دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Evaluating the Operational Efficiency of the Concentration Section of the Sarcheshmeh Copper Complex in the Use of Reclaimed Water بررسی راندمان عملیاتی امور تغلیظ مجتمع مس سرچشمه در استفاده از آب‏های برگشتی 1 27 7666 10.22069/jwsc.2025.23816.3815 FA الناز اقلیدی دانشجوی دکتری سازه‏های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران. مرضیه ثمره هاشمی نویسنده مسئول، استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران 0000-0001-7432-8605 کورش قادری دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران. مهران اسپهبدی رئیس تحقیقات آب و محیط‏زیست، مجتمع مس سرچشمه، رفسنجان، کرمان، ایران. Journal Article 2025 06 28 Background and Objective: Water scarcity is one of the most critical environmental and economic challenges in Iran, if not the most pressing one. Limitations in water supply have created serious challenges not only for the mining industry but also for many other sectors of the country. One such case is the Sarcheshmeh Copper Complex, the largest and one of the most significant copper extraction and processing centers in Iran, located in a hot and semi-humid region. Therefore, the sustainable and optimal management of water resources in this industrial complex is a prerequisite for the continuity of operations and regional development. At the same time, a precise understanding and control of industrial water consumption and the inflows and outflows of water—particularly in the concentration stage of mineral processing, which is one of the most fundamental and water-intensive operations of the complex—is of vital importance. This study focuses on monitoring and optimizing water productivity in the concentration stage of the Sarcheshmeh Copper Complex. For the first time, the SEEA-W (System of Environmental-Economic Accounting for Water) framework has been applied to map the internal water flows of the complex and to quantify volumes of water consumed, recycled, and lost. At the core of water accounting lies the recognition that, to date, no study has specifically examined water productivity in the mineral concentration process. In this study, the SEEA-W classification standard for water resources was employed to accurately identify different categories of water use and to track the inflows, consumption, recycling, and losses with precision. Materials and Methods: The data used in this study were obtained from multiple sources, including volumetric records from fixed flowmeters installed at various points in the plant, field measurements using portable flowmeters, and volumetric calculations based on technical reports and operational records. The focus of this study is on data from the year 2023 (1402 in the Iranian calendar), in order to provide an up-to-date and accurate assessment of water use in the concentration process. The SEEA-W framework, recognized as an international standard for water resource accounting, enabled a comprehensive and precise evaluation of water flows. Within this framework, water inflows are categorized into two main groups: (1) water abstracted from the environment, including surface water, groundwater, seawater, and soil moisture; and (2) water abstracted from the economy, which refers to water transferred from other units or sections of the Sarcheshmeh Copper Complex to the concentration plant. Correspondingly, water outflows are divided into two categories: water returned to the environment and water transferred to other economic units. Findings: A considerable portion of the water is directed, along with the tailings, to the thickeners, where it is further concentrated and subsequently returned to the consumption cycle. In this study, water consumption is defined as the volume of water that is lost during industrial use—namely, the amount of water entering the concentration plant that does not return to the environment, the sea, or other economic units. The findings revealed that the majority of the water used in the concentration process is derived from recycling and reuse, as approximately 78% of the water entering the thickeners is collected and reused. Only 19% of the total water flow was recorded as final consumption, which is considered as water lost. The water recycling rate from the total water inflow to the thickeners was estimated at 93.82%, a relatively high figure. This outcome is encouraging for water resource management and efficiency in water use. Moreover, the results went beyond the initial data, showing that the largest share of water consumption was attributable to the tailings thickeners, with a share of 21.64%, followed by the paste thickeners with 12.94%. A comparison of water consumption per ton of feed input further indicated that less than 20% of the total water consumed per ton fell into the category of ineffective consumption. Therefore, the majority of the water entering the production process cycle is effectively returned. Conclusion: These results highlight the plant’s strong capacity in water use efficiency and underscore the importance of recycling and improving water consumption practices. The application of the SEEA-W framework in this study not only enabled transparent tracking of water flows but also helped identify critical points and opportunities for improving water use across different stages of the process. Although SEEA-W was originally designed for macro-level and national studies, its application at the industrial and operational level in this research provided accurate and valuable insights into water consumption, recycling, and losses. Furthermore, this system facilitates the assessment of the environmental and economic impacts of water use, thereby supporting the development of effective management strategies and policies. The findings were also compared with international reports, particularly ICMM reports on the copper industry in Chile, and demonstrated a relative alignment of the Sarcheshmeh Copper Complex with global standards for responsible and sustainable water use. Ultimately, this study offers a practical and reliable model for other water-intensive industries and mining operations in the country. The integration of combined frameworks, precise data, and innovative approaches can play a key role in reducing environmental impacts and improving the sustainability of water resources. Therefore, this approach can contribute significantly to achieving sustainable development, water security, and effective management of environmental and economic challenges related to water. Moreover, the findings of this study can support decision-makers and water resource managers in the mining sector in adopting informed and long-term strategies—strategies that prioritize reducing consumption, increasing recycling, and enhancing the management of water resources. In this way, the research not only provides a scientific and practical method for assessing and improving industrial water use but also represents a meaningful step toward protecting the nation’s valuable water resources. سابقه و هدف کم‌آبی یکی از مهم‌ترین مسائل زیست‌محیطی و اقتصادی در ایران به شمار می‌رود، اگر نگوییم مهم‌ترین آن‌هاست. محدودیت در تأمین آب نه تنها صنعت معدن، بلکه بسیاری از بخش‌های دیگر کشور را نیز با چالش‌های جدی مواجه کرده است. یکی از این بخش‌ها، مجتمع مس سرچشمه است که به عنوان بزرگ‌ترین و یکی از مهم‌ترین مراکز استخراج و فرآوری مس در کشور، در منطقه‌ای گرم و نیمه‌مرطوب واقع شده است. از این رو، مدیریت بهینه و پایدار منابع آب در این مجتمع صنعتی، شرطی ضروری برای تداوم فعالیت‌های شرکت و رشد منطقه‌ای محسوب می‌شود. در همین حال، درک دقیق و کنترل میزان مصرف آب صنعتی و فرآیندهای ورود و خروج آب، به ویژه در مرحله تغلیظ مواد معدنی که یکی از اساسی‌ترین و پرمصرف‌ترین فرآیندهای مجتمع محسوب می‌شود، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پژوهش، موضوع مورد بررسی پایش و بهینه‌سازی بهره‌وری آب در مرحله تغلیظ مجتمع مس سرچشمه است. برای نخستین بار، چارچوب SEEA-W (حسابداری محیط‌زیستی-اقتصادی منابع آب) به منظور ترسیم دقیق جریان‌های آبی درون مجتمع و تعیین حجم آب مصرفی، بازیافتی و تلف شده به کار گرفته شده است. در هسته مسئله حسابداری آب، این واقعیت نهفته است که تاکنون هیچ مطالعه‌ای به طور مشخص به بررسی بهره‌وری آب در فرآیند تغلیظ مواد معدنی نپرداخته است. در این مطالعه، استاندارد طبقه‌بندی منابع آبی SEEA-W برای شناسایی دقیق دسته‌های مختلف مصرف آب و ردیابی صحیح جریان‌های ورودی، مصرفی، میزان بازیافت و تلفات آن‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. مواد و روش‌ها داده‌های مورد استفاده در این مطالعه از منابع مختلفی به‌دست آمده‌اند که شامل اطلاعات حجمی از فلومترهای ثابت نصب‌شده در نقاط مختلف کارخانه، ثبت‌های میدانی با استفاده از فلومترهای پرتابل، و محاسبات حجمی مبتنی بر گزارش‌ها و سوابق فنی می‌باشند. تمرکز این مطالعه بر روی داده‌های سال ۱۴۰۲ بوده است تا وضعیت به‌روز و دقیق بهره‌برداری از آب در فرآیند تغلیظ مورد ارزیابی قرار گیرد. چارچوب SEEA-W، به‌عنوان یک استاندارد بین‌المللی شناخته‌شده در زمینه حسابداری منابع آب، امکان ارزیابی جامع و دقیق جریان‌های آبی را فراهم کرده است. در این چارچوب، جریان‌های ورودی آب به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: 1. آب برداشت‌شده از محیط، که شامل آب‌های سطحی، آب‌های زیرزمینی، آب دریا و رطوبت خاک است. 2. آب برداشت‌شده از اقتصاد، که به آب انتقال‌یافته از سایر واحدها یا بخش‌های موجود در مجتمع مس سرچشمه به بخش تغلیظ اطلاق می‌شود. به‌طور متناظر، جریان‌های خروجی آب نیز به دو دسته تقسیم می‌شوند: آبی که به محیط بازگردانده می‌شود و آبی که به سایر واحدهای اقتصادی منتقل می‌شود. یافته‌ها مقدار زیادی از آب به همراه باطله‌ها به سمت تیکنرها هدایت می‌شود، جایی که دوباره تغلیظ شده و به چرخه مصرف بازمی‌گردد. در این مقاله، مصرف آب به‌عنوان مقدار آبی تعریف شده است که در فرآیند استفاده صنعتی از بین می‌رود؛ یعنی آبی که وارد واحد تغلیظ می‌شود اما به محیط‌زیست، دریا یا سایر واحدهای اقتصادی بازنمی‌گردد. مطالعه نشان داد که بیشتر آب مورد استفاده در فرآیند تغلیظ، حاصل بازیافت و استفاده مجدد است؛ چرا که حدود ۷۸٪ از آب واردشده به تغلیظ‌کننده‌ها مجدداً جمع‌آوری شده و مورد استفاده قرار گرفته است. تنها ۱۹٪ از کل جریان آب به‌عنوان مصرف نهایی ثبت شده که به‌عنوان مصارف تلف‌شده در نظر گرفته می‌شود. نرخ بازیافت آب از کل میزان آب ورودی به تغلیظ‌کننده‌ها، 93/82٪ برآورد شده که عدد نسبتاً بالایی است. این موضوع خبر خوبی برای مدیریت منابع آب و بهره‌وری در مصرف آن به‌شمار می‌رود. نتایج این تحقیق حتی فراتر از داده‌های اولیه رفت و مشخص کرد که بیشترین سهم از مصرف آب مربوط به تیکنرهای باطله با سهم 21/64٪ بوده است و پس از آن تیکنرهای خمیری با 94/12٪ قرار دارند. با انجام مقایسه‌ای در خصوص میزان مصرف آب به ازای هر تن خوراک ورودی، مشخص شد که کمتر از ۲۰٪ از کل مصرف آب به‌ازای هر تن، جزء مصرف غیرمؤثر بوده است. بنابراین، بیشتر آب وارد شده به چرخه فرآیند تولید بازمی‌گردد. نتیجه‌گیری این نتایج نشان‌دهنده مهارت بالای این کارخانه در استفاده از آب و همچنین تأکید بر ضرورت بازیافت و بهبود مصرف آب هستند. استفاده از چارچوب SEEA-W در این مطالعه نه تنها امکان ردیابی شفاف جریان‌های آبی را فراهم کرد، بلکه به شناسایی نقاط کلیدی و فرصت‌هایی برای بهبود در مصرف آب در مراحل مختلف فرآیند کمک نمود. در حالی که چارچوب SEEA-W در ابتدا برای مطالعات کلان و در سطح ملی طراحی شده بود، در این تحقیق در سطح واحد صنعتی و عملیاتی مورد استفاده قرار گرفت و توانست اطلاعات دقیق و مفیدی درباره مصرف، بازیافت و اتلاف آب ارائه دهد. همچنین این سیستم کمک می‌کند تا تأثیرات مصرف آب بر محیط‌زیست و اقتصاد بررسی شود که می‌تواند در تدوین سیاست‌ها و راهکارهای مدیریتی مؤثر باشد. یافته‌های این مطالعه با گزارش‌های بین‌المللی، به‌ویژه گزارش‌های ICMM درباره صنعت مس در شیلی، مقایسه شده و تطابق نسبی عملکرد مجتمع مس سرچشمه با استانداردهای جهانی در زمینه مصرف مسئولانه و پایدار آب را نشان می‌دهد. در نهایت، این تحقیق یک الگوی کاربردی و قابل اطمینان برای سایر صنایع آب‌بر و فعالیت‌های معدنی کشور فراهم می‌کند. استفاده از چارچوب‌های ترکیبی، داده‌های دقیق و رویکردهای نوآورانه می‌تواند نقش مهمی در کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی و بهبود پایداری منابع آبی ایفا کند. بنابراین، این رویکرد می‌تواند نقش مؤثری در دستیابی به توسعه پایدار، امنیت آبی و مدیریت مؤثر چالش‌های زیست‌محیطی و اقتصادی مرتبط با آب داشته باشد. علاوه بر این، یافته‌های این مطالعه می‌تواند به تصمیم‌گیرندگان و مدیران منابع آب و بخش معدن در اتخاذ تصمیمات هوشمندانه و بلندمدت کمک کند؛ تصمیماتی که بر کاهش مصرف، افزایش بازیافت و بهبود مدیریت منابع آبی تمرکز دارند. از این رو، این پژوهش نه تنها یک روش علمی و عملی برای ارزیابی و بهبود مصرف آب در صنایع ارائه می‌دهد، بلکه گامی مؤثر در جهت حفاظت از منابع آبی ارزشمند کشور نیز به‌شمار می‌آید.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7666_a8f9bd4a1be8ea0dc22ac296b8bf3914.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Quantifying the contributions of climate change and direct human interventions on streamflow alteration using the GSFLOW hydrological model Quantifying the contributions of climate change and direct human interventions on streamflow alteration using the GSFLOW hydrological model 29 54 7667 10.22069/jwsc.2026.23582.3802 FA مهین نادری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران واحدبردی شیخ دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان: گرگان، گلستان، جمهوری اسلامی ایران عبدالرضا بهره مند دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران چوقی بایرام کمکی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران عبدالعظیم قانقرمه دانشگاه گلستان، گرگان، ایران Journal Article 2025 04 28 Abstract Background and objectives: Climate variations and human activities are two major factors influencing the trends of hydrological cycle components in watersheds. It is essential to understand how flow behavior is separately affected by climate change and human activities in order to formulate effective adaptation policies and strategies for water resource planning and management. In recent years, the reduction in the discharge of the Hablehroud River has led to tensions among stakeholders of the basin’s water resources in Semnan and Tehran provinces, as well as between upstream and downstream farmers. Therefore, the aim of this research is to quantify the impacts of climate change and human interventions on the discharge of the Hablehroud River and to determine the relative contribution of each influencing factor. Additionally, this study investigates objectives such as identifying trends in climatic variables and the status of surface water resources, quantifying the effects of various natural and anthropogenic factors on these trends, predicting the future status of water resources in the study area under the continuation of current policies and strategies, and forecasting water resource conditions under different climate change scenario. The study area encompasses the upstream section of the Hablehroud watershed, extending to the Bonekouh hydrometric station, which is situated at the administrative boundary between Tehran and Semnan provinces. The Hablehroud River, serving as the main drainage of the watershed, has been increasingly affected in recent years by human activities and climate change, resulting in significant alterations to its hydrological status over the past decades. Materials and Methods: In this study, long-term statistics from hydrometric stations were collected and pre-processed. A significant change point in the annual discharge time series was then identified. The GSFLOW hydrologic model was applied to distinguish the effects of climate change and human interventions on the declining discharge of the Hablehroud River. In addition to analyzing the impact of influencing factors during the observed period, the region’s future climate conditions were projected using the Canadian Earth System Model (CanESM2) under RCP 2.6, RCP 4.5, and RCP 8.5 scenarios. Land-use changes and their dynamics in the study area were simulated using the Markov chain and CA-Markov models within the MOLUSCE module, an extension of the QGIS spatial information system. Future flow regime modeling under the combined influence of climate change and human activities was conducted using the GSFLOW model. Ultimately, the study provides a long-term perspective on the impacts of climate change and anthropogenic factors on the discharge of the Hablehroud River. Results: The results indicate that land-use changes in the Hablehroud basin have generally shifted toward an increase in agricultural lands, gardens, and residential areas, accompanied by a decline in pasture quality and continued degradation of natural vegetation. Climatic indicators also reveal an upward trend in the average temperature of the basin, along with changes in several precipitation indices. According to the findings, a significant abrupt change occurred in the annual discharge time series of the Bonekouh hydrometric station in the mid-1990s, leading to a decline in most hydrological indices of the Hablehroud River. The separation of climate change and human intervention effects showed that human activities have had a greater impact on the reduction of discharge in the basin than climate change. Hydrological modeling using the GSFLOW model suggests that climate change and human interventions contributed approximately -50.2% and 150.2%, respectively, to changes in the discharge of the Hablehroud basin. Climate projections for the basin indicate that, for most stations and months in future periods, total monthly precipitation will show a slight increasing trend, while temperature variations will exhibit a significant rise in both average monthly maximum and minimum temperatures. Furthermore, land-use map predictions suggest an expansion of irrigated agricultural lands and a reduction in pasture vegetation cover in the future. Based on climate projections and hydrological modeling with GSFLOW, future hydrological changes in the rivers of the Hablehroud basin are expected to follow the same trends observed in the past. Conclusion: Human intervention plays the most significant and influential role in the decline of the Hablehroud River’s flow, primarily due to land-use changes, which serve as key indicators of such interventions. These changes are largely driven by inappropriate administrative policies implemented across the basin. Therefore, reforming management practices and implementing appropriate policies to prevent unsustainable land-use changes can have a substantial impact on stabilizing the river’s discharge rate. Given the consequences of human interventions in the Hablehroud watershed such as the sharp decline in discharge rates in its tributaries and the intensification of conflicts among stakeholders it is recommended that management policies and interventions prioritize effective planning. This includes the regulation and optimization of human activities through the development and implementation of land preparation programs, as well as water consumption optimization and conservation strategies. The findings of this study can serve as a valuable reference for the future development, utilization, and management of water resources throughout the study area. Conclusion: Human intervention plays the most significant and influential role in the decline of the Hablehroud River’s flow, primarily due to land-use changes, which serve as key indicators of such interventions. These changes are largely driven by inappropriate administrative policies implemented across the basin. Therefore, reforming management practices and implementing appropriate policies to prevent unsustainable land-use changes can have a substantial impact on stabilizing the river’s discharge rate. Given the consequences of human interventions in the Hablehroud watershed such as the sharp decline in discharge rates in its tributaries and the intensification of conflicts among stakeholders it is recommended that management policies and interventions prioritize effective planning. This includes the regulation and optimization of human activities through the development and implementation of land preparation programs, as well as water consumption optimization and conservation strategies. The findings of this study can serve as a valuable reference for the future development, utilization, and management of water resources throughout the study area. Abstract Background and objectives: Climate variations and human activities are two major factors influencing the trends of hydrological cycle components in watersheds. It is essential to understand how flow behavior is separately affected by climate change and human activities in order to formulate effective adaptation policies and strategies for water resource planning and management. In recent years, the reduction in the discharge of the Hablehroud River has led to tensions among stakeholders of the basin’s water resources in Semnan and Tehran provinces, as well as between upstream and downstream farmers. Therefore, the aim of this research is to quantify the impacts of climate change and human interventions on the discharge of the Hablehroud River and to determine the relative contribution of each influencing factor. Additionally, this study investigates objectives such as identifying trends in climatic variables and the status of surface water resources, quantifying the effects of various natural and anthropogenic factors on these trends, predicting the future status of water resources in the study area under the continuation of current policies and strategies, and forecasting water resource conditions under different climate change scenario. The study area encompasses the upstream section of the Hablehroud watershed, extending to the Bonekouh hydrometric station, which is situated at the administrative boundary between Tehran and Semnan provinces. The Hablehroud River, serving as the main drainage of the watershed, has been increasingly affected in recent years by human activities and climate change, resulting in significant alterations to its hydrological status over the past decades. Materials and Methods: In this study, long-term statistics from hydrometric stations were collected and pre-processed. A significant change point in the annual discharge time series was then identified. The GSFLOW hydrologic model was applied to distinguish the effects of climate change and human interventions on the declining discharge of the Hablehroud River. In addition to analyzing the impact of influencing factors during the observed period, the region’s future climate conditions were projected using the Canadian Earth System Model (CanESM2) under RCP 2.6, RCP 4.5, and RCP 8.5 scenarios. Land-use changes and their dynamics in the study area were simulated using the Markov chain and CA-Markov models within the MOLUSCE module, an extension of the QGIS spatial information system. Future flow regime modeling under the combined influence of climate change and human activities was conducted using the GSFLOW model. Ultimately, the study provides a long-term perspective on the impacts of climate change and anthropogenic factors on the discharge of the Hablehroud River. Results: The results indicate that land-use changes in the Hablehroud basin have generally shifted toward an increase in agricultural lands, gardens, and residential areas, accompanied by a decline in pasture quality and continued degradation of natural vegetation. Climatic indicators also reveal an upward trend in the average temperature of the basin, along with changes in several precipitation indices. According to the findings, a significant abrupt change occurred in the annual discharge time series of the Bonekouh hydrometric station in the mid-1990s, leading to a decline in most hydrological indices of the Hablehroud River. The separation of climate change and human intervention effects showed that human activities have had a greater impact on the reduction of discharge in the basin than climate change. Hydrological modeling using the GSFLOW model suggests that climate change and human interventions contributed approximately -50.2% and 150.2%, respectively, to changes in the discharge of the Hablehroud basin. Climate projections for the basin indicate that, for most stations and months in future periods, total monthly precipitation will show a slight increasing trend, while temperature variations will exhibit a significant rise in both average monthly maximum and minimum temperatures. Furthermore, land-use map predictions suggest an expansion of irrigated agricultural lands and a reduction in pasture vegetation cover in the future. Based on climate projections and hydrological modeling with GSFLOW, future hydrological changes in the rivers of the Hablehroud basin are expected to follow the same trends observed in the past. Conclusion: Human intervention plays the most significant and influential role in the decline of the Hablehroud River’s flow, primarily due to land-use changes, which serve as key indicators of such interventions. These changes are largely driven by inappropriate administrative policies implemented across the basin. Therefore, reforming management practices and implementing appropriate policies to prevent unsustainable land-use changes can have a substantial impact on stabilizing the river’s discharge rate. Given the consequences of human interventions in the Hablehroud watershed such as the sharp decline in discharge rates in its tributaries and the intensification of conflicts among stakeholders it is recommended that management policies and interventions prioritize effective planning. This includes the regulation and optimization of human activities through the development and implementation of land preparation programs, as well as water consumption optimization and conservation strategies. The findings of this study can serve as a valuable reference for the future development, utilization, and management of water resources throughout the study area. Conclusion: Human intervention plays the most significant and influential role in the decline of the Hablehroud River’s flow, primarily due to land-use changes, which serve as key indicators of such interventions. These changes are largely driven by inappropriate administrative policies implemented across the basin. Therefore, reforming management practices and implementing appropriate policies to prevent unsustainable land-use changes can have a substantial impact on stabilizing the river’s discharge rate. Given the consequences of human interventions in the Hablehroud watershed such as the sharp decline in discharge rates in its tributaries and the intensification of conflicts among stakeholders it is recommended that management policies and interventions prioritize effective planning. This includes the regulation and optimization of human activities through the development and implementation of land preparation programs, as well as water consumption optimization and conservation strategies. The findings of this study can serve as a valuable reference for the future development, utilization, and management of water resources throughout the study area.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7667_3b6bcc92e29f477c6980b3d9563ad1a0.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Optimization of Water Distribution Network Design Using WaterGEMS and Sequential Quadratic Programming Algorithm: A Case Study of Birjand Zaferanieh Network بهینه‌سازی طراحی شبکه توزیع آب با استفاده از WaterGEMS و الگوریتم برنامه‌ریزی درجه دوم متوالی: مطالعه موردی شبکه زعفرانیه بیرجند 55 79 7668 10.22069/jwsc.2025.23736.3810 FA مهدی ناصری نویسنده مسئول، استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران. راضیه شمشیرگران دانشجوی دکتری مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران. Journal Article 2025 06 02 Background and Objective: Urban water distribution networks (WDNs) account for over 80 % of total water-supply costs in semi-arid regions such as Birjand, Iran. In the Zafaraniyeh residential district, anticipated increases in water demand through the planning horizon of 1433 necessitate a cost-effective and hydraulically reliable network design. This study introduces an integrated methodology—referred to as SQP–WDN—that concurrently leverages detailed hydraulic simulation in Bentley WaterGEMS and constrained nonlinear optimization via the Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm in MATLAB. The main objective of this method is to determine the optimal pipe diameters that minimize total network investment while ensuring all hydraulic constraints, including minimum node pressures and allowable flow velocities, are rigorously satisfied. Materials and Methods: The target network comprises 21 demand nodes and 27 pipeline segments, modeled in WaterGEMS using high-resolution topographic maps and nodal elevation data ranging from 1485 to 1565 m above mean sea level. Hourly water demand at each node; varying from approximately 1.06 m³/h to 17.67 m³/h; was estimated by averaging results obtained from three demand-estimation techniques (geometric, arithmetic, and Fire’s method). All pipes were assigned a Hazen–William’s roughness coefficient of C = 130. Hydraulic constraints imposed on the system included a maximum allowable flow velocity of 2.0 m/s, a minimum permissible velocity of 0.3 m/s. Additionally, the minimum required pressure at all nodes was defined as 30 meters of water head. In the initial network configuration, the principal reservoir (Node R-1) was fixed at an elevation of 1565 m and supplied flow at a steady rate of 37.9 L/s through pipe segment 27 to Node J-20 (elevation 1521.8 m). WaterGEMS was used to perform steady-state hydraulic simulations, applying the Hazen–Williams’s formulation to calculate head losses. Critical sections, where simulated nodal pressures dropped below the defined minimum under peak-demand conditions, were identified, indicating the necessity of an optimization procedure to ensure sufficient pressure throughout the network. To address the pipe-sizing problem, the SQP algorithm was implemented in MATLAB. The objective function was formulated to minimize the total cost of all pipeline segments, with each segment’s cost determined by a cost–diameter polynomial calibrated to prevailing market prices. A velocity-penalty term was incorporated into the objective so that, if a candidate pipe diameter resulted in flow velocity exceeding 2.0 m/s or falling below 0.3 m/s, the objective value increased substantially, rendering that diameter choice suboptimal. The primary design constraints included mass-balance at each node (net inflows equal net outflows) and maintenance of nodal pressures within the allowable range. To automate the iterative coupling between WaterGEMS and MATLAB, a VBA script was developed in WaterGEMS to export simulation outputs (nodal pressures, pipe flows, lengths, and nominal diameters) into an Excel workbook after each simulation. MATLAB then ingested these data, evaluated the objective function and constraints, and updated pipe diameters accordingly. In the subsequent iteration, MATLAB recorded the revised diameters back into the Excel file, and WaterGEMS reran the hydraulic simulation. This bidirectional data exchange continued until convergence criteria were met—specifically, when successive changes in the total cost and pipe diameters fell below predefined tolerances. Prior to applying SQP–WDN to the Zafaraniyeh network, the methodology was validated on the benchmark two‐loop network introduced by Alperovitz and Shamir. This validation network comprised seven nodes and eight identical 1000 m pipelines (Hazen–Williams C = 130) supplied by a reservoir at 210 m elevation, with a fixed minimum head requirement of 30 m at each node. After performing SQP optimization on this benchmark, the resulting pipe diameters, nodal pressures, and total network cost were compared against established results from widely cited studies. The total cost achieved was approximately USD 420 000, which closely matched published values. This agreement confirmed the accuracy and reliability of the hydraulic model in WaterGEMS and the SQP-based optimization routine in MATLAB. Results: Following successful validation, SQP–WDN was deployed on the Zafaraniyeh network. For each of the 27 pipeline segments, the “theoretical” diameter output by SQP was compared to the nearest commercially available nominal size that was equal to or larger than the computed diameter. In eight segments (Nos. 1, 4, 5, 6, 7, 13, 14, and 27), the computed diameters exactly matched standard market sizes. For example, in Segment 27—which serves as the main feed from the reservoir (Node R-1) to the network—SQP recommended a 250 mm pipe, corresponding precisely to a commercially stocked 250 mm diameter. This choice ensured that terminal node pressures remained above 60.15 m of head, thereby satisfying all minimum pressure requirements. The remaining 19 segments were each assigned the next larger standard diameter to introduce a hydraulic safety margin and reduce head losses in critical branches. For instance, Segment 2’s SQP‐computed diameter was approximately 79.49 mm, but the nearest available size was 90 mm; adopting 90 mm-maintained Node J-2’s minimum pressure above 66.14 m under peak‐demand conditions. Overall, selecting slightly larger commercial sizes for susceptible segments reduced head loss in critical pipelines, enhanced pressure stability, and mitigated the risk of substandard performance due to construction tolerances or future demand fluctuations. After reconciling computed diameters with market-available sizes, the total capital cost of the Zafaraniyeh distribution network was estimated at 21 623 954 000 IRR (approximately USD 485 000 at the 2025 exchange rate). Although this figure is marginally higher than the theoretical cost if exact diameters (that may not exist commercially) were used, it represents a practical and cost-effective solution given market constraints. Steady-state simulations of the final network configuration confirmed that, under both normal and peak‐demand scenarios, all nodal pressures exceeded their respective minimum thresholds and all flow velocities remained within the allowable range of 0.3–2.0 m/s. Graphical outputs further illustrated that branches where velocities were previously near the upper limit achieved a significant reduction in flow velocity after adopting the larger commercial diameters; head losses in these branches decreased accordingly, leading to improved overall hydraulic performance. Conclusion: The combined SQP–WDN framework successfully reduced the investment cost of the Zafaraniyeh WDN while guaranteeing satisfactory hydraulic performance under all operating conditions. By integrating detailed hydraulic modeling in WaterGEMS with a robust SQP optimizer in MATLAB and automating the data exchange via VBA scripting, the method efficiently determined optimal pipe diameters and translated them into practical, commercially available sizes. The resulting network design—totaling approximately 21.624 billion IRR—meets or exceeds all hydraulic constraints, including minimum node pressures and velocity limits. This integrated approach provides a reliable blueprint for designing small to mid‐sized distribution networks in water‐scarce regions. Future research should explore hybrid optimization strategies that combine SQP with heuristic or metaheuristic algorithms, develop multi‐objective formulations (e.g., minimizing cost, energy use, and water age), and implement robust optimization techniques to address uncertainties in demand projections and network parameters. سابقه و هدف: شبکه‌های توزیع آب شهری در مناطق نیمه‌خشک مانند بیرجند از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند، زیرا بیش از ۸۰٪ هزینه تأمین آب مربوط به شبکه توزیع است. شهرک زعفرانیه، با پیش‌بینی افزایشی در تقاضای آب تا افق ۱۴۳۳، نیازمند طراحی شبکه‌ای کم‌هزینه و پایدار است؛ شبکه‌ای که بتواند در عین تأمین فشار مناسب برای همه مشترکین، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه و عملیاتی را به حداقل برساند. در این پژوهش، رویکردی ترکیبی با عنوان SQP–WDN معرفی شد که شبیه‌سازی هیدرولیکی دقیق شبکه توزیع آب (WDN) در نرم‌افزار WaterGEMS و بهینه‌سازی طراحی با استفاده از الگوریتم دنباله‌ای برنامه‌ریزی درجه‌دوم (SQP) در محیط MATLAB را هم‌زمان به کار می‌گیرد. هدف اصلی این روش تعیین قطر بهینه لوله‌ها برای تحقق هزینه حداقلی شبکه و حفظ رعایت تمام قیود هیدرولیکی از جمله فشار حداقل در گره‌ها و سرعت مجاز در لوله‌ها است. مواد و روش‌ها: شبکه توزیع آب مورد مطالعه شامل 21 گره مصرفی و 27 خط لوله است که به کمک نقشه‌های توپوگرافی و داده‌های ارتفاعی گره‌ها (بین ۱۴۸۵ تا ۱۵۶۵ متر) در نرم‌افزار WaterGEMS مدل‌سازی شد. مصرف ساعتی هر گره براساس میانگین نتایج سه روش هندسی، حسابی و فایر تعیین شد که مقدار آن بین 06/1 تا 67/17 مترمکعب در ساعت متغیر است. ضریب زبری لوله‌ها مطابق معیار هیزن–ویلیامز برابر ۱۳۰ و محدوده مجاز سرعت جریان در لوله‌ها بین 3/0 تا ۲ متر بر ثانیه لحاظ شد. همچنین حداقل فشار موردنیاز در تمام گره‌ها ۳۰ متر ستون آب تعریف گردید. در طراحی اولیه، مخزن اصلی (گره R-1) با ارتفاع ثابت ۱۵۶۵ متر در نظر گرفته شد و جریان اولیه در شرایط پایدار به میزان 9/37 لیتر بر ثانیه از طریق لوله شماره ۲۷ به سمت گره J-20 (با ارتفاع 80/1521 متر) برقرار شد. با اجرای شبیه‌سازی WaterGEMS، افت هد بر اساس رابطه هیزن–ویلیامز محاسبه شد و نقاطی که در زمان پیک مصرف فشار در آن‌ها به زیر حد مجاز می‌رسیدند، شناسایی گردیدند. این نقاط بحرانی نشان می‌داد شبیه‌سازی اولیه بدون بهینه‌سازی قادر به تأمین فشار مناسب در همه نواحی نیست. برای حل مسئله تعیین قطر بهینه لوله‌ها، الگوریتم SQP در محیط MATLAB اجرا شد. در این الگوریتم، تابع هدف عبارت بود از حداقل‌سازی هزینه کل شبکه که هزینه هر لوله براساس طول و قطر آن محاسبه می‌شد. هم‌زمان برای حفظ قیود مربوط به سرعت، عبارتی به عنوان جریمه در نظر گرفته شد؛ به‌طوری که در صورت خروج سرعت جریان از بازه مجاز (بیش از ۲ یا کمتر از 3/0 متر بر ثانیه)، ارزش هدف افزایش یافته و انتخاب آن قطر نامطلوب تلقی می‌شد. قیود اصلی طراحی، شامل بقای جرم در هر گره (مجموع جریان‌های ورودی و خروجی برابر صفر) و حفظ محدودیت فشار در رنج تعریف‌شده بود. برای اجرای یک چرخه خودکار شبیه‌سازی و بهینه‌سازی، اسکریپت VBA در WaterGEMS توسعه یافت تا تبادل داده توسط MATLAB انجام شود. پیش از اعمال نهایی روش بر شبکه زعفرانیه، صحت الگوریتم SQP–WDN بر شبکه مرجع دوحلقه‌ای الپروویتز و شامیر آزموده شد. این شبکه شامل هفت گره و هشت خط لوله به طول یک‌هزار متر با ضریب زبری ۱۳۰ و مخزن با ارتفاع ۲۱۰ متر بود. حداقل هد در گره‌ها حدود ۳۰ متر تعریف شد و پس از اجرای بهینه‌سازی، نتایج شامل قطر لوله‌ها، فشار در گره‌ها و هزینه کل شبکه با نتایج مطالعات معتبر بین‌المللی و داخلی مقایسه گردید. تطابق هزینه نهایی در حدود ۴۲۰٬۰۰۰ دلار با پژوهش‌های معتبر نشان داد که مدل هیدرولیکی و الگوریتم بهینه‌سازی قادر به بازتولید دقیق رفتار شبکه مرجع هستند. این اعتبارسنجی دقت و قابلیت اطمینان روش را تأیید کرد. یافته‌ها: پس از اعتبارسنجی موفق، الگوریتم ترکیبی SQP–WDN برای شبکه زعفرانیه اجرا شد. در این مرحله، قطر محاسباتی هر لوله (خروجیSQP ) در مقابل قطر نهایی تجاری (نزدیک‌ترین اندازه استاندارد بزرگ‌تر یا مساوی قطر محاسباتی) قرار گرفت. نتایج نشان داد در هشت لوله از بیست‌و‌هفت خط لوله (از جمله لوله‌های شماره ۱، ۴، ۵، ۶، ۷، ۱۳، ۱۴ و ۲۷)، قطر محاسباتی تئوری دقیقاً با قطر تجاری مطابقت داشت. برای مثال، لوله شماره ۲۷ که نقش اساسی در انتقال جریان بالای آب از مخزن به کل شبکه داشت، هم قطر محاسباتی و هم قطر تجاری ۲۵۰ میلی‌متر انتخاب شد؛ به‌طوری که حداقل فشار در گره‌های انتهایی (حدود 15/60 متر آب) به خوبی تأمین گردید. برای بقیه لوله‌ها، قطر تجاری کمی بزرگ‌تر از قطر تئوری برگزیده شد تا افت فشار در مسیرهای بحرانی کاهش یابد و حاشیه اطمینان هیدرولیکی تقویت گردد. به‌عنوان نمونه، قطر محاسباتی لوله شماره ۲ معادل 49/79 میلی‌متر بود، اما قطر تجاری ۹۰ میلی‌متر به کار رفت تا در شرایط پیک، حداقل فشار در گره J-2 به بیش از 14/66 متر آب برسد. این حدود رواداری اجرایی سبب شد افت فشار شبکه کاهش یابد و نقاط انتهایی پایدارتر شوند. در نهایت، هزینه نهایی شبکه زعفرانیه پس از تطبیق قطرها با اندازه‌های تجاری حدود ۲۱٬۶۲۳٬۹۵۴٬۰۰۰ ریال محاسبه شد. اگرچه هزینه تئوری صرفاً بر اساس قطرهای دقیق محاسباتی ممکن بود اندکی کمتر باشد، ولی انتخاب قطرهای استاندارد بزرگ‌تر به دلیل جلوگیری از مشکلات اجرایی، اقتصادی و حفظ پایداری هیدرولیکی، معقول ارزیابی شد. در تمام شرایط بهره‌برداری—اعم از نرمال و پیک مصرف—فشار تمام گره‌ها بالاتر از حداقل تعریف‌شده (حدود ۳۰ متر آب) و سرعت آب در همه لوله‌ها بین 3/0 تا ۲ متر بر ثانیه باقی ماند. تحلیل خروجی‌های گرافیکی نیز نشان داد که با افزایش قطر تجاری در شاخه‌های بحرانی، نقطه‌هایی که سرعت جریان پیش از بهینه‌سازی به نزدیکی حد مجاز می‌رسید، به سرعتی کمتر دست یافته و افت هد کل شبکه کاهش یافته است. نتیجه‌گیری: روش ترکیبی SQP–WDN نشان داد که می‌تواند هزینه سرمایه‌گذاری شبکه توزیع آب شهرک زعفرانیه را کاهش داده و در عین حال عملکرد هیدرولیکی شبکه را در همه شرایط تضمین کند. با بهره‌گیری از شبیه‌سازی دقیق WaterGEMS و الگوریتم SQP در MATLAB، قطر بهینه لوله‌ها تعیین شد و پس از تطبیق با قطرهای تجاری، هزینه نهایی حدود 624/21 میلیارد ریال محاسبه شد. خودکارسازی فرایند انتقال داده‌ها به کمک VBA موجب کاهش خطاهای انسانی و صرفه‌جویی در زمان شد. این چارچوب یکپارچه و کم‌خطا برای طراحی شبکه‌های کوچک تا متوسط در مناطق با محدودیت منابع آبی کاربردی است و می‌تواند به‌عنوان الگویی عملی برای مطالعه و پیاده‌سازی پروژه‌های مشابه در سایر نواحی مورد استفاده قرار گیرد. پیشنهاد می‌شود در مطالعات بعدی، ترکیب SQP با روش‌های فراابتکاری، توسعه رویکردهای چندهدفه و اعمال بهینه‌سازی استوار در شبکه‌های بزرگ‌تر بررسی گردد تا پایداری و کارایی طرح‌ها بیش از پیش ارتقاء یابد.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7668_32e70f0c92908890ef311746a1e0d956.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 The effect of forest cover, wooded and non-wooded rangeland on the properties of the organic and mineral soil layer اثر پوشش‌های جنگلی، مرتع مشجر و غیرمشجر برویژگی‌های لایه آلی و معدنی خاک 81 104 7669 10.22069/jwsc.2026.22845.3764 FA یحیی کوچ نویسنده مسئول، دانشیار گروه مرتع‌داری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران. مهین فولادی دوقزلو دانشجوی دکتری علوم و مهندسی مرتع، گروه مرتع‌داری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران. 0009-0005-6156-1447 Journal Article 2024 10 06 Background and Objective :Vegetation cover type, particularly various tree species, plays a pivotal role in enhancing the physical and chemical structure of soil through the production of litter and organic residues. Differences in vegetation types, such as forests, wooded pastures, and non-wooded grasslands, lead to variations in organic matter content, nutrient availability, and soil biological activities. Soil microorganisms and enzyme activities, influenced by plant species, serve as critical indicators for assessing soil quality, fertility, and sustainability. In this context, the present study investigates the characteristics of organic and mineral soil layers in areas with different vegetation covers in the Gil-Kala summer pasture region of Nowshahr, Mazandaran Province, Iran. The study focuses on four vegetation types: a forest dominated by Oriental beech (Fagus orientalis), a mixed shrub land of hawthorn and barberry (Crataegus microphylla and Berberis integerrima), a shrubland dominated by blackthorn (Prunus spinosa), and a grassland dominated by wheatgrass (Agropyron longiaristatum). Materials and Methods :To evaluate the effects of different land covers on the properties of organic and mineral soil layers, preliminary surveys and field visits were conducted to select contiguous areas with minimal variations in elevation (1600–1610 meters above sea level), slope gradient (5–8%), and slope aspect. In each of the four vegetation types under study, two one-hectare plots (100 m × 100 m) were selected, with a minimum distance of 500 meters between them. Within each plot, five samples of the organic layer (litter or fine debris) and the mineral layer (30 cm × 30 cm to a depth of 10 cm) were collected, resulting in a total of 10 litter samples and 10 soil samples per vegetation type for laboratory analysis. One portion of the soil samples was air-dried and sieved through a 2-mm mesh for physical and chemical analyses, while another portion was stored at 4°C for biological tests. The nutrient content of the litter—including nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca), and magnesium (Mg)—was measured through standard laboratory mineralization procedures. Laboratory incubation methods were used to assess the activities of urease, phosphatase, arylsulfatase, and invertase enzymes. Earthworms were manually separated from the soil, washed in water, and preserved in alcohol-containing containers. They were identified based on morphological characteristics such as size, body length, color, clitellum position and shape, and the location and type of reproductive organs. Soil mites and collembolans were counted using the Berlese funnel method, soil nematodes were extracted using the Baermann funnel and centrifugation technique, and soil protozoa were quantified under a microscope at 50x magnification. Bacterial and fungal populations were recorded using culture-based methods. Results :The results indicate that the highest nitrogen content in the organic layer (1.96%) was observed in the beech forest, while the lowest (1.03%) was found in the wheatgrass grassland. Similarly, the highest values for aggregate stability (72%), clay content (42%), coarse aggregates (52%), and fine aggregates (35%) were recorded in the beech forest. In contrast, the lowest values for these properties were 56%, 28%, 30%, and 19%, respectively, in the wheatgrass grassland. The highest pH (7.11) and soil fertility parameters were also associated with the beech forest, while the lowest values were observed in the wheatgrass grassland. Furthermore, the beech forest exhibited the highest abundance (4.1 individuals/m²) and biomass (42.48 mg/m²) of epigeic earthworms, abundance (1.2 individuals/m²) and biomass (4.66 mg/m²) of anecic earthworms, total earthworm abundance (9.5 individuals/m²), soil mite abundance (67,343.3 individuals/m²), soil nematode abundance (811 individuals/100 g soil), and soil protozoan abundance (613 individuals/100 g soil). Additionally, the highest populations of bacteria (4.47 × 10⁷/g soil) and fungi (1.72 × 10⁷/g soil), basal respiration (0.46 mg CO₂/g/day), microbial biomass carbon (362.8 mg/kg), microbial biomass nitrogen (58.28 mg/kg), and the microbial biomass nitrogen-to-phosphorus ratio (2.2) were observed in the beech forest. Conclusion :Overall, the findings of this study demonstrate that the conversion of herbaceous vegetation to woody (tree and shrub) vegetation in the mountainous Gil-Kala region of Nowshahr, Mazandaran Province, significantly alters the properties of both organic and mineral soil layers. Notable changes include variations in organic layer nitrogen content, aggregate stability, clay percentage, and the proportions of coarse and fine aggregates, all of which showed significant differences among vegetation types. Other parameters, such as ammonium, nitrate, geometric mean of enzyme activities, soil pH, electrical conductivity, total carbon, carbon in fine aggregates, organic matter, total nitrogen, fixed nitrogen, nitrogen in fine aggregates, dissolved organic nitrogen, nutrient elements (phosphorus, potassium, calcium, and magnesium), fine root biomass, and the activities of enzymes such as urease, acid phosphatase, arylsulfatase, and invertase, also exhibited significant changes. Furthermore, attributes such as the abundance and biomass of epigeic, anecic, and endogeic earthworms, as well as the populations of total earthworms, soil mites, nematodes, and protozoa, displayed marked differences across the land cover types. These findings suggest that tree and shrub covers, due to their longer persistence, ability to provide shade, reduce evaporation, and increase soil moisture, play a significant role in improving soil structure and supporting the growth of earthworm and microbial populations. These organisms are crucial for organic matter decomposition, nutrient cycling, and the enhancement of soil’s physical, chemical, and biological properties, ultimately leading to improved soil fertility and productivity. Consequently, the results indicate that expanding woody vegetation cover can create more favorable conditions for optimal soil functioning and serve as an effective strategy for restoring degraded lands. Therefore, in regions with similar semi-arid and mountainous climates facing land degradation and land-use changes, the development of woody vegetation, particularly beech, is recommended. سابقه و هدف: پوشش‌های گیاهی به‌ویژه گونه‌های مختلف درختی، نقش تعیین‌کننده‌ای در بهبود ساختار فیزیکی و شیمیایی خاک از طریق تولید لاشبرگ و بقایای آلی دارند. تفاوت در نوع پوشش مانند جنگل‌ها، مراتع مشجر و غیرمشجر، باعث تغییر در میزان ماده آلی، عناصر غذایی، و فعالیت‌های بیولوژیکی خاک می‌شود. فعالیت میکروارگانیسم‌ها و آنزیم‌های خاک که تحت تأثیر نوع گونه‌های گیاهی هستند، شاخص‌هایی مهم در ارزیابی کیفیت، باروری و پایداری خاک به‌شمار می‌آیند. در همین راستا پژوهش حاضر به منظور بررسی مشخصه‌های مختلف لایه‌آلی و بخش معدنی خاک در اراضی دارای پوشش جنگلی با غالبیت راش (Fagus orientalis)، پوشش درختچه‌ای آمیخته ولیک و زرشک (Crataegus microphylla and Berberis integerrima Bunge)، پوشش درختچه‌ای با غالبیت آلوچه‌وحشی (Prunus spinosa) و پوشش مرتعی با غالبیت علف گندمی (Agropyron longiaristatum Bois) در منطقه ییلاقی گیل‌کلا نوشهر استان مازندران مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: به منظور بررسی اثرات پوشش‌های اراضی بر مشخصه‌های مختلف لایه آلی و معدنی خاک، پس از بررسی‌های اولیه و بازدید‌های میدانی، بخش‌هایی از اراضی فوق‌الذکر انتخاب شد که به صورت پیوسته با هم بوده و حداقل اختلاف ارتفاع (1600-1610 متر) از سطح دریا، حداقل تغییر درصد (8-5) و جهت شیب در آن‌ها مشاهده شد. بدین منظور در هر یک از رویشگاه‌های مورد مطالعه دو قطعه یک هکتاری (100 متر× 100 متر) با فواصل حداقل 500 متر انتخاب شدند. در هر یک از قطعات یک هکتاری، تعداد 5 نمونه از لایه آلی (لاشبرگ یا لاشه‌ریزه) و معدنی (سطح 30 سانتی‌متر × 30 سانتی‌متر تا عمق 10 سانتی‌متری) خاک برداشت و در مجموع از هر یک از رویشگاه‌های مورد مطالعه تعداد 10 نمونه لاشبرگ و 10 نمونه خاک جهت تجزیه و تحلیل به آزمایشگاه انتقال داده شد. یک بخش از نمونه‌های خاک جهت انجام آزمایش‌های فیزیکی و شیمیایی، پس از هوا خشک شدن از الک 2 میلی‌متری عبور داده ‌شده و بخش دوم نمونه‌ها برای انجام آزمایش‌های زیستی تا زمان آزمایش در دمای 4 درجه سانتی‌گراد نگهداری شد. مقدار نیتروژن، فسفر، پتاسیم، کلسیم و مینزیم لاشبرگ به روش معدنی‌سازی نمونه‌ها در محیط آزمایشگاه اندازه‌گیری شد. از روش انکوباسیون آزمایشگاهی برای سنجش فعالیت آنزیم‌های اوره‌آز، فسفاتاز، آریل سولفاتاز و اینورتاز استفاده شد. برای شناسایی کرم‌های خاکی از روی شکل ظاهری، هر یک از آن‌ها ابتدا به صورت دستی از خاک جدا و پس از شستشو در آب در ظروف حاوی الکل نگهداری شد. با توجه به مشخصه‌های ریخت‌شناسی (اندازه، طول و رنگ بدن) و همچنین مشخصه‌هایی نظیر محل قرارگیری و شکل گلیتلوم، محل قرار‌گیری اندام‌های جنسی روی سگمنت‌ها و گلیتلوم، شکل و نوع اندام‌های جنسی و دیگر مشخصات ظاهری، کرم‌های خاکی مورد شناسایی قرار گرفت. شمارش کنه‌ها و پادمان‌ها به روش قیف برلیز، نماتدهای خاکزی با استفاده از تکنیک قیف بیرمن و سانتریفیوژ، پروتوزوئرهای خاک به‌وسیله میکروسکوپ با بزرگنمایی50 اندازه گیری شد. همچنین جمعیت باکتری‌ها و قارچ‌های خاکزی به روش کشت ثبت شد. نتایج: طبق نتایج پژوهش حاضر بیشترین مقدار (1٫96 درصد) نیتروژن لایه آلی به رویشگاه جنگلی راش و کمترین مقدار (1٫03 درصد) آن به پوشش علف گندمی تعلق داشت. همچنین، بیشترین مقادیر مربوط به پایداری خاکدانه‌ها (72 درصد)، رس (42 درصد)، خاکدانه درشت (52 درصد) و خاکدانه ریز (35 درصد) در پوشش درختی راش مشاهده شد. در مقابل، کمترین مقادیر این مشخصه‌ها به ترتیب برابر با 56 ، 28 ، 30 و 19 درصد در پوشش گیاهی علف گندمی مشاهده گردید. لازم به ذکر است که بیشترین مقدار (7٫11) pH و مشخصه‌های حاصل‌خیزی خاک به پوشش درختی راش و کمترین مقدار آن‌ها به رویشگاه علف گندمی متعلق بود. همچنین، بیشترین فراوانی (4٫1 در مترمربع) و زی‌توده اپی‌ژئیک (42٫48 میلی‌گرم در متر مربع)، فراوانی (1٫2 در متر مربع) و زی‌توده آنسئیک (4٫66 میلی‌گرم در متر مربع)، فراوانی کل کرم‌های خاکی (9٫5 در متر مربع)، فراوانی کنه‌های خاکزی (67343٫3 در متر مربع)، نماتدهای خاکزی (811 در 100 گرم خاک) و پروتوزوئرهای خاکزی (613 در 100 گرم خاک) به پوشش درختی راش تعلق داشت. لازم به ذکر است که بیشترین جمعیت باکتری‌ها (4٫47 در107گرم خاک) و قارچ‌ها (1٫72 در107گرم خاک)، تنفس پایه (٫46 میلی‌گرم دی‌اکسید کربن به ازای هر گرم در روز)، زی‌توده میکروبی کربن (362٫8 میلی‌گرم به ازای هرکیلوگرم) و زی‌توده میکروبی نیتروژن (58٫28 میلی‌گرم به ازای هرکیلوگرم) و نسبت زی‌توده میکروبی نیتروژن به زی‌توده میکروبی فسفر (2٫2) خاک در پوشش درختی راش مشاهده شد. نتیجه گیری : به‌طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد که تبدیل پوشش‌های گیاهی از نوع علفی به پوشش‌های درختی و درختچه‌ای در ناحیه کوهستانی گیل‌کلا نوشهر واقع در استان مازندران، موجب تغییرات معناداری در بسیاری از ویژگی‌های لایه‌های آلی و معدنی خاک گردید. از جمله این تغییرات می‌توان به نیتروژن موجود در لایه آلی، پایداری خاک‌دانه‌ها، درصد رس، و میزان خاک‌دانه‌های درشت و ریز اشاره کرد که همگی در میان انواع پوشش‌های گیاهی تفاوت معنی‌داری داشتند. همچنین شاخص‌هایی نظیر آمونیوم، نیترات، میانگین هندسی فعالیت آنزیم‌ها، pH خاک، هدایت الکتریکی، میزان کربن کلی و کربن موجود در خاک‌دانه‌های ریز، ماده آلی، نیتروژن کل، نیتروژن تثبیت‌شده، نیتروژن موجود در خاک‌دانه‌های ریز، نیتروژن آلی محلول، عناصر غذایی از جمله فسفر، پتاسیم، کلسیم و منیزیم، زی‌توده ریشه‌های ریز، و فعالیت آنزیم‌هایی چون اوره‌آز، اسید فسفاتاز، آریل‌سولفاتاز و اینورتاز نیز دچار تغییرات قابل توجهی شدند. علاوه بر این، ویژگی‌هایی مانند تعداد و زی‌توده اپی‌ژئیک‌ها، آنسئیک‌ها و اندوژئیک‌ها، جمعیت کلی کرم‌های خاکی، کنه‌های خاکزی، نماتدها و پروتوزوئرهای موجود در خاک نیز تفاوت‌های چشمگیری بین انواع پوشش اراضی از خود نشان دادند. یافته‌های این مطالعه حاکی از آن است که پوشش‌های درختی و درختچه‌ای به علت ماندگاری بیشتر، توان ایجاد سایه، کاهش میزان تبخیر و افزایش رطوبت خاک، نقش مؤثری در بهبود ساختار خاک و رشد جمعیت کرم‌های خاکی و سایر میکروارگانیسم‌های خاکزی ایفا می‌کنند. این موجودات در تجزیه مواد آلی، چرخه عناصر غذایی و ارتقای ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک نقش کلیدی دارند؛ امری که در نهایت منجر به ارتقای باروری و حاصل‌خیزی خاک می‌گردد. بر این اساس، نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که گسترش پوشش‌های چوبی می‌تواند شرایط مساعدتری برای عملکرد مطلوب خاک ایجاد کند و به عنوان راهکاری مؤثر در بازسازی اراضی تخریب‌شده مطرح شود. بنابراین، در مناطقی با شرایط اقلیمی مشابه (نیمه‌خشک و کوهستانی) که با تخریب و تغیر کاربری اراضی مواجه‌اند، توسعه بیشتر این نوع پوشش‌های گیاهی (راش) توصیه می‌شود.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7669_052aed6b65da7960aa08eaa46d6cffd0.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Evaluation of the Capability of Physics-Aware Neural Networks in Accelerating Flood Simulation Using STE Software ارزیابی توانایی شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک در تسریع شبیه سازی سیلاب با استفاده از نرم‌افزار STE 105 127 7624 10.22069/jwsc.2026.22522.3734 FA رضا تیموری دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران امیر احمد دهقانی نویسنده مسئول، استاد گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران مهدی مفتاح هلقی دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران Journal Article 2024 06 09 Background and objectives: Floods cause significant damage to urban and rural areas. Rapid analysis and visualization of floodplains during a flood event are essential for identifying threatened areas and assessing potential damages. One of the most critical aspects of rapid flood modeling is the ability to accurately and promptly predict areas at risk. These predictions can warn authorities and residents in vulnerable areas, allowing for timely measures to reduce casualties and financial losses. During a flood, having precise and fast models helps officials make better decisions regarding rescue operations, evacuation, and resource allocation. Extensive research has been conducted on flood modeling, and numerous hydraulic, hydrological, and empirical models have been developed and reviewed. Despite numerous studies, there is still no software or model capable of rapid flood modeling during a flood event. Therefore, this research aims to develop the 2D module of the STE software to achieve accurate and rapid flood modeling using artificial intelligence methods and 2D shallow water equations. Materials and methods: In this study, the 2D module of the STE software was developed to evaluate the capabilities of two different architectures of Perceptron artificial neural networks, named physics-aware neural networks, in rapid flood modeling in the Eudlo Creek, located in the Sunshine Coast region of Queensland, Australia. The physics-aware neural networks were trained using a genetic algorithm. To test the trained networks and evaluate their ability for rapid flood modeling, their results were compared with those obtained from the finite difference numerical solution. The flood hydrograph used for modeling was obtained from the Australian Bureau of Meteorology for the upstream hydrometric station of the studied river. Results: The comparison of results obtained from physics-aware neural networks (PANNs) with those from the finite difference method showed that PANNs can reduce the time required for modeling by 50 to 70 percent while maintaining significant accuracy and stability. Increasing the beta parameter in both neural networks enhanced the modeling speed but reduced accuracy. Complex PANNs preserved higher levels of accuracy and stability, especially with larger time steps and higher beta values, resulting in less computational error and outcomes closer to the numerical solution. Increasing the beta parameter significantly increased errors while slightly reducing the modeling completion time. Hence, the optimal beta value for the study area and complex PANNs was determined to be 8. Complex PANNs also demonstrated acceptable accuracy in depicting changes in flow depth and floodplain over time, making them suitable for rapid flood modeling, floodplain mapping, identifying threatened areas, crisis management, and reducing flood damage. Conclusion: The AI methods examined in this study demonstrated the ability to increase modeling speed and reduce the time required for flood modeling and floodplain mapping while maintaining adequate accuracy. These methods can serve as effective tools for rapid flood modeling, enabling quicker identification of flood-prone areas, timely notifications, and evacuations of at-risk regions, thereby helping to save lives and reduce financial losses. سابقه و هدف: وقوع سیل موجب خسارات قابل توجهی به مناطق شهری و روستایی می‌شود. تحلیل سریع و مشاهده پهنه سیلاب در زمان وقوع سیل برای شناسایی مناطق مورد تهدید و ارزیابی خسارات احتمالی، ضروری است. یکی از مهم‌ترین ضرورت‌های مدلسازی سریع سیلاب، امکان پیش‌بینی دقیق و به‌موقع نقاط مورد تهدید سیلاب است. این پیش‌بینی‌ها می‌توانند به مقامات مسئول و ساکنان مناطق در معرض خطر هشدار دهند تا اقدامات لازم برای کاهش خسارات جانی و مالی انجام شود. در زمان وقوع سیلاب، داشتن مدل‌های دقیق و سریع به مسئولان کمک می‌کند تا تصمیمات بهتری در زمینه امداد و نجات، تخلیه مناطق و تخصیص منابع اتخاذ کنند. برای مدلسازی سیل تحقیقات گسترده‌ای انجام شده و مدل‌های هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و تجربی زیادی ارائه و مورد بررسی قرار گرفته است. بر خلاف انجام تحقیقات متعدد هنوز نرم‌افزار و مدلی که بتواند در زمان وقوع سیل، پهنه‌بندی سریع سیلاب را انجام دهد وجود ندارد، لذا در این تحقیق اقدام به کدنویسی و توسعه بخش دوبعدی نرم‌افزار STE به منظور مدلسازی دقیق و سریع سیلاب با استفاده از روش‌های هوش مصنوعی و معادلات دوبعدی آب کم عمق شده است. مواد و روش‌ها: در این تحقیق با توسعه بخش دو بعدی نرم‌افزار STE اقدام به ارزیابی توانایی دو ساختار متفاوت از شبکه‌های عصبی مصنوعی پرسپترون با نام شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک، در مدلسازی سریع سیلاب در رودخانه ایودلو کریک، در منطقه سانشاین کوست، کوئینزلند، کشور استرالیا شده است. در این تحقیق، تعلیم شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک با استفاده از الگوریتم هوشمند ژنتیک انجام گرفته و به منظور آزمون شبکه‌های تعلیم یافته و ارزیابی توانایی آن‌ها در مدلسازی سریع سیلاب به مقایسه نتایج با روش حل عددی تفاضل‌های محدود پرداخته شده است. برای انجام مدلسازی‌ها از هیدروگراف سیل دریافت شده از سایت هواشناسی کشور استرالیا برای ایستگاه هیدرومتری بالادست رودخانه مورد مطالعه استفاده شده است. یافته‌ها: مقایسه نتایج بدست آمده از شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک با نتایج بدست آمده از روش تفاضل‌های محدود نشان داد، شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک قادر هستند 50 تا 70 درصد زمان لازم جهت اتمام مدلسازی را با حفظ میزان قابل توجهی از دقت و پایداری مدلسازی کاهش دهند. افزایش ضریب بتا در هر دو شبکه عصبی باعث افزایش سرعت مدلسازی در مقابل کاهش دقت مدلسازی شده است. شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک پیچیده قادر به حفظ میزان بیشتری از دقت و پایداری مدلسازی مخصوصا در گام‌های زمانی بزرگتر و ضریب بتا بیشتر هستند و ضمن کاهش زمان لازم جهت اتمام مدلسازی، خطای کمتری وارد محاسبات کرده و نتایج را نزدیک‌تر به حل عددی ارائه می‌دهند. افزایش ضریب بتا خطای قابل توجهی را در مقابل کاهش اندک زمان اتمام مدلسازی به همراه خواهد داشت که بر این اساس می‌توان نتیجه گرفت ضریب بهینه بتا برای منطقه مورد مطالعه و شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک پیچیده مقدار 8 می‌باشد. شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک پیچیده در ارائه نحوه تغییرات عمق جریان و پهنه سیلابی در طول زمان نیز با دقت قابل قبولی عمل کرده و برای مدلسازی سریع سیلاب، مشخص سازی پهنه سیلاب و مناطق مورد تهدید، مدیریت بحران و کاهش خسارات سیل مناسب می‌باشد. نتیجه گیری: روش‌های هوش مصنوعی مورد بررسی در این تحقیق، ضمن افزایش سرعت مدلسازی و کاهش زمان لازم جهت اتمام مدلسازی و پهنه‌بندی سیل از دقت مناسبی برخوردار بوده و می‌تواند ابزار مناسبی برای مدلسازی سریع سیلاب باشد که استفاده از این شبکه‌ها به مشخص سازی سریع‌تر مناطق مورد تهدید سیل، اطلاع رسانی و تخلیه به موقع مناطق در معرض خطر و کاهش خسارات جانی و مالی کمک خواهد کرد.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7624_799afd1195283d2254c295dc68f695cf.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Evaluating the Welfare Effects of Groundwater Level Decline on Rice Farmers in Golestan Province بررسی اثرات رفاهی کاهش سطح آب زیرزمینی بر شالی‌کاران استان گلستان 129 152 7623 10.22069/jwsc.2025.23556.3800 FA سید مصطفی حسینی دانشجوی کارشناسی‌ارشد اقتصاد کشاورزی، دانشکده مدیریت کشاورزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. علی کرامت زاده نویسنده مسئول، دانشیار گروه اقتصاد کشاورزی، دانشکده مدیریت کشاورزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. 0000-0001-7470-4578 فرشید اشراقی دانشیار گروه اقتصاد کشاورزی، دانشگاه تهران، تهران، ایران. مسعود عنایت دکتری زمین‌شناسی، کارشناس شرکت سهامی آب منطقه‌ای استان گلستان، گرگان، ایران Journal Article 2025 04 21 Abstract Background and objectives: The rapid population growth, along with the increasing need for agricultural production, industrial development, urban expansion, and the improvement of public health and welfare, has led to a significant rise in water demand and has consequently resulted in the excessive extraction of groundwater resources. Statistics indicate that about 46% of the world's crop production comes from irrigated lands, whereas in Iran, out of approximately 83 million tons of various crops harvested in the 2022-2023 agricultural year, 75 million tons (90.16%) were obtained from irrigated lands. Groundwater resources are one of the most important sources of water supply in areas facing surface water shortages. Excessive harvesting, continues droughts, illegal well drilling, and the lack of preventive laws have put the country's groundwater resources in crisis in some areas, and the intensification of the decline in groundwater levels in aquifers has placed more than half of the country's plains in the category of forbidden plains. Excessive harvesting of groundwater for agriculture and the decline in aquifer levels in recent years, have posed significant challenges for policymakers and managers, particularly in most of the country's aquifers, especially in Golestan Province. Since Golestan's economy relies heavily on agriculture and water is a key input in agricultural production, playing a vital role in the sustainable development of the sector, the depletion of groundwater resources not only has environmental consequences but also reduces the welfare of farmers in Golestan Province. In Golestan Province, about 86% of groundwater resources are allocated to rice (paddy) cultivation. Accordingly, this study evaluated the welfare effects of declining groundwater levels on Paddy farmers in Golestan Province. Materials and methods: In this study, to investigate the welfare effects of groundwater level reduction on Paddy farmers in Golestan Province, after estimating the supply and demand function of water consumption in Golestan Province, the level of welfare is calculated through the area between the water supply and demand curves. The water demand function is derived from the rice production function, while the water supply function is extracted from the marginal cost of water extraction. To estimate the rice production function and the water extraction cost function, various functional forms (log-linear, linear-log, Cobb-Douglas, transcendental, translog, and quadratic functions) were estimated. The most suitable functional form was selected through econometric tests. In this study, rice production cost data (from 168 Paddy farmers) and agricultural well data (131 deep wells with rice as the dominant crop) for the 2022-2023 crop year were collected via questionnaires. To reduce bias, enhance generalizability, ensure statistical reliability, and minimize costs and time, stratified random sampling was employed. Additionally, part of the data, including water resource information for Golestan Province and watershed basins, was gathered from reports by the Agricultural Jihad Organization and the Golestan Regional Water Company. The statistical population for the rice production cost questionnaire included all Paddy farmers in Golestan Province, while the well water questionnaire targeted all deep wells (considering that deep wells account for about 60% of groundwater extraction in Golestan Province and experience the most significant decline in groundwater levels). Over 95% of these wells are used for agricultural purposes, primarily for rice cultivation. Due to climatic variations in the study area, the De Martonne index was used for stratification in the stratified random sampling method. Results: The results indicated that the Cobb-Douglas function was selected as the superior production function, while the quadratic function was chosen as the superior cost function for well water extraction. Based on the results of the best production function (Cobb-Douglas production function), the elasticity of water input was calculated to be 0.73, indicating that a 1% increase in water consumption leads to a 0.73% increase in rice production (paddy) in Golestan Province. Using the superior production function (Cobb-Douglas) and the superior groundwater extraction cost function (quadratic function), the impact of declining groundwater levels on the welfare of Paddy farmers in Golestan Province was estimated. The findings on welfare effects revealed that for every one-meter decline in groundwater levels, the welfare of Paddy farmers decreases by 420 million Rials. Given that the average groundwater level and volume in Golestan Province's deep aquifers decreased by 2.71 meters and 31 million cubic meters, respectively, in 2023 compared to 2022, and for every one-meter drop in groundwater levels in deep aquifers, the groundwater volume decreases by 11.46 million cubic meters. The amount of water loss per deep well per meter of groundwater level decrease is 3,773 cubic meters, and the amount of welfare loss per cubic meter is 111,316 rials. Based on the average water consumption of Paddy farmers of 8,369 cubic meters per hectare, the average amount of welfare loss per Paddy farmer per hectare is 61.931 million rials. Conclusion: The results showed that as well depth increases, water extraction costs increased, with each additional meter of well depth (decline in water table) increasing extraction costs by 4.02 million rials. For every one-meter drop in groundwater levels, farmers' welfare decreases by 420 million rials. Thus, the decline in groundwater levels reduces the welfare of Paddy farmers in Golestan Province. The study's findings indicate that excessive groundwater extraction leads to a drop in water levels and, consequently, a decline in farmers' welfare. Appropriate policies must be implemented to reduce groundwater consumption. Over-extraction of groundwater increases extraction costs and reduces farmers' profits. By raising farmers' awareness of the additional costs and overall losses caused by unsustainable water extraction, their perspective on excessive water use can be reformed. Introducing modern and water-efficient irrigation methods instead of traditional practices can help prevent overconsumption of groundwater resources. The government should also pay more attention to plans to preserve and nourish groundwater aquifers and, taking into account the reduced welfare of users, invest at least this amount annually in preserving and nourishing groundwater aquifers. Subsidy payments for fallow land and purchasing groundwater rights from farmers are among the effective schemes for preserving groundwater resources. If these policies are properly implemented by the government, they can help reduce pressure on groundwater resources while safeguarding farmers' livelihoods. چکیده سابقه و هدف: رشد فزاینده جمعیت و در پی آن، نیاز روزافزون به تولید محصولات کشاورزی و همچنین توسعه صنایع، گسترش شهرنشینی همراه با ارتقاء بهداشت و رفاه عمومی سبب افزایش تقاضای آب شده و برداشت بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی را در پی داشته است. آمار نشان می‌دهد که حدود 46% از تولیدات محصولات زراعی جهان از اراضی آبی به دست می‌آید ولی در ایران در سال زراعی 1402-1401 از حدود 83 میلیون تن انواع محصولات زراعی برداشت شده، 75 میلیون تن (16/90%) متعلق به اراضی آبی است. منابع آب زیرزمینی یکی از مهم‌ترین منابع تـأمین آب در نواحی که با کمبود آب سطحی مواجه است، می‌باشد. برداشت بی-رویه، خشکسالی‌های متوالی، حفر چاه‌های غیرمجاز و نبود قوانین بازدارنده، منابع آب زیرزمینی کشور را در برخی مناطق، با بحران مواجه نموده و تشدید افت سطح آب زیرزمینی در آبخوان‌ها، بیش از نیمی از دشت‌های کشور را در زمره دشت‌های ممنوعه قرار داده است. برداشت بیش از اندازه از آب زیرزمینی در بخش کشاورزی و کاهش سطح آبخوان‌ها در سال‌های اخیر در اکثر آبخوان‌های کشور به ویژه استان گلستان، یکی از چالش‌های پیش‌روی مدیران و سیاست‌گذاران می‌باشد. از آنجایی‌که اقتصاد استان گلستان متکی بر بخش کشاورزی است و نهاده آب نیز به عنوان نهاده‌ی اصلی در تولید محصولات کشاورزی جایگاه ویژه‌ای در توسعه پایدار بخش کشاورزی دارد، لذا کاهش سطح منابع آب زیرزمینی علاوه بر پیامدهای محیط زیستی باعث کاهش رفاه کشاورزان در استان گلستان می‌گردد. در استان گلستان حدود 86% از منابع آب زیرزمینی به کشت برنج (شلتوک) اختصاص دارد. بر این اساس در این مطالعه به بررسی اثرات رفاهی کاهش سطح آب زیرزمینی بر شالی‌کاران استان گلستان پرداخته شد. مواد و روش‌ها: در این مطالعه جهت بررسی اثرات رفاهی کاهش سطح آب زیرزمینی بر شالی‌کاران استان گلستان، پس از تخمین تابع عرضه و تقاضای آب مصرفی در استان گلستان، میزان رفاه از طریق مساحت بین منحنی عرضه و تقاضای آب محاسبه شد. تابع تقاضای آب از تابع تولید محصول برنج و تابع عرضه آب نیز از هزینه نهایی استحصال آب استخراج شد. جهت تخمین تابع تولید برنج و تابع هزینه استحصال آب، فرم‌های مختلف تابعی (تابع لگاریتمی- خطی، خطی-لگاریتمی، تابع کاب-داگلاس، تابع ترانسندنتال، تابع ترانسلوگ و تابع درجه دوم) تخمین زده شد. مناسب‌ترین شکل تابع نیز از طریق آزمون‌های اقتصاد سنجی انتخاب گردید. در این مطالعه اطلاعات هزینه تولید محصول برنج (شلتوک) (168 شالی‌کار) و اطلاعات چاه‌های آب کشاورزی (131 چاه عمیق با کشت غالب شلتوک) در سال زراعی 1402-1401 از طریق پرسشنامه جمع‌آوری گردید و به دلایل قابلیت‌های کاهش جانبداری، تعمیم‌پذیری نتایج، پایایی نتایج آماری و کاهش هزینه و زمان از روش نمونه‌گیری تصادفی طبقه‌ای در این مطالعه استفاده گردید و بخشی از اطلاعات که شامل اطلاعات منابع آبی استان گلستان، حوضه های آبخیز استان از طریق گزارش‌های سازمان جهاد کشاورزی و اطلاعات شرکت آب منطقه‌ای استان گلستان جمع‌آوری شد. جامعه‌آماری پرسشنامه هزینه تولید برنج، کل شالی‌کاران استان گلستان و جامعه‌آماری پرسشنامه چاه‌های آب، کل چاه‌های عمیق (با نظر به اینکه در استان گلستان چاه‌های عمیق سهم عمده‌ی برداشت (حدود 60%) منابع آب زیرزمینی را دارند و همچنین بیشترین کاهش در سطح منابع آب زیرزمینی در چاه‌های عمیق اتفاق می‌افتد) که بیشتر از 95% کاربرد در مصارف کشاورزی و کشت غالب شلتوک (برنج) دارند می‌باشد. با توجه به تفاوت اقلیم در محدوده مورد مطالعه جهت طبقه‌بندی در روش نمونه‌گیری تصادفی طبقه‌ای از شاخص دومارتون استفاده شد. یافته‌ها: نتایج نشان داد تابع تولید کاب-داگلاس به عنوان تابع تولید برتر و تابع درجه دوم به عنوان تابع برتر هزینه استحصال آب چاه انتخاب گردید. بر اساس نتایج تابع تولید برتر (تابع تولید کاب-داگلاس)، کشش جزئی تولید نهاده آب معادل 73/0 محاسبه شد که بیانگر این است که اگر یک درصد مقدار آب مصرفی افزایش یابد، 73/0% تولید برنج (شلتوک) در استان گلستان افزایش می‌یابد. همچنین با توجه به نتایج تابع تولید برتر (کاب-داگلاس) و تابع برتر هزینه استحصال آب چاه (درجه دوم)، اثر کاهش در سطح سفره‌های آب زیرزمینی در استان گلستان بر رفاه کشاورزان شالی‌کار محاسبه گردید. نتایج بررسی اثرات رفاهی نشان داد که به ازای کاهش یک متر سطح آب زیرزمینی، رفاه شالی‌کاران معادل 420 میلیون ریال کاهش می‌یابد. با توجه به اینکه، سطح و حجم آب زیرزمینی در آبخوان‌های عمیق استان گلستان به طور میانگین در سال 1402 نسبت به سال 1401 به ترتیب، 71/2 متر و 31 میلیون متر مکعب کاهش داشته است و به ازای هر متر کاهش سطح آب زیرزمینی در آبخوان‌های عمیق استان گلستان معادل 46/11 میلیون متر مکعب حجم آب زیرزمینی کاهش می‌یابد، میزان کاهش حجم آب هر چاه عمیق به ازای یک متر کاهش سطح آب زیرزمینی معادل 3773 متر مکعب و مقدار کاهش رفاه به ازای هر متر مکعب 111316 ریال می‌باشد. براساس میانگین مصرف آب برنج (8369 متر مکعب در هر هکتار)، متوسط مقدار کاهش رفاه به ازای هر هکتار معادل 61/931 میلیون ریال می‌باشد. نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد کاهش سطح آب زیرزمینی باعث کاهش رفاه شالی‌کاران در استان گلستان می‌شود. با توجه به نتایج مطالعه، برداشت بیش از حد از منابع آب زیرزمینی سبب افت سطح آب و به تبع آن کاهش رفاه کشاورزان می‌گردد که بایستی از طریق اجرای سیاست‌های مناسب در جهت کاهش مصرف آب زیرزمینی اقدام شود. اضافه برداشت از آب‌های زیرزمینی منجر به افزایش هزینه استحصال و کاهش سود کشاورزان می‌شود. با آگاه کردن کشاورزان از هزینه‌های اضافی برداشت بی‌رویه آب و زیانی که در مجموع متوجه آن‌ها می‌شود، می‌توان دیدگاه کشاورزان را نسبت به مصرف بی‌رویه اصلاح کرد و با معرفی روش‌های آبیاری مدرن و آب اندوز به جای روش‌های سنتی از مصرف بیش از حد منابع آب زیرزمینی جلوگیری کرد. همچنین دولت باید در طرح‌های حفظ و تغذیه سفره آب زیرزمینی توجه بیشتری نموده و با در نظر گرفتن رفاه کاهش یافته بهره‌برداران، حداقل به این میزان سالیانه در حفظ و تغذیه سفره‌های آب زیرزمینی سرمایه‌گذاری کند. همچنین پرداخت یارانه نکاشت و خرید حقابه آب زیرزمینی از کشاورزان از جمله طرح‌های مؤثر برای حفظ منابع آب زیرزمینی می‌باشند. اگر این سیاست‌ها توسط دولت به‌درستی اجرا شوند، می‌توانند ضمن حفظ معیشت کشاورزان، به کاهش فشار بر منابع آب زیرزمینی کمک نمایند.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7623_79e00fd53c1e556d1189b4cc2b237824.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Feasibility of Estimating Soil Temperature at Different Depths and Pan Evaporation Using Satellite Images امکان‌سنجی برآورد دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت با به‌کارگیری تصاویر ماهواره‌ای 153 173 7670 10.22069/jwsc.2026.23907.3823 FA یونس خوشخو نویسنده مسئول، استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران. رزگار عرب زاده دانشجوی دکتری مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه واترلو، کانادا Journal Article 2025 07 26 Background and Objective: Soil surface temperature is one of the key variables in the surface energy balance, which is influenced by net radiation, sensible heat flux, and latent heat flux, and in turn, it affects the flux of heat entering the soil. Land surface temperature (LST) is one of the most important products that can be extracted by sensors operating within the thermal infrared spectral range. Among these sensors, MODIS is one of the most significant, installed on both the Aqua and Terra satellites, capable of providing land surface temperature measurements at four different times throughout the day and night. Given the close relationship between land surface temperature and hydroclimatic variables, in this study, LST data derived from MODIS sensors were utilized to estimate soil temperatures at various depths and evaporation from pans. Materials and Methods: For conducting this study, six synoptic meteorological stations located in Kurdistan Province, Iran, were initially selected. For these six stations, in addition to soil temperature data measured at different depths and pan evaporation observations, four land surface temperature variables derived from MODIS sensors were extracted. These included LSTTerra-Night, LSTTerra-Day, LSTAqua-Night, and LSTAqua-Day. By averaging the daytime and nighttime LST values from the Aqua and Terra satellites, two additional mean daily LST variables were calculated, namely LSTTerra-Mean-Night&Day and LSTAqua-Mean-Night&Day. Initially, daily time series of all the above variables were compiled for the statistical period from 2002 to 2021. Then, by employing a stepwise multiple linear regression model, the six MODIS-derived LST variables were used as predictor variables to estimate soil temperatures at various depths and evaporation from pans. This overall process was carried out at two scales: the station scale, where each of the six stations was modeled individually, and the regional scale, where all six stations were considered collectively to develop integrated models. In order to improve the accuracy of the models at deeper soil layers, daily lagged soil temperatures at depths of 50 and 100 centimeters were incorporated as additional independent variables. This approach accounted for the delayed response of deeper soil layers to surface thermal fluctuations. Model validation at the station scale was performed using 75 percent of the total data from each station (for the statistical period 2002–2016) for calibration, and the remaining 25 percent of the data (for the statistical period 2017–2021) for independent validation. At the regional scale, leave-one-out cross-validation (LOOCV) was applied in six separate iterations, with one station excluded in each iteration, to assess the robustness of the regression models under spatial variability. Model performance was evaluated using the coefficient of determination (R²) and mean absolute error (MAE). Additionally, the mean bias error (MBE) was used to assess systematic overestimation or underestimation by the regression models. Results: The results obtained from the validation of the regression models at both the station and regional scales indicated that among the six MODIS-derived land surface temperature variables, the multiple linear regression models developed in most cases used four surface temperature variables to simulate soil temperatures at various depths, and three surface temperature variables were sufficient to predict pan evaporation. The two mean daily LST values derived from the Aqua and Terra satellites played a prominent and significant role in all resulting models, both for soil temperatures at different depths and for pan evaporation. Validation results for regression models simulating soil temperatures at various depths showed that, at both station and regional scales, based on both the coefficient of determination and the mean absolute error, the regression models performed very well in simulating soil temperatures in shallower layers (5 to 30 centimeters from the soil surface), with R² values close to 0.95. At a depth of 50 centimeters, a slight decrease in model performance was observed, with R² values close to 0.90. At a depth of 100 centimeters from the soil surface, the reduction in model performance was more pronounced, with R² values close to 0.75. This decline in model performance was attributed to the fact that soil temperatures at deeper layers are strongly dependent on the amount of net energy received at the soil surface. As heat penetrates from the soil surface to deeper layers, the energy and heat wave gradually dissipate, resulting in a weaker dependence of deep soil temperatures on surface temperature. The results also demonstrated that incorporating lagged daily surface temperatures into the regression models reduced the MAE and improved model performance at deeper soil layers. Regarding pan evaporation, the validation results indicated that the regression models performed less accurately in simulating pan evaporation compared to soil temperature predictions. Furthermore, results showed that regression models, for both soil temperature simulation and pan evaporation simulation, generally performed slightly better at the station scale than at the regional scale, highlighting the importance of localized calibration for improved model accuracy. Conclusions: Overall, the results of this study showed that the six MODIS-derived land surface temperature variables obtained from the Aqua and Terra satellites possess very high potential for simulating soil temperatures at multiple depths, particularly in the shallower layers. These surface temperatures can be directly used as primary predictor variables to simulate soil temperatures at both the station and regional scales. Despite the satisfactory accuracy achieved by the regression models in estimating soil temperatures at various depths, it is recommended that, in order to enhance model accuracy in future studies, other satellite-derived products that influence soil temperature, particularly surface soil moisture, should also be used in combination with land surface temperatures for a more comprehensive simulation of soil temperature at different depths. Regarding pan evaporation simulation, the results of the regression models indicated that direct high-accuracy estimation of pan evaporation using surface temperature alone is not feasible. However, considering the significant role and degree of influence that land surface temperatures exhibited on pan evaporation, there is potential to use these surface temperatures as useful auxiliary variables in combination with other factors that influence pan evaporation. In summary, this study demonstrated the strong capability of MODIS-derived LST products for soil temperature modeling at multiple depths and highlighted their potential as reliable predictive variables for both station- and regional-scale environmental modeling applications. سابقه و هدف: دمای سطح خاک یکی از متغیرهای کلیدی در بیلان انرژی سطح است که تحت تأثیر تابش خالص، شار گرمای محسوس و نهان قرار دارد و خود نیز بر شار گرمای ورودی به خاک تأثیر می‌گذارد. دمای سطح زمین (LST) یکی از مهم‌ترین محصولاتی است که توسط سنجنده‌هایی که در محدوده طیفی مادون قرمز حرارتی دارای فعالیت هستند قابل استخراج است. سنجنده MODIS یکی از مهم‌ترین این سنجنده‌هاست که بر روی دو ماهواره Aqua و Terra نصب شده است و قادر است دمای سطح زمین را در 4 زمان مختلف شبانه‌روز به‌دست دهد. نظر به ارتباط نزدیک دمای سطح زمین با متغیرهای هیدروکلیمائی، در این پژوهش از دماهای سطح زمین حاصل از این سنجنده جهت برآورد دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت استفاده گردید. مواد و روش‌ها: برای انجام این پژوهش، ابتدا 6 ایستگاه هواشناسی سینوپتیک واقع در استان کردستان انتخاب شدند و برای این 6 ایستگاه، در کنار داده‌های دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت، 4 دمای حاصل از سنجنده MODIS شامل LSTTerra-Night، LSTTerra-Day، LSTAqua-Night، LSTAqua-Day استخراج شدند. با میانگین‌گیری کردن از مقادیر دماهای سطح زمین شبانه و روزانه دو ماهواره Aqua و Terra، دو دمای میانگین شامل LSTTerra-Mean-Night&Day و LSTAqua-Mean-Night&Day نیز استخراج شدند. ابتدا سری‌های زمانی روزانه از کلیه متغیرهای فوق طی دوره آماری 2021-2002 استخراج شدند سپس با به‌کارگیری مدل رگرسیون چندگانه خطی به روش گام‌به‌گام، از دماهای شش‌گانه سطح زمین مذکور به‌عنوان متغیرهای پیش‌بینی‌کننده دمای اعماق مختلف خاک و تبخیر از تشت استفاده شد. فرایند کلی فوق در دو مقیاس ایستگاهی (برای هر کدام از 6 ایستگاه به‌صورت جداگانه) و منطقه‌ای (با در نظر گرفتن کل 6 ایستگاه به‌صورت یکپارچه) به انجام رسید. همچنین به جهت افزایش دقت مدل در اعماق پایین‌تر خاک، مقادیر دمای خاک در اعماق 50 و 100 سانتیمتری خاک با یک گام تأخیر زمانی روزانه بعنوان متغیرهای مستقل جدید به مدل اضافه شدند. فرایند اعتبارسنجی مدل‌های رگرسیونی در مقیاس ایستگاهی با در نظر گرفتن 75 درصد از کل داده‌های هر ایستگاه (دوره آماری 2016-2002) جهت واسنجی و 25 درصد باقیمانده داده‌ها (دوره آماری 2021-2017) جهت اعتبارسنجی به انجام رسید. در مقیاس منطقه‌ای نیز جهت اعتبارسنجی مدل‌های رگرسیونی از روش اعتبارسنجی متقابل تک‌نمونه‌ای (LOOCV) طی 6 مرحله مجزا (هر مرحله با حذف یک ایستگاه) استفاده شد. دو شاخص ضریب تعیین (R2) و میانگین قدر مطلق خطا (MAE) جهت سنجش عملکرد مدل‌ها بکار گرفته شدند و از شاخص میانگین اریبی خطا (MBE) نیز جهت ارزیابی بیش یا کم برآورد کردن مدل‌های رگرسیونی استفاده شد. یافته‌ها: نتایج حاصل از واسنجی مدل‌های رگرسیونی در هر دو مقیاس ایستگاهی و منطقه‌ای نشان داد که از بین شش دمای سطح زمین حاصل از سنجنده MODIS، مدل‌های رگرسیون خطی چندگانه‌ای که حاصل آمدند در اکثر موارد برای شبیه‌سازی دماهای اعماق مختلف خاک بر اساس چهار دمای سطح زمین و برای تبخیر از تشت بر اساس سه دمای سطح زمین حاصل آمدند. دو دمای میانگین شبانه‌روزی حاصل از دو ماهواره Aqua و Terra نقش چشمگیر و پررنگی در تمامی مدل‌های حاصله هم برای دماهای اعماق خاک و هم برای تبخیر از تشت داشتند. نتایج حاصل از اعتبارسنجی مدل‌های رگرسیونی جهت شبیه‌سازی دمای اعماق مختلف خاک نشان داد که هم در مقیاس ایستگاهی و هم در مقیاس منطقه‌ای بر اساس هر دو شاخص ضریب تعیین و میانگین قدر مطلق خطا، مدل‌های رگرسیونی در شبیه-سازی دمای خاک در لایه‌های سطحی‌تر (عمق‌های 5 تا 30 سانتیمتری از سطح خاک) دارای عملکردی بالا (R2 نزدیک به 95/0) و در عمق 50 سانتیمتری خاک با مقداری افت در عملکرد (R2 نزدیک به 9/0) مواجه شدند. در عمق 100 سانتیمتری از سطح خاک، میزان افت عملکرد مدل (R2 نزدیک به 75/0) در مقایسه با لایه‌های سطحی چشمگیر بود. این افت در عملکرد مدل به این مسأله نسبت داده شد که دمای اعماق خاک قویاً وابسته به مقدار انرژی خالص رسیده به سطح خاک است و به هنگام نفوذ گرما از سطح خاک به اعماق پایین‌تر، این انرژی و موج گرما به تدریج مستهلک شده و سبب وابستگی کمتر دمای خاک در اعماق پایین‌تر به دمای سطح زمین می‌گردد. نتایج همچنین نشان داد که اضافه کردن دماهای سطح خاک با یک روز تأخیر به مدل رگرسیونی سبب کاهش شاخص MAE و بهبود عملکرد مدل در اعماق پایین‌تر خاک می‌گردد. در خصوص تبخیر از تشت، نتایج اعتبارسنجی حاکی از عملکرد ضعیف‌تر مدل‌های رگرسیونی حاصله در شبیه‌سازی تبخیر از تشت در مقایسه با دمای اعماق خاک بود. نتایج همچنین نشان داد که مدل‌های رگرسیونی هم در شبیه-سازی دمای اعماق خاک و هم در شبیه‌سازی تبخیر از تشت، در مقیاس ایستگاهی تا حدودی عملکردی مناسب‌تر از مقیاس منطقه‌ای داشتند. نتیجه‌گیری: نتایج کلی این تحقیق نشان داد که دماهای شش‌گانه سطح زمین حاصل از سنجنده MODIS که از طریق دو ماهواره Aqua و Terra قابل استحصال هستند پتانسیل بسیار بالایی جهت شبیه‌سازی دمای اعماق مختلف خاک به ویژه لایه‌های سطحی‌تر دارند به گونه‌ای که از این دماهای سطح زمین می‌توان به‌عنوان متغیر اصلی و بطور مستقیم جهت شبیه‌سازی دمای اعماق خاک در هر دو مقیاس ایستگاهی و منطقه‌ای استفاده کرد. علی‌رغم دقت مناسب مدل‌های رگرسیونی حاصله در برآورد دمای اعماق خاک، پیشنهاد می‌گردد به جهت ارتقای دقت سطح مدل در پژوهش‌های آتی، در کنار دماهای سطح زمین که در این پژوهش از آنها استفاده شد از سایر محصولات ماهواره‌ای که بر روی دمای خاک تأثیر دارند (به طور ویژه رطوبت سطح خاک) نیز بصورت توأمان و ترکیبی جهت شبیه‌سازی دمای اعماق خاک استفاده شود. در خصوص شبیه‌سازی تبخیر از تشت، نتایج حاصل از مدل‌های رگرسیونی نشان داد که امکان برآورد مستقیم تبخیر از تشت با دقت بالا صرفاً با به‌کارگیری دماهای سطح زمین وجود ندارد اما با توجه به نقش و درجه تأثیر مناسبی که دماهای سطح زمین بر روی تبخیر از تشت از خود نشان دادند این پتانسیل وجود دارد که از آنها به‌عنوان متغیرهای کمکی و مفید در کنار سایر متغیرهایی که بر روی تبخیر از تشت تأثیر دارند استفاده کرد.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7670_b6cbafba2d5c28be27c5962135c6dbf4.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 The effect of no-till cultivation on yield of berseem clover in late-planting condition in seed fields of north Khuzestan اثر کشت بی‌خاک‌ورزی بر عملکرد شبدر برسیم در کشت تاخیری در مزارع بذری شمال خوزستان 175 194 7627 10.22069/jwsc.2026.23403.3795 FA احمدعلی شوشی دزفولی نویسنده مسئول، استادیار پژوهش بخش تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی صفی‌آباد، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، دزفول، ایران سید رضا اشرفی زاده استادیار پژوهش بخش تحقیقات فنی و مهندسی، مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی صفی‌آباد، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، دزفول، ایران. محمد خرمیان استادیار پژوهش بخش تحقیقات فنی و مهندسی، مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی صفی‌آباد، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، دزفول، ایران. 0000-0002-9038-3409 Journal Article 2025 03 15 Background and Objective: Berseem Clover (BC) is a forage plant in the legume family, the cultivation of which has attracted the attention of farmers in recent decades. The area under cultivation of BC for seed production in the northern Khuzestan province is 1,000 hectares, which has shown higher yields compared to other regions of the country. This region has a higher seed yield compared to other regions of the country, and due to the high seed quality, it has long supplied the seeds needed by different regions of Iran, especially the northern provinces of the country. According to research conducted at the Safi-Abad Agricultural and Natural Resources Research and Education Center in Dezful, the best recommended planting date for BC in Khuzestan is mid-October. However, due to the presence of summer crops in most farms in northern Khuzestan and their harvest in November and December, BC planting is usually delayed in these areas. Additionally, early autumn rains and the inability to prepare land after rainfall further contribute to delays in planting BC. In addition, early autumn rainfall and the inability to prepare land after rainfall usually cause further delays in BC planting. On the other hand, in Khuzestan, unfortunately, the wheat-corn or wheat-rice monoculture system in most agricultural lands and the failure to plant a legume plant such as clover has caused a decrease in soil organic matter, a decrease in wheat, rice, and barley yields, weed spreading and diseases, and a decrease in water productivity. As a result, in order to restore soil and water resources and have a sustainable agriculture, the use of conservation agriculture can play an important role in protecting soil and water resources and production sustainability. Therefore, the present study was conducted with the aim of investigating the possibility of late planting of BC with NT method on the forage and grain corn residues (the dominant summer crop in northern Khuzestan) in the conditions of northern Khuzestan to include berseem clover in the rotation of the region. Materials and Methods: This research aimed to evaluate the feasibility of delayed planting of BC through three experiments (with different planting beds) arranged as split plots within a randomized complete block design with three replications at Safiabad Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, over two agricultural years (2019-2020 and 2020-2021). The three experiments included: BC planting after summer fallow on the recommended planting date for BC (Experiment 1), BC planting after harvesting summer forage corn (Experiment 2), and BC planting after harvesting summer grain-corn while preserving residues (Experiment 3). In each experiment, the main factor was two tillage methods: conventional tillage (CT) and no-till (NT), while the sub-factor consisted of three seeding rates including 20, 25, and 30 kilograms per hectare. In two years of experiment, a suitable plot of land was selected from the fields of the Safi Abad Agricultural Research and Education Center in Dezful and two-thirds of it was allocated for planting corn in the first month of August and one-third for fallow. For CT method (first experiment), land preparation including plowing, disking and leveling and for cultivation a modified Barzegar-Hamedan planter with three rows on a 75 cm ridge was used. However, in the second and third experiments without land preparation operations, BC was planted on 75 cm ridges with a No till planter (at the studied seeding rates). The planting date in the three mentioned experiments was in the second decade of October (the traditional planting date of the region), the third decade of November and January, respectively. In the third experiment, due to the delay in corn harvest (corn harvest in the region is also delayed from December to January due to high moisture content of corn grain and possible rainfall), it was not possible to harvest clover forage and sward, but in the first and second experiments, was sward twice before sowing. The measured traits included BC seed yield, the number of seeds per inflorescence, the number of inflorescences per square meter, thousand seeds weight, and the amount of fresh and dry forage produced BC. After conducting the experiment and obtaining data related to the desired traits, variance analysis was performed using SAS software (version 9.2) and the means of the studied treatments were compared using Duncan's multiple range test at a probability level of 5%. Results: Before performing the combined analysis of variance in the first experiment, Bartlett's test was used to ensure the uniformity and homogeneity of error variances in the two years of the experiment. The results of the Bartlett test for all studied traits indicated the homogeneity of experimental error variances. The results of the three experiments showed that NT in the first experiment caused a 34% decrease in the BC seed yield. In the second experiment there was no significant effect on the BC seed yield, and unlike the first experiment. In the third experiment NT method increased the BC seed yield by 66% compared to the CT method. The results of the effect of the seed rate on the seed yield in the first experiment showed that the highest seed yield (1139 kg/ha) belonged to the treatment of 25 kg of seed per hectare, but in the second and third experiments different seed rate did not have a significant effect on the BC seed yield. Conclusion: The results showed that direct sowing of BC in the residues of summer crops such as corn and rice, which are harvested from November to January, in addition to increasing the yield of BC seeds, was also effective in preserving soil organic matter, speeding up planting operations, improving the physical and chemical properties of the soil, preventing soil erosion, maintaining soil moisture, and reducing planting costs. Therefore, considering the advantages of the NT method, it is necessary to change the tillage system from CT to NT with residue preservation for the sustainable development of the agricultural sector in the Khuzestan region. سابقه و هدف: شبدر برسیم یکی از گیاهان علوفه‌ای خانواده لگومینوز است که در دهه‌های اخیر کشت آن مورد توجه کشاورزان قرار گرفته است. سطح زیر کشت شبدر برسیم به‌منظور تولید بذر در شمال استان خوزستان 1000 هکتار است، این منطقه در مقایسه با سایر مناطق کشور عملکرد بذر بیشتری داشته و به‌دلیل کیفیت بالای بذرهای تولیدی، از دیرباز، بذر مورد نیاز مناطق مختلف ایران، مخصوصا استان‌های شمالی کشور را تأمین کرده است. طبق تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی صفی آباد دزفول، بهترین تاریخ کاشت توصیه شده شبدر برسیم در خوزستان اواسط ماه مهر می‌باشد که با توجه به وجود کشت های تابستانه در اکثر مزارع شمال خوزستان و برداشت آنها در آبان و آذرماه، معمولاً کاشت شبدر برسیم در این مناطق با تاخیر انجام می گیرد. علاوه بر این مورد معمولا بارندگی‌های زود هنگام پاییزه و عدم امکان تهیه زمین بعد از بارندگی باعث تاخیر بیشتر در کاشت شبدر برسیم می‌شود. از طرف دیگر در خوزستان متاسفانه سیستم تک کشتی گندم- ذرت و یا گندم – برنج در اکثر زمین‌های کشاورزی و عدم کاشت یک گیاه از خانواده بقولات مانند شبدر باعث کاهش مواد آلی خاک، کاهش عملکرد گندم، برنج و ذرت، گسترش علف‌های هرز و بیماری‌ها و کاهش بهره‌ورری آب مصرفی شده است و در نتیجه جهت احیا منابع خاک و آب و داشتن یک کشاورزی پایدار، استفاده از کشاورزی حفاظتی می‌تواند نقش مهمی در حفاظت از منابع آب و خاک و پایداری تولید داشته باشد. از این رو مطالعه حاضر با هدف بررسی امکان کاشت دیرهنگام شبدر به‌صورت بی‌خاک‌ورزی روی بقایای ذرت علوفه‌ای و دانه‌ای با حفظ بقایا (کشت غالب تابستانه در شمال خوزستان) در شرایط شمال خوزستان جهت قرار گیری شبدر برسیم در تناوب منطقه اجرا شد. مواد و روش‌ها: این پژوهش برای ارزیابی امکان کاشت تاخیری شبدر برسیم در سه آزمایش (با بسترهای مختلف کاشت) به صورت کرت‌های خرد شده در قالب بلوک کامل تصادفی با سه تکرار در اراضی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی صفی‌آباد دزفول در دو سال زراعی (1399-1398 و 1400-1399) اجرا شد. سه آزمایش شامل کاشت شبدر پس از آیش تابستانه در تاریخ کاشت توصیه شده شبدر برسیم (آزمایش اول)، کاشت شبدر برسیم پس از برداشت ذرت علوفه‌ای تابستانه (آزمایش دوم) و پس از برداشت ذرت دانه‌ای تابستانه با حفظ بقایا (آزمایش سوم) بود. در هر آزمایش عامل اصلی، دو روش خاک‌ورزی مرسوم و بی خاک‌ورزی و عامل فرعی سه تراکم کاشت 20 ، 25 و 30 کیلوگرم در هکتار بذر شبدر برسیم بود. در دوسال آزمایش از مزارع مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی صفی آباد دزفول یک قطعه زمین مناسب انتخاب و دو سوم آن به کاشت ذرت در اول مرداد ماه و یک سوم آن به آیش اختصاص داده شد. جهت کشت شبدر برسیم به روش مرسوم (آزمایش اول)، عملیات تهیه زمین شامل گاوآهن، دیسک و ماله انجام گردیده و سپس با استفاده از دستگاه برزگرهمدان تغییریافته، سه ردیف شبدر برسیم بر روی پشته 75 سانتی متری کاشته شد ولی در آزمایش دوم و سوم بدون عملیات تهیه زمین، شبدر برسیم روی پشته‌های 75 سانتی متری به جا مانده از کشت قبلی (ذرت علوفه ای و دانه ای) با ماشین خطی‌کار بی‌خاک‌ورز (در تراکم های مورد مطالعه) کاشته شد. تاریخ کاشت در سه آزمایش یاد شده به ترتیب در دهه دوم مهر (تاریخ کاشت مرسوم منطقه)، دهه سوم آبان و دی انجام گرفت. در آزمایش سوم، به علت تاخیر در برداشت ذرت (برداشت ذرت در منطقه نیز به دلیل رطوبت بالای دانه ذرت و بارش احتمالی با تاخیر در ماه آذر تا دی صورت می گیرد) امکان برداشت علوفه شبدر و چین برداری وجود نداشت ولی در آزمایش اول و دوم دو بار چین برداری از شبدر قبل از بذرگیری صورت گرفت. صفات مورد اندازه‌گیری شامل میزان عملکرد بذر شبدر برسیم، تعداد دانه در گل آذین، تعداد گل آذین در یک متر مربع، وزن هزار دانه و میزان علوفه‌تر و خشک تولیدی شبدر برسیم بودند. پس از انجام آزمایش و بدست آوردن داده‌های مربوط به صفات مورد نظر، تجزیه واریانس با استفاده از نرم افزارSAS (نسخه 2/9) انجام شد و مقایسه میانگین تیمارهای مورد بررسی به روش آزمون چند دامنه‌ای دانکن در سطح احتمال 5 درصد انجام شد. یافته‌ها: قبل از انجام تجزیه واریانس مرکب در آزمایش اول، برای اطمینان از یکنواختی و همگنی واریانس های خطا در دوسال آزمایش، از آزمون بارتلت استفاده شد. نتایج حاصل از آزمون بارتلت برای کلیه صفات مورد بررسی بیانگر همگن بودن واریانس های خطای آزمایشی بود. نتایج حاصل از سه آزمایش نشان داد که بی‌خاک‌ورزی در آزمایش اول، باعث کاهش 34 درصدی عملکرد بذرتولیدی شبدر برسیم، در آزمایش دوم بدون تأثیر معنی دار بر عملکرد بذر شبدر برسیم و بر خلاف آزمایش اول در آزمایش سوم بی-خاک‌ورزی باعث افزایش عملکرد بذر شبدر برسیم به میزان 66 درصد نسبت به روش مرسوم شد. نتایج حاصل از تأثیر مقادیر بذر مصرفی بر عملکرد بذر در آزمایش اول نشان داد که بیش‌ترین عملکرد بذر (1139 کیلوگرم در هکتار)، به تیمار مصرف 25 کیلوگرم بذر در هکتار تعلق داشت ولی در آزمایش دوم و سوم مقادیر مختلف بذر مصرفی تأثیرمعنی‌دار بر عملکرد بذر شبدر برسیم نداشت. نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این تحقیق، با توجه به وجود کشت‌های تابستانه همچون ذرت و برنج در اراضی آبی منطقه شمال خوزستان و برداشت این محصولات در آبان تا دی‌ماه، کاشت مستقیم شبدر برسیم در بقایای این محصولات بدون عملیات خاک‌ورزی می‌تواند علاوه بر حفظ مواد آلی خاک، سرعت بالای عملیات کاشت، جلوگیری از فرسایش خاک، حفظ رطوبت خاک و کاهش هزینه کاشت، افزایش عملکرد بذر شبدر برسیم را به همراه داشته باشد. لذا با توجه به مزایایی که روش بی‌خاک‌ورزی دارد جهت توسعه پایدار بخش کشاورزی در منطقه خوزستان بایستی به تغییر سامانه خاک ورزی مرسوم به سامانه های حفاظتی همراه حفظ بقایای گیاهی محصول قبلی اقدام نمود. واژه‌های کلیدی: مقدار بذر، شبدر برسیم، کشاورزی حفاظتی، عملکرد بذر.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7627_2de9cd47dc8c0c48c99cbe4e685d1ca2.pdf

دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 2322-2069 32 4 2025 12 22 Laboratory investigation of the effect of wind speed on evaporation from dam reservoirs Laboratory investigation of the effect of wind speed on evaporation from dam reservoirs 195 212 7671 10.22069/jwsc.2026.23246.3785 FA رضا شهبازی دانشگاه تهران شهریار کوراوند گروه مکانیک بیوسیستم، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران، تهران Journal Article 2025 01 26 Abstract Background and Objectives: Nowadays, freshwater management is very important due to the reduction of atmospheric precipitation. With the increase in global temperature and climate change, water evaporation occurs rapidly. One of the causes of evaporation can be called wind. Winds have a 20 to 40 percent effect on the speed of water evaporation. By controlling the wind speed, it can help reduce water evaporation in reservoirs and dams. This study aimed to investigate the effect of wind speed at different air temperatures. Another aim of this study was to use the CFD method to determine the areas and percentage of wind impact with the reservoir surface so that the wind kinetic energy and wind power applied on the water surface can be calculated. By investigating the effect of different wind speeds on the water surface at the two specified air temperatures, it was observed that water evaporation has a direct relationship with the volume of wind input to the water surface. Using the information obtained in this study, most water evaporation occurs at the beginning of the water reservoir in the wind direction. Novelty: This study is to investigate the amount of wind force applied to the surface of the water by the CFD method and the amount of water evaporation by measuring its weight at two temperatures of 40 and 30 degrees Celsius and several different wind speeds. Method and Material: In this study, CFD and laboratory methods were used to investigate the effect of wind energy on water evaporation. In the CFD method, the effect of wind speed and its effect on different areas of a reservoir was applied to the surface of the reservoir using Ansys Fluent software and the amount of wind power to observe which area of the reservoir can have the most evaporation. For further investigation of the CFD method, first, the water tank was drawn in 3D using Solidworks design software to be analyzed in the workspace of Ansys Fluent software. In the tank design, a 40 * 31.5 cm plate with 24 cm diameter air inlet ducts was used to control and measure the amount of air entering the tank. The diameter of this plate allows the volume of incoming air to be easily calculated. In this study, the method of water mass loss rate over time through evaporation (water weight changes) was used, thus, by applying wind speed at a specific temperature and at a specified time, the weight of water lost was calculated, and the amount and effect of wind speed and temperature on the rate of water evaporation were calculated. Investigating how wind interacts with the water surface using the CFD method: Experimental, numerical, or wake flow models can usually be used to study airflow. In a laboratory study, a reservoir with a length of 63 cm, width of 31.5 cm, and height of 13 cm was constructed and used to determine the effect of wind on the rate of evaporation. A wind generator was used to create the wind flow at the desired speed, a heater was placed behind the wind generator to increase the temperature, a temperature control module was used to adjust the temperature of the air entering the test environment, a wind meter was used to measure the wind speed and adjust the wind generator. To investigate the changes in water weight, a digital scale was used. The weight of the water in the tank was 16534 grams. The wind speed in this experiment is 3, 4, 5, and 6 m/s, respectively. The air temperature was set at 30 and 40 °C, respectively. To calculate the volume of air entering the surface of the water, a wall with a height of 40 cm and a width of 31.5 cm and a 24 cm diameter vent in the center of this wall has been used for air intake. Results: According to the output of CFD software, it can be understood that most of the air contact with the water surface takes place in the first 20% of the water level of the reservoir. The lowest wind speed is at the bottom of the reservoir, which includes about 25% of the total reservoir. The velocity changes along the path of the reservoir begin to decrease, resulting in a decrease in the amount of evaporation at the bottom of the reservoir compared to the beginning of the reservoir. Using the water evaporation data, it can be concluded that by creating a suitable windbreak, the wind speed can be further reduced to reduce water evaporation. The purpose of calculating the kinetic energy of the wind and the power generated by the wind when it hits the surface is to show that these two factors cause the water droplets to separate from its surface, which causes evaporation. The power exerted by the wind on the surface of the water creates waves and can increase the rate of evaporation when water hits the air. According to the results of the laboratory, the maximum wind power exerted on the surface of the water is 9 W/m2, which corresponds to the wind speed of 6 m/s. The maximum kinetic energy is 4.76 m2/s. In this study, it was found that a wind speed of 6 (m/s) with an air temperature of 40 degrees Celsius caused water evaporation equivalent to 156 grams, which increased evaporation by 50% compared to the result of a temperature of 30 degrees Celsius. At wind speeds of 3, 4, and 5 m/s, the difference in water evaporation at temperatures of 40 and 30 °C is 36 gr. Conclusion: With the studies conducted on water evaporation using laboratory methods and Ansys Fluent software, it can be concluded that the impact of the wind flow on the water surface is greater at the beginning of the tanks. Wind speed and temperature are two very important factors in increasing the speed of water evaporation. The speed of water evaporation in a wind with a speed of 6(m/s) at an air temperature of 40 ℃ can be 50 percent higher than the speed of water evaporation at the same wind speed at an air temperature of 30 ℃. At wind speeds of 3, 5, and 4 (m/s), the evaporation of wind at a temperature of 40 ℃ is at least 30 percent higher than at the same wind speeds specified at a temperature of 30 ℃. Wind temperature, velocity, and surface area of water are among the factors affecting water evaporation by increasing kinetic energy and creating a moisture difference between air and water, which causes water evaporation. At night, when the effect of solar radiation decreases, it can be said that the effect of wind on water evaporation is very high. Keywords: CFD, Evaporation, Energy, Experimental, Wind. Abstract Background and Objectives: Nowadays, freshwater management is very important due to the reduction of atmospheric precipitation. With the increase in global temperature and climate change, water evaporation occurs rapidly. One of the causes of evaporation can be called wind. Winds have a 20 to 40 percent effect on the speed of water evaporation. By controlling the wind speed, it can help reduce water evaporation in reservoirs and dams. This study aimed to investigate the effect of wind speed at different air temperatures. Another aim of this study was to use the CFD method to determine the areas and percentage of wind impact with the reservoir surface so that the wind kinetic energy and wind power applied on the water surface can be calculated. By investigating the effect of different wind speeds on the water surface at the two specified air temperatures, it was observed that water evaporation has a direct relationship with the volume of wind input to the water surface. Using the information obtained in this study, most water evaporation occurs at the beginning of the water reservoir in the wind direction. Novelty: This study is to investigate the amount of wind force applied to the surface of the water by the CFD method and the amount of water evaporation by measuring its weight at two temperatures of 40 and 30 degrees Celsius and several different wind speeds. Method and Material: In this study, CFD and laboratory methods were used to investigate the effect of wind energy on water evaporation. In the CFD method, the effect of wind speed and its effect on different areas of a reservoir was applied to the surface of the reservoir using Ansys Fluent software, and the amount of wind power was used to observe which area of the reservoir can have the most evaporation. For further investigation of the CFD method, first, the water tank was drawn in 3D using Solidworks design software to be analyzed in the workspace of Ansys Fluent software. In the tank design, a 40 * 31.5 cm plate with 24 cm diameter air inlet ducts was used to control and measure the amount of air entering the tank. The diameter of this plate allows the volume of incoming air to be easily calculated. In this study, the method of water mass loss rate over time through evaporation (water weight changes) was used, thus, by applying wind speed at a specific temperature and at a specified time, the weight of water lost was calculated, and the amount and effect of wind speed and temperature on the rate of water evaporation were calculated. Investigating how wind interacts with the water surface using the CFD method: Experimental, numerical, or wake flow models can usually be used to study airflow. In a laboratory study, a reservoir with a length of 63 cm, width of 31.5 cm, and height of 13 cm was constructed and used to determine the effect of wind on the rate of evaporation. A wind generator was used to create the wind flow at the desired speed, a heater was placed behind the wind generator to increase the temperature, a temperature control module was used to adjust the temperature of the air entering the test environment, a wind meter was used to measure the wind speed and adjust the wind generator. To investigate the changes in water weight, a digital scale was used. The weight of the water in the tank was 16534 grams. The wind speed in this experiment is 3, 4, 5, and 6 m/s, respectively. The air temperature was set at 30 and 40 °C, respectively. To calculate the volume of air entering the surface of the water, a wall with a height of 40 cm and a width of 31.5 cm and a 24 cm diameter vent in the center of this wall has been used for air intake. Results: According to the output of CFD software, it can be understood that most of the air contact with the water surface takes place in the first 20% of the water level of the reservoir. The lowest wind speed is at the bottom of the reservoir, which includes about 25% of the total reservoir. The velocity changes along the path of the reservoir begin to decrease, resulting in a decrease in the amount of evaporation at the bottom of the reservoir compared to the beginning of the reservoir. Using the water evaporation data, it can be concluded that by creating a suitable windbreak, the wind speed can be further reduced to reduce water evaporation. The purpose of calculating the kinetic energy of the wind and the power generated by the wind when it hits the surface is to show that these two factors cause the water droplets to separate from its surface, which causes evaporation. The power exerted by the wind on the surface of the water creates waves and can increase the rate of evaporation when water hits the air. According to the results of the laboratory, the maximum wind power exerted on the surface of the water is 9 W/m2, which corresponds to the wind speed of 6 m/s. The maximum kinetic energy is 4.76 m2/s. In this study, it was found that a wind speed of 6 (m/s) with an air temperature of 40 degrees Celsius caused water evaporation equivalent to 156 grams, which increased evaporation by 50% compared to the result of a temperature of 30 degrees Celsius. At wind speeds of 3, 4, and 5 m/s, the difference in water evaporation at temperatures of 40 and 30 °C is 36 gr. Conclusion: With the studies conducted on water evaporation using laboratory methods and Ansys Fluent software, it can be concluded that the impact of the wind flow on the water surface is greater at the beginning of the tanks. Wind speed and temperature are two very important factors in increasing the speed of water evaporation. The speed of water evaporation in a wind with a speed of 6(m/s) at an air temperature of 40 ℃ can be 50 percent higher than the speed of water evaporation at the same wind speed at an air temperature of 30 ℃. At wind speeds of 3, 5, and 4 (m/s), the evaporation of wind at a temperature of 40 ℃ is at least 30 percent higher than at the same wind speeds specified at a temperature of 30 ℃. Wind temperature, velocity, and surface area of water are among the factors affecting water evaporation by increasing kinetic energy and creating a moisture difference between air and water, which causes water evaporation. At night, when the effect of solar radiation decreases, it can be said that the effect of wind on water evaporation is very high. Keywords: CFD, Evaporation, Energy, Experimental, Wind.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_7671_b36a7bf2fbf29207ee5fbc9dcff1a18f.pdf