وبلاگ هیدرولوژی دانشجویان دانشگاه آزاد

iaushydrology — Wed, 24 Jun 2009 16:35:00 GMT

نام مقاله: تحلیل مکانی شاخص های خشکسالی SPI و EDI در استان تهران

نام استاد : دکتر مجردی گیلانی

نام دانشجو:امید عبادی مقطع کارشناسی نا پیوسته عمرانomid ebadi

منبع:تحقیقات منابع آب ایران-سال دوم شماره۳

ssessment of Spatial Analysis of SPI and EDI

Drought Indices in Tehran Province

Abstract
Drought monitoring is quite important in planning for drought mitigation schemes. Drought indices are normally used for monitoring purposes. However, the indices are calculated at sites and it is required to estimate the spatial distribution of drought in the forms of maps. Geostatistical methods are among such tools that may be applied for preparing spatial distribution maps. In this research, several geostatistical methods including K,iging. Cokriging, TPSS with and without secondary variables as well as weighted moving average (WMA) were assessed with respect to derivation of drought index maps, Drought monitoring and mapping was conducted based on SPI and EDT indices using data of 43 rain gauge stations within Tehran province. The results indicated that although Kriging was the most accurate method, WMA provided reasonable accuracy blended vdth more efficient computer time, a major consideration in monitoring systems.

Keywords: Drought, Geostatistics, SPI, EDI, Kriging, WMA, TPSS.

Extended Abstract

Assessment of Spatial Analysis of Drought Indices SPI and EDI in Tebran Province

Introduction
Drought is perhaps the most complex natural hazard. It is generally defined as a temporary meteorological event, which stems from very low or no precipitation compared to the long-term average over an extended period. Drought deals however with many facts and is region-specific. It develops slowly and is difficult to predict. The success of drought preparedness and mitigation actions depends largly upon timely information on drought onset, progress, and spatial extent. These types of information can be accurately obtained though drought monitoring based on drought indices. To create drought maps based on these indices, the point data from rain gauges usually is not sufficient and spatial extension using geo-statistic (GS) method can be used as an effective tool.

Methodology
To develop drought monitoring system for Tehran province Morid et a!. (2004) investigated a number of well known indices and recommended SPI (Standard Precipitation Index) and EDT (Effective Drought Index).

To calculate the SPI, long-term precipitation records of any desired station is first fitted to a probability distribution (e.g. gamma distribution), which is then transformed into a normal distribution (McKee et a!., 1997). The EDI (Byun and Wilhite, 1996) is used to determine the start and end of a drought period. Unlike most drought indices, the EDI in its original form is calculated based on a daily time step. The EDI is a function of precipitation needed to return to normal”, which in turn, is related to ‘effective precipitation”.

Effective precipitation for any given day is a function of precipitation in that day and the precipitation in previous days with smaller weights.

For this study, the precipitation records from 43 stations in Tehran province from January 1970 to December 2001 were used. Missing data were patched using regressions with the nearest suitable station. The main focus was placed on the most recent drought period of 1998 to 2001. GS techniques, especially Kriging and 4Weighted Moving Average (WMA) which
have been widely applied for spatial interpolations of meteorological variables such as precipitation and temperature. They showed promising results. Inadequate researches have been done however on Drought Indices

Results and Discussion

This study investigated the SPI and EDT as spatial variables and applied different OS methods including Kriging. WMA and Thin Plate Smoothing Sp-lines (TPSS) to generate drought maps. To evaluate the performances of these approaches, the cross validation method and statistical criteria (MAE and MBE) were implemented. The resulted drought maps and their reliability were also considered to select the best methods.

To evaluate spatial variability of the indices, the semivariogram was applied as a relevant tool for spatial correlation. The resulted semi-variogram confirmed the indices as spatial variables, and the standardizing steps that take place while calculating the indices do not create an obstacle for applying the GS methods in this regard.

Furthermore, this study revealed that the TPSS had the lowest MAE, but less robust in MDE. The Kriging method took the next rank with the lowest MAE and more robust. The performance of the WMA method was very close to Kriging.

The performance of different indices can be more distinguished by their reflect of the spatial variation of drought condition. Drought maps showed that the spatial drought pattern resulted from TPSS was inconsistent (in spit of their less MAE and MBA), while the drought maps generated based on Kriging and WMA were more consistent with similar spatial behavior.

The TPSS inconsistency was more pronounced close to the borders of the area (Tehran province) where gauging stations were more scarce and scattered. This revealed that this method is weak in extrapolation. Finally, to conclude, Kriging was the most accurate method among the investigated approaches. The simplicity of the WMA however covers the negligible differences in the results.

Keywords: Drought, Geostatistics, SPI, EDT, Kriging, WMA, TPSS.

References
Bwn, HR. and Withite, Ok, (1996), Daily quantification of thought severity and duration’ httn:rossby.metr.ou.edu , byun.html

Edwars, D.C. and Mckee, T. B, (1997), ‘Characteristics of 20th century drought in the United States at multiple time scales” Climatology Report Number
97-2, Colorado State University, Fort Collins, Colorado.

Morid, S., Ghaemi, II., Mogbadasi, M. and Paymazd, Sb., (2004), ‘Research Project for Designing a Drought Monitoring System for Tehran Province, Iran”, Ministry of Energy, Iran.

تحلیل مکانی شاخص های خشکسالی SPI و EDI در استان تهران

چکیده

سیستم های پایش در تدوین طرح های مقابله با خشکسالی و مدیریت آن از اهمیت زیادی برخوردار هستند که بدین منظور از شاخص های خشکسالی برای بیان کمی این پدیده ها استفاده می گردد . اما معمولاً این شاخص ها به صورت نقطه ای محاسبه می شوند و لازم است تا به صورت مکانی پردازش شده و نقشه های مربوط ارائه گردند. روشهای زمین آمار از جمله تکنیک هایی می باشند که می تواند در این راستا مورد استفاده قرار گیرد و این در صورتی است که متغیر مورد بررسی یک متغیر مکانی باشد . تحقیق حاضر تلاشی است برای تحلیل مکانی شاخص های خشکسالی و تهیه نقشه های مربوط که در آن سعی شده ابتدا با توجه به استاندارد شدن بارندگی برای محاسبه این شاخص ها ، متغیر مکانی بودن آنها مورد بررسی قرار گیرد . در مرحله بعد روش های مختلف زمین آماری شامل روش های کریجینگ ، کوکریجینگ ، TPSS با و بدون متغیر کمکی و میانگین متحرک وزن دار (WMA) برای تحلیل مکانی آنها مورد ارزیابی واقع شود پایش خشکسالی بر اساس SPI و EDI با استفاده از آمار و اطلاعات 43 ایستگاه در سطح استان تهران انجام و سپس نقشه های خشکسالی تهیه و ارزیابی شده است . نتایج تحقیق ضمن تأیید متغیر مکانی بودن شاخص ها ، نشان داد که هر چند روش کریجینگ از دقت بالاتری برخوردار بوده است ولی با لحاظ نمودن سرعت عمل و استفاده از این نتایج در سیستم های پایش فعال ، روش میانگین متحرک وزن دار نیز دقت کافی را داراست .

کلمات کلیدی : خشکسالی ، زمین آمار ، SPI و EDI ، کریجینگ ، میانگین متحرک وزن دار ، TPSS

1- مقدمه

سیستم پایش خشکسالی ازابزارهای بسیار مهم در مدیریت خشکسالی محسوب می گردد که می توان با استفاده از پارامترهای اقلیمی و هیدورلوژیکی شروع ، خاتمه ، توسعه مکانی و شدت آن را تشخیص و اعلام نمود . در صورت وجود طرحهای از پیش آماده برای مقابله با خشکسالی ، این سیستم می تواند در تعیین نوع و زمان فعال شدن طرحها نقش مؤثری را ایفاء نماید .

برای بیان کمی این پدیده و همچنین ارزیابی آن در مقیاس های مختلف زمانی و مکانی ، آز شاخص های خشکسالی استفاده می گردد که برای محاسبه آن ها وجود دادههای مناسب و طولانی مدت پارامتر های اقلیمی و هیدرولوژِکی بسیار ضروری است . بارندگی اصلی ترین عاملی است که در ایجاد ، گسترش و دوام خشکسالی ها سهیم می باشد البته پارامتر های اقلیمی دیگری نظیر تبخیر - تعرق نیز می تواند بیانگر رفتار خشکسالی در هر منطقه باشد ، اما مشکلاتی که برای محاسبه این پارامتر ها وجود دارد ، موجب شده است تا بارندگی به عنوان مناسب ترین و قابل دسترس ترین پارامتر اقلیمی برای ساخت و محاسبه شاخص های خشکسالی شناخته شود . از سوی دیگر هم شاخص هایی که تنها بر پایه این متغیر استوار می باشند ،بیشتر مورد پذیرش جوامع علمی و کاربران قرار گرفته اند.

اصولاً اطلاعات نقطه ای این شاخص ها در ایستگاه ها برای پایش خشکسالی کفایت نمی کند و بسط و گسترش ان ها به صورت مکانی و منطقه ای لازم می باشد . تحلیل مکانی متغیر های هواشناسی نظیر دما بخصوص بارندگی ، سابقه طولانی در مطالعات منابع آب دارد که در این راستا روش های زمین آمار قابلیت های خاصی را از خود بروز داده اند . Goovaerts (2000) در تحقیق خود برای آلگارا منطقه ای در پرتقال نشان داد که روش هایی از زمین آمار نظیر کوکریجینگ و کریجینگ با روند خارجی که در آنها ارتفاع به عنوان متغیر کمکی استفاده می گردد ، نسبت به دیگر روش ها که تنها داده های بارندگی را در محاسبات خود دخالت می دهند ، نظیر کرینجینگ ساده و عکس مجذور فاصله (WMA) عملکرد بهتری را در تخمین از خود نشان می دهند . در مطالعات دیگر نظیر تحقیق Sun et al .(2000) نیز این نتایج اتخاذ شده است . آن ها روش کوکریجینگ را برای تحلیل مکانی بارندگی به منظور تخمین و سیل و برآورد هیدروگراف سیل ورودی به کار برده اند . برای تهیه نقشه های میانه بارندگی Touazi et al (2004) نیز از روش کریجینگ استفاده کرده اند .

با وجود منابع فراوانی که حکایت از ارجحيت روش کریجینگ در تحلیل مکانی دارد ، اما در برخی از مقالات نظیر Driks et al (1998) برای تحلیل مکانی بارندگی ، روش های میان یابی تیسن ، عکس مجذور فاصله و کریجینگ را مقایسه و گزارش دادند که با وجود محاسبات بیشتر روش کریجینگ ، تغییرات معنی داری نسبت به روش های ساده تر مشاهده نشده است .

در استفاده از روش های کریجینگ ، تغییر نما و تحلیل آن نقش بسیار تعیین کننده ای دارد به عنوان نمونه در تحقیق Holawe و Dutter (1999) . این گونه ادعا شده است که از تغییر نما می توان برای دستیابی به تغييرات زمانی بارندگی در کنار تغییرات مکانی آن نیز ، استفاده کرد .Goovaerts (2000) در تحقیق خود روند تغییرات تغییر نما را با توجه به شرایط توپوگرافی منطقه مطالعاتی تفسیر نمود و همچنین یکسان بودن شکل تغییر نماها در ماه های مختلف را با وجود عوارض یکسان مرتبط دانست . Skivin et al . (2003) نیز در تحلیل های خود ارتباطی را میان شعاع تأثیر ، آستانه و همچنین مدل های تغییر نما با عوامل توپوگرافی و الگو های بارندگی جستجو کردند.

برای تحلیل مکانی شاخص های خشک سالی کارهای کمی گزارش شده است که در این خصوص می توان به پژوهش های مرکز مقابله با خشکسالی آمریکا (Svoboda , 2004) و مؤسسه بین المللی مدیریت آب (Smakhtin , 2004) اشاره داشت که روش عکس فاصله را برای این منظور مناسب تشخیص داده اند .

تکنیک دیگری به منظور پایش خشکسالی و تحلیل مکانی آن توسط Vangelis &Tsakiris ارائه شده است . آن ها با استفاده از روش عکس مجذور فاصله ، نقش بارندگی ماهانه و نقشه درصد نرمال متوسط بارندگی سالانه را ترسیم و سپس با این اطلاعات ، نقشه توزیع مکانی شاخص SPI را برای دوره آماری یکساله65 -1964 تهیه کردند .

همان گونه که اشاره شد در این تحقیق ، تحلیل مکانی شاخص های خشکسالی مد نظر قرار گرفته است . برای پایش خشکسالی ، شاخص های متعددی مانند MCZI ،CZI SPI، PN،, DI و EDI معرفی شده است که مرید و همکاران (1383) برای استان تهران که منطقه مطالعاتی این تحقیق نیز هست ، ، شاخص های یاد شده را بررسی نمودند و در نهایت عملکرد بهتر SPI و EDI را در این منطقه توصیه کردند . لذا این نتیجه گیری برای تحقیق حاضر مبنا قرار گرفته و تحلیل مکانی شاخص ها صرفاً بر اساس این دو شاخص انجام گرفته شده است . در این مقاله، تلاش بر آن بوده که ابتدا شاخص های خشکسالی از دیدگاه يك متغیر مکانی مورد بررسی قرار گیرد تا بعد از احراز این شرط ، از روشهای زمین آماری شامل کریجینگ معمولی ، WMA و TPSS برای تحلیل مکانی آن ها و رسم نقشه های ماهیانه خشکسالی استفاده و عملکرد آنها ارزیابی گردد ارائه نتایج نیز بر اساس سال های 80-1377 بوده که خشکسالی شدیدی بر استان تهران حاکم بود .

2- مواد و روش ها

2-1 منطقه مورد مطالعه

استان تهران با وسعت حدوداً 17 هزار کیلومتر مربع ،به دلیل جایگاه ویژه آن و همچنین خساراتی که طی خشکسالی اخیر متحمل شده ، به عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شده است. نواحی شمالی این استان در دامنه های جنوبی سلسله جبال البرز قرار گرفته که ارتفاع آن تا 5000 متر در نواحی شرق افزایش پیدا می کند. مقادیر بارندگی در این استان از700 میلی متر در نواحی شمالی تا 120 میلی متر در نواحی جنوبی متغیر می باشد. قسمتی از نتایج این تحقیق بر اساس 55 منطقه موجود در استان تهران ارائه شده است که محدوده هر یک از این مناطق در شکل 1 قابل مشاهده می باشد.

2-2- داده ها و اطلاعات مورد نیاز

در این استان، سازمان هواشناسی و وزارت نیرو جمعاً 130 ایستگاه هواشناسی را تحت نظارت و کنترل خود دارند که از این تعداد تنها 43 مورد آن با توجه به طول دوره آماری مورد نظر که 30 سال بوده، برای این تحقیق مناسب تشخیص داده شد. موقعیت این ایستگاه ها در شکل 1 آمده است . همان طور که ملاحظه می شود، .ایستگاه ها در نواحی شمالی استان از تراکم بیشتری برخوردار هستند.

در این تحقیق دوره آماری 49-1348 تا 80-1379 بارندگی مبنا قرار گرفت و داده های مربوط مورد تصحیح و تکمیل قرار گرفته اند. همچنین اطلاعات مربوط به مقادیر شاخص های EDI , SPI از تحقیق مرید و همکاران(1383) تهیه گردید که تنها در ادامه شرح مختصری از چگونگی محاسبه آن ها ارائه شده است که جزئیات بیشتر آن از این مرجع قابل وصول است.

2-2-1- شاخص های EDI , SPI

بسیاری از محققین خشکسالی ، به قابلیت انعطاف پذیری SPIو قابلیت آن برای هر مقیاس زمانی اذعان داشته اند (Hayes,et,al,199 ). شاخص SPI برای هر منطقه بر اساس ثبت بارندگی های طولانی مدت آن محاسبه می شود. در ابتدا توزیع آماری مناسب ، بر آمار بلند مدت بارندگی ها برازش داده می شود . سپس تابع تجمعی توزیع با استفاده از احتمالات مساوی به توزیع نرمال تبدیل می گردد ، بطوریکه استاندارد شده و متوسط آن برای هر منطقه و دوره مورد نظر صفر شود (Edwars and Mckee , 1997) مقادیر مثبتSPI نشان دهنده بارندگی بیشتر از بارندگی متوسط و مقادیر منفی آن معنای عکس را دارد . طبق این روش دوره خشکسالی هنگامی اتفاق می افتد کهSPI بطور مستمر منفی و به مقدار 1- یا کمتر برسد و هنگامی پایان می یابد که SPI مثبت گردد. برای محاسبه این شاخص از فرمول ذیل استفاده می گردد .

که در آن n= تعداد ماه هایی که بارندگی تجمعی برای آنها حساب شده است ، P₀= مقدار نرمال شده بارندگی ماه فعلی ، P_-i= مقدار نرمال شده بارندگی ماه قبل ،_n = میانگین تعداد بارندگی تجمعی برای n ماه و n = انحراف معیار برای ماه ها می باشد .شاخص خشکسالی مؤثر (EDI) یک شاخص جدید می باشد . این شاخص توسط بویان از دانشگاه ملی پوکیانگ در سال 1996 ارائه گردید (Byun ,and Wilhite, 1996) . EDI بطور روزانه خشکسالی را پایش می کند که این قابلیت در شاخص های قبلی وجود نداشت . اصلی ترین مفهوم در این شاخص بارش مؤثر (EP) است . EP جمع مقادیر بارش روزانه با یک تابع کاهشی وابسته به زمان می باشد . به عبارت دیگر EPهر روز ، تابعی از بارندگی همان روز و یک دوره ماقبل خود بوده که در آن بارش اخیر نسبت به بارش های قدیمی تر وزن بیشتری را دارند . برای محاسبه EP از فرمول ذیل استفاده می گردد . (Byun ,and Wilhite, 1999)

2-3- مبانی تحلیل مکانی

به منظور بسط و گسترش اطلاعات نقطه ای با توجه به نمونه برداری انجام شده و همچنین تغییرات زمانی و مکانی هر متغیر نیاز به مدل هائی است که بتوان رفتار متغیر مورد بررسی را در نقاط مجهول شبیه سازی نمود . در برخی از این مدل ها نظیر تیسن ، صرفاً بر اساس مقادیر متغیر و با فرض استقلال آنها ، تخمین آنها در موقعیت های مجهول صورت می گیرد . در نوع دیگری از مدل های احتمالی که به آنها روش های زمین آمار اطلاق می شود (مانند کریجینگ ، کوکریجینگ ، TPSS و WMA ) اطلاعات و موقعیت مکانی داده ها نیز بین آنها تعریف گردد . معمولاً این ارتباط و همبستگی بین نمونه ها به صورت یک مدل ریاضی ارائه می شود تا از این طریق بتوان تغییر پذیری را شبیه سازی نمود . بنابراین ، این نوع روش ها برای متغیرهائی کاربرد دارند که بتوان برای آن ها ، همبستگی مکانی را تعریف نمود ابزارهای مختلفی برای بررسی این همبستگی وجود دارد که می توان به عنوان نمونه به تغییر نما اشاره نمود (Issaks and Srivastava , 1989)

2-3-1- تغییر نما

بنابر آنچه ذکر شد ، برای مدل نمودن همبستگی مکانی متغیر های مورد بررسی ارز تغییر نما استفاده گردید . نقاط این نمودار بر اساس زوج نقاطی صورت می گیرد که به فاصله معینی از یکدیگر قرار دارند و از طریق معادله زیر قابل محاسبه می باشند :

که در آن : (h) مقدار تغیر نما در فاصله h ،h فاصله بین نقاط نمونه برداری شده ، n تعداد جفت نقاطی که در یک راستا به فاصله h از یکدیگر قرار دارند ، _i) )Z مقدار متغییر در نقطه _iوh) + _iZ( مقدار متغیر در نقطه h + _i می باشد . لازم به ذکر است که (h) در واقع به دلیل دارا بودن ضریب نیم تغییر نما می باشد اما در مراجع برای اختصار آن را تغییر نما نامیده اند (Issaks and Srivastava , 1989).

تغییر نما رابطه بین فاصله و واریانس داده ها را نشان می دهد و با سه پارامتر استخراج شده از آن می توان تغییرات مکانی متغیر را مورد بررسی قرار داد .

پارامتر آستانه که بیشترین مقدار تغییر نما را به خود اختصاص می دهد ، در واقع همان واریانس مکانی متغیر مورد بررسی است . دامنه تاثير بیانگر شعاع همبستگی نقاط با یکدیگر می باشد و در خارج این فاصله رفتار نقاط تصادفی خواهد بود پارامتر اثر قطعه ای واریانس خطای نمونه برداری را نشان می دهد و همچنین مشخصه تصادفی بودن متغییر مورد بررسی است . (حسنی پاک ، 1377)

برای این تحقیق تغیر نما برای راستاهای اصلی صفر ،45،90 و 135 درجه ترسیم گردد تا راستائی که در آن بیشترین همبستگی مکانی وجود دارد ، مشخص گردد . با توجه به وجود ناهمسانگردی (به علت متفاوت بودن آستانه و شعاع تأثیر در راستاهای مختلف ) از تغيير نمای همه جانبه که بیانگر متوسط تغییرات متغیر در تمام راستاها می باشد ، برای تشریح پیوستگی مکانی استفاده شده است .

2-3-2- روش های میان یابی زمین آمار در زمین آمار از یک رابطه عمومی برای محاسبه مقدار متغیر در یک نقطه مجهول استفاده می شود . اختلاف میان روش ها در محاسبه فاکتور وزنی است که به نقاط اطراف نقطه مورد نظر داده می شود . رابطه فوق به شرح زیر تعیین می گردد :

که در آن : _i) )Z^* مقدار برآورد متغیر_i مقدار وزن های نقاط مشاهده شده و_i) )Z مقدار مشاهده شده متغیر مورد بررسی است . شرط اساسی در این رابطه این است که باید مجموع وزن ها در برآورد یک نقطه برابر واحد باشد .

کریجینگ تخمین گری ناریب ، با کمترین مقدار واریانس تخمین می باشد . کوکریجینگ همان روش کریجینگ است که از متغیر کمکی برای تخمین استفاده می کند . برای محاسبه اوزان در این روش ها از مدل برازش داده شده بر تغییرنما استفاده می شود . در روش کریجینگ داده ها از توزیع نرمال پیروی کنند . (Issaks and Srivastava , 1989 . Johnston , et al . 2001 حسنی پاک ، 1377)

TPSS یک نوع روش عددی میان یابی از نوع اسپلاین است و واتسون (1984) ثابت کرد که TPSS نوعی کریجینگ می باشد . همچنین می تواند همانند روش کریجینگ ، بر اساس یک متغییر کمکی تخمین را انجام دهد در این روش برای محاسبه از تابع کوواریانس زیر استفاده می شود که این امکان وجود دارد تا برای محاسبه آن ، توان های مختلفی را بکار برد :

که در آن : C(h) تابع کوواریانس ، h فاصله بین نقاط و m درجه مشتق نسبی تابع در نقاط مشاهده ای می باشد .

روش WMA بر اساس تعداد نقاط همسایگی و فاصله آن ها تا نقطه مجهول و همچنین توانی که بیانگر تأثیر هر ایستگاه می باشد ، به تخمین پارامتر مورد نظر می پردازد . در این روش مقدار از رابطه زیر قابل محاسبه است :

که در آن : d_i فاصله داده مشاهده شده i ام تا نقطه مورد تخمین ، u توان مثبت و R شعاع تأثیر می باشد .

3-4- معیارهای ارزیابی

ارزیابی روش ها نیز در این قسمت با استفاده از تکنیک - Cross validation با معیارهای خطاگیری MAE و MBE صورت گرفته است :

که در آن : MAE میانگین قدر مطلق خطا (دقت ) ، MBEمیانگین خطای انحراف (انحراف ) ، n تعداد متغیر مشاهده شده و _i) )Z^* و_i) )Z به ترتیب مقادیر برآورد شده و مشاهده شده متغییر X در نقطه i می باشد . علاوه بر استفاده از معیار فوق ، وضعیت نقشه های تولید شده و روند منطقی آن نیز مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج آن در ادامه مقاله ارائه شده است .

3- نتایج و بحث

همان گونه که قبلاً اشاره شد ، خشکسالی شدیدی برای سالهای 78 -1377 تا 80-1379 در سطح استان تهران بوقوع پیوست و برای این تحقیق کلیه ماه های این دوره مورد ارزیابی قرار گرفت . ولی به منظور جلوگیری از تطویل مقاله ، بیشتر نتایج 78- 1377 ارائه شده است ، ضمن اینکه در مجموع نتایج برای هر سه سال یکسان و مؤید جمع بندی های ارائه شده هستند .

3-1- مکانی بودن شاخص های خشکسالی و تحلیل تغییر نما

در ابتدای این بخش به بررسی این موضوع پرداخته می شود که آیا می توان شاخص های خشکسالی SPI و EDI را متغیر مکانی در نظر گرفت ؟ بدین منظور تغییر نمای آن ها برای ماه های مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت که برای نمونه تغییر نما آبان و بهمن ماه سال 1377 منطقه مطالعاتی برای این دو شاخص و همچنین برای مقادیر بارندگی به عنوان یک متغیر مکانی در شکل های 2و3 آمده است . همانگونه که از اشکال ملاحظه می گردد ، پیوستگی مکانی حفظ شده ، بطوری که با افزایش فاصله ، واریانس زیاد شده است . همین روند کم و بیش برای سایر ماه ها نیز برقرار بود . لذا، استاندارد شدن بارندگی طی فرآیند محاسبه شاخص ها ، متغیر مکانی بودن آن را تحت شعاع قرار نداده است و بر این اساس می توان از روشهای زمین آماری مورد اشاره در این تحقیق برای تحلیل مکانی آنها بهره جست .

در ادامه مدل تئوریک تغییر نمای شاخص ها تهیه گردید و از میان مدل های کروی ، نمائی ، خطی و گوسی با استفاده از تکنیک Cross validation برای آنها محاسبه شد . نهایتاً با مقایسه مقادیر خطا مناسب ترین آنها برگزیده گردید . به عنوان نمونه در شکل 2و3، مدل های گوسی و کروی بهترین نتایج را در بر داشته اند . در جدول 1 نیز پارامتر های تغییر نما برای این دو شاخص در سال آماری 78 -1377 بصورت ماهانه ارائه شده است . در تفسیر پارامتر ها ، اثر قطعه ای نسبی که مشخصه تصادفی بودن متغیر مورد بررسی است بیشترین کاربرد را دارد (Litaor , et ,al , 2003) . این پارامتر حاصل تقسیم دو مقدار اثر قطعه ای بر آستانه است . در شرایطی که این حاصل بزرگتر از 5/0 باشد ، می توان گفت تأثیر جزء تصادفی متغیر بیش از جزء ساختاردار آن است و تخمین آن با روش های زمین آماری به صورت محدودتری امکان پذیر خواهد بود (حسنی پاک ، 1377) ملاحظه می گردد که برای اکثر ماه ها اثر قطعه ای نسبی زیر 5/0 می باشد .

3-2 - تحلیل مکانی

روش های زمین آماری مورد نظر مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهای لازم به منظور تحلیل مکانی شاخص های خشکسالی تفسیر و استخراج شده اند .

برای روش کریجینگ معمولی ، نرمال نمودن داده ها از شرایط اولیه است که از طرق مختلف نظیر روش BOX-COX (MCMahon , 1986) این تبدیل انجام شد هر چند برای ماههایی همچون فروردین 1377 این کار میسر نشد و روش کریجینگ مقدمه ای برای استفاده از این روش بود که کار گسترده ای برای تهیه و تفسیر آنها صورت گرفت . برای این روش ، تعداد نقاط همسایگی برابر 16 در نظر گرفته شد .

علاوه بر روش کریجینگ معمولی ، روش کوکرجینگ که از یک متغیر کمکی (در اینجا) ارتفاع بهره می جوید ، نیز ارزیابی شد که به ذلیل همبستگی ضعیف آن با شاخص ها (حداکثر 2/0) ، استفاده ای از آن به عمل نیامد . روش TPSS با توان های 2و 3 با و بدون متغیر کمکی نیز مورد ارزیابی مورد ارزیابی قرار گرفت . بررسی های انجام شده نشان داد که در اکثر ماه ها توان 2 موجب حداقل خطا MAE و انحراف MBE در تخمین مقادیر می شود . استفاده از متغیر کمکی ارتفاع نیز در این روش میسر نشد .

3-3 مقایسه و ارزیابی روش های کریجینگ WMAوTPSS

برای این تحقیق ، ارزیابی روش های فوق به دو شکل انجام گرفت . در روش اول ، ملاک مقایسه معیار های خطاگیری MAE و MBE بوده که میزان خطا و انحراف مقادیر تخمینی روش ها را نسبت به مقادیر واقعی نشان می دهند ( جدول 2) . بر اساس روش اول و برای شاخص SPI ، کمترین خطا به روش TPSS تعلق دارد ، در صورتی که بیشترین نوسانات MBE را نیز به خود اختصاص داده است . روش کریجینگ با وجود اینکه در دومین رتبه از نظر دقت قرار دارد ، در تخمین های خود کمترین انحراف را دارا می باشد و همچنین این مزیت را دارد که انحراف یکنواختی را برای کلیه ماه ها موجب شده است . روش WMA با دقتی مشابه با روش کریجینگ ، شاخص های خشکسالی را برآورد نموده است . حال اگر MAE به عنوان فاکتور اصلی در انتخاب روش ها در نظر گرفته شود ، می توان روش TPSS را گزینه برتر از لحاظ تئوریکی به شمار آورد . اما اگر هر دو معیار تواماً مدنظر باشند ، در این صورت روش کریجینگ مناسبتر از سایر روش ها عمل کرده است . در مورد EDI نیز مشابه قبل بود و روش TPSS کمترین خطا را به دنبال داشت ، اما همچنان کمترین انحراف را روش کریجینگ به خود اختصاص داد .

اما برای روش دوم , نقشه های شاخص های خشکسالی با روش های مختلف ترسیم شد تا از لحاظ کیفی نیز مقایسه لازم صورت گیرد که این گونه مقایسه کمتر مورد استفاده قرار گرفته است . اشکال 4و5 به ترتیب نقشه های شاخص SPI و EDI را با روش های زمین آمار برای بهمن ماه 1377 نشان می دهند . روش های کریجینگ (شکل 4 و 5 الف ) و میانگین متحرک وزن دار (شکل 4و5 ج ) تقریباً شرایط مشابهی را از نظر خشکسالی در محدوده منطقه مطالعاتی نشان می دهند . در صورتی که روش TPSS (شکل 4و5 -ب) شرایط متفاوتی را با روش های قبل ارائه داده است .

این روش علی رغم نتایج مثبت در مقادیر MAE نقشه هایی ارائه داده که از روند و تغییرات منطقی برخوردار نبودند و ناهماهنگی در آن بخصوص در مرزهای استان و مناطقی که فاقد ایستگاه هستند قابل مشاهده است. در توجیه این موضوع می توان این را ذکر کرد که این روش نتوانسته برون یابی مناسبی را انجام دهد ، به گونه ای که در بخشی از مرزهای استان که تراکم ایستگاهها ضعیف می باشد ، تغییرات شدید را در برآورد طبقات خشکسالی را شاهد می باشیم . مانند بهمن ماه 1377 که شرایط بسیار شدید خشکسالی تا بسیار مرطوب را این روش گزارش کرده است . به علاوه ، همین گونه رفتارهای غیر همسان و یکنواخت را می توان از یک ماه تا ماه بعدی نیز مشاهده کرد .

مقایسه برون یابی که به وسیله روش TPSS صورت گرفته است (شکل 6) در مقایسه با برون یابی کریجینگ (شکل 7) نشان می دهد ، تنها در قسمت های شمالی استان که پراکنش ایستگاهها از توزیع خوبی برخوردار است ، این دو روش درون یابی مشابهی را انجام داده اند ، اما در برون یابی خیلی متفاوت از یکدیگر عمل کرده اند . با توجه به بررسی های انجام شده ، مشخص گردید که برآوردهای انجام به وسیله روش کریجینگ به واقعیت نزدیکتر بوده است . در شکل 8 نیز برون یابی توسط روش WMA نشان داده شده که بیانگر شباهت آن با روش کریجینگ (شکل 7 ) می باشد .

3-4- مقایسه طبقات خشکسالی در محدوده شهرستان های استان

از جمله اهداف تهیه نقشه های خشكسالي در اين تحقيق ، اعلام وضعيت آن در شهرستان هاي استان مي باشد كه اين طبقات بر اساس مرزهاي آنها كه در شكل 1 نشان داده شده بود . محاسبه گرديد ( شكلهاي 11 و 12) . مقايسه بدين شكل با دو هدف انجام شد : يكي مقايسه عملكرد روش ها علي رغم نتايج نامطلوب TPSS ، مجدداً در اين قسمت بررسي گرديد ) و ديگري از بعد اجرايي آن بوده كه چنانچه از روش WMA كه داراي محاسبات بسيار ساده تري نسبت به روش كريجينگ است ، استفاده شود تا چه اندازه دقت كاهش خواهد يافت . اين مقايسه براي تمامي ماه هاي دوره خشك سالي 1377 تا 1380 انجام شد كه نمونه آن براي ماه هاي بهمن 1377 و مرداد 1378 بر اساس شاخص هاي SPI و EDI در اشكال 9 و 10 ارائه شده است . نتايج نشان دهنده هماهنگي دو روش WMA و كريجينگ مي باشد و مجدداً تفاوت آنها با TPSSكاملاً مشهود است .

نتيجه گيري :

در اين تحقيق روشهاي كريجينگ WMAو TPSSبراي تهيه نقشه هاي شاخص هاي خشكسالي SPI و EDI در استان تهران مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفت . نتايج بدست آمده به شرح زير قابل ارائه است :

- آناليز واريوگرافي شاخص هاي خشكسالي SPI و EDI نشان دادكه EDI نسبت به از همبستگي مكاني بهتري برخوردار است علت اين امر را مي توان به ويژگي شاخص EDI نسبت داد كه از وجود حافظه اي كه مبين بارندگي هاي گذشته است برخوردار مي باشد و اين امر از تغييرات سريع كه تنها تابع مقطع زماني حال مي باشد جلوگيري مي كند .

- در مجموع تراكم ايستگاههاي در سطح استان يكسان نبوده و به خصوص در سمت جنوب و شرق اين كمبود بيشتر محسوس بوده است . روش TPSS به اين كاستي در مقايسه با دو روش ديگر حساسيت بيشتري را نشان داده كه در مقايسه نقشه ها به وضوح مشخص شد و اين در حالي بود كه از نظر معيارهاي خطاگيري نتايج خوبي را اين روش در بردارد .

- روش گريجينگ در نهايت جواب هاي قابل قبولي را ارائه داد . ولي با محدوديت هايي نظير عدم نرمال شدن ماه هايي از سال همراه بود .

- روش WMA از بعد اجرايي و توصيه براي سيستم پايش خشكسالي كه از مراحل كمتر و سرعت بالاتري برخوردار است مورد ارزيابي قرار گرفت كه مقايسه آن با روش گريجينگ نتايج نزديك را به همراه داشت .

- در اعلام وضعيت خشكسالي مناطق ، تنها شاخص خشكسالي نقش ندارد و با همان اهميت روشي كه براي تحليل مكاني استفاده مي شود نيز اهميت دارد .

iaushydrology — Tue, 23 Jun 2009 22:08:00 GMT

نام مقاله: سيل و امواج مد

نام استاد :استاد مجردی گیلانی

دانشجو:ذکریا رحمانی

کارشناسی عمران

سيل و امواج مد

اغلب سيل‎ها در اثر بارندگي شديد، آب شدن برفها و تكه يخ‎هاي بزرگ و يا طغيان رودخانه‎ها جاري مي‎شوند. بعضي از رودخانه‎ها هر ساله به طور منظم طغيان مي‎كنند و از گزارش‎هاي سالهاي گذشته مي‎توان زمان وقوع و ارتفاع بالاآمدن آب را پيش‎بين يكرد. سيل‎هاي غيرقابل پيش‎بيني در اثر باران‎هاي سيل‎آساي غيرطبيعي روي زمين لخت، خيس و يا يخ‎زده جاري مي‎شوند. بعضي سيل‎ها در اثر امواج كنار دريا جاري مي‎شوند. در يك موج مدي توده عظيمي از آب دريا، كه گاه 6 تا 9 متر ارتفاع دارد، ناحيه‎ گسترده‎اي از زمين ساحلي را كه ممكن است حد آن به 80 تا 100 كيلومتري كناره دريا برسد فرا مي‎گيرد. اغلب اين امواج مد دريا در اثر زلزله‎هاي زير دريايي اتفاق مي‎افتند ولي گاهي به دنبال طوفان نيز حادث مي‎شوند.

مناطقي كه خاك‎هاي چسبنده و بدون پوش گياهي دارند براي ايجاد سيل بسيار مستعد هستند دانه‎هاي باران بر اثرضربه به خاك باعث به هم فشردگي و چسبندگي لايه سطح‎رويي خاك شده و از قدرت جذب خاك و نفوذ آب در عمق خاك مي‎كاهد و به همين علت آب بارندگي در خاك نفوذ نكرده و جاري مي‎شود و در همين حال شدت ضربات باران باعث حركت دانه‎هاي خاك شده و اين دانه‎ها را همراه خود به حركت در مي‎آورد و معلق شدن اين ذرات خاك باعث زياد شدن حجم آب جاري شده مي‎گردد.

اين آبهاي گل‎آلود حوضه‎هاي كوچك، در حوضه خود اگر نيروي كوچكي به شمار آيند با پيوستن به هم و تشكيل حوضه‎هاي بزرگ و زياد شدن حجم جاري قدرت مخربي را به وجود مي‎آورند كه در نهايت سبب خسارات مالي و جاني فراوان مي‎گردند.

بعضي اوقات بعد از يك بارندگي شديد كوتاه مدت، در سطح حوضه آبريز و يا در يك قسمت اعظم از حوضه، باعث بوقوع پيوستن سيل مي‎شود اين بارندگي‎هاي دوم هميشه باعث سيل‎هاي وحشتناك و تخريب‎گي شده است. از بارندگي‎هايي كه باعث سيل يم‎شود يكي هم بارندگي‎هاي خارج از فصل مي‎باشد (مانند بارندگي‎هاي تابستاني) در تابستان رودخانه‎ها در حد كامل جاي هستند، ديگر اين كه به علت گرم بودن خاك و اختفاي هواي گرم مرطوب در حفره‎هاي خاك، باران شديد تابستاني نمي‎تواند در روزنه‎هاي خاك نفوذ كند و ناچاراً جاري مي‎شود و سيل و طغيان بوجود مي‎آيد.

عامل ديگري كه در بروز سيل مؤثر مي‎باشد شكسته شدن سدها و آب‎بندها است، كه بر اثر سهل‎‎انگاري فني و يا عوارض زميني چون زلزله بوجود مي‎آيد و يا خرابي آب بندهاي طبيعي كه بر اثر ريزش كوه و بسته شدن گذرگاه آب حوضه آبريز درياچه‎‎اي را تشكيل اده و بر اثر فشار زياد آب سد از هم مي‎پاشد نيز عامل ديگري از عوامل بروز سيل مي‎باشد.

يكي ديگر از عوامل بروز، شكسته شدن سدهاي يخي مي‎باشد. مكانيسم عمل بدين صورت است كه وقتي رودخانه مقدار زيادي يخ از مناطق كوهستاني را همراه مي‎آورد، پس از كاهش سرعت جريان، يخ‎ها به هم پيوسته و اولين شبكه يخي را تشكيل مي‎دهند و با پيوستن ديگر يخ‎ها به صورت ديواره‎‎اي در شكاف به دام افتاده و سد يخي تشكيل مي‎شود. شكسته شدن اين ديوار بر اثر گرما يا فشار باعث سرازير شدن آب جمع شده مي‎گردد. ذوب سريع برف و يخ نيز عامل مهم ديگي در بروز سيل مي‎باشد. برف معمولاً در كوهها بيشتر بوده و از فصل بهار به تدريج ذوب مي‎شود، برف به علت نياز بيشتر به گرما نمي‎تواند يكباره ذوب شود و براي ذوب هرگرم برف بيش از79 كالري حرارت لازم است. اين مقدار كالري بيشتر از گرماي خورشيد و يا بادهاي گرم مداوم تأمين مي‎شود. گاهي اين ذوب به همراه بارندگي‎هاي شديد، طغيان رودخانه‎ها را سبب مي‎گردد. فعاليت‎هاي آتشفشاني نيز باعث ذوب سريع برف كوهها و سيل آتي و پرحجم مي‎شود.

تفاوت سيل با طغيان

سيل حركت آب به صورتي كه هر چه در مسير خود دارد را به همراه ببرد و طغيان به سكون اين آبها و پيوستن آن به آب رودخانه‎ها، درياچه‎ها و در نتيجه بالاآمدن سطح آبهاي جاري و زير آب رفتن مناطق مسكوني و كشاورزي گفته مي‎شود. معمولاً طغيان در پي سيل بوده و به همين علت هر دو را به يك معني به كار مي‎گيرند.

معمولاً سيل در اثر عوامل زير ايجاد مي‎شود:

1. ريزش سريع نزولات آسماني و عدم گنجايش محل نزول.

2. عدم نفوذپذيري زمين محل و ذوب سريع برف‎ها.

3. عدم گنجايش و عدم طراحي صحيح مسير رودخانه‎ و سيل‎ها

4. عدم استفاده از سيل بند و ديوارهاي محافظ در مناطق سيل‎خيز

5. عدم گنجايش صخره‎ها و جوي‎ها جهت عبور آب درمناطق شهري و مسدود شدن رودخانه‎ به علت ريزش كوه

6. عدم لايروبي رودخانه و تجمع رسوبات سنگين و غيرطبيعي پشت سدها.

7. خرابي سيل‎بندها، سدها و مخازن آب.

سيلا‎ب‎ها بر دو گونه‎اند:

1. سيلاب‎ها آرام : كه در اثر افزايش حجم ناگهاني آب رودخانه‎ها و درياچه‎ها در اثر بارندگي در طي روزها و هفته‎ها ايجاد مي‎شود.

2. سيلاب‎هاي ناگهاني : كه در اثر افزايش حجم آب رودخانه‎ها و درياچه‎ها ايجاد شده و با خود مرگ و مصدوميت افراد و تخريب منازل را به همراه دارد. اين سيلاب‎ها ممكن است بر اثر باران‎هاي سيل‎آسا، گردباد تخريب ديوارهاي سد و ذوب شدن سريع يخ به وجود آيد.

مهم‎ترين خسارات سيل

تخريب پل‎ها، تخريب جاده‎ها، تخريب زمين‎هاي كشاورزي، تخريب چاه‎ها و قنات‎ها و تخريب بندها و سدها، تخريب منازل مسكوني ازدياد ناقلين (مالاريا)، آلودگي آب، از بين رفتن محصولات و حيوانات اهلي (سوء تغذيه) آسيب به مكان‎هاي بهداشتي و ارتباطي.

زيان‎هاي ناشي از سيل مربوط به پوشيده شدن زمين از آب و نيز فشار خود آب است. سيل ممكن است لوله‎هاي آب يا فاضلا را جابه‎جا كند. در يك مورد، 5 كيلومتر از يك لوله 90 سانتي‎متري آب را سيل با خود برده است.

ممكن است تأسيسات تصفيه آب و تلمبه خانه‎ها زير آب فرو روند و گل و لاي داخل تلمبه‎ها، موتورها و ساير تجهيزات شوند كه اين امر سبب تعميرات گران و وقت‎گيري خواهد شد. آسيب ساختمان‎هاي محافظ چاه‎ها و چشمه‎ها ممكن است منجر به آلودگي آب آشاميدني شود. تأسيسات تصفيه فاضلاب و لوله‎هاي خروج فاضلاب بيشتردر معرض صدمات سيل قرار مي‎گيرد. پس زدن آب در لوله‎هاي فاضلاب بيشتر در معرض صدمات سيل قرار مي‎گيرند. پس زدن آب در لوله‎هاي فاضلاب سبب سرريز شدن آدمروها، مخازن فضولات و چاه‎هاي فاضلاب مي‎شود. به علت بالا آمدن سطح آب انواع زباله در نقاط مختلف پخش مي‎شوند كه جمع‎آوري و دفع آنها مشكل مهمي ايجاد مي‎كند. جمع شدن زباه و فضولات سبب افزايش مگس و جوندگان مي‎شود. دفن مردگان و زير خاك كردن لاشه حيوانات مرده مواقعي مشكل فوري و مهمي را به وجود مي‎آورد.

شگفت اين كه هنگام وقوع سيل خطر آتش‎سوزي نيز افزايش مي‎يابد. بالا آمدن سطح آب ممكن است سبب واژگون شدن مخازن نفت يا بنزين شود و يا ورود آب به مخازن برگ مواد سوتي سبب پخش شدن آنها در منطقه وسيعي گردد. اگر جرقه‎اي به اين مواد سوختي برسد آتش به سرعت همه جا را فرا مي‎گيرد، زيرا اشغال شناور در سطح آب و ساير اشياء معمولاً همگي مواد قابل اشتغال‎اند. گاه اتصال در شبكه برق ساختمان‎هايي كه زير آب رفته‎اند،‌باعث آتش‎سوزي و برق‎گرفتگي مي‎شود. تأسيسات بهسازي مناطق ساحلي ممكن است به هنگام هجوم اين امواج ويران شوند و يا در اثر شسته شدن زمين و فرو ريختن آن، در معرض صدمه قرار گيرند.

اين حوادث ممكن است موجب مرگ و مير فراوان ولي تعداد محدودتر، مجروح گردند، علل عمده بيماري و مرگ‎ها اصولاً در اثر غرق شدن، برق‎گرفتگي، عفونت‎هاي حاد تنفسي، حيوان گزيدگي و زخم‎ها و در بين ضعيف‎ترين افراد جامعه اتفاق مي‎افتد. در طوفان‎هاي استوايي و يورش امواج خروشان، در نوامبر 1977 كه تعداد 70000 نفر را در آندارپرادش هند مورد تهاجم قرار داد، حداقل تعداد 10000 نفر كشته و فقط 177 نفر مجروح غالباً داراي شكستگي پا و بازو بر جاي گذاشت.

در ايران گرچه در بسياري از نقاط بارندگي كم است اما در بيشتر مناطق ممكن است 60 درصد بارندگي ساليانه در يك شبانه روز رخ دهد. همين عامل به همراه شيب‎هاي تند كوهستاني البرز و زاگرس – كه شهرهاي ما را در دامنه خود جاي داده‎اند – باعث شده است كه بروز سيل يكي از نگراني‎هاي عده – تقريباً در تمام فصول سال – باشد. سيل در ايران به دليل ويژگي‎هاي زمين‎شناسي و تخريب‎هاي زيست‎ محيطي بسيار آلوده بوده و گل و لاي زيادي به همراه دارد. به همين دليل نيز اغلب سيلاب‎ها در ايران، خسارات زيادي وارد مي‎كنند. سيل روزانه 200 ميليون تومان زبان به اقتصاد ملي وارد مي‎سازد.

طبق يكي از گزارشهاي طرح ملي آمادگي و كنترل سوانح طبيعي كشور ايران در 25 سال گذشته يا 967 سيل روبرو بوده كه از اين ميان 117 سيل بسيار مهم و يا خسارات و تلفات فراوان همراه بوده است. طي اين سالها به طور متوسط با 39 سيل در سال، 916 ميليارد و 200 ميليون تومان به كشور خسارت وارد شده است كه متوسط خسارت سالانه 36 ميليارد و 600 ميليون تومان بوده است. طي 25 سال گذشته (از 1351 تا 1375) 5/42 ميليون نفر از جمعيت كشور تحت تأثير سيل بوده‎اند. طي اين مدت دو ميليون و 892 هزار و 400 نفر بي‎خانمان شده و سالانه به طور متوسط 500 واحد مسكوني ويران و يا آسيب ديه است. در گزارش ديگري از ستاد حوادث غير مترقبه كشور آمده است كه فقط در سال 1370 در كشور 61 سيل و 27 زلزله رخ داده است.

خانه‎سازي در حريم رودخانه‎ها، آن هم با مصالح نامناسب علت اصلي خسارات سيل در بسياري از شهرهاي كشور بوده است. در شهرهاي بسياري از كشورها كه از لحاظ وجود رودخانه شرايط مشابهي با ما دارند، به دليل پر ارزش بودن زمين و يا به جهت استفاده از زيبايي رودخانه، خانه‎هايي زيادي بر ساحل رودخانه‎ها ساخته مي‎شوند اما تدابير كارشناسي ظريفي نيز جهت پيش‎بيني خطرات سيل به كار مي‎رود. اغلب درچنين شهرهايي هيچگاه مجوز زيرزمين به ساخت و سازها تعلق نمي‎گيرد.

خانه‎ها به گونه‎اي ساخته مي‎شوند كه آب بتواند به راحتي از زيربنا عبور نمايد. دادن مجوز ساخت زيرزمين در ساختمان‎هايي كه در نزديكي مسير و يا سواحل رودخانه‎ها بنا مي‎شوند، توسعه بي‎رويه شهر كه به دليل تغيير سطح پوشش زمين، قابليت نفوذپذيري آن را از بين مي‎برد، تنگ كردن مجاري و مسيرهاي مهم شهرها بتون كردن آنها كه شتاب آب را بالا مي‎برد، پمپاژ كردن آب به ارتفاعات بالا كه به رانش زمين حساس هستند و ... از جمله اشتباهات مديريتي هستند كه شهرداريها و مديران شهري نبايد مرتكب آنها شوند.

اقدامات قبل از وقوع سيل

1. لزوم رعايت اصول و ضوابط مهندسي رودخانه در احداث پل‎ها مطابق استاندارد.

2. مطالعه و اجراي طرح‎هاي سيستم‎ هشدار سيل (مناطق پرجمعيت، كوهستاني و رودخانه‎هاي بزرگ).

3. حفاظت و جلوگيري از دخل و تصرف غيرمجاز در بستر رودخانه‎ها و مسيل‎ها.

4. پاكسازي و دفع انباشته‎هاي طبيعي و مصنوعي در محدوده پل‎ها و زيرگذرها با هماهنگي شركت‎هاي آب منطقه‎اي.

5. لزوم استفاده از كارشناسان شركت‎هاي آب منطقه‎اي در هنگام بروز سيلاب به منظور ثبت آمار و خسارات سيلاب‎ و يكنواخت‎سازي آمار و اطلاعات و استفاده از نظرات كارشناسي شركت‎هاي آب منطقه‎اي در زمينه تحليل علل بروز و تشديد سيل و چگونگي مقابله و كاهش خسارات در حين وقوع سيل.

6. نصب تابلوهاي هشدار سيل در مسير رودخانه‎هاي سيل خيز (در نقاط خاص و مهم و با توجه به شرايط رودخانه‎ها و مسير سيل‎ها).

7. ايجاد نظام هشدار و مديريت سيل (حوزه‎هاي كوچك و پرجمعيت كوهستاني – مناطق شهري – رودخانه‎هاي بزرگ).

8. لزوم به كارگيري و توسعه نقش بيمه در سرمايه‎گذاري طرح‎هاي پيشگيري و جبران خسارات ناشي از سيل.

9. ارايه خدمات آموزش عمومي از طريق جمعيت هلال‎احمر، آموزش و پرورش و رسانه‎هاي عمومي با هماهنگي كميته‎هاي فرعي پيشگيري از سيل در استانها.

10. اصلاح بستر رودخانه‎ها:

الف) عريض كردن بستر رودخانه

ب) عميق كردن در اثر لايروبي

ت) عريان كردن رودخانه از نباتات

ث) تسطيح رودخانه‎ها

ج) تصحيح مسير براي كم كردن طول رودخانه

11. ايجاد سيل برگردان:

الف) ايجاد ديواره‎ها در كنار رودخانه‎ها.

ب) كندن كانال‎هاي عرضي و موانع در مسير سيل.

پ) منحرف كردن آبهاي تجمع شده به مناطق ديگر.

ت) ايجاد سيل شكن در دره‎ها براي جلوگيري از تجمع آب.

12. ايجاد و ساخت سدها و آب بندها: بهترين چاره‎ است كه مي‎توان در توليد برق و آبياري از آن استفاده كرد.

13. حفاظت از بستر رودخانه‎ها: در حوضه‎هاي مرتفع با استفاده از مصالح ساختماني.

14. حفاظت بيولوژيكي : عدم كاشت درخت در كنار رودخانه‎ها و ايجاد پوشش گياهي و جنگل‎ها براي كم كردن سرعت قطرات باران.

15. ايجاد سرعت شكن‎هاي بتوني و سنگي در مسير بستر رودخانه‎ها و مسير سيلاب‎ها

اقدامات هنگام سيل

1. هميشه و همه جا اصل خونسردي را حفظ كنيد.

2. براي اطلاع از وضعيت و گرفتن دستورات لازم به راديو، تلويزيون و يا اعلام بلندگوهاي عمومي گوش دهيد در صورتي كه دستور تخليه داده شد فوراً اين كار انجام دهيد.

3. وسيله روشنايي تهيه كنيد (چراغ قوه، شمع و ...)

4. به سرعت كمي غذا و آب ذخيره كنيد. (ممكن است منابع آب آلوده گردد و مواد غذايي يافت نشود) و از مصرف مواد غذايي در تماس با سيل و فاقد ظرف ضد آب خودداري شود. از غذاهاي كنسرو شده سالم استفاده نماييد.

5. در خارج از منزل مواظب سيم‎هاي برق كه روزي زمين افتاده (خصوصا در آب) باشيد تا دچار برق‎زدگي نشويد.

6. در هنگام رانندگي مراقب شيب‎ها و پيچ‎هاي جاده باشيد به آرامي و با خونسردي رانندگي كنيد (ترمزها بخوبي كار نمي‎كند).

7. اگر خانه شما در محل مرتفعي است و خطر آب گرفتگي شما را تهديد نمي‎كند نياز به خروج از منزل نمي‎باشد.

8. جريان برق، آب و گاز را براي اجتناب از آتش‎سوزي و برق‎گرفتگي و انفجار قطع كنيد.

9. در صورت ترك خانه اشياء گران قيمت را به محل‎هاي بالاتري در منزل ببريد درها را قفل كنيد.

10. مناطق كم ارتفاع را سريعا ترك نماييد.

11. به نقطه مرتفعي دور از رودخانه‎ها، نهرها و زهكشي برويد.

12. از فاضلاب‎ها و جويبارهاي به ظاهر آرام دوري نماييد. و از ورود به جريان پرشتاب آب بدون توجه به قابليت شناگري كه خطر غرق شدن را به دنبال دارد، اجتناب كنيد.

13. سيلاب‎هايي كه سطح جاده و پل‎ها را پوشانده است داراي قدرت مافوق تصور است.

14. راه‎رفتن و يا رانندگي در سيلاب خطرناك‎ترين كاري است كه ممكن است انجام دهيد.

15. وسايل نقليه، حيوانات مزرعه و اشياء قابل حمل و نقل را به نزديكترين محل مرتفع انتقال داده شود. خودروها و وسايل نقليه محل‎هاي امني در مقابل سيل نمي‎باشد زيرا خودرو ممكن است در آب جاري از كار بيافتد و يا توسط آب حركت داده و برده شود.

16. حشره‎كش‎ها را از آب دوري كنيد چون امكان دارد آلودگي خطرناكي را موجب شود.

17. هيچ‎گاه به تنهايي در يك ناحيه سيل‎زده، به اين طرف و آن طرف ندويد.

18. آبهاي جمع شده در گودال‎هاي مناسب براي رشد حشرات بخصوص پشه‎ها مي‎باشد. لذا از توري در محل اقامت استفاده گردد و پوشاك آستين بلند و چكمه‎هاي ساق بلند بپوشيد

iaushydrology — Mon, 22 Jun 2009 15:27:00 GMT

زانیار بهمنی 850652416

گروه ۲

آب‌شناسی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پرش به: ناوبری, جستجو

آب‌شناسی یا هیدرولوژی یا ئیدرولوژی به معنای وسیع کلمه، علم آب است. یعنی علمی که در مورد پیدایش، خصوصیات و نحوهٔ توزیع آب در طبیعت بحث می‌کند.

[] تعریف شناخته شده

تعریفی از هیدرولوژی که به صورت عام رواج داشته باشد و مورد تائید انجمن دولتی علوم و فن آوری امریکا نیز قرار گرفته‌است و برگزیده شده‌است، بدین صورت است که:

هیدرولوژی علم مطالعهٔ آب بر روی کره زمین است و در مورد پیدایش، چرخش و توزیع آب در طبیعت، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب، واکنش‌های آب در محیط و ارتباط آن با موجودات زنده بحث می‌کند.

آب‌شناسی (دانش هیدرولوژی) در ایران باستان:

جهش امپراتوری شکوهمند ایرانیان در زمان هخامنشیان و تعالی و ترقی آن در زمان ساسانیان، و دیرپایی این تمدن مدیون دانش آب‌شناسی ایرانیان یود.

مردمان ایران‌زمین از دیرباز به ارزش آب به عنوان ماده‌ای زندگی‌بخش و ارزشمند آگاهی داشتند. نیاز طبیعی بشر به آب، وضع جغرافیایی فلات ایران و کمیابی این مایع گرانبها، ارزش این ماده را نزد ایرانیان صدچندان نموده و آن را در جایگاه والایی قرار می‌داده است. برای آنکه به ارزش والای آب در دیدگاه ایرانیان باستان پی ببریم، کافی است که نیم‌نگاهی به اوستای زرتشت اندازیم.

آناهیتا، ایزد آب‌ها، که گردونه او را در آسمانها چهار اسب ابر و باران و ژاله و شبنم می‌کشیدند، یکی از بزرگ ایزدان پیش از زرتشت بود، و نیایشگاههای او در کنگاور (کرمانشاه) و بیشابور (فارس) نمایان است، در اوستا مورد ستایش بسیار بوده و هم مرتبه میترا (مهر) و اورمزد (اهورامزدا) قرار می‌گیرد. آب در آیین زرتشت پاک است و مظهر پاکی و باید که همچنان پاک باقی بماند. زرتشت از اهورامزدا درخواست می‌کند که رودها را از آبی به سترگی شانه اسب لبالب نموده و به پیروان خویش می‌آموزد که آلوده نمودن آب، به هر شکل و گونه‌اش، خلاف دین و اهریمنی است. اینچنین است که شناخت آب در ایران‌باستان با وابسته داشتن صفات ویژه به آن و ارجمند داشتن این ماده زندگی‌بخش آغاز می‌شود. هنوز هم بازمانده آیین‌های ایزد آب‌ها در جای‌جای ایران برگزار می‌شود که برای نمونه می‌توان به مراسم جوی‌روبی و بیل‌گردانی در دامنه آتشکده آتش‌کوه در نیمور، محلات اشاره نمود.

در ایران‌باستان، صدها سال پیش از آنکه نخستین فرضیه‌های مربوط به آب‌شناسی ارائه شود، به گونه‌ای شگفت‌آور و باورنکردنی، پاسخ یکی از مهمترین و دشوارترین مسائل مربوط به یافتن آب و آب‌های زیرزمینی یافته شده بود. سنگ‌نوشته‌ها و لوح‌های باز مانده از ایران باستان، بیانگر این است که مردمان ایران‌زمین آب‌های زیرزمینی را با کندن کاریزهای دراز و بسیار عمیق برآورده به روستاها و شهرهای خود می‌رساندند. اینکه نخست‌گاه این کاریز کجا بوده و در چه مناطقی به آب می‌توان دست یافت و اینکه کاریز چگونه باید ساخته شود، شاید مهمترین مساله‌ای بوده است که بشر از آغاز تمدن تا کنون در دانش آب‌یاری و آب‌رسانی با آن روبرو بوده است. پرفسور هانری گوبلو که بیش از 30 سال بر روی قنات‌های ایران بررسی و مطالعه انجام داده است در کتاب قنات، فنی برای دستیابی به آب ،عظمت قناتهای ایران را برابر با دیوار چین می‌داند. مجموعه طول قناتهای ایران بیش از چهارصد هزار کیلومتر، بیش از فاصله زمین تا ماه، و قنات گناباد به طول سی‌وپنج کیلومتر و ژرفنای بیش از سیصد متر و چاه‌هایی با فواصل منظم پنجاه متری، از زمان هخامنشیان، یک شاهکار بی‌نظیر در سراسر جهان است. چندتن از دانشمندان امریکایی مانند اف.دیکسی در نوشتار یک کتابچه علمی برای سازماندهی آب، ام.ا.باتلر در کتاب آبیاری به کمک قنات در ایران، سی.اف.تولمان در کتاب آب‌های زیرزمینی، ژی.بی.کرسی در کتاب قنات و کاریز، ژی.بیژلیبین‌کت در کتاب آب‌شناسی و هانری گوبلو در کتاب‌های آبیاری در کالیفرنیا و قنات، فنی برای دستیابی به آب خود همگی بر این باورند که قنات‌های لوس‌آنجلس و پاسادانای کالیفرنیا، همچنین قنات‌های شیلی و مکزیک، در زمان سلطه اسپانیایی‌ها، توسط مهندسان، متخصصان و کارگران ایرانی ساخته شده است.

به خاطر داشته باشیم که تمدن‌های باستانی همگی در کنار رودهای بزرگ، همانند نیل، دجله، فرات، سند، گنگ، هوانگهو، یانگ‌تسه و ... شکل گرفتند اما تنها تمدنی که به دور از هرگونه رودخانه عظیم شکل گرفت و مالک‌الرقاب جهان باستان شد، ایران بود. جهش چشمگیر امپراتوری ایران مدیون قنات بود. در زمان هخامنشیان، اگر کسی زمین بایری را با احداث قنات آب‌یاری می‌کرد، تا پنج نسل از پرداخت هرگونه مالیات معاف بود. به گواهی تاریخ مصر، دریاسالار پارسی اسکیلاکس هخامنشی هنگام اقامت در مصر، فنون احداث کاریز را به مصریان آموخت. در زمان ساسانیان، رساله مدیگان هزاردادستان، در شرح ساخت و لایروبی قنات و کاریز، و استفاده هوشمندانه از آن، تالیف شده است.

در نوشته‌های دانشمندان ایرانی پس از اسلام، به نکته‌ای شایان توجه بر می‌خوریم و آن اینکه بسیاری از دانشمندان ایرانی در دوران اسلامی، هریک به گونه‌ای، به جنبه‌های گوناگون دانش آب‌شناسی پرداخته‌اند. دانش آب‌شناسی در آن دوران نیز مانند امروز دربردارنده بررسی دوره گردش آب یا چرخه آب (سیکل آب) در طبیعت، جریان آب در روی زمین، آب‌های زیرزمینی، چشمه‌ها، دریاچه‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها و چگونگی دگرگونی‌های کمی و کیفی آب‌های آنها می‌شده است.

دانشمند بزرگ ایرانی، ابوریحان بیرونی در آثارالباقیه، در باره زیاد و کم شدن آب رودخانه‌ها، چشمه‌سارها و کاریزها می‌گوید:

زیاد شدن آب‌ها در جمیع اودیه و انهار به یک حالت نیست، بلکه اختلاف بزرگی با هم دارند. چنانکه جیحون هنگامی آبش زیاد می‌شود که دجله و فرات رو به کمی گذارد و علت این است که هر رودخانه‌ای که سرچشمه آن در نواحی سردسیر باشد، آب آن در تابستان زیادتر و در زمستان کمتر است، زیرا بیشتر آب‌های اصلی آن از چشمه‌سارها گردمی‌آید و رطوبت‌هایی که در کوه‌هایی که این رودخانه‌ها از آن بیرون می‌آید و یا از آن می‌گذرد سبب زیادت و نقصان آب این رودخانه‌ها می‌شود.

دیگر اندیشمند بزرگ ایران، ابوعلی سینا در دانشنامه علایی (طبیعیات) در باره جذر و مد دریاها و اثر ماه بر آن گوید:روشنایی و قوت‌ها که از آفتاب و ستارگان است در این عالم اثر کند و ظاهرتر اثر آن آفتابست و آن ماه که آب دریاها را مد کند.و هم او درباره پدیده‌های بارندگی گوید:و اما بخار چون از گرمگاه برخیزد جنبش وی گرانتر بود و چون به آن جایگاه رسد از هوا که سرد بود، سرمای آن جایگاه او را ببندد. ... و هرگاه که بخار زمین بفسرد، ابر شود ... و این را سه حکم بود. یا اندک بود، که و را گرمی آفتاب بروی افتن، زود متفرق کند. یا قوی بود، که آفتاب اندر وی فعل نتواند کردن، که پراکندش، پس چون گردآید، و یک اندر دیگر نشیند، و خاصه که باد گردآورش دیگر بار آب شود، و فروجهد، پس اگر سرما اندریابدش، پیش از آن که قطره‌ها بزرگ شود و برف بود.

دانشمند ایرانی سده پنجم هجری، ابوحاتم اسماعیل اسفزاری خراسانی، که برای نخستین بار در جهان پدیده‌های جوی و هواشناسی را در کتاب خود به نام آثار علوی (Meteorology)، گردآوری نموده و او را به حق باید پدر دانش هواشناسی نام داد، در باره بخار و باران و برف و شبنم می‌گوید:

هرگه که حرارتی از تابش خورشید یا از جوهر آتش به آب رسد، مدتی با او بماند، آب مستحیل شود، و از جای خود برخیزد، و به سوی بالا بر شود، آن را بخار گویند، چون گرما بر بخار مستولی شود، آن بخار جوهر هوا گردد. ... و اگر برودتی بر آن بخار مستولی شود، جوهر آب گردد، و قصد زمین کند، آنگاه آن را باران گویند، پس اگر هوا ساکن بود، آن دانه‌ها خردباران (drizzle) بود و اگر متحرک بود، آن دانه‌های خرد به یکدیگر بپیوندند بزرگ گردند ((rain تا به رگبار رسند(shower). ... و اگر برودتی به افراط بر آن غالب آید جوهر برف باشد ... هرگاه که هوا سرد باشد و سرما بر بخار مستولی گردد، آن هوا آب شود و بر صورت قطره‌های آب از برگ‌ها بیاویزد، آن را شبنم (صقیع - dew ) خوانند ... .

وی همچنین مطالعات و بررسی‌هایی در باره چگالی آب‌های گوناگون از مناطق مختلف انجام داده است. ریاضی‌دان و مهندس بزرگ سده پنجم هجری، محمد بن حسین کرجی، دیدگاه‌های بسیار جالبی در باره آب‌شناسی دارد و در کتاب خود استخراج آب‌های پنهانی، انباط المیا الخفیه، به بررسی روش‌ها و قواعد مربوط به تشخیص آب‌های زیرزمینی می‌پردازد. او می‌گوید:

خدای بزرگ در روی زمین آبی ساکن آفرید، که همچون گردش خون در بدن جانوران در جریان است. این آب با افزایش و کاهش بارندگی، افزون و کم نمی‌شود (چرخه آب در طبیعت) ... این آب بیشتر شکاف‌های درون زمین را پر می‌کند، و تا آنجا که مانعی سخت در سر راهش وجود نداشته باشد، هر قسمت به قسمت دیگر می‌پیوندد ... آب‌هایی که در زیر زمین قرار دارند نیز در بعضی مواضع مانند رودها جاری هستند و در بعضی موارد دیگر مانند دریا ساکن و آرامند.

در نزهت‌نامه علایی، دانشنامه بزرگ فارسی، تالیف شهمردان‌بن‌ابی‌الخیر رازی، در سده ششم هجری، مطالب گوناگون و جالبی در باره آب‌شناسی آمده است.

آب، مد و جزر دریای پارس از عجایب است و به شبانه روز دو دفعه زیادت و نقصان گیرد، و در سیر ماه بسته است ... و جای هست که مقدار پنجاه ارش زمین خشک به وقت مد آب، بالا گیرد به هر دفعتی، ... .

ناوخدای، بزرگ‌ بن شهریار رامهرمزی، دریانورد بزرگ ایرانی در سده چهارم هجری، که سفرهای اکتشافی فراوانی به شرق انجام داد، در کتاب بسیار جالبی به نام عجایب الهند، شرح کاملی از توفان‌های دریای هند، مانسون، ارائه نموده است. دریانورد معاصر او ابهره کرمانی نیز، که در آن روزگار هفت سفر دریایی به چین و شرق دور داشته است نیز، مانسون هند و تیفون چین (هاریکن‌ها یا سایکلون‌های شرق آسیا)، را در نوشته‌های خود شرح داده است. جیهانی، وزیر دودمان سامانیان نیز اطلاعات خویش را در باره این توفان و همزمانی آن با بادهای 120 روزه سیستان، در کتابی گردآوری نموده است. سلیمان سیرافی و مهران وهب سیرافی از دریانوردان ایرانی سده سوم و چهارم هجری، که سفرهایی به چین و هند داشته‌اند، و همچنین سهل بن آبان دریانورد ایرانی سده ششم هجری که سفرهایی به هند و شرق افریقا داشته ‌است، و سلیمان مهری دریانورد سده نهم هجری، نیز در سفرنامه‌های خود به باران‌های موسمی هند و منشا احتمالی آنها، اشاره کرده‌اند.

مسعودی مورخ ایرانی در کتاب التنبیه و الاشراف، به ذکر منشا رودها و دریاها پرداخته و از بسیار از پدیده‌های آبی سرزمین ایران، سخن رانده است. توصیف زیبا و دقیق ناصرخسرو در سفرنامه‌اش، از فانوس‌های دریایی (خشاب‌های) دریای پارس، نمایانگر دانش آب‌شناسی و دریانوردی ایرانیان است.

اشاره کوتاهی به این مساله چندان دور از تدبیر نیست که سد کوریت در نزدیکی طبس در خراسان جنوبی که در زمان هخامنشیان، در منطقه‌ای فوق‌العاده، ساخته شده و یکبار در زمان ساسانیان نوسازی و بار دیگر به فرمان و اندیشه خواجه نصیرالدین توسی، در اوج شکوفایی مکتب مراغه، دیواره آن، بر روی شالوده هخامنشیان، کاملا بازسازی شده است، با ارتفاع بیش از 64 متر، بیشتر از شش صد سال، بلندترین سد جهان بوده است.

در دوران هخامنشیان بیش از 60 سد در ایران ساخته شد و این جدای از پل- بند‌های این دوره است. در زمان ساسانیان پل و بند شوشتر با درازای بیش از پانصد متر ساخته شد. تاریخ نام سازنده این پل و همچنین سد شادروان (Shadervan) شوشتر را یک مهندس ایرانی به نام برانوش پارسی ثبت کرده‌است. پل‌دخترهایی که در سراسر ایران از جمله سروستان و میانه به چشم می‌خورند منسوب به آناهیتا، ایزد آب‌ها بوده‌اند.

اختراع سه نوع آسیاب آبی، نمایانگر دانش و بینش ژرف ایرانیان باستان در کلیه علوم از جمله آب‌شناسی است. نخست آسیاب تنوره یا آسیاب نورس یا آسیاب پره، با محوری عمودی و پره‌های قاشقی، دوم آسیاب چرخی که رومیان به آن آسیاب ویترویان نام نهادند، با محور افقی که نام مخترع آن را مهرداد ثبت نموده‌اند، و سوم آسیاب شناور، که با پره‌های بزرگ پارویی دوران می‌کرده است و در رودخانه‌های خراسان، خوزستان و میانرودان به تعداد زیادی ساخته شده بوده است، و بازمانده آن هنوز در شوشتر خودنمایی می‌کند.

دستگاه پالایش آب چغازنبیل (زنگه ویل - شهر زنگه)، نخستین و قدیمی‌ترین دستگاه پالایش آب در جهان است که برابر با قانون ظروف مرتبط آب گل‌آلود رودخانه کرخه را به آبی سالم و گوارا تبدیل می‌نموده است. و آب‌انبارهای کویری ایران هم که خود حدیث مفصلی است. و این چکیده خود اندکی است از دانش آب‌شناسی ایرانیان که از دسترس چپاولگران زمانه و چنگ‌ورزان بیگانه در امان مانده و به ما رسیده. باشد که ما شایستگی و بایستگی میراث‌داری آنان را داشته باشیم. در سال 1289 رودخانه زاینده‌رود خشکید. مردم در آن چاهی کندند به قرب سی زرع و آبی به زحمت می‌کشیدند برای مشروبات. (تاریخ مسعودی)

iaushydrology — Mon, 22 Jun 2009 15:23:00 GMT

ابراهیم محمد پناهی

گروه ۲

بهره برداری از منابع آب

بسیاری از جوامع یا افراد ، قدر نعمت‌های موجود را نمی‌دانند و این قدرنشناسی را بهره برداری نادرست از این نعمت‌ها نشان می‌دهند. یکی از این نعمت‌های بزرگ خداوند ، آب است. چون منابع آب محدود است، باید در استفاده از آنها دقت کافی به عمل آید. در بخش کشاورزی ، عوامل زیادی سبب هدر رفتن مقدار زیادی از آب می‌شود که بر فراز آنها عبارتند از:

آبیاری مزارع در زمان نامناسب

آبیاری به هنگام ظهر که گرمای هوا سبب افزایش تبخیر می‌شود، مقدار زیادی از آب را هدر می‌دهد.

غرقابی کردن زمین کشاورزی و نفوذ دادن آب به اعماق زمین

آب زیاد دادن به زمین ، سبب می‌شود که خاک تا عمق زیادی از آب پر شده ، فضاهای خالی آن پر شود.

آلودگی آبها

بوسیله سموم دافع آفات گیاهی و یا ریختن کودهای شیمیایی ، آبها آلوده می‌شوند.

تامین آب آشامیدنی شهر و روستا

مردم به آب سالم برای آشامیدن و پرداختن به امور بهداشتی نیاز دارند. تامین آب با صرف هزینه و سرمایه گذاری زیاد انجام می‌‌شود. در تامین آب سالم و مناسب ، به مراحل زیرین پرداخته می‌شود:

کشف منابعی که برای آشامیدن و سایر مصارف مردم مناسب باشد.
جمع آوری آبهای سطحی یا بهره برداری از آبهای زیرزمینی
تصفیه آب برای از بین بردن آلودگیهای احتمالی
انتقال آب از محل تصویه به محل‌های مصرف (شهر و روستا)
مراقبت از تاسیسات ، کانالها و لوله‌های انتقال آب

همه موارد اخیر به تخصص ، هزینه و زمان نیازمند است. بنابراین ، در مناطق شهری و روستایی آبهای آشامیدنی لوله کشی شده یا تصفیه شده با صرف مخارج زیادی فراهم می‌شود و باید در استفاده از آنها دقت کافی به عمل آید. زندگی شهرنشینی و تراکم جمعیت در شهرها و توجه به امور بهداشتی آنها ، سبب شده است که نیاز بیشتری به آب آشامیدنی سالم احساس شود. تامین آب مناطق شهری و روستایی گاهی سبب کاهش مورد نیاز کشاورزی و باغداری می‌شود.

بهره برداری از آب در صنایع

در اوایل قرن بیستم ، از کل مصارف آب در جهان ، حدود 6% در بخش صنایع مصرف می‌شد. هم اکنون این رقم 4.5 برابر شده است. در ایران فقط 5% از کل مصرف آب مربوط به صنایع می‌باشد. آبی که به صنایع می‌رسد، معمولا خیلی زود کیفیت خود را از دست می‌دهد یا گرمای آن زیاد می‌شود و یا آلودگی شیمیایی و میکروبی پیدا می‌کند. گرمای آب مورد نیاز صنایع را می‌توان با برجک‌های خنک کننده گرفت و آب را دوباره یا چندباره مورد استفاده قرار داد. اما رفع آلودگی شیمیایی یا میکروبی به تخصص و هزینه زیادی نیاز دارد. البته آبهای آلوده صنعتی به مدت زیادی در طبیعت باقی می‌مانند.

بحران آب

روند افزایش جمعیت و گسترش منابع و نیاز به آب برای تامین غذای بشری سبب شده است که آب به عنوان یک عامل حیاتی و بوجود آورنده بحران تلقی شود. کافی است برای پی بردن به ارزش آب و نقش آن در ایجاد تنش های سیاسی به جدالهای سران کشورها بر سر تقسیم آبها و مرزهای آبی توجه شود. برای حل این بحران استفاده از آب رودخانه‌ها تا یک سقف معینی مجاز است. آبهای مرزی حتی جنگهایی را بین کشورها به وجود آورده و اختلافات اساسی ایجاد کرده است که با مصرف مناسب و برنامه‌ریزی دقیق در مصرف می‌شود از این بحرانها خلاصی یافت.

مصرف بهینه آب

بر اساس بررسی‌های به عمل آمده میانگین آب مصرفی سرانه جهان (صنعتی ، کشاورزی و آشامیدنی) در حدود 580 مترمکعب برای هر نفر در سال است. متاسفانه این رقم در ایران با کمبود منابع آب ، 1300 متر مکعب در سال است. این امر بیانگر اتلاف منابع آب و اسراف بیش از حد منابع حیاتی است.
مقدار مصرف سرانه آب لوله کشی آشامیدنی در شهرهای ایران در حدود 142 متر مکعب در سال است که از مصرف سرانه برخی کشورهای اروپایی پُرآب ، مانند اتریش (108 مترمکعب درسال) و بلژیک (105 مترمکعب درسال) بیشتر است. یکی از دلایلش این است که در ایران از آب آشامیدنی تصفیه شده برای شستشوی اتومبیل ، حیاط ، آبیاری باغچه‌ها ، استحمام ، لباسشویی و ظرفشویی استفاده می‌شود، در حالی که در اکثر کشورها آب آشامیدنی از آبی که به سایر مصارف می‌رسد ، جداست.
برای بهره برداری درست از آبهای آشامیدنی بهداشتی ، شاید بهترین راه جدا کردن آب آشامیدنی از آبهای مصرفی دیگر است.
در کشاورزی بایستی روشهای آبیاری متناسب با محیط باشد و یا از روشهای جدید آبیاری استفاده شود که اتلاف آنها کم است. مثلا آبیاری بارانی یکی از راه های بهره برداری از آبها در کشاورزی است.
تهیه آبهای آشامیدنی بهداشتی شهر و روستا به علت اینکه تصویه می‌شوند، بسیار پرهزینه‌تر از آبهای کشاورزی و صنعتی است. بنابراین ، باید در مصرف این آبها دقت کافی به عمل آید.

آلودگی آبها

مسائل بهره برداری از منابع آب جهان فقط به مصرف نادرست بر نمی‌گردد. گاهی انسان با کارهای نادرستش ماهیت آب را تغییر می‌دهد که به آن آلودگی آب گویند. آلودگی آب ، تغییرات فیزیکی ، شیمیایی و زیستی (میکروبی) را شامل می‌شود. که عمده‌ترین این آلودگی‌ها را در زیر لیست می‌کنیم.

وارد کردن زباله های صنعتی یا خانگی در آب
ریختن فاضلاب صنعتی ، خانگی و بیمارستانی در آب
آلودگی حرارتی آب که از طریق عملیات صنعتی در آب رودخانه‌ها ایجاد می‌شود. مثلا نیروگاه‌های تولید برق ، تولید فلزات و برخی کالاهای دیگر سبب آلودگی حرارتی آب می‌شوند. گرم شدن آب ، ارگانیسم موجودات زنده جهان را بهم می‌زند، زیرا برخی از گیاهان ، ماهی‌ها و موجودات زنده آبزی در آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها تا دمای خاصی می‌توانند تحمل کنند و دمای بیشتر یا کمتر از آنها حیات آنها را به خطر می‌اندازد. بنابراین ، آلودگی حرارتی نیز در نوع خود مهم است.
وارد کردن سموم دافع آفات گیاهی و کودهای شیمیایی آب را آلوده می‌کند. ورود مواد شیمیایی و عناصر نامطلوب در آب ، سبب آلودگی شیمیایی آن می‌شوند و چون آب در طبیعت در گردش است، آلودگی آب سریعا گسترش می‌یابد. جیوه ، سرب ، مواد شیمیایی سمی ، از خطرناکترین آلوده کننده‌های آب هستند و برخی از این مواد ، سالها در محیط باقی می‌مانند و حیات جانداران و گیاهان را به خطر می اندازند.

iaushydrology — Mon, 22 Jun 2009 15:19:00 GMT

عرفان واصلی

گروه ۲

آب در زندگی بشر اهمیت بنیادی دارد. از اینرو آب را مایه حیات گویند. در روز گرم تابستان وقتی شیر آب قطع می شود ، ضرورت وجود آب در زندگی انسان نمایان می گردد. انسان می تواند بدون غذا چند روزی را بگذراند ، اما بدون آب به زودی از پا در می آید.

آیا می توانید روزی را تجسم کنید که آب نداشته باشید؟

آیا آب را به بطور سالم و در حد نیاز استفاده می کنید؟
آیا آب به اندازه کافی و در همه جا در دسترس بشر هست؟
برای استفاده مطلوب از آب چه کار باید کرد؟ و غیره

موقعیت جهانی آب

مقدار آب موجود در کره زمین تقریبا ثابت بوده است. این آب به مصارف آشامیدن ، کشاورزی ، صنعت و ... می رسد و زندگی بشر را بهبود می بخشد. اگر کره زمین از فضا روئیت شود ، رنگ طبیعی آن آبی دیده می شود یعنی کره ای که بیشتر سطح آن را آب پوشانده است. یعنی بخش اعظم سطح زمین را اقیانوس‌ها و دریاها فرا گرفته اند. از نقطه نظر حجم و اندازه ، در حدود 97.2%از آبهای موجود در جو زمین و آب موجود در خاکها و آبهای زیرزمینی می باشند.

آب شیرین

انسان برای انجام فعالیت هایش به آب شیرین نیاز دارد. آب شیرین ، یعنی آبی که میزان نمکهای آن بسیار کم باشد. آب اقیانوس ها و دریاها شور هستند و استفاده از آنها نیازمند تصفیه کردن آنهاست که این امر به احداث مرکز تصفیه خانه آب با مکانیزم های پیشرفته تصویه نیاز دارد. هزینه بالای این امر سبب شده که انسان به آب های شیرین موجود در خشکیها و اتمسفر زمین قانع باشد. حجم آب شیرین در جهان بسیار کم و در حدود 2.8% از حجم کل آب جهان است. برای مصرف آب شیرین اندک موجود در جهان محدودیت هایی هم وجود دارد ، زیرا مقداری از آبهای شیرین جهان به شکل یخ در یخچالهای قطبی و کوهستانی قرار دارد که به این صورت قابل بهره برداری نمی باشند. اما انسان به آبهای شیرین موجود در رودها ، دریاچه‌ها ، و آبهای زیرزمینی دسترسی دارد. البته آبهای زیرزمینی که در لایه‌های داخلی زمین موجود هستند ، لازمه دسترسی به آنها مسائلی همچون اکتشاف ، حفر چاه ، کانال کش ، و به کار بردن دستگاههای پمپ آب ، ایجادتاسیسات و لوله کشی را در پی دارد.

گردش طبیعی آب

آبهای موجود در زمین همواره در حال تغییر شکل هستند. این آبها ، حالات مایع ، جامد و گاز به خود می گیرند ، جلوه‌های طبیعی آب بسیار وسیع است. مقداری از آن در زمین نفوذ کرده و آبهای زیرزمینی را تشکیل می دهد. قدری از آن هم در درون شاخه‌ها ، برگ‌ها ، تنه و ریشه درختان ذخیره می شود. آیا جلوه های دیگری از آب هم می شناسید؟

آب موجود در اتمسفر زمین بر اثر گردش طبیعی آن هر 9 روز یک بار بین آسمان و زمین جابجا می شود. در هر سال این عمل چندین مرتبه تکرار می شود. حجم آبی که در هر سال به وسیله گردش آب در طبیعت فراهم می شود ، در حدود 40000 کیلومتر مکعب است. انسان با تکنولوژی امروزی می تواند 25000 کیلومتر مکعب آنرا مورد بهره برداری قرار دهد. ریزش های جوی در همه جای سیاره زمین یکسان نیست و در برخی جاها بارندگی بیشتر از سایر مکانهاست.

وضعیت آبهای ایران

با توجه به قرار گرفتن ایران در نواحی خشک و بیابان ، مقدار بارندگی و حجم آبهای ایران کافی نیست. و ریزش های جوی نیز بطور یکنواخت صورت نمی گیرد. میانگین بارندگی سالانه در جهان در حدود 800mm تبخیر واقعی و 900mm تبخیر بالقوه می شوند. کشور ایران با اینکه 1.1% از مساحت خشکی های جهان را داراست ، فقط 0.345% از آبهای موجود در خشکیهای جهان را در اختیار دارد. از سوی دیگر در اغلب مناطق ایران ، ریزشهای جوی بصورت محلی و فصلی است که نیاز چندانی به آب برای کشاورزی در پاییز و زمستان نیست ، همچنین بارندگی به طور یکنواخت در کشور توزیع نمی شود.

محدودیت منابع آب و توزیع فصلی نامناسب بارندگی دال بر این است که بایستی منابع آبهای موجود سطحی و زیرزمینی را به خوبی شناسای و مطالعه کرده و با برنامه ریزی دقیق ، بهره برداری صحیح از آنها صورت گیرد. البته مردم ایران از اول با این مشکل مواجه بوده اند و با حفر قنات و کاریز ، بهره برداری از آبهای زیرزمینی را ابداع کرده اند. با احداث سد و بندهای متعددی نیز آبهای سطحی را مورد استفاده قرار می دهند.

آنچه باید بدانیم

حجم آبهای شیرین قابل استفاده توسط انسان بسیار محدود است.
میزان بارندگی سالانه ایران بسیار کمتر از میانگین بارندگی جهانی است.
پراکندگی بارش در همه جای ایران یکسان نیست و بیشتر بارندگی در زمان نامناسب برای کشاورزی صورت می گیرد.
برای بهره برداری صحیص از منابع آب بایستی ابتدا منابع را خوب شناخته و بر روی آنها برنامه ریزی دقیق انجام داد.

iaushydrology — Mon, 22 Jun 2009 15:07:00 GMT

اشکان محمدی 850373832

گروه ۲

هيدرولوژي چيست ؟

بر اساس آخرين مطالعات تا كنون 5 ميليارد سال از عمر زمين مي گذرد و شواهد مشان مي دهد كه آب از همان ابتداي تشكيل كره زمين نقش مهمي در تحول و قابل سكونت كردن آن به عنوان تنها سياره قابل زيست داشته است . با تشكيل اقيانوسها و در ياها و تشگيل بخار از روي آنها و ايجاد ابر و بارندگي و به طور كلي گردش آب در طبيعت و جاري شدن آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقيانوسها ، ابتدا زندگي اوليه با گياهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گياهان و حيوانات عالي به وجود آمدند.

پوسته زمين كه از سنگهاي آذرين سرد شده تشكيل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأ ثير پديده هوازدگي قرار گرفت و تغييرات همزمان آب ، دما و يخبندان باعث تكه تكه شدن سنگها شده وجاري شدن آبها آنها را جابه جا كرده و دشتهاي وسيعي را كه داراي پوشش خاك بودند به وجود آوردند . اين پوشش خاكي همراه با آب قابل دسترس در طبيعت محيط مناسبي را براي رشد گياهان فراهم شد و محيط مناسب براي زندگي بشر آماده و مهيا گرديد . انسانهاي نخستين از آب تنها براي شرب استفاده مي كردند بتدريج با پيشرفت تمدن و گذشت زمان از آن براي گردش آسيابها ، كشاورزي و حمل و نقل نيز استفاده كرد.

همزمان با پيشرفت تمدنها استفاده از آب نيز شكل تازه اي به خود گرفت به طوري كه در بسياري از زمينه ها ، از كشاورزي گرفته تا صنعت و از همه مهمتر توليد انرژي از آب استفاده مي شود و امروزه دسترسي به آب كافي و با كيفيت مناسب در زمان و مكان مناسب مد نظر مي باشد و هرگونه كمبود آب را مانعي در جهت توسعه پايدار مي داند به همين دليل هرساله سرمايه هاي زيادي براي توسعه منابع آب و طرحهاي مرتبط با آن مثل سدسازي و احداث شبكه هاي آبياري و زهكشي ، آبخيز داري ، مهار سيل و تغذيه آبهاي زير زميني انجام مي دهند .

سيكل (چرخة) هيدرولوژي

گردش آب درطبيعت كه به آن سيكل هيدرولوژي يا چرخة آب گفته مي شود، عبارت است از حركت وجابجائي آب درقسمتهاي مختلف كره زمين. اين سيكل يك چرخش ساده نيست بلكه مجموعه اي از حركات وچرخشهاي مختلف تحت تأثير نيروي متفاوتي از جمله نيروي جاذبه ، نيروي ثقل، تغييرات فشار وانرژي خورشيدي مي باشد.اين چرخش درسه بخش مختلف كره زمين يعني اتمسفر(هواسپهر) ياچون هيدروسفر يا آب سپهر، ليتوسفريا سنگ سپهر صورت مي گيرد. آب درداخل وبين اين سرلايه درلايه اي به ضخامت 16 كيلومتر صورت مي گيرد كه 15كيلومترآن دراتمسفر وتنها 1 كيلومترآن درداخل ليتوسفر قراردارد.

سيكل هيدرولوژي درواقع يك سيكل بدون ابتدا وانتها مي باشد. بدين ترتيب كه آب ازسطح درياها وخشكيها تبخير شده وارد اتمسفر مي گردد وسپس دوباره بخارآب واردشده به جو طي فرآيندهاي گوناگون به صورت نزولات جوي يا برسطح زمين ويا بر سطح درياها واقيانوسها فرو مي ريزد. پس نزولات جوي ممكن است با سه حالت روبرو شوند:

1- قبل از رسيدن به سطح زمين توسط شاخ وبرگ گياهان گرفته مي شوند.(برگاب،باران گيرش)

2- درسطح زمين جاري مي شوند.(رواناب)

3- درخاك نفوذ مي كنند.

مقداري از آب كه در داخل خاك نفوذ مي كند يا براثر تبخير به هوا برمي گردد يا وارد منابع آب زير زميني مي شود كه سرانجام از طريق چشمه ها ويا تراوش به داخل رودخانه ها مجدداً در سطح زمين ظاهر مي گردد. درتمام اين موارد آب با تبخير وبازگشت مجدد به اتمسفر سيكل هيدرولوژييا گردش آب در طبيعت را تكميل مي كند .درشكل 1 كه نموداري از چرخه هيدرولوژي مي باشد نقل وانتقالات آب در طبيعت را نشان ميدهد. همانطور كه شكل1 نشان ميداد عناصر مهم گردش آب در طبيعت را بارندگي P) -( رواناب(R)-تبخير(E) -تعرق(T) -نفوذ(I) -وجريانهاي زيرزميني(G) تشكيل مي دهند

بارندگي: PRECIPITATION

بارندگي مقدار آبي است كه از سطح خشكي ها ودرياها تبخير مي شود ودرداخل جو بطور موقت بصورت بخار ذخيره ميگردد. اين بخار آب موجود درجو طي فرآيندهاي فيزيكي مختلف متراكم (CONDENSATION) مي شود وبه شكل ابر در مي آيدكه پس از اشباع شدن ، قطرات آب با ذرات يخ تشكيل شده بصورت برف ، باران، تگرگ وغيره كه جمعاً نزولات جوي يا بارندگي گفته مي شوند دوباره به زمين برمي گردند. بارندگي پديده اي است كه انسان كمتر در آن مي تواند دخل وتصرف كند.

تبخير:EVAPORATION

تبخير پديده اي است كه از هرگونه سطح مرطوب مانند سطوح آزاد آب يا سطح مرطوب خاك وگياه صورت مي گيرد. طي اين فرآيند آب مايع به بخار تبديل مي شود ومجدداً آب به جو زمين برمي. از عوامل مؤثر براين فرآيند مي توان به دماي هوا، سرعت باد، تابش خورشيد اشاره كرد كه هرچه ميزان آن بيشتر باشد سرعت تبخير نيز بيشتر است.

اهميت آب در ايران :

ايران با توجه به موقعيت خاص جغرافيايي كه در بين مدار 25تا40 درجه عرض شمالي و 44تا 64 درجه طول شرقي واقع شده است از مناطق خشك جهان به شمار ميرود زيرا ميزان متوسط بارندگي سالانه آن كمتر از يك سوم متوسط بارندگي كره زمين (860) مي باشد . اين مقدار بارندگي هم در سطح كشور به طور يكنواخت توزيع نشده است به علت كمبود ميزان بارندگي به جز نواحي شمالي و شمال غرب و تا حدودي غرب كشور رود خانه هاي دائمي كم تر وجود دارد . در سطح كشور مناطقي وجود دارد كه نه تنها با كمبود آب سطحي مواجه هستند بلكه آب زير زميني آنها هم شور است.البته اين كمبود آب در كشور ما مربوط به عصر حاضر نبوده بلكه در گذشته نيز مردم با كمبود آب مواجه بوده اند وجود سدها و بندهاي تاريخي كشور دليلي بر اين ادعاست .اما از آنجايي كه در گذشته سطح توقع مردم به علت پايين بودن شرايط زندگي كم بوده است ، قرنها بطور هماهنگ از منابع آب و خاك استفاده كرده اند و آب مورد نياز را از طروق مختلف به دست آورده اند و مسئله كمبود آن مطرح نبوده و مسئله اصلي روش هاي بهره برداري از آن بوده است . اما در عصر حاضر از يك طرف كمبود آب قابل استفاده و از طرف ديگر افزايش رشد جمعيت و مصرف آب و از همه مهمتر بالا رفتن سطح زندگي و ماشيني و صنعتي شدن و رشد تكنولوژي مسئله نياز به آب و كمبود آن رابيش از پيش مطر ح مي سازد :

مسائل شناخت آبهاي سطحي :

براي جلوگيري از هدر رفتن آبهاي سطحي و خسارات ناشي از آنها دو كار زير بنايي عبارت است از :

1- تأ‌مين نيروي انساني

2 - تأسيس ايستگاههاي اندازه گيري آب و آمار برداري مرتب از آنها

امروزه هيچ طرح عمراني و زير بنايي بدون استفاده از آمار در زمينه هاي مختلف امكان پذير نمي باشد . لذا آمار مورد استفاده بايد دقيق و داراي قابليت اعتماد باشد و همچجنين تعداد سالهاي آماري نيز زياد باشد .

ايستگاههاي اندازه گيري دبي رو دخانه ها در ايران از سال 1325 تأسيس شده اند اما تعداد آنها كم بوده و طول دوره آماري آنها با توجه به سال تأسيس كوتاه مي باشد اما در كشور هاي پيشرفته طول دوره آماري به بيش از 150 سال مي رسد . در كشور ما تهداد ايستگاههاي كه داراي آمار بيش از 50 سال مي باشند بسيا ركم است و تنها شامل ايستگاههايي است كه بر روي رودخانه هاي جاجرود ، لار و گلپايگانو يكي دو رودخانه ديگر است ، مي باشد. امروزه در سطح كشور ايستگاههاي اندازه گيري دبي آب زياد بوده ودر حال گسترش مي باشد.

نه تنها تعداد ايستگاهها و طول دوره آماري مهم است بلكه تععن دقيق ايستگاههاي هيدرومتري اهميت زيادي دارد كه حتما بايد توسط متخصصان اين امر تععن شود

iaushydrology — Mon, 22 Jun 2009 14:51:00 GMT

موضوع:مدل سازی سیل و خشکسالی با استفاده ازشبکه مصنوعی(ANN)

سال تحصیلی: نیمسال دوم 87-88

سید امیر قریشی

رشته: مهندسی عمران

گروه۲

چکیده :

رخدادهای طبیعی از جمله سیل و خشکسالی از جمله مشکلات بشر در گذشته و حال می باشد . یکی از ضروریات مهار این بحرانها شناخت تناوب و بزرگی این وقایع و پیش آگاهی می باشد. روبط کابین عوامل موثر در وقوع این پدیده ها از نوع غیر خطی (Non Linear) و پیچیده می باشد. با توجه به نقاط ضعف روشهای سنتی در به کارگیری آنها برای حل چنین مسائلی در سالهای اخیر تحقیقاتی در خصوص امکان استفاده از روشهای جدید تحت عنوان هوش مصنوعی (AI) شروع شده است . یکی از روشهای هوش مصنوعی مورد توجه ، روش شبکه عصبی مصنوعی (ANN) است .این روش دارای یک پیکر بندی ریاضی لایه میانی (مخفی ) و یک لایه خروجی است . هر لایه از چندین گره (نرون ) تشکیل شده و بردارهای ورودی یک و یا بیشتر می باشد. این مقاله سعی دارد بر اساس تحقیقات اخیر نسبت به معرف توانائی این روش در کمک به مدیریت بحران حاصل از وقایع سیل و خشکسالی اقدام نماید.

واژه های کلیدی : هوش مصنوعی ، شبکه عصب مصنوعی ، مدل ، سیل ، خشکسالی

مقدمه :

بشر از گذشته های دور با بلایای طبیعی روبرو بوده و اثرات نامطلوب آن را بر زندگی خود مشاهده کرده است . از جمله این بلایای طبیعی می توان به خشکسالی های طولانی :

(چنان خشکسالی شد اندر دمشق که یاران فراموش کردند عشق )

سیلابهای تاریخی (Paleo Flood) ، که اقدامات رسوب شناسی وجود آنها را در گذشته تأیید میکنند و موارد دیگری از قبیل زمین لرزه و ... اشاره نمود.

آنچه که پر واضح است ، افزایش جمعیت بر روی کره زمین و همچنین افزایش گازهای آلاینده در جو و بهره برداری های بسیار نامطلوب از منابع طبیعی تجدید شونده حوزه های آبخیز ، رفتارهای هیدرولوژیکی حوزه را به سمت خود تخریبی و دور نمودن عملکرد آن از مطلوبهای انسان نیازمند سوق میدهد. از جمله آنها وقوع سیلابهائی با دبی بالاتر (به دلیل افزایش ضریب رواناب ) ، بهم خوردن مقدار سالانه نزولات جوی و یا تغییر توزیعهای زمانی و مکانی مقدار نزولات جوی می باشد.

به هر حال آنچه پیش روی انسان امروزی است وجود چنین وقایع نامطلوب ولزوماً انجام چاره جوئی بر آن است . ولی سؤال اصلی اینجاست که چگونه باید بر این بحرانهای منشأ گرفته از آب غلبه نمود و یا خود را با آن سازگار ساخت . بدین منظور اولین سؤال متبادر به ذهن این است ، که با توجه به روند موجود ، در آینده با چه بزرگی از این بلایای طبیعی یعنی خشکسالیها و کمبود منابع آب و یا طغیانها روبرو خواهیم بود. چرا که انجام هر گونه برنامه ریزی واقدامات مهندسی موکول به برآورد صحیحی از این اتفاقات در آینده است .

بدین خاطر متخصصین علم هیدرولوژی ، و سایر رشته های مرتبط با آن وادار شده اند که روشهای مناسبی را برای پیش بینی بزرگی این حوادث با دقت قابل قبول در اختیار بگیرند. روشهای مورد استفاده را می توان به روشهای سنتی (مبتنی بر آمار ریاضی ) و روشهای جدید ریاضی تقسیم نمود. توزیعهای احتمالاتی را برای برآورد بزرگی یک حادثه درآینده با احتمال مشخص بمانند روشهای گامبل ، پیرسیون و ... همچنین روابط فیزیکی را برای محاسبات معین (Determinstic) بمانند روش هیدروگراف واحد و ... تعریف نموده اند ، روشهای جدید سعی بر آن دارد که از داده های بیشتر و متنوعتری استفاده کرده تا بتواند روابط حاکم مابین عوامل متعدد و موثر در وقوع یک پدیده را طی یک روابط منطقی ریاضی بیان کنند. این روشها نظم و ارتباط پنهان موجود در درون این داده های به ظاهر نامنظم را کشف کرده و بر این اساس ، روند آینده وقوع پدیده را ترسیم میکنند ، و بدین طریق امکان برنامه ریزی را برای تصمیم گیران فراهم می نمایند.

از جمله این روشها می توان به منطق فازی ، الگوریتم ژنتیک ، شبکه عصب مصنوعی و ... اشاره نمود که تحت عنوان هوش مصنوعی (Artificial Intelligence) دسته بندی می گردد.

این مقاله در نظر دارد که ویژگیهای ساختمانی و بکارگیری (ANN) را برای مدیریت بحران آب (سیل ، خشکسالی ) معرفی نماید.

ویژگیهای شبکه عصبی مصنوعی:

شبکه های عصبی مصنوعی (Arteficial Neural Networks) که به اختصار (ANNs) نامیده می شوند در واقع یک ابزار ریاضی قدرتمندی هستند که با تقلید ساده از سیستم عصبی بیولوژیک ساخته شده اند. قدرت انعطاف و تصحیح پذیری بالایی در انطباق خود با داده های موجود را دارند. بطوریکه می توان مجهز به سازماندهی شود که نظم و هماهنگی موجود در داخل این داده ها را پیدا نمود و بر اساس یک سری شواهد (بردارهای ورودی ) وقوع و بزرگ یک پدیده ای را پیش بینی نماید مهمترین موضوع در مورد این مدلها انتخاب ورودیهای مناسب به مدل برای رسیدن به آن ویژگی مطلوب برای اخذ خروجیهای مورد نظر است . علاوه بر ان معماری ساختمان (ANN) و نحوه انتخاب ارتباط بین نرونها و وزنی که هر نرون به خود اختصاص خواهد داد ، از اهمیت والائی برخوردار است . در حال حاضر تحقیقات زیادی در خصوص این مدل ریاضی و نحوه معماری آن در حال انجام است تا بتواند به سؤالات چندی از قبیل :

ـ باید از چند لایه تشکیل شده باشد.

ـ باید به تعداد چند گروه (نرون ) در هر لایه باشد.

ـ آیا لایه ها باید کاملاً با همدیگر مرتبط باشندو یا لازم نیست .

ـ چه روشی برای آموزش شبکه باید به کار گرفته شود.

ـ برای یک روش آموزش شبکه ، پارامترها (وزنها) باید چگونه توزیع شوند.

به هر حال با توجه به نیاز برای انجام تحقیقات در خصوص تکامل این مدل ، در حال حاضر اشکال مختلفی از آن در امور مربوط به آبخیزداری از قبیل بررسی روابط بارندگی و رواناب در یک حوزه آبخیز ، هیدروگراف (آبنمود ) سیل و ... کاربرد دارد . آنچه که بر اهمیت موضوع می افزاید وجود روابط غیر خطی مابین عوامل مؤثر بر پدیده های مختلف هیدرولوژیکی بوده و مدل (ANN) دارای توانایی لازم برای تطابق خود با این روابط غیر خطی است ، بیان دیگر آنکه منظور ساختن مدلی غیر خطی انکه منظور از ساختن مدلی غیر خطی با ویژگهای قابل انعطاف و امکان پذیر اموزشی وقایع گذشته به مدل می باشد تا بر اساس این اموزشها توانایی بازساز رفتار سیستم را برای ورودیهای جدید داشته باشد . ایده استفاده از این مدل (ANN) ان است که تمام اطلاعات مهم در داخل دادهها پنهان بوده و بوسیله این روشمی توان به ان روابط پنهان بین داد هها پی برد . این مدل در واقع یک جعبه سیاه (black box) .و در بهترین حالت یک جعبه خاکستری (gery box) است که بدون اگاهی و یا با اگاهی کم از فرایند های درونی سیستم ورودیها را به خروجیها (یا خروجی ) تبدیل می نماید . این وضعیت در واقع مشابهت این مدل را با روابط همبستگی (رگراسیونی ) می رساند با این تفاوت که قابلیت انعطاف مدل ANN در تنظیم وزنها ( Weights) بیشتر بوده و لذا به عنوان جایگزین برای رگراسیونهای چند متغیر استفاده می شود .

هر چند که تا کنون کاربرد این مدل در هیدرولوژی عمدتا برای بازسازی خروجی ( هیدروگراف ) با فواصل زمانی محدود ( چند ساعت ) وده ات تا اینکه یک تداوم جریان رابرای مدت طولانی شبیه سازی نماید . شبکه های عصبی مصنوعی به سرعت جای خود را در تحقیقات هوش مصنوعی بازنموده و به عنوان یک مدل مناسب برای جلوگیری به مسائل مبهم پیچیده ( Chaitic) بخصوص انهایی که به سادگی با روابط ریاضی ساده قبل بیان نیستند باز نموده است . استفاده از روش شبکه مصنوعی در پیش بینی سیلابها یا دوره های بازگشت متفاوت نسبت به روشهای سنت و روابط رگرسیونی چند متغیره با استفاده از معیار سنجش مجموع مایعات (Rss) باقیمانده از توانایی بیشتری برخوردار است .

البته این روس با مشکلاتی از قبیل افزایش بی دلیل وزنها طولانی بودن محاسبات و انتخاب درست ساختمن مدل روبرو می اشد با پیشرفت تحقیقات و فن اوری رایانه ا و استفاده از الگوریتمهای مناسب امکان حل مشکلات مذکور وجود دارد .

ساختمان شبکه عصب مصنوعی و اموزش ان

شبکه عصب مصنوعی تقلیدی بسیار ساده از سیستم عصبی بولوژیکی و مغز انسان است . این تقلید بر اساس یک پیکربندی ریای می باشد بطوریکه متشکل از چندین لایه وهمچنین چندین نرون (گره ) در هر لایه است .

هر نرون متشکل از دو جز شامل یک ورودی و جز دیگر وزن یا پارامتر است که مقدار ان حداکثر یک و حداقل صفر است . ورود این دو جز به داخل نرون با هم جمع شده و نتیجه بصورت یک ورودی به تمام نرونهای لایه بعدی منتقل می شود .

در این شکل کمیتهای a,p به ترتیب ورودی و خروجی مب شاند . میزان تاثیر p روی a بوسیله مقدار کمیت w تعیین می شود ورودی دیگر یک مقدار ثابت 1 است در جمله بایاس b ضرب شده و سپس با wp جمع می شود . این حاصل جمع ورودی خالص n برای تابع محرک f خواهد بود . بدین ترتیب خر جی نرون با معادله زیر تعریف می شود :

A = f(wp+b)

باید توجه داست که پارامترهای b , w قابل تنظیم هستند و تابع محرک f نیز توسط محرک f نیز توسط طراح انتخاب می شود . بر اساس انتخاب نوع f و نوع الگوریتم یادگیر پارامترهای b,w تنظیم می شوند . یادگیری بدین معنی است که b,w طوری تغییر می کنند تا رابطه ورودی و خروجی نرون با هدف خاصی مطابقت نماید . برایند این پروسه ها در لایه خروجی به صورت یک یا چند جواب (بردار خروجی ) به بردار ورودیها می باشد ( منهاج 1377 ) ارتباط لایه ها با همدیگر می تواند به صورت خطی و یا بصورت منحن ( عموما سیگموند ) بیا نی می شود . ساختمن شبکه ها ی عصب مصنوعی که در بح هیدرولوژی بویژه رابطه بارندگی رواناب مورد استفاده قرار می گیرد متشکل از سه لایه شامل ( لایه ورودی ( input layer) لاه میانی (hidden leyer) و لایه خروجی (out put layer) است . منتها این مدلهای شبکه عصب مصنوعی بسته ه موضوع هیدرولوژیک مورد بررسی در تعداد نرونها در هر لایه با همدیگر متفاوت بوده و همچنین نحوه انتقال محاسبات از لایه ای به لایه دیگر (transformation) نیز ممکن است بصورت یکسان و یا غیر یکسان صورت گیرد .

بر اساس کل ساده شماره 3 فرمول ریاضی یک شبکه عصب مصنوعی سه ایه که شامل یک لایه ورودی با nنرون ( گروه ) یک لایه میانی ( مخفی ) با n نرون و یک نروم در لایه خروجی به شکل زیر می باشد :

مقدار تواع خروجی از شبکه عصبی مصنوعی y

توبع فعال کننده s1 , s

وزنهای ارتباطی لایه های Wi

مقادیر ورودی به شکل Xi

توابع فعال کننده مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد که معمولیترین نوع ان سیگموئید و بصورت زیر است :

بحث ، ضرورتهای بکارگری در مدیریت بحران اب ( سیل ( خشکسالی )

همچنانکه ذکر شد پیش بین هر واقعه ای ااس مدیرت بحران ان را تشکل می دهد . ان امکن زمانی حاصیل می شود که مدلهای مناسبی را سازگار با مقدورات و داده های قابل حصول در اختیار داشت و متاسفانه بلایای طبیعی حاصل از جمله سیل و خشکسال پدیده هایی هستند که تحلیل انها بر اساس روابط فیزکی اکان پذیر نبوده و از پیچیدگی زیادی برخوردار هستند . دلایل این خصیصه بطور اجمال عبارتند از :

- روابط بارندگی و رواناب رابطه غیر خطی non liner است و عموما این روابط از نظر ر وابط کمی فیزیک ناشناخته است .

- عوامل موثر بر بزرگی واقعه در صورت معین شناخته شده نیست .

- داده های معین مورد نیاز زیاد است و جمع اوری انها پرهزینه و شاید برای تعدادی غیر ممکن باشد . لذا هر چند که تحلیلهای فیزیکی کاملا پذیرفته شده و بهترین حالت می باشد ولی به دلایل فوق الذکر و رعایت سادگی موضوع در مقام قیاس بایستی این نوع پدیده ها را با استفاده از مدلهای مناسب به صورت جعبه سیاه نگریست . سوالی که با قبول این امر پیش می اید این است که چه نوع مدلی می تواند مناسب باشد بطور معادله مثال ساده ترین شکل موجود رابطه بین سطح حوزه و ابخیز و دبی حداکثر لحظه ای (سیلاب ) بصورت معادله ریاضی بر مبنای مدل مفهوی فله ای 8 و 1 عبارت است از :

Q= mAn

Q = دبی حداکثر لحظه ای

A = مساحت حوزه ابخیز

M = ضربه

N =ضریب کمتر از یک

بطوری که کلیه عوامل ناشناخته در داخل (m,n) لحاظ می شوند مناسبترین روش پیدا کردن انها روش همبستگی چند متغیره است . اما رسیدن به مدل مذکور نیز نیاز به سری داده های زمانی واقعی طولانی مدت دارد . در کشور ما اکثر حوزه های ابخیز فاقد داده های کافی هستند . روشهای جدیدی که برای غلبه بر نبود سریهای زمانی دراز مدت و تکیه بر فنون نرم افزار و سخت افزار کامپیوتری موجود قابل دسترسی است روشهای هوش مصنوعی و از جمله روش (ANN) است . در صورت طراحی مدل درست مدل مزبور شامل :

- نوع ورودیهای مناسب و موثر

- تعداد لایه های درونی

- نوع رابطه لایه ها با همدیگر (خطی و غیر خطی )

- روشهای مناسب اموزش شبکه

- تعداد گره (نرون) در هر لایه

می توان وزنهایی را برای گره ها قائل شد که در یک عملکرد متقابال و مرتبط با هم ( عملکرد سیستم به عنوان متغیرهای خروجی و داده هایی شامل ویژگیهای فیزیکی حوزه ابخیز و بارندگی به عنون متغیرهای ورودی ) حقیقت و روابط نهفته در بین ورودیها و خروجیها را در وزنها لحاظ کرده و جواب لازم برای یک متغیر ورودی جدید پیدا نمود . به ویژه براورد بزرگی یک سیلاب برای یک دوره برگشت مورد نظر برای حوزه های فاقد داده های هیدرومتری می توان بر اساس تحلیل منطقه ای سیلاب از این روش بهره مند گردد . چرا که روش سنتی تحلیل منطقه ای سیلاب که بر اساس روش MEAN ANNUAL FLOOD PLUS GROWTH CURVE METHOD انجام می گیرد از نارساییهای چندی به ویژه در ارتباط با براورد میانگین دبی سیلاب برخوردار است . ضمنان استفاده از این مدل شبیه سازی در سیتمهای هشدار سیل نیز از نتایج خوبی برخوردار است .

نتیجه گیری

بر اساس تحقیقات موجود استفاده از روش شبکه مصنوعی در مدل سازی رفتاری پدیده های نادر دارای اجهیت نسبت به روشهای سنتی می باشد . لازم ایت در کشور ما تحقیقات بیشتری در خصوص پیدا کردن ساختمانی مناسب برای انها اقدام نمود . این مدلها باید از تواناییهای لازم برای سازگار ساختن خود با کمبود داده ها در کشور را داشته باشند .

مراجع

مرجع فارسی

1 – مهدوی ، محمد ، هیدرولوژی کاربردی ، انتشارات دانشگاه تهران ، جلدو دوم ، ص133 و 1-88 ،1378

2 – منهاج ، محمد باقر ، مبانی شبکه های عصبی ( هوش محاسباتی ) مرکز نشرپروفسور حسابی ، جلد اول ،ص17-49 ، 1377

معرفي مدلهايي در محاسبات مربوط به جمع آوري آبهاي سطحي

پيشرفت دنياي علم هيدرولوژي و ورود رايانه‌هاي ديجيتالي باعث شده است كه بسياري از مسائل پيچيده به صورت مدل طراحي شده و قابل محاسبه باشند. اولين مدل هيدرولوژيكي كه در آن اكثر فرآيندهاي بارندگي، تبخير، نفوذ، جريان‌هاي سطحي و زيرزميني تبخير و تعرق، لحاظ شده بود توسط دانشگاه استانفورد آمريكا ارائه شد. در حال حاضر معتبر ترين مدل در محاسبات مربوط به جمع‌آوري آبهاي سطحي در داخل شهر‌ها، مدل SWMM مي‌باشد كه توسط مؤسسه حفاظت محيط زيست آمريكا تهيه شده است. بدين منظور، در ذيل به معرفي چند مدل كه در آسان‌كردن محاسبات پيچيده هيدرولوژي مؤثرند مي‌پردازيم.

مدل SMADA كه مخفف Stormwater Management and Design Aid مي باشد در محيط windows تهيه شده و براي محاسبات هيدروگراف سيل از روي داده هاي فيزيكي حوضه آبريز ساخته شده است. اين برنامه توسط Wanielista & Eaglin در دانشگاه فلوريداي مركزي تهيه گرديده است.

مدل DISTRIB

برنامه Distrib كه مخفف كلمه Distributions مي باشد براي محاسبات مربوط به توزيع هاي فراواني وقوع در هيدرولوژي به روش هاي نرمال، لوگ –نرمال،پيرسون، لوگ-پيرسون، و گامبل تهيه شده است. اين مدل نيز توسط Wanielista and Eaglin در دانشگاه فلوريداي مركزي تهيه گرديده است.

مدل REGRESS

مدل رگرسيون (Regression) با نام Regress برنامه اي است كه در محيط ويندوز قابل اجراست و با آن مي توان محاسبات همبستگي بين پارامترهاي هيدرولوژي را به لحاظ آماري انجام داد.

مدلPLOAD

برنامه Pload كه مخفف Pollutant Load مي باشد براي محاسبه انتقال رسوب و مواد آلاينده در حوضه هاي آبريز نوشته شده است.

مدل OPSEW

مدل OPSEW براي محاسبات دبي طرح در مطالعات جمع آوري آبهاي سطحي در داخل شهرها تهيه گرديده است.

مدل TCCALC

برنامه فوق در محاسبه زمان تمركز به روش هاي مختلف مورد استفاده دارد. اين برنامه نيز در محيط ويندوز اجرا مي شود.

مدل HMS

مدل HMS كه يكي از توليدات HEC مي باشد(HEC-HMS) براي محيط هيدروگراف سيل ارائه شده و اين توانائي را دارد كه در محيط اطلاعات جغرافيايي (GIS) اطلاعات را تجزيه و تحليل نمايد. نسخه پيشرفته اين مدل تحت عنوان Gis-HMS در طراحي سيستم هاي هيدرولوژي بسيار كارآيي دارد.

يكي از محدوديت ها و شايد بتوان گفت عيب مدل هاي رايانه اي هيدرولوژي در اين است كه اين تصور را بوجود آورده اند كه نتيجه اي كه از يك مدل كامپيوتري حاصل مي شود صحيح و دقيق مي باشد. حال آن كه ممكن است در پاره اي موارد اين نتيجه گيري صحيح نباشد. البته بايد قبول كرد كه مدل و كامپيوتر در هيدرولوژي عصر جديدي را بوجود آورده اند و اگر داده هاي مورد نياز مدل ها به نحو صحيحي تهيه و به آن داده شود بهمان نسبت نتايج حاصله دقيق تر خواهد بود در غير اين صورت نتايج حاصله از مدل نيز مطلوب نخواهد بود و به اصطلاح از كوزه برون همان تراود كه در اوست (garbage in, garbage out ). با اين حال امروزه كمتر طرح مهم هيدرولوژيكي را مي توان در دنيا سراغ گرفت كه در آن به نحوي از كامپيوتر و يا مدل هاي كامپيوتري استفاده نشده باشد به طوري كه به جرأت مي توان گفت امروز هيدرولوژي در چهار واژه «انسان، مدل، روش و كامپيوتر» خلاصه مي شود. ولي هميشه بايد به اين نكته توجه داشت كه مدل نيز ساخته دست بشر است و مي تواند اشتباه باشد. لذا به دانشجويان و مهندسان توصيه مي شود كه سعي كنند مسائل هيدرولوژي را حتي يكبار هم كه شده است بجاي مدل با دست محاسبه كنند تا اولاً به محاسبات خود اطمينان پيدا كنند و ثانياً با زواياي كار آشنا شوند.

دانستن بدون خواستن، هرگز توانستن به بار نمي‌آورد «گوستاولوبون»

عوامل فرسایش

iaushydrology — Thu, 11 Jun 2009 17:07:50 GMT

عوامل فرسایش

نیما ساعد

شنبه ساعت ۹:۳۰ الی ۱۱:۳۰

فرسایش اساسا یک پدیده تسطیح یا هموارکننده سطح زمین است به این ترتیب که خاک و قلوه سنگ از راه حمل شدن، غلطیدن و یا شسته شدن تحت تاثیر نیروی ثقل از نقاط مرتفع به محلهای پست حرکت میکنند مهمترین عوامل سست کننده و یا خردکننده این مواد که لازمه حرکت آنهاست آب و باد می‌باشد.

باد: باد بخودی خود نمی‌تواند صخره‌ها را بفرساید ولی وقتی همراه خود ذرات معلق شن یا خاک را حمل می‌کند موجب ساییده شدن حتی سخت ترین صخره‌ها نیز می‌گردد. این عمل شبیه حرکت لا دور آهسته سنباده کشی است که به منظور تمیز کردن سطح فلزات قبل از رنگ کردن آنها مورد استفاده فرار می‌گیرد.

آب: آب به تنهایی مهمترین عامل فرسایش به حساب می‌آید. باران، جویبارها و رودخانه ها؛ همگی خاک را خراشیده و با خود حمل میکنند. و امواج سواحل دریاها و دریاچه‌ها را می‌فرسایند. در حقیقت می‌توان گفت هر زمان و بهر شکلی که آب در حال حرکت باشد موجب فرسایش سرحدات خود می‌گردد.

تغییرات درجه حرارت: وقتی که فرسایش زمین شناسی مورد نظر باشد گذشت زمان غیر قابل تشخیص است و تغییرات بسیار جزیی یا بسیار آهسته در مدت طولانی تدریجا اهمیت پیدا میکنند. به عنوان مثال می‌توان از ورقه ورقه شدن و شکاف برداشتن سنگها و صخره‌ها در اثر تغییر درجه حرارت نام برد. تغییرات سریع درجه حرارت روز و شب فقط روی سطح صخره‌ها اثر می‌گذارد در حالیکه تغییرات آرام بین زمستان و تابستان تا اعماق بیشتری نفوذ می‌کند. وقتی که تغییرات درجه حرارت با یخبندان نیز همراه باشد در اثر انبساط حجم آب در بین شکافها و درزها اثر خردکنندگی آن بشدت افزایش میبابد. بطوری که در شکل اول نشان داده شده‌است انقباض و انبساط توده یخ در روی سطح شیبدار موجب حرکت تدریجی آن به طرف پایین تپه می‌گردد.

موجودات زنده: بعضی از انواع حیات مانند جلبکها و گلسنگها عملا موجب شکسته شدن سنگها میشوند ولی اثر عمده موجودات زنده، ایجاد اختلالاتی است که اثر عوامل دیگر را سرعت می‌بخشد. حیوانات با پا گذاشتن بر روی سنگ و خاک موجب شکستن آنها شده و نتیجتا حمل آنها را بوسیه آب یا باد تسهیل میکنند. در انتهای دیگر شاخص موجودات زنده؛ کرم خاکی و موریانه موجب به هم خوردن و افزایش هوادیدگی و اکسیداسیون خاک شده و با این ترتیب پدیده تبدیل صخره‌های مقاوم به خاک قابل فرسوده شدن را سرعت میبخشند.

فرسایش تشدیدی فعالیتهای غیر کشاورزی بشر که موجب تشدید پدیده‌های فرسایش میشوند در مقیاس جهانی از اهمیت کمی برخورداند. ما کوهها را برای استخراج سنگ و سنگ آهن حفاری می‌کنیم، ما در یک جا زمین را گود کرده و در جای دیگر گودی را پر می‌کنیم ولی این دخالتها در قسمت بسیار کوچکی از سطح کره زمین انجام می‌گیرد. از طرف دیگرکشاورزی در چنان سطح وسیعی انجام می‌گیرد که فعالیتهایی از این قبیل بطور بسیار بارزی سرعت فرایندهای فرسایشی را تغییر میدهند و تقریبا تمام عملیات کشاورزی در جهت افزایش فرسایش عمل میکنند. هر زمان که پوشش گیاهی از روی زمین برداشته شده و زمین لخت شود؛ درخت کمتری وجود خواهد داشت که سرعت باد را کاهش می‌دهد و در نتیجه فرسایش بادی افزایش می‌یابد. گیاه کمتری وجود دارد که انرژی قطرات باران را جذب کند و نتیجتا فرسایش بارانی زیادتر خواهد شد، روان آب سطحی زیادتری جریان می‌یابد و نهرها و رودخانه‌ها قویتر میشوند و بالاخره حیوانات اهلی صخره و خاک را بیشتر خرد میکنند. انسان با شخم زدن زمین میلیونها بار سریعتر از حیوانات حفار موجب به هم خوردن و هوادیدگی خاک می‌گردد. با این اعمال در حقیقت تمام پدیده‌های فیزیکی طبیعت که فرسایش یکی از آنهاست تشدید میشوند. فقط حالتهای خیلی استثنایی و نادری وجود دارند که دخالت بشر احتمالا موجب کاهش فرسایش طبیعی می‌گردد مانند وقتی که صحراها احیا میشوند، نواحی خشک بوسیله آبیاری معتدل مگردند و یا جنگلها ایجاد میشوند که سطح کل آنها در مقایسه با سطحی که در آن فعالیتهای بشر موجب افزایش فرسایش می‌گردد بسیار ناچیز است.

حدود قابل قبول فرسایش بنابر آنچه گفته شد آیا می‌توان بین فرسایش طبیعی که یک پدیده طبیعی و قابل پذیرش است و فرسایش تشدیدی که یک پدیده مخرب و ساخته دست بشر است حد فاصلی تعیین کرد؟ و اگر کشیدن چنین خطی مشکل و یا غیرممکن باشد که هست آیا راه دیگری برای مشخص کردن حدود فرسایش قابل قبول وجود ندارد؟ بهتر است برای یافتن چنین راهی سوال بالا را به ترتیب دیگری مطرح شود؛" حد فرسایشی که ما در آن حد احساس می‌کنیم دیگر نبایستی فرسایش را تحمل کرد بلکه بایستی در مورد آن کاری انجام داد کجاست؟" معمولا به این سوال این طور جواب داده می‌شود که هدف متخصصین حفاظت خاک اطمینان از این امر است که از زمین به ترتیبی استفاده شود که این استفاده بتواند به طور نامحدود ادامه یابد. یعنی هیچ گونه تخریب تدریجی خاک صورت نپذیرد. این هدف زمانی تحقق می‌یابد که سرعت از دست رفتن خاک بیشتر از سرعت تشکیل آن نباشد. سرعت تشکیل خاک را نمی‌توان به دقت اندازه گیری کرد ولی بهترین تخمین خاکشناسان این است که در شرایط طبیعی، چیزی در حدود ۳۰۰ سال طول می‌کشد تا ۲۵ میلی متر خاک سطحی تشکیل شود(بنت ۱۹۳۹ فصل دوم). این مدت برای وقتی که به هم خوردگی، هوادیدگی و شستشوی خاک با عملیات تهیه زمین سرعت میگیرند به حدود ۳۰ سال تقلیل می‌یابد. سرعت تشکیل ۲۵ میلی متر خاک در ۳۰ سال تقریبا برابر است با ۵/۱۲ تن در هکتار در سال و این رقمی است که اغلب به عنوان حدی که فرسایش نبایستی از آن بیشتر شود پذیرفته شده‌است. البته واضح است که میزان قابل قبول خاک از دست رفته ثابت نبوده و به شرایط خاک بستگی دارد. اگر پروفیلی از یک خاک عمیق با حاصلخیزی یکسان در تمام سطوح تشکیل شده باشد از دست دادن ۲۵ میلی متر خاک در ۳۰ سال آنقدر خطر جدی در بر ندارد که از دست رفتن همین مقدار خاک از پروفیلی متشکل از چند سانتی متر خاک بر روی صخره‌های سخت. بدین ترتیب ارقامی که به عنوان حد قابل قبول فرسایش مورد استفاده قرار میگیرند به ندرت از ۵/۱۲ تن در هکتار در سال بالاترند. در آمریکا ارقام بین ۵/۲ تا ۵/۱۲ تن در هکتار در سال متداولند و در فدراسیون افریقای مرکزی رقم ۱۰ برای خاکهای شنی و ۵/۱۲ تن در هکتار در سال برای خاکهای رسی به کار می‌رود. این اعداد در فرمول جهانی فرسایش خاک(Universal Soil Loss Equation به اختصار USLE) به توصیه‌های عملیات کشاورزی ربط داده شده‌است.

انواع فرسایش

۱) فرسایش آبی اولین تقسیم بندی فرسایش آبی که بوسیله متخصصین پیشتاز حفاظت خاک انجام گرفت این پدیده را به مراحلی منطبق بر تجمع تدریجی رواناب سطحی تقسیم می‌کند که با فرسایش سطحیSheet Erosion (شسته شدن سطح خاک زراعی) شروع می‌شود، سپس با تجمع آب در جویبارهای کوچک وارد مرحله فرسایش شیاری Rill Erosion می‌گردد. بعد وقتی که آبراهه‌های فرسایش یافته بزرگتر شوند فرسایش خندقی Gully Erosion نامیده می‌شود و بالاخره فرسایش نوع آخر فرسایش کناره‌ای است که با بریده شدن سواحل رودخانه‌ها و یا جویها توسط آب جاری در آنها بوجود می‌آید. با آگاهی فعلی ما از فرسایش این تقسیم بندی دیگر مناسب نبوده و شاید هم گمراه کننده باشد چون کلا اثرات برخورد قطرات باران و عمل فرسایش پاشمانی Splash Erosion را حذف می‌کند. در صورتی که می‌دانیم عمل قطره باران در هنگام برخورد با زمین اولین و مهمترین مرحله پدیده فرسایش است. همچنین فرسایش سطحی که برداشته شدن یکنواخت خاک بوسیله یک لایه نازک آب در حال جریان را مجسم می‌کند از هر نظر غلط است. چون از یک طرف جریان لایه‌ای آب فقط در سرعتهایی بسیار بالاتر از سرعت معمولی آب در مزرعه قادر به خراشیدن سطح و ایجاد آب شکستگی است و از طرف دیگر رواناب بندرت می‌تواند به فرم ورقه پهن و یکنواخت در حرکت باشد. اگر توضیح مربوط به فرسایش سطحی را کنار گذاشته و به جای آن "فرسایش بارانی" را قرار دهیم دیگر مخالفتی با ادامه مراحل بعدی تقسیم بندی فوق یعنی فرسایشهای شیاری، خندقی و کناره‌ای نخواهد بود. فرسایش شیاری را می‌توان شسته شدن و حمل مواد از داخل آبراهه‌هایی با دیواره‌های مشخص و بدان حد کوچک که با شخم زدن معمولی از بین میروند تعریف کرد. این آبراهه‌ها وقتی خندق نامیده میشوند که به آن اندازه بزرگ و دایمی شده باشند که عبور وسایل شخم در جهت عمود بر آنها میسر نباشد. هیچ مرز مشخصی که این دو نوع فرسایش را از یکدیگر جدا سازد وجود ندارد. در نقاط مختلف دنیا خندقها به نامهای متفاوتی مشهورند و از آن جمله‌است: "وادی" در شمال آفریقا، "نولا" در هندوستان، "دونگا" در آفریقای جنوبی و " آریو" در آمریکای جنوبی.

اشکال خاص فرسایش آبی ـ فرسایش پاسنگیPedestal Erosion وقتی که قسمتی از یک خاک مستعد فرسایش بوسیله سنگ یا ریشه گیاه از فرسایش بارانی محافظت می‌شود؛ پاسنگهایی منفرد و مرتفع نسبت به زمینهای اطراف به وجود می‌آیند که در بالای آنها اجسام مقاوم قرار دارند. فرسایش زمینهای اطراف این پاسنگها بیشتر بوسیله باران انجام می‌گیرد تا جریانهای سطحی آب چون که در پایه پاسنگها هیچ گونه اثری از بریدگی بوسیله آب مشاهده نمی‌شود. این نوع فرسایش به آهستگی و طی سالها در قسمتهایی از مراتع که از گیاه پاک شده باشد به وجود می‌آید. در زمینهای زراعی که به وسیله رگبارشهای Rainstorm استثنایی شدیدا فرسایش یافته باشند نیز ممکن است پاسنگها به وجود آیند. اهمیت این پاسنگها در این است که با مطالعه ارتفاع آنها می‌توان بطور تقریبی عمق خاک از دست رفته را محاسبه کرد. تفکیک پاسنگها از سکوهای علفی حایز اهمیت است. زیرا این سکوها نیز معمولا داری سطح خاکی بالاتر از زمینهای اطراف خود هستند.این بلندی ممکن است نشان دهنده فرسودگی خاک بین دسته‌های علف بوده و سطح خاک در داخل آنها نمایانگر سطح اولیه خاک باشد. ولی این احتمال نیز وجود دارد که سطح خاک داخل دسته‌های علفی در نگهداری خاک پرتاب شده از زمینهای لخت اطراف آنها توسط برخورد قطرات باران بالا آمده باشد. در چند قطعه آزمایشی مشاهده گردید که سطح خاک در داخل دسته‌هایی از گیاه Eragrostits Curvula ۲۰ میلی متر از زمینهای اطراف بالاتر است. امکان داشت به آسانی فرض شود که این اختلاف ارتفاع نشانه‌ای از فرسایش شدید باشد. ولی در حقیقت اندازه گیریها نشان دادند که مقدار خاک از دست رفته کم و قابل اغماض بوده و اختلاف ارتفاع حاصله منحصرا نتیجه جابجایی جانبی خاک بوسیله برخورد قطرات باران بوده‌است. ـ فرسایش مخروطی فرسایشی است با شکل مشخص که مخروطهای بلندی در کناره‌های خندق به جا می‌گذارد. قسمت زیرین این مخروطها از خاکهای بشدت فرسایش پذیر تشکیل یافته‌است. این فرسایش همیشه با شیارهای عمیق در جهت عمود بر کناره‌های خندقها همراه است. این شیارها به سرعت دیواره خود را بریده و عریض میشوند تا به همدیگر برسند و مخروطهای مجزایی را بر جای بگذارند. معمولا در این نوع فرسایش نیز مانند فرسایش پاسنگی، لایه‌ای از خاک مقاوم به فرسایش و یا سنگ و سنگ ریزه قسمت بالای مخروطها را تشکیل می‌دهد. کناره‌هایی که به این ترتیب فرسایش می‌یابند معمولا به وسیله آب جاری و یا راکد به شدت از زیر بریده میشوند و فرسایش از نوع لوله‌ای نیز در چنین محلهایی فراوان دیده می‌شود. شرایط شیمیایی و فیزیکی خاک که موجب پیدایش چنین فرسایش شدیدی می‌گردد به وضوح مشخص نشده‌است. ولی معمولا این فرسایش در خاکهایی به وقوع می‌پیوندد که عدم تعادل شدید مانند زیادی سدیم و یا پراکندگی ذرات در آنها دیده می‌شود. تشخیص خاکهای مستعد این نوع فرسایش به این ترتیب است که در حالت خشک جذب آب در آنها بسیار بطئی است ولی در حالت اشباع هیچ گونه چسپندگی نداشته و مانند گل جاری است. کنترل خندقها و یا هر نوع دیگر احیای خاک وقتی که فرسایش مخروطی به چشم می‌خورد مشکل است. شرایط ناجور رطوبت و مواد غذایی خاک، ایجاد پوشش گیاهی را در این خاکها مشکل می‌کند. این خاکها برای ساختمانهای خاکی بسیار نامناسب بوده و ساختمانهای سیمانی و بتونی نیز سریعا از زیر خالی شده و یا کج میشوند.

آبراهه‌های زیرزمینی سوراخها یا آبراهه‌های زیرزمینی بیشتر در خاکهایی که مستعد فرسایش مخروطی هستند تشکیل میگردند. ولی کاملا محدود به این خاکها نمیگردند. وقوع آن زمانی است که آب سطحی به درون خاک نفوذ کرده و آنقدر پایین می‌رود تا به یک لایه دارای قابلیت نفوذ کمتر برخورد کند. اگر در چنین شرایطی که راه نفوذ عمودی آب بسته‌است آب به طور افقی از روی لایه با قابلیت نفوذ کم حرکت کند ممکن است در مسیر خود ذرات ریز خاک لایه متخلخل را شسته و از آن خارج نماید. این عمل خود باعث زیادتر شدن سرعت حرکت افقی آب گشته و باز فرسایش جانبی را اضافه می‌کند تا بالاخره تونلی ایجاد شود. بدین ترتیب تمام آب سطحی در یک سوراخ عمودی ناپدید شده و در زیرزمین جریان می‌یابد تا اینکه در جای دیگر و احتمالا از دیواره‌های جانبی یک خندق سر به در آورد. خوشبختانه این نوع فرسایش محدود است به زمینهای بدخیم یا زمینهایی که از نظر کشاورزی دارای اهمیت نیستند و گرنه هیچ گونه روش کنترل موثری برای آن نمی‌توان به کار برد.

فرونشینی Slumping فرونشینی معمولا پدیده‌ای از فرسایش طبیعی است که بروز آن بدون دخالت بشر امکانپذیر است. ولی امکان تشدید آن بوسیله بشر مثلا در کناره‌های خندقها وجود دارد. این پدیده مشخصا در مناطقی که دارای بارندگی زیاد و خاک عمیق هستند به چشم می‌خورد و در چنین شرایطی به مهمترین عامل بوجود آمدن خندقها تبدیل می‌شود. این عمل در جاهایی که دهانه خندق تا مرتفعترین نقطه و حتی بعد از آن عقب نشینی کرده و هیچ گونه جریان آبی به داخل خندق در محل دهانه نمی‌تواند صورت گیرد بروز می‌کند. این خندقها اغلب با یک جریان سیلابی در داخل آبراهه‌ها شروع میشوند ولی به مجرد اینکه خندقها ایجاد شدند فرسایش می‌تواند به وسیله فرونشینی تنها ادامه یابد. از راههای دیگر پیدایش این پدیده نشست دیواره‌های رودخانه‌ها و فرسایش ساحلی را می‌توان نام برد.

کاهش کیفیت خاک اگر فرسایش خاک را به معنای اعم آن تعریف کنیم شامل هر گونه تنزل یا کاهش قدرت محصول دهی خاک نیز می‌شود. یک چنین تنزلی می‌تواند به چندین طریق صورت پذیرد بدون اینکه خاکی از دست رفته باشد.

فرسایش حاصلخیزی این فرسایش که همان از دست رفتن مواد غذایی گیاهی به وسیله فرسایش است از نظر کیفیت می‌تواند با میزان برداشت این مواد به وسیله گیاهان زراعی برابری کند. نحوه از دست رفتن مواد غذایی برای عناصر مختلف متفاوت است. فسفر معمولا همراه با ذرات کلوئیدی که بر روی آنها جذب شده‌است، از دست می‌رود ولی ازت به فرمهای نیتریت و نیترات که در آب محلول هستند می‌تواند در رواناب حل شده و از زمین خارج گردد بدون اینکه هیچ گونه حرکتی فیزیکی خاک صورت گرفته باشد.

فرسایش پادلPuddle Erosion این فرسایش نیز یک تخریب فیزیکی است که در آن خاکی از دست داده نمی‌شود. این فرسایش متلاشی شدن ساختمان خاک به وسیله برخورد قطرات باران و شسته شدن ذرات ریز به داخل فرورفتیگیهاست که منجر به ایجاد یک خاک بدون ساختمان با سطح فشرده و قدرت محصول دهی کاهش یافته می‌شود. شکل زیر نمونه‌ای از فرسایش پادل را نشان می‌دهد.

فرسایش عمودی نوع دیگر جابجایی فیزیکی، شسته شدن ذرات ریز رس از داخل شن و سنگ ریزه متخلخل به طرف پایین و تجمع آن در لایه‌های زیرین نیم رخ خاک که دارای تخلخل کمتری است می‌باشد. این عمل دو اثر می‌تواند داشته باشد که یکی از دست رفتن مواد ریز در یک نقطه و دیگری افزایش این مواد در نقطه دیگر است. در خاکهای شنی کاهش قابل ملاحظه در میزان مواد کلوئیدی و رسی که در اثر فرسایش عمودی ممکن صورت پذیرد موجب کاهش حاصلخیزی این خاکها می‌گردد. اثر دوم یعنی تجمع مواد ریز کلوئیدی نیز می‌تواند نامطلوب باشد و آن زمانی است که تجمع این مواد لایه‌ای با نفوذ پذیری کم برای ریشه گیاه و آب ایجاد می‌کند.

۲) فرسایش بادی: پنج نوع مختلف فرسایش بادی را می‌توان مشخص کرد که بین برخی از آنها فصول مشترکی وجود دارد و در غالب موارد تعدادی از آنها همزمان با هم به وقوع می‌پیوندند. نوع اول دیتروژن Detrusion نامیده می‌شود همان ساییده شدن صخره‌ها و تپه‌های خاکی به وسیله ذرات معلق در باد است. تراشیده شدن صخره‌های بزرگ به اشکال عجیب و غریب که اغلب در صحراها مشاهده میشوند به وسیله همین پدیده صورت گرفته‌است. مشابه همین عمل در نزدیکی‌های سطح زمین به وسیله ذرات درشت جهنده نیز صورت می‌گیرد که به آن سایش Abrasion اطلاق می‌شود. سه نوع دیگر فرسایش بادی مربوط هستند به طرق مختلفی که مواد حمل میشوند. حمل مواد بسیار ریز به صورت معلق در هوا صورت می‌گیرد و تعلیق Afflation نامیده می‌شود. ذرات درشت با غلتیدن Extrusion و ذرات با اندازه متوسط در جهت باد به طریق جهشی Saltation حرکت میکنند.

اهمیت نسبی انواع فرسایش سوالی که اغلب مطرح می‌شود این است که کدامیک از انواع فرسایش خطرناکترین آنهاست. جواب به این سوال موقعی حایز اهمیت است که یک برنامه حفاظت خاک از منابع محدود و ناکافی جهت مواجه با کل مسئله فرسایش برخوردار باشد و در نتیجه این منابع محدود بایستی برای قسمتهای انتخاب شده‌ای مورد استفاده قرار گیرند. بهرحال برای این سوال یک جواب معین وجود ندارد و جواب بسته به اینکه چرا و به چه دلیل به مهار فرسایش نیاز هست تغییر می‌کند. چنانچه تولید گیاهان زراعی به وسیله فرسایش به خطر افتاده‌است در این صورت فرسایش بارانی و شیاری روی زمینهای زراعی مهمترین فرسایش است. در صورتی که رسوبات حمل شده بوسیله جویبارها و رودخانه‌ها، دریاچه‌های پشت سدها را که برای شبکه‌های آبیاری ضروری هستند با خطر پر شدن روبرو ساخته‌است مهمترین منبع چنین رسوباتی احتمالا فرسایش از نوع خندقی یا کناره‌ای است. این بدان جهت است که خاک فرسایش یافته به وسیله این دو نوع فرسایش تماما و بلافاصله وارد جریانهای جویباره‌ای می‌گردد. جریانهای دیگر نظیر رواناب سطحی نیز ممکن است مقادیر هنگفتی خاک از زمین زراعی خارج کند. اما به احتمال زیاد این خاک قبل از رسیدن به جریانهای جویباره‌ای به وسیله پوشش گیاهی متوقف شده و یا در گودالها وحفره‌ها رسوب می‌نماید. اهمیت نسبی انواع مختلف فرسایش و تعیین تقدم کنترل هر یک احتیاج به بررسی و تحلیل مسئله و همچنین اهداف برنامه حفاظتی دارد.

مراحل مختلف پدیده فرسایش زمانی که بخواهیم مقاومت نسبی انواع مختلف خاک را نسبت به فرسایش مورد بررسی قرار دهیم؛ وضعیتی شبیه آنچه در بالا گفته شد پیش می‌آید. در اینجا جوابهای صحیح بر حسب اینکه نسبت به چه نوع فرسایشی این مقاومت سنجیده می‌شود متفاوت است. یک خاک ممکن است فرسایش کناره‌ای و برش از زیر آسیب پذیر باشد. این موضوع را می‌توان به بهترین وجهی با در نظر گرفتن تقسیم بندی پدیده فرسایش که ۳۰ سال قبل توسط الیسون انجام گرفت توضیح داد. در این تقسیم بندی سه مرحله اساسی "جدا شدن ذرات از همدیگر"(Detachment)، "نقل مکان" (Transportation) و "رسوبگذاری" (Deposition) برای فرسایش مشخص شده‌است. الیسون با بررسیهای آزمایشگاهی نشان داد که خاکهای مختلف عکس العملهای متفاوتی در هر یک از مراحل فوق از خود نشان میدهند. برای مثال ذرات خاکی با بافت شنی بسیار آسانتر از ذرات یک خاک رسی از هم جدا میشوند. ولی ذرات رس پس از جداشدن خیلی آسانتر از ذرات شن حمل میگردند. بنابراین برای دانستن درجه سهولت جابجایی یا میزان فرسایش پذیری هر خاک، حتما لازم است ماهیت فرسایش تعریف و مشخص گردد.

محاسبه میزان فرسایش ـ تخمینهای عددی از ضروریات اساسی هر علم یکی توانایی آن علم در توصیف و اندازه گیری علل و اثرات فرایندهای طبیعی مربوط به موضوع علم است و دیگری توانایی پیشبینی اینکه در یک شرایط معین در آینده چه اتفاقی خواهد افتاد. از ضروریات فوق در مورد علم حفاظت خاک فقط اندازه گیری اثرات فرسایش آسان است که آن هم از زمان "وولنی"(۱۸۸۰) تاکنون به کمک اندازه گیری وزن خاک فرسایش یافته انجام می‌گرفته‌است. کوشش جهت برای پیشبینی فرسایش خیلی دیرتر و با کارهای اداره حفاظت خاک آمریکا در دهه ۱۹۴۰ آغاز گردید ویکی از اولین بررسیها در این زمینه، کار ماسگریو در سال ۱۹۴۷ به نام " بررسی کمی عوامل موثر در فرسایش آبی ـ اولین تقریب" است. عدم وجود عامل سوم یعنی "تشخیص و اندازه گیری علل" از پیشرفتهای علم حفاظت خاک جلوگیری می‌کرد. بعد از موفقیت غیر منتظره الیسون در مورد فرسایش بارانی، مطالعات روی روابط علت و معلولی فرسایش موجب پیشرفت تدریجی در شبیه سازی ریاضی گردید که امکان پیشبینی فرسایش از روی داده‌های معین را فراهم می‌آورد. آخرین و موثرترین این مدلها به نام " رابطه جهانی از دست رفتن خاک" است. این رابطه تمام عوامل متغیری که روی فرسایش بارانی اثر میگذارند را با عبارات ریاضی در یک جا جمع می‌کند. در اینجا با یک بیان ساده کیفی، مسایل فرسایش و کنترل آنها را مطرح می‌کنیم. ـ بیان کیفی اصول علت اساسی فرسایش آبی را می‌توان اعمالی دانست که باران بر روی خاک انجام می‌دهد و مطالعه فرسایش را می‌توان به دو قسمت کرد. یکی اینکه چطور فرسایش تحت تاثیر انواع مختلف باران قرار می‌گیرد و دیگر اینکه شرایط متفاوت خاک آنرا چگونه تغییر می‌دهد. میزان فرسایش به این ترتیب به ترکیبی از قدرت باران در ایجاد فرسایش و توانایی خاک در تحمل باران بستگی دارد. به عبارت ریاضی، فرسایش تابعی است از فرسایندگی Erosivity(باران) و فرسایش پذیریErodability (خاک) یا (فرسایش پذیری) (فرسایندگی) F = فرسایش فرسایندگی را می‌توان توانایی بالقوه باران در ایجاد فرسایش تعریف کرد که در یک شرایط معین خاک برای رگبارشهای مختلف قابل مقایسه کمی است وبرای آن می‌توان مقدار عددی به وجود آورد. فرسایش پذیری را می‌توان آسیب پذیری خاک نسبت به فرسایش تعریف کرد که برای شرایط معین باران این خاصیت خاک را می‌توان با خاک دیگر مقایسه کرد و باز امکان پیداکردن مقدار عددی برای فرسایش پذیری وجود دارد. فرسایش پذیری خاک را می‌توان به دو قسمت کرد. اول آن فرسایش پذیری که مربوط به خصوصیات اصلی و ذاتی خاک مثل ترکیبات شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی آن بوده که قابل اندازه گیری در آزمایشگاه می‌باشد. دوم آن فرسایش پذیری است که به طرز رفتار با خاک یا مدیریت مربوط می‌شود. این مدیریت به نوبه خود به دو قسمت مدیریت اراضی و مدیریت زراعی تقسیم می‌گردد. موضوعات وسیعی که می‌توان آنها را تحت نام مدیریت اراضی جمع آوری کرده و در یک گروه قرار داد عبارتند از انواع مختلف استفاده از زمین، جنگلداری، مرتعداری، استفاده کشاورزی و غیره. جزء دیگر مدیریت خیلی مفصلتر بوده و برای زمینهای زراعی شامل نوع گیاه، کود مصرف شده، برداشت و غیره نیز می‌گردد. اینها جمعا مدیریت کش و زرع را تشکیل میدهند. بعضی از عملیات حفاظتی مدیریت مانند شخم روی خطوط تراز یا تراس بندی موضوعاتی هستند که در مرز بین مدیریت اراضی و مدیریت کشت و زرع قرار دارند. در شکل زیر، روش تقسیم بندی فوق به صورت نمودار نشان داده شده‌است که با فرسایندگی باران و فرسایش پذیری خاک آغاز شده و به ارتباط دادن تمام عوامل موثر در فرسایش که در فرمول جهانی فرسایش خاک به کار رفته‌اند منتهی می‌گردد. فرسایش تابعی است از: ـ فرسایندگی و فرسایش پذیری ـ باران خصوصیات فیزیکی مدیریت ـ انرژی مدیریت اراضی مدیریت زراعی.

روش هاي فراهم كردن آب شيرين

iaushydrology — Tue, 09 Jun 2009 00:57:00 GMT

روش هاي فراهم كردن آب شيرين

گرد آوری و ترجمه

اشکان رضایی

دانشجوی کارشناسی عمران دانشگاه آزاد اسلامی واحد سنندج

iaushydrology.blogfa.com

شنبه 9:30 تا 11:30

مديريت بحران آب:
با افزايش سرسام آور جمعيت انسان و جهان رو به توسعه، تقاضا براي مصرف آب به طور چشمگيري افزايش يافته است. جداول ميزان آب در همه قاره ها و در بسياري از نواحي سقوط كرده، كمبود آب در بعضي مناطق سبب پيدايش قحطي و مشكلات غذايي شده و آلودگي آبها نيز به اين مشكلات افزوده است. هم اكنون بحران آب، يكي از پنج موضوع اساسي مذاكرات كشور‌ها مي‌باشد. به گزارش بانك جهاني، هنوز بيش از يك ميليارد نفر در دنيا، قادر به استفاده از آب سالم نيستند و همه ساله حدود 3 ميليون نفر به خاطر آب آلوده از بين مي روند.
ايجاد سدها، كشاورزي و حيات وحش منطقه را به خطر مي اندازد. انحراف آب رود خانه ها، باعث ايجاد كشمكش بين همسايه ها مي‌شود. هم اكنون مصر كه بيشتر آب مصرفي خود را از " نيل" تامين مي‌كند، با اتيوپي كه سرچشمه هاي نيل را در اختيار دارد، درگير است. سد هايي كه در تركيه بر رود‌خانه هاي فرات و دجله زده شده است، آب كشور‌هاي سوريه و عراق را به شدت كاهش مي‌دهد. منطقه خشك خاور ميانه در جستجوي آب است. بسياري از كارشناسان معتقدند كه جنگ ديگري در اين منطقه رخ خواهد داد. اما اين‌بار نه براي نفت بلكه بر سر آب: منبعي كه جايگزيني ندارد.

اكنون تعارض نگران كننده‌اي ميان هر دو نقش آب پديد آمده است: آب به عنوان يك كالا و آب به عنوان عنصري تعيين كننده در حمايت از زندگي و بقاي همه انواع موجودات. اين نقش دوگانه،‌ به رويكردي زنده و تازه نياز دارد. رويكردي كه براي وظايف حياتي اين عنصر گرانبها، ارزش و احترام عظيمي قائل باشد.

روش هاي فراهم كردن آب شيرين:

چگونگي پيدايش ابرها؛ امكان ايجاد باران مصنوعي:
انسان از زمان هاي قديم در جستجوي آب و امكان دستيابي به باران بوده است. از باران سازهاي قبيله‌هاي دور دست تا تكنولوژي‌قرار دادن هسته هاي مصنوعي در ابرها به منظور جذب و جمع آوري رطوبت. با چندين روش ايجاد باران يا آب شيرين، آشنا شويد:

تركيبات خوشه اي؛ دسته جديدي از مواد: از زماني كه جان دالتون تئوري اتمي را مطرح كرد، مطالعه رفتار ماده به دو شاخه تقسيم شده است: يك شاخه به بررسي خواص انفرادي اتمها و ملكولها مي‌پردازد و شاخه دوم بر روي خواص جمعي اتمها و ملكولها كه توده ماده را مي‌سازند، بحث مي‌كند. از سال 1970، مرز مستقل اين دو شاخه ازبين رفت و دسته جديدي از مواد معرفي شدند كه امروزه آنها را مواد خوشه‌اي_ Clusters مي‌ناميم. اين ذرات كه نه ماكروسكپي و نه ميكروسكپي هستند، نه تنها از لحاظ بررسي هاي علمي محض جالب توجه‌اند، بلكه كاربرد هاي زيادي هم در تكنولوژي دارند.( كاتاليزور‌ها،‌ ميكروالكترونيك، سراميك‌ها و...)

خوشه‌هاي يوني: خوشه‌هايي كه بار الكتريكي داشته باشند، خوشه يوني ناميده مي‌شوند. در شعله ها و فرآيند هاي تابشي( هر جا كه ماده در معرض يونش قرار گيرد) ايجاد مي گردند. اين تركيبات در اتمسفر بالايي و پاييني، حتي در فضا وجود دارند. يونهاي مختلف مثل OH- ، NH4+ ، Na+ و... مي‌توانند با ملكولهاي موجود در اتمسفر( H2O، CO2 ، N2O ، SO2 و...) واكنش دهند و خوشه‌هاي يوني را بوجود آورند.

هسته سازي و تشكيل ابرها: براي تجمع ذرات آب، تشكيل ابر و سپس باران، آئروسل ها، به ميان مي‌آيند. آئروسل ها، خوشه‌هاي بزرگ در سوسپانسون هاي گازي هستند. قطر آنها بين 0.001- 0.1 ميكرو متر است و غلظت آنها به طور طبيعي بين 104_ 106 ذره در سانتي متر مكعب مي‌باشد. بدون آنها هرگز ابر و باراني نخواهيم داشت. اين ذرات،‌ منجر به عمل " هسته‌سازي" مايعات در فاز بخار مي شوند. " هسته سازي همگون"، تشكيل خوشه هاي ريز از يك فاز جديد، درون فاز توده‌اي قديم اطلاق مي‌شود. در " هسته سازي ناهمگون" ، ذرات كوچك حل شونده يا مواد خارجي، آغاز كننده عمل تراكم هستند كه اين امر معمولا قبل از رسيدن به درجه فوق اشباع رخ مي‌دهد. آئروسل ها در اين نوع هسته سازي اهميت دارند و اين پديده اساس ايجاد باران‌هاي طبيعي و مصنوعي( بارور كردن ابر ها) است. توجه داشته باشيم كه همواره ممكن است اين آزمايشات، خطراتي را به‌دنبال داشته باشد؛ از جمله باران هاي شديد و غير قابل كنترل. بديهي است هر گونه دخالت در طبيعت،‌ بايستي با احتياط بسيار صورت پذيرد. در غير اين صورت، ما به زودي با مشكلات ديگري روبرو خواهيم بود.

پاشيدن آب دريا به داخل ابرها:

محققان جديدا بر روي روش جديدي براي توليد باران كار مي‌كنند. در اين روش، با كمك يك باد قوي، مقادير فراواني از آب دريا،‌ به سطح پاييني ابر،‌ اسپري مي شود. به اين ترتيب هم رطوبت ابر بيشتر مي‌شود و هم ذرات نمك،‌به عنوان "هسته" در جمع آوري رطوبت ، به تشكيل قطرات باران كمك مي‌كنند. عمل اسپري شدن نه با پمپ بلكه با كمك سانتريفوژ انجام مي‌شود و پاشندگي در ناحيه اي وسيع، به ارتفاع 10 متر انجام مي‌شود. پروفسور سالتر در اين زمينه مي گويد ماشين باران ساز وي، در 10 تا 20 كيلومتري نواحي ساحلي_ كوهستاني، نظير درياي سرخ يا خليج فارس كارگذاشته مي‌شود. سپس نياز به يك باد ساحلي است تا هواي پر از رطوبت را به سمت خشكي براند و به كوهها اجازه دهد تا اين رطوبت را جمع كند و ابر را تشكيل بدهد. در همين زمينه روسها بر روي دستگاهي كار مي كنند كه بتواند باد شديد را ايجاد كند،‌ اما اختلاف نظراتي در اين مورد وجود دارد.-----

استفاده از فشار اسمزي معكوس: پديده فشار اسمزي،‌ باعث نفوذ آب از غشا نيمه تراوا و از قسمت رقيق( آب شيرين) به قسمت غليظ ( آب شور) مي شود. اما در صورت اعمال فشار خارجي، فرآيند اسمزي معكوس مي‌شود و آب از قسمت غليظ به رقيق منتقل مي‌شود. ‌در حال حاضر در برخي از كشور ها نظير عربستان سعودي از اين روش به ميزان قابل ملاحظه اي براي تامين آب شيرين استفاده مي شود. ---

نمك زدايي از آب دريا: اين فرآيند كه با تقطير آب دريا امكان پذير است، ‌به دليل نياز به انرژي زياد، ‌مقرون به صرفه نيست. به علاوه، نمك باقيمانده حجم بسيار زيادي دارد كه امكان استفاده از آن( در اين حجم زياد) وجود ندارد. اگر بتوان از انرژي خورشيد در فرآيند تقطير استفاده كرد، ممكن است در آينده بتوان از اين روش در مقياس اقتصادي بهره مند شد.

برف
ابرها از قطرات ریز آب، بخار آب و ذرات بسیار کوچک گردو غبار درست شده‌اند که در هوا معلق هستند. اگر دمای ابر پایین بیاید، قطرات آب شروع به بلورینگی می‌کنند؛ بلورینگی یا کریستال شدن یعنی اینکه خودشان را با نظم خاص دور یک دانه گرد و غبار شکل می‌دهند و می‌چینند.
مولکول‌های آب به شکل یک شبکه 6 ضلعی منظم می‌شوند. آب به 14شکل شناخته شده منظم می‌شود اما این نوع خاص در دماهای بین صفر تا 100 درجه سانتی گراد پدید می‌آید؛ برای همین است که فقط در چیز سردی مثل برف پیدا می‌شود.
قطر دانه‌های برف بین 2/0 میلی‌متر تا 5 میلی‌متر است. دانه‌های خیلی ریز آن‌قدر سبكند که در هوا معلق می‌مانند و دانه‌های بزرگ آن‌قدر شکننده‌اند که با کوچک‌ترین نسیم، می‌شکنند.

چگونگی رشد برف
مولکول‌های آب در صفحاتی با کناره‌های کاملا صاف و زاویه 120 درجه با هم منظم می‌شوند. به این صفحه‌ها رویه می‌گوییم؛ رویه‌ها به این دلیل درست می‌شوند که همیشه برای مولکول‌ها آسان‌تر است که به یک سطح ناصاف بچسبند و بپیوندند تا به یک سطح صاف؛ برای همین اول کناره‌های ناصاف پر می‌شوند و بعد نوبت به کناره‌های صاف می‌رسد
این تقدم و تاخر در پیوستن به بلور، باعث پدیدآمدن شکل خاص 6 ضلعی آن می‌شود. با گذشت زمان، بلور دیگر نمی‌تواند این شکل کاملا منظم را حفظ کند و شروع به شاخه‌ای شدن می‌کند؛ یعنی بعضی قسمت‌ها مثل شاخه‌هایی بیشتر رشد می‌کنند اما به‌هرحال تقارن 6ضلعی مانند در دانه برف حفظ می‌شود.

چرا برف می‌آید
بارش برف وقتی آغاز می‌شود که 2 شرط خاص در ابر وجود داشته باشد؛ فوق سرد بودن و فوق اشباع بودن. شکل نهایی بلور برف نشان می‌دهد که چه ترکیبی از این شرایط وجود داشته است.
وقتی تعداد مولکول‌های آب موجود در هوا از مقدار حد رطوبت معمول بیشتر باشد، می‌گوییم هوا در حالت فوق اشباع است. هرچه دمای هوا بیشتر باشد، رطوبت بیشتری در خود نگه می‌دارد اما اگر هوایی را که صددرصد رطوبت نسبی دارد، ناگهان سرد کنیم، به حالت فوق اشباع می‌رسد که حالتی بسیار ناپایدار است. در اثر این کار، مولکول‌های آب اضافه یا به قطرات آب باران یا مستقیما به یخ تبدیل می‌شوند.

ذرات ميكروسكوپي گرد و غبار در هوا
مولكول‌هاي آب روي غبار متراكم مي‌شوند و به شكل 6 ضلعي به هم مي‌پيوندند
صفحه 6 ضلعي رشد كرده و تبديل به يك منشور مي‌شود. رويه‌هاي متفاوت آن بسته به شرايط با سرعت‌هاي متفاوت رشد مي‌كنند.
در گوشه‌ها، شاخه‌هايي پديد مي‌آيند و رشد مي‌كنند. اين شاخه‌ها سريع‌تر از بقيه بلور رشد مي‌كنند.
بلور برف دوباره به شرايطي مي‌رسد كه باعث سريع‌شدن رشد بدنه آن مي‌شود.
گوناگوني بسيار شرايط پيش‌آمده باعث پيچيدگي و تنوع شكل دانه‌هاي برف مي‌شود.

دو دانه برف مثل هم
آیا حقیقت دارد که هیچ 2 دانه برفی یکسان نیستند؟ بله، البته. خودتان فکر کنید. چه تعداد حالت و ترکیب از 2 شرط بالا ممکن است؟ در مورد یک دانه برف حدود 100 ویژگی قابل تغییر وجود دارد.
برای همین، 10 به توان 158 حالت برای ساختن یک دانه برف وجود دارد؛ بنابراین کاملا غیرممکن است که بتوانید دو دانه برف عین هم پیدا کنید.

تحقیق
با اين سيستم آبياري گياهان آشنا شويد: آبياري مناطق كشاورزي با استفاده از سيستم زير زميني. لوله ها از زير زمين آب لازم را به گياه مي‌رسانند. به اين ترتيب،‌ ريشه گياه آب لازم را جذب مي‌كند، بدون اينكه آب اضافي از طريق سطح در دماي زياد، تبخير شود.

شتاب دهنده سرن

iaushydrology — Wed, 03 Jun 2009 23:35:00 GMT

شتاب دهنده Cern چیست؟

فواد باباخانی سالار زارع

گروه ۱

Cern

Cernيك لابراتورار اروپايي براي ذرات فيزيك است. در اين لا براتوار بزرگترين وعميق ترين آزمايشات و تحقيقات از سال 1954 برروي ذرات فيزيكي انجام مي گرفته است. اين لابراتوار در بيست كشور دنيا عضو داشته و لابراتوار اصلي آن در مرز سوئيس و غرب ژنو قرار دارد.تعداد كشور هاي عضو تا سال 2004 حدودا 36 كشور بوده كه از چهار قاره اروپا آمريكا ،آسياو استراليا مي باشند.

شامل اتريش،بلغارستان،جمهوري چك،دانمارك،فرانسه، آلمان ،ايتاليا، اسپانيا،سوئد و... است.

كار cernتحقيق بر رويعلم واصول طبيعت مي باشد.مانند ماده چيست ؟ازكجا مي آيد؟ و مطالب پيچيده تر مانند ستارگان،سيارات،والبته انسان.

پروژه شتاب دهنده ذرات LHC(large hadron collider)

پروژه شتاب ذرات يكي از مهم ترين پروژه هاي مركز تحقيقات هسته اي پروژه شتاب ذرات يكي از مهم ترين پروژه هاي مركز تحقيقات هسته اي cern مي باشد كه با مديريتcernو مشاركت 37 كشور دنيا از جمله آمريكا روسيه ...وايران مجموعه تجهيزات آن ساخته شده است كه مسئوليت مهم ايران در اين پروژه عظيم12500تني220تن تجهيزات سيلندر هاfcsوميزهاي ساپورت كننده به نام hftable مي باشد.

شتاب دهنده چيست؟

LHCاحتياج دارد به يك ميدان مغناطيسي خيلي قوي كه بتواند اشعه هاي پروتوني را در يك محور نگه داشته كه اين كار تقريبا با نرخ 100%ساخته شده است.

آشكار ساز هاي كه برخورد هاي ذرهاي را در LHCمطالعه مي كند بزرگتر و پيچيده تر از هميشه خواهند بود آنها سريعتر هم هستند تا جايي كه مي توانند برخورد 800000000(800ميليون)ذره را در ثانيه اندازه بگيرند.

بيشتر آشكار ساز هاي فيزيك ذرهاي اطراف يك سيستم مغناطيسي ساخته شده اند براي اندازه گيري شتاب ذرات پرتاب شده در LHCاز يك سوئيچ مغناطيسي فوق العاده به طول 12متر وقطر داخلي 6 متر و قدرت ميدان 4 تسلا( 10 هزار برابر نيروي جاذبه زمين ) استفاده مي شود.

اين بزرگترين آهنربااي است كه تا به حال در جهان ساخته شده است.

FCS وHF TABLE

سيستم FCS يا The Forward Calorimeter Shieldigشامل دو نيم پوسته مي باشد. كه بالاي ميز نگه دارنده (HF)نصب مي شود اولين كار FCSمحافظت از محيط تششعات راديو اكتيو بوده و در درجه دوم كه در واقع مهمترين كار FCSاز لحاظ فني مي باشد ثابت نگه داشتن لبه گوه هاي Absorberمي باشد كه اين مهم از طريق فيكس شدن گوه ها به شعاع داخلي بخش مياني fcsبه نامCentral housingصورت گرفته و بوسيله پيچهايي كه بر روي شعاع آن و خارج از مركز تعبيه شده اند قابل تنظيم هستند.يك نيمه كامل FCSشامل سه قسمت زير مي باشد:

1)پوسته مركزي –Central housing

2)پوسته راست بيروني-right Outer Shielding

3)پوسته چپ بيروني-Outer Shielding left

پوسته هاي چپ و راست به وسيله پيچهايي به پوسته مر كزي وصل شده و مجموعا بر روي ميز hfقرار داده مي شوند.در جهت شعاعي و از داخل به بيرون هر fcsاز يك ورق بلا ضخامت 100 ميلي متر و بتون و پلي اتيلن قليايي تشكيل شده است.

در قسمت بيروني پوسته ورقهاي نازك جوشكاري شده اند كه باعث به وجود آمدن فضاي خالي جهت تزريق بتون مي شوند .

در جهت موازي با محور اصلي و نزديك به سطح بيروني در پوشي به نام پلاگ(plug)نصب مي شود كه ساختار كالريمترhfرا بر رويfcs كامل مي سازد.

مشخصات:cms

طول6/21 متر-قطر بيروني8/14متر-وزن12500تن

هر hfشامل يك جذب كننده قوي كه تقريبا از نيم ميليون فيبر نوري تشكيل شده است مي باشد.

اين جذب كننده تمام نوري را كه بوسيله گذر ذرات به وجود مي آيد رديابي مي كند

كاربد شتاب دهنده:

مهمترين موارد استفاده از كاركرد شتاب دهنده ها عبارت است از :

1)توليد انرژي

2)استفاده هاي دارويي و درماني

3)اندازه گيري ابعاد ستارگان و سيارات و اجرام آسماني

4)مشخص نمودن طول عمر اجسام طبيعي

1.توليد انرژي

جديد ترين طرح توليد انرژي در قرن 21 استفاده از شتاب ذرات فيزيكي مي باشد.

استفاده از ميدان الكتريكي ومغناطيسي براي شتاب دادن و كنترل ذرات بار دار الكتريكي تا مرز سرعت نور است.

اين سيستم ها قادر هستند سرعت الكترون ها و پروتو ن ها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتي ذرات تا اين حدود شتاب گرفتند سطح انرژي آنها چند ميليون برابر مي شود و داراي انرژي عظيم وفراواني مي شود.

در آزمايشگاه فومي در آمريكا قادر است ذرات پروتون را تا يك تريلون الكترون ولت شتاب دهد.

اگر ما به وسيله اين شتاب دهنده پروتون هاي يك گرم هيدروژن معمولي كه در آب زياد است را تزريق كنيم وشتاب دهيم انرژي پروتون ها برابر خواهخد شد با انرژي26ميليارد كيلو وات ساعت انرژي كه برابر شكافت 1200 كيلو گرم اورانيوم يا 15 ميليون بشكه نفت.

استفاده دارويي

از شتاب دهند ها به دو صورت دردرمان بيماري استفاده مي شود يكي به صورت تصويري يا انگارشي و دوم به صورت معالجه مدت دار.

يك نوع عيب يابي در مان اتمي اخيرا به ما اطلاعات ارزشمندي را رائه مي دهد چرا كه مواد راديو اكتيو از نوع خاص مي تواند مي توانند بدون خطر به داخل بدن بيمار تزريق شوند.و بر روي بافتها واعصابي كه فرمان داده شده اند اثر مي گذارند و سپس رديابي و آناليز اطلاعاتي راجع به عملكرد بدن ومتابوليسم آن به ما مي دهند.

درمان دراز مدت

اين نوع معالجه درماني در طول زمان جهت حدود نيمي از تمامي افراد سرطاني استفاده مي شود كه يك نوع جراحي بيو لوژيكي محسوب مي شوند پس از ورود به بدن بيمار سرطاني اين ذره فقط بر روي dnaاثر گذاشته وبا جداكردن يا بريدن dnaهاي مزاحم و عقيم كردن آنها مانع از تكثير سلولي مي شود.اشعه xو اشعه هاي الكتروني از يك شتاب دهنده خطي شبيه به نمونه هاي در cernاما در ابعاد كوچكتر توليد ميشوند.

تحقيقات از ويروس تا ستارگان:

اندازه گيري ابعاد وساختمان ويروسها واينكه چگونه و چه مدت زندگي مي كنند و يا اتفاقاتي كه در وسط ستارگان مي افتد.

همچنين به وسيله ذرات شتاب دهنده مي توان شهاب سنگ هارا يا اجرام آسماني سرگردان را كه كره زمين را در معرض خطر قرار مي دهند را نابود كرده وبه انرژي تبديل نمود و از انرژي به دست آمده استفاده نمود.

از شتاب دهنده مي توان در علوم زمين شناسي و شيمي استفاده كرد به عنوان مثال مشخص نمودن طول عمر اجسام روي كره زمين همانگونه كه مي دانيد تمام موجودات در كره زمين از كربن استفاده مي كنندونيز پس ميدهند.كربن ها به دو نوع12(داراي 6 نوترون و6پروتون)14(2 نوترون اضافه نسبت به كربن 12 مي باشد).

نصف عمر كربن 14 برابر 5730 سال است بدين ترتيب هر تعداد اتمهاي كربن14 اتمي را كه يك موجود زنده زندگي خود را با آن شروع مي كند پس از 5730 سال نيمي از آنها با قي مانده است. تا مادامي كه يك حيوان يا .. زنده است نسبت بين كربن 12 و14 هميشه ثابت باقي مي ماند

اما هنگامي كه مي ميرد تعداد كربنهاي 14 با آهنگ كندي كاهش مي يابد وتناسب كربنها بر هم مي خورد ،شتاب دهنده وزني اين تناسب را اندازه گيري كرده وبه ما مي فهماند كه موجود زنده در چه زماني در قيد حيات بوده است.

انواع شتاب دهنده ها:

1)شتاب دهنده خطي

2)شتاب دهنده مداري

3)شتاب دهنده سيلكووترون

ساخت و نگه داري آن كم هزينه وآسان است و در ضمن مي توان اين سيستم هاي مولد را در ابعاد و مقياس هاي مختلف ساخت.(ساخت يك شتاب دهنده خطي به طول100متر و ولتاژ1-ميليون ولت است قادر است انرژي معادل انرژي يك گيگا الكترون ولت توليد نمودكه معادل است با انرژي 26 ميليون كيلو وات ساعت است.)

اگر موفق شويم 50% ازانرژي اين شتاب دهنده استفاده كنيم شتاب دهنده قادر است معادل 20 هزار نيروگاه اتمي در مقياس نيروگاه اتمي هزار مگاواتي نيروگاه بوشهر توليد كند.وقادر است 20 ميليون مگا وات انرژي توليد كند.علاوه بر آن از حرارت و گرماي توليد شده مي توان براي بخار كردن آب دربا و توليد آب شيرين استفاده كرد.محاسبات نشان داده است كه اين سيستم قادر است در سال معادل بارندگي ساليانه كشور آب شيرين توليد كند بدون اينكه هوا را آلوده كند يا مشكلاتي از قبيل زباله هاي هسته اي يا پسمانده و آلودگي ايجاد كند.

سوخت مصرفي آن تنها چند گرم هيدروژن معمولي است.انرژي توليدي از يك دستگاه شتاب دهنده يك گيگا الكترون ولت است كه با انرژي 2500000 ليتر بنزين خواهد بود. بنابر اين اگر به مدت يك سال كار كند انرژي معادل500ميليارد بشكه نفت انرژي توليد مي كند.ارزش اقتصادي آن انرژي معادل 2 برابر ذخاير نفت عربستان سعودي است.

مزايا اين سيستم:

ميتوان در ابعاد واندازه هاي مختلف ساخت

نگهداري آن آسان است

هيچگونه ذ باله اي توليد نمي كند

محصول نهايي آن آب خالص يا بخار آب است

منبع عظيمي از انرژي ذخيره شده وعمر منابع انرژي نا محدود مي شود.

دانشمندان با بکارگيري آزمايشي پرهزينه در مرز سوئيس و فرانسه ، تلاش تازه اي را براي پي بردن به علت پيدايش هستي شروع کرده اند.

به گزارش آريا به نقل از شبکه تلويزيوني الجزيره انگليسي ؛ گروهي از دانشمندان اروپايي به شدت تلاش مي کنند يکي از بزرگترين معماهاي جهاني را که همانا چگونگي پيدايش هستي است، حل کنند .اين دانشمندان سالها وقت گذاشتند و ميلياردها دلار روي يک طرح هزينه کرده اند تا پاسخ اين معما را پيدا کنند.برخي از منتقدان مي گويند اجرا کردن اين طرح ازمايشي درصورت بروز هر گونه اشتباه مي تواند به يک فاجعه تبديل شود و پيامدهاي منفي براي کره زمين داشته باشد.

در عمق صد متري زير زمين در مرز سوئيس و فرانسه گروهي از دانشمندان هستند که مي خواهند تاريخ پيدايش جهان را بازسازي کنند.در تونلي که بين دو کشور احداث شده است لوله ها و سيم ها وتجهيزات پيشرفته زيادي نصب شده اند هدف از نصب اين تجهيزات تکرار کردن "انفجار بزرگ" در زمان پيدايش هستي و ميکرو ثانيه هاي بعد از ان است .دانشمندان مي گويند زماني که انفجار بزرگ رخ داد جهان هستي شروع به تشکيل شدن کرد.

دانشمندان دراين ازمايشگاه زير زميني به کمک ميلياردها ذره کوچک ميکروسکوپي که پروتون نام دارند درنظر دارند اين ازمايش ها را انجام دهند .دانشمندان در داخل لوله هايي که درطول اين تونل بيست و هفت کيلومتري کشيده شده اند پروتون ها را دريک لوله به يک سمت و در ديگر لوله ها به طرف مخالف ارسال مي کنند اين ذرات در يک نقطه که شبيه يک محفظه است به يکديگر برخورد مي کنند در ز مان برخورد ،تعداد ذرات عبوري درمدت يک ثانيه بايد هشتصد ميليون باشد که اين تعداد براي ازمايش بسيار حياتي است دانشمندان مي گويند "مدت زمان کمتر از يک ثانيه" که بعد ازبرخورد طي مي شود براي پي بردن به علت پيدايش هستي بسيار مهم است .

اين طرح که در ازمايشگاه سرن (Cern ) سوئيس به مدت چهارده سال دنبال مي شود هشت ميليارد دلار هزينه داشته است .اين طرح چند مليتي است و کشورهاي مختلف هزينه هاي ان را تامين مي کنند.
اما نگراني اي که وجود دارد اين است که اين ازمايش ممکن است سياه چالي به وجود اورد و باعث شود که بخش هايي از کره زمين به درون ان کشيده شوند.

قرار است اين برخورد عظيم ذرات درسال دوهزار وهشت انجام شود دوازده ماه بعد ازاين برخورد نتيجه تحقيق اعلام خواهد شد .بلبلب

ساخت تجهيزات در ايران

اجراي عمليا ت ساخت وپيش مونتاژ مجموعه هاي تعهد شده توسط وزارت علوم تحقيقات و فن آوري جمهوري اسلا مي ايران جهت واحد تحقيقاتي cern مطابق با specification nارائه شده از سوي cern در قالب دو پروژه مجزا تحت عناوينhf tableوfcsپس از انجام per qualification توسط cernطي دو قرار داد جداگانه از سوي موسسهipm(مركز تحقيقات نظري فيزيكي و رياضي ايران) به شركت هپكو اراک به عنوان پيمانكار اصلي ساخت مطابق با چارت عملياتي ذيل جهت اجرا واگذار گردييد.

ایران در "سرن"

ایران در ژوئن ۲۰۰۱ رسما به عضویت این پروژه درآمد و از همان زمان در ساخت تجهیزات آشكار سازها مشاركت كرد. در چارچوب قرارداد همكاری، ایران مشاركت در آزمایش سی.ام.اس را پذیرفت.بر این اساس، ایران مسئولیت ساخت میز بسیار بزرگی را كه قرار است آشكارسازها بر آن نصب شوند را پذیرفت.این میز باید بتواند قطعاتی به وزن حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ تن را تحمل كند كه اجزای آن با فاصله میلیمتری از یكدیگر باز و بسته می شوند.این میز در حقیقت یك دستگاه مكانیكی با تولرانس بسیار بالا به شمار می رود كه هزینه ساخت آن نیز برعهده ایران است. دكتر محمد محمدی، متخصص فیزیك ذرات بنیادی و سرپرست گروه سازنده شتاب دهنده سرن در ژنو، كه از طرف دانشگاه فلوریدا این مأموریت را عهده دار شده است در این زمینه می گوید: برای ایران، موضوع اصلی فعالیت های پژوهشی از این قبیل، دستیابی به منافع اقتصادی آنی نیست، بلكه منفعت اصلی، دستاوردهای علمی است كه از طریق مشاركت در یك پروژه علمی بین المللی، آن هم در بالاترین سطح پژوهش در حوزه فیزیك ذرات بنیادی نصیب كشورمان می شود.سرن چه از لحاظ فناوری و چه از نظر مطالعات نظری یكی از بالاترین سطوح علمی را داراست و هر كشوری افتخار می كند كه سهمی در اجرای این پروژه داشته باشد، خوشبختانه پس از موفقیت در طراحی این میز، ساخت دو سیلندر مكانیكی بزرگ نیز كه به صورت پوشش، آشكارساز را دربرمی گیرند، به ایران واگذار شد. ساخت این سیلندرها به طراحی بسیار ظریف و دقیقی نیاز دارد و به لحاظ فناوری در سطح بالایی قرار دارد.هزینه ساخت این دو سیلندر، كه به همراه هزینه ساخت میز یك میلیون دلار برآورد می شود را نیز ایران می پردازد و دستگاه ها پس از تكمیل شدن تحویل سی.ام.اس خواهند شد.در حال حاضر، هفت پژوهشگر و دو دانشجوی ایرانی در سرن مشغول به كار هستند و دانشجوی سومی نیز انتخاب شده است كه طی چند ماه آینده عازم مؤسسه سرن خواهد شد.این دانشجویان در حال گذراندن دوره دكترا در رشته فیزیك ذرات بنیادی هستند و برای انجام پایان نامه های خود به سرن می روند.دكتر حسام الدین ارفعی یكی از مسئولان پروژه سرن در كشورمان در گفت وگویی با همشهری درخصوص چگونگی پیشرفت آن می گوید: بخش اعظم امور فنی انجام شده و كار با موفقیت پیشرفته است و امیدواریم اسفندماه میز ساخته شده را تحویل دهیم. در این بخش با همكاری خوب مهندسان و شركت مجری مشكل خاصی ایجاد نشد.وی با اشاره به اهمیت بخش علمی مشاركت ایران در این پروژه می گوید: در حال حاضر برای مشاركت علمی در این پروژه كه به مراتب مهمتر از بخش فنی آن است، سه پژوهشگر ایرانی اعزام شده اند و همكاری علمی در این پروژه عظیم، در كنار دانشمندان برجسته دنیا، به منزله سهیم شدن كشور ما درعلم تراز اول جهان خواهد بود.وی گفت: تاكنون برای انجام امور فنی این پروژه در ایران، حدود ۴۰۰ میلیون تومان هزینه شده و پیش بینی می شود كل مخارج آن به ۶۰۰ میلیون تومان بالغ گردد.وی افزود: البته كمك ایران به این پروژه در مقابل كشوری مثل پاكستان كه تنها یك قلم ۵ میلیون دلاری به جز سهم خودش (كه دو برابر ایران بوده) بوده است، رقم ناچیزی است.

با ساخت نخستين شتابگر خطي در كشور ايران به جمع كشورهاي صاحب فن‌آوري توليد شتابگر مي‌پيوندد.
با تلاش محققان پژوهشگاه دانش‌هاي بنيادي، نخستين شتابگر خطي ساخت ايران تا پايان سال آينده به بهره‌برداري رسيده و جمهوري اسلامي ايران به جمع معدود كشورهاي صاحب دانش ‌فني پيشرفته ساخت اين تجهيزات ملحق مي‌شود.

به گزارش خبرنگار سرويس «فناوري» خبرگزاري دانشجويان ايران(ايسنا)، در حال حاضر در بين كشورهاي در حال توسعه تنها كشورهاي چين، هند و برزيل از فن‌آوري ساخت شتابگرهاي خطي برخوردارند كه با اتمام طرح ساخت شتابگرهاي خطي (Linear Accelerator) ايران نيز به عنوان چهارمين كشور در حال توسعه به جمع كشورهاي صاحب فن‌اوري ساخت شتابگرهاي خطي ملحق مي‌شود.

شتابگرهاي خطي علاوه بر كاربردهاي وسيع تحقيقاتي در زمينه مختلف پزشكي و صنعتي از جمله پرتونگاري و پرتودرماني بيماران صعب‌العلاج، راديوگرافي صنعتي و پرتو فرآوري كاربرد دارد.

دكتر محمد لامعي رشتي، عضو هيات علمي پژوهشكده فيزيك پژوهشگاه دانش‌هاي بنيادي(IPM) در گفت‌و‌گو با خبرنگار «فناوري» ايسنا اظهار داشت: در راستاي اجراي طرح ساخت شتابگر بزرگ ملي ايران كه پيش‌بيني مي‌شود ساخت آن حدود 10 سال به طول بينجامد، از حدود سه سال پيش طرح ساخت يك شتابگر خطي در ابعاد كوچكتر و با كاربري صنعتي و پزشكي از سوي محققان پژوهشگاه دانش‌هاي بنيادي آغاز شده است.

وي خاطرنشان كرد: اين شتابگر در حال حاضر در دانشگاه صنعتي اصفهان و پارك علمي تحقيقاتي اصفهان در حال ساخت است كه اميدواريم تا پايان سال 1385 شاهد بهره‌برداري از اين دستگاه باشيم.
دكتر لامعي هدف از ساخت اين شتابگر خطي را ورود به عرصه فن‌آوري و پاسخ به نيازهاي داخلي عنوان و تصريح كرد: با وجود آن كه سابقه ساخت شتابگرها در دنيا به بيش از هفت دهه مي‌رسد، فن‌آوري آن تاكنون به كشور ما وارد نشده است البته در ايران شتابگرهاي مختلفي وجود دارند كه از قديمي‌ترين آنها دستگاه واندوگراف سازمان انرژي اتمي و شتابگر سيكلوترون اين سازمان است كه براي توليد راديوايزوتوپ‌ها و انجام تحقيقات به كار مي‌رود.

وي افزود: علاوه بر در سال‌هاي اخير چندين شتابگر براي درمان سرطان‌ها و راديوتراپي در بيمارستان‌ها نصب شده‌اند و همچنين شتابگر الكتروني ديگري در مركز پرتوفرايند سازمان انرژي اتمي در يزد نصب شده كه عمدتا كاربرد صنعتي دارد.

عضو هيات علمي مركز تحقيقات هسته‌يي سازمان انرژي اتمي در ادامه با بيان اين‌كه طبق برآوردهاي صورت گرفته بيمارستان‌ها و مراكز درماني كشور براي ارائه خدمات راديوتراپي و پرتودرماني حداقل به حدود 100 دستگاه شتابگر خطي كوچك نياز دارند، ابراز اميدواري كرد كه با دستيابي ايران به فن‌اوري ساخت شتابگرهاي خطي گام موثري در جهت تامين نيازهاي آتي كشور در اين بخش برداشته شود.

دكتر لامعي در تعريف شتابگرهاي خطي به ايسنا گفت: شتابگر خطي الكترون دستگاهي است كه ذرات الكترون را به سرعت‌هاي بسيار بالا مي‌رساند. براي افزايش سرعت يك ذره باردار بايد اين ذره را تحت تاثير يك ميدان الكتريكي قرار دهيم اما ايجاد ميدان‌هاي الكتريكي خيلي قوي براي شتاب دادن زياد ذرات ممكن نيست زيرا مشكل جرقه زدن و تخليه‌هاي ناخواسته ايجاد مي‌شود، بنابراين يكي از راهها اين است كه ما ذره را در يك ميدان متناوب قرار دهيم هر بار كه ميدان متناوب در جهت حركت ذره است ذره تحت تاثير آن ميدان قرار مي‌گيرد و در مواقع ديگري كه جهت ميدان الكتريكي با جهت حركت ذره متفاوت است به نوعي مي‌توان بين ميدان و ذره حائلي قرار داد كه ميدان نتواند روي ذره اثر كند.

اين مساله در شتابگر خطي الكترون به نحو جالبي حل شده زيرا الكترون ذره‌اي سبك بوده و خيلي سريع سرعت آن به سرعت نور مي‌رسد و به همين علت ما يك موج الكترو مغناطيسي انتشار يابنده داريم و الكترون هم همراه موج انتشار يابنده حركت مي‌كند؛ بنابراين همان‌گونه كه موج الكترومغناطيسي حركت مي‌كند الكترون هم حركت كرده و انرژي الكترون افزايش پيدا مي‌كند.

دكتر لامعي درباره ساختار و اجزاي تشكيل دهنده دستگاه شتابگر به ايسنا گفت: اين دستگاه از سه بخش اصلي شامل تفنگ الكتروني - كه الكترونها را به وجود مي‌آورد - كاواك - كه الكترونها در داخل آن سرعت گرفته و انرژي آنها تشديد مي‌شود - و مولد امواج الكترومغناطيسي - كه توليد و تزريق موج به داخل كاواك را برعهده دارد - تشكيل شده است. در حال حاضر بخش‌هايي از كاواك اين شتابگر ساخته شده و مشغول تست آن هستيم. در زمينه ساخت منبع تغذيه نيز قراردادي با پژوهشكده فناوري اطلاعات دانشگاه صنعتي اصفهان منعقد كرده‌ايم كه هم اكنون در حال ساخت است.

دكتر لامعي هزينه ساخت اين شتابگر را در حدود 900 ميليون تومان عنوان كرد و افزود: طول حلقه اين شتابگر حدود 2 متر و انرژي توليدي آن 10 ميليون الكترون ولت است و ساخت آن مقدمه‌اي براي ساخت شتابگر بزرگ ملي ايران خواهد بود كه مقدمات اوليه اجراي طرح ساخت آن انجام شده و پيش‌بيني مي‌شود كه از مهرماه سال جاري محاسبات جدي آن آغاز شود. مجري طرح شتابگر خطي در پايان با اشاره به اين‌كه طرح ساخت درباره شتابگر بزرگ ملي ايران حداقل 10 سال به طول خواهد انجاميد، درباره مشخصات آن گفت: اين شتابگر خطي 2 گيگا الكترون ولت انرژي داشته و اندازه حلقه آن حدود 100 متر خواهد بود كه عمدتا در زمينه تحقيقات مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

و اما نکاتی در مورد این ماشین شتاب دهنده

CERN

كه قرار است شرایط مشابه با

Big Bang

يا لحظات آغازین شروع کائنات را ایجاد کند، بصورت اختصار مرور كنيد :

یک - مدت ۲۰ سال است که این پروژه در حال اجرا است.

دو - گروهی متشکل از ۷۰۰۰ دانشمند و فیزیکدان با مشاركت ۸۰ کشور جهان در این پروژه کار کرده اند

سه - این ماشین که شبیه یک تیوپ است محیطی برابر با ۲۷ کیلومتر دارد و در ۱۷۵ متری زیر زمین نصب شده است بطوريكه یک قطار به راحتی می تواند از داخل آن عبور کند.

چهار -هدف از آزمایشات این شتاب دهنده، پاسخ به سوالات بزرگ فیزیک از طریق اصابت و برخورد پروتون ها با یکدیگر با سرعت نور (300 هزار کیلومتر در ثانیه) است.

پنج - دمای تولید شده در آن، ۱۰۰۰،۰۰۰ بار از دمای مرکز خورشید بیشتر است

شش - مگنت های ابر رسانای بکار گرفته شده در این ماشین، می تواند دما را همانند اعماق فضا پایین بیاورد.

هفت - اين پروژه با هزينه اي بيش از 9 میلیارد دلار آغاز شده است و مهندسان پيچيدگي آن را بسيار بيش از پيچيدگي ماموريت سفر انسان به ماه مي دانند.

هشت - آنها اميدوارند در اين چند ميليونيوم ثانيه،‌ اتحاد نيروهاي اصلي، ‌ابعاد اضافي عالم، ‌ماده تاريك، ‌ضد ماده و همينطور بسياري از ذرات بنيادي ابتدايي را آشكار كنند.

نه - فيزيكدانان ذرات معتقدند در اين آزمايش مي توانند شرايط اوليه شكل گيري عالم بر مبناي نظريه مهبانگ را شبيه سازي كنند.

ده - اين شتاب دهنده به شكل دايره اي غول پيكر در زير زمين و زير خاك كشورهاي فرانسه و سوئيس مي گذرد و دايره اي به محيط 27 كيلومتر را شكل مي دهد.

یازده - بسياري از محققان اميدوارند با انجام اين آزمايش و تكرار آن در ماه‌ها و سالهاي آينده به شرايط اوليه كيهان دست يابند.

دوازده - تا اين لحظه همه مراحل آزمايش مطابق برنامه از پيش تعيين شده به پيش رفته است.

توصیه می کنم ادامه تصاوير این ماشین عجيب، که قرار است بزودي به سوالات بسیاری از عجايب خلقت و کائنات كه براي همه جهانيان مطرح است پاسخ دهد را حتما نگاه کنید