فهرست مطالب

پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز - پیاپی 29 (بهار و تابستان 1403)

پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز
پیاپی 29 (بهار و تابستان 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/04/11
  • تعداد عناوین: 12
|
  • سید حمیدرضا صادقی*، مهین کله هویی، فائزه کمری یکدانگی، مجید رادکیانپور، یوسف دادی زاده صفحات 1-13
    مقدمه و هدف

    فرسایش خاک، یکی از عمده ترین انواع تخریب اراضی است که جامع بشری را با مشکلات جدی مواجه می کند. میزان فرسایش خاک شاخصی جامع برای ارزیابی درجه توسعه یافتگی و پایداری برنامه های مدیریتی سرزمینی کشورهاست. ارزیابی وضعیت و گسترده مکانی انواع فرسایش خاک در کشورهای درحال توسعه به ضرورتی مهم تبدیل شده است. اقدامات زیستی به عنوان راه کاری مناسب برای مهار فرسایش خاک در مراحل ابتدایی انواع فرسایش به عنوان رویکردی ضروری توصیه شده است. یکی از مهم ترین روش های حفاظت منابع خاک و آب به‎لحاظ استفاده کم از عملیات خاک‎ورزی، دخالت و دست کاری محدود در طبیعت، مقرون به صرفه بودن و کارایی بهتر نسبت به اقدامات سازه ای، استفاده از روش های زیستی است. با توجه به این که تاکنون توجه محدودی به کاربست رویکرد زیستی در مهار فرسایش خاک معطوف شده است. ازاین رو، پژوهش حاضر باهدف به کارگیری الگوی مدیریت زیستی در حوزه آبخیز کیلانبر واقع در استان کرمانشاه انجام شده است.

    مواد و روش ها

    پس از تهیه و ترکیب لایه های ارتفاع از سطح دریا، جهت و تندی شیب در محیط سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) 38 واحد کاری تهیه شد. سپس برای بهبود عملکرد و تصمیم گیری واحدهای با مساحت زیر 300 هکتار ادغام و نهایتا بر اساس نظر کارشناسی و فنی مدیر آبخیز و با لحاظ مبانی مختلف، 14 واحد کاری با قابلیت انجام اقدامات مدیریتی زیست مهندسی در حوزه آبخیز کیلانبر استخراج شد. لازم به ذکر است که حوزه آبخیز کیلانبر در غرب استان کرمانشاه و شهرستان روانسر واقع شده است. مساحت محدوده موردمطالعه حدود 10798 هکتار است. بلندترین و پست ترین نقطه ارتفاعی آبخیز به‎ترتیب 2183 و 1388 متر از سطح دریا و متوسط بارش و دما و رطوبت نسبی سالانه به‎ترتیب 533 میلی متر و 11/4 درجه سانتی گراد و 45/1 درصد است. وضعیت فرسایش خاک بر اساس جدول امتیازدهی عوامل هفت گانه مدل BLM در هر واحد کاری بر اساس بازدید میدانی و نظرات کارشناسی تکمیل و نقشه سیمای فرسایشی در واحدهای کاری تهیه شد. سپس نمودارهای آمبروترمیک و هایترگراف با استفاده از داده های 30 ساله بارش و دمای ایستگاه سینوپتیک روانسر، به منظور تعیین دوره خشک سالی و ترسالی و برای تعیین گیاهان مناسب با ویژگی های منطقه ترسیم شد. نقشه اقلیمی-کشاورزی نیز با استفاده از داده های ایستگاه هواشناسی شیب دما، بارش و تبخیر و تعرق تهیه و تلفیق آن ها در محیط GIS استخراج و در آخر گونه های گیاهی مطابق با توقعات بوم شناسی برای رویکرد زیستی آبخیز انتخاب شد.

    یافته ها

    مطابق نتایج جدول BLM یک واحد کاری در وضعیت فرسایشی جزئی، هشت واحد کاری در وضعیت کم و پنج واحد کاری دیگر در شرایط فرسایشی متوسط قرارگرفته است. مطابق نقشه سیمای فرسایش، عمده منطقه موردمطالعه حدود 70 درصد از حوزه آبخیز در وضعیت فرسایشی کم و متوسط قرار داشته است که طبعا قابلیت بالای بهره گیری از شیوه مناسب اقدامات زیستی در مهار فرسایش خاک را تائید نمود. مطابق نمودارهای آمبروترمیک و هایترگراف، از خرداد تا شهریور دارای ماه های خشک بوده و تغییرات بارشی نسبت به دما در مهر تا اردیبهشت بیش تر بوده است. بر اساس نقشه اقلیمی-کشاورزی، منطقه در پنج رده قرارگرفته که به‎ترتیب رده چهار و یک با 4819/3 و 364/83 هکتار دارای بیش ترین و کم ترین مساحت بوده است. درنهایت پهنه بندی گونه های مرتعی مناسب در آبخیز مطالعاتی نشان داد که در منطقه، گونه های مرتعی گون، یولاف وحشی، خارزردک، بومادران، علف پشمکی، جو وحشی بخش غالب منطقه را تشکیل داده است. بر همین اساس، انتخاب گونه های گیاهی متناسب با شرایط آبخیز مطالعاتی، رویکرد حفاظتی و ترویجی در کشاورزی، حفظ حریم بوم شناختی رودخانه و جلوگیری از تغییر کاربری اراضی برای منطقه موردمطالعه صورت گرفت. استفاده از پوشش گیاهی بوم‎سازگان‎ مرتعی از منظر ممانعت فیزیکی تاج پوشش در برخورد مستقیم قطرات باران بر سطح خاک، افزایش نفوذ آب در خاک، تثبیت خاکدانه ها از طریق ریشه ها، افزایش ظرفیت چرا و تولید دامی و افزایش کارایی و بازده آن با گذشت زمان حائز اهمیت است.

    نتیجه گیری

    اقدامات زیستی فرسایش یک رویکرد مبتنی بر شرایط حاکم بر بوم‎سازگان‎ و راه کاری موثر، کم هزینه و از همه مهم تر سازگار با محیط زیست است که قابلیت کاربست در دست یابی به مدیریت پایدار منابع خاک و آب در اغلب بوم‎سازگان‎ را دارد. در همین راستا به منظور به کارگیری روش های اقدامات زیستی در بخش هایی از ‎آبخیز که از وضعیت فرسایشی ضعیف و متوسطی برخوردار بوده، می توان از طریق مدیریت کاربری ها، استفاده از پوشش گیاهی بومی آبخیز در سطح مراتع و کشاورزی بدون خاک ورزی در سطح اراضی کشاورزی، فرسایش خاک را به خوبی تحت مدیریت قرار داد. ازاین رو پژوهش حاضر باهدف ارائه الگوی اقدامات زیستی فرسایش در حوزه آبخیز کیلانبر انجام شد. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که در 67 درصد از مساحت کل آبخیز، می توان فرسایش خاک در دو کاربری عمده مرتع و کشاورزی را از طریق روش های مبتنی بر اقدامات زیستی مهار کرد. شایان ذکر است استفاده از الگوی اقدامات زیستی فرسایش نیازمند بررسی های جامع و همه جانبه ای است که می بایست با در نظر گرفتن بخش های مختلف بوم‎سازگان‎ آن را موردتوجه قرارداد. به‎هر تقدیر، رویکرد پیشنهادی در پژوهش حاضر را می توان در سایر حوزه های آبخیز کشور با وضعیت فرسایشی خفیف تا متوسط و با رعایت اصل جامع نگری و شرایط حاکم بر آبخیز موردنظر، به‎کار گرفت.

    کلیدواژگان: اقدامات مدیریتی، حفاظت خاک وآب، مدیریت آبخیز، مدیریت فرسایش خاک
  • فائزه جعفری، حمیدرضا مرادی*، علی باقری صفحات 14-28
    مقدمه و هدف

    تغییر اقلیم به‎ صورت مستقیم روی مولفه ‎های هیدرولوژیک و منابع آبی تاثیرگذار است و جریان خروجی از حوضه را تحت تاثیر قرار می‎دهد. محاسبه میزان تغییرات احتمالی در مقادیر بارش و رواناب نقش مهمی در سیاست‎گذاری و برنامه ریزی منابع آب در شرایط تغییر اقلیم خواهد داشت. در این پژوهش شبیه‎ سازی رواناب حوزه‎ های آبخیز شرق استان مازندران (تالار، تجن، نکارود و بابل‎رود) تحت تاثیر تغییر اقلیم در دوره زمانی آتی (2040-2021) مورد بررسی قرار گرفت.

    مواد و روش‎ها: 

    برای بررسی تغییر اقلیم، از یکی از مدل‎های گردش عمومی جوی- اقیانوسی با نام HadGEM2 تحت سناریوهای اقلیمی (RCP 2.6 و RCP 8.5) استفاده شده است. برای ریزمقیاس نمایی داده ‎های اقلیمی از مدل Lars-WG طی سه مرحله کالیبره کردن داده ها، ارزیابی داده‎ها و تولید داده‎های هواشناسی برای دوره آتی استفاده شد. برای این‎منظور از داده ‎های روزانه بارش، بیشینه و کمینه دما و ساعات آفتابی ایستگاه‎های منتخب چهار حوضه در دوره فعلی (2016-1997) استفاده و مدل برای دوره پایه اجرا شد. پس از اطمینان از توانایی مدل Lars-WG در شبیه ‎سازی داده‎ های هواشناسی از طریق مقایسه داده‎های تولید شده توسط مدل HadGEM2 و داده ‎های مشاهداتی موجود در دوره پایه، این مدل جهت تولید داده‎ های آتی با استفاده از سناریوهای اقلیمی (RCP 2.6 و RCP 8.5) اجرا شد و مقادیر روزانه داده‎های اقلیمی بارش، بیشینه و کمینه دما و ساعات آفتابی 40 سال آینده (2021-2060) تولید و شبیه‎سازی شد. برای شبیه‎سازی جریان در دوره آتی و بررسی اثر تغییر اقلیم بر رواناب، از مدل هیدرولوژیکی IHACRES که یک مدل پیوسته مفهومی- دینامیکی برای شبیه‎ سازی بارش-رواناب در مقیاس حوضه است، با استفاده از سناریوهای اقلیمی استفاده شد. به این منظور، داده ‎های بارش، دمای میانگین و دبی روزانه دوره فعلی (2016-1997) چهار حوضه وارد نرم‎افزار IHACRES شد. سپس دو دوره زمانی 2008-1997 و 2016-2009 به‎ترتیب برای واسنجی و اعتبارسنجی به‎ منظور تعیین عملکرد مدل IHACRES در توانایی شبیه‎ سازی دبی دوره آتی انتخاب شد. پس از واسنجی و اعتبارسنجی، داده‎های اقلیمی تولید شده توسط مدل HadGEM2 وارد IHACRES شد و سری روزانه دبی برای دوره آتی (2040-2021) پیش‎بینی شد. سپس میانگین سالانه دبی‎های مشاهداتی در دوره فعلی و دبی‎های شبیه ‎سازی شده در دوره آتی تحت سناریوهای RCP 2.6 و RCP 8.5 و همچنین متوسط 20 ساله رواناب در ایستگاه ‎ها در دوره آتی با دوره مشاهداتی مقایسه و ارزیابی شد.

    یافته‎ ها:

     یافته‎ های حاصل از بررسی تغییر اقلیم نشان داد در هر چهار حوضه، میانگین ماهانه دمای کمینه و دمای بیشینه در تمامی ماه ‎های سال دوره آتی در هر دو سناریو RCP 2.6 و RCP 8.5 نسبت به دوره فعلی (2016-1997) افزایش یافت. میانگین ماهانه بارش در هر دو سناریو نسبت به دوره فعلی روند ثابتی ندارد و در ماه‎های مختلف متفاوت است. یافته ‎های حاصل از پیش‎بینی رواناب نشان داد تغییرات دبی حوضه‎ها تحت شرایط تغییر اقلیم نسبت به دبی دوره فعلی، ثابت نیست که دلیل آن می‎تواند ثابت نبودن روند تغییرات بارش دوره آتی نسبت به دوره فعلی باشد. همچنین در برخی سال‎ها در دوره آماری آتی علی‎رغم افزایش میانگین بارش، دبی در دوره آینده کاهش می‎یابد که احتمالا دلیل آن‎را می‎توان به افزایش دما در دوره آتی بر اثر تغییر اقلیم ارتباط داد. اما در مورد افزایش دبی علی‎رغم کاهش میانگین بارش آن سال، یکی از دلایل آن می‎تواند امکان رخداد بارش‎های با شدت بالا یا رگباری در آن سال موردنظر باشد که باعث افزایش میزان دبی شده است. متوسط 20 ساله دبی پیش ‎بینی شده در ایستگاه‎ های منتخب حوضه تالار، تجن و نکارود در دوره آتی برای هر دو سناریو RCP 2.6 و RCP 8.5 نسبت به دوره فعلی کاهش داشته است، اما در ایستگاه منتخب حوضه بابلرود، این مقدار در سناریو RCP 2.6 نسبت به دوره فعلی افزایش داشته است. در ایستگاه پل سفید در حوضه تالار، دبی شبیه‎ سازی شده تحت سناریو RCP 2.6 برابر با 6/18 و سناریو RCP 8.5 برابر با 6/12 متر مکعب بر ثانیه به ‎دست آمده که در مقایسه با دبی مشاهداتی که برابر با 7/41 مترمکعب بر ثانیه می‎باشد، کاهش نشان می‎دهد. در ایستگاه سلیمان تنگه در حوضه تجن دبی پیش‎بینی شده تحت سناریو RCP 2.6 برابر با 7/33 و سناریو RCP 8.5 برابر با 7/29 متر‎مکعب بر ثانیه به‎دست آمده که در مقایسه با دبی مشاهداتی که برابر با 9/82 مترمکعب بر ثانیه می‎باشد، کاهش یافته است. در ایستگاه سفیدچاه در حوضه نکارود دبی شبیه‎سازی شده تحت سناریو RCP 2.6 برابر با 3/85 و سناریو RCP 8.5 برابر با 3/72 مترمکعب بر ثانیه به‎دست آمده که در مقایسه با دبی مشاهداتی که برابر با 4/10 مترمکعب بر ثانیه می‎باشد، کاهش می‎یابد. اما در ایستگاه بابل در حوضه بابل‎رود، دبی تحت سناریو RCP 2.6 برابر با 11/40 مترمکعب بر ثانیه پیش‎بینی شد که نسبت به دبی دوره مشاهداتی که برابر با 11/34 مترمکعب بر ثانیه می‎باشد، افزایش یافته است، در صورتی‎که دبی تحت سناریو RCP 8.5 با مقدار برابر با 11/22 مترمکعب بر ثانیه کمتر از دبی مشاهداتی شبیه‎ سازی شد.

    نتیجه‎ گیری:

     به‎ طور کلی تاثیر تغییرات اقلیمی بر منابع آب یکی از چالش‎های پیش‎روی برنامه‎ریزان منابع آب است و می‎تواند پیامدهای جدی را متوجه اکوسیستم‎ها و جوامع کند. بر اساس یافته‎های پژوهش و اهمیت آثار تغییر اقلیم در وضعیت هیدرولوژی حوضه‎های منطقه مطالعاتی، اعمال سیاست‎های مناسب به‎منظور مدیریت پایدار منابع آب ضروری است.

    کلیدواژگان: تغییر اقلیم، شبیه‎ سازی رواناب، مدل ریزمقیاس نمایی Lars-WG، مدل هیدرولوژیکی IHACRES، واسنجی
  • سهیلا ملایری، محمد بشیرگنبد* صفحات 29-39
    مقدمه و هدف

    همه ساله با نفوذ سامانه های بارشی و همچنین شرایط محلی که بیشتر تحت تاثیر فعالیت های غیراصولی بشر است، سیل خسارات زیادی به منابع طبیعی، سکونت گاه ها و پروژه ها وارد می کند. گاهی در اثر سیلاب ایستگاه های هیدرومتری تخریب شده و یا اینکه حوزه آبخیز کوچک فاقد ایستگاه هیدرومتری می باشند، درنتیجه برآورد رواناب و دبی های حداکثر سیلاب نیازمند روش مناسبی است تا در این حوضه ها، مقادیر رواناب و سیلاب محاسبه شده و از خسارات آن ها پیشگیری شود. پیشگیری از این خسارات زمانی اهمیت دوچندانی دارد که حوضه موردمطالعه مشرف به مکان هایی با تراکم بالای سکونتگاه و تاسیسات شهری باشد که می تواند جان بسیاری از ساکنین را تهدید نماید. در این تحقیق حوزه آبخیز مشرف به شهر ملایر به منظور برآورد میزان رواناب در هریک از زیر حوضه های آن موردبررسی قرار گرفت.

    مواد و روش ها

    حوزه آبخیز مشرف به شهر ملایر با وسعت 14700 هکتار از شمال تا شمال شرقی شهر کشیده شده است. پردازش مدل رقومی ارتفاعی و بازدید های میدانی منجر به شناسایی 5 زیر حوضه در منطقه مشرف به شهر شد. برای برآورد ارتفاع رواناب و حجم سیلاب در هر زیر حوضه از روش شماره منحنی استفاده شد. شدیدترین واقعه بارش به مقدار 88 میلی متر در روز با در دوره بازگشت 30 سال به عنوان بارش طراحی و مقدار بارش پیشین در 5 روز قبل از این واقعه با مقدار تجمعی 45/2 میلی متر لحاظ شد. برای محاسبه پارامترهای فیزیکی حوضه در این مطالعه با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی نقشه های توپوگرافی، زمین شناسی، پوشش گیاهی، خاک و همچنین نقشه کاربری اراضی رقومی یا تولید شد. با به کارگیری تصاویر سنتینل-2 که دارای 13 باند طیفی و توان تفکیک مکانی 10 متری است هم زمانی نقشه های وضعیت کاربری اراضی و بارش طراحی تامین شد. سپس با استفاده از تلفیق لایه های گروه های هیدرولوژیکی خاک، کاربری اراضی و پوشش گیاهی و با به کارگیری روش سرویس حفاظت خاک ایالات متحده، نقشه شماره منحنی تولید شد. با توجه به مقدار بارندگی 5 روز قبل و قرار گیری حوضه در شرایط رطوبت پیشین مرطوب، مقدار شماره منحنی برای حالت مرطوب تصحیح شد. مقادیر شماره منحنی با سه رویکرد شماره منحنی وزنی برای هر زیر حوضه، میانگین حسابی شماره منحنی هر زیر حوضه و رویکرد ارتفاع رواناب وزنی برای هر شماره منحنی در واحدهای کاری، مورد مقایسه قرار گرفت. از روش کرپیچ برای محاسبه زمان تمرکز هریک از زیر حوضه ها استفاده شد. در مرحله بعد با استفاده از داده های بارش حداکثر روزانه ایستگاه ملایر در دوره آماری 1991 تا 2021 با استفاده از رابطه سرویس حفاظت خاک ایالات متحده مقادیر ارتفاع بارش به ارتفاع رواناب تبدیل شد سپس میزان دبی اوج سیل برای هر زیر حوضه محاسبه گردید.

    یافته ها

    فقر پوشش گیاهی دائمی و وجود علفی های یک ساله از دلایل پتانسیل بالای زیر حوضه ها در تولید رواناب است. درنتیجه متوسط شماره منحنی در روش های میانگین حسابی و وزنی به ترتیب 79/09 و 81/46 است که نشان از توانایی بالای حوضه در تولید رواناب است. تبدیل مقادیر شماره منحنی به ارتفاع و دبی اوج سیل با استفاده از روش شماره منحنی وزنی و میانگین حسابی و در نهایت مقایسه نتایج آن با رویکرد محاسبه ارتفاع رواناب وزنی برای هر شماره منحنی در واحدهای کاری منطقه موردمطالعه اختلاف معنی داری را نشان نداد و درنهایت نقشه های ارتفاع رواناب و دبی اوج سیل مربوط به هر زیر حوضه ترسیم شد. زیر حوضه شمالی حوضه با میانگین ارتفاع رواناب 44/32 میلی متر و دبی اوج 168 مترمکعب در ثانیه بیشترین مشارکت را در گسیل سیل به سمت شهر ملایر داراست و زیر حوضه شماره 4 در بخش جنوب شرقی حوضه کمترین مشارکت را در تولید سیل دارد. همچنین در ارتباط بین مساحت و ارتفاع رواناب، نتایج نشان داد در هر سه روش محاسبه شماره منحنی و ارتفاع رواناب لزوما حوضه هایی که مساحت بیشتری دارد بیشترین مشارکت در وقوع سیل را نداشته و عوامل دیگری نیز در این نتایج نقش دارد که می توان گستردگی بیرون زدگی های سنگی و کاهش زمان تمرکز به دلیل شیب زیاد را از دلایل این مساله دانست. شکل گیری طولانی ترین آبراهه حوضه با 16314 متر طول در زیر حوضه شماره سه که پس از زیر حوضه شماره دو بیشترین دبی اوج سیل را داراست از نکات فنی موردبحثی است که می تواند تخلیه سریع دبی اوجی حدود 100 مترمکعب در ثانیه را به عهده داشته باشد؛ اما بررسی شیب طولی حدود دو درصدی آن حاکی از خطر بالای سیل گرفتگی ناشی از عدم تخلیه در بارش های با دوره بازگشت بالا است که به نوبه خود خطری جدی برای تهدیدات ناشی از سیل در بخش جنوب شرقی شهر است. تلاقی بخش انتهایی آبراهه اصلی با خروجی سایر زیر حوضه ها و تجمیع رواناب زیر حوضه های بالادست از مشکلات دیگری است که خطر آب گرفتگی مناطق پایین دست را افزایش می دهد.

    نتیجه گیری

    استفاده از روش شماره منحنی برای برآورد میزان رواناب تولیدشده در حوضه های مشرف به سکونتگاه ها که عمدتا فاقد ایستگاه هیدرومتری روش مناسبی است. حوزه آبخیز مشرف به شهر ملایر به دلیل وجود مراتع کم تراکم و کشاورزی دیم پتانسیل بالایی در تولید رواناب دارد به همین دلیل باید اقدامات اساسی آبخیزداری برای جلوگیری از ایجاد رواناب و سیل در مواقع بارندگی صورت گیرد.

    کلیدواژگان: بارش، رواناب، روش شماره منحنی، سیلاب شهری، شهر ملایر
  • علی اکبر غلامپور آهنگر، عیسی جوکار سرهنگی* صفحات 40-51
    مقدمه و هدف

    واریزه ها یکی از پدیده های مهم حرکت های دامنه ای در مناطق کوهستانی هستند. شرایط اقلیمی خشن و فراهم بودن ساختارهای تکتونیکی و زمین شناسی در ارتفاعات کوهستانی البرز مرکزی سبب شده است تا به اندازه قابل توجهی، واریزه ها در دامنه ها تشکیل شوند. مطالعه این فرآیند با تکیه بر دو الگوی فرصت و تهدید، اهمیت ویژه ای دارد. از این رو، پژوهش حاضر سعی دارد حساسیت وقوع جریان های واریزه ای دره هراز در محدوده پلور تا بایجان را واکاوی کرده و با ارائه شاخصی مناسب جهت اولویت بندی عوامل موثر در تشکیل و گسترش واریزه ها، به پهنه بندی دقیق تر آن دست یابد.

    مواد و روش ها

    در این راستا، تاثیر شش لایه اطلاعاتی شامل لیتولوژی، ارتفاع، شیب، جهت دامنه، فاصله از گسل، پوشش گیاهی و کاربری زمین بر رخداد و گسترش واریزه ها مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا با استفاده از نقشه زمین شناسی دماوند، با مقیاس 1:100000 و تصاویر گوگل ارث موقعیت واریزه ها در منطقه شناسایی و نقشه پراکنش آن پس از برداشت میدانی و ثبت نقاط به وسیله دستگاه GPS تهیه و به محیط GIS منتقل شد. نقشه های عوامل مستقل و تاثیرگذار برگسترش واریزه ها شامل لیتولوژی و فاصله از گسل از نقشه زمین شناسی دماوند و ارتفاع، شیب و جهت دامنه با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی ASTER تهیه شد. نقشه پوشش گیاهی و کاربری زمین از نقشه پوشش سراسری ایران با پردازش تصاویرSentinel  در پلتفرم  Google Earth Engine Cloudتهیه گردید. در مرحله بعد، نقشه پراکنش واریزه ها با هریک از نقشه های عوامل موثر قطع داده شد و وزن هر طبقه از متغیرها بر اساس مدل تراکم سطح بدست آمد و نقشه پهنه بندی گسترش واریزه ها در پنج طبقه حساسیت خیلی زیاد، زیاد، متوسط، کم و خیلی کم تهیه گردید. همچنین برای اولویت بندی عوامل موثر و تهیه نقشه دقیق تر، از میانگین وزن موثر شاخص حساسیت واریزه ها (DSI) استفاده شده است.

    یافته ها

    تحلیل عوامل موثر بر گسترش واریزه های منطقه مورد مطالعه با استفاده از مدل تراکم سطح نشان می دهد که واحدهای سنگی ملافیر (بازالت های هوازده) بیشترین وزن را در بین تمام واحدهای سنگی و کل عوامل موثر در گسترش واریزه های منطقه به خود اختصاص داده است. پس از آن، به ترتیب سنگ آهک بیوژنیک، پادگانه های آبرفتی و سازند لار از وزن و اهمیت بیشتری دارند. بررسی عامل ارتفاع نشان می دهد که از 2100 متر به بالا بر فراوانی واریزه ها افزوده شده و طبقه ارتفاعی 2400 تا 2700 متر از حساسیت بیشتری برخوردار است. از نظر عامل شیب، بیشتر واریزه های منطقه در شیب بین 10 تا 40 درجه مشاهده شده اند و بیشترین پوشش واریزه ای مربوط به طبقه شیب 20 تا 30 درجه می باشد. محاسبه تراکم سطح واریزه ها در جهت های مختلف نشان می دهد که دامنه های شمال غربی و شمالی بیشترین وزن و حساسیت را به خود اختصاص دادند. فرآیند یخبندان و ذوب برف در تخریب سنگ ها و ایجاد بیشتر واریزه ها در این دامنه ها مشهود است. بررسی فاصله از گسل نیز نشان داد فراوانی واریزه ها تا فاصله 1000 متری قابل توجه است و بیشترین وزن این لایه بر اساس تراکم سطح، مربوط به طبقه صفر تا 500 متری از گسل ها می باشد. گسل ها علاوه بر انتقال تنش های لرزه ای باعث نفوذ آب ناشی از ذوب برف به درون سنگ ها شده و در تخریب سنگ ها و ایجاد واریزه موثرند. از نظر پوشش گیاهی و کاربری، زمین های مرتع بیشترین میزان حساسیت واریزه ها را دارند. همچنین نتایج حاصل از تحلیل آماری تراکم سطح و تهیه نقشه پهنه بندی منطقه نشان داد که 5، 21/15، 29/78، 29/53 و 14/54 درصد از مساحت منطقه به ترتیب دارای حساسیت خیلی زیاد، زیاد، متوسط، کم و خیلی کم برای گسترش واریزه ها هستند. بر اساس مدل شاخص حساسیت واریزه (DSI)، کاربری زمین، جنس سنگ و شیب به ترتیب با میانگین وزن موثر 21/04، 20/12 و 18/72 بالاترین اولویت را داشته و عامل های اصلی کنترل کننده گسترش واریزه ها در منطقه هستند. عامل های ارتفاع، جهت دامنه و فاصله از گسل به ترتیب با میانگین وزن موثر 13/76، 12/92 و 10/67 در اولویت های بعدی قرار دارند.

    نتیجه گیری

    در پژوهش حاضر با استفاده از مدل تراکم سطح، پراکنش واریزه ها در طبقات مختلفی از متغیرهای مستقل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و اهمیت هر طبقه از پارامترهای موثر در گسترش واریزه ها بر اساس وزن دهی لایه ها نسبت به هم تعیین شد. برای ارزیابی کارآمدی نتایج مدل تراکم سطح و صحت سنجی عملکرد آن، نقشه پهنه بندی گسترش واریزه ها با استفاده از مدل شاخص حساسیت واریزه نیز تهیه شد. ارزیابی دقت مدل ها با استفاده از رابطه احتمال تجربی (P) نشان داد که مدل های تراکم سطح و DSI به ترتیب با احتمال 0/79 و 0/80 برای پهنه بندی حساسیت واریزه ها در منطقه مناسب هستند. طبقات حساسیت زیاد تا خیلی زیاد گسترش واریزه حدود 26 درصد از سطح منطقه را پوشش داده که از یک منظر توان محیطی به حساب می آید، به طوری که با تشکیل ذخیره حجمی به عنوان یک کانسار رسوبی جهت مصرف در سازه های مهندسی قابل بهره برداری هستند و از منظر دیگر خطر بالقوه در زمینه های کشاورزی، مناطق مسکونی و سازه های هیدرولیک محسوب می شوند.

    کلیدواژگان: تراکم سطح، جریان های واریزه ای، شاخص حساسیت واریزه، هراز
  • بهناز عسکری، مهران نصیری*، مجید لطفعلیان صفحات 52-62
    مقدمه و هدف

    حفاظت و احیاء خاک های فاقد پوشش همراه با هدایت و دور ساختن رواناب سطحی از خاک، روشی کارآمد جهت کاهش فرسایش خاک در مناطق حساس و مستعد فرسایش است. از جمله فعالیت های بازدارنده فرسایش خاک حفظ پوشش گیاهی طبیعی منطقه و سپس تثبیت خاک های لخت و فاقد پوشش به کمک روش های موقتی یا دائمی می باشند. در پژوهش حاضر با هدف تثبیت موقت خاک از پوشش های حفاظتی نظیر پارچه کنفی، کاه و کلش، خرده چوب، پوشش علفی فستوکا و سوپر جاذب نانو زئولیت به منظور کاهش میزان رواناب و رسوب استفاده شد.

    مواد و روش ها

    به منظور بررسی میزان رواناب و رسوب در دامنه های اطراف جاده جنگلی واقع در جنگل آموزشی پژوهشی دارابکلا، ابتدا کرت هایی با ابعاد 50*70 سانتی متر و عمق 10 سانتی متر که با استفاده از ورق گالوانیزه ساخته شدند، در مناطقی با شیب یکسان دامنه (شیب 3 درصدی) قرار گرفتند. سپس تشک های کنترل فرسایش، ساخته شده از پارچه کنفی پرشده با تیمارهایی از قبیل: خرده چوب، کاه و کلش و سوپرجاذب نانوزئولیت تهیه و جهت قرارگیری در کرت ها آماده شدند. تیمارهای دیگر نیز که شامل: پارچه کنفی، گونه علفی فستوکا و گونه علفی فستوکا به همراه پارچه کنفی نیز درون کرت ها قرار داده شد. سپس شبیه سازی باران به مدت 30 دقیقه با شدت 50 میلی متر بر ساعت در آذرماه سال 1401 شبیه سازی شد. میزان رواناب خروجی کرت ها پس از هر رخداد بارش در فواصل زمانی 5 دقیقه ای با استفاده از استوانه مدرجی که در پایین کرت ها قرار داده شده بود، اندازه گیری و ثبت شد. میزان رسوب نیز بعد از ته نشینی رواناب و عبور از کاغذ صافی، به مدت 24 ساعت در آون، تحت دمای 105 درجه سانتی گراد، خشک و توزین شد. غلظت رسوب نیز از تقسیم میزان رسوب بر حجم رواناب، بر حسب گرم بر لیتر، محاسبه شده است. تجزیه و تحلیل داده ها با استفاده از آنالیز واریانس یک طرفه برای 7 تیمار انجام شد. برای مقایسه میانگین ها از آزمون دانکن استفاده شد. همچنین از آنالیز همبستگی پیرسون به منظور بررسی رابطه بین رواناب و غلظت رسوب در تیمارهای مختلف استفاده شد.

    یافته ها

    نتایج تجزیه و تحلیل های آماری نشان داد که بیش ترین مقدار رواناب مربوط به تیمار شاهد،  0/77 میلی متر بر ساعت و کم ترین مقدار مربوط به تیمار کاه و کلش و گونه علفی فستوکا که به ترتیب 0/24 و 0/27 میلی متر بر ساعت بود. به طور کلی تیمار کاه و کلش میزان رواناب را 69%  و تیمار گونه علفی فستوکا 64% کاهش دادند. نتایج مربوط به غلظت رسوب نیز نشان دهنده ی کاهش 63 درصدی و 52 درصدی میزان رسوب نمونه ها نسبت به تیمار شاهد بود که به ترتیب مربوط به تیمار پوشش کنفی و پوشش کنفی به همراه گونه فستوکا بود.

    نتیجه گیری

    نتایج این پژوهش نشان داد که استفاده از تشک کنترل فرسایش با ترکیب های مواد مختلف مانند کاه و کلش، نانوزئولیت و خرده چوب به همراه پوشش علفی گونه فستوکا می تواند حجم رواناب را کاهش دهد و سبب تقلیل فرسایش و هدر رفت خاک به خصوص در ترانشه های جاده جنگلی که دارای خاک های بدون پوشش گیاهی هستند شود. همچنین پوشش علفی مانند فستوکا با به تاخیر انداختن ظهور رواناب، باعث افزایش نفوذپذیری آب در خاک شده و از هدررفت خاک جلوگیری می کند. بنابراین بکارگیری این تشک ها می تواند سبب کاهش فرسایش خاک در اطراف جاده های جنگلی شود.

    کلیدواژگان: خرده چوب، شبیه ساز باران، کاه و کلش، نانوزئولیت
  • نیما شفیعی کیگاسری، سید عطاالله حسینی*، حمیدرضا پورقاسمی صفحات 63-77
    مقدمه و هدف

    زمین لغزش ها از جمله مخاطرات محیطی است که هرساله موجب خسارات زیاد جانی و مالی در قسمت های وسیعی از نواحی کوهستانی کشورمان می شود، از این رو شناسایی عوامل مهم و موثر بر وقوع  این پدیده، می تواند به عنوان ابزاری کاربردی در کاهش زیان احتمالی مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین شناخت عوامل محیطی تاثیرگذار در شکل گیری وقوع زمین لغزش در شبکه های ارتباطی جنگلی از اهمیت زیادی برخوردار است. شهرستان رامسر به دلیل توپوگرافی عمدتا کوهستانی، و فعالیت زمین ساختی زیاد، پتانسیل طبیعی برای زمین لغزش های گسترده در حریم شبکه های ارتباطی را دارد. هدف از این پژوهش، پهنه بندی حساسیت پذیری وقوع زمین لغزش در محدوده شهرستان رامسر با در نظر گرفتن عوامل موثر به خصوص شبکه جاده های جنگلی و استفاده از قابلیت های سیستم اطلاعات جغرافیایی می باشد.

    مواد و روش ها

    بدین منظور در ابتدا موقعیت زمین لغزش ها با استفاده از مطالعات میدانی، گزارش های تاریخی و تصاویر گوگل ارث مشخص شد. در مجموع 95 زمین لغزش در منطقه شناسایی، که به دو گروه برای مدل سازی (70 درصد) و ارزیابی (30درصد) تقسیم شد. جهت تحلیل مکانی حساسیت پذیری وقوع زمین لغزش معیارهایی از قبیل: شیب، جهت شیب، کاربری اراضی، فاصله از مراکز سکونتی، انحنای زمین، بارش، دما، فرسایس، ارتفاع، تراکم پوشش گیاهی، واحدهای سنگ شناسی، بافت خاک، تراکم آبراهه، فاصله از جاده، و شاخص رطوبت توپوگرافی مورد استفاده قرار گرفت. به منظور محاسبه تراکم و میزان سبزی پوشش گیاهی از پروداکت 16 روزه ماهواره لندست 8  در محیط سامانه گوگل ارث انجین استفاده گردید و خروجی نهایی با روش های رگرسیون وزنی در GIS محاسبه شد. تمامی فرآیندها و تجزیه تحلیل داده ها در محیط Excel و نرم افزار (ArcMap) انجام شد. همچنین به منظور ارزیابی و اعتبار سنجی مدل ها از منحنی تشخیص عملکرد نسبی (ROC) استفاده شد.

    یافته ها

    مهمترین عوامل تاثیرگذار در حساسیت پذیری زمین لغزش شامل نوع خاک، شیب زمین، پوشش گیاهی، زمین شناسی،جریان های هیدروژئولوژیکی، توپوگرافی، میزان بارندگی و خطوط ارتباطی هستند. پهنه های با حساسیت پذیری وقوع زمین لغزش و تراکم زمین لغزش ها در مناطقی نمایان شده است که عمدتا مناطق حاشیه محور های مواصلاتی را شامل می شود. به دلیل احداث گسترده ساختمان ها و تاثیرات جانبی جاده سازی، و همچنین به دلیل تخریب شیب طبیعی زمین برای ایجاد جاده و گسترش آن، در این مناطق به وقوع پیوسته است. تطبیق پارامتر های موثر بر وقوع زمین لغزش با لایه پراکنش زمین لغزش ها نشان داد حدود 76 درصد از زمین لغزش ها در محدوده شیب 11 - 38 درجه رخ داده اند. فرسایش دامنه ها به وسیله جریان های پرسرعت سیلابی، باعث بروز بیش از 63 درصد از زمین لغزش ها تا فاصله 500 متری از آبراهه ها شده است. در کنار سه عامل اصلی نوع خاک، شیب طبیعی زمین، فرسایش دامنه ها وقوع خطرزمین لغزش، بازسازی و توسعه جاده بدون در نظر گرفتن اصول پایداری شیب باعث از بین رفتن تکیه گاه در شیب های تند شده و در صورت مساعد بودن سایر شرایط، بروز زمین لغزش را سبب شده است. بیش از نیمی از زمین لغزش رخ داده در منطقه در تناوبی از سنگ، شیل، ماسه سنگ، سنگ جوش، همراه با لایه هایی از زغال رخ داده اند. قطع لایه زمین لغزش رخ داده با طبقات فاصله از جاده نشان داده رخ داد زمین لغزش تا فاصله 400 متری از جاده به دلیل تاثیر مستقیم عملیات راه سازی و ترانشه زنی در به هم زدن تعادل دامنه های مشرف به جاده بوده است، به گونه ای که با دور شدن از جاده اصلی مساحت زمین لغزش ها به تدریج کم تر می شود. نتایج نشان داد مدل نسبت فراوانی (Frequency ratio models) با سطح زیر منحنی 0/760 دقت قابل قبولی برای تهیه نقشه حساسیت زمین لغزش ارائه کرده است. نتایج به دست آمده نقشه نهایی حساسیت پذیری وقوع زمین لغزش نشان دهنده آن است که طبقه 5 با ضریب حساسیت پذیری خیلی زیاد 13/06 درصد از کل مساحت منطقه، طبقه4 با ضریب حساسیت پذیری زیاد 16/35 درصد، طبقه3 با ضریب حساسیت پذیری متوسط22/32 درصد، طبقه 2 با ضریب حساسیت پذیری کم27/46 درصد، طبقه1 با ضریب حساسیت پذیری خیلی کم20/79 درصد را به خود اختصاص داده اند در نتیجه31/79 درصد از کل منطقه در معرض لغزش شدید قرار دارد.  با توجه به نقشه نهایی و  ارتباط نزدیک بین حضور جاده و وقوع زمین لغزش می توان بیان داشت که جاده های شمال غربی و شرقی  شهرستان رامسر بیش تر در معرض وقوع زمین لغزش هستند.

    نتیجه گیری

    به نظر می رسد حذف پوشش گیاهی، تغییر مسیر آبراهه ،تغییر شیب طبیعی زمین،برداشت خاک ها و سنگ ها برای ساخت جاده در منطقه باعث بروز زمین زلغزش ها در اطراف جاده های جنگلی شده است. محدوده های حاشیه محورهای مواصلاتی افتراق زیادی بین ضرایب حساسیت پذیری نشان داده اند، که این امر نشان دهنده اهمیت بالقوه وقوع زمین لغزش در این مناطق است. می توان نتیجه گرفت که ارائه توصیه ها و راه کارهای مناسب برای کاهش ریسک های زمین لغزش ها، بهبود مدیریت مناطق و اجرای استراتژی های پیشگیرانه در این منطقه بسیار ضروری است. این تحقیق نشان می دهد که با انجام تحلیل های دقیق و انطباق با وضعیت محیطی، می توان تدابیر موثری را به منظور کاهش آثار زمین لغزش ها و افزایش پایداری مناطق اجرایی کرد. از این رو، ترکیبی از تحلیل های زمین شناسی، هیدروژئولوژی، توپوگرافی و اطلاعات جغرافیایی می تواند به عنوان یک ابزار موثر برای مطالعه، پیش بینی و مدیریت ریسک زمین لغزش ها در مناطق کوهستانی استفاده شود.

    کلیدواژگان: پهنه بندی، جاده، روش های آماری، لغزش، مدلسازی
  • حسن رضایی مقدم*، واحدبردی شیخ، مریم آذرخشی، محسن حسینعلی زاده، جهانگیر محمدی صفحات 78-93
    مقدمه و هدف

    برنامه ریزی های کلان و منطقه ای نیازمند داده های اندازه گیری شده از متغیرهای محیطی از جمله رواناب و رسوب معلق خروجی از آبخیزها است. داده، پایه و اساس تولید اطلاعات و دانش است و مدیریت علمی یک سیستم بدون پایش و اندازه گیری آن مقدور نیست. مدیریت سیستم آبخیز و منابع آب نیز از این قاعده کلی مستثنی نیست. با توجه به توسعه اقتصادی - اجتماعی جوامع، تغییرات اقلیمی و فشار فزاینده بر منابع طبیعی و آبخیزها و بالتبع افزایش سیلاب ها و رسوبات ناشی از آن ها، در آینده نزدیک، احتمالا الزام بیشتری برای دستیابی به اطلاعات صحیح تر درباره رسوب و رواناب وجود خواهد داشت.اگرچه ابزار و ادوات متعددی برای اندازه گیری مولفه های رواناب و رسوب توسط تعدادی از شرکت های خارجی تولید و روانه بازار شده اند، اما ازیک سو قیمت تمام شده آنها در کشور ایران بسیار بالا است و از سوی دیگر دستگاهی که بطور یکجا هر دو مولفه را پایش نماید وجود ندارد. از طرفی پیش نیاز شبیه سازی دقیق و کارآمد داده و اطلاعات دقیق و کافی جهت واسنجی و اعتبارسنجی مدل های شبیه سازی می باشد. داده و اطلاعات به عنوان ابزاری مهم در مدیریت و برنامه ریزی منابع آب و آبخیزها محسوب می شوند. فراهمی داده و اطلاعات در مدیریت سیستم آبخیز و منابع آب، به ارتقای بهره وری و بهینه سازی استفاده از منابع آب، پیشگیری از خطرات طبیعی مانند سیلاب و خشکسالی، مدیریت کیفیت آب، بهبود مدیریت عرضه و تقاضای آب کمک می کند. بنابراین، هدف این پژوهش، طراحی و ساخت یک دستگاه پایش سیل و رسوب با قابلیت ثبت خودکار ارتفاع جریان رواناب خروجی از آبخیزها و نمونه برداری برنامه ریزی شده از رواناب جهت اندازه گیری بعدی رسوب معلق با استفاده از سنسورها و ادوات ارزان قیمت می باشد.

    مواد و روش ها

    در این پژوهش یک دستگاه پایش رواناب خروجی و نمونه بردار رسوب معلق طراحی و ساخته شد که در خروجی زیر حوضه مورد مطالعه نصب شد. بدین منظور، سطح مقطع منظمی در خروجی زیرحوضه مورد مطالعه احداث گردیده و با نصب این دستگاه ابتکاری، هیدروگراف سیلاب خروجی حوضه و نمونه برداری بار معلق رسوب انجام شد. در این پژوهش از سنسورهای رطوبت سنج آنالوگ جهت اندازه گیری ارتفاع رواناب با فواصل 3 سانتی متر (دقت اندازه گیری 3 سانتی متر) استفاده شده است. جهت برداشت نمونه رسوب از پمپ هایDC سوپاپ دار استفاده شد که با ایجاد خلا در ظروف نمونه گیر باعث انتقال نمونه رواناب به داخل ظروف می گردد. برای ارزیابی قابلیت دستگاه در شرایط واقعی و طبیعی، دستگاه طراحی شده، طی مدت دو سال در خروجی یکی از زیر حوضه های اراضی لسی شرق گلستان در بالادست روستای قپان علیا از توابع شهرستان کلاله نصب گردید تا در صورت وقوع رخداد سیل، هیدروگراف آن ثبت شده و اگر ارتفاع سیل به مقادیر تعریف شده توسط کاربر (ارتفاع 20 و 60 سانتی متری رواناب در شاخه صعودی و یک نمونه رواناب در 20 سانتی متری ارتفاع رواناب در شاخه نزولی هیدروگراف سیلاب) رسید نسبت به تهیه و ذخیره نمونه رواناب در یک بطری با گنجایش نیم لیتری اقدام نماید و همزمان با اخذ نمونه رواناب، به کاربر پیامک هم ارسال نماید تا نسبت به جایگزینی ظروف پر شده با ظروف خالی نمونه برداری اقدام نماید. شایان ذکر است این دستگاه امکان برداشت نمونه رواناب به هر تعداد و در هر ارتفاعی را با توجه به نیازهای تحقیقاتی دارا می باشد. از مزایای برجسته این دستگاه می توان به اطلاع رسانی آن از طریق پیامک اشاره کرد که کاربر را از وضعیت خروجی منطقه اعم از برداشت نمونه رواناب، قطعی جریان برق دستگاه، وضعیت شارژ باطری تعبیه شده برای فعال نگه داشتن دستگاه در زمان قطع جریان برق و وقوع رویداد سیل آگاه می سازد. همچنین کاربر می تواند از طریق گوشی همراه در هر لحظه از زمان با دستگاه ارتباط برقرار کرده و از وضعیت کارکرد دستگاه طراحی شده (برق، باتری، میزان حافظه و ثبت یا عدم ثبت رویداد) از طریق پیامک استعلام بگیرد. همچنین جهت ثبت داده های دقیق بارندگی، یک دستگاه باران نگار ثبات ترازویی ساخت شرکت واچداگ (WatchDog) در داخل زیرحوضه مورد مطالعه نصب گردید.

    یافته ها

    در طول این دو سال، تنها سه رخداد بارش منجر به رواناب و سیل در این زیرحوضه اتفاق افتاد و دستگاه طراحی شده، هیدروگراف هر سه رخداد را با موفقیت ثبت و مخابره نمود. همچنین در هر یک از این وقایع سیل ثبت شده، حداقل دو نمونه رواناب (یک نمونه در شاخه صعودی هیدروگراف و یک نمونه هم در شاخه نزولی هیدروگراف) توسط دستگاه برداشت و ذخیره گردید تا برای تعیین میزان بار معلق به آزمایشگاه منتقل شود. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد دستگاه پایش خودکار رواناب و رسوب طراحی شده، با اندازه گیری پارامترهای مختلفی مانند دبی جریان، ارتفاع آب و بار رسوب معلق یکی از ابزارهای مهم و کاربردی برای پایش رواناب و رسوب در خروجی حوزه های آبخیز می باشد.

    نتیجه گیری

    داده و اطلاعات به عنوان ابزاری مهم در مدیریت و برنامه ریزی منابع آب و آبخیزها محسوب می شوند. فراهمی داده و اطلاعات در مدیریت سیستم آبخیز و منابع آب، به ارتقای بهره وری و بهینه سازی استفاده از منابع آب، پیشگیری از خطرات طبیعی مانند سیلاب و خشک سالی، مدیریت کیفیت آب، بهبود مدیریت عرضه و تقاضای آب کمک می کند. بنابراین نمونه اولیه دستگاه طراحی شده، نشان داد که این دستگاه از قابلیت خوبی جهت تولید صنعتی ابزار پایش رواناب و رسوب ارزان قیمت برای مدیریت علمی آبخیزهای کوچک مقیاس برخوردار می باشد.

    کلیدواژگان: پمپ خلا، داده مشاهداتی، سنسور رطوبت، نمونه بردار بار معلق، هیدروگراف سیل
  • محمدعلی هادیان امری، وحید غلامی*، آتنا یوسفی صفحات 94-106
    مقدمه و هدف

    شبیه سازی فرآیند بارش- رواناب برای برآورد رواناب ناشی از وقوع بارندگی گامی مهم در برنامه ریزی و مدیریت منابع طبیعی و منابع آب به ویژه در آبخیزهای فاقد ایستگاه های هیدرومتری است؛ اما این فرآیند دارای پیچیدگی های خاص خود و عوامل موثر متعدد ازجمله عوامل بارش (مقدار و شدت بارش)، پوشش گیاهی (نوع پوشش و تراکم پوشش)، عوامل خاک (بافت خاک، رطوبت اولیه خاک و میزان نفوذپذیری خاک) و نحوه مدیریت اراضی است. تحقیق حاضر باهدف ارائه مدلی برای شبیه سازی فرآیند بارش- رواناب با استفاده از مدل سازی شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و داده های رواناب پلات های صحرایی صورت گرفت.

    مواد و روش ها

    این تحقیق روی یک دامنه شیب دار در دانشگاه گیلان با خاک رسی- لومی به صورت تکراری از پلات های زوجی در تیمارهای مختلف پوشش گیاهی و مدیریت اراضی انجام شد. همچنین، با استفاده از یک باران سنج ذخیره ای، بعد از هر بارش مقدار بارندگی اندازه گیری شد. مقادیر رواناب نیز به واسطه پلات ها برآورد و از تفاوت مقادیر بارش و رواناب ها، مقادیر هدررفت اولیه در سطح هر پلات به ازای هر واقعه بارش در شرایط متفاوت رطوبت پیشین خاک محاسبه گردید. مجموع بارش پنج روز قبل به عنوان رطوبت پیشین خاک برآورد شد. در مورد نحوه مدیریت زراعی دو الگوی شخم در جهت شیب و شخم عمود بر جهت شیب برای گشت گونه های مرتعی بومی مورد استفاده و مقایسه قرار گرفت. تغییرات شیب، بافت خاک و خصوصیات خاک به‏ دلیل محدودیت سطح ناچیز بود؛ لذا از خاک به عنوان یک ورودی تاثیرگذار بر روی رواناب استفاده نشده است. چون هدف ارزیابی اثر پوشش گیاهی و مدیریت زراعی در تولید رواناب بود؛ بنابراین، باید شرایط یکسان برای سطح پلات های زوجی به منظور بی اثر کردن اثر خاک فراهم نمود. به منظور مدل سازی داده‏ های اخذشده به دو دسته داده‏ های آموزشی و آزمودنی تفکیک شدند. پارامتر مقادیر رواناب به عنوان خروجی مدل و مقادیر بارش، درصد تاج پوشش مرتعی و درختی، رطوبت پیشین خاک، درصد لاش برگ به عنوان ورودی های بهینه مدل در نظر گرفته شد. شیب زمین با استفاده از مساحی برآورد گشت. درصد پوشش گیاهی و درصد لاش برگ با استفاده از نسبت سطح پوشش گیاهی به سطح کل پلات و میکروپلات اندازه گیری شد. تعیین نوع پوشش به صورت کمی مشکل است؛ اما به دلیل شبیه سازی اثر قطرات باران، پاشمان باران و برگاب درختان، ارتفاع پوشش گیاهی نیز در نظر گرفته شد.

    یافته ها

    به ‏دلیل سطح محدود پلات ها عملا مقدار ذخیره بسیار ناچیز بود. براساس تجزیه وتحلیل آماری عوامل میزان بارندگی و رطوبت پیشین خاک رابطه مثبت با تولید رواناب دارند. پوشش گیاهی و لاش برگ با مقادیر رواناب رابطه معکوس دارند. در نهایت، مهم ترین عامل در کنترل تولید رواناب، عامل پوشش گیاهی است (0/71-=R2). بیشترین کارایی در کنترل تولید رواناب در پلات دارای پوشش مرتعی با تاج پوشش صد درصد مشاهده شده است. پوشش گیاهی به نوعی تعیین کننده مقادیر لاش برگ و هوموس خاک است. گونه های درختی نیز به طور محدودی در کنترل کاهش رواناب موثر بوده اند و اگر پوشش مرتعی در زیر تاج پوشش درختان مستقر شود موجب کارایی مضاعفی در کاهش تولید رواناب خواهد شد. هرچند عموما زیر درختان یا اراضی جنگلی پوشش مرتعی حداکثری رویت نشده است. نتایج نشان داد با توجه به تعداد محدود درختان به واسطه گیرش گیاهی مقادیر تولید رواناب تا حداکثر 10 درصد کاهش دهند که در مطالعات گذشته این اثر پوشش جنگلی بین 40 درصد جنگل های متراکم تا جنگل های تنک متغیر بوده است. همچنین نتایج نشان داد که هر دو عامل نوع لاش برگ (بقایای گونه های مرتعی یا درختی) و میزان یا درصد پوشش لاش برگ در کنترل ایجاد رواناب تاثیرگذار هستند. درمورد تاثیر الگوی شخم، نتایج نشان می دهد که شخم و کشت نواری در جهت عمود به جهت شیب، منجر به کاهش سرعت رواناب، نفوذ بیشتر رواناب، حفظ رطوبت بیشتر در خاک، شرایط بهتر رشد و نمو پوشش گیاهی می شود. درنهایت این موارد منجر به کاهش فاحش تولید رواناب خواهد شد که مقایسه رواناب اندازه گیری شده در این دو پلات در وقایع متعدد بارش بیانگر این مطلب بوده است و پلات دارای شخم و کشت عمود در جهت شیب پس از استقرار کامل پوشش گیاهی می تواند تا 50 درصد در کاهش تولید رواناب موثرتر باشد. نتایج روش آزمون-خطا در مدل شبکه های عصبی حاکی از آن است که مقادیر بارش، نوع پوشش گیاهی، درصد تاج پوشش گیاهی ورودی های بهینه جهت شبیه سازی مقادیر رواناب می باشند. همچنین نتایج نشان داد که تابع انتقال تانژانت هیپربولیک و فن یادگیری LM بهترین گزینه ها برای ساختار بهینه شبکه ها می باشند. آموزش شبکه های عصبی در دو مرحله نشان داد مدل به کاررفته دارای کارایی بالایی در برآورد مقادیر رواناب می باشند. براساس نتایج اعتبارسنجی، شبکه MLP به عنوان یک شبکه کارآمد جهت شبیه سازی مقادیر رواناب یا فرآیند بارش- رواناب است. همچنین، مقایسه بین مقادیر شبیه سازی شده و مقادیر مشاهداتی رواناب در مرحله آزمودن نشان داد که تطابق خوبی بین مقادیر شبیه سازی شده و مقادیر مشاهداتی است. مقادیر 0/97, R2=0/004MSE= و 0/91, R2 = 4/2=MSE  به ترتیب در مرحله آموزش و مرحله آزمودن مدل به دست آمد و درنهایت مدلی با کارایی بالا برای شبیه‏ سازی فرآیند بارش- رواناب ارائه شد. نتیجه فرآیند مدل سازی نشان داد که پوشش مرتعی دارای بالاترین کارایی در کنترل میزان رواناب است.

    نتیجه گیری

    خصوصیات پوشش گیاهی نظیر نوع پوشش گیاهی و تراکم آن مهم ترین عامل کنترل کننده ایجاد رواناب در اراضی شیب دار است. علاوه بر این، نحوه مدیریت زمین، الگوی کشت و نحوه شخم زمین نیز از دیگر عوامل مهم هستند؛ بنابراین، می توان براساس خصوصیات خاک، شیب زمین و رطوبت پیشین خاک، مقادیر تلفات کل و هدر رفت اولیه را برآورد نمود و الگوی ‏های کشت یا نوع پوشش گیاهی مناسب را برای کنترل یا کاشت رواناب انتخاب و عملکرد آن ها را طی فرآیند بارش-رواناب مدل سازی کرد. همچنین یک مدل آزمایش‏ شده مبتنی بر شبکه عصبی می تواند ابزاری برای برآورد مقادیر رواناب در مقیاس ماهانه و سالانه براساس داده های بارش ایستگاه های هواشناسی باشد. از مدل مذکور می توان برای شبیه‏ سازی اثر سناریوهای مختلف پوشش گیاهی در تولید رواناب و یا برآورد رواناب براساس بارش ایستگاه ‏های هواشناسی استفاده نمود.

    کلیدواژگان: پلات زوجی، تیمارهای پوشش، داده های آموزشی و آزمایشی، مدل سازی، هدر رفت اولیه، ANN
  • مهتاب علیمرادی، محمدرضا اختصاصی*، آرش ملکیان صفحات 107-117
    مقدمه و هدف

    ضریب زبری هیدرولیکی رودخانه ‎ها یکی از مهم ترین عوامل در ایجاد طرح، طراحی، بهره برداری و نگهداری از پروژه های منابع آب در مطالعات مهندسی رودخانه می‎ باشد. مقدار ضریب زبری هیدرولیکی در شرایط متنوع و پیچیده رودخانه ها متغیر بوده و از عوامل مختلفی متاثر می باشد، معمولا در مدل های هیدرولیکی ضریب زبری بیشترین حساسیت را نسبت به سایر پارامترها نشان می دهد. تخمین صحیح ضریب زبری می ‎تواند به بررسی دقیق‎ تر هیدرولیک جریان و شرایط رودخانه کمک کند. باوجود تلاش های بسیار، عدم توانایی تخمین دقیق ضریب زبری و استفاده از مقدار ثابت مانینگ (n)، عامل اصلی خطا در شبیه سازی سیل و محاسبه عمق جریان است. معمولا ضریب زبری جریان ثابت نیست و با تغییرات عمق آب به صورت پویا تغییر می کند. بهترین روش برای تعیین زبری، اندازه گیری دبی و محاسبه n مانینگ از طریق حل معکوس معادله مانینگ می ‎باشد. هدف اصلی مطالعه حاضر تعیین دقیق‎تر ضریب زبری رودخانه سانیج در محل بالادست ایستگاه هیدرومتری فیض ‎آباد در استان یزد می‎ باشد.

    مواد و روش‎ ها:

     منطقه موردمطالعه در تحقیق حاضر حوزه آبخیز سانیج در 30 کیلومتری شهر یزد در شهرستان تفت، استان یزد قرار دارد. این حوضه 153.173 کیلومترمربع مساحت دارد. برای دستیاب به اهداف تحقیق پس از انجام مطالعات میدانی از ایستگاه هیدرومتری فیض آباد در خروجی حوضه آبخیز سانیج جهت جمع ‎آوری داده ‎های دبی سیلاب و دبی- اشل موردنیاز در منطقه مطالعاتی استفاده شد؛ بنابراین از طریق حل معکوس روابط مربوطه و تعیین سایر پارامترهای هیدرولیکی از قبیل سرعت، شیب، شعاع هیدرولیکی، مقدار ضریب زبری مانینگ برآورد شد. اندازه‎ گیری شیب با دستگاه شیب‎ سنج و همچنین ترازیاب انجام شد.

    یافته ‎ها: 

    بررسی‎ ها نشان داد، کمترین ضریب زبری معادل 0/034، مربوط به دبی 180 مترمکعب در ثانیه و بیشترین مقدار آن مربوط به دبی 2/083 مترمکعب در ثانیه معادل 0/119 می‎باشد. با کاهش دبی ضریب زبری افزایش می‎یابد. تابع تغییرات ضریب زبری نسبت به دبی با2R  معادل 0/80 بیانگر رابطه معکوس و معنی دار دبی و ضریب زبری و تابع شعاع هیدرولیکی و دبی با مقدار2R  معادل 0/944 بیانگر رابطه معنی‎ دار و مستقیم دبی و شعاع هیدرولیکی است. همچنین ضریب زبری با شعاع هیدرولیکی دارای رابطه معکوس در سطح پایین‎ تر معنی داری است. هر سیل با رسوب‎ گذاری متفاوت، زبری متفاوتی ایجاد می‎ کند؛ بنابراین ضریب زبری مانینگ بسته به تغییرات قطر ذرات متفاوت خواهد بود. معمولا مسیل‎ ها یا رودخانه ‎های مناطق خشک که به صورت موقتی هستند، در شاخه نزولی هیدروگراف و پایان سیل، قطعات درشت ‎تر بر سطح بستر باقی مانده و در برآورد ضریب زبری مانینگ به صورت تجربی و بازدید محلی خطا ایجاد می‎ کند. خطای ظاهری ناشی از به جا ماندن قطرهای بزرگ تر ذرات در سطح بستر و حمل ذرات ریز توسط جریان می ‎باشد. از سوی دیگر در حین جریان جهت‎ یافتگی رسوبات عموما در راستای مسیر حرکت سیل می‎ باشد که کمترین زبری هیدرولیکی را ایجاد می‎ نماید؛ ولی با کاهش شدت سیل و به جا ماندن ذرات درشت‎ دانه علاوه ‎بر افزایش زبری هیدرولیکی، زبری تصادفی ذرات که در ضریب زبری مانینگ نقش موثری دارد افزایش می‎ یابد. در دبی ‎های که عمق جریان پایین‎ تر از90D باشد، یا از قطر قلوه ‎سنگ‎های بزرگ در بستر کمتر است، ضریب زبری مانینگ تحت شرایط استاتیکی- هیدرولیکی به بیشترین مقدار خود می‎رسد و در دبی‎هایی با عمق بیشتر از D90  به ‎دلیل شرایط خاص هیدرودینامیکی، کمترین مقدار ضریب زبری مانینگ مشاهده شد. به‎ عبارتی در دبی‎ های بالا ارتباط ضریب زبری بر کل جریان کاهش یافته و لذا با افزایش عمق جریان مقدار n کاهش می‎ یابد و شعاع هیدرولیکی افزایش می ‎یابد. این پدیده بیشتر در مسیل‎ ها و رودخانه ‎های سنگلاخی دیده می ‎شود. تحقیق حاضر نشان داد که در رودخانه‎ های مناطق خشک و قلوه ‎سنگی معمولا به‎ خاطر وجود قلوه ‎سنگ‎ های درشت در کف بستر خشک با مقادیر بیش برآوردی ضریب زبری مانینگ مواجه می ‎شویم. این پدیده به خصوص در سیلاب‎ هایی با دبی کمتر به خوبی دیده می‎ شود و علت این امر را می ‎توان با کاهش زبری هیدرولیکی در بستر حین جریان سیل مرتبط دانست. این پدیده می‎ تواند در بیش برآوردی یا کم ‎برآوردی ضریب زبری موثر باشد.

    نتیجه گیری

    نتایج نشان داد ضریب زبری در محدوده مطالعاتی از 0/034 تا 0/119 تغییر می‎کند و با دبی رابطه معکوس و معنادار با 2 R  0/8دارد. همچنین ضریب زبری با شعاع هیدرولیکی رابطه معکوس باR2  معادل 0/59 دارد. ضریب زبری ثابت نیست و در رخدادهای مختلف تغییر می‎ کند. نتایج نشان داد، دبی‎ هایی که عمق آن کمتر از90  D باشد ضریب زبری مانینگ به بیشترین مقدار خود معادل 0/11 می‎ رسد و در دبی ‎هایی با عمق بیش از90  Dکه ارتفاع سیل از 50 سانتی ‎متر بالاتر است کمترین مقدار ضریب زبری مانینگ را داریم، چنانچه در دبی 115 مترمکعب در ثانیه مقدار ضریب زبری n تا مرز 0/034 کاهش پیدا می ‎کند. ضریب زبری در رخدادهای مختلف ناپایدار است، زیرا در حین عبور جریان و یا در شاخه ‎های صعودی و نزولی هیدروگراف سیل بسته به سرعت و قدرت جریان دانه ‎بندی بستر به صورت دینامیکی در حال تغییر بوده و ضریب زبری مانینگ (n) به صورت لحظه‎ ای تغییر می ‎کند. در هنگام اوج جریان درک ضریب زبری هیدرودینامیکی مشکل بوده و می‎ تواند بیش برآوردی یا کم ‎برآوردی ضریب زبری را در پی داشته باشد؛ بنابراین بهتر است این مورد جهت دست‎یابی به مقادیر دقیق ‎تر ضریب زبری در مطالعات مهندسی رودخانه در نظر گرفته شود.

    کلیدواژگان: دبی-اشل، شعاع هیدرولیکی، ضریب زبری مانینگ، فیض ‎آباد، D90
  • محسن برزعلی، محسن مسعودیان*، رامین فضل اولی، امیراحمد دهقانی صفحات 118-130
    مقدمه و هدف

    رودخانه ها سیستم های پیچیده ای هستند که انواع فرآیندهای شیمیائی، بیولوژیکی و فیزیکی در آن ها اتفاق افتاده و تحت تاثیر عوامل و متغیرهای مختلف از نظر ابعاد، شکل، راستا و الگو در تغییر هستند. تغییراتی که در شرایط رودخانه ها رخ می دهد، تاثیرات فراوانی در اکوسیستم رودخانه بوجود می آورد. انجام هرگونه فعالیت در رودخانه ها مستلزم شناخت قواعد حاکم بر رودخانه و پیش بینی عکس العمل رودخانه نسبت به آن است تا از پیامدهای زیان بار مربوطه جلوگیری شود. شناخت فرآیندهای رودخانه ها با اندازه گیری پارامترهای هیدرولیکی در مقیاس واقعی معمولا دشوار می باشد. از سوی دیگر مدل سازی انتقال رسوب نیز امری کاملا پیچیده و مشکل می باشد، بدلیل اینکه اطلاعاتی که جهت پیش بینی تغییرات بستر به کار می رود، اساسا دارای عدم قطعیت بوده و تئوری های به کار رفته نیز تجربی بوده و حساسیت شدیدی نسبت به دامنه وسیعی از متغیرهای فیزیکی از خود نشان می دهند. بالا بودن هزینه های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه های اندازه گیری، از جمله دلایلی دیگر است که استفاده از روش های فیزیکی را محدود ساخته و باعث سوق یافتن متخصصان به سمت مدل سازی ریاضی و عددی برای شبیه سازی جریان داخل مجاری آبی شده است. تغییر مستمر جزو اصول حاکم بر هر رودخانه است، تغییر در شرایط جریان ، تغییر و جابه جایی در سایر مشخصات هندسی رودخانه را نیز سبب می شود. با توجه به اینکه غالبا رودخانه ها در بسترهای آبرفتی خود درحال حرکت هستند، در اثر وجود تنش برشی درکف بستر، انواع مختلفی از شکل های بستر درکف رودخانه ها شکل گرفته است. اشکال شکل گرفته باعث می شود، قسمتی از جریان آب سطحی در رودخانه به محیط متخلخل زیرآن وارد شده و پس از اکسیژن رسانی و تغذیه جانداران کفزی دوباره به جریان آب سطحی باز می گردد. به این نوع از جریان ها که از اختلاط جریان سطحی و جریان زیرسطحی در محیط متخلخل زیر و اطراف رودخانه بوجود می آیند، جریان هایپریک گفته می شود. سیستم آب های سطحی، زیرسطحی، زیرزمینی و تبادلات بین آنها در سه سطح نقطه ای، بازه و حوزه آبریز می باشد. تنه های درخت افتاده در مسیر رودخانه ها از ساختارهای متداول در رودخانه ها هستند. یکی از عوامل ایجاد تبادل هایپریک، وجود گرادیان فشار در مرز جریان سطحی و محیط متخلخل است. گرادیان فشار در اثر عوامل مختلفی مانند موانع موجود در سر راه جریان و یا فرم های بستر بوجود می آید. بسته به بزرگی این عوامل، بر روی مقدار تبادل و عمق گستردگی هایپریک تاثیر خواهد گذاشت.اولین گام در شناخت پدیده هایپریک و کاربرد آن، بررسی تغییرات خصوصیات این منطقه شامل مقدار تبادل جریان، عمق و زمان ماندگاری است. بنابراین اهداف تحقیق حاضر عبارتند از: بررسی اثر وجود موانع طبیعی ایجاد شده توسط تنه درختان بر مشخصه های هایپریک و تاثیر چیدمان موانع طبیعی ایجاد شده توسط تنه های درختان بر مشخصات هایپریک می باشد.

    مواد و روش ها

    تحقیق میدانی حاضر در فصل های تابستان و زمستان سال 1400 در رودخانه گرمابدشت گرگان جهت بررسی اثر تنه های درختان افتاده در مسیر رودخانه به عنوان مانع طبیعی جریان درحالت های مختلف ضخامت تنه درخت (ضخامت 30-60-90 سانتی متر) مورد بررسی قرار گرفت. رودخانه گرمابدشت بعنوان یکی از مهم ترین منابع تامین کننده اب شرب شهر گرگان از دامنه های کوه بلند یزدکی در نقطه ای به فاصله 27 کیلومتری جنوب شرقی گرگان سرچشمه گرفته و در ادامه درجهت شمال جاری می شود. سپس از میان ارتفاعات بلند و به هم پیچیده می گذرد و وارد دشت های شرقی گرگان می شود. جهت انجام تحقیق حاضر، پیزومترهایی در بالادست و پایین دست تنه درختان تعبیه شده سپس با استفاده از مدل عددی در محیط نرم افزار کامسول، نسبت به شبیه سازی جریان هایپریک جهت برآورد میزان دبی تبادلی مورد ارزیابی قرار گرفت.

    یافته ها

    این مطالعه یافته های قانع کننده ای در مورد همبستگی بین داده های مشاهده ای پیزومتر و نتایج حاصل از شبیه سازی عددی را به دست آورد. بررسی ها نشان داد، بین داده های مشاهداتی پیزومتر و نتایج شبیه سازی 91 درصد همبستگی وجود دارد. بر این اساس، دبی های تبادلی محاسباتی از مدل عددی مورد بررسی قرار گرفت. یافته ها نشان داد، میزان جریان مبادله شده در شرایط انسداد، بیشتر از شرایط بدون انسداد است. این مسئله نشان می دهدکه تنه درختان می تواند تاثیر قابل توجهی بردینامیک جریان هایپریک داشته باشند، پیامد مهم آن، تاثیر مستقیم بر اکوسیستم های رودخانه ای به ویژه در رابطه با حفظ پوشش گیاهی ساحلی و زیستگاه های آبی است. همچنین بررسی زمان ماندگاری خطوط جریان در سه حالت مانع دار نشان می دهد، افزایش مانع در مسیر جریان، افزایش زمان ماندگاری را به همراه داشته است، زیرا با افزایش ارتفاع مانع، خطوط جریان عمیق تر شده و طول آن افزایش پیدا کرده است، از این رو زمان ماندگاری نیز افزایش پیدا کرده است.

    نتیجه گیری

    نتایج حاکی ازآن بود بیشترین مقدار دبی تعادلی در حالتی که ضخامت تنه درخت30 سانتی متر در زمستان می باشد، اتفاق می افتد. همچنین مقدار دبی تبادلی با ایجاد مانع، بیشتر از مقدار دبی تبادلی درحالت بدون مانع می باشد. مقدار دبی تعادلی در زمستان بیشتر از مقدار دبی تبادلی درتابستان می باشد. همچنین بررسی نفوذ خطوط جریان نشان می دهد، با افزایش ضخامت مانع، میزان نفوذ خطوط جریان افزایش یافته است. با توجه به گستردگی زمینه تحقیق، شایسته است تحقیقات بیشتری برای کشف فهم بیشتر از مکانیسم آن انجام گیرد.

    کلیدواژگان: تبادلات سطحی و زیر سطحی، جریان هایپریک، کامسول
  • رضا نوروز ولاشدی*، صدیقه برارخانپور احمدی، حدیقه بهرامی پیچاقچی، سارا مظلوم باب اناری، فاطمه وطن پرست، فاطمه اسفندیار صفحات 131-146
    مقدمه و هدف

    یکی از اثرات مهم گرمایش جهانی افزایش پدیده های حدی هواشناختی است که از مهمترین آن ها می توان به تغییر ناگهانی دما، گرمای بیش از حد، سرمای غیرعادی، بارش های سنگین و سیل آسا، خشک سالی و گرد و غبار ناشی از خشک شدن تالاب ها اشاره نمود. تغییر در مولفه های اقلیمی در اثر تغییر اقلیم بر روی شدت و فراوانی وقایع حدی بارش و نیز به متعاقب آن بر جامعه و محیط زیست طبیعی تاثیرگذار بوده است؛ بنابراین بررسی تغییرات آینده نمایه های مختلف بارش جهت اعمال برنامه های مدیریتی بیش از پیش ضرورت دارد به ویژه برای ایران که نیاز به پیشرفت در مطالعات مدل سازی آب و هوا با هدف بهبود دانش در مورد تغییرات آب و هوا و تاثیرات آن در کل کشور دارد. در این پژوهش تغییرات روند و نقطه شکست نمایه های مبتنی بر بارش با استفاده از مدل سری CMIP6 تحت سه سناریوی خوش بینانه، میانه و بدبینانه در استان مازندران برای دو دوره ی زمانی آینده نزدیک (2060-2021) و آینده دور (2100-2061) مورد مطالعه قرار گرفت.

    مواد و روش ها

    در این پژوهش، برای بررسی مکانی-زمانی روند و نقطه شکست بارش استان مازندران (15 ایستگاه) در دوره ی آینده، از داده های بارش سناریوهای (SSP126, SSP245, SSP585) در دو دوره ی 2060-2021 و 2100-2061 استفاده شد. با استفاده از نرم افزار R-Climdex در محیط نرم افزارR، نمایه های حدی بارش برای سناریوها و دوره های مختلف تعیین شد و سپس برای بررسی روند و نقطه شکست، از آزمون های من کندال، سن و پتیت استفاده شد. نمایه های بارش توسط یک گروه کارشناسی زیر نظر سازمان جهانی هواشناسی به عنوان نمایه های حدی و نمایه های تغییرات آب و هوایی تعریف شده است. لذا در این پژوهش پس از دریافت خروجی مدل ‏ها و ریزمقیاس نمایی آن ها، داده ها در دوره آینده و بر اساس سه سناریوی مورد نظر در تمامی ایستگاه‏ های مورد مطالعه گروه بندی شد. برای استخراج نمایه های بارش روزانه با برنامه نویسی تحت R و به کمک بسته ارائه شده توسط زانگ و یانگ در شعبه تحقیقات اقلیمی سرویس هواشناسی کانادا توسعه یافت، استفاده شد. لذا از بین 27 نمایه موجود ، 11 نمایه مربوط به بارش و 16 نمایه مربوط به دما بوده است.

    یافته ها

    نتایج حاکی از آن است که در آینده ی نزدیک تحت سناریو خوش بینانه (SSP126)، نمایه تعداد روزهای تر متوالی، روزهای با بارش سنگین و روزهای خیلی مرطوب در نیمه شرقی استان  به‎صورت معنی دار افزایش اما بر اساس سناریوی بدبینانه (SSP585) نمایه روزهای مرطوب و مقدار سالانه بارندگی در نواحی مختلف استان کاهش خواهد یافت. از نظر وقوع نقطه شکست، تنها در سناریوی بدبینانه نمایه روزهای تر متوالی، شدت روزانه بارش و روزهای مرطوب دارای نقطه شکست به ترتیب افزایشی در دهه 2060، افزایشی در سال 2061 و کاهشی در سال 2051 نواحی در نیمه شرقی خواهد بود. در حالی که تحت سناریوهای دیگر هیچ تغییر ناگهانی در سری داده ها مشاهده نخواهد شد. بر اساس سناریوی میانه، تغییرات چندانی در نمایه های بارش به‎صورت منطقه ای رخ نخواهد داد و تنها نمایه شدت روزانه بارش در تعداد محدودی از ایستگاه های ساحلی در آینده ی نزدیک افزایش خواهد یافت. با این حال تحت سناریوی بدبینانه، تغییرات نمایه های حدی در اغلب مواقع کاهشی خواهد بود؛ به طوری که در آینده ی نزدیک، نمایه تعداد روزهای مرطوب (با بارش 1 میلی متر) در اغلب مناطق استان با شدت بالایی کاهش خواهد یافت. همچنین مقدار سالانه بارندگی در روزهای مرطوب در نواحی ساحلی و غربی، و نیز دو نمایه تعداد روزهای با بارش سنگین و خیلی سنگین در ایستگاه های مرتفع نواحی غربی کاهش خواهد یافت؛ بنابراین اگرچه ممکن است در آینده ی نزدیک احتمال خطر رخداد وقایع سیلابی کاهش یابد، اما با توجه به کاهش نمایه های رطوبتی در حالت بدبینانه، احتمال وقوع خشکسالی های گسترده افزایش می یابد. در آینده دور، نمایه های بارشی تغییرات معنی داری نخواهند داشت و تنها تعداد روزهای با بارش سنگین در نواحی مرتفع شرق استان کاهش خواهد یافت. از نظر وقوع تغییرات ناگهانی نیز می توان بیان کرد با حرکت به سمت سناریوی خوش بینانه و میانه، تغییر ناگهانی یا نقطه شکست معنی داری در سری داده های هیچ یک از نمایه های بارش تا سال 2100 رخ نخواهد داد. اما با حرکت به سمت سناریوی بدبینانه، نقطه تغییر افزایشی برای نمایه تعداد روزهای تر متوالی در تعدادی از ایستگاه های استان برای دهه 2070-2060 وجود خواهد داشت. همچنین نمایه های شدت روزانه بارش و تعداد روزهای مرطوب (با بارش 1 میلی متر) به ترتیب یک تغییر ناگهانی افزایشی در سال 2061 و کاهشی در سال 2051 را در نواحی نیمه شرقی استان تجربه خواهند نمود که بیانگر افزایش ناگهانی در شدت بارش های نزولی و کاهش وقوع تعداد روزهای با بارندگی کم است.

    نتیجه گیری

    به‎طور کلی با قرار گرفتن در مسیر سناریو خوش بینانه و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، می توان شاهد افزایش رخدادهای بارشی و افزایش نمایه های رطوبتی به خصوص در نیمه شرقی استان بود حال آنکه با ادامه مسیر کنونی و چه بسا حالت بدبینانه (افزایش انتشار گازهای گلخانه ای)، در آینده ی نه چندان دور می توان شاهد کاهش در مقدار و فراوانی بارندگی بود که متعاقب آن، با کاهش منابع آبی در استان و افزایش وقوع خشکسالی های خفیف تا گسترده مواجه خواهیم شد. بنابراین تدوین برنامه ریزی های مناسب در زمینه مدیریت خاک، آب و کشاورزی در سطح استان توصیه می شود.

    کلیدواژگان: تغییر اقلیم، روند مکانی-زمانی، مازندران، نمایه های حدی بارش
  • سارا پرویزی، سید زین العابدین حسینی*، علی طالبی، سمیه طالبی اسفندارانی، هادی جلیلی، رضا ذاکری نژاد صفحات 147-158
    مقدمه و هدف

    فرسایش خاک و رسوب دهی در زمره مهم ترین معضلات و چالش های زیست محیطی حوزه های آبخیز محسوب می شود. بار رسوب رودخانه مشکلات زیادی از جمله رسوب گذاری در مخازن سدها، تغییر مسیر رودخانه ها به دلیل رسوبگذاری در بستر آن ها، کاهش ظرفیت آبگذری آبراهه ها و تاسیسات انتقال آب و تغییر کیفیت آب به لحاظ مصارف شرب و کشاورزی به وجود می آورد رسوبات معلق در آب رودخانه ها مورد توجه دانشمندان، محققان و مدیران منابع آب هستند زیرا می توان از آن برای بررسی رسوب، فرسایش و اثرات بالقوه بر فرآیندهای بیولوژیکی استفاده کرد. بنابراین، بررسی و ارزیابی غلظت رسوب معلق در تعیین کیفیت آب و عملکردهای هیدرولوژیکی ضروری است. در این راستا استفاده از تکنیک های دقیق، گسترده و مقرون به صرفه، مانند سنجش از دور، جهت بهبود برآورد رسوب و در نتیجه بررسی کیفیت آب، ارزش زیادی دارد شناخت روابط مکانی پوشش گیاهی بالادست با رسوب دهی حوضه ها جهت کنترل و مدیریت بهینه منابع آب و خاک ضروری است. پژوهش حاضر با هدف تعیین روابط بین پوشش گیاهی با غلظت رسوب معلق در دو حوزه آبخیز دوآب مرگ و گاماسیاب انجام گرفت.

    مواد و روش ها

    در این پژوهش در مرحله اول داده های ماهواره ای سنتینل-2 مورد بررسی قرار گرفت و در صورت وجود شرایط ابری، ریزگردها یا سایر اشکالات رادیومتریک از محاسبات خارج گردید. در ادامه برای انتخاب پیکسل مناسب تصویر (جهت اخذ انعکاس طیفی آب)، عواملی نظیر نوع باند (باندهای مرئی و مادون قرمز)، عرض رودخانه (بالاتر از پیکسل تصویر- 40 متر در ایستگاه دوآب و 80 متر در ایستگاه پل چهر) و قدرت تفکیک مکانی سنجنده (10 و 20 متر) مد نظر قرار گرفته و پیکسل مربوط به ایستگاه هیدرومتری و اطراف آن انتخاب و انعکاس طیفی استخراج شد. سپس به منظور بررسی همبستگی میان بازتاب طیفی باندهای تصاویر سنتینل-2 و غلظت رسوب از آمار غلظت رسوبات معلق ایستگاه دوآب مرگ واقع در رودخانه قره سو و ایستگاه پل چهر واقع در رودخانه گاماسیاب در دوره پنج ساله (2016 تا 2020) همزمان با آن ها استفاده شد. در ادامه شاخص تفاضل پوشش گیاهی نرمال شده (NDVI) برای دو فصل اردیبهشت و خرداد با استفاده از تصاویر سنتینل-2 استخراج شد و رابطه پوشش گیاهی و غلظت رسوب معلق ثبت شده در ایستگاه و استخراج شده از تصاویر به صورت مجزا برآورد شد.

    یافته ها

    نتایج تحلیل همبستگی غلظت رسوب معلق نشان داد که بهترین نتیجه برای ایستگاه دوآب مربوط به باند 4 (R2=0.86) و برای ایستگاه پل چهر مربوط به باند 5 (R2=0.83) بود. نتایج به دست آمده نشان داد که غلظت رسوب معلق در ایستگاه دوآب مرگ 0/17 تا 76/45 و در ایستگاه پل چهر از 0/44 تا 118/86 میلی گرم بر لیتر متغیر بوده است. هم چنین مشخص شد که در ایستگاه دوآب مرگ در حالت توانی بین داده های مشاهداتی (ثبت شده در ایستگاه) و داده های مستخرج شده از تصاویر دارای بیشترین ضریب همبستگی می باشد. و در ایستگاه پل چهر در دو حالت چندجمله ای و حالت نمایی دارای ضریب همبستگی بالایی بود. بهترین مقادیر ضریب تبیین (R2) شاخص تفاضل پوشش گیاهی نرمال شده برای دو ایستگاه دوآب و پل چهر به‎ترتیب 0/98 و 0/64 بدست آمد که نشان دهنده این است که با افزایش پوشش گیاهی مقادیر رسوب کاهش می یابد. میانگین مقادیر متوسط شاخص گیاهی برای حوزه آبخیز مرگ برابر با 0/35 است و برای حوزه آبخیز گاماسیاب برابر 0/28 بدست آمد که نشان از پوشش گیاهی نسبتا تنک منطقه دارد. کمترین مقدار میانگین پوشش گیاهی در فصل مورد بررسی (بهار) در حوزه آبخیز مرگ خرداد ماه برابر 0/11 و برای حوزه آبخیز گاماسیاب اواخر اردیبهشت ماه برابر 0/21 بدست آمد. همانطور که نتایج آزمون رگرسیون نشان داد که رابطه قوی و معناداری بین تراکم پوشش گیاهی و میزان غلظت رسوب معلق ثبت شده در ایستگاه های هیدرومتری دو حوضه وجود دارد.

    نتیجه گیری

    نتایج نشان داد که 6 مدل برای منطقه مورد مطالعه استخراج شد که دارای ضرایب تعیین و مقادیر خطای قابل قبول و مناسب بودند. از میان مدل های بدست آمده مشخص شد که در حالت تک باند نتایج بهتری بدست آمد نسبت به حالتی که نسبت باندی مورد استفاده قرار گرفته شد. بیشترین همبستگی در ایستگاه دوآب مرگ مربوط به باند های B2، B3،B4 و B5 بوده است و برای ایستگاه پل چهر B4 و B5 می باشد. بالاترین ضریب تعیین بدست آمده برای دو ایستگاه به‎ترتیب 0/86 و 0/83در حالت نمایی بوده است. نتایج این مطالعه نشان داد که سنتینل-2 می تواند به عنوان ابزار مناسبی برای تخمین غلظت رسوب معلق با دقت قابل قبولی در حوضه های کوچک مقیاس و شرایط سیلاب استفاده شود که در تعدادی از مطالعات مشابه تایید شده است وجود رابطه معکوس و نزدیک بین متوسط شاخص گیاهی NDVI با رسوب اشاره به تاثیر مثبت پوشش گیاهی بر حفاظت خاک و کاهش تولید و انتقال رسوب در داخل حوزه های آبخیز دارد. در کل، نتایج نشان داد که پوشش گیاهی به طرز موثری در کمیت و کیفیت تغییرات مکانی میزان رسوب دهی حوضه ها موثر افتاده و شاخص گیاهی NDVI به عنوان نماینده پوشش گیاهی به طرز موفقیت آمیزی برای ایجاد یک مدل آماری از تغییرات میزان رسوب دهی می تواند مورد استفاده واقع شود، و احیا پوشش گیاهی در برنامه های توسعه ای قرار گیرد.

    کلیدواژگان: سنجش از دور، رابطه همبستگی، فرسایش خاک، NDVI
|
  • Seyed Hamidreza Sadeghi*, Mahin Kalehoee, Faezeh Kamari Yekdangi, Majid Radkianpour, Yousef Dadizadeh Pages 1-13
    Background

    Soil erosion, a significant form of land degradation, poses severe challenges to humanity in different ecosystems. It serves as a comprehensive index for evaluating the development and sustainability of land management programs. Assessing the status and spatial extent of soil erosion has become crucial in developing countries. Biological management, a recommended and effective means of controlling soil erosion in the early stages of all processes, offers a practical solution. Biological methods, such as minimum tillage operations and limited intervention in nature, prove to be more cost-effective and efficient than structural measures. Despite these advantages, biological measures have not received adequate attention in soil erosion control. This research addresses this gap by applying biological management in the Kilanbar Watershed (Kermanshah Province, Iran), demonstrating its effectiveness and cost-efficiency.

    Methods

    The layers of elevation from sea level, aspect, and slope steepness were prepared and combined in the geographic information system (GIS) software to prepare 38 land units. In the Kilanbar Watershed, 14 land units with the ability to perform biological management measures were extracted based on the expert and technical opinions of the watershed manager and considering different bases to improve the performance and decision-making of the units with an area of less than 300 ha. The Kilanbar Watershed is located in Ravansar City, west of Kermanshah Province. The study area is approximately 10798 ha. The highest and lowest elevation points of the watershed are 2183 and 1388 m above mean sea level, respectively. The mean annual precipitation, temperature, and relative humidity are 533 mm, 11.4 °C, and 45.1%, respectively. The status of soil erosion in each land unit was completed based on the scoring of the BLM form based on the visual and expert opinions, and a map of the erosion pattern was prepared in the land units. Ambrotropic and hyetographs were drawn using the 30-year precipitation and temperature data of the Ravansar synoptic station to determine the periods of drought and wet conditions and to identify suitable plants with the characteristics of the region. A climatic–agricultural map was prepared and integrated into the GIS using meteorological station data (temperature, precipitation, evaporation, and transpiration), and plant species were selected according to ecological expectations for watershed biological measures.

    Results

    According to the BLM form results, one and eight land units are in partial and low erosion conditions, respectively, and five other land units are in medium erosion conditions. According to the erosion pattern map, the majority of the studied area, about 70% of the watershed, is in a low and medium erosion state, which naturally confirms the high ability to use appropriate biological measures to control soil erosion. According to ambrothermic and hyetograph measurements, June to September were dry months, and precipitation changes were more significant than temperature changes from October to May. According to the climatic–agricultural map, the region is divided into five classes. Class 4 (4819.3 ha) and Class 1 (364.83 ha) had the largest and smallest areas, respectively. Finally, the zoning of suitable rangeland species in the watershed showed that rangeland species of Asteragalus ascendes, Avena fatua, Picnomon sp., Achillea millefolium, Bromus tomentellus, and Hordum blubosum dominantly covered the region. Based on the study results, appropriate plant species were introduced for the studied watershed. Accordingly, conservation and reclamation measures were recommended to improve land productivity and ecological conditions and avoid land use changes for the study area. The essential measures include vegetation in rangeland ecosystems aiming at preventing the role of the canopy cover from directly impacting raindrops on the soil surface, increasing water infiltration in the soil, stabilizing soil aggregates due to roots extension, increasing grazing capacity and livestock production, and increasing its efficiency and productivity with time.

    Conclusion

    The findings of this study hold significant potential for the Kilanbar Watershed. The proposed biological erosion measures, tailored to the ecosystem's unique conditions, are effective, low-cost, and environmentally compatible. They offer a sustainable solution for managing soil and water resources in various ecosystems. Implementing these measures can significantly reduce soil erosion in the watershed, particularly in areas with low to moderate erosion status. This research is an essential initiative in applying biological erosion measures in the Kilanbar Watershed, demonstrating that soil erosion can be effectively and practically controlled in approximately 67% of the watershed through biological methods in the critical land-use areas of rangelands and agriculture. It is important to note that applying biological erosion measures requires comprehensive and integrated investigations, considering the different parts of the ecosystem. With these findings, the proposed approach in this research can be extended to other watersheds across the country, particularly those with slight to moderate erosion status, while maintaining the principle of comprehensiveness and respecting the unique conditions of each watershed.

    Keywords: Management Measures (BMP), Soil, Water Conservation, Soil Erosion, Management, Watershed Management
  • Faeze Jafari, Hamidreza Moradi*, Ali Bagheri Pages 14-28
    Background

    Climate change directly impacts hydrological components, water resources, and watershed outflow. Calculating the amount of possible changes in rainfall and runoff will play an important role in the policy-making and planning of water resources under climate change conditions. In this research, runoff simulation in the eastern watersheds of Mazandaran province (Talar, Tajan, Nekarood, and Babolrood) was investigated under the impact of climate change in the future period (2021-2040).

    Methods

    In this research, one of the atmospheric-ocean general circulation models, named HadGEM2, was used under climate scenarios (RCP 2.6 and RCP 8.5) to investigate climate change. The Lars-WG model was used for the downscaling of climate data during three stages of data calibration, data evaluation, and meteorological data generation for the future period. This purpose was achieved using the daily data of rainfall, maximum and minimum temperatures, and sunshine hours of the selected stations of four watersheds in the current period (1997-2016), and the model was implemented for the base period. After ensuring the ability of the Lars-WG model to simulate meteorological data by comparing the data produced by the HadGEM2 model and the observational data of the base period, this model was implemented to generate future data using climate scenarios (RCP 2.6 and RCP 8.5). The daily values of the climate data of rainfall, maximum and minimum temperatures and sunshine hours were produced and simulated for the next 40 years (2021- 2060). Runoff simulation in the future period and the effect of climate change on runoff were investigated with the IHACRES hydrological model, which is a continuous conceptual-dynamic model for simulating rainfall-runoff at the watershed scale, using climate scenarios. For this purpose, the daily data of rainfall, mean temperature, and discharge of the current period (1997-2016) in four watersheds were introduced into the IHACRES software. Then, the 1997-2008 and 2009-2016 periods were selected for calibration and validation, respectively, to determine the ability of the IHACRES model to simulate future runoff. After calibration and validation, the climate data produced by the HadGEM2 model were introduced into IHACRES, and the daily series of discharge was predicted for the future period (2021-2040). Then, the annual average of the observed discharges in the current period and the simulated discharges in the future period under the RCP 2.6 and RCP 8.5 scenarios, as well as the 20-year average runoff in the stations in the future period, were compared and evaluated with the observation period.

    Results

    The results of the climate change investigation showed that mean monthly minimum and maximum temperatures in all months of the future period would increase in all four watersheds in both scenarios RCP 2.6 and RCP 8.5 compared to the current period (1997-2016). Compared to the current period, the mean monthly rainfall in both scenarios does not have a constant trend and is different in various months. The results of the runoff simulation show that the changes in the discharge of the watersheds under the effect of climate change are not constant compared to the discharge of the current period. This could be attributed to the inconsistency of the trend of changes in the precipitation of the future period compared to the current period. Despite the increase in the average rainfall, the discharge will decrease in some years in the future period, which can probably be related to the increase in temperature in the future period due to climate change. Despite the decrease in the average rainfall of that year, the increase in discharge could be caused by, for example, the possibility of heavy rains or showers in that year, thereby increasing the amount of discharge. Compared to the current period, the 20-year mean of the predicted discharge has decreased in the selected stations (Talar, Tajan, and Nekarood watersheds) in the future period for both scenarios. In the station considered for the Babolrood watershed, however, this value has increased in the RCP 2.6 scenario compared to the current period. In the Polsefid station of the Talar watershed, the simulated discharge under the RCP 2.6 and RCP 8.5 scenarios was equal to 6.18 and 6.12 m3/s, respectively, which shows a decrease compared to the observed discharge of 7.41 m3/s. In the Soleimantange station of the Tajan watershed, the predicted discharge under the RCP 2.6 and RCP 8.5 scenarios was equal to 7.33 and 7.29 m3/s, respectively, which has decreased compared to the observed discharge of 9.82 m3/s. In the Sefidchah station of the Nekarood watershed, the simulated discharge under the RCP 2.6 and RCP 8.5 scenarios was equal to 3.85 and 3.72 m3/s, which reveals a decline compared to the observed discharge of 4.10 m3/s. In the Babol station of the Babolrood watershed, however, the discharge under the RCP 2.6 scenario was predicted to be equal to 11.40 m3/s, which has increased compared to the discharge (11.34 m3/s) during the observation period. Under the RCP 8.5 scenario, it was simulated with a value of 11.22 m3/s, less than the observed discharge.

    Conclusion

    In general, the impact of climate change on water resources is one of the major challenges facing water resources planners and can have serious consequences for ecosystems and communities. Based on the findings of the research and the importance of climate change effects on the hydrological conditions of the watersheds in the study area, it is necessary to apply appropriate policies for the sustainable management of water resources.

    Keywords: Calibration, Climate Change, IHACRES Hydrological Model, Lars-WG Downscaling Model, Runoff Simulation
  • Soheyla Maleyeri, Mohammad Bashirgonbad* Pages 29-39
    Background

    Depending on rainfall systems and conditions influenced by unprincipled human activities, floods cause a lot of damage to natural resources, settlements, and projects every year. Hydrometric stations are often destroyed during floods or small watersheds lack hydrometric stations, which means that the estimation of runoff and maximum flood discharges requires a suitable method to calculate runoff and flood values in these basins. Prevention of this damage is doubly important when the study area overlooks places with a high density of settlements and urban facilities that can threaten the lives of many residents. The amount of runoff in each sub-basin of the watershed overlooking Malayer City was estimated in this study.

    Methods

    The watershed overlooking the city of Malayer with an area of 14,700 hectares is stretched from the north to the northeast of the city. The processing of digital elevation models identified five sub-basins overlooking the city and field visits. The curve number method was used to estimate runoff height and flood volume in each sub-basin. The most intense rainfall event (88 mm per day) with a return period of 30 years was designed as rainfall, considering the amount of previous rainfall 5 days before this event with a cumulative value of 45.2 mm. To calculate the physical parameters of the watershed in this study, topography, geology, vegetation, soil, and land use maps were digitized using a geographic information system. Simultaneous maps of land use and rainfall were provided using Sentinel-2 images, containing 13 spectral bands and a spatial resolution of 10 meters. Utilizing the SCS method, the layers of land use, vegetation, and soil hydrological groups were combined to produce a curve number map. The value of the curve number was corrected for the wet condition based on the rainfall 5 days before and the location of the basin in the previous wet conditions. A weighted curve number approach for each sub-basin was compared with another approach based on the arithmetic mean of the curve number for each sub-basin, as well as a weighted runoff height approach for each curve number. Kirpich's method was used to calculate the concentration time of each sub-basin. In the next step, using the maximum daily rainfall data from the Malayer synoptic station in the statistical period from 1991 to 2021, the rainfall height values were converted to runoff height using the SCS relationship, and then the peak flood discharge was calculated for each sub-basin.

    Results

    The lack of permanent vegetation and the presence of annual grasses are among the reasons for the high potential of the sub-basins in runoff production. As a result, the average curve numbers of arithmetic and weighted average methods are 79.09 and 81.46, respectively, which shows the high capacity of the basin in producing runoff. Converting curve number values to peak flood height and flow using two commonly used methods of curve number calculation and comparing it with the results of the weighted runoff height calculation approach for each curve number in the working units of the study area showed no significant difference. Finally, the runoff height maps and the peak discharge of each sub-basin were drawn. The northern sub-basin of the basin with an average runoff height of 44.32 mm and a peak discharge of 168 m3/s has the highest participation in flood discharge toward the city of Malayer, and sub-basin 4 in the south-eastern part of the basin has the least participation in flood generation. The results of the relationship between the area and runoff height showed that the basins with a larger area did not necessarily contribute the most to the occurrence of floods in all three calculation methods of the curve number and runoff height. Other factors also play a role in these results, such as the extent of rocky outcrops and reduction time of concentration due to the high slope as one of the reasons for this problem. The formation of the longest watercourse in the basin with a length of 16314 meters under Sub-basin 3, which has the highest peak flood flow after Sub-basin 2, is one of the discussed technical points that can handle the rapid discharge of the peak flow of about 100 m3/s. However, the study of its longitudinal slope of about 2% indicates the high risk of flooding caused by the lack of evacuation in rains with a high return period, which in turn is a serious risk for the threats caused by floods in the southeastern part of the city. The intersection of the end part of the main waterway with the exit of other sub-basins and the collection of runoff under the upstream basins are other problems that increase the risk of flooding in the downstream areas.

    Conclusion

    It is suitable to use the curve number method to estimate the amount of runoff produced in the basins overlooking the settlements that do not usually have hydrometric stations. Because of its low-density pastures and rain-fed agriculture, the watershed overlooking Malayer has a high potential for runoff production.

    Keywords: Curve Number Method, Malayer City, Rainfall, Runoff, Urban Floods
  • Aliakbar Gholampour, Easa Jokar Sarhangi* Pages 40-51
    Background

    Debris is one of the important phenomena of slope movements in mountainous areas. Harsh climatic conditions and the availability of tectonic and geological structures in the central Alborz Mountain heights have caused a significant amount of debris to form on the slopes. Studying this process by relying on two opportunity and threat patterns is particularly important. Therefore, the current research tries to analyze the susceptibility of the occurrence of the Haraz Valley debris flow in the range of Plour to Baijan by providing a suitable index to prioritize the factors affecting the formation and expansion of debris to achieve its more accurate zoning.  

    Methods

    The effects of six layers of information, including lithology, height, slope, aspect, distance from the fault, vegetation, and land use, were investigated on the occurrence and spread of debris flow. First, the debris location in the area was identified using the geological map of Damavand, with a scale of 1:100,000 and Google Earth images. Then, the distribution map of the debris was prepared after field survey and recording points by a GPS device and transferred to the GIS environment. Maps of independent and influential variables on the spread of debris, including lithology and distance from the fault, were prepared from the Damavand geological map, and the height, slope, and direction of the range were prepared using the ASTER digital elevation model. The vegetation and land use maps were prepared from the national coverage map of Iran by processing Sentinel images on the Google Earth Engine Cloud platform. In the next step, the distribution map of the debris was combined with each map of the affecting factors, and the weight of each class of independent variables was obtained based on the density area model. Then, a zoning map of the susceptibility of the spread of debris was prepared in five classes of very high, high, moderate, low, and very low susceptibility. The average effective weight of the deposit susceptibility index was also calculated to determine the prioritization of affecting factors and prepare a more accurate map for the zoning of the expansion of debris.  

    Results

    The analysis of factors affecting the spread of debris in the studied area using the density area model shows that Melafir stone units (weathered basalts) have the most weight among all the stone units and all factors affecting the spread of debris in the region. After that, biogenic limestone, alluvial defenses, and Lar Formation are more important factors. The investigation of the elevation factor shows that the frequency of debris increases from 2100 meters up, and the elevation class of 2400-2700 meters is more sensitive. In terms of the slope factor, most of the debris in the region was observed in the slope between 10 and 40 degrees, and the largest deposit cover is related to the slope layer of 20-30 degrees. The calculation of the area density of the debris in different aspects shows that the northwest and north slopes have the most weight and susceptibility. The process of freezing and melting snow is evident in the destruction of rocks and the creation of most of the debris on these slopes. Examining the distance from the fault also showed that the frequency of debris is significant up to a distance of 1000 meters, and the highest weight of this layer, based on the density area, belongs to the zero-500-m layer of the faults. In addition to transmitting seismic stresses, faults cause the penetration of water caused by melting snow into rocks and are influential in destroying rocks and causing debris. In terms of vegetation and land use, pasture lands are the most susceptible to debris. The results of the statistical analysis of the density area and preparation of the regional zoning map showed that 5, 21.15, 29.78, 29.53, and 14.54% of the area of the region have very high, high, medium, and low susceptibility, respectively, to expand debris. According to the Debris Susceptibility Index (DSI) model, land use, lithology, and slope have the highest priorities with average effective weights of 21.04, 20.12, and 18.72, respectively, and are the main factors controlling the spread of debris in the area. The factors of slope, elevation, aspect, and distance from the fault were the next priorities.

    Conclusion

    In the current research, the distribution of debris in different classes of independent variables was analyzed using the Density Area Model, and the importance of each class of parameters affecting the spread of debris was determined based on the weighting of the layers relative to each other. To evaluate the effic iency of the results of the density area model and verify its performance, a zoning map of the expansion of debris was prepared using the DSI model. The evaluation of the accuracy of the models using the empirical probability (P) shows that the density area and DSI models are suitable for zoning the susceptibility of debris in the area with probabilities of 0.79 and 0.80, respectively. The layers of high susceptibility to very high expansion of the deposit cover about 26% of the area, which is considered an environmental resource from one point of view. Hence, it can be exploited as a sedimentary deposit for use in engineering structures by forming a volume reserve, and from another point of view, it is a potential risk in agricultural fields, residential areas, and hydraulic structures.

    Keywords: Debris Flow, Debris Susceptibility Index, Density Area, Haraz
  • Behnaz Askari, Mehran Nasiri*, Majid Lotfalian Pages 52-62
    Background

    Soil erosion is one of the global problems that threatens water and soil resources. Protecting and recovering bare and uncovered soils, as well as diverting surface runoff from the soil, are an efficient method for reducing soil erosion in sensitive and erosion-prone areas. Among the activities to prevent soil erosion are to maintain the natural vegetation of the area and stabilize bare and uncovered soils with the help of temporary or permanent methods. The use of erosion control blankets is a soil bio-engineering method that can effectively reduce runoff and sediment and increase slope stability. Therefore, the current research aimed to temporarily stabilize soil using protective covering treatments, such as jute, straw, wood chips, Festuca grass cover, and nano zeolite super absorbent, to reduce the amount of runoff and sediment.

    Methods

    The study area is the Darabkola Forest (the educational-research forest of Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources), with an area of  about 2612 hectares located in the southeast of Sari City between 52° 14′ E and 36° 28′ N. To measure the amount of runoff and sediment in the Darabkola Forest, plots with dimensions of 70 x 50 cm and a depth of 10 cm were created using galvanized sheets. Then, plots were placed on the ground with a slope of 3%. Erosion control blanket treatments made of jute filled with wood chips, straw, and nanozeolite superabsorbents were prepared and located in the plots, as well as jute cover, jute cover with Festuca grass, and Festuca grass. Rain simulation tests were conducted for each sample (30 minutes with an intensity of 50 mm.h-1) and the amount of runoff from the plots was measured at 5-minute intervals using a graduated cylinder placed at the bottom of the plots. Sediment concentration was measured by weighing the samples after settling the runoff and passing it through filter paper. Sediment concentration was calculated by dividing the amount of sediment by the volume of runoff. Data were analyzed using one-way ANOVA for seven treatments. Duncan's test was used to compare the means. Pearson's correlation analysis was also used to investigate the relationship between runoff and sediment concentration in runoff.

    Results

    The results of statistical analysis showed that the highest amount of runoff (0.77 mm.h-1) belonged to the control treatment, and the lowest amount was recorded in the treatment of straw and the Festuca herbaceous species (0.24 and 0.27 mm.h-1, respectively). Overall, the straw treatment reduced the amount of runoff by 69% and the Festuca herbaceous species treatment reduced it by 64% compared to the control plot. The results of sediment concentration revealed 63% and 52% decreases in the amount of sediment in the samples belonging to the treatment of jute cover and jute cover together with Festuca species, respectively, compared to the control plot. The highest sediment concentration was measured in the control sample (7.13 g/ml). The presence of Festuca in the soil reduced the sediment by 2%, which shows that the presence of a herbaceous species such as Festuca does not considerably reduce the sediment concentration compared to the other treatments such as jute. Examining the coefficients obtained from Pearson's correlation analysis between runoff rate and sediment concentration in runoff for different treatments indicated that the stabilizer addition to the soil reduced sediment and reduced surface runoff in some treatments. A positive and significant correlation was found between runoff and sediment in wood chips, straw, Fesuka, and nanozeolite treatments, while a negative and significant correlation was recorded for Jute + Festuca and the Jute treatment.

    Conclusion

    This research demonstrates that the use of erosion control blankets with combinations of different materials, such as straw and stubble, nanozeolite, and wood chips, along with the Festuca grass cover, can reduce runoff volume and reduce soil erosion and waste, especially in forest road trenches containing soils without vegetation. Moreover, grass cover (such as Festuca) increases water permeability in the soil and prevents soil loss. Therefore, using these erosion blankets can reduce soil erosion around forest roads.

    Keywords: Nanozeolite, Rain Simulator, Straw, Wood Chips
  • Nima Shafiee Kigasari, Ata O. Hosseini*, Hamidreza Pourghasemi Pages 63-77
    Background

    Landslides are among the environmental hazards that annually cause significant human and financial losses in extensive mountainous regions of our country. Therefore, identifying the important and influential factors in the occurrence of this phenomenon can be used as a practical tool to reduce potential damage. Consequently, recognizing the environmental factors affecting the occurrence of landslides in forest road networks is of great importance. Due to its mainly mountainous topography and extensive tectonic activity, Ramsar County has a natural potential for widespread landslides within the communication network area. The objective of this study is to assess the susceptibility of landslide occurrence in the Ramsar County area by considering influential factors, especially forest road networks, and utilizing Geographic Information System (GIS) capabilities.

    Methods

    To achieve this goal, the locations of landslides were determined using field studies, historical reports, and Google Earth images. A total of 95 landslides were identified in the region, which were divided into two groups for modeling (70%) and validation (30%). Sensitivity analysis of landslide occurrence was carried out based on criteria such as slope, slope direction, land use, distance from residential centers, terrain curvature, precipitation, temperature, erodibility, elevation, vegetation cover density, lithological units, soil texture, drainage density, distance from roads, and topographic wetness index. Land cover density and vegetation greenness were calculated using 16-day products from Landsat 8 satellite in Google Earth Engine, and the final output was calculated using weighted regression methods in GIS and Excel software. Receiver Operating Characteristic (ROC) curves were employed for model evaluation and validation.

    Results

    The most significant factors affecting landslide susceptibility include soil type, slope of the terrain, vegetation cover, geology, hydrogeological flows, topography, precipitation, and communication lines. Susceptibility zones and landslide density are more pronounced in peripheral areas of transportation corridors. The construction of extensive structures, side effects of road construction, and the disruption of natural terrain balance for road construction and expansion have led to continuous occurrences in these areas. The correlation of parameters influencing landslide occurrence with the landslide distribution layer indicates that approximately 76% of landslides have occurred in slopes ranging from 11 to 38 degrees. Erosion of slopes by high-velocity runoff flows has caused more than 63% of landslides to occur within 500 meters of watercourses. Alongside the three main factors of soil type, natural slope, and slope erosion, landslide occurrence is influenced by road reconstruction and development without considering slope stability principles. More than half of the observed landslides in the area have occurred in a sequence of rock, shale, sandstone, and volcanic rock, accompanied by coal layers. The discontinuity of the landslide layer with the distance from the road indicates that landslide occurrence up to a distance of 400 meters from the road has been due to direct effects of road construction and embankment activities, disrupting the balance of slopes adjacent to the road, gradually decreasing with the distance from the main road. The results show that the Frequency Ratio model provides an acceptable accuracy with an area under the curve (AUC) of 0.76 for landslide susceptibility mapping. The final susceptibility map indicates that class 5 with very high susceptibility covers 13.06% of the total area, class 4 with high susceptibility covers 16.35%, class 3 with moderate susceptibility covers 22.32%, class 2 with low susceptibility covers 27.46%, and class 1 with very low susceptibility covers 20.79%. Consequently, 31.79% of the total area is at risk of severe landslides. Considering the final map and the close relationship between road presence and landslide occurrence, it can be stated that the northwestern and eastern forest roads of Ramsar County are more exposed to landslide occurrence.

    Conclusion

    It appears that the removal of vegetation cover, alteration of watercourse routes, modification of natural terrain slopes, and excavation of soils and rocks for road construction in the area have led to landslide occurrences around forest roads. The marginal areas of transportation corridors show a significant discrepancy in susceptibility coefficients, highlighting the potential importance of landslide occurrence in these regions. It can be concluded that providing appropriate recommendations and strategies to reduce landslide risks, improving area management, and implementing preventive measures in this region are highly necessary. This study demonstrates that through accurate analyses and alignment with environmental conditions, effective measures can be taken to reduce the effects of landslides and enhance the stability of operational areas. Therefore, a combination of geological, hydrogeological, topographic, and geographical information analyses can be used as an effective tool for studying, predicting, and managing landslide risks in mountainous regions.

    Keywords: Zoning, Road, Landslide, Statistical Methods, Modeling
  • Hasan Rezaei Moghadam*, Vahedberdi Sheikh, Maryam Azarakhshi, Mohsen Hosseinalizadeh, Jahangir Mohamadi Pages 78-93
    Background

    Large-scale and regional planning requires observed data on environmental variables, such as runoff and suspended sediment load from watersheds. Data is fundamental for generating information and knowledge, and scientific management of a system is impossible without a monitoring and measurement plan. Management of watershed systems and water resources is no exception to this axiom. With ongoing trends in socioeconomic development, climate change, increasing pressure on natural resources and watersheds, and, consequently, an increase in floods and sediment yield, there will be a greater need for more accurate information about sediment and runoff processes in the near future. Many tools and instruments for measuring runoff and sediment components have been produced and marketed by a number of foreign companies. However, their cost is very high in Iran, on the one hand, and a device that measures both components at once is very rare, on the other hand.To carry out simulations that are both accurate and efficient, it is essential to have access to sufficient and reliable data and information for verification and validation purposes. In the field of water resources and watershed management, data and information are considered to be crucial tools. By providing important insights into the management of water resources, the availability of data and information can help enhance the efficiency and optimization of water usage, prevent natural hazards (such as floods and droughts), manage water quality, and improve the management of water supply and demand. Therefore, this study aimed to design and construct an automated flood and sediment load-monitoring device with the ability to record the runoff height of watersheds and a planned sampling of runoff for measuring suspended sediment using cheap sensors and tools.

    Methods

    This study presents an innovative device designed to monitor runoff discharge and suspended sediment sampling. The device has been constructed and installed at the outlet of the sub-basin under study. A regular cross-section was constructed at the outlet to facilitate the installation of the device, which enabled the monitoring of the runoff hydrograph of the sub-basin outlet and suspended sediment load sampling. In this research, analog hygrometer sensors were used to measure the height of runoff with 3 cm intervals (measurement accuracy of 3 cm). DC pumps with valves were used to collect the sediment sample, which created a vacuum in the sampling container and caused the runoff sample to be transferred into the container. To evaluate the device's capabilities in real and natural conditions, it was installed at the outlet of a sub-watershed in the eastern loess lands of Golestan province, located upstream of Qapan Oliya village in the Kalaleh district for two years to record the hydrograph of likely flood events and take runoff samples at the user-defined depths of flood (two samples at depths of 20 and 60 cm in rising limb and one sample at a depth of 20 cm in recession limb of hydrographs). The samples were stored in 0.5 liter containers, and the user was informed by sending an SMS to replace the filled containers with empty ones. It is noteworthy that the device under consideration facilitates the collection of runoff samples at any frequency and at any height for research requirements. The device boasts a remarkable advantage in the form of its SMS notification feature, which keeps the user informed about the monitoring site and equipment status, including runoff sampling, power outages, and battery status. The device incorporates a built-in battery that remains active during power outages in the electricity network to record flood events. Additionally, the user can communicate with the device via a mobile phone at any time and receive SMS updates on the device's operating status, such as power, battery, memory level, and event registration. Furthermore, to ensure accurate rainfall data recording, a WatchDog tipping bucket rain gauge has been installed within the studied sub-basin.

    Results

    During these two years, only three rainfall events leading to runoff and flooding occurred in this sub-watershed, and the designed device successfully recorded the hydrograph of all three events and informed the user. In each of these recorded flood events, at least two runoff samples (one sample in the rising limb and one sample in the recession limb of the hydrograph) were collected and stored by the device to be transferred to the laboratory to determine the suspended load. The present study has demonstrated that the automated runoff and sediment monitoring device, which has been specifically designed to measure a range of parameters such as flow rate, water level, and suspended sediment load, represents a valuable and practical tool for those seeking to monitor runoff and sediment at the outlet of watersheds.

    Conclusion

    Data and information play a vital role in water resources and watershed management. The availability of such data and information in the management of watersheds and water resources helps enhance water use optimization and efficiency, prevent natural disasters such as floods and droughts, manage water quality, and improve water supply and demand management. Therefore, the prototype of the designed device shows that this device has a good capability for the industrial production of an inexpensive runoff and sediment monitoring tool to scientifically manage small-scale watersheds.

    Keywords: Dielectric Sensor, Flood Hydrograph, Observed Data, Suspended Sediment Sampler, Vacuum Pump
  • Mohammadali Hadian Amri, Vahid Gholami*, Atena Yousefi Pages 94-106
    Background

    Simulation of the rainfall-runoff process for estimating runoff due to rainfall is an important step in planning and management of natural resources and water resources, especially in watersheds without hydrometric stations. However, this process has its own complexities and several affecting factors such as precipitation factors (amount and intensity of rainfall), vegetation cover (type of cover and cover density), soil factors (soil texture, soil initial moisture, and permeability), and land management quality. This study aimed to provide a model for simulating the rainfall-runoff process using artificial neural network (ANN) modeling and runoff data of field plots.

    Methods

    The study was executed on a slope at Guilan University using clay-loam soil in a repetitive way, with paired plots subjected to different vegetation and land management treatments. The amount of rain was measured after every rainfall using a storage rain gauge. Runoff values were estimated by plots, and from the difference between precipitation and runoff values, the initial loss values at the surface of each plot were calculated for each precipitation event under different soil moisture conditions. The total precipitation of the previous five days was estimated as the previous soil moisture. Regarding the agronomic management method, two patterns of plowing in the slope direction and plowing perpendicular to the slope direction were used and compared to patrolling native rangeland species. The changes in slope, soil texture, and soil properties were negligible due to the limits of the area, thus soil was not used as an input affecting runoff. Since the aim was to evaluate the effect of vegetation cover and agronomic management on runoff production, it was necessary to provide the same conditions for the level of paired plots to neutralize the effect of soil. To model the obtained data, they were divided into two categories: educational and subject data. The parameters of runoff values were considered the output of the model, and the precipitation values, percentage of rangeland and tree canopy, precious soil moisture, and percentage of leaf litter were regarded as the optimal inputs of the model. The land slope was estimated by surveying. Vegetation cover and leaf litter percentages were measured using the ratio of vegetated area to the total plot and microplot area. It is difficult to quantitatively determine the type of coverage, but the height of the vegetation was also considered due to the simulation of the effect of raindrops, rain spraying, and tree foliage.

    Results

    The amount of reserve was actually very small due to the limited area of plots. Based on statistical analysis, the rainfall and previous soil moisture factors have a positive relationship with runoff production. Vegetation and leaf litter have an inverse relationship with runoff values. Finally, the most important factor in controlling runoff production is vegetation cover (R2 = -0.71). The highest efficiency in controlling runoff production was observed in a plot with a rangeland cover of 100% canopy cover. Vegetation somehow determines the amount of leaf litter and humus in the soil. Tree species have also been limited in controlling runoff reduction, and if rangeland cover is located under the canopy of trees, it will cause double efficiency in reducing runoff production. However, there is generally no maximum pasture cover under trees or forest lands. The results showed that the amount of runoff production can be reduced by up to 10% due to the limited number of trees due to vegetation. In previous studies, this effect of forest cover varied between 40% of dense forests and sparse forests. The results also show that both factors of the type of leaf litter and the amount or percentage of leaf cover are influential in controlling runoff. Regarding the effect of plowing patterns, the results show that plowing and strip cultivation in the direction perpendicular to the slope direction lead to a decrease in the runoff rate, more runoff penetration, more moisture retention in the soil, and better conditions for vegetation growth and development. Finally, these cases will lead to a significant decrease in runoff production. A comparison of the measured runoff in these two plots in different precipitation events has indicated that the plot with plowing and perpendicular cultivation in the direction of slope after the complete establishment of vegetation can be up to 50% more effective in reducing runoff production. The results of the trial-error method in the neural network model indicate that the rainfall values, the type of vegetation cover, and the percentage of vegetation canopy are the optimal inputs for simulating runoff values. The results also show that the hyperbolic tangent transfer function and the LM learning technique are the best options for the optimal structure of networks. Neural network training in two stages showed that the used model was highly efficient in estimating runoff values. Based on the validation results, the MLP is an efficient network for simulating runoff values or the rainfall-runoff process. Moreover, a comparison between the simulated and the observed values of runoff in the experimental phase showed a good agreement between the simulated and the observed values. The values of MSE = 0.97, R2 = 0.004 and MSE = 0.91, R2 = 4.2 were obtained in the training and testing phases of the model, respectively, and, finally, a high-performance model was presented to simulate the rainfall-runoff process. The result of the modeling process showed that rangeland cover had the highest efficiency in controlling runoff.

    Conclusion

    Vegetation characteristics, such as vegetation type and density, are the most important factors controlling runoff in sloping lands. In addition, land management, cultivation patterns, and plowing methods are other important factors. Therefore, it is possible to estimate the total losses and initial loss based on soil characteristics, land slope, and previous soil moisture and to select suitable cultivation patterns or vegetation types for runoff control or planting and model their yields during the rainfall-runoff process. A tested model based on the neural network can also be a tool for estimating runoff values on a monthly and annual scale based on the precipitation data of meteorological stations. The model can be used to simulate the effect of different vegetation scenarios on runoff production or to estimate runoff based on the precipitation of meteorological stations.

    Keywords: ANN, Cover Treatments, Couple Plot, Initial Loss, Prediction, Training, Testing Data
  • Mahtab Alimoradi, Mohammadreza Ekhtesasi*, Arash Malekian Pages 107-117
    Background

    The coefficient of hydraulic roughness of rivers is one of the most important factors in the planning, design, operation, and maintenance of water resources projects in river engineering studies. The value of the hydraulic roughness coefficient varies in diverse and complex conditions of rivers and is affected by various factors, usually in hydraulic models the roughness coefficient shows the most sensitivity compared to other parameters. A correct estimate of the roughness coefficient improves the understanding of flow hydraulics and river conditions. Despite many efforts, the inability to accurately estimate the roughness coefficient and the use of Manning's constant value (n) are the main error factors in flood simulation and flow depth calculation. The flow roughness coefficient is typically not constant and changes dynamically as the flow depth changes. The best way to determine the roughness is to measure the flow rate and calculate Manning's n through the inverse solving of Manning's equation. The present study mainly aims to determine more precisely the roughness coefficient of the Sanij River upstream of the Faizabad hydrometric station.

    Methods

    The studied area in the current research is the Sanij watershed, 30 km from Yazd city in Taft city, Yazd province. This basin has an area of 153,173 square kilometers. To achieve the objectives of the research, after conducting field studies, the Faizabad hydrometric station at the outlet of the Sanij watershed was used to collect the required flood discharge and ash-flow data in the study area; Therefore, the hydraulic radius and the value of Manning's roughness coefficient were estimated through the inverse solving of the corresponding equations and the determination of other hydraulic parameters such as velocity and slope. The slope was measured with an inclinometer and a leveler.

    Results

    The lowest value of the n is equal to 0.034, corresponding to a discharge of 180 m3s-1 , while the highest value of the Manningʼs roughness coefficient is equal to 0.119, corresponding to a discharge of 2.083 m3s-1 . As the discharge decreases, the roughness coefficient increases. The function of the roughness coefficient in relation to the discharge (with R2  = 0.80) indicates their inverse and significant relationship. The function of the hydraulic radius in relation to the discharge (with R2  = 0.944) indicates that the discharge and hydraulic radius have a direct and significant relationship. The roughness coefficient has an inverse lower less-significant relationship with the hydraulic radius. Every flood creates different roughness levels with different sedimentation rates; therefore, Manning's roughness coefficient will vary depending on variations in particle diameter. Usually, the channels or rivers of dry areas are temporary, in the descending branch of the hydrograph and at the end of the flood, larger parts remain on the surface of the bed, and it causes errors in the estimation of Manning's roughness coefficient based on experiments and local visits. The apparent error is caused by the larger diameter particles remaining on the surface of the bed and the carrying of fine particles by the flow. On the other hand, during the flow, the orientation of the sediments is generally in line with the direction of the flood, which creates the least hydraulic roughness; But with the reduction of flood intensity and the remaining of coarse-grained particles, in addition to the increase of hydraulic roughness, the random roughness of particles, which plays an effective role in Manning's roughness coefficient, increases. In flows where the flow depth is lower than D90, or smaller than the diameter of large pebbles in the bed, Manning's roughness coefficient reaches its highest value under static-hydraulic conditions, and inflows with greater depth From D90 due to special hydrodynamic conditions, the lowest value of Manning's roughness coefficient was observed. In other words, at high flow rates, the relationship of the roughness coefficient on the entire flow is reduced; therefore, with the increase of the flow depth, the value of n decreases and the hydraulic radius increases. This phenomenon is mostly seen in rocky channels and rivers. The current research showed that in the rivers of dry and rocky areas, we usually encounter overestimated values of Manning's roughness coefficient due to the presence of large pebbles in the bottom of the dry bed. This phenomenon can be seen especially in floods with lower discharge and the cause of this can be related to the reduction of hydraulic roughness in the bed during the flood flow. This phenomenon can be effective in overestimating or underestimating the roughness coefficient.

    Conclusion

    The results show that the roughness coefficient changes from 0.034 to 0.119 in the study range and has an inverse and significant relationship with discharge (R2  = 0.8). Moreover, the roughness coefficient has an inverse relationship with the hydraulic radius (R2  = 0.59). The roughness coefficient is not constant and changes in different flood events. Discharges with a depth less than D90  are those in which Manning's roughness coefficient reaches its maximum value of 0.11. In this study, the lowest Manning's roughness coefficient was observed in discharges with a depth greater than D90  and a flood height greater than 50 cm, as in the discharge of 115m3s-1 , the roughness coefficient “n” decreased to a limit of 0.034. The roughness coefficient is unstable in different events, because during the passage of the current or in the ascending and descending branches of the flood hydrograph, depending on the speed and power of the flow, the bed granularity is dynamically changing, and Manning's roughness coefficient (n) is instantaneous. It changes. During the peak flow, it is difficult to understand the hydrodynamic roughness coefficient and it can lead to overestimation or underestimation of the roughness coefficient; Therefore, it is better to consider this case to achieve more accurate values of roughness coefficient in river engineering studies

    Keywords: Faizabad, Hydraulic Radius, Manning's Roughness Coefficient, Stage-Discharge, D90
  • Mohsen Barzali, Mohsen Masoudian*, Ramin Fazloula, Amirahmad Dehghani Pages 118-130
    Background

    Rivers are complex systems in which all kinds of chemical, biological, and physical processes take place and change under the influence of various factors and variables in terms of dimensions, shape, direction, and pattern. The changes that occur in the conditions of rivers have many effects on the river ecosystem. Carrying out any activity in rivers requires knowing the rules governing the river and predicting the river's reaction to it to avoid the related harmful consequences. It is usually difficult to understand the processes of rivers by measuring hydraulic parameters on a real scale. On the other hand, sediment transport modeling is also a very complex and difficult matter because the information that is used to predict bed changes is basically uncertain and the theories used are experimental and highly sensitive to a wide range of physical variables. The high costs of laboratory equipment and the limitation of using measuring devices are among the other reasons that limit the use of physical methods and lead experts to mathematical and numerical modeling to simulate the flow inside water channels. Continuous change is one of the governing principles of every river, and a change in flow conditions also causes changes and displacement in other geometric characteristics of the river. Because rivers are often moving in their alluvial beds, different types of bed forms have been formed in the river bed due to the shear stress in the bed. The formed shapes cause a part of the surface water flow in the river to enter the porous environment below it and return to the surface water flow after oxygenating and feeding benthic organisms. This type of currents that arise from the mixing of surface current and subsurface current in the porous environment under and around the river is called hyperic current. The surface, subsurface, and underground water systems and exchanges between them are in three levels: point, interval, and watershed. Fallen tree trunks are common structures in rivers. One of the factors in creating hyperic exchange is the presence of a pressure gradient at the border of surface flow and the porous medium. The pressure gradient is caused by various factors such as obstacles in the flow path or bed forms. Depending on the magnitude of these factors, they will affect the amount of exchange and the depth of the hyperic expansion. The first step in understanding the hyperic phenomenon and its application is to examine changes in the characteristics of this area, including the amount of current exchange, depth, and retention time. Therefore, the objectives of this research are to investigate the effect of natural obstacles created by tree trunks on hyperic characteristics and the effect of the arrangement of natural obstacles created by tree trunks on hyperic characteristics.

    Methods

    The current field research was carried out in the Garambadesht River of Gorgan in the summer and winter of 2021 to investigate the effect of fallen tree trunks on the river path as a natural flow barrier in different tree trunk thicknesses (30, 60, and 90 cm). As one of the most important sources of drinking water for the city of Gorgan, the Garmabadesht River, originates from the slopes of Yazdaki Mountain at a point 27 km southeast of Gorgan and continues to flow northward. Then, it passes through the high and complex heights and enters the eastern plains of Gorgan. To carry out the present research, piezometers were installed in the upstream and downstream of the tree trunks and then evaluated using a numerical model in the Comsol software environment, compared to the simulation of the hyperic flow to estimate the amount of exchange flow.

    Results

    This study obtained convincing findings regarding the correlation between piezometer observational data and numerical simulation results. A 91% correlation was obtained between piezometer observation data and simulation results, which was used as a basis to investigate the computational exchange flows from the numerical model. The findings showed that the amount of exchanged flow in blocked conditions was higher than in non-blocked conditions. This issue shows that tree trunks can have a significant impact on the dynamics of hyperic flow, an important consequence of which is the direct impact on river ecosystems, especially in relation to the preservation of coastal vegetation and aquatic habitats. The investigation of the retention time of the flow lines in three obstacle states shows that the increase of the obstacle in the flow path has increased the retention time because the flow lines have become deeper and their length has increased with the increase in the height of the obstacle, thereby increasing the retention time.

    Conclusion

    The results indicate that the maximum amount of equilibrium discharge occurs in the case where the thickness of the tree trunk is 30 cm in winter. The amount of exchange flow with obstruction is higher than that without obstruction. The equilibrium flow rate in winter is higher than the exchange flow rate in summer. The investigation of the penetration of flow lines shows that the penetration rate of flow lines has increased with the increase in the thickness of the barrier. Considering the vastness of the research field, it is appropriate to conduct more research to discover more understanding of its mechanism.

    Keywords: Comsol, Hyporheic Flow, Surface, Subsurface Exchanges
  • Reza Norooz-Valashedi*, Sedigheh Bararkhanpour Ahmadi, Hadigheh Bahrami-Pichaghchi, Sara Mazloom Babanari, Fatemeh Vatanparast, Fatemeh Esfandiar Pages 131-146
    Background

    One of the important effects of global warming is the increase in extreme atmospheric phenomena, the most important of which are sudden changes in temperature, excessive heat, abnormal cold, heavy rains and floods, drought, and dust caused by the drying up of wetlands. Changes in climatic components due to climate change have impacted the intensity and frequency of extreme rainfall events and, subsequently affecting society and the natural environment. Therefore, examining the future modifications of different precipitation indices is more necessary to implement management plans, especially for Iran, which needs progress in climate modeling studies aiming at improving knowledge about climate change and its effects on the whole country. In this study, changes in the trend and breaking point of rainfall-based indices were studied using the CMIP6 series model under three optimistic, medium, and pessimistic scenarios in Mazandaran province for two periods: the near future (2021-2060) and the far future (2061-2100).

    Methods

    In this research, the spatiotemporal trend and breaking point of the precipitation in Mazandaran province (15 stations) were investigated in the future period from the precipitation data of SSP scenarios (126, 245, and 585) in the two 2021-2060 and 2061-2100 periods.  Using the R-Climdex software in the R software environment, the precipitation limit indices were determined for different scenarios and periods. Then, the trend and breaking point were examined using the Mann-Kendall, Sen, and Pettitt tests. Precipitation indexes were defined by an expert group under the supervision of the World Meteorological Organization as limit indexes and climate change indexes. After receiving the output of models and their micro scaling, data were grouped in the future period based on three scenarios in all studied stations. The daily rainfall indexes were extracted using R programming developed by Zhang and Yang at the Canadian Meteorological Service Climatic Research Branch. Therefore, 11 and 16 indices out of 27 existing indexes were related to precipitation and temperature, respectively.

    Results

    Under the optimistic scenario (SSP126), the indexes of the number of consecutive wet days, days with heavy rain, and very wet days in the eastern half of the province will increase significantly. Based on the pessimistic scenario (SSP585), the profile of wet days and the annual amount of rainfall will decrease in different areas of the province. In terms of the occurrence of the breaking point, the daily intensity of precipitation and wet days will have a breaking point in the order of increasing in the 2060s, rising in 2061, and decreasing in 2051 in the eastern half of the region only in the pessimistic scenario of the profile of consecutive wet days. Under the other scenarios, however, no sudden changes will be observed in the data series. According to the median scenario, there will be no changes in precipitation indexes regionally, and only the daily intensity index of precipitation will increase in a limited number of coastal stations in the near future. Under a pessimistic scenario, however, changes in limit indexes will often be reduced so that the index of the number of wet days (with 1 mm rainfall) will decrease in the near future in most parts of the province with high intensity. The annual amount of rainfall on wet days in coastal and western regions, as well as two indexes of the number of days with heavy and very heavy rain, will decrease in the high stations of the western areas. However, the risk of flooding events may be reduced in the near future, and the probability of widespread droughts increases due to the reduction of wetness profiles in pessimistic conditions. In the distant future, precipitation indexes will not change significantly, and only the number of days with heavy rainfall will decrease in the high areas of the eastern province. In terms of sudden changes, there will be no sudden change or significant breaking points in the data series of all the precipitation indexes until 2100 by moving toward an optimistic and median scenario. Moving toward a pessimistic scenario, there will be an incremental change point for indexing the number of consecutive days at a few provincial stations for the 2070-2060s. The daily intensity of precipitation and the number of wet days (with 1 mm precipitation) will also experience a sudden incremental change in 2061 and a decrease in 2051 in the eastern half of the province, indicating a sudden increase in the intensity of downpours and a reduction of the number of days with low rainfall.

    Conclusion

    According to the results, it can be concluded that the study of the occurrence of severe meteorological events, including rainfall, as one of the main issues in the field of water resources, agriculture, and natural hazards in Mazandaran province, is necessary for long-term planning in various fields. Knowledge of the future perspective of extreme rainfall events can be used in soil, water, and agriculture management planning, especially in the economic development plans of the province.

    Keywords: Climate Change, Extreme Precipitation Indices, Spatial-Temporal Trend, Mazandaran
  • Sara Parvizi, Seyed Zeynalabedin Hosseini*, Ali Talebi, Somayeh Talebi Esfandarani, Hadi Jalili, Reza Zakerinejad Pages 147-158
    Background

    Soil erosion and sedimentation are among the major problems and environmental challenges in watersheds. The sediment load in rivers causes numerous issues, such as sedimentation in dam reservoirs, changes in river courses due to sedimentation in their beds, reduced water carrying capacity in waterways and water transfer facilities, and changes in water quality for drinking and agriculture. These problems are of great concern to researchers and water resource managers as they can investigate sedimentation, erosion, and potential effects on biological processes. Therefore, it is essential to investigate and evaluate suspended sediment concentrations to determine water quality and hydrological functions. In this regard, the use of accurate, extensive, and cost-effective techniques, such as remote sensing, is invaluable for improving sedimentation estimation and, consequently, water quality assessment. Understanding the spatial relationships between upstream vegetation and sedimentation is crucial for the effective control and optimal management of water resources and soil. The present study aimed to determine the relationship between vegetation cover and suspended sediment concentrations in the Doab Mereg and Gamasiab watersheds.

    Methods

    In this research, the Sentinel-2 satellite data were investigated in the first step. If there were cloudy conditions, dust particles, or other radiometric problems, they were removed from the calculations. Then, factors such as band type (visible and infrared bands), river width (higher than the image pixel - 40 meters at the Doab station and 80 meters at the Polchehr station), separation power, and sensor location (10 and 20 meters) were considered to select the appropriate image pixel for obtaining the spectral reflectance of water. The pixel corresponding to the hydrometric station and its surroundings was selected to extract the spectral reflectance. Then, the suspended sediment concentration statistics of the Doab Mereg station located in the Qarasu River and the Polchehr station located in the Gamasiab River in the five-year period (2016 to 2020) were used simultaneously to investigate the correlation between the spectral reflectance of the Sentinel-2 image bands and sediment concentration. Next, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) for the two May and June seasons was extracted using Sentinel-2 images. The relationship between vegetation cover and suspended sediment concentration recorded at the station and extracted from the images was estimated separately.

    Results

    The results of the correlation analysis of suspended sediment concentration showed that the best result for the Doab and Polchehr stations belonged to band 4 (R2 = 0.86) and band 5 (R2 = 0.83), respectively. The suspended sediment concentrations varied from 0.17 to 76.45 and 0.44 to 118.86 mg/liter in the Doab Mereg and Polchehr stations, respectively. In the Doab station, the depth of the power state had the highest correlation coefficient between the observational data (recorded in the station) and the data extracted from the images. In the Polchehr station, it had a high correlation coefficient in both polynomial and exponential modes. The best values of the coefficient of determination (R2) of the normalized vegetation cover difference index for the Doab and Polchehr stations were 0.98 and 0.64, respectively. This means that the amount of sediment decreases with an increase in vegetation cover. The average values of the vegetation index for the Mereg watershed (0.35) and the Gamasiab watershed (0.28) show the relatively sparse vegetation in the area. The lowest average values of vegetation cover in the studied season (spring) were respectively equal to 0.11 and 0.21 in the Mereg watershed in June and the Gamasiab watershed at the end of May. The results of the regression test showed a strong and significant relationship between the density of vegetation and the amount of suspended sediment concentration recorded in the hydrometric stations of the two basins.

    Conclusion

    The results showed that six models were extracted for the studied area, which had acceptable and suitable R2 and error values. Among the obtained models, better results were obtained in the single-band model than in the case of using the band ratio. The highest correlations belonged to bands B2, B3, B4, and B5 in the Doab Mereg station, and to B4 and B5 in the Pol Cheher station. The highest R2 values obtained for the two stations were 0.86 and 0.83, respectively, in the exponential model. The results of this study show that Sentinel-2 can be used as a suitable tool to estimate suspended sediment concentrations with acceptable accuracy in small-scale basins and flood conditions, which has been confirmed in a number of similar studies. Sediment rate refers to the positive effect of vegetation on soil protection and the reduction of sediment production and transport within watersheds. In general, the results demonstrate that vegetation has been effective in the quantity and quality of the spatial changes in the sedimentation rate of the basins. In fact, the NDVI vegetation index, as a representative of the vegetation, can be successfully used to create a statistical model of the changes in the sedimentation rate. The revitalization of vegetation should be included in development plans.

    Keywords: Correlation Relationship, NDVI, Remote Sensing, Suspended Sediment Concentration, Soil Erosion​​​​​​​