گردش آب در طبیعت

    آب موجود در کره زمین از دریاها و اقیانوس‌ها منشاء گرفته است که در اثر تبخیر و صعود به طبقات بالای جو به شکل نزولات آسمانی به خشکی‌ها برگشته و پس از تغییرات مختلفی مجددا به دریاها می‌ریزد و این چرخه همچنان تکرار می‌شود. حجم آبهای موجود در کره زمین 1370 میلیون کیلومترمکعب تخمین زده شده است که 73% سطح کره خاکی را می‌پوشاند و بخش اعظم آن را آبهای شور دریاها و اقیانوس‌ها تشکیل می‌دهد.

    مقدار آبهای شیرین رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و ذخائر زیرزمینی حدود 1 میلیون کیلومتر مکعب برآورد می‌شود. میزان یخ‌های موجود در قطبین زمین معادل 25 میلیون کیلومتر مکعب آب شیرین می‌باشد و بالاخره اتمسفر زمین حدود 50.000 کیلومتر مکعب آب بصورت ابر و رطوبت دارا می‌باشد.

     نخستین آزمایش ردیابی ثبت شده در تاریخ به بیش از 1900 سال پیش باز می گردد. در این آزمایش از خرده های کاه برای پی بردن به سرچشمه رودخانه ای در اردن استفاده شد. از آن پس تاکنون روش های گوناگون ردیابی به وسیله بشر به کار گرفته شده است. هم اکنون در مطالعات منابع آب زیرزمینی و همچنین شاخه های دیگر منابع آب مانند آب های سطحی، یخ و برف و دیگر شاخه های مهندسی روش های ردیابی کارایی گسترد های دارند.

     در گذشته کاربرد عمده ردیاب ها در آب های زیرزمینی در پی بردن به مواردی همچون جهت، مسیر، سرعت و زمان عبور آب بوده است. امروزه با توجه به روند رو به افزایش آلودگی منابع آب های سطحی و زیرزمینی  علاوه بر موارد فوق مواردی همچون پخشیدگی و انتقال آلاینده ها نیز مورد توجه می باشد. به منظور شناخت و حفاظت کیفی منابع آب داشتن دانشی دقیق از رفتار مواد آلاینده در درون این سیستم ضروری است که به کمک روش های ردیابی می توان این رفتار را تا حدود زیادی شبیه سازی نمود.

     رودخانه ها و آبراهه ها تحت تأثیر عوامل طبیعی و یا دخالت های انسان دچار فرسایش بستر، فرسایش کناره ها و جابه جایی عرضی می شوند. فرسایش رودخانه ای به نوبه خود موجب بروز خطرات و خسارات عدیده ای برای اراضی مجاور رودخانه ها و مستحدثات ساحلی می شود، به طوریکه سالانه میلیون ها تن از خاک های با ارزش اراضی حاشیه رودخانه ها دچار فرسایش شده و علاوه بر هدر رفتن خاک با ارزش، موجب از بین رفتن زمین های کشاورزی و پرشدن مخازن سدها و کاهش عمر مفید آنها و همچنین ایجاد مشکلات زیادی در بهره برداری از تأسیسات آبگیری و انتقال آب می شود.

     مهندسی رودخانه علمی است که هدف آن استفاده حداکثر از رودخانه ها برای رفع نیازهای اقتصادی و ارتباطی و به حداقل رساندن خطرات و زیان های ناشی از آن ها می باشد. علی رغم سابقه طولانی استفاده انسان از رودخانه، مهندسی رودخانه به صورت کلاسیک سابقه چندانی نداشته و نسبت به سایر زمینه های علمی؛ ناشناخته و جوان تر است و به همین دلیل انجام مطالعات بیشتر در این زمینه، لازم به نظر می رسد.

     راهنمای پهنه بندی توان اکولوژیک به منظور استقرار طرح های توسعه منابع آب بر اساس پهنه و زیر پهنه تهیه شده است و استفاده از آن منوط به توجه به سرزمینی است که در بستر آن قرار دارد. به عبارت دیگر قبل از بررسی توان اکولوژیک، کارشناس باید خصوصیات محیط زیست مکان را در چارچوب پهنه بندی تدوین شده مد نظر قرار دهد . بدین ترتیب آغاز کار در مقیاس سیمای سرزمین، پهنه و زیر پهنه خواهد بود. بدین ترتیب توان در مقیاس محلی با تنظیم مدل ارائه شده برای زیر پهنه و پهنه ای که مکان مورد بهره برداری قرار گرفته همراه است. توان اکولوژیک در مقیاس اکوسیستم در کنار توان اکولوژیک در مقیاس سیمای سرزمین و بالاخره توجه به عوارض طرح بر محیط زیست محلی و منطقه ای مجموعا تعیین کننده توان و تناسب و در واقع پایداری بیش تر طرح توسعه خواهد بود . لذا اگرچه در همه موارد مدل پایه ارائه شده ملاک اصلی ارزیابی است، اما وزن دهی نسبی به اجزا مدل به تفکیک پهنه و زیر پهنه متفاوت بوده ولی جمع بندی نتایج با توجه به هر سه جنبه فوق الذکر است. البته درصورتی که به پهنه بندی و زیرپهنه ها توجهی نشود باید وزن نسبی عوامل و اولویت ها توسط خود شخص که گزینه ها را مقایسه می کند در تصمیم گیری لحاظ گردد.

    هر سیستم مجموعه ای است از اجزای مرتبط و هماهنگ که برای دستیابی به هدفی مشخص با یکدیگر در تعامل می باشند. یک سیستم اطلاعاتی نیز نوع خاصی از سیستم ها است که با هدف تولید اطلاعات مورد نظر، داده های خام ورودی را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهد. سیستمهای اطلاعات جغرافیایی (یا مکانی) نیز به عنوان سیستم اطلاعاتی خاص، قادرند داده های مربوط به اشیاء و پدیده های مکان دار را مورد پردازش و تجزیه و تحلیل قرار دهند. بنا به تعریف، سیستم اطلاعات جغرافیایی مجموعه ای است سازمان یافته از سخت افزار، نرم افزار، داده، روش ها و نیروی انسانی که برای جمع آوری، ساختاردهی، ذخیره سازی، بروز رسانی، پردازش، نمایش و تجزیه و تحلیل انواع داد ههای مکانی و جغرافیایی طراحی و ایجاد شده است. امروزه این سیستمها دارای کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف از جمله مدیریت زیرساختارهای اجتماعی (برق، آب، گاز، راه،...)، مدیریت خدمات شهری، مدیریت منابع طبیعی، جنگلداری، کشاورزی، مدیریت بحران، طرحهای توسعه شهری و منطقه ای و بسیاری کاربردهای دیگر می باشند.

نرم افزار HEC-ResPRM یک بسته نرم افزاری بهینه سازی عملیات سیستم مخزن برای کمک به برنامه ریزان، اپراتورها، و مدیران با برنامه ریزی مخزن و فرآیند تصمیم گیری است. HEC-ResPRM با استفاده از بهینه سازی جریان شبکه یک ایده از بهترین نتیجه که می تواند برای سیستم بر اساس هر اولویت بندی خاصی از اهداف سیستم و با توجه به جریان های سری زمانی که انتظار رود را ارائه می دهد.

    نرم افزار شبیه سازی سیستم مخزن (HEC-ResSim) که توسط موسسه منابع آب، مرکز مهندسی هیدرولوژیکی ایالات متحده توسعه یافته است برای مدل سازی عملیات مخزن در یک یا چند مخزن جهت انواع اهداف و محدودیت های عملیاتی به کار می رود. نرم افزار شبیه سازی عملیات مخزن برای مدیریت سیل، تقویت کمبود جریان و تامین آب در مطالعات برنامه ریزی، مقررات ویژه طرح تحقیقات مخزن و پشتیبانی از تصمیم گیری در زمان واقعی است.

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

     در واقع HEC-ResSim می تواند هر دو مخازن مقیاس بزرگ و کوچک مقیاس و سیستم های مخزنی از طریق یک شبکه از عناصر (junctions, routing reaches, diversion, reservoirs) که کاربر ایجاد کند را ارائه نماید. این نرم افزار می تواند وقایع و یا یک دوره کامل و یا رکورد را با استفاده از گام های زمانی در دسترس شبیه سازی کند. HEC-ResSim یک ابزار پشتیبانی تصمیم گیری است که مطابق با نیازهای طراحان انجام مطالعات پروژه مخزن و همچنین در رفع نیازهای تنظیم کننده های مخزن در طول زمان واقعی رخدادها استفاده می شود.

    مدل های کامپیوتری بدلیل کاهش هزینه ها و کوتاه کردن مدت زمان دستیابی به نتایج اجرای یک سناریو بر روی یک سیستم، بصورت گسترده ای در علوم مختلف بکار می روند. سیستم های زهکشی معمولاً در اراضی نیمه خشک تحت آبیاری برای کنترل شوری و ماندابی شدن خاک نصب می شوند. بدلیل وجود پیچیدگی حرکت آب و انتقال املاح در خاک، مدل های شبیه سازی برای تشریح عملکرد سیستم های مدیریت آب که ممکن است شامل زهکش زیرزمینی، سطحی و آبیاری باشند، به کار می روند.

    در اقتصاد ایران، افزایش جمعیت، تقاضا برای آب شرب و مصارف بهداشتی را مستقیما و تقاضای مشتق شده آب را به منظور تولید محصولات غذایی به طور غیر مستقیم بالا برده و رشد فعالیت های اقتصادی اعم از صنعتی، کشاورزی و خدماتی نیز به سهم خود تقاضا برای آب را افزایش داده است. توسعه شهرها نیز در تداوم این امر بی تاثیر نبوده است. از سوی دیگر دولت برای تامین این خدمات با معضل افزایش بدهی روبرو شده است. بدین ترتیب جامعه با یک تعارض روبرو است. از یک طرف تامین آب یک ضرورت است و از طرف دیگر تامین آب و خدمات آبی منجر به افزایش بدهی ها و بزر گتر شدن اندازه دولت و تبعات ناشی از آن می شود.

    کشور ایران علی رغم تنوع آب و هوایی و غنای زیستی، با متوسط بارندگی سالیانه حدود 250 میلی متر و 135 تا 140 میلیارد مترمکعب آب تجدیدپذیر جزو کشورهای خشک و کم آب به حساب می آید. عدم توزیع یکنواخت و متناسب نزولات جوی نیز بر این مشکلات افزوده است، به گونه ای که بیش از 75 درصد از کشور دارای بارندگی کم تر از 250 میلی متر در سال می باشد. در این میان بخش کشاورزی با مصرف حدود 90 میلیارد مترمکعب آب در سال در 8 میلیون هکتار زمین زیر کشت آبی بزرگ ترین مصرف کننده و اصلی ترین آلوده کننده آب به حساب می آید.

    آب مهم ترین سرمایه ملی است که جایگزینی برای آن وجود ندارد و امروزه صرفه جویی و استفاده بهینه از منابع آبی ضرورت بسیار دارد. نظر به این که آب از اهمیت حیاتی برای هر جامعه برخوردار است، طرح های آبرسانی نیز به تبع آن از اهمیت شایانی برخوردار بوده و از جمله طرح های با اولویت اول هر منطقه می باشند.

    به منظور یکسان سازی و ارتقای سطح کیفی طرح های آبرسانی توام با حداقل ساختن هزینه ها و مسایل اقتصادی، استفاده از ضوابط، معیارها و استانداردهای مرتبط، اجتناب ناپذیر و ضروری است. بدیهی است این ضوابط و استانداردها نیز همگام با گذشت زمان و ارتقای سطح دانش و زندگی، نیاز به بازنگری و به روزرسانی دارد. در این راستا، نشریه 3-17 تحت عنوان مبانیِ طراحی طرح های آبرسانی شهری، بر اساس آخرین منابع و مآخذ معتبر و استانداردهای بین المللی، کلیه نشریات، استانداردهای تهیه شده مربوط به صنعت آب کشور و همچنین با استناد به تجارب کارشناسان و صاحبنظران این بخش و توجه به شرایط اقلیمی و محدودیت منابع آب در ایران مورد بازنگری قرار گرفته است و تحت عنوان ضوابط طراحی سامانه های انتقال و توزیع آب شهری و روستایی، برای استفاده کلیه دست اندرکاران بخش آب ارائه شده است.

    تقسیم بندی و کدگذاری حوضه های آبریز و محدود ههای مطالعاتی یکی از مهمترین نیازها در بررسی های منابع آب بوده که با هدف تسهیل در دستیابی به آمار و اطلاعات و هماهنگی بین مطالعات آب های سطحی و زیرزمینی انجام گرفته است.

    ضوابط تقسیم بندی و کدگذاری حوضه های آبریز بر اساس سیستم اعشاری (ده دهی) بوده و در ارتباط با هماهنگی بین حوضه های آبریز و محدوده های مطالعاتی آب زیرزمینی سعی شده تا هر محدوده با یک یا چند حوضه آبریز انطباق داشته باشد. کدهای اختیار شده برای حوضه های آبریز با استفاده از سیستم فوق قابل تطبیق با کدهای بین المللی بوده و در سمت چپ کد هر حوضه آبریز، می تواند کد بین المللی ایران ( 224) قرار گیرد.

    فیزوگرافی در حقیقت مطالعه خصوصیات فیزیکی و وضعیت ریخت شناسی یک حوضه آبریز است که اثر تعیین کننده ای بر خصوصیات هیدرولوزیک و رژیم آبی آن دارد. آگاهی به خصوصیات فیزیوگرافی یک حوضه با داشتن اطلاعاتی از شرایط آب و هوایی منطقه می تواند تصویر نسبتا دقیقی از کارکرد کمی و کیفی سیستم هیدرولوژیک آن حوضه به دست دهد.

    خصوصیات فیزیوگرافی حوضه ها نه فقط به طور مستقیم بر رژیم هیدرولوژیک آنها و از جمله میزان تولید آبی سالانه، حجم سیلابها، شدت فرسایش خاک و میزان رسوب تولیدی اثر می گذارد؛ بلکه به طور غیر مستقیم و نیز با اثر بر آب و هوا و وضعیت اکولوژی و پوشش گیاهی به میزان زیادی رژیم آبی حوضه آبریز را تحت تأثیر خود قرار می دهد.

    وجود بیش از 600.000 حلقه چاه آب در آبخوان های آبرفتی و سازند سخت حاکی از اهمیت منابع آب زیرزمینی در کشور ما در مصارف مختلف (کشاورزی، شرب و بهداشت و صنعت) است. حجم قابل توجه برداشت از این منابع از طریق چاه ها به ویژه در بخش کشاورزی که بیش از 90% این مصارف را بخود اختصاص می دهد، بیانگر نقش مهم و انکار ناپذیر آب زیرزمینی در توسعه زیرساخت های کشور می باشد. هر چند که بخشی از منابع آب زیرزمینی به صورت طبیعی از طریق چشمه ها و زهکش ها و یا از طریق حفر قنوات در سطح زمین ظاهر می شود و مورد استفاده قرار می گیرد، اما در حال حاضر عمده آب زیرزمینی مصرفی در کشور با استفاده از تکنیک های حفاری مختلف از طریق حفر چاه های نیمه عمیق و عمیق تامین می شود. بنابراین نقش چاه های آب در تامین نیازهای آبی همواره در توسعه کشورها پر رنگ ظاهر شده و به همین لحاظ در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه چاه آب به عنوان یک سازه هیدرولیکی مهم مطرح بوده و در طراحی و نظارت بر حفر و تجهیز آن مبالغ قابل توجهی هزینه می شود.

نرم افزار HEC-RAS برای انجام محاسبات هیدرولیکی یک بعدی در یک شبکه کامل از کانال های طبیعی و ساخته شده طراحی شده است. در زیر به شرح قابلیت های عمده ای از HEC-RAS پرداخته می شود.

• رابط گرافیکی کاربر
• تجزیه و تحلیل قطعات هیدرولیکی
• ذخیره سازی و مدیریت داده ها
• گرافیک و گزارش
• نقشه بردار RAS

رابط گرافیکی کاربر

   کاربر در HEC-RAS از طریق یک رابط گرافیکی (GUI) در تعامل بخش های متفاوت است. در توسعه این ابزار تمرکز اصلی در طراحی رابط بوده است که آن استفاده از نرم افزار را ساده می کند، در حالی که هنوز سطح بالایی از بهره وری برای کاربر حفظ گردیده است. رابط گرافیکی کاربر بکارگیری توابع زیر فراهم نموده:

• مدیریت فایل ها
• ورود داده ها و ویرایش کردن
• تجزیه و تحلیل هیدرولیکی
• جدول بندی و نمایش گرافیکی  ورودی و خروجی داده ها
• گزارش تاسیسات
• چهارچوب کمک دقیق

    کمبود آب در بخش های زیادی از کره زمین، مشکلات زیادی را برای تامین آب شرب سالم، تولید محصولات کشاورزی و در کل روند عمومی زندگی انسان ها به وجود آورده است، به طوری که پیش بینی می شود تا سال 2025 میلادی، 50 تا 60 درصد مردم جهان با تنش آبی و مشکلات ناشی از کم آبی مواجه شوند.

    عده ای از کارشناسان معتقد هستند که در آینده نزدیک، آب به عنوان طلای آبی در جهان شناخته خواهد شد، و لذا جمله نفت را فراموش کنید و به آب بیاندیشید در ادبیات رسانه ای و در میان دولت مردان رایج خواهد شد . در حال حاضر انتقال آب با توجه به حجم زیاد مصرف آن، مشکل تر از نفت است و اصولا هیچ جایگزینی نیز برای آن وجود ندارد. هر چند انتقال مستقیم آب از طریق خطوط لوله همانند نفت و گاز بین کشورها چندان رایج نیست، ولی با مطرح شدن ایده آب مجازی در سال های اخیر، روشن شده است که حجم زیادی از آب به صورت مجازی بین کشورهای مختلف جهان جابجا می شود.

تعریف:

    ضریب قابلیت نفوذ دارسی K  عبارت از حجم  آب آزادی است که در واحد زمان در واحد سطح  مقطع کلی طبقه آبدار  با گرادیان هیدرولیک  واحد ،در 20 درجه سانتیگراد حرارت جریان می یابد با در دست داشتن  ابعاد سرعت  و واحدهای  ارائه  شده  برحسب  متر   و متر مربع  و متر مکعب  و ثانیه  واحد ضریب قابلیت نفوذ بر حسب متر بر ثانیه  خواهد بود . اکثرا" ضریب قابلیت نفوذ  را ساده تر  بیان نمود ه و قابلیت نفوذ می نامند.

معمولاً طولانی ترین رودخانه­ حوضه، رودخانه اصلی حوضه می باشد. این رودخانه در قسمت فراز آب، دارای شیب تند و در بستر در حال فرسایش و در قسمت میانی، دارای شیب کمتر است و شاخه های فرعی در قسمت میانی به آن می پیوندند. در قسمت پایاب یا فرود آب، رودخانه شیب خود را از دست داده و این محلی است که بار رسوب بر جای گذاشته می شود. داشتن اطلاعات جامع از آبراهه اصلی یک حوضه آبریز می تواند کمک شایانی درباره ساختار فیزیکی آن حوضه در مباحث فیزوگرافی به ما بدهد.

    سنجنده ژاپنی ASTER یکی از سنجنده های تصویربرداری حمل شده توسط ماهواره Terra است. ASTER یک سنجنده چند طیفی با  توان طیفی بالا است، که داده ها را در سه حیطه طیفی با استفاده از یک رادیومتر جداگانه برای هر ناحیه، اخذ میکند. حیطه های طیفی که تصاویر در آنها اخذ می شوند، حیطه های مرئی و مادون قرمز نزذیک (VNIR)، مادون قرمز کوتاه موج (SWIR) و مادون قرمز گرمایی(TIR) هستند (جدول). تصاویر دریافتی در سه حیطه طیفی دارای توان تفکیک مکانی متفاوت هستند. توان تفکیک باندهای VNIR 15 متر است. باند های SWIR دارای توان تفکیک مکانی 30 متر بوده، در حالیکه تصاویر مادون قرمز گرمایی، دارای تفکیک مکانی 90 متر دارند. تعداد باند ها، دامنه طیفی ، و دقت مطلق 14 باند این سنجنده در جدول ذیل آورده شده است.