Journal of Watershed Management Research

fa طراحی و ساخت دستگاه پایش خودکار سیل و رسوب Design and Construction of an Automatic Discharge and Sediment Load Monitoring Equipment بلايای طبيعی (سيل، خشکسالی و حرکت های توده ای) بلايای طبيعی (سيل، خشکسالی و حرکت های توده ای) پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: برنامه‌ریزی‌های کلان و منطقه‌ای نیازمند داده‌های اندازه‌گیری شده از متغیرهای محیطی از جمله رواناب و رسوب معلق خروجی از آبخیزها است. داده، پایه و اساس تولید اطلاعات و دانش است و مدیریت علمی یک سیستم بدون پایش و اندازه‌گیری آن مقدور نیست. مدیریت سیستم آبخیز و منابع آب نیز از این قاعده کلی مستثنی نیست. با توجه به توسعه اقتصادی – اجتماعی جوامع، تغییرات اقلیمی و فشار فزاینده بر منابع طبیعی و آبخیزها و بالتبع افزایش سیلاب‌ها و رسوبات ناشی از آن‌ها، در آینده نزدیک، احتمالاً الزام بیشتری برای دستیابی به اطلاعات صحیح‌تر درباره رسوب و رواناب وجود خواهد داشت.اگرچه ابزار و ادوات متعددی برای اندازه‌گیری مولفه‌های رواناب و رسوب توسط تعدادی از شرکت‌های خارجی تولید و روانه بازار شده اند، اما ازیک سو قیمت تمام شده آنها در کشور ایران بسیار بالا است و از سوی دیگر دستگاهی که بطور یکجا هر دو مولفه را پایش نماید وجود ندارد. از طرفی پیش نیاز شبیه سازی دقیق و کارآمد داده و اطلاعات دقیق و کافی جهت واسنجی و اعتبارسنجی مدل های شبیه سازی می باشد. داده و اطلاعات به عنوان ابزاری مهم در مدیریت و برنامه‌ریزی منابع آب و آبخیزها محسوب می‌شوند. فراهمی داده و اطلاعات در مدیریت سیستم آبخیز و منابع آب، به ارتقای بهره‌وری و بهینه‌سازی استفاده از منابع آب، پیشگیری از خطرات طبیعی مانند سیلاب و خشکسالی، مدیریت کیفیت آب، بهبود مدیریت عرضه و تقاضای آب کمک می‌کند. بنابراین، هدف این پژوهش، طراحی و ساخت یک دستگاه پایش سیل و رسوب با قابلیت ثبت خودکار ارتفاع جریان رواناب خروجی از آبخیزها و نمونه‌برداری برنامه‌ریزی شده از رواناب جهت اندازه‌گیری بعدی رسوب معلق با استفاده از سنسورها و ادوات ارزان قیمت می‌باشد. مواد و روش‌ها: در این پژوهش یک دستگاه پایش رواناب خروجی و نمونه‌بردار رسوب معلق طراحی و ساخته شد که در خروجی زیر حوضه مورد مطالعه نصب شد. بدین منظور، سطح مقطع منظمی در خروجی زیرحوضه مورد مطالعه احداث گردیده و با نصب این دستگاه ابتکاری، هیدروگراف سیلاب خروجی حوضه و نمونه‌برداری بار معلق رسوب انجام شد. در این پژوهش از سنسورهای رطوبت سنج آنالوگ جهت اندازه گیری ارتفاع رواناب با فواصل 3 سانتی متر (دقت اندازه گیری 3 </div> <div style="text-align: justify;">سانتی متر) استفاده شده است. جهت برداشت نمونه رسوب از پمپ هایDC سوپاپدار استفاده شد که با ایجاد خلا در ظروف نمونه گیر باعث انتقال نمونه رواناب به داخل ظروف می گردد. برای ارزیابی قابلیت دستگاه در شرایط واقعی و طبیعی، دستگاه طراحی شده، طی مدت دو سال در خروجی یکی از زیر حوضه‌های اراضی لسی شرق گلستان در بالادست روستای قپان علیا از توابع شهرستان کلاله نصب گردید تا در صورت وقوع رخداد سیل، هیدروگراف آن ثبت شده و اگر ارتفاع سیل به مقادیر تعریف شده توسط کاربر (ارتفاع 20 و 60 سانتی متری رواناب در شاخه صعودی و یک نمونه رواناب در 20 سانتی متری ارتفاع رواناب در شاخه نزولی هیدروگراف سیلاب) رسید نسبت به تهیه و ذخیره نمونه رواناب در یک بطری با گنجایش نیم لیتری اقدام نماید و همزمان با اخذ نمونه رواناب، به کاربر پیامک هم ارسال نماید تا نسبت به جایگزینی ظروف پر شده با ظروف خالی نمونه‌برداری اقدام نماید. شایان ذکر است این دستگاه امکان برداشت نمونه رواناب به هر تعداد و در هر ارتفاعی را با توجه به نیازهای تحقیقاتی دارا می باشد. از مزایای برجسته این دستگاه می‌توان به اطلاع رسانی آن از طریق پیامک اشاره کرد که کاربر را از وضعیت خروجی منطقه اعم از برداشت نمونه رواناب، قطعی جریان برق دستگاه، وضعیت شارژ باطری تعبیه شده برای فعال نگه‌داشتن دستگاه در زمان قطع جریان برق و وقوع رویداد سیل آگاه می سازد. همچنین کاربر می تواند از طریق گوشی همراه در هر لحظه از زمان با دستگاه ارتباط برقرار کرده و از وضعیت کارکرد دستگاه طراحی شده (برق، باتری، میزان حافظه و ثبت یا عدم ثبت رویداد) از طریق پیامک استعلام بگیرد. همچنین جهت ثبت داده‌های دقیق بارندگی، یک دستگاه باران‌نگار ثبات ترازویی ساخت شرکت واچداگ (WatchDog) در داخل زیرحوضه مورد مطالعه نصب گردید. یافته ها: در طول این دو سال، تنها سه رخداد بارش منجر به رواناب و سیل در این زیرحوضه اتفاق افتاد و دستگاه طراحی شده، هیدروگراف هر سه رخداد را با موفقیت ثبت و مخابره نمود. همچنین در هر یک از این وقایع سیل ثبت شده، حداقل دو نمونه رواناب (یک نمونه در شاخه صعودی هیدروگراف و یک نمونه هم در شاخه نزولی هیدروگراف) توسط دستگاه برداشت و ذخیره گردید تا برای تعیین میزان بار معلق به آزمایشگاه منتقل شود. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد دستگاه پایش خودکار رواناب و رسوب طراحی شده، با اندازه‌گیری پارامترهای مختلفی مانند دبی جریان، ارتفاع آب و بار رسوب معلق یکی از ابزارهای مهم و کاربردی برای پایش رواناب و رسوب در خروجی حوزه های آبخیز می باشد. نتیجه گیری: داده و اطلاعات به عنوان ابزاری مهم در مدیریت و برنامه‌ریزی منابع آب و آبخیزها محسوب می‌شوند. فراهمی داده و اطلاعات در مدیریت سیستم آبخیز و منابع آب، به ارتقای بهره‌وری و بهینه‌سازی استفاده از منابع آب، پیشگیری از خطرات طبیعی مانند سیلاب و خشک سالی، مدیریت کیفیت آب، بهبود مدیریت عرضه و تقاضای آب کمک می‌کند. بنابراین نمونه اولیه دستگاه طراحی شده، نشان داد که این دستگاه از قابلیت خوبی جهت تولید صنعتی ابزار پایش رواناب و رسوب ارزان قیمت برای مدیریت علمی آبخیزهای کوچک مقیاس برخوردار میباشد.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Large-scale and regional planning requires observed data on environmental variables, such as runoff and suspended sediment load from watersheds. Data is fundamental for generating information and knowledge, and scientific management of a system is impossible without a monitoring and measurement plan. Management of watershed systems and water resources is no exception to this axiom. With ongoing trends in socioeconomic development, climate change, increasing pressure on natural resources and watersheds, and, consequently, an increase in floods and sediment yield, there will be a greater need for more accurate information about sediment and runoff processes in the near future. Many tools and instruments for measuring runoff and sediment components have been produced and marketed by a number of foreign companies. However, their cost is very high in Iran, on the one hand, and a device that measures both components at once is very rare, on the other hand. To carry out simulations that are both accurate and efficient, it is essential to have access to sufficient and reliable data and information for verification and validation purposes. In the field of water resources and watershed management, data and information are considered to be crucial tools. By providing important insights into the management of water resources, the availability of data and information can help enhance the efficiency and optimization of water usage, prevent natural hazards (such as floods and droughts), manage water quality, and improve the management of water supply and demand. Therefore, this study aimed to design and construct an automated flood and sediment load-monitoring device with the ability to record the runoff height of watersheds and a planned sampling of runoff for measuring suspended sediment using cheap sensors and tools. Methods: This study presents an innovative device designed to monitor runoff discharge and suspended sediment sampling. The device has been constructed and installed at the outlet of the sub-basin under study. A regular cross-section was constructed at the outlet to facilitate the installation of the device, which enabled the monitoring of the runoff hydrograph of the sub-basin outlet and suspended sediment load sampling. In this research, analog hygrometer sensors were used to measure the height of runoff with 3 cm intervals (measurement accuracy of 3 cm). DC pumps with valves were used to collect the sediment sample, which created a vacuum in the sampling container and caused the runoff sample to be transferred into the container. To evaluate the device's capabilities in real and natural conditions, it was installed at the outlet of a sub-watershed in the eastern loess lands of Golestan province, located upstream of Qapan Oliya village in the Kalaleh district for two years to record the hydrograph of likely flood events and take runoff samples at the user-defined depths of flood (two samples at depths of 20 and 60 cm in rising limb and one sample at a depth of 20 cm in recession limb of hydrographs). The samples were stored in 0.5 liter containers, and the user was informed by sending an SMS to replace the filled containers with empty ones. It is noteworthy that the device under consideration facilitates the collection of runoff samples at any frequency and at any height for research requirements. The device boasts a remarkable advantage in the form of its SMS notification feature, which keeps the user informed about the monitoring site and equipment status, including runoff sampling, power outages, and battery status. The device incorporates a built-in battery that remains active during power outages in the electricity network to record flood events. Additionally, the user can communicate with the device via a mobile phone at any time and receive SMS updates on the device's operating status, such as power, battery, memory level, and event registration. Furthermore, to ensure accurate rainfall data recording, a WatchDog tipping bucket rain gauge has been installed within the studied sub-basin. Results: During these two years, only three rainfall events leading to runoff and flooding occurred in this sub-watershed, and the designed device successfully recorded the hydrograph of all three events and informed the user. In each of these recorded flood events, at least two runoff samples (one sample in the rising limb and one sample in the recession limb of the hydrograph) were collected and stored by the device to be transferred to the laboratory to determine the suspended load. The present study has demonstrated that the automated runoff and sediment monitoring device, which has been specifically designed to measure a range of parameters such as flow rate, water level, and suspended sediment load, represents a valuable and practical tool for those seeking to monitor runoff and sediment at the outlet of watersheds. Conclusion: Data and information play a vital role in water resources and watershed management. The availability of such data and information in the management of watersheds and water resources helps enhance water use optimization and efficiency, prevent natural disasters such as floods and droughts, manage water quality, and improve water supply and demand management. Therefore, the prototype of the designed device shows that this device has a good capability for the industrial production of an inexpensive runoff and sediment monitoring tool to scientifically manage small-scale watersheds. </div> <div style="text-align: justify;"> <div style="text-align: justify;"></div></div> پمپ خلأ, داده مشاهداتی, سنسور رطوبت, نمونه بردار بار معلق, هیدروگراف سیل Dielectric sensor, Flood hydrograph, Observed data, Suspended sediment sampler, Vacuum pump 78 93 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1915-1&slc_lang=fa&sid=1 Hasan rezaei moghadam حسن رضایی مقدم hassan.rezaeemoghadam@gmail.com 100319475328460014146 0009-0008-3724-2659 Yes Department of Watershed Management, Faculty of Range and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان Vahedberdi Sheikh واحدبردی شیخ v.sheikh@yahoo.com 100319475328460014147 100319475328460014147 No Department of Watershed Management, Faculty of Range and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان Maryam Azarakhshi مریم آذرخشی azar39m@gmail.com 100319475328460014148 100319475328460014148 No Department of Nature Engineering, Faculty of Agriculture, University of Torbat Heydarieh, Torbat Heydarieh, Iran گروه مهندسی طبیعت، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربت حیدریه، تربت حیدریه، ایران Mohsen Hosseinalizadeh محسن حسینعلی زاده alizadeh_m2001@yahoo.com 100319475328460014149 100319475328460014149 No Department of Arid Zone Management, Faculty of Range and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran گروه مدیریت مناطق بیابانی، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان Jahangir Mohamadi جهانگیر محمدی mohamadi.jahangir@gmail.com 100319475328460014150 100319475328460014150 No Department of Forestry, College of Forest Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran گروه جنگلداری، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان