated by the multi-criteria group decision-making taking into account criteria including health (energy and protein intake from the diet), environment (water footprint), the economic cost of the diet, and social acceptance of the diet. Finally, the desired dietary pattern and its effects are introduced. Also, to analyze the uncertainty of some data, such as the price of products, and to create random numbers, tools such as Central Limit Theorem have been used. One of the most important outcomes of this study is the weakness of the current diet compared to other diets from environmental, health, and economic perspectives. The results also showed that designing diets, while improving health, can lead to an annual reduction in water consumption, which can lead to food security in the country.
    Keywords: Water- Food Nexus, Food Security, water footprint, Sustainable, Healthier Diet
  • Fatemeh Akbari, Mojtaba Shourian *, Ali Moridi Pages 136-150
    In arid regions, excessive use without proper management put water resources under immense pressure and multiple stresses. Finding a good strategy for water resources management is essential to preserve sustainability in such regions. This study aimed at optimizing the water use for the agricultural crops in the Eshtehard watershed in Iran, where the aquifer is a strategic resource for irrigated agriculture and is facing intensive drawdown due to over extraction. A hydro-agronomic simulation-optimization approach is used for surface and groundwater modeling in which the agricultural production and water level variation are simulated by linking SWAT and MODFLOW and the optimal crops pattern is searched for by the PSO algorithm. The crops’ area and their irrigation water consumption are the decision variables with the objective of maximizing the net benefit gained from the crops’ yield while the groundwater drawdown is limited to a pre-defined stability level. Results showed that in the optimum state, irreparable damage to groundwater depletion is reduced. To this result, a part of area cultivated by winter wheat and cotton must be replaced by winter barley which results in reduction of the groundwater extraction for winter wheat, winter barley and cotton by 45%, 7%, and 10%, respectively. Also, after the application of these changes, the profit from winter wheat and cotton crops decreased by 35% and 13%, respectively, and that for barley increased by 49%, which generally increased the production profit of irrigation products by 4%.
    Keywords: Watershed Management, Crop pattern planning, Groundwater stability, Hydro-agronomic modeling
  • Bahram Saghafian *, Homa Khanahmadi Bafghi, Peyman Daneshkar Arasteh Pages 151-165
    Recurring droughts at various intensity leads to decline in streamflow and wetland area. In this study, using Landsat satellite images, temporal changes in the area of the Bakhtegan and Tashk lake from 1986 to 2019 were investigated. Also, based on the Standard Precipitation Index (SPI), the effect of precipitation falling on the lake area as well as the total inflow to the lake were studied. Then, by generating land-use maps, land-use changes in Bakhtegan and Tashk basin area were analyzed. In addition, a model for forecasting lake area (of next year) on the basis of lake area, total inflow, and annual precipitation falling on the lake basin area associated with the previous year was presented. The results showed that in the study period, the minimum lake area occurred in 2011 and was equal to 17.038 square kilometers, which shows a decrease of 98% compared to the maximum area corresponding to the year 1993. Furthermore, 12-month SPI in Bakhtegan and Tashk Lake basin indicated that the meteorological drought index directly affects the changes of the lake area. However, from 2006 to 2012, the inflow to the lake has severely decreased due to the increasing human interventions within the basin such that, during this period, lake surface area does not strongly respond to SPI variations. The results of the forecast model showed that the coefficient of determination between neural network model output (lake area) with observed lake area corresponding to satellite images was equal to 0.72. As a result, the forecast model could acceptably predict the lake area.
    Keywords: Bakhtegan, Tashk, Standard Precipitation Index (SPI), Remote Sensing, Land Use Change
  • Mohammad Nourollahi, Ali Naghi Ziaei *, Kamran Davary Pages 166-180
    Deteriorated quality and scarcity of water are two serious problems and the water resources management corresponding to these problems is often accompanied by conflict between consumers. The purpose of this study is to analyze the behaviors and interactions of stakeholders in the Karaj basin in order to provide optimal strategy in sustainable policy-making of water resources in this basin with respect to environmental protection. In this study, definitions of stability were used to analyze the results of the Graph model in non-cooperative game theory. Players include the Ministry of Agriculture, the Regional Water Company, the Farmers and the Department of Environment. The results of the Graph model showed that among the definitions of stability used in this study, Non-Myopic stability analysis is reliable for the analysis of this game and the output of this stability is more likely to occur in the behavior of players. One of the most desirable equilibrium states is the basic situation and the other equilibrium state is the situation in which farmers perform unauthorized withdrawals of irrigation canals, in which case an undesirable situation will occur in the future. Therefore, the water resources management in the basin can be improved by determining incentives from the regional water company for the cooperation of farmers and their training, as well as identifying and punishing violators. Finally, the results showed that using appropriate stability definitions can provide valuable insights for policy-making to analyze specific conflict, when there is uncertainty about player behavior.
    Keywords: Equilibrium states, Stability definition, graph model, Water Resources Management, Non-cooperative game theory
  • Elham Shokouhimehr, Jafar Yazdi, Aliakbar Salehi Neyshabouri * Pages 181-194

    Today, with population growth, urbanization and expanding demands of societies, water resources management has received more attention than the past decades. Urban water management is mostly conducted by controlling and directing surface runoff through reducing the peak discharge and flood volume. The construction of storm detention ponds in urban drainage systems delays the time of peak flow and reduces the peak discharge. The performance of these ponds depends on not only their dimensions and their inlet/outlet structures, but also the procedure of operating these structures. In this study, coordinated operation of detention ponds is taken into consideration at Tehran’s East stormwater urban drainage system, through the gates optimal maneuver. To achieve this, harmony search algorithm (HS) was linked to the SWMM hydrological-hydraulic model to find optimal gate openings of inlet/outlet structures of ponds in order to minimize the volume of stormwater exceeding the hydraulic capacity of drainage network. The results for five extreme rainfall events at the studied catchment showed that the optimal coordinated operation of these ponds has improved the level of ponds performance in terms of network flooding compared to the current method of operation and flooding in the drainage network was reduced by 62% in average for the considered extreme rainfall events.

    Keywords: Urban Flood, Storm detention ponds, Optimal Operation, HS algorithm, SWMM
  • Ehsan Bahrami Jovein *, Amin Ghayouri Motlagh, Masoud Goharimanesh Pages 195-211

    Preparation of the conceptual model of groundwater flow, as an essential step in groundwater flow modeling, is one of the primary measures in properly managing groundwater resources, especially in arid areas where most consumption is directed to groundwater resources. Preparation of groundwater balance as an essential component of the conceptual model of groundwater flow is associated with problems such as lack and heterogeneity of information due to lack of proper spatial-temporal monitoring network. In the present study, we tried to provide methods for estimating the groundwater balance equation's components as accurately as possible by using auxiliary data, mathematical-statistical tools, and new capabilities of GIS, such as a geostatistical analyst. These methods were implemented in the Mahvelat aquifer, one of Iran's critical aquifers, for 2001-2012 (12 Years). The balance equation's mean error was calculated to be 26.9% of the total components of the balanced input using the proposed methods of the present study. Then, due to the significant amount of error in the available information, by considering the correction coefficients for the balance equation's components on an annual scale, the absolute value of the errors was minimized using the Taguchi method. The output of these calculations was the optimal values of the corrective coefficients. The result showed that the error was reduced by 97%; from 227 to 115 million cubic meters.

    Keywords: Balance Equation, Conceptual model, GIS, Mahvelat aquifer, Taguchi method
  • Mahdi Najafi, Bahareh Eskandari Torbaghan * Pages 212-227
    Declining pervious areas is one of the most important effects of land use changes and replacing natural watersheds with urban zones. This phenomenon increases the surface runoff and the possibility of urban floods. In recent years, the unprecedented expansion of urbanized areas of Mashhad City has caused an increase in runoff potential. Since, on the other hand, there is a serious lack of water resources for the city, a comprehensive study on urban surface runoff and methods of managing the runoff has become a serious necessity in Mashhad. In this study, after sub-basin delineation, based on the available data, first the rainfall-runoff process for a number of urban and natural sun-basins was calibrated using HEC-HMS rainfall-runoff model. Then, the volume of surface runoff was computed for the whole city of Mashhad. Finally, management methods of surface runoff especially in terms of runoff storage were considered both technically and economically. The results showed that despite the high volume of produced runoff, runoff management merely based on storage is not reasonable due to spatial restrictions. In other words, the cost ratio for storing and using each cubic meter of runoff is very high and economically not feasible. Consequently, the main approach in runoff storage in Mashhad needs to focus on utilizing the potential of existing lakes and reservoirs. In addition, the other important approach should be based on storing the water released from Golestan Dam located 5 km of the southwest of Mashhad.
    Keywords: Rainfall-runoff modeling, Urban runoff management, Runoff Storage
  • Nasrollah Kalantari *, Alahen Sheikhzadeh, Hadi Mohammadi Pages 228-238
    Gotvand Aquifer is one of the aquifers, water resources of which are mainly used for agricultural purposes. To evaluate the water quality of this aquifer with emphasis on nitrate pollution, samples were taken from eleven wells in June 2020. Field parameters (temperature, pH and EC) were recorded and the concentrations of major elements (Ca2+,  Mg2+, Na+, K+-,Cl-,SO42-, CO32-, and HCO3-) and nitrate were measured. The results showed that the spatial distribution of nitrate ion almost follows the direction of groundwater flow in Gotvand aquifer and shows a decreasing trend as moving from the upstream in the northern and western parts to the end of the flow lines in the east and southeast. Ion ratios, , , and , showed that the increase in chloride and sulfate ions, beside the natural tectonic factors, is caused by human activities. In the statistical analysis of the main components, the first and second factors respectively contributed to 47.7% and 32.2% of the total changes. The predominant type of groundwater is sulfate-calcium. In general, changes in nitrate ion concentration in groundwater of Gotvand aquifer have been affected by the size of soil texture in the area, groundwater depth, irrigation and drainage network, domestic sewage leakage and the use of chemical fertilizers.
    Keywords: Gotvand Aquifer, Nitrate contamination, Principal component analysis (PCA)
  • Hojjat Mianabadi *, Seyedeh Zahra Ghoreishi Pages 239-261
    The importance of policy making in achieving "water security" on the one hand and complexity of human and water security, on the other hand, have raised the necessity of a comprehensive understanding of the "water security" concept as the first and one of the most significant steps of water policy making process.  So far, most of the analyzes related to water security and water policy making have been limited to the development of objective dimensions. To address this limitation, this article tries to redefine the concept of water security with fundamental-theoretical research, using the descriptive-analytical method. Results showed that in addition to the objective dimensions, it is necessary to pay attention to social, political, and cross-sectoral dimensions. Accordingly, this paper reframes the components of water security with consideration, 1) constructed identities in water relations, 2) the importance of the ideology of stakeholders, 3) identifying securitization and desecuritization of water projects and taking actions against associated politicizing, and 4) the importance of water-food-energy nexus.
    Keywords: identity, Ideology, Securitization, desecuritization, Water-Food-Energy Nexus
  • Shirin Farkhani * Pages 262-276
    Rivers are amongst the most important sources of water supply all over the world. Increasing urban development, industrial activities and a significant increase in the volume of urban effluents have polluted rivers and in many places water quality of these vital resources have been seriously endangered. In this study, using the QUAL2K numerical model, the quality status of Haraz River has been investigated and the impact of effluents entering the river has been identified. According to the results of qualitative modeling of the river in 2016, at kilometer 48, where the Amol diversion dam is located, the BOD rate suddenly increases which is due to the reduction of flow velocity and discharge and the increase in the discharge of pollutants to the river related to workshops and factories. In spring and summer the concentration of dissolved oxygen is critical in the reaches from Amol diversion dam to the estuary of the river by the Caspian Sea. In terms of acidity, the water of Haraz River is alkaline. The EC parameter also decreases along the river due to the gradual deposition of soluble and suspended solids into the water. The concentration of nitrate in water also increases after the diversion dam, although it is not significant in total.
    Keywords: Numerical modeling, Water Quality, Haraz River, QUAL2K
  • Amirhosein Nourafkan, Rouhangiz Akhtari *, Majid Delavar Pages 277-289

    Watershed management practices and the strategies towards its development are among the important articles in water and environment sections in governmental higher documents. One of the important aspects of watershed’s development is the Integrated Water Rsources Management. The focus of this research is on comprehensive assessment of the effects of these practices on a catchment's water balance. To this end, the SWAT model was used as a comprehensive simulation tool. Verdij - Varish Basin was selected as a case study since it has served as a pilot area for the implementation of various watershed management practices (biological, biomechanical and mechanical) in recent years The SWAT model has been calibrated and validated for the period of 2017 to 2018. The values of R2 and Nash Sutcliffe (NS) coefficient were respectively equal to 0.85 and 0.7 for the calibration period and 0.89 and 0.63 for the calibration period. The watershed management practices were simulated by the SWAT model and their effects on water balance components and sediment were evaluated. As compared to the original state, seeding has increased soil moisture in the unsaturated area by about 60% and transplant has reduced runoff by 36%. Using multi-criteria decision making method, a type of biological practice (seeding) was determined to be the best management practice for increasing soil moisture and reducing outflow in Vardij Varish catchment.

    Keywords: Water balance components, Watershed Management, SWAT model, Vardig Basin
  • Somayeh Mansouri Kargar *, Mahmood Shafai Bejestan, Mohammadreza Zayeri Pages 290-301
    In the last decade, pollution and degradation of aquatic ecosystems has raised the need to develop and improve methods to enhance the transverse mixing coefficient resulting in a shorter mixing length, especially in straight open channels. In this regard, this study experimentally investigated the performance of the construction of rectangular weir and U-weir in improving water quality in an straight open channel. The experiments were performed in a 12-meter flume with a width of 80 cm. Tracer material was injected at constant rate at the upstream of weir and at different time intervals its concentration was measured simultaneously in 5 cross sections downstream of the weir at 175 nodes. In order to make the necessary calculations, the three-dimensional components of velocity were also measured. By analyzing the results and examining the transverse and longitudinal distribution of the concentration as well as the flow pattern downstream of the U-weir, it was determined that it can intensify the transverse mixing coefficient up to 12.2 times and reduce the mixing length up to 91.9% compared to the case of no weir. This is while the rectangular weir increased the transverse mixing coefficient up to 1.53 times and decreased the length of complete mixing up to 34.7% times compared to the case of no weir.
    Keywords: River, Water Quality, Secondary flow, Transverse mixing coefficient, U-weir
  • Amin Afkhaminia, Vahid Nourani, Soghra Andaryani *, Aboulfazl Mokhtari Asl Pages 302-317
    The present study aims at investigating the trend and energy complexity of hydro-climatic parameters including discharge, precipitation and temperature and Vegetation Cover (VC) in Zilbierchay catchment, East Azerbaijan, where water table has experienced a sharp drop in recent years. To this end, the water table (over 18 years interval), discharge, precipitation, temperature and VC (over 30 year interval) were examined using Mann-Kendall trend in monthly and yearly scales. The parameters were decomposed using Daubechies mother wavelet (db2) analysis at three 10-intervals and 5 time levels. The results indicated that the reduction of water table and discharge were significant. On the other hand, no significant trend was detected in precipitation and VC, while for temperature, significant increasing trends were observed in most of the months. The result of the complexity analysis revealed that the changes in the complexity of temperature (about 2% increase) were not significant, while the fluctuations reduction was found in precipitation (about 20%). In addition the pattern of fluctuations has changed which affected the complexity reduction of discharge (17%) and depth to the water table (13%). Furthermore, increasing vegetation cover area and temperature through raised evapotranspiration as well as reduced discharge and precipitation in the region have increased the drastic use of groundwater. Therefore, considering the complex relationships and synergistic effects of natural and human factors on water resources together can help managers in optimal and efficient decision making.
    Keywords: Water Table, Hydrological process, Wavelet-Entropy, NDVI, Zilbierchay Basin-East Azerbaijan
  • MohammadHassan Dehghanipour, Hamidreza Ghazvinian, Amirhossein Dehghanipour * Pages 318-327

    In this study, daily simulation models of pan evaporation were developed using a multilayer perceptron neural network, a radial basis function, and an optimized experimental relationship based on the genetic algorithm with 13 input combinations of climate variables, i.e., average daily temperature, maximum and minimum temperature, relative humidity, sunshine hours and wind speed. These models were applied to simulate evaporation in Semnan, Shahrud, and Rasht stations with dry, semi-dry, and very wet climatic conditions, respectively. The best input combination for simulation models was selected based on the quantitative evaluation results; i.e temperature, relative humidity, sunshine, and wind speed which had a correlation coefficient between 0.56 to 0.85, root mean square error between 1.1 to 2.6 mm, and the PBIS coefficient between 1 to 29.5%. The results of the developed models' sensitivity analysis showed that temperature and then relative humidity are sensitive parameters for evaporation simulation. The optimized experimental relationship with the best input combination among the evaporation simulation models had a greater ability to simulate the mean ​​and standard deviation of evaporation, and the model was selected as the best model. Finally, the ability of the best model with the best input combination was confirmed by its application to simulate the evaporation pan in three stations Garmsar (dry), Damghan (semi-dry), and Ramsar (very wet), resulted in correlation coefficients of 0.6 to 0.84, root mean square errors of 1.29 to 3.16 mm and PBIS coefficients of 2.1 to 9.2%.

    Keywords: Artificial intelligence, Neural Networks, Genetic Algorithm, Evaporation, Iran