رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط‌زیست

چکیده پژوهش حاضر به منظور بررسی کیفی و هیدروشیمی آب رودخانه اوغان با استفاده از نسبت‌های یونی و اندیس‌های اشباع صورت گرفته است. بدین منظور از نتایج آنالیز پارامترهای فیزیکوشیمیایی طی یک دوره 8 ساله (1389-1396) دو ایستگاه هیدرومتری واقع بر روی رودخانه اوغان استفاده گردید. به منظور تحلیل و شناخت فرآیندهای هیدروشیمیایی از دیاگرام‌های استیف، پایپر، گیبس، نسبت‌های یونی، روابط CAI1 و CAI2 و نمودار Chadha استفاده گردید. همچنین به منظور پیش‌بینی و احتمال رسوب و یا انحلال برخی کانی‌ها از شاخص‌های اشباع و نمودارهای ترکیبی شاخص‌های اشباع استفاده شد. در نهایت به منظور تعیین تعداد عوامل تأثیرگذار بر کیفیت آب ایستگاه‌های مورد مطالعه از آنالیز تحلیل عاملی استفاده شد. نتایج نمودارهای استیف و پایپر رودخانه اوغان نشان داد که تیپ و رخساره هیدروشیمی ایستگاه‌های گالیکش و اوغان بی‌کربناته کلسیک می‌باشد. براساس نمودار گیبس واکنش آب-سنگ عامل کنترل کننده شیمی آب ایستگاه‌های مورد مطالعه می‌باشد. نتایج نسبت‌های یونی و نمودار Chadha حاکی از آن است که فرآیندهای تبادل یونی معکوس و هوازدگی سنگ‌های دولومیتی و آهکی دو عامل مؤثر بر تغییر کیفیت آب رودخانه مورد مطالعه می‌باشند. از اینرو آب رودخانه نسبت به کانی‌های دولومیت، کلسیت و آراگونیت فوق‌اشباع می‌باشد در حالیکه نسبت به کانی‌های تبخیری نظیر هالیت، ژیپس و انیدریت تحت‌اشباع می‌باشد. نتایج تحلیل عاملی نشان داد که دو عامل انحلال سازندهای زمین‌شناسی حوضه آبریز رودخانه نظیر سنگ‌های آهکی و دولومیتی و ورود فاضلاب‌های خانگی و پساب‌های کشاورزی به داخل رودخانه بیشترین تأثیر را بر کیفیت آب ایستگاه‌های مورد مطالعه دارند.

چکیده کشت مستقیم خشکه‌کاری برنج یکی از روش‌های کشت این محصول می‌باشد که امروزه مورد توجه محققان قرار گرفته که به علت کاهش استفاده از ادوات و ماشین‌آلات کشاورزی، کاهش نیروی کارگر و کاهش بذر مصرفی هزینه اولیه و انرژی ورودی برای کاشت این محصول را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش داده است. به همین منظور بررسی بهره‌وری آب و انرژی کشت سنتی و مستقیم برنج، آزمایشی به صورت فاکتوریل در قالب بلوک کامل تصادفی در شهرستان ممسنی صورت گرفت. نتایج نشان داد که عملکرد کشت مستقیم شمیم و فجر به ترتیب 5197 و 4811 کیلوگرم و عملکرد کشت سنتی شمیم و فجر به ترتیب 6847 و 6011 کیلوگرم بود. کشت مستقیم نسبت به کشت سنتی عملکرد شلتوک را به طور کاملا معنی‌داری کاهش داد ولی بر خصویات فیزیکی و خصوصیات کیفی محصول تاثیر معنی‌داری نداشت. در این مطالعه مقادیر انرژی ورودی و خروجی و درصد سهم هر کدام از نهاده‌ها محاسبه شد و شاخص‌های نسبت انرژی ورودی به خروجی، بهره‌وری اقتصادی انرژی و بهره‌وری فیزیکی انرژی هر کدام از تیمارها محاسبه شد. مقدار بهره‎وری انرژی برای رقم شمیم در کشت مستقیم و کشت سنتی به‌ترتیب برابر با 21/0و 18/0 کیلوگرم\مگاژول و بهره‎وری انرژی برای رقم فجر در کشت مستقیم و سنتی به‌ترتیب برابر با 19/0 و 16/0 کیلوگرم\مگاژول بود که نشان دهنده افزایش بهره‌وری انرژی با تغییر کشت می‌باشد. همین‎طور نتایج شاخص‌های مورد بررسی نشان داد که با کاهش انرژی ورودی، بهره‌وری اقتصادی و فیزیکی انرژی افزایش می‌یابد.

چکیده آنیون نیترات یکی از مهمترین شاخص‌ها برای تعیین میزان آلودگی آب‌های زیرزمینی در سراسر دنیا می‌باشد به‌طوری که تحقیقات مختلفی در منابع آبی متفاوت ‏در حوزه‌های آبخیز بر روی آن انجام شده است. در این تحقیق میزان نیترات 55 منبع آبی در دشت سیرجان به‌دست آمد. سپس روش‌های‎ ‎زمین‌آماری‎ ‎کریجینگ‎ ‎معمولی، عکس فاصله، فاصله نرمال، کوکریجینگ مورد استفاده قرار گرفت. برای ارزیابی عملکرد مدل‌های تخمین و پیش‌بینی، شاخص‌های عملکردی ضریب ‏تعیین (‏R2‎‏)، مجذور میانگین مربعات خطا (‏RMSE‏)، میانگین مربعات خطا (‏MSE‏)، میانگین مطلق خطا (‏MAE‏) و ضریب همبستگی (‏R‏) و‏‎ ‎ضریب ناش - ‏ساتکلیف (‏NS‏) به کارگرفته شد. پس از انتخاب بهترین روش میان‌یابی، نقشه‌های پهنه‌بندی مکانی مربوط به متغیر نیترات در محیط نرم‌افزاریArc GIS ‎‏ و ‏GS+‎‏ تهیه گردید. نتایج تحقیق نشان داد که میانگین نیترات آب‌های زیرزمینی دشت سیرجان از حد مجاز تمامی استانداردها پایین‌تر می‌باشد و همچنین مدل ‏گوسین نیز مناسب‌ترین مدل تشخیص داده شد. روش کریجینگ معمولی از نظر ضریب تعیین با مقدار 960431/0 و ضریب همبستگی با مقدار 1 و ضریب ناش – ‏ساتکلیف با مقدار 2832557/0 بالاترین مقدار را نسبت به بقیه روش‌ها از خود نشان داد و از نظر مجذور میانگین مربعات خطا با مقدار 54974/2 و میانگین مطلق ‏خطا با مقدار 202976/1 و میانگین مربعات خطا با مقدار 0000018181/0 نیز کمترین مقدار را نسبت به بقیه روش‌ها از خود نشان داد. نتایج تحقیق نشان داد که ‏روند صعودی میزان نیترات از اطراف و حاشیه های دشت به سمت مرکز و قسمت های شمالی آن می‌باشد.

چکیده هدف: هدف از پژوهش حاضر، مدل‌سازی حذف سرب و کادمیم از محیط محلول توسط نانو کامپوزیت تهیه شده بر پایه ماده معدنی، با استفاده از مدل‌های شبکه عصبی (ANN) و شبکه عصبی بهینه شده با الگوریتم بهینه‌سازی تجمع ذرات (ANN-PSO) بود.
مواد و روش‌ها: مطالعات جذب به صورت پیمانه‌ای با لحاظ کردن پارامترهای مختلف از جمله pH اولیه محلول، مقدار جاذب، زمان تماس، غلظت اولیه آلاینده و دما انجام شد. این پارامترها به‌عنوان ورودی‌ مدل‌ها و راندمان حذف آلاینده‌ها نیز به‌عنوان خروجی مدل‌ها در نظر گرفته شدند.
نتایج: نتایج نشان داد که دقت مدل ANN-PSO بیشتر از مدل ANN بود، به‌طوری‌که مقدار آماره R2 در مدل ANN برای حذف سرب و کادمیم به‌ترتیب 91/0 و 90/0 و در مدل ANN-PSO به‌ترتیب 96/0 و 95/0 به‌دست آمد. بررسی همگرایی الگوریتم بهینه‌سازی PSO نشان داد که در تکرارهای اول که ذرات جمعیت به‌صورت تصادفی انتخاب می‌شود، در همه حالات خطای بهینه‌سازی بسیار بالا می‌باشد. به مرور با جستجوی سراسری و همگرایی به حدود بهینه سراسری، اینرسی وزنی افزایش یافته و در نمودار همگرایی به مرور شیب تغییرات تابع هدف کاهش می‌یابد، تا در نهایت بهینه‌سازی صورت گیرد.
نتیجه‌گیری: در مجموع استفاده از مدل ANN-PSO می‌تواند پیش‌بینی‌های سریع و قابل قبولی را در مورد تأثیر عوامل مختلف بر فرآیند جذب آلاینده‌ها ارائه داده و جایگزین مناسب و مقرون‌به‌صرفه‌ای از نظر هزینه و زمان برای مطالعات آزمایشگاهی باشد.

چکیده Accurate prediction of the discharge coefficient (Cd) is crucial for the hydraulic design of labyrinth weirs. While conventional vertical-sidewall geometries are widely studied, the synergistic effect of sloped sidewalls and arced planforms remains poorly understood. This study investigates and predicts Cd for arced labyrinth weirs with varying sidewall slopes using a dataset of 277 experimental runs. Five dimensionless parameters ((H0/P), (A/t), (Lc/W), (theta), (phi)), derived via dimensional analysis to capture geometric and hydraulic complexities, were used as inputs for three soft computing approaches: Support Vector Machine (SVM), Gene Expression Programming (GEP), and Artificial Neural Network (ANN). Although all models yielded satisfactory predictions, the Multilayer Perceptron (MLP) ANN model outperformed the others. The optimal MLP 5-9-1 architecture—trained using the BFGS algorithm with a logistic hidden layer and identity output layer activation—achieved training RMSE, MAE, and (R^2) of 0.022, 0.0145, and 0.8402, respectively, and validation metrics of 0.0199, 0.0145, and 0.8961. Graphical analyses confirmed strong agreement between observed and predicted values across all dataset quartiles. These findings demonstrate that the MLP framework offers a robust, reliable alternative for hydraulic design, providing a practical tool for spillway optimization where complex geometric interactions limit traditional linear regressions.

چکیده ترکیب گیاه‌پالایی و بتن متخلخل فناوری جدیدی است که در آن تحت عنوان تصفیه طبیعی از بتن متخلخل و گیاهان مقاوم برای حذف یا کاهش غلظت آلاینده‌ها استفاده می‌شود. در این پژوهش عملکرد بتن متخلخل همراه با مواد افزودنی همچون پوکه معدنی و پرلیت به عنوان بستر و گیاه وتیور بر روی پساب شهری مورد بررسی قرار گرفته است. مکعب مستطیل‌هایی از بتن متخلخل با ابعاد 30×30×15 سانتی‌متر مکعب (که به ترتیب طول، عرض و ارتفاع می‌باشد) ساخته و گیاه مورد نظر با دو تراکم متفاوت (12 و 27 بوته گیاه) در بین بتن‌ها قرار داده شد. پس از گذشت زمان‌های ماند مورد نظر (5، 7 و 9 ساعت) جریان پساب از حوضچه ورودی و خروجی نمونه‌برداری شد و آزمایش‌های تعداد کل کلی‌فرم، اکسیژن‌خواهی بیولوژیکی(BOD)، اکسیژن‌خواهی شیمیایی (COD) و کل جامد معلق (TSS) بر روی نمونه‌ها انجام گرفت. اثر بتن متخلخل، تراکم گیاهی و زمان‌ماند با استفاده از طرح کاملاً تصادفی مورد بررسی قرار گرفتند. به طور متوسط در زمان‌ماند 5 ساعت BOD، COD، TSS و کلی‌فرم به ترتیب 1/16، 5/27، 6/20 و 1/19 درصد کاهش یافت. همچنین به طور متوسط در زمان‌ماند 7 ساعت BOD، COD، TSS و کلی‌فرم به ترتیب 5/20، 33، 1/26 و 3/25 درصد کاهش یافت. در زمان‌ماند 9 ساعت نیز به طور متوسط BOD، COD، TSS و کلی‌فرم به ترتیب 9/25، 5/38، 9/31 و 5/30 درصد کاهش یافت. در مجموع این طرح در حذف BOD، COD و TSS موفق عمل نمود و در حذف کلی‌فرم نیز عملکرد خوبی داشته است.

چکیده تغییر اقلیم که به معنی تغییرات بلندمدت اقلیمی در یک منطقه است، با افزایش دما و تغییرات الگوی بارش تغییراتی در برآورد تقاضاهای آبی ایجاد کرده است. شبیه‌سازی منابع و مصارف حوضه­ی آبریز سد جامیشان با استفاده از مدل WEAP با الگوهای کشت موجود در منطقه بررسی شد. برای ارزیابی تأثیر تغییر اقلیم بر پارامترهای بارش و دما در این منطقه از خروجی‌های سناریوی RCP8.5 مدل­های HADGEM2_ES و MIROC5 و از سری مدل­های CMIP5 استفاده ‌شد. در این پژوهش پارامترهای ماهانه­ی دما و بارش سد جامیشان با استفاده از روش عامل تغییر ریزمقیاس و برای دوره آتی تولید شدند. از روش یادگیری ماشینی رگرسیون بردار پشتیبان تصحیح شده با تغییر در پارامترهای موثر برای پیش بینی رواناب در دوره تغییر اقلیم استفاده گردید. نتایج مدل‌ اقلیمی به­طور میانگین افزایش دمای ۵/۰ تا ۵/۱ درجه سلسیوس را در طول دوره­ی آماری نشان می‌دهد. نتایج بارش شبیه‌سازی شده نشان می‌دهد که میانگین بارش ماهیانه با سناریوی8.5  RCP در دوره­ی آتی در مدل HADGEM2_ES با افزایش  ۵ درصدی و در مدل MIROC5 با کاهش ۶ درصدی نسبت به دوره­ی پایه همراه بوده‌است. بررسی نتایج پیش‌بینی دبی با استفاده از مدل SVR حاکی از آن است که رواناب نسبت به دوره­ی پایه با کاهش همراه است. به­منظور برنامه‌ریزی و مدیریت منابع آب با استفاده از نرم افزار WEAP به شبیه‌سازی سد جامیشان پرداخته شد. بدین منظور با درنظر گرفتن سه الگوی کشت متفاوت مقادیر تأمین و کمبود برای هر نیاز برآورد گردید. شبیه‌سازی الگوی کشت‌های مختلف در WEAP نشان می‌دهد به‌طور میانگین تأمین برابر با 75 درصد است.

چکیده در سال­های اخیر بهره­برداری غیربهینه از منابع آبی به­ویژه منابع آب زیرزمینی، خشکسالی، رعایت­نکردن اصول حفاظت در بهره­برداری از منابع آبی­کشور، رشد جمعیت و غیره موجب شد تا نهاده­ی آب به­عنوان یکی از مهم­ترین عوامل محدودکننده­ی توسعه در بخش کشاورزی ایفاء نقش نماید. یکی از راه­کارهایی که می­تواند تا حدودی این مشکل را حل کند، مدیریت جامع آب است که روشی اقتصادی دارای اهمیت است. همچنین با ارزش­گذاری می­توان بین عرضه و تقاضای آب تعادل ایجاد کرد. در این مطالعه برای تعیین ارزش اقتصادی آب در تولید محصولات گندم و جو از روش تابع تولید استفاده شد. به­منظور تجزیه و تحلیل داده­ها از نرم­افزارهای EXCEL و SPSS استفاده شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که متوسط مقدار تولید نهایی نهاده­ی آب آبیاری برای محصول گندم و جو به‌ ترتیب برابر با 240/0 و 268/0، با ارزش اقتصادی 3/3237 و 2813 ریال بر مترمکعب است. همچنین بیشترین میزان مصرف آب در تولید گندم و جو به ترتیب برابر با 5200 و 3100 مترمکعب و میانگین مصرف آب به ترتیب برابر با 56/4604 و 7/2793 مترمکعب به‌دست آمد. با توجه به اینکه ارزش نهایی تولید آب بیشتر از هزینه­ی تأمین آب آبیاری است، در صورت اصلاح­نکردن قیمت آب کشاورزی باعث برداشت و استفاده­ی بی­رویه از منابع آبی می­شود. برای جلوگیری از این امر بهتر است قیمت آب کشاورزی براساس ارزش نهایی تولید تنظیم شود.

چکیده توجه به زراعت برنج به دلیل مصرف زیاد آب در کشاورزی پایدار بسیار اهمیت دارد. این گیاه زراعی مهم‌ترین منبع غذایی در کشور ما محسوب می‌شود و به همین دلیل اطلاع از مقدار آب مصرفی آن در ارقام مختلف با روش‌های کاشت گوناگون مهم است. چون انجام آزمایش‌های متعدد برای اطلاع از این موضوع نیازمند صرف وقت و هزینه بسیار است؛ لازم است از مدل‌سازی گیاهی استفاده شود. بدین منظور، برای ارزیابی عملکرد، زیست‌توده و کارایی مصرف آب برنج با مدل AquaCrop تحقیقی در مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان انجام شد. در این تحقیق، دو عامل روش کاشت (D1: نشایی، D2: مستقیم رایج در منطقه و D3: خشکه‌کاری) و رقم برنج (v1: عنبوری قرمز، v2: چمپا و  v3: دانیال) برای شبیه‌سازی پارامترهای مورد مطالعه در نظر گرفته شدند. مقادیر آماره‌های MBE، RMSE و NRMSE برای عملکرد برنج به‌ترتیب برابر با 25/0 تن در هکتار، 0/1 تن در هکتار و 10/0 بود. این مقادیر برای زیست‌توده به‌ترتیب برابر با 30/0 تن در هکتار، 15/1 تن در هکتار و 05/0 و برای کارایی مصرف آب به‌ترتیب برابر با 07/0 کیلوگرم بر مترمکعب، 24/0 کیلوگرم بر مترمکعب و 03/0 بود. مقادیر آماره EF برای عملکرد، زیست‌توده و کارایی مصرف آب برنج به‌ترتیب برابر با 87/0، 56/0 و 65/0 و مقادیر d برای هر سه پارامتر برابر با 99/0 بود. با توجه به این نتایج، مدل AquaCrop دقت کافی در شبیه‌سازی عملکرد، زیست‌توده و کارایی مصرف آب برنج جهت نیل به کشاورزی پایدار داشت.

چکیده میزان تبخیر و تعرق گیاهان درون یک منطقه با توجه به پارامترهای هواشناسی، مرحله رشد گیاه و شرایط مدیریتی مزارع دارای تغییرات زمانی و مکانی می­باشد. هدف از مطالعه کنونی مقایسه روند تغییرات مکانی و زمانی تبخیر و تعرق ذرت در منطقه ماهیدشت با استفاده از تصاویر ماهواره­ای با منابع علمی موجود (به علت نبودن داده­های لایسیمتری) بوده است. در این مطالعه تبخیر و تعرق روزانه برای چهار مزرعه ذرت واقع در مناطق مختلف دشت با استفاده از الگوریتم سبال و تصاویر ماهواره­ای لندست8 در 6 تاریخ در طول دوره رشد گیاه ذرت در سال 1393 تخمین زده شد. از آنجایی که اندازه­گیری مزرعه­ای تبخیر و تعرق واقعی جهت اعتبار­سنجی نتایج حاصل از برآورد تبخیر و تعرق براساس الگوریتم سبال وجود نداشت، نتایج نهایی (تبخیر و تعرق) و همچنین نتایج میانی الگوریتم سبال (شاخص دمای سطحی، NDVI و آلبیدو ) با نتایج قابل قبول در دسترس مقایسه شد. نتایج نشان داد تبخیر و تعرق به دست آمده با الگوریتم سبال و نرم­افزار AGWAT روند مشابهی داشتند. روند افزایشی و کاهشی دمای سطحی در گذر زمان منطقی بود. متوسط شاخص NDVI در طول دوره رشد در مزارع مورد مطالعه بین 47/0 تا 53/0 بوده که با توجه به منابع در محدوده قابل قبولی قرار دارد. ضریب بازتاب نور (آلبیدو) با متوسط 18/0-17/0 تغییرات اندکی در بین مزارع منتخب داشت. تغییرات زمانی نتایج نشان دهنده روند افزایشی دمای سطحی، تبخیر و تعرق و شاخص گیاهی NDVI تا اواسط دوره رشد و سپس کاهش این پارامترها می­باشد.

چکیده بادستگاه‌های آبیاری آبفشان دوار که یکی از پیشرفته‌ترین سامانه‌های آبیاری بارانی می‌باشد، اخیراً در ایران کاربرد زیادی پیدا کرده است. با توجه به امر لزوم تحقیق در مورد سازگاری این سامانه‌ با شرایط فرهنگی، اقتصادی، اقلیمی ایران و بهینه نمودن کارایی سامانه امری ضروری است. با توجه به موارد فوق هدف از این ارزیابی، شناخت وضع موجود دستگاه آبفشان دوار می‌باشد که بر اساس آن بتوان در جهت بهبود وضعیت دستگاه و رفع نقاط ضعف آن تصمیم‌گیری نمود. اهمیت این موضوع از یک طرف و کمبود اطلاعات از طرف دیگر، ضرورت انجام تحقیقات در این زمینه را روشن می‌سازد. لذا در این راستا ارزیابی سنترپیوت در دو سرعت 10 و 60 درصد بصورت شعاعی و عمودی صورت گرفت که در آن ضریب یکنواختی در عبور دستگاه به صورت شعاعی و با سرعت 10 و 60 درصد، به‌ترتیب 3/80 و 4/76 درصد و یکنواختی توزیع آب به‌ترتیب 6/72 و 5/65 درصد به دست آمد. همچنین آزمایش ضریب یکنواختی در جهت عمودی در دو سرعت مذکور به ترتیب 1/61 و 3/59 درصد به‌دست آمد. یکنواختی توزیع رطوبت در خاک پس از آبیاری با سرعت 60 درصد نیز اندازه‌گیری و محاسبه شد که نتیجه مقدار 37/86 درصد را نشان داد. نتایج نشان داد که مقدار یکنواختی توزیع رطوبت خاک از مقدار یکنواختی توزیع آب در سطح مزرعه بیشتر بود که علت آن در جریانات افقی و فرآیند انتقال آب در زیر سطح می‌باشد. بر‌این اساس در این مناطق با وجود یکنواختی پخش آب حدود 70 درصد، مقدار یکنواختی توزیع رطوبت مناسب است.

چکیده در رودخانه­ها و به‌ویژه در محل قوس، تغییرات سرعت جریان در جهت­های عرضی و عمقی غیریکنواخت و تحت تأثیر عوامل زیادی از قبیل جریان­های ثانویه، زبری بستر و جداره­ها و وضعیت هیدرولیکی جریان است. برای محاسبه­ی توزیع دوبعدی سرعت جریان در رودخانه­های مستقیم، محققان روش­های زیادی ارائه کرده­اند. این در حالی است که به‌دلیل ساختار پیچیده­ی جریان در قوس رودخانه­ها، شبیه­سازی میدان سرعت در این مقاطع به کمک نرم­افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی انجام می­شود. در این پژوهش، از روش احتمالاتی چیو برای حل میدان سرعت جریان در یکی از قوس­های رودخانه­ی گرگان‌رود در استان گلستان استفاده شد. با توجه به کمبود داده­های صحرایی در قوس­های رودخانه­ای، برای انجام این تحقیق 6 نمونه میدان سرعت جریان در یکی از قوس­های بالادست ایستگاه هیدرومتری آق­قلا (به فاصله 200 متر) اندازه­گیری شد. از بین این داده­ها، 4 سری توزیع سرعت برای واسنجی مدل و 2 سری برای صحت­سنجی آن استفاده شد. نتایج پژوهش نشان داد که روش چیو در شبیه­سازی میدان سرعت جریان در این رودخانه­ی پیچان از دقت قابل‌قبولی برخوردار است. تحلیل آماری نتایج به­دست آمده بیانگر این است که میانگین خطای مطلق این روش برای حل توزیع دوبعدی سرعت جریان در محل قوس در مرحله­ی واسنجی حدود 9/4 درصد و در مرحله­ی صحت­سنجی حدود 5/3 درصد است. این میزان خطا برای محاسبه­ی دبی کل جریان رودخانه در محل قوس به­ترتیب حدود 9/5 و 0/6 درصد به­دست آمده است.