فهرست مطالب

مجله مهندسی و مدیریت آبخیز
سال شانزدهم شماره 2 (تابستان 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/04/01
- تعداد عناوین: 8
-
-
صفحات 170-184مقدمه
نقش آب در توسعه کشاورزی و رشد اقتصادی غیرقابل انکار است. عدم توازن بین عرضه و تقاضای آب در کشور، مدیریت منابع آب را به خصوص در بخش کشاورزی، با چالش روبرو ساخته است. یکی از موثرترین راهکارهای مقابله با بحران آب و افزایش کمی و کیفی تولیدات در بخش کشاورزی، توجه جدی به بهره وری آب و ارتقای آن با اعمال روش ها و سیاست های مناسب است. مفهوم بهره وری آب این است که با صرف کمترین مصرف آب، بهترین و بیشترین محصول را تولید کرد. بهره وری آب کشاورزی، یکی از مهم ترین موضوعاتی است که در سال های اخیر مورد توجه جدی مجامع علمی مرتبط با آبیاری و کشاورزی قرار گرفته است. اختلاف در بهره وری آب محصولات مختلف در سطح کشور و همچنین، در مقایسه با سایر کشورها با شرایط اقلیمی مشابه، نشان دهنده وجود پتانسیل برای افزایش بهره وری آب کشاورزی است. در این پژوهش، با بررسی های میدانی، اندازه گیری های صحرایی و تحلیل های سنجش از دوری به بررسی بهره وری محصولات زراعی و باغی پرداخته شده است.
مواد و روش هادر مرحله اول، وضعیت منابع آبی آبخوان شامل تغییرات سطح آب زیرزمینی و آب قابل برنامه ریزی آبخوان مورد بررسی قرار گرفت. سپس، آب مصرفی گیاهان زراعی از تفاضل بارندگی موثر و آب مورد نیاز گیاه (تبخیر-تعرق گیاه) محاسبه شد. در مرحله بعد، سطح زیر کشت آبخوان باشت با استفاده از تصاویر ماهواره سنتینل-2 در نرم افزار گوگل ارث انجین مورد بررسی قرار گرفت. عملکرد، تاریخ کشت و برداشت و تعداد دفعات آبیاری محصولات کشاورزی دشت از طریق تکمیل پرسش نامه توسط کشاورزان و کارشناسان مراکز خدمات جهاد کشاورزی بررسی شد. در مرحله بعد، نیاز آبی الگوی کشت فعلی با روش فائو پنمن-مانتیث محاسبه شد. در نهایت، با ارزیابی محصولات از نظر شاخص های بهره وری، میزان بهره وری محصولات مختلف تعیین شد.
نتایج و بحث:
وسعت آبخوان آبرفتی باشت، 45.5 کیلومترمربع به طول متوسط حدود 25 کیلو متر و عرض پنج کیلومتر محاسبه شد. حجم کل تخلیه و برداشت از منابع آب زیرزمینی در سطح محدوده 39.723 میلیون مترمکعب است. مقدار نفوذ در سطح آبخوان آبرفتی باشت 7.905 میلیون مترمکعب محاسبه شده است. با پیوستن جریانات خروجی شامل جریانات انتقالی از طریق جبهه های مختلف ارتفاعات به آبخوان، مجموعا 20.377 میلیون مترمکعب آبخوان را تغذیه می نماید. محاسبات روش فائو پنمن- مانتیث نشان داد که نیاز آبی محصولات غالب آبخوان شامل مرکبات، گندم، جو، ذرت، کلزا، هندوانه، برنج، حبوبات و یونجه به ترتیب 9170، 5630، 4821، 7863، 5411، 9291، 20234، 5225 و 14083 مترمکعب بوده است. در مجموع، میزان آب مصرف شده توسط محصولات کشاورزی آبخوان باشت نزدیک به 45 میلیون مترمکعب بوده است که تقریبا معادل یک مترمکعب در هر مترمربع از سطح زیر کشت آبخوان بوده است که این میزان برداشت، 64/2 برابر آب قابل برنامه ریزی پیش بینی شده برای کشاورزی (17 میلیون مترمکعب) است.
نتیجه گیریالگوی کشت، تحت تاثیر عامل هایی نظیر سازگاری اقلیمی محصولات، پتانسیل های منابع آب و خاک، نیازهای منطقه، عرف و علایق مردم منطقه و ارزیابی اقتصادی و درآمد حاصل از تولید خواهد بود. هر نوع تغییر الگوی کشت، باید با لحاظ همه ملاحظات اجتماعی و اقتصادی و زیست محیطی صورت گیرد اما با توجه به شرایط موجود منابع آب هر نوع الگوی کشت (حتی با لحاظ بالا بودن درآمد) که سبب بالا رفتن میزان تخلیه نسبت به منابع تغذیه آبخوان شود، برای حیات آینده آبخوان خطر محسوب و موجب شور شدن منابع آب زیرزمینی و نشست آبخوان خواهد شد. کشت گیاهان پرمصرفی مانند ذرت دانه ای، با توجه به شرایط وخیم آبی منطقه باید متوقف شده و سرمایه گذاری بیشتری در جهت توسعه کشت محصولاتی مانند کلزا که با وضعیت آب وهوایی منطقه سازگاری بهتری دارند صورت پذیرد.
کلیدواژگان: آبخوان، الگوی کشت، کشاورزی، کلزا، نیاز آبی -
صفحات 185-200مقدمه
با توسعه کشور و گسترش مناطق مسکونی، ییلاقی، کشاورزی و صنعتی، نزدیک شدن اراضی در مجاورت رودخانه ها اجتناب ناپذیر و حفظ و حراست از رودخانه ها به عنوان سرمایه های طبیعی الزامی است. همچنین، لزوم حفاظت طرح های توسعه در برابر سیلاب امری ضروری است. بر این اساس، هدف اصلی از این پژوهش شناسایی رفتار رودخانه های محدوده سایت پرورش میگوی لشتغان و ارائه راهکارهای فنی جهت ساماندهی و جلوگیری از خطرات سیلاب در آن است.
مواد و روش هادر این پژوهش، جهت انجام محاسبات هیدرولیکی جریان بر مبنای جریان غیرماندگار از HEC-RAS استفاده شد. بدین صورت که محاسبات با تغییرات دبی جریان سیلاب با دوره های برگشت مختلف انجام شد. به منظور تعیین پهنه سیل به ازای دوره بازگشت 25 ساله، ارتفاع آب به محیط ArcGIS منتقل شد. در محیط ArcGIS، با داشتن سطح آب و با استفاده از الحاقیه HEC-Geo-RAS پهنه سیلاب تعیین شد. در نهایت، جهت ارائه خط بستر طبیعی پیشنهادی، با توجه به پهنه سیلابی با دوره بازگشت 25 ساله و تصاویر ماهواره ای در فواصل زمانی مختلف، پس از تدقیق پهنه سیلاب با عکس ماهواره ای خط بستر پیشنهادی استخراج شد. مقدار حریم فنی به روش DLSRS نیز محاسبه شد. دوره بازگشت سیلاب طراحی بر اساس شرایط اقتصادی، اجتماعی، اقلیمی و غیره حاکم بر آن، 100 سال در نظر گرفته شد. با توجه به هدف طرح، دامنه کاربرد و شرایط فنی و اقتصادی، گزینه دایک خاکی به عنوان گزینه منتخب جهت طرح حفاظت اراضی در مقابل سیلاب، به عنوان گزینه منتخب معرفی شد. سپس، در نرم افزار Civil 3D خط پروژه دایک حفاظتی تعریف شد و سپس با توجه به تراز سطح آب سیلاب 100 ساله طراحی دایک حفاظتی انجام شد.
نتایج و بحث:
با توجه به اطلاعات موجود برای تعیین شرایط مرزی به منظور مدل سازی جریان رودخانه ها و مسیل های منتهی به سایت لشتغان در بالادست هیدروگراف جریان از هیدروگراف های جریان و در پایین دست تراز سطح آب (2.9 متر که 76 درصد طول دوره کمتر از این مقدار است) از مطالعات توجیهی استخراج و استفاده شد. مشاهده شد حداقل ارتفاع موج حدود 0.65 و حداکثر ارتفاع آن 5.7 متر و ارتفاع نرمال آن حدودا 1.6 متر است که در تعیین ارتفاع دایک می تواند موثر باشد. هر شش ساعت موج به مقدار یشینه ارتفاع و کمینه ارتفاع رسید. مقادیر بیشینه تراز سطح آب، بیشینه عمق جریان و بیشینه سرعت جریان در بخش شمالی سایت بیشتر قابل ملاحظه بود. تراز سطح آب از 1.2 تا 35 متر و بیشینه عمق جریان از 0.001 تا 40 متر و بیشینه سرعت جریان از 0.00033 تا 1.8 متر بر ثانیه تغییر کردند.
نتیجه گیریخروجی مدل شامل مشخصات بیشینه تراز سطح جریان، عمق جریان و بیشینه سرعت جریان در محدوده موردمطالعه بود که با توجه به آن ها مشاهده شد که دایک احداث شده تاثیری بر مناطق مسکونی اطراف ندارد. دایک خاکی در برخی از نقاط با توجه به توپوگرافی موجود مشابه یک مخزن عمل کرده و جریان به پایین دست انتقال نمی یابد و در پشت دایک ذخیره می شود که حجم آن حدودا 3 میلیون مترمکعب برای سیلاب با دوره بازگشت 100 ساله است که می توان با احداث گودال قرضه ای که در مجاورت دایک احداث می شود، بخش قابل توجهی از آن را به پایین دست انتقال داد. در نهایت، ارتفاع دایک، شیب بدنه و پهنای تاج آن محاسبه شد و هزینه آن 72،925،000،000 میلیون ریال برآورد شد.
کلیدواژگان: پهنه بندی سیلاب، سیلاب طراحی، شبیه سازی هیدرولیکی، مدیریت سیلاب، هیدرولیک جریان -
صفحات 201-223مقدمه
زوال ساختمان خاک و کاهش نفوذ آب به خاک از نشانه های تخریب خاک است که منجر به کاهش پایداری و کیفیت تولید و مشکلات زیست محیطی می شود. از روش های حفاظت خاک، به طور گسترده برای مهار فرایندهای تخریب خاک و بهبود ساختمان و نفوذپذیری خاک استفاده می شود که میزان اثربخشی این روش ها در بهبود این شاخص ها و کنترل تخریب خاک نیازمند مطالعه و ارزیابی بیشتر است. این پژوهش با هدف بررسی پایداری ساختمان خاک و نفوذپذیری خاک متاثر از عملیات مختلف مدیریت و حفاظت خاک و مقایسه آنها در حوزه آبخیز رزین استان کرمانشاه انجام شده است.
مواد و روش هابرای این منظور، هشت نوع عملیات احیایی و حفاظتی رایج اعمال شده در منطقه مورد مطالعه شامل قرق و مدیریت چرای دام، تبدیل دیمزار های کم بازده به مرتع، کپه کاری و بذرکاری اراضی مرتعی، نهال کاری و تغییر کاربری اراضی منابع طبیعی به باغات دیم، اصلاح کاربری اراضی دیم زار کم بازده به مرتع یا کشت علوفه، نهال کاری در جنگل و احداث خطوط تنسیق به منظور ممانعت از خاکورزی در اراضی مرتعی و جنگلی انتخاب و ارزیابی شد. برای ارزیابی با استفاده از الگوی نمونه برداری سیستماتیک تصادفی نقاطی در محدوده هر یک از عملیات مورد ارزیابی و شاهد مربوطه برای مطالعه و نمونه برداری انتخاب و استفاده شد و پس از حفر پروفیل و نمونه برداری از خاک، در آزمایشگاه شاخص های پایداری خاکدانه ها شامل شاخص های میانگین وزنی قطر (MWD)، میانگین هندسی قطر (GMD) و شاخص نسبت خاکدانه های پایدار بزرگتر از 0.25 میلی متر (WSA>0.25)، اندازه گیری و محاسبه شد. سرعت نفوذ نهایی نیز در عرصه عملیات و شاهد مربوطه با کمک دستگاه نفوذسنج صفحه ای، اندازه گیری شد. در نهایت، مقایسه آماری مقادیر میانگین شاخص های MWD، GMD ، WSA>0.25 و سرعت نفوذ نهایی در عملیات حفاظت خاک و مناطق شاهد آنها به کمک آزمون T برای نمونه های مستقل و نیز مقایسه آماری میانگین شاخص های یاد شده در عملیات مختلف با آزمون دانکن به کمک نرم افزار SPSS انجام شد.
نتایج و بحث
نتایج ارزیابی نشان داد که کمترین میزان شاخص MWD مربوط به تسطیح اراضی و نهال کاری به ترتیب به مقدار 0.15 و 0.35 میلی متر و بیشترین آن به میزان 1.9، 1.8 و 1.6 میلی متر به ترتیب مربوط به عملیات بادام کاری 20 و 10 ساله و منطقه جنگلی است. همچنین در عملیات علوفه کاری و احداث باغ و بادامکاری 10 ساله، بیشترین مقدار شاخص WSA>0.25 بوده است که نشان از تشکیل خاکدانه های درشت و پایدار در اثر عملیات حفاظتی است. در بین هشت عملیات مورد بررسی، عملیات بادامکاری 20 ساله بیشترین درصد تغییرات را با شاخص های MWD و WSA>0.25 در جهت افزایش و بهبود این شاخص ها داشته است. همچنین نتایج شاخص سرعت نفوذ نهایی نشان داد که در اثر انجام عملیات حفاظت خاک اصلاح کاربری دیمزار کم بازده به نهال کاری و تغییر کاربری مرتع به بادامکاری با سابقه10 ساله بیشترین افزایش در مقدار سرعت نفوذ نهایی، به ترتیب به میزان 21.8 و 16 درصد نسبت به شاهد، را نشان داده است.
نتیجه گیریدر مجموع می توان بیان کرد که تاثیر عملیات حفاظت خاک منجر به افزایش سهم نسبی خاکدانه های درشت تر شده است. اما شاخص نفوذپذیری خاک نتایج متناقضی را نشان داد چراکه علاوه بر اثر عملیات های حفاظت خاک مورد ارزیابی، مولفه های دیگری نیز در شاخص نفوذ آب به خاک موثر بوده است که مستلزم انجام مطالعات تکمیلی است و در نتیجه بررسی نقش مدیریت، به ویژه مدیریت کاربری در کنترل یا تشدید روند تخریب خاک، ضرورتی جهت بهره برداری پایدار از منابع خاک است.
کلیدواژگان: بادامکاری، تخریب خاک، تسطیح اراضی، خاکدانه، سرعت نفوذ نهایی -
صفحات 224-243مقدمه
مدل سازی هیدرولوژیکی، جهت شبیه سازی رواناب برای یک دوره بلندمدت در راستای مطالعات اقلیمی از اهمیت بالایی در مدیریت منابع آب حوزه آبخیز برخوردار است. این دسته از شبیه سازی ها، نیاز به داده های ورودی با طول دوره بلندتر دارد که در مناطق دورافتاده و صعب العبور که دارای کمبود داده هستند، قابل انجام نیست. داده های بارش اقلیمی با طول دوره بلند در دو دهه اخیر کارایی زیادی از خود نشان داده اند.
مواد و روش هادر این پژوهش، با استفاده از سه داده بارش اقلیمی APHRODITE، PERSIANN-CDR و ERA5-Land و داده بارش درون یابی شده ایستگاه های باران سنجی با روش (IDW) شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز حبله رود در دوره 1996-1992 پرداخته شد. مدل هیدرولوژیکی نیمه توزیعی (VIC) در این مطالعه، در حالت تعادل آبی با هدف بهینه سازی ضریب کارایی (KGE)مورد استفاده قرار گرفت. جهت ارزیابی دقت داده های بارش هر پایگاه داده در مقیاس سلول، از روش IDW استفاده شد.
نتایج و بحث
نتایج نشان داد پایگاه APHRODITE بیشترین دقت و PERSIANN-CDR کمترین دقت را داشته است. همچنین، نتایج شبیه سازی رواناب نشان داد مدل هیدرولوژیکی VIC در مقیاس روزانه و ماهانه توانایی مناسبی در شبیه سازی رواناب دارد. میزان شاخص کارایی KGE رواناب شبیه سازی شده روزانه با استفاده از بارش مشاهداتی در دوره واسنجی برابر با 78/0 و در دوره صحت سنجی برابر با 0.76 بود. نتایج ارزیابی رواناب شبیه سازی شده توسط داده های بارش اقلیمی نشان داد، داده بارش ماهواره ای PERSIANN-CDR باوجود اینکه دقت کمتری در تشخیص میزان بارش داشت، عملکرد بهتری در شبیه سازی رواناب دارد. به طوری که میزان KGE برای این داده در مقیاس روزانه در دوره واسنجی برابر با 0.64 و در دوره صحت سنجی برابر با 0.77 به دست آمد. داده بارش APHRODITE که یک داده بارش بر اساس ایستگاه های زمینی است، با شاخص KGE برابر با 0.62 در دوره واسنجی و 0.75 در دوره صحت سنجی در رده دوم قرار گرفت. داده بارش ERA5-Land که یک داده بازتحلیل شده است در رده سوم قرار گرفت که شاخص KGE برابر با 0.5 در دوره واسنجی و 0.66 در دوره صحت سنجی بود.
نتیجه گیرینتایج این پژوهش نشان داد، داده های بارش اقلیمی در حوضه های فاقد شبکه منظم یا با طول دوره کوتاه مدت از داده ها، می توانند عملکرد مناسبی و مشابه با داده های بارش ایستگاه های زمینی داشته و در مطالعات مدیریت حوزه آبخیر با هزینه کم و دقت مناسب مورد استفاده قرار گیرند.
کلیدواژگان: مدل بارش-رواناب VIC، داده های بارش جهانی، درون یابی IDW، APHRODITE، ERA5-Land، PERSAINN-CDR -
صفحات 244-261مقدمه
استفاده از مردم، در اجرای طرح های منابع طبیعی، موفقیت این طرح ها را تضمین می کند و می تواند برای منابع طبیعی موجود در حوزه های آبخیز و ذی نفعان بسیار مفید باشد. مشارکت مردمی در اجرای عملیات منابع طبیعی ازجمله رویکردهای ضامن تحقق اهداف و موفقیت این طرح ها است. توجه به مشارکت مردمی در حفاظت از منابع طبیعی از اهمیت و اعتبار بالای برخوردار است، البته منابع طبیعی، به عنوان یکی از ارکان جدایی ناپذیر زندگی انسان ها نیز به شما می رود. طرح های منابع طبیعی برای بهبود شرایط محیطی و اجتماعی سامانه های اجتماعی-بوم شناختی برنامه ریزی و اجرا می شوند. بنابراین، با توجه به اینکه این پژوهش در حوزه های آبخیز کویری است و شرایط این حوزه ها خاص و منحصربه فرد است، بنابراین، این شرایط از ویژگی های ممتاز این پژوهش نیز محسوب می شود و می تواند ارزش و اهمیت وضعیت تشکل های مردمی در مناطق کویری که معمولا دارای جمعیت کمتری نسبت به دیگر اقلیم های مختلف هستند، دو چندان کند. همچنین، نشان دهد که طرح های منابع طبیعی در همه اقلیم های مختلف در حوزه های آبخیز سراسر کشور نیازمند مشارکت مردمی هستند و بدون مشارکت مردمی امکان موفقیت طرح های منابع طبیعی با وجود فراهم شدن همه شرایط محیطی بسیار پایین است
مواد و روش هادر این پژوهش، تعداد شرکت های تعاونی، کمیته توسعه روستایی، صندوق های خرد و صندوق های روستایی در کل حوزه آبخیز یزدان آباد، به دست آمد. سپس، شناسایی توزیع روستاهای مختلف در حوزه آبخیز یزدان آباد انجام شد و فعالیت های اجرا شده در آنها بررسی شدند. در ادامه، جلسات برگزار شده به روش PRA در روستاهای حوزه آبخیز یزدان آباد بررسی و مقایسه تشکل های مردم نهاد قبل و بعد از اجرای طرح مدیریت جامع منابع طبیعی انجام شدند و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.
نتایج و بحث:
نتایج پژوهش نشان داد که در حوزه آبخیز یزدان آباد تعداد سه شرکت تعاونی و چهار صندوق روستایی است و همچنین، در این حوضه، 16 کمیته توسعه فعال بوده که تقریبا هر روستا دارای یک کمیته توسعه است و همچنین، دو صندوق خرد نیز در حوزه آبخیز یزدان آباد وجود دارد. اجرای طرح های منابع طبیعی تاثیر بسیار زیادی برای ذینفعان حوزه های آبخیز به خصوص، حوزه های آبخیز مناطق کویری دارد، به شرط آنکه مردم پایه اصلی اجرای این طرح باشند و با تشویق و الگوسازی مشارکت صد در صدی از خود نشان دهند که موفقیت چنین طرح هایی تضمین شود. نتایج طرح های منابع طبیعی قبل و بعد از اجرای آنها نشان داد که اجرای طرح های منابع طبیعی تاثیر بسیار زیادی در معیشت مردم و همچنین، حفاظت پایدار از منابع طبیعی دارد، زیرا مردمی که دارای آگاهی بیشتری نسبت به منابع طبیعی خود داشته باشند، بهتر می توانند بدون کمک دولت، خودشان از منابع طبیعی موجود در حوزه آبخیزشان حفاظت کنند.
نتیجه گیرینتایج پژوهش نشان داد که بیشترین فعالیت های اجرایی انجام شده در همه روستاهای واقع در حوزه آبخیز یزدان آباد، تشکیل کمیته توسعه روستایی و برگزاری جلسات آشنایی با قوانین و مقررات منابع طبیعی بوده است.
کلیدواژگان: تشکیل، حوزه آبخیز یزدان آباد، روش PRA، مردم، منابع طبیعی -
صفحات 262-278مقدمه
ناهمگنی موجود در آبخیزها و غیر خطی بودن رفتارهای هیدرولوژیکی، شناخت کامل روابط موجود در آنها را بسیار پیچیده و مشکل ساخته است. از این رو، ارزیابی این سیستم ها، نیاز به فرایند مدل سازی دارد. با توجه به توسعه زبان های برنامه نویسی و ارائه الگوریتم های بهینه و کارا جهت حل مسائل دیفرانسیلی در چند دهه اخیر، مدل های هیدرولوژیکی/هیدرولیکی جایگاه خاصی در مطالعات هیدرولوژی پیدا کرده و بر این اساس، به کارگیری مدل های شبیه سازی بارش-رواناب، برای پیش بینی سیل مورد توجه محققین قرار گرفته است. این امر سبب شده تا مدل های متنوعی جهت شبیه سازی فرایند بارش-رواناب توسعه یابند. یکی از مدل های موفق در این زمینه، مدل TOPKAPI-X است. این مدل در دهه 90 میلادی در دانشگاه بولونیا توسط پروفسور Todini به صورت یک مدل بارش-رواناب توزیعی مکانی قابل کاربرد در سطح حوزه آبخیز توسعه داده شد. از ویژگی های مهم مدل های توزیعی مکانی این است که می توان نتایج شبیه سازی مدل را در هر نقطه از حوزه آبخیز استخراج نموده و بر خلاف مدل های یکپارچه که کل حوزه آبخیز را یک واحد در نظر می گیرند، اجازه تفکیک بندی در هر نقطه از حوضه را می دهد. بنابراین، در این پژوهش بعد از واسنجی و اعتبارسنجی مدل فیزیکی-توزیعی TOPKAPI-X در حوزه آبخیز گاماسیاب، نسبت به بهینه سازی مدل در منطقه پژوهش جهت برآورد دبی روزانه اقدام می شود.
مواد و روش هاحوزه آبخیز گاماسیاب در غرب کشور و در نواحی شمالی رشته کوه زاگرس، در شمال حوضه سد کرخه و عمدتا در محدوده استان های همدان و کرمانشاه قرار دارد. مناطق کوهستانی این حوضه بیشتر در قسمت های شمالی و جنوبی متمرکز شده اند و مناطق پست و جلگه ای آن بیشتر در بخش های میانی و جنوب غربی حوضه قرار دارند. در این پژوهش از مدل TOPKAPI-X برای شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز گاماسیاب استفاده شد. برای این منظور، ابتدا مرز حوضه با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) با وضوح 30 متر، نقشه کاربری اراضی، بافت خاک، شبکه آبراهه حوزه آبخیز و مولفه های اقلیمی در مدل TOPKAPI-X وارد شد. پس از معرفی مکان حوضه، از محل خروجی حوضه (ایستگاه هیدرومتری) برای شبیه سازی جریان استفاده شد. در این مدل بارش-رواناب، داده های سری زمانی پیوسته در گام زمانی روزانه در نظر گرفته شد. برای اجرای مدل در حوضه، سری زمانی دبی، بارش و دمای روزانه در دوره آماری 21 ساله در 13 ایستگاه هواشناسی و یک ایستگاه هیدرومتری داخل و خارح حوضه طی سال های 1999 تا 2020 بهره برده شد. پس از چندین بار اجرای مدل، هر بار پارامترهای کلی مدل به صورت دستی و سعی و خطا تغییر می کرد تا در نهایت، با در نظر گرفتن مقادیر مناسب معیارهای ارزیابی ناش-ساتکلیف و اریب مدل برای حوضه، مقادیر بهینه پارامترهای مدل به دست آمد.
نتایج و بحث:
این پژوهش، به منظور تحلیل بارش-رواناب یکی از زیرحوضه های اصلی حوضه آبخیز سد کرخه با استفاده از مدل TOPKAPI-X در مقیاس زمانی روزانه انجام شده است. در محیط نرم افزار TOPKAPI-X با استفاده از نقشه های ورودی و داده های مشاهداتی بارش، دما و دبی، واسنجی مدل انجام شد. مقایسه ظاهری هیدروگراف های مشاهداتی و شبیه سازی شده، امکان ارزیابی کلی و سریع دقت مدل ها را فراهم می کند. نتایج گرافیکی مقایسه دبی حاصل از اجرای مدل TOPKAPI-X با پارامترهای واسنجی شده و دبی اندازه گیری شده در حوضه گاماسیاب نشان داد که این مدل، توانایی خوبی در برآورد دبی روزانه این حوضه را دارد. اما در برخی موارد دبی های شبیه سازی شده بیشتر از دبی مشاهده شده است. چهار معیار NSE، R، BIAS و RMSE برای ارزیابی مدل استفاده شده است. برای حوزه آبخیز گاماسیاب مقدار معیار ناش-ساتکلیف در دوره واسنجی (2014-1999) برابر 0.697 و در دوره اعتبارسنجی (2020-2014) برابر 0.660 محاسبه شد. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که این مدل در حوضه مورد مطالعه، در شبیه سازی جریان عملکرد خوبی دارد.
نتیجه گیریاهمیت مدل های هیدرولوژیکی برای مدیریت منابع آب، ارزیابی کیفیت مطالعات اجرایی و درک فرایندهای هیدرولوژیکی کاملا مشخص است. مدل های هیدرولوژیکی ابزارهای مهمی هستند که به دانشمندان و همچنین سیاستگذاران اجازه می دهد تا بر اساس شبیه سازی رفتار حوضه، تصمیم گیری کنند. بنابراین، با توجه به افزایش تقاضا برای آب و تاثیر تغییرات آب و هوایی، شبیه سازی هیدرولوژیکی توسط مدل ها از ابزارهای مدیریت آب در آینده خواهند بود. نتایج مطالعه حاضر نشان داد که مدل TOPKAPI-X پتانسیل بالایی در شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز انتخابی دارد. بنابراین، با توجه به قابلیت های آن، استفاده از این محیط به عنوان یک ابزار مدل سازی برای حوزه های آبخیز پیشنهاد می شود.
کلیدواژگان: بارش-رواناب، دبی اوج، شبیه سازی هیدرولوژیکی، مدل توزیعی مکانی، واسنجی مدل -
صفحات 279-301مقدمه
اقلیم، یکی از عوامل محیطی است که تغییر آن موجب تغییرات گسترده ای در بخش های مختلف بوم سامانه شده و تهدید بزرگی برای توسعه پایدار محسوب می شود. دما، یکی از عناصر اصلی اقلیم است که تغییرات ناگهانی، کوتاه مدت و درازمدت آن می تواند ساختار آب و هوای هر منطقه را تحت تاثیر قرار دهد. در دهه های اخیر، کره زمین با پدیده گرمایش جهانی مواجه شده است و مهم ترین شاهد بر این ادعا تغییرات اقلیمی صورت گرفته در سرتاسر دنیا است. یکی از پیامدهای مهم گرمایش جهانی، افزایش وقوع پدیده های فرین جوی است که از مهم ترین آن ها می توان به تغییر ناگهانی دما، گرمای بیش از حد، سرمای غیرعادی، بارش های سنگین و سیل آسا، خشکسالی و گرد و غبار ناشی از خشک شدن تالاب ها اشاره نمود. نمایه های حدی اقلیم، نه تنها نقش مهمی در بررسی وقایع اقلیمی در مقیاس منطقه ای و جهانی دارند، بلکه به مدل سازی اقلیمی و تصمیم گیری در بررسی اثرات بخش های متنوع نیز کمک می نماید.
مواد و روش ها:
در این پژوهش، از داده های دمای مدل MRI-ESM-2 تحت سه سناریو خوش بینانه SSP1-2-6، حد متوسط SSP2-4-5 و بدبینانه SSP5-8-5 برای دو دوره آینده نزدیک (2060-2021) و آینده دور (2100-2061) استفاده شد. بدین منظور، ابتدا داده تاریخی طی دوره پایه و داده های سناریو برای دوره آینده (تا سال 2100) برای مدل اقلیمی مورد مطالعه از پایگاه داده ESGF برای کل جهان دریافت شد. سپس، با زبان برنامه نویسی R، سری زمانی داده های تاریخی و سناریو از مدل برای هر ایستگاه مورد نظر استخراج شد. مقیاس کاهی آماری داده ها با روش درون یابی دوخطیBilinear در سطح ایستگاه های مورد مطالعه انجام شد. در ادامه، داده ها در دوره آینده و بر اساس سه سناریوی مورد نظر در تمامی ایستگاه های مورد مطالعه گروه بندی شدند، برای استخراج نمایه های مبتنی بر کمینه و بیشینه دمای روزانه از نرم افزار RClimDex استفاده شد. در این پژوهش، 16 شاخص حدی دما برای منطقه مورد مطالعه در مقیاس های سالانه و ماهانه محاسبه و وجود روند و نقطه شکست در این شاخص ها با آزمون های آماری تشخیص روند من کندال، آزمون شیب خط سن و آزمون تشخیص جهش پتیت بررسی شد.
نتایج و بحث:
نتایج بیانگر کاهش رویدادهای حدی گرم بر اساس سناریو SSP126، کاهش نمایه های مربوط به سرما و روزهای یخبندان (سرد) و افزایش نمایه های حدی گرم براساس سناریو SSP585 بوده که در بیشتر مناطق استان مشاهده شد. به طورکلی، نمایه های تعداد روزهای تابستانی (با شیب 70-40 درصد)، شب ه ای حاره ای (65-45 درصد)، طول دوره گرما (50-30 درصد) و طول دوره رویش (60-40 درصد) به طور قابل ملاحظه افزایش اما نمایه های تعداد روزهای یخبندان ((20-)-(80-))، روزهای یخی ((10-)-(40-)) و طول دوره سرما ((10-)-(70-)) به طور قابل ملاحظه کاهش خواهد یافت. همچنین، نتایج آزمون پتیت، نقطه تغییر افزایشی و کاهشی به ترتیب برای نمایه های حدی گرم و سرد را در دهه 2040 (آینده نزدیک) و 2080 (آینده دور) نشان داده است. بنابراین، به منظور کنترل دماهای حدی و اثرات سوء آن در بخش های مختلف زندگی انسان به ویژه کشاورزی و منابع آب می بایست برنامه های مدیریتی مناسب در جهت نیاز هر منطقه تدوین و اجرا شود.
نتیجه گیری:
نتایج بیانگر وجود تغییرات ناگهانی برای نمایه های دمایی تحت سناریو بدبینانه بیشتر از دو سناریو دیگر و در نواحی گسترده تری از استان مازندران بود. همچنین، احتمال افزایش ناگهانی نمایه های حدی گرم و کاهش ناگهانی روزهای مربوط به سرما و یخبندان در دوره زمانی آینده نزدیک در دهه 2030، 2040 و 2050 و در دوره زمانی آینده دور در دهه 2070 و 2080 وجود خواهد داشت. به طورکلی، در دوره های آماری آینده مورد مطالعه، نمایه های حدی دمایی تغییرات قابل توجهی خواهند داشت و استان مازندران با افزایش دمای هوا و رخدادهای حدی درجه حرارت بالا همراه خواهد بود که این نتایج همسو با نتایج مطالعات منطقه ای و جهانی است. افزایش دما به ویژه در ماه های گرم که همزمان با کاهش نزولات جوی است، با توجه به ماهیت فصل گرم سال، در کشاورزی این منطقه که از مناطق مهم تولید برنج کشور است، نقش قابل توجهی دارد. لذا، چرخه هیدرولوژی پایین دست حوضه هراز را تحت تاثیر قرار می دهد. از طرفی، تغییرات دمایی در زمستان و ماه های سرد نیز می تواند زمان آغاز ذوب برف حوضه را تحت تاثیر قرار دهد که این عوامل روی دبی اوج سیلاب در پایین دست حوضه تاثیر به سزائی دارد. با توجه به مطالب ذکر شده و ضرورت انجام چنین پژوهش هایی در زمینه های فعالیت های انسانی، مدیریت منابع آب، امنیت غذایی و نیز سلامتی انسان، بررسی تاثیر رویدادهای حدی اقلیمی مبتنی بر دما در سیاست گذاری های آینده در بخش های مختلف ضرورت دارد و جوامع انسانی می بایست به ناچار خود را بر اساس این شرایط تنظیم و سازگار نمایند. لذا، بررسی شدت، فراوانی و زمان وقوع رخدادهای حدی و آگاهی احتمالی از آنها می تواند در حل مسائل گریبان گیر زیست محیطی و برنامه ریزی منطقی در جهت کنترل و کاهش این رخدادها موثر واقع شود.
کلیدواژگان: تغییر اقلیم، حوضه آبخیز، ریزمقیاس نمایی، فصل رشد، مکانی-زمانی -
صفحات 302-315مقدمه
امروزه خشکسالی با توجه به کاهش میزان نزولات جوی و افزایش نیاز به محصولات کشاورزی به یک تهدید طبیعی برای امنیت غذایی تبدیل شده است. خشکسالی می تواند بخش قابل توجهی از کل جمعیت را تحت تاثیر قرار دهد، به ویژه ساکنان مناطق خشک و نیمه خشک بیشتر در معرض تهدید قرار دارند. هنگامی که سامانه های آب زیرزمینی تحت تاثیر خشکسالی قرار می گیرند، ابتدا تغذیه آب زیرزمینی و بعدا تراز آب زیرزمینی و میزان تخلیه آن کاهش می یابد. ویژگی های خشکسالی از جمله مدت، شدت و فراوانی در سفره آب زیرزمینی نسبت به سایر انواع خشکسالی ها تغییر می کند.
مواد و روش هابا توجه به اهمیت ارزیابی و پایش خشکسالی، وضعیت خشکسالی 12 محدوده مطالعاتی حوزه آبخیز درانجیر در سال آبی 1382-1381 تا 1398-1397 بررسی شد. این حوزه آبخیز در استان های یزد و کرمان با مساحت و ارتفاع متوسط به ترتیب 50736.44 و 1857.90 کیلومتر مربع و متر واقع شده است. مساحت ارتفاعات و دشت در این حوزه آبخیز به ترتیب 58.99 و 40.99 درصد است. آمار تراز آب چاه های مشاهده ای در سطح حوضه با مراجعه به سازمان های ذی ربط اعم از سازمان تحقیقات منابع آب ایران (تماب)، سازمان آب منطقه ای استان های یزد و کرمان تهیه شد. سپس، با استفاده از روش میان یابی وزن فاصله معکوس مقادیر متوسط ماهانه تراز آب زیرزمینی از نقشه های مورد نظر استخراج شد. بر اساس رابطه شاخص GRI، در محیط برنامه MATLAB، مقادیر خشکسالی آب زیرزمینی محاسبه شد.
نتایج و بحث:
بر اساس نتایج محاسبه شاخص GRI مشخص شد که شدیدترین خشکسالی ها در محدوده های کویر درانجیر، بردسیر و قریه العرب وقوع یافته است که به ترتیب کمبودی برابر با 81.38، 77.75 و 75.66 دارند. همچنین، طولانی ترین خشکسالی ها در محدوده قریه العرب وقوع یافته است که تداومی برابر با 121 ماه دارد. لذا، محدوده قریه العرب، با دارا بودن شدت و تداوم بالای خشکسالی، از شرایط بحرانی تر خشکسالی طی دوره آماری مذکور نسبت به دیگر محدوده های مطالعاتی برخوردار بوده است. مطابق نتایج فراوانی طبقات شاخص GRI، برای محدوده های مطالعاتی حوزه آبخیز درانجیر مشخص شد که بعد از خشکسالی نرمال در تمام محدوده ها، خشکسالی ملایم، از بالاترین فراوانی برخوردار بوده است.
نتیجه گیریکمبود و نوسانات شدید نزولات جوی، رخداد پدیده خشکسالی به ویژه در مناطق دارای اقلیم خشک و نیمه خشک را اجتناب ناپذیر می کند. از این رو، داشتن درک روشنی از اثر و شدت پدیده خشکسالی بر بوم سازگان، می تواند کمک شایانی به مدیران در برنامه ریزی و تصمیم گیری بهتر مدیریت منابع حوضه و استفاده بهینه از شرایط برحسب پتانسیل موجود داشته باشد. پایش تغییرات وضعیت سفره های آب زیرزمینی به دلیل خشکسالی و بهره برداری بیش از حد سایر حوزه های آبخیز کشور و تهیه اطلس نهایی آن توصیه می شود. همچنین، لازم و ضروری است که با استفاده از مدل های متناسب در این زمینه وضعیت خشکسالی با نتایج و یافته های حاصله مقایسه شود. در نهایت، برای مقابله با این پدیده طبیعی توصیه می شود برنامه های کوتاه و بلندمدت در قالب راهکارهای توسعه سطح زیر کشت محصولات گلخانه ای، استفاده از ارقام مقاوم به خشکی و با راندمان مصرف آب بالا، توسعه سامانه های تحت فشار در آبیاری به جای سامانه های سنتی در باغ ها و مزارع و اجرای پروژه های موثر در افزایش ذخیره منابع آب آبیاری زیرزمینی و سطحی نظیر بندهای سنگ سیمانی، خاکی، پخش سیلاب در منطقه مورد مطالعه توصیه می شود.
کلیدواژگان: برداشت آب، تغییرات اقلیمی، توزیع مکانی، شاخص GRI، مدیریت منابع آب
-
Pages 170-184Introduction
The role of water in agricultural development and economic growth is undeniable. The imbalance between water supply and demand in Iran has created a challenge for the management of water resources, especially in agriculture. Paying serious attention to water productivity and improving it through appropriate methods and policies is one of the most effective solutions to address the water crisis and enhance the quantity and quality of agricultural production. The concept of water productivity is to produce the best and most products with the least amount of water. Agricultural water productivity has received serious attention in recent years from scientific societies related to irrigation and agriculture. The variation in water productivity for different crops at the local level and in comparison with other countries with similar climatic conditions indicates the potential for increasing agricultural water productivity. In the present research, the productivity of agricultural and horticultural products was investigated through field surveys, field measurements, and remote sensing analyses.
Materials and methodsFirst, the status of water resources in the aquifer, including changes in groundwater levels and programmable water, was investigated. Then, the water consumption of agricultural plants was calculated using the difference between effective rainfall and plant water requirement (evaporation-transpiration). In the next step, the cultivated area of Basht Aquifer was examined using Sentinel-2 satellite images in Google Earth Engine software. Yield, dates of planting and harvesting, and irrigation times for agricultural products were verified through questionnaires completed by farmers and experts. After that, the water requirement of the current cultivation pattern was calculated using the FAO Penman-Monteith method. Finally, the productivity of different products was determined by evaluating the products in terms of productivity.
Results and discussionThe area of the alluvial aquifer was 45.5 km², with an average length of about 25 km and a width of 5 km. The total volume of discharge and extraction from groundwater resources was 39.723 MCM. The infiltration amount of the Basht alluvial aquifer was calculated to be 7.905 MCM. By joining the outflow streams, including transfer streams through different elevations, the aquifer was recharged with a total of 20.377 MCM. Calculations using the FAO Penman-Monteith method showed that the water requirements of the dominant crops in the aquifer, including citrus fruits, wheat, barley, corn, canola, watermelon, rice, legumes, and alfalfa, were 9170, 5630, 4821, 7863, 5411, 9291, 20234, 5225, and 14083 m³, respectively. In total, the amount of water consumed by the agricultural products of Basht Aquifer was nearly 45 MCM, which was approximately equivalent to 1 m³m⁻² of the cultivated area. This is 2.64 times higher than the amount of water that can be programmed for agriculture (17 MCM).
ConclusionThe cultivation pattern will be influenced by parameters such as the climatic compatibility of products, the potentials of water and soil resources, regional needs, customs and interests of local people, and economic evaluation and income from production. Any change in the cultivation pattern should consider all social, economic, and environmental factors. However, given the existing conditions of the water sources, any cultivation pattern (even those considering high income) that increases discharge compared to the aquifer's recharge sources will be dangerous for future sustainability and will cause groundwater salinization and aquifer subsidence. Cultivation of high water-consumption plants such as seed corn should be stopped due to the severe water conditions of the region, and more investment should be made in developing crops such as canola, which are better adapted to the region's climate.
Keywords: Aquifer, Agriculture, Canola, Cultivation Pattern, Water Requirement -
Pages 185-200Introduction
The main purpose of this research is to identify the behavior of rivers in the area of Lashtghan shrimp breeding site and to provide technical solutions to organize and prevent flood risks there.
Materials and methodsIn this study, HEC-RAS was used to perform hydraulic flow calculations based on unsteady flow. Calculations were done with changes in flood flow with different return periods. To determine the flood zone for the 25-year return period, the water height was transferred to ArcGIS. Using the HEC-Geo-RAS extension, the flood zone was determined in ArcGIS. To present the proposed natural bed line, satellite images at different time intervals were analyzed and the proposed bed line was extracted after verifying the flood zone with these images. The amount of technical protection was calculated using the DLSRS (Discharge Location Stability Regime Social Tension) method. The flood return period for the design was considered to be 100 years, based on economic, social, and climatic conditions. Considering the project's purpose, domain of usage, and technical and economic conditions, an earthen dike was selected for the land protection plan against floods. In Civil 3D software, the protective dike project line was defined and, according to the 100-year flood water level, the protective dike was designed.
Results and discussionThe boundary for modeling the flow of rivers and canals leading to the Lashtghan site was established upstream of the hydrograph and downstream of the water level (2.9 meters, or 76% of the duration of the course is less than this value), based on justification studies. The observed minimum height is approximately 0.65 meters, the maximum height is 5.7 meters, and the average height is approximately 1.6 meters; these measurements are insufficient to ascertain the height of the dike. The height reached its highest and lowest values every six hours. In the northern region of the site, the maximum water level, maximum flow depth, and maximum flow speed were more apparent. The water level fluctuated between 1.2 and 35 meters, the maximum flow depth increased from 0.001 to 40 meters, and the maximum flow velocity improved from 0.00033 to 1.8 meters per second.
ConclusionThe model output included characteristics of the maximum flow level, depth of flow, and maximum flow velocity in the study area. It was observed that the built dike has no effect on the surrounding residential areas. Due to the topography, the earthen dike acts like a reservoir in some places, preventing downstream flow and storing water behind the dike. This reservoir has a volume of about 3 million cubic meters for a 100-year return period flood. By constructing a borrow pit near the dike, a significant part of the water can be transferred downstream. Finally, the height of the dike, the slope of the body, and the width of its crown were calculated, with the cost estimated at 72,925,000,000 million Rials.
Keywords: Dike, DLSRS, Flood Zoning, HEC-RAS (2D) Model, Unsustainable Flow -
Pages 201-223Introduction
The degradation of soil structure and reduced water infiltration into the soil are indicators of soil degradation, which lead to decreased stability and production quality, as well as environmental problems. Soil conservation methods are widely used to curb soil degradation processes and improve soil structure and permeability. The effectiveness of these methods in enhancing these indicators and controlling soil degradation requires further study and evaluation. This research aims to investigate the stability of soil structure and soil infiltration rate affected by various soil management and conservation operations, and to compare them in the Razin Watershed area of Kermanshah Province.
Materials and methodsFor this purpose, eight common reclamation and conservation operations in the study area were selected and evaluated. These operations include pit-seeding and seeding, rangeland audit plan - conversion of dryfarming to rangeland, rangeland audit plan - conversion of dryfarming to forage cultivation, almond tree planting alongside digging holes, land leveling, seedling planting, conversion of dryfarming to rangeland, forage cultivation and orchard, and forest area. For evaluation, random systematic sampling points were selected within the area of each operation and their corresponding control area for study and sampling. After digging profiles and sampling the soil, the laboratory measured and calculated soil aggregate stability indices, including Mean Weight Diameter (MWD), Geometric Mean Diameter (GMD), and the proportion of stable aggregates larger than 0.25 mm (WSA>0.25). The final infiltration rate was also measured in the operation areas and their controls using a disc infiltrometer. Finally, a statistical comparison of the mean values of MWD, GMD, WSA>0.25, and final infiltration rate in soil conservation operations and their control areas was performed using the T-test for independent samples and the Duncan test for comparing the means of these indices in various operations using SPSS software.
Results and discussionThe evaluation results showed that the lowest MWD index was related to land leveling and sapling planting at 0.15 and 0.35 mm, respectively, while the highest values at 1.9, 1.8, and 1.6 mm were related to 20-year-old almond planting, 10-year-old almond planting, and forest areas, respectively. Additionally, the highest WSA>0.25 index values were found in fodder cultivation, orchard establishment, and 10-year-old almond planting operations, indicating the formation of large and stable aggregates due to conservation operations. Among the eight operations studied, the 20-year-old almond planting operation showed the greatest improvements in MWD and WSA>0.25 indices. The results for the final infiltration rate indicated that soil conservation operations, particularly converting low-yield rain-fed lands to sapling planting and changing rangeland use to 10-year-old almond planting, led to the highest increases in final infiltration rate, at 21.8% and 16%, respectively, compared to the control.
ConclusionOverall, soil conservation operations increased the relative share of larger soil aggregates. However, the soil infiltration rate index showed conflicting results, as factors other than the evaluated conservation operations also influenced water infiltration into the soil, necessitating further studies. Consequently, examining the role of management, especially land use management, is essential for sustainable soil resource utilization.
Keywords: Almond Tree Planting, Final Infiltration Rate, Land Leveling, Soil Aggregates, Soil Degradation -
Pages 224-243Introduction
The rapid growth of the global population has led to a significant surge in water consumption across various sectors such as agriculture, industry, and domestic use. This heightened demand for water has profound implications, particularly in ensuring food security, meeting industrial needs, and providing safe drinking water. However, alongside this population growth, climate change has emerged as a critical factor, altering precipitation patterns and exacerbating water scarcity issues. In response to these challenges, there is a growing need to identify and manage accessible water resources effectively. This involves understanding the complex interactions between different components of the hydrological cycle, including surface water, groundwater, soil moisture, and atmospheric water. Hydrological models have emerged as valuable tools in this regard, offering insights into water availability, flow patterns, and quality assessment. These models play a crucial role in various aspects of water resource management, including mitigating environmental impacts, managing floods, and predicting future water stress scenarios. Additionally, they facilitate the analysis of watershed-scale dynamics and provide a basis for informed decision-making. Global Hydrological Models (GHMs) have gained prominence due to their ability to capture the interconnectedness of water systems across different regions. They enable researchers to assess and predict hydrological processes on a large scale, contributing to a more comprehensive understanding of water resource dynamics. Recent studies have focused on evaluating the performance of hydrological models, such as the Variable Infiltration Capacity (VIC) model, in simulating river discharge, soil moisture, and precipitation patterns. These evaluations often utilize various data sources, including satellite imagery, to validate model outputs and improve their accuracy. Moreover, the integration of advanced optimization algorithms, such as NSGA-II, enhances the modeling process by optimizing model parameters and improving simulation results. In light of limited ground station data in extensive watersheds, researchers increasingly rely on long-term weather data and modeling techniques to bridge data gaps and improve the accuracy of hydrological predictions. Overall, ongoing research efforts aim to refine hydrological modeling approaches, integrate diverse data sources, and develop robust strategies for sustainable water resource management in the face of growing population pressures and climate uncertainties.
Materials and methodsThe Heblehroud Watershed, situated in the southern part of the Central Alborz mountain range, covers approximately 326,991 hectares and lies between coordinates 52° 13' to 53° 13' East longitude and 35° 17' to 35° 58' North latitude. It spans across Tehran, Mazandaran, and Semnan provinces. Mount Sefidab, with an elevation of 4047 meters, marks its highest point. The region features a semi-arid climate, receiving 272 mm of annual rainfall predominantly in winter and spring. The Heblehroud River, originating from the northern mountains, serves as the main drainage outlet. The semi-distributed hydrological model (VIC) was employed in this study to optimize the coefficient of efficiency (KGE) in simulating runoff on daily and monthly scales in the state of water balance. The study validated the VIC model using data from the Bonekooh station and applied the NSGA-II optimization algorithm to calibrate soil parameters from 1992 to 1996, considering the impact of watershed management. Soil data were obtained from the HWSD database available on the FAO website and categorized into 36 classes based on physical and chemical soil properties. Land cover data were sourced from the MODIS satellite database and classified into 17 categories according to the IGBP standard. Elevational bands are crucial in the VIC hydrological model for assessing soil water pressure distribution and surface runoff. In the Heblehroud basin, elevation differences can reach several thousand meters, impacting flow estimation. Therefore, using elevation bands derived from SRTM data is essential for accurate simulation. The accuracy of precipitation data from each database at the cell scale was evaluated using the IDW method.
Results and discussionThe results indicated that the APHRODITE database had the highest accuracy, while PERSIANN-CDR had the lowest. Additionally, the runoff simulation results demonstrated that the VIC hydrological model performed well in simulating daily and monthly runoff. The KGE efficiency index for simulated daily runoff was 0.78 during the calibration period and 0.76 during the validation period. Evaluating the simulated runoff using climatic precipitation data revealed that PERSIANN-CDR satellite precipitation data was less accurate in detecting precipitation amounts but performed better in simulating runoff. The KGE for this data on a daily scale was 0.64 during the calibration period and 0.77 during the validation period. The KGE index for APHRODITE precipitation data based on ground stations ranked second, with values of 0.62 and 0.75 during the calibration and validation periods, respectively. ERA5-Land precipitation data, which is reanalyzed data, ranked third with a KGE index of 0.50 during the calibration period and 0.66 during the validation period.
ConclusionsThese findings indicate that climatic precipitation data can be effectively utilized in watershed management studies with low cost and appropriate accuracy, particularly in basins lacking a regular network or long-term data availability.
Keywords: APHRODITE, ERA5-Land, Global Precipitation Data, IDW, PERSAINN-CDR, VIC Rainfall-Runoff Model -
Pages 244-261Introduction
The involvement of people in the implementation of natural resource schemes ensures the success of these initiatives and can be very beneficial for the natural resources available in watersheds and stakeholders. Public participation in the implementation of natural resources operations is crucial for achieving the goals and success of these projects. Emphasizing public participation in the conservation of natural resources is of great importance and credibility. Natural resources are an integral pillar of human life, and plans are developed and implemented to improve the environmental and social conditions of socio-ecological systems. Given that this research is focused on desert watersheds, the unique conditions of these watersheds are considered outstanding features of this study. This emphasis highlights the value and importance of people's organizations in desert areas, which usually have smaller populations compared to other climates. It also underscores the necessity of public participation for the success of natural resource projects across different climates in watersheds nationwide. Without public participation, the success of these projects, despite all environmental conditions, is very low.
Materials and methodIn this study, the number of cooperative companies, rural development committees, micro funds, and rural funds in the entire Yazdanabad watershed was obtained. The distribution of different villages in the Yazdanabad watershed was then identified, and the activities implemented in them were investigated. Subsequently, meetings held by the PRA method in the villages of the Yazdanabad watershed were studied, and a comparison of NGOs before and after the implementation of the comprehensive natural resources management plan was carried out and analyzed.
Results and discussionThe results showed that there are 3 cooperative companies and 4 rural funds in the Yazdanabad watershed, and 16 development committees are active in this area. Almost every village has a development committee, and there are also 2 micro funds in the Yazdanabad watershed. The implementation of natural resources projects has a significant impact on the stakeholders of the watersheds, especially in desert areas, provided that people are the main basis of the implementation of this plan. By encouraging and modeling, 100% participation can be achieved to ensure the success of such projects. The results of natural resources plans before and after their implementation showed that these plans greatly impact people's livelihoods and the sustainable conservation of natural resources. People who are more aware of their natural resources are better able to protect them in their watershed without government assistance. The wide range of natural areas and the lack of human resources have caused the country's forests, rangelands, and watershed management organizations, as the main authorities and custodians of these fields, to have limited influence in all areas. This has led people to spontaneously meet their needs by forming and joining NGOs.
ConclusionMoreover, the research results showed that the most common executive activities in all villages located in the Yazdanabad watershed were the formation of rural development committees and holding meetings regarding natural resources laws and regulations.
Keywords: Formation, Natural Resources, People, PRA Method, Yazdan Abad Watershed -
Pages 262-278Introduction
Due to the heterogeneity in watersheds and the non-linearity of hydrological behaviors, it is very complicated and difficult to fully understand the relationships within watersheds. Therefore, in evaluating these systems, a modeling process is necessary. Over the last few decades, hydrological/hydraulic models have become essential in hydrology studies due to the development of programming languages and the provision of optimal and efficient algorithms for solving differential problems. The application of rainfall-runoff simulation models for flood events has been extensively studied by researchers in the field of water and soil protection, leading to the development of various models to simulate rainfall-runoff processes. One of the successful models in this field is the TOPKAPI-X model. This model was created in the 1990s at the University of Bologna by Professor Todini as a distributed rainfall-runoff model in watersheds. An important feature of distributed models is their ability to simulate components at any point of the watershed, allowing results to be extracted at any required point. Unlike lumped models that consider the entire watershed as a single unit, distributed models allow spatial distribution at any point in the watershed. Therefore, in this research, after calibrating and validating the TOPKAPI-X physical-distributed model in the studied basin, the model was optimized for flood estimation.
Materials and methodsThe Gamasiab basin is located in the west of Iran, in the northern region of the Zagros mountain ranges, to the north of the Karkheh dam basin, and primarily within the territories of Hamadan and Kermanshah provinces. The mountainous regions of this basin are mainly concentrated in the northern and southern parts, while its lowlands and plains are mostly located in the middle and southeastern parts of the basin (Ministry of Energy, 2014). In this research, the TOPKAPI-X model was used to simulate floods in the Gamasiab watershed. First, the watershed boundary was delineated using a digital elevation model (DEM) with a resolution of 30 meters. Land use maps, soil texture, watershed network, and climatic components were entered into the TOPKAPI-X model. The outlet location of the basin (hydrometric station) was used to simulate the flow using the TOPKAPI-X distributed hydrological model. Continuous time series data on a daily time step were used in this rainfall-runoff model. Specifically, daily rainfall data from 13 rain gauge stations and temperature data from 4 synoptic stations during the statistical period (1999 to 2020) were used to simulate the flow. After running the model several times, the general parameters were manually adjusted each time until the optimal values of the general parameters were obtained by considering the appropriate values of the evaluation criteria (NS and Bias) for the basin.
Results and discussionThis research was conducted to analyze the flood discharge of one of the main sub-basins of the Karkheh dam basin using the TOPKAPI-X model on a daily time scale. In the TOPKAPI-X software environment, simulations were performed during the calibration period using input maps and observational rainfall, temperature, and discharge data. A visual comparison of the observed and simulated hydrographs allows for a general and quick evaluation of the model's accuracy. The graphical results of the comparison between the discharge generated by the TOPKAPI-X model with the calibrated parameters and the measured discharge in the Gamasiab basin were presented. The TOPKAPI-X model has the ability to estimate the maximum daily flow rates of the Gamasiab basin; however, some of the simulated flow rates are higher than the observed flow rates. Four criteria—NSE, R, BIAS, and RMSE—were used to evaluate the model. The evaluation results of the TOPKAPI-X model indicate the accuracy of flow simulation, with a Nash-Sutcliffe criterion of 0.697 during the calibration period (1999-2014) and 0.660 during the validation period (2015-2020) for the Gamasiab basin. Therefore, it can be concluded that this model has good performance for flow simulation.
ConclusionsThe importance and usefulness of hydrological models for water resources management, understanding hydrological processes, and conducting impact assessment studies is clear. Hydrological models are crucial tools that enable scientists and policymakers to make informed decisions based on simulations of watershed behavior. Considering the increasing demand for water and the impact of climate change, hydrological simulation will be one of the essential methods for future water management. The results of this study showed that the TOPKAPI-X model has potential in simulating runoff in the selected basin. Due to the capabilities of the TOPKAPI-X distributed hydrological model, this software is recommended as a modeling tool for other basins.
Keywords: Hydrological Simulation, Model Calibration, Peak Discharge, Rainfall-Runoff, Spatially Distributed Model -
Pages 279-301Introduction
Climate is one of the environmental factors whose changes cause extensive alterations in different parts of the ecosystem and pose a significant threat to sustainable development. Temperature, a main element of climate, can affect the climate structure of any region through sudden, short-term, and long-term changes. In recent decades, the Earth has faced global warming, evidenced by climatic changes worldwide. One important consequence of global warming is the increase in extreme weather phenomena, such as sudden temperature changes, excessive heat, abnormal cold, heavy rains and floods, drought, and dust storms caused by the drying of wetlands. Climate extreme indices not only play an important role in investigating climate events on regional and global scales but also assist in climate modeling and decision-making for various sectors.
Materials and methodsIn this research, temperature data from the MRI-ESM-2 model under three scenarios—optimistic (SSP1-2.6), average (SSP2-4.5), and pessimistic (SSP5-8.5)—for two periods, the near future (2021-2060) and the distant future (2061-2100), were used. First, historical data for the base period and scenario data for the future period (until 2100) for the studied climate model were obtained from the ESGF database. Then, using the R programming language, the time series of historical data and scenarios were extracted from the model for each desired station, and the statistical downscaling of the data was performed using the bilinear interpolation method at the level of the studied stations. The data were grouped based on the three scenarios in all studied stations, and RClimDex software was used to extract indices based on minimum and maximum daily temperatures. In this research, 16 extreme temperature indices for the studied area were calculated on annual and monthly scales, and trends and breakpoints in these indices were investigated using the Mann-Kendall trend detection test, Sen’s Slope test, and Pettitt mutation detection test.
Results and discussionThe results show a decrease in extreme hot events based on the SSP1-2.6 scenario, a decrease in indices related to cold and freezing days, and an increase in extreme warm indices based on the SSP5-8.5 scenario, observed in most areas of the province. Generally, the indices for the number of summer days (with a slope of 40-70%), tropical nights (45-65%), the length of the heat period (30-50%), and the length of the growing season (40-60%) showed significant increases. Conversely, the indices for the number of frost days (-20 to -80), ice days (-10 to -40), and the length of the cold period (-10 to -70) significantly decreased. The results of Pettitt's test indicated change points for increasing and decreasing trends in hot and cold extreme indices, respectively, in the 2040s (near future) and 2080s (far future). Therefore, to control extreme temperatures and their adverse effects on various aspects of human life, especially agriculture and water resources, strategies should be developed and implemented according to the needs of each region.
ConclusionsThe results indicated more frequent sudden changes in temperature indices under the pessimistic scenario compared to the other two scenarios, affecting broader areas of Mazandaran province. There is a likelihood of sudden increases in hot extreme indices and decreases in cold and freezing days both in the near future (2030s, 2040s, and 2050s) and far future (2070s and 2080s). Overall, significant changes in temperature extreme indices were observed during the future statistical periods studied, with Mazandaran province expected to experience higher air temperatures and more frequent extreme heat events. These findings align with regional and global studies. The rise in temperature, particularly during hot months when precipitation decreases naturally, significantly impacts agriculture in this region, which is a major area for rice production in the country. These changes also affect the hydrological cycle downstream of the Haraz basin. Additionally, temperature fluctuations during winter and cold months can influence the timing of snow melting in the basin, thereby affecting peak flood flows downstream. Given these factors and the necessity of such research in understanding human activities, water resource management, food security, and human health, it is crucial to investigate the impacts of extreme climate events driven by temperature in future policy-making. Human societies must adapt and adjust based on these anticipated conditions. Therefore, studying the intensity, frequency, and timing of extreme events and raising awareness about them can effectively address environmental challenges and enable rational planning to mitigate and reduce these events.
Keywords: Climate Change, Drainage Basin, Downscaling, Growing Season, Spatio-Temporal -
Pages 302-315Introduction
Currently, drought poses a significant threat to food security due to reduced rainfall and increased agricultural demand. Its impact is particularly severe in arid and semi-arid regions, where populations are more vulnerable. Drought affects groundwater systems by initially lowering water supply, followed by a decline in groundwater levels and discharge. Compared to other types of drought, characteristics such as duration, intensity, and frequency alter groundwater systems.
Materials and methodsGiven the critical need for drought assessment and monitoring, this study investigated drought conditions in 12 areas within the Daranjir Watershed from 2002–2003 to 2017-2018. The watershed spans approximately 50,736.44 km² across Yazd and Kerman provinces, with elevations ranging up to 1,857.90 meters. Highlands cover 58.99% of the area, while plains cover 40.99%. Data on groundwater levels from observation wells were obtained from Iranian Water Resources Research Organization (Tamab) and regional water organizations in Yazd and Kerman provinces. Average monthly groundwater level values were then extracted from maps using inverse distance weighting interpolation in MATLAB. Groundwater drought conditions were subsequently calculated based on the Groundwater Resources Index (GRI) in MATLAB.
Results and discussionThe GRI index calculations revealed severe droughts in Daranjir, Bardsir, and Qaryeh al-Arab deserts, with deficits of 81.38, 77.75, and 75.66, respectively. Qaryeh al-Arab experienced the longest drought, spanning 121 months, indicating the area's high intensity and prolonged drought conditions compared to other study areas. Mild droughts were the most frequent after normal drought across all study areas based on GRI index class frequencies.
ConclusionsDue to insufficient and highly variable atmospheric precipitation, drought is inevitable, especially in arid and semi-arid climates. Understanding drought severity and its impact on ecosystems is crucial for effective watershed resource management and optimal resource utilization. Continuous monitoring of groundwater levels due to drought and preparation of a comprehensive atlas for other watersheds in the country are recommended. Additionally, comparing drought conditions using appropriate models is essential. Short and long-term strategies are advised to mitigate this natural phenomenon, such as expanding greenhouse crop cultivation, utilizing drought-resistant crop varieties with high water efficiency, adopting pressurized irrigation systems, and implementing infrastructure projects to enhance groundwater and surface water storage, such as cement dams, reservoirs, and floodwater spreading systems in the study area.
Keywords: Climate Change, GRI Index, Spatial Distribution, Water Extraction, Water Resource Management
