۱٫ معرفی
یکی از مشکلات زیست محیطی اصلی در شیلی مربوط به فرسایش خاک است که عمدتاً ناشی از آب (فرسایش آبی) است. [
۱,
۲,
۳]. در این چارچوب، برنامه‌های دولتی برای بازیابی خاک‌های تخریب‌شده برای مصارف کشاورزی و جنگل‌داری از طریق کارهای حفاظت از آب و خاک انجام شده است. [
۴,
۵]. یکی از پرکاربردترین کارهای حفاظتی آب و خاک، ترانشه های نفوذی است.
شکل ۱) که کانال های مسطحی هستند که بر روی شیب ها ساخته شده اند و با هدف جذب آب و خاک جاری شده، فرآیندهای فرسایش سطحی را کاهش می دهند و نفوذ آب را به خاک افزایش می دهند. [
۶,
۷]. آنها به صورت عرضی نسبت به شیب ساخته می شوند و می توانند دارای بخش های ذوزنقه ای، چهار گوش یا مستطیل باشند. [
۸]. همانطور که کانتوناتی و همکاران. [
۹] و گارسیا کولین و همکاران. [
۱۰] برجسته، عناصر فنی بر اساس ویژگی های سایت و محیط اقلیمی و ادافیکی در طراحی آنها دخیل هستند که با در نظر گرفتن تکینگی های سرزمینی مناطق مختلفی که می توان آنها را ساخت، ابعاد خاصی را در چارچوبی از بهره وری آب برای هر مکان تعیین می کند. بنابراین، عناصر فنی اصلی عبارتند از عمق بارندگی در یک دوره معین و شرایط خاک که از نظر ظرفیت نفوذ و روانابی که می تواند ایجاد کند منعکس می شود. [
۱۱,
۱۲]. با این حال، این ویژگی رویکرد به این معنی است که مشکلاتی در طراحی آن وجود دارد که عمدتاً به دلیل در دسترس بودن اطلاعات مورد نیاز است. از این نظر، برنامه‌های دولت برای بازیابی خاک‌های تخریب‌شده در شیلی، ابعاد ترانشه‌ها را مشخص می‌کند که حداقل به ۲۵ سانتی‌متر در پایه و ۴۰ سانتی‌متر ارتفاع برای بخش بزرگی از قلمرو نیاز دارد. [
۱۳]، به حداقل رساندن تکینگی های درجا بارش و نفوذ خاک.
به طور کلی، به منظور مطالعه برهمکنش رژیم‌های هیدروژئودینامیک و هیدروژئوترمال، شناسایی قطعیت کیفی ساختار دینامیکی جریان زیرزمینی در شرایط ناهمگونی فضایی میدان دما ضروری است، به عنوان مثال، فرآیندهای ترموکلماتاسیون و تأثیر آنها مطالعه شود. در مورد عملکرد سازه های آبگیر در کنار این امر، انجام مطالعات آزمایشی و کامل در شرایط طبیعی برای تعیین ویژگی های آبگیرهای نفوذی و توسعه روش هایی برای تعیین پارامترهای اصلی آنها با توجه به بهره برداری در شرایط سخت اقلیمی و محیطی پیچیده ضروری است. [
۱۴]. با این حال، یک عنصر اساسی برای طراحی کارهای هیدرولیک، منحنی‌های فرکانس مدت شدت (IDF) است که حداکثر شدت سالانه را برای مدت زمان معین و دوره بازگشت ارائه می‌کند. [
۱۵,
۱۶,
۱۷]. این منحنی‌ها اطلاعات ارزشمندی را برای طراحی و برنامه‌ریزی زیرساخت‌های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی، مدیریت منابع آب و ارزیابی ریسک مرتبط با رویدادهای شدید بارندگی فراهم می‌کنند. [
۱۸,
۱۹]. به این ترتیب، منحنی های IDF یک جنبه اساسی از هیدرولوژی را هنگام تخمین رویدادهای شدید باران نشان می دهد. [
۲۰,
۲۱].
با پیشرفت های تکنولوژیکی، ابزارها و نرم افزارهای تخصصی مختلفی برای تولید و تحلیل منحنی های IDF توسعه یافته اند [
۱۷,
۲۲]. این برنامه‌ها معمولاً الگوریتم‌های پیشرفته، پایگاه‌های اطلاعاتی آب و هوا و تکنیک‌های مدل‌سازی هیدرولوژیکی را برای تخمین دقیق شدت بارش در خود جای می‌دهند. [
۲۳]. همانطور که توسط هرمان و همکاران اشاره شده است. [
۲۴]راه‌حل‌های تجاری و منبع باز برای تولید منحنی‌های IDF وجود دارد، ابزارهایی که به کیفیت ورودی‌های آنها، مفروضات اساسی و دقت مدل‌های مورد استفاده، علاوه بر نیازهای خاص مطالعه و ویژگی‌های آن بستگی دارد. منطقه مورد علاقه با توجه به موارد فوق، این کار یک برنامه کاربردی Python منبع باز از مدل های قبلاً تأیید شده و داده های دقیق و فعلی را برای منطقه ای از مرکز شیلی ارائه می دهد، منطقه ای که در معرض کمبود شدید آب قرار دارد. [
۲۵,
۲۶].
پایتون یک زبان برنامه نویسی متن باز است که نوشتن و نگهداری کد را به دلیل نحوی ساده و خوانا آسان می کند. [
۲۷]. کتابخانه ها و چارچوب های پایتون به طور گسترده ای برای اهداف مختلف مانند PyGames برای توسعه بازی های ویدئویی، جنگو برای توسعه وب و TensorFlow برای یادگیری ماشین در دسترس هستند. [
۲۸]. این یکپارچگی و قابلیت گسترده پایتون را به گزینه ای ارجح برای پروژه های چند رشته ای که به راه حل های قوی و مقیاس پذیر نیاز دارند تبدیل می کند. ماهیت منبع باز Python باعث ایجاد یک جامعه فعال از توسعه دهندگان می شود که در نتیجه به روز رسانی های منظم، پشتیبانی فنی و طیف گسترده ای از منابع آموزشی ایجاد می شود. [
۲۹]. بنابراین، ما از مزایای پایتون برای توسعه طراحی ترانشه نفوذ استفاده کردیم.
چندین نویسنده مطالعات خود را بر روی خودکارسازی طراحی ترانشه های نفوذ متمرکز کرده اند. به عنوان مثال، وانگ و همکاران. [
۳۰] یک مدل ترکیبی ادغام تجزیه و تحلیل هزینه-فایده با یک رویکرد تصادفی برای مناطق شهری در پکن (چین)، ارائه یک ابزار مفید برای مدیریت آب شهری، در حالی که Rowe و همکاران. [
۳۱] همچنین بر مقرون به صرفه بودن طراحی ترانشه نفوذی در مناطق شهری انتاریو (کانادا) متمرکز شد. علاوه بر این، Campisano و همکاران. [
۳۲] طراحی ترانشه‌های نفوذ را بر اساس مدل‌های فرآیند بارش-رواناب برای مناطق شهری از نظر ریاضی ساده کرد، در حالی که و Nieć و همکاران. [
۳۳] بر روی مدل های نشت متمرکز شده است. در نهایت، Creaco و Franchini [
34] یک روش ریاضی بدون بعد برای طراحی ترانشه های نفوذی ایجاد کرد. با وجود موارد فوق، ایجاد نرم افزاری که به طور خاص برای طراحی ترانشه های نفوذی مورد استفاده قرار می گیرد، تا جایی که ما می دانیم و بر اساس انتشارات علمی، رویکردی بدیع است. بر اساس موارد فوق، این مطالعه توسعه و کاربرد یک ابزار محاسباتی را برای تسهیل طراحی ترانشه‌های نفوذ بر اساس معیارهای مهندسی هیدرولوژیکی برای اعمال در مرکز شیلی، بر اساس معادلات موجود و دانش محلی ارائه می‌کند. این نرم افزار به دنبال خودکارسازی فرآیند طراحی ترانشه های نفوذی با در نظر گرفتن تکینگی های سرزمینی مانند شدت بارش و نرخ نفوذ، تسهیل اجرای این سازه ها در برنامه های احیا برای محیط های تخریب شده و همچنین حفظ آب است.
۳٫ نتایج
نتیجه اصلی این مطالعه راه حل منبع باز است. برای نشان دادن عملکرد آن، تجزیه و تحلیل موردی برای ایستگاه باران “Quilaco” انجام شد.
شکل ۵ شدت بارش و منحنی های IDF ایجاد شده برای این ایستگاه را نشان می دهد. در این تب کاربر می تواند مدت زمان و دوره بازگشت را انتخاب کند و به این ترتیب شدت بارش را برای منطقه ای که ترانشه ها در آن طراحی خواهد شد به دست آورد.
علاوه بر این، راه‌حل منبع باز مقادیر جدول‌بندی شده را برای تخمین نرخ نفوذ بر اساس فرمول هورتون که قبلا ذکر شد، ارائه می‌کند.
شکل ۶). در این تب کاربر می تواند با وارد کردن نوع خاک و پوشش گیاهی منطقه، میزان نفوذ را به دست آورد. علاوه بر این، اگر کاربر مقادیر نفوذ را اندازه‌گیری یا تخمین زده باشد، می‌توان این مقادیر را در نرم‌افزار گنجانده یا اصلاح کرد (
شکل ۷) به منظور محاسبه dh.
در تب عناصر مشترک، امکان تغییر شدت بارندگی نیز وجود دارد (
من در mh
-1، ضریب رواناب (
ه، اگرچه توصیه می شود مقادیر بالایی را به عنوان یک عامل ایمنی باقی بگذارند، و پایه (
ب در متر) برای طراحی ترانشه استفاده می شود. در مورد ترانشه های ذوزنقه ای، زاویه مقطع ترانشه باید در برگه ترانشه های نفوذ ذوزنقه ای درج شود.
شکل ۷).
راه حل منبع باز برای تأیید این که تخمین های انجام شده با روش سنتی مطابقت دارند، با استفاده از یک صفحه گسترده محاسبه (Excel) تأیید شد. برای این، ۴۰ مورد در نظر گرفته شد و MAE برآورد شد، بدون تفاوت در برآوردها (MAE = 0). توجه به این نکته ضروری است که راه حل منبع باز اتوماسیون روش مورد استفاده در صفحه گسترده اکسل است و بنابراین، MAE باید ۰ باشد (یعنی نتایج باید یکسان باشد).
عملکرد راه حل منبع باز در مقایسه با روش طراحی سنتی ارزیابی شد. یکی از معیارهای مورد استفاده امکان سنجی استفاده از هر دو ابزار (اجرا)، معیار دیگر زمان اجرا و سومی دقت نتایج بود. در معیار اول در نظر گرفته شد که احتمال اینکه کاربر یک اپلیکیشن صفحه گسترده داشته باشد ۱۰۰ درصد است اما همه افراد پایتون برای اجرای این نرم افزار ندارند. با این حال، برای بهبود دسترسی به برنامه، می توان یک نسخه خود اجرا کننده ایجاد کرد. در مورد معیار دوم، سرعت نرم افزار بین ۱۰۷ تا ۲۰۰ درصد بیشتر از روش سنتی است.
جدول ۳). با توجه به ملاک مربوط به دقت نتایج به دست آمده، تفاوتی بین دو ابزار وجود ندارد.
جدول ۳ مقایسه را بر اساس معیارهای تعریف شده خلاصه می کند.
به عنوان مثال، نتایج راه‌حل منبع باز در سه شرایط برای منطقه Biobio ارائه شده است، یعنی (الف) ساحلی (Carriel Sur)، (ب) فرورفتگی متوسط (لس آنجلس)، و (ج) کوهپایه‌ها (Quilaco). ) که توسط ایستگاه های بارش مربوطه نشان داده می شود. برای این، ابعاد ترانشه ها توسط برنامه بازیابی خاک تخریب شده توصیه شده است [
۱۹] وارد شدند و فاصله افقی بین ردیف های ترانشه های نفوذی برای هر موقعیت تخمین زده شد (
جدول ۴).
نتایج این آزمایش نشان می دهد که برای شدت بارندگی بیشتر، نرم افزار فاصله بین ترانشه ها را کاهش می دهد. یعنی نرم افزار چیدمان ترانشه ها را بر اساس اطلاعات بارندگی و نفوذ منطقه مورد مطالعه بهینه می کند (یعنی فاصله بین ترانشه های نفوذی با در نظر گرفتن حجم رسوب در منطقه بارندگی بهینه است). با این وجود، بسته به عبارات ریاضی برای هر مورد، تنوع در پارامترها گسترده است. با این حال، در واقعیت، این تنوع محدود است، به این معنی که نمی توان به صورت عملی در مورد ترانشه هایی با ارتفاع یا ابعاد پایه بیشتر از یک متر فکر کرد (به دلیل محدودیت هزینه، معمولاً بسیار کوچکتر هستند).
۴٫ بحث
نتایج حاصل از راه حل منبع باز همان نتایج به دست آمده از روش سنتی است. با این حال، راه‌حل منبع باز خطای انسانی را به حداقل می‌رساند، زیرا حل معادلات را خودکار می‌کند و به نتایج قابل اعتمادی معادل روش سنتی استفاده می‌شود. به همین ترتیب، راه‌حل منبع باز کارایی در طراحی ترانشه‌های نفوذی را افزایش می‌دهد و به یک کارگر اجازه می‌دهد تا سه ترانشه ذوزنقه‌ای را همزمان طراحی کند تا یک ترانشه با استفاده از روش سنتی ایجاد کند. راه حل منبع باز همچنین می تواند با شاخص طوفان استفاده شود، بنابراین فاصله افقی در مناطق فاقد اطلاعات شدت باران تخمین زده می شود.
در نهایت، اعتبارسنجی مدل موفقیت آمیز بود. این کار با تضاد کارایی محاسباتی و دقت نتایج حاصل از راه حل نرم افزاری به دست آمده در مقابل استفاده از صفحه گسترده اکسل برای طراحی ترانشه های نفوذی مختلف انجام شد. تفاوت قابل توجهی وجود نداشت، اما از نظر زمان محاسبه، برنامه ما کارآمدتر بود. نرم افزار ما با توجه به نیازهای کاربر توسعه یافته است.
استفاده از ترانشه های نفوذی برای حفظ خاک و آب و همچنین نفوذ آب به خاک، منشأ بسیار قدیمی دارد. [
۵۶]. با این حال، در شیلی، ساخت آنها همیشه از مقادیر تعریف شده قبلی پیروی می کند که جنبه های دقت هیدرولوژیکی را برای کاهش هزینه ها، از یک سو، و کارآمدتر کردن فرآیند نفوذ آب به خاک، از سوی دیگر، در بر نمی گیرد. از این نظر، روش استفاده شده توسط راه‌حل منبع باز برای طراحی ترانشه‌های نفوذی، با معادل‌سازی حجم منطقه طوفان با حجم جذب شده توسط سازه‌ها، امکان تخمین فاصله افقی بهینه بین ترانشه‌ها را فراهم می‌کند تا ظرفیت آنها برآورد شود. فراتر نمی رود. علاوه بر این، با استفاده از مقادیر ضریب رواناب نزدیک به واحد، یک ضریب ایمنی اضافی ایجاد می‌شود [
۴۸].
در سطح جهانی، تکنیک‌های دیگری برای طراحی ترانشه‌های نفوذی مانند روشی که توسط پروسکی و همکاران استفاده می‌شود، وجود دارد. [
۵۷]. اگرچه این تکنیک آسان و سریع است، اما برای کاربرد آن نیازمند داشتن مقادیر شدت بارش و ورودی ها و دانش روش اعداد منحنی است. روش دیگری برای تخمین dh بین ترانشه ها توسط Chinchilla-Ureña و همکاران استفاده شد. [
۵۸]، تعیین فاصله بر اساس رواناب سطحی محاسبه شده با عدد منحنی. اگرچه این روش محاسبه فاصله ساده است، اما عدم استفاده از شدت بارش برای طراحی ترانشه ها نشان دهنده خطر وقوع سرریز است. علاوه بر این، فلورس ویلانلو [
۵۹] سه مدل طراحی ترانشه را در پایان نامه دکتری خود پیاده سازی کرد و مدل ها را در Matlab برنامه ریزی کرد تا کاربرد آنها را ساده کند. با این حال، از آنجایی که آنها در Matlab برنامه نویسی می شوند، کاربرد آنها محدود است زیرا مجوز برای اکثر مشاوران ممنوع است و نیاز به دانش زبان Matlab دارد. برنامه ارائه شده در اینجا به زبان پایتون برنامه ریزی شده و به صورت مستقل است، می تواند به طور گسترده و رایگان توزیع شود. بنابراین، امکان دموکراتیک شدن فناوری را فراهم می کند، به ویژه در مشاوره هایی که بر احیای خاک های تخریب شده و همچنین حفظ آب متمرکز هستند.
راه‌حل منبع باز ارائه‌شده، که چارچوب‌های مفهومی و ریاضی را که قبلاً توضیح داده‌شده فرض می‌کند، و آنها را به‌طور رایگان در یک زبان رایانه‌ای قدرتمند در دسترس قرار می‌دهد که زمان پردازش را کاهش می‌دهد و ابعاد مبتنی بر علم هیدرولوژیکی را تضمین می‌کند. این امر در کشوری که در آن بارندگی در زمستان و حجم زیادی از آب در تابستان استفاده می شود، مهم است [
۶۰]. بنابراین ترویج نفوذ آب به خاک برای تغذیه سفره های زیرزمینی و استفاده از آنها به عنوان مخازن طبیعی هدفی است که باید در مناطقی که ترانشه های نفوذی ابزار بسیار مناسبی هستند محقق شود. [
۶۱,
۶۲]. با این حال، باید از منابع به کارآمدترین شکل ممکن استفاده کرد و این نرم افزار به نیاز به استفاده منطقی و تقویت راه حل های مبتنی بر طبیعت اشاره می کند.
با استفاده از نرم افزار هیدرولوژی، محاسبات برای مدل سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی در حوزه های آبخیز ساده می شود. [
۶۳]، بنابراین نتایج قابل اعتمادی برای مدیریت آبخیز به دست می دهد [
۶۴]. با این حال، طبق دانش نویسندگان، هیچ بسته نرم افزاری منبع باز خاصی برای رسیدگی به طراحی ترانشه های نفوذی موجود نیست. یک صفحه گسترده اکسل، CUBHIC 2.0 [
65]و یک پلت فرم آنلاین توسعه یافته توسط مرکز استانداردهای مهندسی برای آب و خاک (EIAS) در دانشگاه تالکا پیدا شد. با این حال، دومی متوقف شده و آفلاین است. اگرچه برنامه های نرم افزاری پولی برای طراحی آثار وجود دارد (به عنوان مثال، DC-infilt، MicroDrainage، Flores Villanelo، ۲۰۱۶ [
۵۹]، مجوزهای آنها گران است و استفاده از آنها را محدود می کند. این محدودیت در دسترسی به نرم افزار طراحی ترانشه ها از ازدحام بیش از حد آنها جلوگیری می کند و به همین دلیل همچنان از صفحات گسترده یا صرفاً ماشین حساب برای تخمین فاصله بین ترانشه ها استفاده می شود. با این حال، استفاده از این ابزارها مستعد خطا است، زیرا فرمول ها باید به صورت دستی وارد شوند، که احتمال خطای تایپ را افزایش می دهد، و اگر فرمول با در نظر گرفتن تغییرات بعدی (یعنی مقادیر شدت، پایه، ارتفاع و نفوذ) ساخته نشده باشد. در فرمول ها ثابت مانده است)، فرمول باید اصلاح شود و احتمال خطا افزایش می یابد.
در این زمینه، این راه حل منبع باز فرآیند طراحی ترانشه را ساده می کند. موارد فوق اجازه می دهد تا سازه هایی طراحی شوند که از یک طرف حجم رواناب سطحی را در هنگام طوفان جذب کنند و از طرف دیگر هزینه ها و زمان اجرا را کاهش دهند، مشتقی که فاصله بین ترانشه ها را بهینه می کند. علاوه بر این، در حالی که منبع باز است، می توان آن را به راحتی به روز کرد و از خطر آفلاین شدن جلوگیری کرد، همانطور که در مورد پلت فرم EIAS وجود دارد.
با وجود تمام موارد فوق، محدودیت نرم افزار پیشنهادی این است که فقط منحنی های IDF منطقه Biobío را دارد و کاربرد و استفاده آن را مختص منطقه محلی می کند. با این حال، کد منتشر خواهد شد تا در آینده در مناطق یا کشورهای مختلف به روز شود.
۵٫ نتیجه گیری ها
شبیه‌ساز به‌دست‌آمده بر اساس زبان پایتون انعطاف‌پذیری و کارایی بالایی از خود نشان داده است، بنابراین انتظار می‌رود این نمونه اولیه به‌طور مکرر مورد استفاده قرار گیرد. عبارات ریاضی جدیدی را می توان برای توضیح بهتر طراحی کارآمد کارهای حفاظت از خاک و آب مانند ترانشه های نفوذی اضافه کرد.
در نتیجه، امکان توسعه مدل‌های شبیه‌سازی برای طراحی کارآمد ترانشه‌های نفوذی بر اساس مدل‌سازی نظری کاملاً تعریف شده و محدود و با در نظر گرفتن ابزارهای زبان رایانه‌ای موجود در طیف وسیعی وجود دارد، در یک ترکیب فضیلت‌انگیز که می‌تواند به پرداختن به سیاست‌های عمومی کارآمد برای حفظ کمک کند. خاک و آب
ساخت این نرم‌افزار و توصیه‌های کاربردی آن، از یک سو پرکردن خلأهای دانش را ممکن می‌سازد و با اشاره به کاهش فرآیندهای فرسایشی و تغذیه آبخوان‌ها، به سمت بهره‌وری اقتصادی و ساختاری بیشتر منابع می‌رود. از طرف دیگر در این چارچوب، نرم افزار گام بزرگی در جهت تسهیل طراحی کارآمد ترانشه های نفوذی است.
با این حال، در آینده، مقادیر پارامتری خاص تری باید برای مناطق مختلف، به ویژه آنهایی که مربوط به نفوذ آب به خاک است، ایجاد شود، با توجه به اینکه در کشوری مانند شیلی، این مقدار تنها در مترها به دلیل خاک متفاوت است. با تنوع بافتی و ترکیب بالا، که نرخ نفوذ را در فواصل نزدیک تعیین می کند.
در نهایت پیشنهاد می‌شود که این مدل شبیه‌سازی به آثاری با ویژگی‌های طراحی مختلف و بر اساس ملاحظات دیگری مانند گنجاندن متغیرهای پوشش گیاهی که می‌تواند جنگل‌کاری این مناطق را هدایت کند، گسترش چارچوب عمل از هیدروتکنیک به بیوتکنیک بسط داده شود. به همین ترتیب، و نیازی به گفتن نیست، توصیه می شود این تجربه ارزشمند در سایر نقاط شیلی و جهان نیز تکرار شود.
