فهرست مطالب

فناوری های پیشرفته در بهره وری آب - سال یکم شماره 1 (زمستان 1400)

نشریه فناوری های پیشرفته در بهره وری آب
سال یکم شماره 1 (زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/11/17
  • تعداد عناوین: 6
|
  • بنفشه رحیمی، مریم حافظ پرست* صفحات 1-23

    امروزه اثرات تغییر اقلیم و گرمایش جهانی به دلیل افزایش گاز های گلخانه ای در جهان به اثبات رسیده است. در این تحقیق مقادیر ماهیانه دما، بارش و دبی سد جامیشان در سال های 2017-1988 به عنوان دوره پایه در نظر گرفته شده است. شبیه سازی منابع و مصارف حوضه آبریز سدجامیشان در مدل WEAP با الگوهای کشت موجود در منطقه مورد بررسی قرار گرفت. از خروجی های سناریو RCP8.5 مدل HADGEM2_ES از سری مدلهای گزارش پنجم CMIP5 استفاده شد و خروجی این مدل برای منطقه مورد نظر ریزمقیاس شد. با استفاده از روش عامل تغییر داده های مدل اقلیمی ریزمقیاس شد و پارامترهای ماهانه دما و بارش سد جامیشان برای دوره ی 2050-2021 تولید گردید.تغییرات رواناب منطقه مورد نظر درمدل های SVM، GEP و IHACRES پیش بینی گردید. نتایج مدل اقلیمی به طور میانگین افزایش دمای 5/1 درجه سلسیوس و افزایش بارش 5 درصد را نشان می دهد. نتایج حاصل از پیش بینی دبی در هر سه مدل حاکی از کاهش رواناب است که بیشترین کاهش رواناب مربوط به SVM با 6/21 درصد و کمترین کاهش رواناب مربوط به IHACRES با 4 درصد می باشد مدل های IHACRES و GEP نسبت به روش SVR از دقت مطلوب تری برخوردار هستند. شبیه سازی منابع و مصارف درالگوهای کشت مختلف در WEAP نشان می دهد بیش ترین تامین برابر با 9/74 درصد در مدل GEP و کمترین تامین برابر با 70 درصد در مدل SVR که به ترتیب مربوط به الگوی کشت یک و الگوی کشت سه می باشد.

    کلیدواژگان: بارش- رواناب، ماشین بردار پشتیبان، برنامه ریزی بیان ژن، ویپ، الگوی کشت
  • سید احسان فاطمی*، صدیقه دارابی چغابلکی، مریم حافظ پرست صفحات 24-45

    پیش بینی دقیق و صحیح جریان آب های سطحی در برنامه ریزی اصولی و مدیریت صحیح منابع آب نقش بسزایی دارد، برای دست یافتن به این مهم مدل های پیش بینی مختلف که با استفاده از روابط ریاضی بر پایه اطلاعات هیدرولوژی بنا شده اند، می توانند داده های مورد نیاز را با دقت کافی پیش بینی کنند. در این مطالعه از داده های دبی جریان ماهانه ایستگاه هیدرومتری پل چهر در یک دوره آماری 48 ساله (1397شهریور-1350مهر) استفاده شد. دو سناریوی اصلی با و بدون اعمال پیش پردازش (استانداردسازی) با دو رویکرد سری زمانی یا غیرسری زمانی بررسی شد. همچنین از الگوریتم جنگل تصادفی برای بررسی کاهش ابعاد ورودی مدل استفاده شد. در هر سناریو معیارهای ارزیابی مدل تغییرات واریانس، ضریب تبیین و مجذور مربعات خطا محاسبه گردید. در همه حالت ها به ترتیب 80 و 20 درصد داده ها برای آموزش و تست مدل در نظر گرفته شده است. مدل نوشته شده به زبان برنامه نویسی پایتون است. از الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی پارامترهای روش رگرسیون بردار پشتیبان استفاده شد. نتایج نشان داد که ابتدا استاندارد سازی سپس درنظر نگرفتن توالی سری زمانی داده ها، کاهش ابعاد ورودی مدل نیز استفاده از الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی پارامترهای مدل رگرسیون بردار پشتیبان به ترتیب بیش ترین اثر بر دقت پیش بینی را دارد به طوریکه بالاترین ضریب تبیین برای داده های آموزش برابر 85/0 و برای تست معادل6/0 است. چنانچه عمل استاندارسازی داده ها صورت نگیرد منظور نمودن رویکرد سری زمانی و کاهش ابعاد ورودی مدل منجر به نتایج بهتری در پیش بینی مدل SVR خواهد شد و استفاده از بهینه ساز الگوریتم ژنتیک نسبت به مدل ساده آن تاثیر معنی داری بر بهبود نتایج خواهد داشت.

    کلیدواژگان: پیش بینی دبی، ماشین بردار پشتیبان، الگوریتم ژنتیک
  • عماد محجوبی*، امیر خوش سیما صفحات 46-67

    منابع آب مشترک موجب بروز تنش ها و همچنین همکاری هایی در سطح منطقه ای تا بین المللی شده است. بی شک شناسایی عوامل موثر در مدیریت چنین منابعی پیش نیاز مذاکرات دو یا چندجانبه برای رفع تنش های موجود و ایجاد همکاری بین ذی نفعان خواهد بود. لذا در این تحقیق سعی شده تا با نگاهی جامع به مسایل مدیریت منابع آب مرزی، پارامترهای موثر از دیدگاه هیدروپلتیک شناسایی و در قالب چارچوبی ابداعی دسته بندی شوند. رویکرد مورد استفاده برای رسیدن به این هدف، بررسی عمیق ادبیات موجود در این زمینه و همچنین بهره گیری از سنجش ازدور برای مطالعه معیارهای مختلف می باشد. حوضه آبریز هریرود به عنوان یکی از نمونه های بارز مسایل آب مرزی درگیر تنش های خاص میان سه کشور ایران، افغانستان و ترکمنستان است و می تواند انتخاب مناسبی برای پوشش عوامل مختلف در این زمینه باشد. چارچوب ابداعی بر مبنای چهار محور سیاسی، اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی به عنوان ابعاد اصلی هیدروپلتیک ارایه شده و بر اساس نظر خبرگان و کارشناسان اولویت بندی شده است. نتایج نشان می دهد که برای دستیابی به یک توافق جامع و پایدار در فرآیند مذاکرات دو یا چند جانبه بیشترین تمرکز باید بر روی محورهای سیاسی و اقتصادی و در قالب معیارهای امنیت ملی، روابط بین الملل، اقتصاد آب، اقتصاد سیاسی، جغرافیای سیاسی، طرح های اقتصادی مشترک و صادرات و واردات معطوف گردد. در این راستا توجه به زیرمعیارهای برتری موقعیت جغرافیایی، مدیریت منابع آب موجود، ثبات حاکمیت سیاسی، مدیریت آب، امنیت غذایی، هیدرولوژی حوضه، تبادلات آب و انرژی، تجارت آب و تعارض منافع راهبردی بیشترین تاثیر را در فرآیند مذاکرات خواهد داشت.

    کلیدواژگان: امنیت آبی، اقتصاد آب، تغییر اقلیم، هریرود، هیدروپلتیک
  • صمد امامقلی زاده*، محمدعلی رحیمی صفحات 68-91

    برخورد جریان به پایه های پل و تکیه گاه ها جریان های آشفته ای را ایجاد می کند که سبب فرسایش در کنار پایه ها و تکیه گاه های پل شده و در نتیجه تخریب پل ها را در پی دارد. با توجه به پیچیدگی موضوع و پارامترهای زیادی که دخالت دارند هنوز یک رابطه ی دقیق یا راه حل اساسی برای پیش بینی عمق آبشستگی ارایه نشده است. در تحقیق حاضر عمق آبشستگی با استفاده از داده های اندازه گیری شده و با به کارگیری روش شبکه عصبی مصنوعی، رگرسیون خطی و غیرخطی و روابط تجربی برآورد شد. داده ها به دو صورت، با بعد و بدون بعد که با استفاده از آنالیز ابعادی بدست آمد مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان داد مدل شبکه عصبی مصنوعی توانسته است با به کارگیری پارامترهای تاثیرگذار عمق آبشستگی را با ضریب تبیین برابر با 97/0 و 81/0 و همچنین خطای RMSE برابر با m01/0 و 32/0 به ترتیب زمانی که داده ها بابعد و بدون بعد استفاده شده اند، پیش بینی کند. همچنین رابطه تجربی دانشگاه ایالتی کلرادو توانسته است عمق آبشستگی را با ضریب تبیین و خطای RMSE برابر با 53/0 و 52/0 متر پیش بینی کند. مقایسه نتایج مدل های مختلف نشان می دهد که مدل شبکه عصبی مصنوعی مقدار خطای پیش بینی عمق آبشستگی را به ترتیب 70، 7/85 و 7/87 درصد در مقایسه با مدل رگرسیون خطی، مدل رگرسیون غیرخطی و رابطه تجربی دانشگاه ایالتی کلرادو کاهش داد.

    کلیدواژگان: آبشستگی، پایه پل ها، روابط تجربی، شبکه عصبی مصنوعی
  • سیمین خسروی، حسن ترابی پوده* صفحات 92-107
    رودخانه ی سزار از سرشاخه های اصلی رودخانه ی دز می باشد و پیش بینی جریان آبدهی بلندمدت آن به منظور بهره-برداری بهینه از مخزن سد دز اهمیت دارد. در این پژوهش ابتدا روند آبدهی رودخانه سزار در دوره ی آماری 49-1348 الی 87-1386 که یک دوره ی بدون روند در بارش حوضه است، با روش TFPW_MK ارزیابی شد. نتایج نشان داد رودخانه ی سزار دارای روند منفی معنادار آبدهی است. سپس به منظور ارزیابی علل کاهش آبدهی این رودخانه سه عامل اساسی تآثیرگذار بر آبدهی رودخانه که عبارتند از بارش، برداشت های درون و برون حوضه ای از منابع آب سطحی حوضه و برداشت از منابع آب زیرزمینی حوضه، مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان داد علت اصلی کاهش آبدهی این رودخانه برداشت بیش از حد از آب های زیرزمینی است. در نهایت جریان بلندمدت آبدهی رودخانه سزار پیش بینی گردیدو نتایج نشان داد میانگین سری زمانی آبدهی پیش بینی شده رودخانه سزار در حدود (m3/s) 22.42 از میانگین سری زمانی آبدهی این رودخانه در حالت عدم برداشت بیش از حد از منابع آب زیرزمینی که سبب تعامل آب-های سطحی و زیرزمینی نمی شود، کمتر است. داده های مورد استفاده شامل، داده های 3 ایستگاه هیدرومتری و 15 ایستگاه باران سنجی حوضه ی سزار، اطلاعات طرح های توسعه ی درون و برون حوضه ای منابع آب سطحی و داده های مربوط به سال حفر و مختصات چاه های آب حوضه مذکور می باشد.
    کلیدواژگان: آزمون من کندال، پیش بینی جریان بلندمدت رودخانه، تعامل آب های سطحی و زیرزمینی، رودخانه سزار
  • مجید حیدری*، زهرا خداکرمیان صفحات 108-120

    راهکارهای سازه ای که می توان جهت کنترل سیلاب به آن اشاره کرد، سدهای پاره سنگی بدون هسته می باشد. در این سدها دبی پیک سیلاب کاهش و زمان رسیدن به آن افزایش می یابد. جریان عبوری از این سدها آشفته بوده و قانون دارسی معتبر نمی باشد لذا از معادلات مربوط به جریان متلاطم، شامل روابط بین عدد رینولدز و ضریب اصطکاک استفاده می شود. از آنجایی که روابط حاکم بر هیدرولیک این سد غیرخطی است، استخراج رابطه دبی-اشل ساده و دقیق می تواند بهره برداری این سدها را دوچندان کند. به منظور اصلاح معادله تیوری یک بعدی دبی-اشل در سدهای پاره سنگی، آزمایشاتی در فلوم آزمایشگاهی انجام و از طریق آنالیز ابعادی، کمیت های بی بعد در مسئله عبور جریان از یک سد پاره سنگی استخراج شد. انتخاب مقاطع مستطیلی و ذوزنقه ای با سنگدانه-هایی به قطر 3، 5 و7 سانتی متر و طول های 5/0، 1 و 5/1 متری 21 سری آزمایش، انجام و با اعمال رگرسیون غیرخطی چندمتغیره بر بخش عمده ای از نتایج آزمایشگاهی (70%)، 2 معادله اصلاحی ارایه شد. براساس شاخص های آماری حاصل از 30% داده ها، صحت سنجی معادلات مورد بررسی قرار گرفت که نتایج قابل قبولی برای معادلات اصلاحی بدست آمد. نتایج و شاخص های آماری بیانگر آنست که معادله بدست آمده از آنالیز ابعادی، هم خوانی بیشتری نسبت به معادلات تیوری یک بعدی و یک بعدی اصلاح شده دارد و درصد خطای آن برای 30% از داده ها برابر 107/0 درصد است بنابراین می تواند به عنوان معادله ای مناسب مورد استفاده قرار گیرد. معادلات تیوری یک بعدی و یک بعدی اصلاح شده نیز با معادلات تیوری دوبعدی و دوبعدی اصلاح شده مقایسه شد و نتایج نشان داد که معادلات دوبعدی از دقت بالایی برخوردارند

    کلیدواژگان: سد پاره سنگی، معادله یک بعدی، رگرسیون غیرخطی چندمتغیره
|
  • Banafshe Rahimi, Maryam Hafezparast * Pages 1-23

    In this research, monthly temperature, precipitation and discharge values of Jamishan Dam in 1988-2017 have been considered as the base period. Simulation of resources and uses of Dam-d-Gomishan basin in WEAP model with existing cropping patterns in the region was investigated. To evaluate the effect of climate change on precipitation and temperature parameters in this region, the outputs of the RCP8.5 scenario of the HADGEM2_ES models were used from the cmip5 fifth report series and the output of these models was downscaled for the desired area. In this study, using the method of change factor downscaling the climatic model and monthly temperature and precipitation parameters of Jamishan Dam for the period 2021-2050 were generated. In order to investigate the runoff of the area due to climate change, SVM, GEP and IHACRES models were investigated and compared. The results of the climatic model show an average temperature increase of 1.5 °C and an increase in precipitation of 5%. In general, results of discharge forecasting in all three models indicate a decrease in runoff that the highest runoff reduction was related to SVM with 21.6% and the lowest runoff reduction was related to IHACRES with 4%. In this study, IHACRES and GEP models have more favorable accuracy than SVR method. Simulation of different cropping patterns in WEAP shows that the highest supply is equal to 74.9% in GEP model and the lowest supply is equal to 70% in SVR model which is related to cropping pattern 1 and cropping pattern 3, respectively.

    Keywords: Rainfall-runoff, Support vector regression, Genetic programming, WEAP, Crop pattern
  • Seyed Ehsan Fatemi *, Sedigheh Darabi Cheghabaleki, Maryam Hafezparast Pages 24-45

    Accurate and correct prediction of surface water flow plays an important role in the principled planning and proper management of water resources. To achieve this, various prediction models using mathematical relationships based on hydrological information can be used. In this study, monthly discharge of Polechehr hydrometric station for a 48-year has been used (Sep. 2018-October 1971). Two main scenarios with and without pre-processing (standardization), two time series or non-time series approaches were considered. Also, two cases with and without feature selection have been considered by a random forest algorithm. In all cases, 80% and 20% of the data are intended for model training and testing, respectively. The entire coding process is done in the Python programming platform. Genetic algorithm was used to optimize the parameters of the support vector regression method. The results showed that standardization, non-time series approach, reducing the dimensionality of the model input to select and also using genetic algorithm to optimize the parameters of the support vector regression model have the greatest effect on prediction accuracy, respectively. So that the highest coefficient of explanation for training data is 0.85 and for testing is equal to 0.6.If standardization is not applying on the data, adopting a time series approach and feature selection will lead to better results in predicting the SVR model, and also the use of genetic algorithm optimizer compared to the simple model will have a significant effect on improving results.

    Keywords: Discharge Forecasting, Genetic Algorithm, Support vector regression
  • Emad Mahjoobi *, Amir Khoshsima Pages 46-67

    Common water resources have caused tensions as well as partnerships across the regional to international levels. Undoubtedly, identifying the factors influencing the management of such resources will be a prerequisite for bilateral or multilateral negotiations to resolve existing tensions and establish cooperation between stakeholders. Therefore, in this article, an attempt has been made to identify the effective parameters from a hydropolitical point of view with a comprehensive look at the issues of transboundary water resources management and to categorize them in an innovative framework. The approach used to achieve this goal is the deep review of existing literature as well as the use of remote sensing to study different criteria. Harirud basin as one of the obvious examples of transboundary water issues is involved in specific challenges between the three countries and may be a suitable choice for covering different factors in this field. The innovative framework based on four areas of political, economic, social and environmental has been presented as the main dimensions of hydropolitics and prioritized based on the opinion of experts. The results show that in order to reach a comprehensive and lasting agreement, the greatest focus should be on the political and economic areas. In this regard, paying attention to the sub-criteria of geographical location, management of available water resources, stability of political sovereignty, water management, food security, hydrology of the basin, water and energy exchanges, water trade and conflict of strategic interests will have the greatest impact on the negotiation process.

    Keywords: Climate Change, Harirud, Hydropolitics, Water Economy, Water Security
  • Samad Emamgholizadeh *, MohammadAli Rahimi Pages 68-91

    The impact of flow on the bridge piers creates turbulent flows that cause scour around it, and as result collapse of the bridges. Despite to most research which done in this area, but due to the complexity of the phenomena and the many parameters involved in the phenomenon, there is still no exact relationship or fundamental solution to predict scour depth. In the present study, using the measured data, the scour depth was estimated with data mining methods such as artificial neural network, linear and nonlinear regression models and also empirical relationships. The data were used in two ways, with dimensions and non-dimension, which were obtained using dimensional analysis. The results showed that the artificial neural network model able to predict scour depth with determination coefficient (R2) equal to 0.97 and 0.81, as well as RMSE error equal to 0.06 m and 0.32, respectively, when data was used with dimension and non-dimension forms. Also, the empirical equations of the Colorado State University between the empirical relationships predicted scour depth with R2 and RMSE error equal to 0.84 and 0.52. Comparison of the results of different models shows that the best results are related to the artificial neural network model and it decreased error of prediction 70, 85.5 and 87.7% compared to linear regression model, nonlinear regression model and the empirical equation of the Colorado State University, respectively.

    Keywords: Scouring, Bridges, Empirical Relations, artificial neural network
  • Simin Khosravi, Hasan Torabi Poodeh * Pages 92-107
    IntroductionSezar River of the main branches of Dez River and long term streamflow predicting of the river is important, in order to optimal operation of Dez Dam Reservoir. MethodsIn this research initially, streamflow trend of Sezar River evaluated with TFPW-MK method at statistical period 1970-1971 to 2008-2009 that is a period without trend of the basin precipitation. The results showed, streamflow of Sezar River has a significant negative trend. Then in order to evalution streamflow reduction causes of the river, were evaluated, three basic factors affecting on river streamflow, that is precipitation, inter and intra basin withdrawals from surface water resources of basin and withdrawals from groundwater resources of basin. ConclusionThe results showed, main cause of streamflow reduction of the river is excessive harvesting of groundwater. Finally, predicted long term streamflow of Sezar River. The results showed, average of prediction streamflow time series of Sezar River, about 22.42 m3/s is lower than average of streamflow time series of the river in the case of excessive withdrawals from groundwater resourses are not that cause the interaction of surface water and groundwater is not. The data used is include, data of 3 hydrometric stations and 15 pluviometry stations of Sezar basin, information of development projects inside and outside basin surface water resources, and data of digging year and coordinates of waterwells in the basin.
    Keywords: Interaction between surface water, groundwater, Mann Kendal Test, River long term streamflow forcasting, Sezar River
  • Majid Heydari *, Zahra Khodakaramian Pages 108-120

    Structural methods that can be used to control the flood are dams without a core. The flow of these dams is disturbed and the Darcy law is not valid. the turbulent flow equations, including the relations between the Reynolds number and the friction coefficient, are used. relations governing these hydraulic dams are non-linear, extraction of a simple and precise discharge-stage relationship can double management and operation of these dams. Experiments were performed in a laboratory floam in correct the one-dimensional discharge-stage theory equation in rockfill dams and Through dimensional analysis, dimensionless quantities, were extracted in the flow problem from a rockfill dam. 21 series of experiments were carried out on rectangular and trapezoidal sections with rocks in diameters of 3, 5 and 7 cm and lengths of 0.5, 1 and 1.5 meters. And by applying multivariate nonlinear regression on a large of laboratory results (70%), two correctional equations were presented. Based on the statistical indices obtained from 30% of the data, the validation of the equations was considered and the acceptable results were obtained for the correction equations. The results and statistical indices show that the resulting equation of dimensional analysis is more consistent with the one-dimensional theory and one-dimensional modified equations and its error rate for 30% of the data, equal to 0.107%, therefore, Can be used as an appropriate equation. The one-dimensional theory and one-dimensional modified equations were compared with the two-dimensional theory and two-dimensional modified equations and the results showed that the two-dimensional equations have high accuracy.

    Keywords: Rockfill Dam, One-Dimensional Equation, Multivariate nonlinear regression