فهرست مطالب

پژوهش های حفاظت آب و خاک - سال سی و یکم شماره 1 (بهار 1403)

نشریه پژوهش های حفاظت آب و خاک
سال سی و یکم شماره 1 (بهار 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/05/07
  • تعداد عناوین: 8
|
  • ام البنین توراج زاده، حلیمه پیری*، مسعود براتی صفحات 1-25
    سابقه و هدف

    مدل های گیاهی ابزار مناسبی برای شبیه سازی پارامترهای مهم کشاورزی می باشند. با توجه به وجود تنش های محیطی در هر منطقه، مدل های گیاهی باید در هر منطقه ارزیابی شده و مورد تایید قرار بگیرند. در سال های اخیر مدل های زیادی برای بررسی روابط آب و خاک و گیاه مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از این مدل ها، مدل اکوکراپ است. مدل مذکور بایستی برای هر محصول و در هر منطقه خاص واسنجی و ارزیابی شود. اساس این مدل عکس العمل عملکرد محصول نسبت به آب مصرفی است و با استفاده از متغیرهای اقلیمی، گیاه، خاک و مدیریتی، عملکرد محصول را شبیه سازی می کند. پارامترهای به کار رفته در مدل تحت تاثیر شرایط مختلف محیطی و مدیریتی تغییر می کند. تحلیل حساسیت به محققین کمک می کند تا اطلاعات کافی در خصوص تاثیر هر پارامتر و مقدار تغییرات آن در مرحله واسنجی داشته باشند.

    مواد و روش ها

    تحقیق در قالب طرح فاکتوریل کاملا تصادفی در نیمه دوم آبان 1400 و 1401 در گلخانه اجرا شد. تیمارها شامل سه تیمار آب آبیاری (60، 80 و 100 درصد مقدار آب آبیاری به ترتیب، I1، I2 و I3)، سه سطح شوری (1، 4 و 7 دسی زیمنس بر متر به-ترتیب S1، S2 و S3)، دو نوع ماده اصلاحی (بیوچار (B) و نانوبیوچار (NB)) و سه سطح بیوچار و نانوبیوچار (0، 2 و 4 درصد وزنی خاک گلدان) بود. در پایان فصل برداشت عملکرد محصول اندازه گیری و بهره وری مصرف آب محاسبه شد. از داده های زراعی سال اول برای واسنجی مدل و از داده های زراعی سال دوم برای صحت سنجی مدل استفاده شد. برای آزمون دقت و بررسی کارایی مدل از آماره های خطای جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین خطای اریب (MBE)، ضریب تبیین (R2) و درصد خطای نسبی (RE) استفاده شد. همچنین در تحقیق تحلیل حساسیت مدل به پارامترهای رطوبت در ظرفیت زراعی، پژمردگی و در حالت اشباع، ضریب گیاهی برای تعرق، عمق موثر ریشه، حد بالا و پایین ضریب تخلیه آب خاک برای توسعه گیاه، بیشینه رشد کانوپی، ضریب رشد و کاهش پوشش و بهره وری آب نرمال شده مورد بررسی قرار گرفت.

    یافته ها

    با توجه به مقایسه مقادیر اندازه گیری شده و شبیه سازی شده عملکرد و بهره وری مصرف آب کینوا و محاسبه شاخص های ارزیابی آماری در هر دو مرحله واسنجی و صحت سنجی می توان بیان داشت که مدل اکوکراپ به خوبی توانسته است عملکرد و بهره وری مصرف آب را در شرایط استفاده از آب با مقادیر و کیفیت های مختلف و اصلاح کننده های بیوچار و نانوبیچار شبیه سازی کند. مقادیر درصد خطای نسبی (RE)، جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین خطای اریب (MBE) و ضریب تبیین (R2) برای عملکرد در مرحله صحت سنجی با ماده اصلاحی بیوچار به ترتیب 66/0، 38/33، 12/24 و 98/0 و برای بهره وری مصرف آب در این مرحله به-ترتیب 29/0، 33/0، 11/0 و 96/0 به دست آمد. مقادیر درصد خطای نسبی (RE)، جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین خطای اریب (MBE) و ضریب تبیین (R2) برای عملکرد در مرحله صحت سنجی با ماده اصلاحی نانوبیوچار به ترتیب 12/0، 08/22، 61/5 و 98/0 و برای بهره وری مصرف آب در این مرحله به ترتیب 17/0، 29/0، 05/0 و 96/0 محاسبه شد. با توجه به مقادیر کمتر آماره های خطا در شرایط استفاده از ماده اصلاحی نانوبیوچار، می توان گفت مدل در این شرایط بهتر توانسته است عملکرد و بهره وری مصرف آب را شبیه سازی کند.

    نتیجه گیری

    با توجه به نتایج به دست آمده می توان بیان داشت که مدل اکوکراپ با یک سطح اطمینان قابل قبول می تواند در شبیه سازی عملکرد و بهره وری مصرف آب گیاه کینوا تحت تیمارهای مختلف کمی و کیفی آب آبیاری و اصلاح کننده های خاک مورد استفاده قرار گیرد و به عنوان یک ابزار توانمند و کارامد در جهت انتخاب مدیریت بهینه آبیاری به کشاورزان، طراحان، متخصصان و مدیران کشاورزی کمک نماید.

    کلیدواژگان: بهره وری آب نرمال شده، بیشینه رشد کانوپی، ضریب رشد پوشش، ضریب کاهش پوشش
  • احسان جوادی، بهزاد حصاری*، مهسا محمد حسین زاده صفحات 27-49
    سابقه و هدف
    به علت محدودیت های منابع تجدیدشونده آب شیرین، مدیریت صحیح میان منابع و مصارف، یکی از عوامل اصلی برای دستیابی به مدیریت پایدار است . هدف در این پژوهش بررسی تاثیرات سیاست انقباضی دولت در قبال کاهش حق آبه سطحی و زیرزمینی در دشت میاندوآب و بررسی اثرات آن ها در آبخوان ، به صورت کمی است.
    مواد و روش ها
    در مدل سازی کمی آب زیرزمینی دشت میاندوآب از اطلاعات 120 چاه مشاهده ای استفاده شد و لایه های خاکشناسی، زمین شناسی، تغذیه و... برای منطقه جمع آوری گردید. تغییرات تراز آب زیرزمینی از مهر 1389 (2010) تا شهریور1395 (2016) در حالت پایدار و ناپایدار با کد مادفلو مدل سازی و مورد بررسی قرار گرفت. در GMS تحت کد MODFLOW، مراحل واسنجی مدل بر اساس تنظیم پارامترهای هیدرودینامیکی آبخوان مثل هدایت هیدرولیکی و تغذیه... برای 50 گام زمانی از آبان 1389 (70% دوره مدل سازی) انجام شد و بهترین تطبیق بین مقادیر محاسباتی و مشاهداتی به روش دستی و خودکار انجام شد. 30 % داده ها برای صحت سنجی استفاده شد. حساسیت مدل به ضرایب هیدرودینامیکی آبخوان بررسی گردید. درنهایت سناریوهای مختلف حاکم و پیش روی منطقه و اثر آن ها بر روی رفتار آب زیرزمینی مثل سناریوها کاهش برداشت و کاهش تغذیه باکم کردن آب سطحی ورودی دشت کمی سازی شدند.
    یافته ها
    نتایج نشان داد مقدار خطای RMSE به ترتیب برای حالت پایدار و ناپایدار در حدود 1 و 1.68 متر بوده و مقادیر هدایت هیدرولیکی در آبخوان بین 5/3 و 28 متر در روز و مقادیر آبدهی ویژه در آبخوان بین 3 الی 24 درصد متغیر است. مدل به تغذیه سطحی بیشترین حساسیت و برای آبدهی ویژه کمترین حساسیت را از خود نشان داد. ضریب پیرسون دوره واسنجی و صحت سنجی حالت ناپایدار بالای 0.98 بوده و مدل از دقت بالایی برخوردار است .کلیه تاثیرات سیاست های انقباضی دولت در قبال کاهش 40% آب سطحی و تعادل بخشی آبخوان با سطوح کاهش تغذیه طبیعی آبخوان اعمال گردید. با توجه به اینکه مقدار افت متوسط تراز آب زیرزمینی حدود 1/0 متر در سال است به منظور تعادل بخشی به آبخوان و همچنین راهکارهای مدیریتی سناریو کاهش برداشت از کلیه چاه بهره برداری اعمال شده است که با کاهش 5% برداشت، آبخوان نیم متر افزایش سطح ایستابی را تجربه خواهد کرد. آبخوان میاندوآب به خاطر کم شیب بودن دشت ، حساس بوده و در کاهش برداشت با نرخ بالا ، قسمتی از دشت زه داری را نشان می دهد لذا هرگونه سیاست گذاری باید مبتنی بر مدل سازی باشد .
    نتیجه گیری
    به منظور بهبود شرایط آبخوان میاندوآب که یکی از خاص ترین آبخوان های کشور است، پیشنهادهایی مبنی بر تغییر در الگوی کشت محصولات کشاورزی ، نظارت بر برداشت هایی آب از چاه های بهره برداری موردتوجه سازمان ها قرار گیرد و اثر تغییر اقلیم و خشک سالی بر منابع آب زیرزمینی ازنظر کمی و کیفی موردبررسی قرار گیرد. سناریوهای مختلفی ازجمله بهینه سازی و تغییر الگوی کشت و همچنین احداث زهکش در مناطقی که تبخیر از آبخوان زیاد است در جهت بهبود وضعیت آبخوان مورد ارزیابی قرار گیرد.
    کلیدواژگان: GMS، MODFLOW، کمیت آب زیرزمینی، دریاچه ارومیه
  • فاطمه سادات رضوانی، خلیل قربانی*، میثم سالاری جزی، بهناز یازرلو، لاله رضایی قلعه صفحات 51-72
    سابقه و هدف
    رواناب متغیر اصلی برای تجزیه و تحلیل هیدرولوژیکی حوزه آبریز است و باتوجه به اهمیت آن، برای چندین دهه تحقیقات هیدرولوژیکی بر شبیه سازی روابط بارش رواناب متمرکز بوده است که منجر به ارائه مدل های فراوانی گردیده است. باتوجه به تعدد مدل های هیدرولوژیکی، انتخاب یک مدل بهینه از بین انواع مدل ها فرآیند ساده ای نیست. بدین منظور در پژوهش حاضر پس از انتخاب حوزه آبریز گالیکش از سیل خیزترین حوزه ها در استان گلستان، عملکرد سه مدل هیدرولوژیکی AWBM، Tank و IHACRES مورد ارزیابی قرار گرفت و پارامترهای مدل ها نیز تحلیل حساسیت شد و در نهایت کارایی مدل ها در دوره های ترسالی و خشکسالی سنجیده شد.
    مواد و روش ها
    مقدار رواناب روزانه خروجی از حوزه برای یک دوره 30 ساله (2019-1989) با استفاده از هر یک از مدل های مذکور شبیه سازی شده و با استفاده از چهار معیار ضریب ارزیابی نش-ساتکلیف، ریشه میانگین مربعات خطا، ضریب تبیین و میانگین درصد قدر مطلق خطا، عملکرد هر یک از مدل ها در دو دوره واسنجی و صحت سنجی بررسی شده است. پس از بهینه سازی مقادیر تمامی پارامترها، حساسیت پارامترهای هر یک از مدل ها تجزیه و تحلیل گردیده است. در نهایت پس از مشخص کردن وضعیت خشکسالی با شاخص SPI، عملکرد هر یک از مدل ها در دو دوره ترسالی و خشکسالی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.
    یافته ها
    نتایج حاکی از عملکرد تقریبا مشابه دو مدل بارش-رواناب IHACRES و AWBM است. مدل IHACRES با داشتن ضریب نش-ساتکلیف 73/0 و 75/0 و RMSE 97/2 و 94/2 به‏ترتیب در دو دوره واسنجی و صحت سنجی و مدل AWBM نیز با ضریب نش-ساتکلیف 74/0 و 69/0 و RMSE 92/2 و 24/3 برای دوره های واسنجی و صحت سنجی عملکرد مطلوبی را نشان داده اند، اما مدل Tank در شبیه سازی رواناب حوزه موفق نبوده و عملکرد پایین تری نسبت به دو مدل دیگر داشته است. تحلیل حساسیت پارامترهای مدل ها نیز نشان داد پارامترهای Kbase، H11 و f به‏ترتیب در مدل های AWBM، Tank و IHACRES بیشترین حساسیت را به تغییر مقادیر خود دارند. در نهایت مقایسه عملکرد مدل ها در دو دوره ترسالی و خشکسالی نشان داد که تمامی مدل ها با دقت بالایی موفق به شبیه سازی رواناب حوزه در دوره ترسالی شده اند به‏طوری که ضریب نش-ساتکلیف 79/0، 74/0 و 78/0 به‏ترتیب برای سه مدل AWBM، Tank و IHACRES عملکرد مورد قبول مدل ها را در شبیه سازی رواناب در دوره ترسالی نشان می دهد. درحالی که ارزیابی نتایج، عملکرد ضعیف تمامی مدل ها را در دوره خشکسالی نشان داده است و ضریب نش-ساتکلیف به‏دست آمده برای مدل ها به‏ترتیب برابر 05/0-، 45/0- و 12/0 است که نشان از ضعف مدل ها در شبیه سازی مقادیر پایین جریان است.
    نتیجه گیری
    در ارزیابی سه مدل هیدرولوژیکی AWBM، Tank و IHACRES در شبیه سازی جریان روزانه مشخص شد که به‏طور کلی با اختلاف کمی مدل IHACRES نسبت به مدل AWBM نتایج بهتری را نشان می دهد؛ اما در دوره های ترسالی با توجه به ارزیابی های صورت گرفته مدل AWBM دقت خوبی داشته است درحالی که مدل IHACRES در دوره خشکسالی نسبت به دیگر مدل ها عملکرد بهتری را نشان داده است. با توجه به این موضوع می توان گفت مدل ها در شبیه سازی جریانات کم که در دوره های خشکسالی اتفاق می افتد ضعیف تر عمل کردند در حالی که آگاهی از وضعیت جریان رودخانه ها در دوره های خشکسالی می تواند نقش موثری را بر مدیریت منابع آبی داشته باشد از این رو در جهت افزایش دقت آن ها می بایست چاره ای جست.
    کلیدواژگان: بارش-رواناب، بهینه ‏سازی، تحلیل حساسیت، حوزه آبریز گالیکش، مدل هیدرولوژیکی
  • ستار زندسلیمی، چنور عبدی، امید بهمنی* صفحات 73-92
    سابقه و هدف

    آرسنیک از سموم مهم محیط زیست به شمار می آید که با جذب از طریق ریشه گیاهان، در اندام های گیاهی و حتی جانوری تجمع یافته و از طریق چرخه غذایی یا مصرف مستقیم آب آلوده وارد بدن انسان می شود. برخی گزارشات آلودگی منابع آب شرب منطقه ای از شهرستان بیجار در استان کردستان به عنصر آرسنیک و عوارض آن در ساکنین منطقه را نشان داده است، لذا این پژوهش با هدف بررسی پراکنش آرسنیک در منابع آب و خاک منطقه و ارزیابی توان گیاهان بومی مرتعی در جذب و انباشتگی این عنصر انجام شد.

    مواد و روش ها

    در این طرح با نمونه برداری از آب های سطحی و زیرسطحی منطقه ای به مساحت 360 کیلومترمربع و اندازه-گیری غلظت آرسنیک نمونه های آب بوسیله دستگاه طیف سنج جذب اتمی به روش کوره گرافیتی، توزیع و پراکنش آرسنیک منطقه آلوده، در محیط ArcGIS پهنه بندی شد و با بررسی نقشه پراکنش آرسنیک در منطقه، سه ناحیه نمونه برداری با شدت آلودگی ناهمانند (A > B >C) گزینش گردید. سپس با گردآوری نمونه های خاک و اندام های هوایی 13 گونه گیاه بومی مرتعی منطقه و اندازه گیری غلظت آرسنیک در عصاره آنها، قدرت گیاهان مختلف در جذب و انباشتگی آرسنیک مورد مقایسه و آنالیز آماری قرار گرفت.

    یافته ها

    شدت آلودگی آرسنیک در آبهای سطحی، خاک و گیاهان مورد مطالعه در این پژوهش بالاتر ازغلظت معمول آرسنیک منابع آب و خاک و گیاه بود. آرسنیک کل نمونه های آب از 5/4 تا 280 میکروگرم بر لیتر متغییر بود و با هدایت الکتریکی، املاح محلول و سختی خاک رابطه مستقیمی داشت (P<0.001). تمرکز آلودگی در خاک ناحیه A (روستای علی آباد) با میانگین شدت آلودگی بیش از 2059 میکروگرم در هر گرم خاک خشک بود، با فاصله گرفتن از منطقه A، شدت آلودگی آب و خاک به آرسنیک کاهش یافت. همبستگی بالایی بین شدت آلودگی آب و خاک وجود داشت (R2=0.84). مقدار آرسنیک در بخش هوایی 13 گونه گیاهی با 3 تکرار، بسته به گونه گیاهی و شدت آلودگی خاک از صفر تا 8/47 میکروگرم بر گرم وزن خشک بافت گیاهی متغییر بود. شدت آلودگی خاک بطور میانگین 66/27 برابر میزان آرسنیک انباشته شده در گیاه بود که بیانگر مقاومت بالای گیاهان بومی مرتعی منطقه در برابر سمیت آرسنیک می باشد.

    نتیجه گیری

    با در نظر گرفتن استاندارد ملی آب آشامیدنی برای آرسنیک (μg l-1 50)، غلظت آرسنیک در بیش از 45 درصد از منابع آب منطقه مورد مطالعه، متجاوز از حد استاندارد ملی بود و بر اساس استاندارد سازمان بهداشت جهانی (μg l-110)، سطح آلودگی به 78 درصد رسید. به نظر می رسد تمرکز مواد مادری حاوی ترکیبات آرسنیک دار در منطقه A و B نسبت به منطقه C بیشتر است و هرچه از منطقه A دورتر شدیم تراکم مواد مادری حاوی آرسنیک کاهش یافت. بطوریکه ناحیه نمونه برداری اثر معنی داری بر میانگین غلظت آرسنیک نمونه های آب و خاک داشت (P<0.05). آرسنیک جذب شده توسط نمونه های گیاهی بسیار بیشتر از غلظت معمول آرسنیک (1/0 تا 3 میکروگرم بر گرم وزن خشک) در گیاه بود. در مقایسه گیاهان مورد بررسی در این پژوهش، گیاه آستراگالوس بیزنلکاتوس (Astraglus bisnlcatus) ، کنوپودیوم آلبوم (Chenopodium Album) و منتآلوگیفولیا (Mentha logifolia) به ترتیب با انباشتگی بیش از 8/47، 5/35 و 5/22 میکروگرم آرسنیک در هر گرم وزن خشک گیاه، بهترین گزینه تجمع آرسنیک شناسایی شد. نتایج بدست آمده در این مطالعه بیانگر آلودگی شدید منابع آب و خاک و گیاه منطقه به عنصر آرسنیک است، بیشتر منابع آب سطحی منطقه مورد مطالعه، جهت آبیاری کشاورزی، مصرف حیوانات و گاهی آب شرب ساکنین روستاها استفاده می شود. ورود آرسنیک به بدن انسان به طور مستقیم یا از طریق چرخه غذایی، می تواند سلامتی ساکنین منطقه را به-شدت به خطر اندازد که نیازمند انجام تمهیداتی در این خصوص است.

    کلیدواژگان: آلودگی آرسنیک، آب سطحی، خاک، انباشتگی گیاهی، بیجار
  • راضیه کریمی دمنه، مهدی مفتاح هلقی*، امیراحمد دهقانی، عبدالرضا ظهیری، اسماعیل کردی صفحات 93-112
    سابقه و هدف
    پشته های رسوبی میانی از جمله ساختارهای طبیعی در آبراهه ها و رودخانه ها هستند که در اثر کاهش تنش برشی و رسوبگذاری در مرکز رودخانه ایجاد شده و موجب دوشاخه شدن آبراهه ها و افزایش فرسایش جانبی در دو ساحل راست و چپ رودخانه خواهد شد. هم چنین، افت انرژی ناشی از وجود پشته ها، از دیگر عواملی است که موجب تشدید رسوبگذاری در رودخانه می شود. این پشته ها، به عنوان زیستگاه آبزیان در رودخانه ، از اهمیت بسزایی برخوردارند و شناخت دقیق سازوکار جریان پیرامون آن ها، از موارد مهم در فرایندهای بهره برداری و احیای رودخانه هاست. در این پژوهش، الگوی جریان پیرامون پشته های رسوبی به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.
    مواد و روش ها
    در این پژوهش، سه پشته به شکل های لوزی، بیضی و گوه ای که از نمونه های متداول پشته ها در رودخانه های آبرفتی طبیعی هستند، در یک کانال آزمایشگاهی به طول 9 و عرض و ارتفاع 4/0 متر، با شیب کف 0007/0 در آزمایشگاه تحقیقات آب و رسوب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ساخته و استفاده شد. سرعت در سه راستای عرضی، طولی و قائم با استفاده از دستگاه سرعت سنج الکترومغناطیس با فرکانس 30 هرتز، در 39 نقطه برداشت شد. دبی به کمک دستگاه دبی سنج فرکانسی در تمام آزمایشات، 5/4 لیتر بر ثانیه تنظیم شد و رژیم جریان در تمامی آزمایشات، زیربحرانی و آشفته بود.
    یافته ها
    یافته ها نشان داد شکل پشته ها در سازوکار جریان و میزان افت انرژی، تاثیرات متفاوتی دارد. بررسی و مقایسه ی نمودارها نشان دهنده ی شرایط تقریبا مشابه برای پشته های بیضی و گوه ای اما قدری متفاوت برای پشته ی لوزی است. با وجود اختلاف ساختار تغییرات مولفه ی عرضی سرعت در مواجهه با پشته های بیضی، گوه ای و لوزی، در تمامی موارد، دامنه تغییرات بین 4/0 تا 6/1 برابر مقدار میانگین است. مطابق نتایج به دست آمده، حضور پشته ی بیضی منجر به نوسانات قابل توجه مولفه ی طولی سرعت در هر سه محور (بین حدود 5/0 تا 6/1 برابر مقدار میانگین در محورهای چپ و راست و بین 2/0 تا 4/1 برابر مقدار میانگین در محور وسط) می شود؛ اما برای پشته های گوه ای و لوزی، این نوسانات در تمامی محورها چندان چشمگیر نیست (بین 8/0 تا 2/1 برابر مقدار میانگین در محورهای چپ و راست و بین 8/0 تا 4/1 برابر مقدار میانگین برای محور وسط). اما تغییرات این مولفه در مواجهه با پشته های گوه ای و بیضی بیشتر و در هر سه محور قابل توجه (بین 5/0 تا 3/2 برابر مقدار میانگین) می باشد. تغییرات مولفه قائم سرعت در محور وسط نشان دهنده ی بیشترین کاهش قبل از مواجهه با پشته ی بیضی و شرایطی مشابه برای همین محور در مواجهه با پشته ی گوه ای است با این تفاوت که آغاز این کاهش منطبق بر نقطه برخورد پشته گوه ای است. تاثیر مستقیم مواجهه با پشته های رسوبی را علاوه بر مقادیر مولفه های سرعت، باید بر مقادیر انرژی جریان به عنوان معرف تجمیعی قدرت فرسایندگی جریان نیز جستجو نمود. بررسی جزئی تر نمودارها نشان می دهد که در محورهای چپ و راست، مواجه شدن با پشته ی بیضی منجر به افزایش انرژی نسبی جریان به اندازه 4/1 برابر میانگین شده و پس از عبور از پشته، بار انرژی به کمتر از مقدار میانگین کاهش یافته است. اما در محور وسط، وجود پشته، انرژی نسبی جریان را به 6/0 مقدار میانگین کاهش داده و پس از عبور از پشته، این مولفه روند افزایشی داشته است.
    نتیجه گیری
    مواجهه با پشته ی بیضی منجر به بیشترین تغییرات در مقادیر نسبی مولفه های سه گانه ی سرعت، در مقایسه با دو پشته ی لوزی و گوه ای شد. هم چنین، تغییرات بار انرژی کل ناشی از حضور دو پشته ی لوزی و گوه ای ناچیز بوده ولی مشابه با تغییرات سرعت در هر سه مولفه ی عرضی، طولی و قائم، پشته ی بیضی منجر به تغییرات قابل توجه در مقادیر نسبی بار کل انرژی در طول کانال شد.
    کلیدواژگان: افت انرژی، پشته های رسوبی میانی، توزیع سرعت، مقاومت جریان، رسوبگذاری
  • اعظم مومزایی، حسین خیرفام*، سیدحمیدرضا صادقی صفحات 113-131
    سابقه و هدف

    شوری خاک یکی از مهم ترین دلایل تخریب خاک در مناطق خشک و نیمه خشک بوده که کاهش پایداری خاک دانه ها، حاصلخیزی خاک و تولیدات گیاهی، انتشار گرد و غبار و افزایش فرسایش خاک را در پی دارد. در این بین، تلقیح ریزموجودات خاک زی به ویژه سیانوباکترها با هدف بهبود ویژگی های کمی و کیفی خاک و نیز ویژگی های موثر بر مهار فرآیند فرسایش خاک در مدیریت و حفاظت خاک مورد تایید قرار گرفته است. در صورتی که، تلقیح سیانوباکتر ها در ایجاد پوسته زیستی در خاک های با شوری زیاد مورد توجه قرار نگرفته است. لذا پژوهش حاضر با هدف بررسی امکان استقرار پوسته های زیستی در خاک شور بستر دریاچه از طریق تلقیح سیانوباکترها در شرایط آزمایشگاهی برنامه ریزی شد.

    مواد و روش ها

    نمونه برداری خاک بهصورت تصادفی و از 10 سانتی متری بالای سطح زمین در محدوده سپرغان در غرب حاشیه دریاچه ارومیه در آبان 1401 برداشت و به آزمایشگاه دانشکده منابع طبیعی دانشگاه ارومیه منتقل و تا قبل از انجام آزمایشها در دمای چهار درجه سلسیوس نگهداری شد. سپس سینی های آزمایشی با ابعاد 5×10×15 سانتی متر با خاک شور (با هدایت الکتریکی 27 دسی زیمنس بر متر) برداشت شده از بسترهای خشک شده غرب دریاچه ارومیه پر شد. سیانوباکترهای بومی غالب از خاک بستر دریاچه جداسازی، خالص سازی، شناسایی (Nostoc sp. و Oscillatoria sp.) و سپس تکثیر شدند. سیانوباکترها با وزن خشک 225 میلی گرم به صورت محلول پاشی روی سطح خاک هر سینی (یا هر واحد آزمایشی با مساحت 15/0 مترمربع) به صورت یکنواخت و در سه تکرار تلقیح شد. از طرفی، در تیمار شاهد نیز اقدام به اسپری آب مقطر (بدون زیست توده سیانوباکترها) با سه تکرار روی سطح سینی ها شد. پس از 120 روز، به منظور ارزیابی میزان زیست پوسته سازی سیانوباکتر ها، شاخص های مهم توسعه پوسته های زیستی خاک مانند غلظت کلروفیل-آ، پلی ساکارید و هم چنین روشنایی رنگ (L) و طیف رنگی سبز (a) سطح خاک اندازه گیری شد. تجزیه‎ و تحلیل های آماری داده ها در محیط نرم افزار SPSS 23 انجام شد.

    یافته ها

    نتایج نشان داد که تلقیح سیانوباکترها بر توسعه پوسته های زیستی خاک با شوری بالا اثرگذار بوده؛ به گونه ای که تلقیح سیانوباکترها منجر به افزایش 92/53 درصدی کلروفیل-آ و 09/24 درصدی میزان پلی ساکارید در خاک نسبت به تیمار شاهد شد. هم چنین شاخص های L و a در تیمار تلقیح شده نسبت به تیمار شاهد به ترتیب 80/21 درصد کاهش (تیره شدن رنگ سطح خاک) و 35/73 درصد افزایش (سبز شدن سطح خاک به دلیل افزایش تراکم سیانوباکترها) یافت. شاخص های L و a، توانایی رشد و فعالیت سیانوباکترها در خاک های شور را تایید کرد.

    نتیجه گیری

    سیانوباکتر ها توانایی رشد و فعالیت در خاک با شوری زیاد را داشته و می توان تلقیح سیانوباکترها را به عنوان راهکاری زیستی و هم راستا با اهداف حفاظت خاک در زیست پوسته سازی خاک های شور به منظور جلوگیری از گسترش فرسایش پیشنهاد نمود.

    کلیدواژگان: پلی ساکارید خاک، پوسته زیستی خاک، حفاظت خاک، ریزموجودات خاک زی، کلروفیل خاک
  • زهرا شاهی، محمدرضا شریفی*، محمد ذاکر مشفق صفحات 133-152
    سابقه و هدف

    باد به عنوان یکی از موثرترین عوامل بر تبخیر از سطوح منابع آبی، نظیر مخازن سدها، نقش بسزایی در مقدار برآورد حجم تلفات ناشی از تبخیر و درنتیجه حفاظت از منابع آب دارد. این در حالی است که در اغلب روش های برآورد تبخیر نظیر روابط تجربی، تشت تبخیر و حتی روش های نوین نظیر استفاده از سنجنده های ماهواره ای، عامل باد، ثابت در نظر گرفته می شود. پارامتر باد، تحت تاثیر ارتفاعات مشرف بر دریاچه و سطوح آبی، دارای توزیع مکانی می باشد. از سویی دیگر، شبیه سازی تغییرات مکانی باد و بررسی تاثیر آن بر تبخیر، به عنوان یکی از عوامل چرخه آب، به واسطه پیچیده بودن روابط حاکم بر آن، زمان بر و دشوار است. عدم اعمال تغییرات مکانی باد، سبب کاهش دقت در برآورد تبخیر و درنتیجه عدم دسترسی به مقدار دقیق تلفات ناشی از آن خواهد شد.

    مواد و روش ها

    در مطالعه حاضر به منظور محاسبه هر چه دقیق تر تلفات ناشی از تبخیر از مخزن سد دز واقع در استان خوزستان و در جنوب غرب ایران، با در نظر گرفتن اثر تغییرات مکانی باد، از تلفیق مدل CE-QUAL-W2 و روش بودجه انرژی نسبت بون (BREB) استفاده گردید. ضریب تاثیر باد (WSC) به عنوان یکی از پارامترهای ورودی به مدل CE-QUAL-W2، این امکان را برای مدل به وجود می آورد که وضعیت بادپناهی در بخش های مختلف پیکره های آبی را متفاوت در نظر بگیرد. با این حال، به دلیل عدم دسترسی به یک معیار مناسب برای نشان دادن وضعیت بادپناهی در نقاط مختلف مخازن، پیش از این، مقدار WSC در تمام یا بخش های وسیعی از آب ثابت و بدون تغییر در نظر گرفته می شد. در تحقیق حاضر، از قابلیت مدل CE-QUAL-W2 در تقسیم مخزن به بخش های کوچکتر و توانایی شاخص بادپناهی (Sx) در تعیین وضعیت بادپناهی یا بادروبی در هر بخش استفاده و امکان تخصیص مقادیر متفاوت WSC در هر یک از بخش های دریاچه ایجاد گردید. بدین ترتیب، پروفیل های حرارتی در هر یک از این بخش ها، تحت تاثیر دو حالت ثابت و متغیر بودن باد (ثابت و متغیر در نظر گرفتن WSC)، استخراج و به منظور محاسبه تبخیر وارد روش بودجه انرژی نسبت بون (BREB) گردید.

    یافته ها

    نتایج نشان داد، اعمال تغییرات مکانی باد در سطح دریاچه، در مقایسه با حالتی که این تغییرات در نظر گرفته نشده است، ضمن بهبود عملکرد مدل CE-QUAL-W2 در مرحله کالیبراسیون دمایی، به میزان 45 درصد، سبب افزایش 13 درصدی تبخیر ماهانه برآورده شده از سطح دریاچه گردیده است.

    نتیجه گیری

    تحقیق حاضر، ضمن معرفی و ارائه روشی مدون برای شبیه سازی تغییرات مکانی باد روی سطوح آبی، توانست از طریق مقایسه دو حالت با و بدون اعمال تغییرات مکانی باد، در بخش های مختلف سطح دریاچه سد مورد مطالعه، اثر کمی باد بر تبخیر و درنتیجه تلفات از دریاچه را برآورد و ارئه نماید.

    کلیدواژگان: باد، بادپناهی (Sx)، تبخیر، روش بودجه انرژی نسبت بون (BREB)، مدل CE-QUAL-W2
  • ابراهیم محمودی، حمید نیک نهاد قرماخر*، سوسن خسرویار، محمد رحیم فروزه صفحات 153-170
    سابقه و هدف
    کاربرد سوخت های فسیلی و تغییر کاربری اراضی سبب افزایش فاجعه بار کربن در اتمسفر شده است و کاهش کیفیت خاک، گرمایش جهانی و تغییر اقلیم را بدنبال داشته است. کمبود ماده آلی، شوری و قلیایی بودن خاک، سه محدودیت مهم خاک های مراتع قشلاقی ایران است. بیوچار، یک ماده غنی از کربن است که طی فرایند پیرولیز از مواد اولیه حاوی کربن در دمای بالا و شرایط تقریبا بدون اکسیژن تولید می شود و به منظور بهبود کیفیت خاک، ترسیب کربن و حذف آلاینده ها از محیط زیست استفاده می شود. بیوچار را می توان به منظور کاربردهای خاص یا نیل به نتایجی بخصوص، مهندسی طراحی نمود. افزایش درصد کربن پایدار و بهبود خصوصیات فیزیکی- شیمیایی بیوچارهای مهندسی شده می تواند نقش مهمی در ترسیب کربن و اصلاح خصوصیات خاک های مراتع قشلاقی ایفا نماید.
    مواد و روش ها
    ساقه پنبه پس از شستشو و خشک شدن به قطعات کمتر از 2 سانتیمتر خرد گردید. آنگاه به مدت 4 ساعت در محلول با غلظت 20 درصد نمک‎ های فلزی کلرید کلسیم، کلرید منیزیم و کلرید آهن غوطه ور شده، دوباره خشک گردید. سپس، در کوره الکتریکی و در دماهای 300، 400، 500، 600 و700 درجه سانتی گراد و با زمان ماندگاری دو ساعت، 20 بیوچار شاهد و مهندسی شده از ساقه های پنبه تیمار شده با نمک های فلزی مختلف و تیمار نشده تولید شده، درصد عملکرد، درصد کربن آلی، درصد کربن پایدار، اسیدیته، و هدایت الکتریکی آنها اندازه گیری شد و نسبت وزن کربن پایدار به وزن ماده اولیه نیز، محاسبه گردید. تجزیه و تحلیل آماری در نرم افزار SPSS نسخه 16 با استفاده از روش تجزیه واریانس واریانس یک طرفه و آزمون توکی انجام شد.
    یافته ها
    با افزایش دمای پیرولیز در تمامی بیوچارها (مهندسی شده و شاهد) روند کاهشی عملکرد مشاهده گردید بطوریکه بیشترین درصد عملکرد آنها در دما پیرولیز 300 درجه سانتی گراد مشاهده شد. بالاترین درصد عملکرد (20/50 درصد) در بیوچار تیمار شده با کلرید آهن تولید شده در دمای 300 درجه سانتی گراد بدست آمد. بیشترین میزان کربن آلی (97/50 درصد) و کربن پایدار (57/99 درصد) به ترتیب در بیوچارهای شاهد تولید شده در دمای 500 درجه سانتی گراد و بیوچار تیمار شده با کلرید آهن تولید شده در دمای 700 درجه سانتی گراد به دست آمد. بیشترین افزایش در نسبت وزن کربن پایدار به وزن ماده اولیه در بیوچار تیمار شده باکلرید آهن تولید شده در دمای 300 درجه سانتی گراد مشاهده شد. کمترین و بیشترین قابلیت هدایت الکتریکی (1/1 و 43/7 دسی زیمنس یر متر) در بیوچار شاهد تولید شده در دمای 300 درجه سانتی گراد و بیوچار تیمار شده با کلرید کلسیم تولید شده در دمای 700 درجه سانتی گراد به دست آمد. بیشترین و کمترین اسیدیته (83/9 و 60/5) در بیوچار شاهد تولیدشده در دمای 700 درجه سانتی گراد و بیوچار تیمار شده با کلرید آهن تولید شده در دمای 300 درجه سانتی گراد مشاهده شد.
    نتیجه گیری
    با توجه به محدودیت های موجود در خاک مراتع قشلاقی ایران و خصوصیات بیوچارهای شاهد و اصلاح شده به همراه انرژی لازم برای تولید آنها، بیوچار تولید شده از ساقه پنبه تیمار شده با نمک کلرید آهن در دما300 درجه سانتی گراد دارای بیشترین عملکرد و کربن پایدار بالایی بوده، پایین ترین اسیدیته و هدایت الکتریکی قابل قبولی دارد. لذا، به منظور استفاده در پروژه های ترسیب کربن و بوته کاری در مراتع قشلاقی ایران توصیه می شود.
    کلیدواژگان: نمک های فلزی، بیوچار، ساقه پنبه، ترسیب کربن
|
  • Ommolbnain Toorajzadeh, Halimeh Piri *, Masoud Barati Pages 1-25
    Background and purpose

    Plant models are a suitable tool for simulating important agricultural parameters. Due to the existence of environmental stresses in each region, plant models should be evaluated and approved in each region. In recent years, many models have been used to investigate the relationship between water, soil and plants. One of these models is AquaCrop model. The mentioned model should be measured and evaluated for each product and in each specific region. The basis of this model is the reaction of the yield to water productivity, and it simulates the yield by using climate, plant, soil and management variables. Sensitivity analysis helps researchers to have enough information about the effect of each parameter and the amount of its changes in the calibration stage.

    Materials and methods

    The research was carried out in the form of a completely randomized factorial design in the second half of November 1400 and 1401 in the greenhouse. The treatments include three irrigation water treatments (60, 80, and %100 of irrigation water, I1, I2, and I3, respectively), three salinity levels (1, 4, and 7 dS/m, S1, S2, and S3, respectively). There were two types of amendment materials (Biochar (B) and Nanobiochar (NB)) and three levels of Biochar and Nanobiochar (0, 2 and 4% ). At the end of the harvest season, the yield of the product was measured and the water productivity was calculated.Crop data of the one year were used for model calibration and crop data of the second year were used for model validation. The root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE), R2 and relative error percentage (RE) were used to test the accuracy and effectiveness of the model. Also, in the research, the sensitivity of the model to the humidity parameters in crop capacity, wilting and in saturated state, plant coefficient for transpiration, effective root depth, upper and lower limit of soil water discharge coefficient for plant development, maximum canopy growth, growth coefficient and reduction of cover and Normalized water productivity was investigated.

    Findings

    According to the comparison of the measured and predicted values of the yield and water productivity of quinoa and the calculation of statistical evaluation indices in both calibration and validation stages, it can be stated that the AquaCrop model has been able to simulate the yield and water productivity in the conditions of using water with different amounts and qualities and Biochar and nanBiochar modifiers. Relative error percentage (RE), root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE) and coefficient of determination (R2) for the yield in the validation stage with Biochar amendment material are 0.66, 33.38, respectively. 24.12 and 0.98 and 0.29, 0.33, 0.11 and 0.96 were obtained for water productivity in this stage, respectively. Relative error percentage (RE), root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE) and R2 for the yield in validation stage with NanoBiochar amendment material are 0.12, 22.08, respectively. 5.61 and 0.98 and for water productivity at this stage, 0.17, 0.29, 0.05 and 0.96 were calculated respectively. Considering the lower values of the error statistics in the conditions of using the NanoBiochar amendment, it can be said that the model has been able to simulate the yield and water productivity better in these conditions.

    Conclusion

    According to the obtained results, it can be stated that the Aquacrop model is an acceptable reliable level using the simulation of the yield and water productivity of quinoa plant under different quantitative and qualitative treatments of irrigation water and soil amendment are used and help farmers, designers, experts and agricultural managers as a powerful and efficient tool to choose optimal irrigation management.

    Keywords: Cover Growth Factor, Cover Reduction Factor, Maximum Canopy Growth, Normalized Water Productivity
  • Ehsan Javadi, Behzad Hessari *, Mahsa Mohammadhoseinzadeh Pages 27-49
    Background and Objective
    Due to limitations in renewable freshwater resources, proper management of resources and demands is one of the key factors for achieving sustainable management. This is a critical factor in achieving sustainable water management. This study aims to investigate the impact of government contractionary policies on the reduction of surface and groundwater rights in the Miandoab plain and quantitatively examining their impacts on groundwater resources.
    Materials and Methods
    The quantitative modeling of groundwater in the Miandoab plain utilized data from 120 observation wells. Geological, soil layer, and recharge layers pertinent to the region were collected. Groundwater level changes from October 2010 to September 2016 were modeled and analyzed in both stable and unstable)transient) states using the MODFLOW code. The model calibration stages were performed based on adjusting the hydrodynamic parameters of the aquifer, such as hydraulic conductivity and recharge, for 50time steps from November 2010 (70% of the modeling period). The best fit between computational and observational values was achieved both manually and automatically. 30% of the data was used for model validation. The model’s sensitivity to the aquifer’s hydrodynamic coefficients was examined. Finally, various scenarios related to water allocation reduction policies of the region and their effects on groundwater behavior, such as reducing extraction and recharge by decreasing surface water entering the plain, were quantified.
    Results
    The results demonstrated that the Root Mean Square Error (RMSE) was approximately 1 and 1.68 meters for the stable and unstable(transient) states, respectively. The hydraulic conductivity values within the aquifer ranged between 3.5 and 28 meters per day, and the specific yield values varied between 3 to 24 percent. The model exhibited the highest sensitivity to surface recharge and the least sensitivity to specific yield. The Pearson coefficient for the calibration and validation period of the unstable state exceeded 0.98, indicating a high degree of model accuracy. All effects of the government’s contractionary policies on reducing 40% of surface water and balancing the aquifer with the levels of natural aquifer recharge were implemented. Given that the average drop in groundwater level is approximately 0.1 meters per year, a scenario of reducing extraction from all operating wells has been applied to balance the aquifer. With a 5% reduction in extraction, the aquifer is projected to experience a half-meter increase in the static level. The Miandoab aquifer, due to the low slope of the plain, is sensitive and shows a part of the plain as a water ponding in reducing extraction at a high rate, hence any policy-making should be based on modeling.
    Conclusion
    To improve the conditions of the Miandoab aquifer, one of the country’s most unique aquifers, suggestions have been made for changes in the cultivation pattern of agricultural products, monitoring of water extraction from operating wells, and examination of the impact of climate change and drought on groundwater resources in terms of quantity and quality. Various scenarios, including optimization and change of cultivation pattern, as well as the construction of drainage in areas where evaporation from the aquifer is high, should be evaluated to improve the aquifer situation.
    Keywords: GMS, MODFLOW, Groundwater Quantity, Urmia Lake
  • Fatemeh Sadat Rezvani, Khalil Ghorbani *, Meysam Salarijazi, Behnaz Yazarloo, Laleh Rezaei Ghaleh Pages 51-72
    Background and objectives
    Runoff is the main variable for the hydrological analysis of the watershed, and due to its importance, for several decades, hydrological research has focused on the simulation of rainfall-runoff relationships, which has led to the presentation of many models. Due to the multiplicity of hydrological models, choosing an optimal model among various models is not a simple process. For this purpose, in the present research, after selecting the Galikash watershed from the most flood-prone basins in Golestan province, the performance of three hydrological models AWBM, Tank, and IHACRES were evaluated and the parameters of the models were also analyzed for sensitivity and finally the efficiency of the models in wet and dry periods was examined.
    Materials and methods
    The amount of daily runoff from the watershed for a period of 30 years (1989-2019) was simulated using each of the mentioned models and using four criteria Nash-Sutcliffe evaluation coefficient, root mean square error, coefficient of determination, and mean absolute percentage error, the performance of each model has been checked in two periods of calibration and validation. After optimizing the values of all the parameters, the sensitivity of the parameters of each model has been analyzed. Finally, after specifying the drought condition with the SPI index, the performance of each model for two wet and dry periods has been investigated and evaluated.
    Results
    The results indicate that two rainfall-runoff models, IHACRES and AWBM, have almost similar performance. IHACRES model with Nash-Sutcliffe coefficients of 0.73 and 0.75 and RMSE of 2.97 and 2.94, respectively, in two calibration and validation periods and AWBM model with Nash-Sutcliffe coefficients of 0.74 and 0.69 and RMSE of 2.92 and 3.24 for the calibration and validation periods have shown good performance, but the Tank model was not successful in simulating the watershed runoff and its performance is lower than the two other models. The sensitivity analysis of the model parameters also showed that Kbase, H11, and f parameters are the most sensitive to the change of their values in AWBM, Tank, and IHACRES models, respectively. Finally, the comparison of the performance of the models in wet and dry periods showed that all the models have succeeded in simulating the watershed runoff with high accuracy in the wet period, so that the Nash-Sutcliffe coefficient is 0.79, 0.74 and 0.78 for the three AWBM, Tank and IHACRES models, respectively, shows the acceptable performance of the models in simulating the runoff in wet period. While the evaluation of the results has shown the poor performance of all models in dry period, and the Nash-Sutcliffe coefficient obtained for the models is -0.05, -0.45, and 0.12 respectively, which shows the weakness of the models in simulation of the low flow.
    Conclusion
    In the evaluation of the three hydrological models AWBM, Tank, and IHACRES in daily runoff simulation, it was found that in general, with a small difference, the IHACRES model shows better results than the AWBM model. Also, in wet periods, according to the evaluations, the AWBM model led to good accuracy, while the IHACRES model has shown better performance than other models in dry period. Considering this issue, it can be said that the models performed weaker in simulating low flows that occur during dry periods, while the knowledge of streamflow conditions during dry periods can play an effective role in managing water resources. Therefore, to increase their accuracy, a solution should be found.
    Keywords: Galikash Watershed, Hydrological Model, Optimization, Rainfall-Runoff, Sensitivity Analysis
  • Sattar Zandsalimi, Chonoor Abdi, Omid Bahmani * Pages 73-92
    Background and objectives

    Arsenic, one of the most critical environmental toxins, accumulates in plant and animal organs through root absorption in plants and subsequent ingestion by humans via the food chain or direct consumption of contaminated water. Reports have highlighted the contamination of regional drinking water sources in Bijar city, Kurdistan province, with arsenic and its adverse effects on local residents. Therefore, this research aimed to investigate the distribution of arsenic in the water and soil sources of the region and evaluate the capacity of native pasture plants to absorb and accumulate this element.

    Materials and methods

    Arsenic concentrations were measured in surface and subsurface waters of a 360 km2 region using the atomic absorption-graphite furnace method. The distribution of arsenic in the contaminated area was mapped using the ArcGIS program. Three sampling areas with varying pollution intensities (A > B > C) were selected. Soil samples and aerial parts of 13 plant species were collected and analyzed for arsenic concentrations, enabling a comparison of different plant species' ability to absorb arsenic.

    Results

    The intensity of arsenic contamination in surface water, soil, and plants studied in this research exceeded typical concentrations of arsenic in water, soil, and plant sources. Total arsenic concentrations in water samples ranged from 4.5 to 280 μg l-1 and correlated with electrical conductivity, total dissolved solids, and total hardness (p < 0.001). Arsenic concentration in the soil of area A (Ali-Abad village) exceeded 2059 μg g-1 of dry soil, with contamination decreasing with distance from area A. A high correlation was observed between the intensity of water and soil pollution (R2=0.84). Arsenic concentrations in the aerial parts of 13 plant species with three replications varied depending on the plant species and the intensity of soil contamination (0 to 47.8 μg g-1). The intensity of soil contamination was on average 27.66 times higher than the amount of arsenic accumulated in the plant, indicating the high resistance of native pasture plants in the region to arsenic toxicity.

    Conclusion

    Field monitoring revealed that 45% of water resources in the sampling areas exceeded the national drinking water standard for arsenic (50 μg l-1), reaching 78% according to the World Health Organization standard (10 μg l-1). Concentrations of parent materials containing arsenic compounds were higher in areas A and B than in area C, with decreasing concentrations further from area A. The sampling region significantly influenced the average arsenic concentration in water and soil samples (P < 0.05). Arsenic uptake by the plant samples exceeded typical concentrations (0.1 to 3 μg g-1), with the highest mean arsenic concentrations found in the leaves of Astragalus bisulcatus, Chenopodium album, and Mentha longifolia, accumulating more than 47.8, 35.5, and 22.5 μg g-1, respectively. The study demonstrates heavy contamination of water, soil, and plant resources in the region, with most surface water resources utilized for agricultural irrigation, animal consumption, and occasionally drinking water for village residents. The entry of arsenic into the human body, directly or through the food cycle, poses a severe health risk to the region's residents, necessitating immediate intervention measures.

    Keywords: Arsenic Contamination, Bijar County Plant Accumulation, Soil, Surface Water
  • Razieh Karimi Demneh, Mehdi Meftah *, Amirahmad Dehghani, Abdolreza Zahiri, Esmaeil Kordi Pages 93-112
    Background and Objectives
    One of the natural structures in rivers is mid-channel bar that is created due to shear stress decreasing and sediment deposition in the central part of river. Bifurcation and erosion are seen in rivers because of mid-channel bar existence. Also, energy loss is the other impact of mid bars that would intensify the deposition in rivers. Mid-channel bar is known as one of the most important aquatic habitats, so there is necessity to find more information on flow structures around it in operation processes and river restoration. In this research, the flow structures around mid-channel bars are assessed as laboratory study.
    Materials and Methods
    Three mid-channel bars were made in the shape of rhombic, ellipse and lemniscate in this research. These shapes are common in natural alluvial rivers. This study was established in a laboratory flume by length of 9 meter, and width and height of 0.4 meter. The bed slope was fixed of 0.0007. This flume was located in the water and sediment research laboratory in Gorgan University of agricultural sciences and natural resources. Three-dimensional velocity of flow was collected using an electromagnetic current velocity sensor with a frequency of 30 Hz in 39 data points. The flow discharge was fixed as 4.5 liter per seconds using a frequency flow meter. The flow regime was subcritical and turbulent in all examinations.
    Results
    Findings showed that bar shapes have different impacts on flow structures and amounts of energy losses. Comparison between plots implied that there are similar conditions in elliptical and lemniscate shapes but a little different in rhombic case. The variation range of transverse velocity was between 0.4 to 1.6 times of average value for all shapes. According to the results, the existence of elliptical bar led to significant tolerance in longitudinal velocity in all axes (between 0.5 to 1.6 times the average in left and right axes and 0.2 to 1.4 times the average value in central line), but these tolerances were not significant for lemniscate and rhombic bars (between 0.8 to 1.2 times the average value in left and right axes and between 0.8 to 1.4 times the average value for central axis). The variation of vertical velocity in middle axis presented the maximum decrease before facing elliptical bar and similar conditions for this axis in facing with lemniscate bar, except that this decrease is started exactly at facing point here. In addition to the values of the velocity components, the direct effect of encountering bars should also be sought on the values of the flow energy as a cumulative indicator of the erosive power of the flow. A more detailed analysis of the graphs shows left that in the and right axes, encountering the elliptical bar has led to an increase in the relative energy of the current by 1.4 times the average, and after passing through the bar, the energy load has decreased to less than the average value. But in the middle axis, the presence of the bar reduced the relative energy of the flow to 0.6 average value and after passing through the bar, this component has an increasing trend.
    Conclusion
    Exposure to the elliptical bar led to the greatest changes in the relative values of the triple velocity components, compared to the rhombic and lemniscate bars. Also, the changes in the total energy load caused by the presence of two rhombic and lemniscate bars are insignificant, but similar to the changes in all three velocity components, transverse, longitudinal, and vertical, the elliptical bar led to significant changes in the relative values of the total energy load along the channel.
    Keywords: Energy Loss, Mid Channel Bar, Velocity Distribution, Flow Resistance, Sedimentation
  • Azam Mumzaei, Hossein Kheirfam *, Seyed Hamidreza Sadeghi Pages 113-131
    Background and objectives

    Soil salinization is known as one of the most important reasons for soil degradation in arid and semi-arid regions, which leads to a decrease in the stability of the soil, soil fertility, and plant production, and increased dust emission. However, the use of soil microorganisms as soil inoculants improves the quantitative and qualitative components of the soil. As well as, their role in soil erosion controlling and soil management has been approved, but their success in creating biocrusts in soils with high salinity has not been considered. Therefore, this study was planned to evaluate the cyanobacteria inoculum capability for biocrust formation in the high salinity soils of the dried-up beds of Lake Urmia at laboratory conditions.

    Materials and methods

    In November 2022, the soil samples were randomly taken from 10 cm above the ground in the Seporghan area, west of Lake Urmia, and transported to the laboratory of the Faculty of Natural Resources of Urmia University and kept at 4 °C. Then, the experiment trays with dimensions of 5x10x15 cm were filled with saline soil (EC= 27 dS m-1); which was taken from the dried-up beds of the west of Lake Urmia. Afterward, 225 mg of the dominant and native cyanobacteria (Nostoc sp. and Oscillatoria sp.) were identified, extracted, purified, and proliferated from the study was water-inoculated uniformly on the soil surface of each tray (or any experimental unit with an area of 0.15 m2) with three replications. On the other hand, for control treatment, the distilled water (without cyanobacteria biomass) was sprayed on the soil. After 120 days, the important indicators of the soil biocrust, such as the chlorophyll-a content, polysaccharide concentration, and activity indicators of L and a components were measured to evaluate the cyanobacteria biocrusting capability. Statistical analysis of data was done in SPSS 23 software.

    Results

    The results showed that the inoculation of cyanobacteria affected the biocrust development in a high saline soil; in such a way that the cyanobacteria led to a 53.92% increase in soil chlorophyll-a compared to the control treatment. The L and a in the inoculated treatment also decreased by 21.80% and increased by 73.35%, respectively, in compared to the control, these results show the change in soil surface color to darkening and green due to the increases of cyanobacteria biomass. The L and a values confirmed the growth and activity of cyanobacteria in saline soils.

    Conclusion

    Finally, we found that cyanobacteria can grow in high-saline soils, and it is possible to propose the inoculation of cyanobacteria as a bio-based strategy. This approach is known in line with the soil conservation goals in the biocrust formation of saline soils to prevent the spread of erosion.

    Keywords: Soil Biocrust, Soil Chlorophyll, Soil Conservation, Soil Microorganisms, Soil Polysaccharides
  • Zahra Shahi, Mohammadreza Shrifi *, Mohammad Zakermoshfegh Pages 133-152
    Background and objectives

    The wind, as one of the most effective factors on evaporation from the surface of water sources, such as reservoirs of dams, plays a significant role in estimating the volume of losses due to evaporation and thus protecting water resources. However, in most evaporation estimation methods, such as experimental relationships, evaporation pans, and even new methods such as the use of satellite images, wind is considered as a constant parameter. The wind parameter has a spatial distribution under the influence of the elevations overlooking the lake and water levels. On the other hand, simulating the spatial changes of the wind and investigating its effect on evaporation, as one of the factors affecting the water cycle, is time-consuming and difficult due to the complexity of the calculations. Failure to apply wind location changes will reduce the accuracy of the calculated evaporation and as a result, it will be difficult to access the exact amount of evaporation losses.

    Materials and methods

    In this study, to calculate the effect of spatial changes of wind on evaporation losses from the Dez Dam reservoir located in Khuzestan province and the southwest of Iran, the combination of the CE-QUAL-W2 model and Bowen Ratio Energy Budget (BREB) method was used. The wind shelter coefficient (WSC) as one of the input parameters to the CE-QUAL-W2 model, makes it possible for the model to consider the wind shelter condition in different segments of water bodies differently. However, due to the lack of access to a suitable criterion to show the wind shelter condition in different segments, before this research, the value of WSC was considered constant in all or large parts of the water body. In this study, CE-QUAL-W2 model capability was used for reservoir segmentation, and wind shelter condition was determined in each segment, using the wind shelter index (Sx). Therefore, it was possible to assign different WSC values in each segment. In this way, the thermal profiles in each of these segments, under the influence of two conditions of constant and variable wind (constant and variable WSC), were extracted and entered into the BREB method to calculate evaporation.

    Results

    The results showed that the application of spatial wind changes compared to constant wind conditions, improved the performance of the CE-QUAL-W2 model by 45% in the temperature calibration stage. Also, the monthly evaporation from the lake increased by 13%.

    Conclusion

    This study, introduced a standardized method for simulating the effect of spatial wind changes on evaporation from water surfaces. So that, it was possible to quantify the effect of wind on evaporation and as a result water losses from the lake, by comparing two conditions of variable and constant wind, in different segments of the studied lake.

    Keywords: Wind, Wind Shelter (Sx), Evaporation, Ratio Energy Budget Method (BREB), CE-QUAL-W2 Model
  • Ebrahim Mahmoudi, Hamid Niknahad Gharmakher *, Susan Khosroyar, Mohamad Rahim Forouzeh Pages 153-170
    Background and Objectives
    The use of fossil fuels and land use change has caused a catastrophic increase in carbon in the atmosphere, which has led to a decrease in soil quality, global warming, and climate change. The deficiency of organic matter, salinity and alkalinity of the soil are three important limitations of the soils of winter rangelands in Iran. Biochar is a carbon-rich material that is produced during the pyrolysis process from raw materials containing carbon at high temperature and under almost oxygen-free conditions. It is used to improve soil quality, carbon sequestration and remove pollutants from the environment. Biochar can be engineered/designed for specific applications or to achieve specific results. Increasing the percentage of stable carbon and improving the physico-chemical properties of engineered biochars can play an important role in carbon sequestration and improving the properties of winter rangelands soils.
    Materials and Methods
    After washing and drying, the cotton stalk was cut into pieces of less than 2 cm. Then it was immersed for 4 hours in a solution with a concentration of 20% metal salts of calcium chloride, magnesium chloride and iron chloride, and dried again. Then, in the electric furnace, at various temperatures of 300, 400, 500, 600 and 700 degrees centigrade, within two hours, 20 biochars (control and engineered ) were produced from treated cotton stalks with different metal salts and untreated cotton stalks. Finally, properties of produced biochars including yield percent, organic carbon percentage, stable carbon percentage, acidity and salinity were measured. Statistical analysis was performed in SPSS16 software using one-way analysis of variance and Tukey's test.
    Results
    The yield of produced biochars (control and engineered) significantly decreased with increasing temperature, so that the highest percentage of their yield was observed at pyrolysis temperatures of 300 °C. The highest percentage of yield (50.20%) was obtained in biochar treated with iron chloride produced at 300°C. The highest organic carbon (50.97%) and stable carbon (99.57%) were obtained in control biochar produced at 500°C and biochar treated with iron chloride produced at 700°C, respectively. The highest increase in the ratio of the weight of stable carbon to the weight of the feed stock was observed in biochar treated with iron chloride produced at 300 °C. The lowest and highest electrical conductivity (1.1 and 7.43 dSm) were obtained in control biochar produced at 300°C and calcium chloride treated biochar produced at 700°C. The highest and lowest acidity (9.83 and 5.60) were observed in control biochar produced at 700°C and iron chloride treated biochar produced at 300°C.
    Conclusion
    Considering the limitations in the soil of Iran's winter rangelands and the characteristics of control and engineered biochars along with the energy required for their production, Biochar produced from cotton stalks treated with iron chloride salt at 300°C has the highest performance and high stable carbon, the lowest acidity and acceptable electrical conductivity, therefore, it is recommended to use in carbon sequestration and plantation projects in winter rangelands of Iran.
    Keywords: Metal Salts, Biochar, Cotton Stalk, Carbon Sequestration