بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری

فعالیت‌های علمی بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری در زمینه­های مختلف تمرکز یافته که مهمترین آن‌ها در ادامه ذکر شده است.

هیدرولوژی، هیدرولیک و مهندسی رودخانه	حفاظت خاک	مدیریت حوزه های آبخیز
سامانه های استحصال آب باران	مخاطرات طبیعی	پردازش اطلاعات مکانی

 

 

1. مدیریت حوزه های آبخیز

حوزه آبخیز منطقه‌ای جغرافیایی است که به­وسیلۀ یک آبراهه تخلیه می‌شود. از آنجایی که خاک و پوشش گیاهی ارتباط نزدیکی با چرخه آب دارند، حوزه های آبخیز مفیدترین واحد برنامه‌ریزی  برای مدیریت یکپارچه منابع آب و زمین هستند. تحقیقات انجام شده در SCWMRD نشان داده است که عملکردهای حوزه آبخیز اغلب به­وسیلۀجنگل‌زدایی، برداشت بی‌رویه چوب، تغییرات کاربری اراضی، چرای بیش از حد دام، ساخت جاده، آلودگی منابع آب و خاک،  مدیریت بخشی منابع آب، توسعه کشاورزی و تهاجم گیاهان بیگانه تهدید می‌شود.

حوزه های آبخیز شماتیک

مدیریت حوزه های آبخیز با هدف حفاظت از زمین (خاک) و منابع آبی انجام می‌شود و برای منطقه‌ای از زمین که به مکان مشخصی در امتداد یک نهر یا رودخانه تخلیه می‌شود، اعمال می‌شود. هدف استراتژی‌های مدیریت آبخیز مراقبت از منابع طبیعی به‌گونه‌ای است که نیازهای انسان به آب، غذا، فیبر، انرژی و سکونت را تأمین کند، درحالی‌که از سایر ویژگی‌های مورد توافق مرتبط با تفریح، زیبایی و/یا عملکرد اکولوژیکی حمایت می‌کند. حفظ محیط زیست و منابع طبیعی برای نسلهای آینده مبنای تصمیم گیری در مدیریت حوضه های می باشد. به دلیل این نگرانی‌های چند رشته‌ای، توسعه استراتژی‌های آبخیزداری می‌تواند شامل مسائل علمی، اجتماعی (سیاست عمومی)، و محیط زیستی باشد که فرایندی  پیچیده است. مدیریت آبخیزداری مستلزم تعهد بلندمدتی است که با تغییرات جمعیت، اقلیم، فرهنگ و نیازهای استفاده از منابع سازگار باشد. این مسائل برای هر حوضه و هر ملتی منحصربه‌فرد است.

 

اعضای SCWMRD چندین پروژه تحقیقاتی مرتبط با استراتژی‌های مدیریت آبخیز به سمت مدیریت کارآمد حوضه که بر اهداف توسعه پایدار تأکید دارد، انجام داده‌اند. در طرح‌های تحقیقاتی خود، توجه ویژه‌ای به عناصر حوزه آبخیز داریم تا عملکردهای طبیعی و خدمات اکوسیستم را تقویت یا حداقل حفظ کنیم. در واقع ما حوزه های آبخیز را جزء اولیه و ضروری برنامه‌ریزی ژئومحیطی می‌دانیم. هدف ما حفظ منابع آب، خاک و گیاهی حوزه های آبخیز و درعین‌حال حفظ معیشت بهره برداران با حفظ محیط زیست است. SCWMRD همیشه سعی می‌کند مبنایی برای توسعه استراتژی‌های مفید در حوزه‌های آبخیز ایجاد کند که از طریق درک اینکه چگونه رفتار آستانه در سامانه‌های هیدرولوژیکی و محیطی می‌تواند برای دستیابی یا بازیابی پایداری مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

 

2. حفاظت خاک

آگاهی به دلیل افزایش فشار بر منابع طبیعی و در نتیجه فرسایش خاک، SCWMRD و جامعه علمی را ترغیب می‌کند تا ریشه‌های مشکل را بشناسند و راه‌حل‌های عملی برای احیای اکوسیستم یا کاهش تخریب زمین پیشنهاد کنند. بخش ما از طریق دانش و خدمات به روز فرسایش خاک، آینده‌ای پایدار، تاب آور و سازنده را برای منطقه، ایران و جهان فراهم می‌کند. تمامی پروژه‌های مرتبط با فرسایش و حفاظت خاک نیاز به بازدید دقیق میدانی، نمونه‌برداری و اندازه‌گیری دارند. این بستگی به فرم‌ها و انواع فرسایش خاک دارد که از کدام روش‌ها استفاده شود ازجمله بررسی ایستگاه کل، سیستم موقعیت‌یابی دیفرانسیل جهانی (DGPS)، عکس‌های هوایی، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین و تصاویر ماهواره‌ای. نمونه‌های خاک برای تجزیه و تحلیل خصوصیات فیزیکی و شیمیایی به آزمایشگاه منتقل می‌شوند. پایگاه‌های اطلاعاتی فرسایش خاک اطلاعات حیاتی را برای پایش، مدل‌سازیمدل‌سازی و توسعه چارچوب‌های جدید برای کنترل فرسایش خاک فراهم می‌کند.

نمونه برداری از مقطع فرسایش های خندقی و ثبت هندسه خندق ها

فرسایش خاک به‌عنوان رایج‌ترین فرآیند تخریب اراضی در استان کردستان شناخته می‌شود. چرای بی‌رویه و تغییر کاربری اراضی از طریق توسعه کشاورزی و باغداری از عوامل اصلی افزایش نرخ فرسایش خاک هستند. اداره ما روی فرسایش خندقی در شرق استان کردستان کار کرده است. خندق‌ها کانال‌های عمیقی هستند که در اثر غلظت آب جاری و حذف خاک‌های مرتفع فرسایش می یابند که اغلب در خاک‌های فرسوده، سنگ‌بستر نسبت ضعیف یا رسوبات شیب تحکیم نشده رخ می‌دهند. در واقع فرسایش خندقی به‌عنوان مخرب‌ترین فرآیند تخریب زمین شناخته شده است که رسوب‌دهی را به شدت افزایش می‌دهد. از آنجایی که فرآیندهای فرسایش خندقی با مدیریت ژئومحیطی ارتباط تنگاتنگی دارند، SCWMRD تلاش می‌کند تا مداخلات منفی انسانی را شناسایی کند و روش‌های مناسب کاربری و مدیریت زمین را پیشنهاد کند که می‌تواند برای حفاظت و احیای خاک حیاتی باشد. عکس میدانی زیر گواه فرسایش شدید خندقی در استان کردستان است:

 

بازدید میدانی و ثبت رخدادهای فرسایش خندقی

 

ما نرخ فرسایش خاک، عملکرد رسوب و ضریب رواناب را برای انواع و تراکم‌های مختلف پوشش گیاهی اندازه‌گیری کرده‌ایم. یکی از طرح‌های میدانی ما برای انجام تحقیقات در مورد فرسایش و نرخ رسوب خاک و همچنین کارایی تیمارهای احیا است. آنها برای بررسی فرآیندهای هیدروژئومورفولوژیکی مرتبط با فرسایش خاک استفاده می‌شوند.

 

 

سامانه اندازه گیری رواناب، فرسایش خاک و تولید رسوب

 

3. هیدرولوژی، هیدرولیک و مهندسی رودخانه

از آنجایی که هیدرولوژی بر زندگی انسان، حیات‌وحش و جوامع گیاهان در حوزه‌های آبخیز و همچنین فرسایش خاک و انتقال رسوب تأثیر می‌گذارد، SCWMRD به مطالعه توابع و فرآیندهای هیدرولوژیکی از طریق داده‌های مشاهده‌شده (به‌عنوان مثال، دبی، تبخیر، بارندگی، رطوبت خاک و غیره)، آماری توجه می‌کند. تحلیل و مدل‌سازی برخی از مطالعات ما بر سیل متمرکز است که به‌طور کلی به‌عنوان بارزترین عامل هیدرولوژیکی مؤثر بر اجزای فیزیکی و بیولوژیکی حوزه های آبخیز شناخته شده است. ما همچنین فرآیندهای طبیعی بارندگی-رواناب، خشکسالی و انتقال رسوب را در حوزه های آبخیز استان تجزیه و تحلیل کرده‌ایم. علاوه بر این، برخی از پروژه‌ها با هدف ارزیابی کارایی اقدامات حفاظتی خاک و آب مانند سدهای کنترلی در آبخیزداری انجام شدند.

فعالیت‌های تحقیقاتی ما درزمینه مهندسی هیدرولیک و رودخانه بر تحقیق و آموزش مرتبط با سازه‌های هیدرولیکی که با جریان رودخانه‌ها و آبراهه‌ها تداخل دارند، متمرکز است. ما به مدل‌سازی فیزیکی و عددی رسوب، آبشستگی محلی و عمومی در سازه‌های هیدرولیکی مانند پایه‌های پل، سرریزها و سدهای کوچک در مسیر آبراهه ها علاقه‌مندیم. اثر احداث سازه های مختلف بر رودخانه را از طریق مدلهای فیزیکی و عددی بررسی شده است. در سازه های هیدرولیکی بیشتر بر پلهای با پایه های مرکب (complex bridge piers) و پلهای یکپارچه (Integrated Bridge) گروه پایه ها (Pile gropu) و سرریزهای پلکانی (Stepped Spillway)، آبشکن ها (Spur Dike)، کالورتها (Culverts)، صفحات مستغرق (Submerged vane)، برداشت مصالح رودخانه (Mining pit) و شکست  (Dam Break)و اثرات ساخت سدها(Dam Effects)   و انتقال آب بین حوضه ای (Inter basin water transfer) تمرکز شده است.

مدیریت منابع آب

الف- وضعیت منابع آب استان کردستان

توسعه کشاورزی و افزایش جمعیت فشار بر منابع آبی را در ایران و جهان افزایش داده است. بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری در چندین سال گذشته اقدام به اجرای طرح های کارردی در راستای انتقال دانش روز به مزارع کشاورزی و اثر گذاری بر مدیران و تصمیم سازان در سطح استان و کشور نموده است. در این راستا با تدوین گزارش جامعی از وضعیت منابع آب ونحوه مدیریت آن مشکلات و چالشهای مصرف آب در استان را بررسی نمود. نتایج این طرح تحقیقاتی که با عنوان "مدیریت منابع آب استان کردستان" اجرا شد، در جلسات مختلف در سطح استان به اطلاع مدیریان استانی رسانده شد.

ب- برآورد میزان آب مورد نیاز محصولات کشاورزی و باغی

به‌منظور برآورد نیاز آبی محصولات باغی برمبنای اقلیم‏های موجود در استان کردستان تحقیقاتی در این بخش انجام‌گرفته است. اطلاعات اقلیمی و مدیریتی با نرم افزار CROPWAT تلفیق شد و نیاز آبی محصولات باغی و زراعی استان به تفکیک اقلیم، و بعضا شهرستان و دهستان استخراج شده است. نتایج مربوط به محصولات باغی به صورت نرم افزاری فراهم نموده است. این نرم‏افزاری  جهت سهولت دسترسی کاربران اعم از مدیران،  کارشناسان و کشاورزان به « مقدار نیاز آبی محصولات باغی در سطح استان کردستان» تهیه شده است.  این برنامه کامپیوتری در محیط ویژوال بیسیک تهیه شده است و در یک لوح فشرده ارائه گردیده است. در این نرم‏ افزار اطلاعات اقلیمی استان که از نرم‏افزار Arc GIS استخراج شده است بصورت ساده قابل استخراج است.

 نمایی از محیط نرم افزار برآورد نیاز آبی محصولات باغی در استان کردستان

ج- آب مجازی و بهره ورب آب در بخش کشاورزی

مفهوم آب مجازی و بهره وری فیزیکی و اقتصادی آب به‌عنوان يک ابزار مدیریتی توانمنـد بــراي تحلیل مــشکلات مربـوط بــه کمبـود آب در مدیریت جامع منابع آب مطرح است.  شاخصهای بهره‌وری فیزیکی و اقتصادی آب در حوضه تلوار استان کردستان در چند محصول عمدی زراعی بدست آمده که راهکارهایی برای افزایش معیشت کشاورزان و کاهش مصرف آب ارائه شده است. طح جامع دیگری با   در سطح کل استان برای تعیین نقش آب مجازي و بهره­وری آب در مديريت منابع آب در بخش کشاورزی در این بخش انجام شده است. هدف دیگری از اجرای این طرح، اندازه گیری میدانی میزان مصرف آب در چند محصول عمده در شهرستانهای استان بوده است. با نصب کنتور حجمی، استفاده از کنتور حجمی، استفاده از حجم آب مصرفی در استخرهای کشاوری میزان آب مصرفی، آب مجازی به تفکیک سبز و آبی، نیاز واقعی آبی محصولات، بهره وری فیزیکی و اقتصادی آب اندازه گیری و محاسبه شد. این طرح با داده برداری مستقیم از 24 مزرعه در سطح استان انجام و اطلاعات دقیقی از مزارع و مصارف آب ارائه نموده است.

 

 

اندازه‌گیری دبی حجمی مزارع

 

نمایی از رودخانه های استان کردستان

 

4. پردازش اطلاعات مکانی

سنجش از دور (RS) علمی است که بر شناسایی و نظارت بر ویژگی‌های فیزیکی یک منطقه با اندازه‌گیری تابش منعکس شده و ساطع‌شده آن در فاصله (معمولاً از ماهواره یا هواپیما) تمرکز می‌کند. ابزارهای سنجش از دور اغلب به دو دسته حس‌گرهای فعال یا غیرفعال طبقه‌بندی می‌شوند. یک حسگر فعال سیگنال خود را تولید می‌کند که پس از بازتاب آن توسط سطح زمین اندازه‌گیری می‌شود. یک حسگر غیرفعال، انرژی خورشیدی را که از ویژگی‌های روی سطح زمین منعکس شده یا ساطع می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. RS به محققان کمک می‌کند تا چیزهای مربوط به زمین را "احساس" کنند و استراتژی‌های مدیریتی را به‌ویژه در مناطق بزرگ بهبود می‌بخشد. این امکان تصمیم‌گیری مبتنی برداده ها را بر اساس وضعیت فعلی و آینده حوزه های آبخیز فراهم می‌کند. اگرچه تصاویر ماهواره‌ای می‌توانند در تصمیم‌گیری‌های مدیریت منابع و ارزیابی بلایا کمک کنند، تصاویر فقط باید تفسیر شوند. نقشه‌ها یا تصاویر را می‌توان در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) ادغام کرد و سپس هر پیکسل را با سایر داده‌های GIS مقایسه کرد.

انواعی از ابزارهای مختلف مورد استفاده در سنجش از دور و پردازش اطلاعات مکانی

ما از فن‌های GIS و RS برای مدیریت و تجزیه و تحلیل اطلاعات و نقشه‌های مبتنی بر مکان در پروژه‌های خود استفاده می‌کنیم. پلتفرم‌های GIS و RS به ما این امکان را می‌دهند که پایگاه‌های داده و نقشه‌ها را برای ایجاد نمایشگرهای پویا پیوند دهیم. ما همچنین می‌توانیم GIS/RS را با رویکردهای هوش مصنوعی از جمله یادگیری ماشین، داده‌کاوی و مدل‌های آماری همراه کنیم. در پروژه‌های ما، از تصاویر ماهواره‌ای استفاده می‌شود، زیرا می‌توانند داده‌های مفید و قابلیت‌های تخصصی برای دستکاری، تجزیه و تحلیل و تجسم آن تصاویر ارائه دهند. هر دو حسگر غیرفعال و فعال در نظارت بر دینامیک سطح زمین استفاده می‌شوند. تولیدات سنجش از دور و کاربردهای آنها متنوع است و ما بسته به نیاز از آنها استفاده می‌کنیم. رایج‌ترین کاربردها عبارت‌اند از نقشه‌برداری کاربری و پوشش گیاهی، پایش رطوبت خاک، دینامیک سیل مکانی-زمانی، تشخیص فرسایش خندقی و زمین لغزش، پایش فرونشست زمین، و نقشه‌برداری آتش‌سوزیآتش‌سوزی. بنابراین، تصاویر ماهواره‌ای اطلاعات حیاتی را هم برای مدیریت منابع طبیعی و هم برای کاهش بلایای طبیعی فراهم می‌کند. یکی از پروژه‌های کنونی مبتنی بر سنجش از دور در بخش ما، نقشه‌برداری رطوبت خاک است. این پروژه برای کالیبراسیون و تجزیه و تحلیل تصاویر به چندین داده حقیقت زمینی نیاز دارد. چند عکس صحرایی از نمونه‌برداری خاک برای تعیین میزان رطوبت خاک در آزمایشگاه در زیر مشاهده می‌شود:

 

 

 

نمونه برداری خاک به منظور تعیین میزان رطوبت خاک

 

5. مخاطرات طبیعی

استان کردستان بلایای طبیعی مختلفی از جمله رانش زمین، سیل، فرونشست زمین، خشکسالی، آتش‌سوزی و ریزش بهمن را تجربه کرده است. هم عوامل انسانی و هم عوامل طبیعی بر وقوع بلایای طبیعی تأثیر می‌گذارند. مردم از این حوادث متضرر شدند و گاهی این بلایا باعث تخریب اساسی زیرساخت‌های فیزیکی و صدها مجروحیت و مرگ می‌شود. ما از انواع مختلفی از مدل‌ها بر اساس رویکردهای هوش مصنوعی، آماری و داده‌کاوی استفاده کرده‌ایم. GIS و فن‌های سنجش از دور به‌طور قابل‌توجهی از مدل‌ها پشتیبانی می‌کنند. مدل‌ها امکان تعیین نقش عوامل مؤثر در بلایا و پیش‌بینی حساسیت به بلایا را فراهم می‌کنند. به‌نوبه خود، این دستاوردها استراتژی‌های مدیریتی را افزایش داده و کارایی طرح‌های بلایای طبیعی را بهبود می‌بخشد. برخی از عکس‌های میدانی از بلایای طبیعی در استان کردستان را در زیر مشاهده می‌کنید:

  

 

 

نمونه هایی از مخاطرات طبیعی در کشور

 

 

6. سامانه های استحصال آب باران

یکی از فن‌های ابتکاری برای مدیریت آب باران، سیستم های برداشت آب باران است. آب جمع آوری شده می‌تواند برای مصارف، آبیاری و بسیاری موارد دیگر مورد استفاده قرار گیرد. سیستم های جمع‌آوری آب باران به طور گسترده در محیط های خشک و نیمه خشک در پاسخ به خشکسالی شدید، افزایش تقاضای آب، آگاهی عمومی از اثرات زیست محیطی روان آب های طوفانی، و افزایش علاقه به شیوه های ساختمان سبز، که از استفاده هوشمندانه آب حمایت می کند، استفاده شده است. SCWMRD یکی از مراکز تحقیقاتی پیشگام در ایجاد بستر تحقیقاتی برای تعیین راندمان سیستم های برداشت آب باران می باشد و تاکنون چندین پروژه تکمیل شده را در ایستگاه تحقیقاتی سارال ارائه کرده است. ما مشاهده کردیم که سیستم های برداشت آب باران به طور قابل توجهی از یک مرتع متروک حمایت می کند و می تواند آن را با تامین آب مورد نیاز درختان و گیاهان احیا کند. بر اساس دستاوردها، تامین آب دغدغه اصلی در دوره‌های خشکسالی به‌ویژه در مکان‌هایی است که زیرساخت‌های تامین آب وجود ندارد و اجرای سیستم‌های برداشت آب باران مجموعه‌ای از مزایای منحصر به فرد را ارائه می‌دهد.

 

انواع سامانه های سطوح آبگیر باران