مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هیدرولوژی (Hydrology)

هیدرولوژی علم مطالعه توزیع، حرکت و کیفیت آب در زمین است. این علم شامل بررسی چرخه آب (هیدرولوژیکی)، فرآیندهای مرتبط با آب و ارتباط آن با محیط زیست است.

چرخه هیدرولوژی (Hydrological Cycle)

چرخه آب فرآیند پیوستهای است که آب در سه حالت جامد، مایع و گاز در سطح زمین حرکت میکند. اجزای اصلی چرخه هیدرولوژی عبارتند از:
۱. بارش (Precipitation): ریزش آب از اتمسفر به شکل باران، برف، تگرگ و غیره.
۲. تبخیر (Evaporation): تبدیل آب از مایع به بخار از سطح آبها و خاک.
۳. تعرق (Transpiration): خروج آب از گیاهان به صورت بخار.
۴. تبخیر-تعرق ترکیبی (Evapotranspiration): مجموع تبخیر و تعرق.
۵. رواناب (Runoff): جریان آب روی سطح زمین به سمت رودخانهها، دریاچهها و اقیانوسها.
۶. نفوذ (Infiltration): ورود آب به خاک و تغذیه آبهای زیرزمینی.
۷. جریان آب زیرزمینی (Groundwater Flow): حرکت آب در لایههای اشباع زیرزمین.

فرمولهای کلیدی در هیدرولوژی

۱. معادله تراز آب (Water Balance Equation)

P=ET+R+ΔS

• P: بارش (mm)

• ET: تبخیر-تعرق (mm)

• R: رواناب (mm)

• ΔS: تغییرات ذخیره آب در خاک و آبهای زیرزمینی (mm).

۲. روش منطقی (Rational Method) برای محاسبه دبی اوج

Q=C⋅I⋅A

• Q: دبی اوج (m³/s)

• C: ضریب رواناب (بیبعد)

• I: شدت بارش (mm/hr)

• A: مساحت حوضه آبریز (km²).

۳. معادله پنمن-مونتیت (Penman-Monteith) برای تبخیر-تعرق

ET0​=(0.408⋅Δ⋅(Rn​−G)+γ⋅T+273900​⋅u2​⋅(es​−ea​))/(Δ+γ⋅(1+0.34⋅u2​))​

• ET0​: تبخیر-تعرق مرجع (mm/day)

• Rn​: تابش خالص (MJ/m²/day)

• G: شار گرمای خاک (MJ/m²/day)

• T: دمای هوا (°C)

• u2​: سرعت باد در ارتفاع ۲ متری (m/s)

• eses​ ​: فشار بخار اشباع و واقعی (kPa).

۴. قانون دارسی (Darcy's Law) برای جریان آب زیرزمینی

(Q=−K⋅A⋅(dh/dl​

• Q: دبی آب زیرزمینی (m³/s)

• K: هدایت هیدرولیکی (m/s)

• A: سطح مقطع جریان (m²)

• dldh​: گرادیان هیدرولیکی (بیبعد).

روشهای رایج در هیدرولوژی

۱. اندازهگیری میدانی:

• استفاده از بارانسنجها، سیفونها و دبیسنجهای اولتراسونیک برای ثبت دادهها.

• نمونهبرداری از آبهای زیرزمینی و سطحی.

۲. مدلسازی هیدرولوژیکی:

• مدل HEC-HMS: شبیهسازی رواناب و سیلاب در حوضههای آبریز.

• مدل SWAT (Soil and Water Assessment Tool): تحلیل اثرات مدیریت زمین بر منابع آب.

• روش شماره منحنی (SCS-CN): تخمین رواناب بر اساس نوع خاک و پوشش زمین.

۳. روش هیدروگراف واحد (Unit Hydrograph):

• پیشبینی پاسخ حوضه به بارش با استفاده از هیدروگراف پایه.

۴. روش مسکینگام (Muskingum):

• روتینگ سیلاب در رودخانه ها با معادله:

=Qout​=C0​⋅I+C1​⋅Qin​+C2​⋅Qprev​

اصول پایه هیدرولوژی

۱. اصل پیوستگی (Conservation of Mass):

• آب در چرخه هیدرولوژی نه ایجاد میشود و نه از بین میرود، بلکه شکل آن تغییر میکند.

۲. وابستگی به اقلیم و توپوگرافی:

• الگوی بارش، دما و شیب زمین بر توزیع آب تأثیر مستقیم دارد.

۳. تأثیر فعالیتهای انسانی:

• شهرسازی: افزایش رواناب و کاهش نفوذپذیری.

• کشاورزی: مصرف آب و تغییر در تبخیر-تعرق.

۴. مقیاسهای زمانی و مکانی:

• تحلیل فرآیندها در مقیاسهای مختلف (مثلاً سیلابهای لحظهای vs. تغییرات آب زیرزمینی بلندمدت).

کاربردهای هیدرولوژی

• مدیریت منابع آب: تأمین آب شرب، کشاورزی و صنعت.

• پیشبینی سیل: طراحی سازههای کنترل سیلاب مانند سدها.

• حفاظت محیط زیست: احیای تالابها و رودخانه ها.

• مقابله با خشکسالی: برنامهریزی برای ذخیره آب در دوره های کم آبی.

جمعبندی

هیدرولوژی با ترکیب مفاهیم فیزیکی، ریاضی و محیطی، ابزاری حیاتی برای مدیریت پایدار منابع آب است. درک دقیق چرخه آب، فرمول ها و روشهای تحلیلی، امکان پیش بینی و کاهش مخاطرات طبیعی مانند سیل و خشکسالی را فراهم میکند. فناوریهای نوین مانند سنجش از دور و GIS نیز دقت مطالعات هیدرولوژیکی را افزایش دادهاند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هیدرولوژی استوکستیک

تعریف:
هیدرولوژی استوکستیک (Stochastic Hydrology) شاخهای از هیدرولوژی است که از روشهای آماری و احتمالاتی برای مدلسازی فرایندهای هیدرولوژیکی با در نظر گرفتن عدم قطعیت و تغییرات تصادفی استفاده میکند. این روشها برای تحلیل متغیرهایی مانند بارش، جریان رودخانه، تبخیر، و خشکسالی به کار میروند که ذاتاً تصادفی و غیرقابل پیشبینی دقیق هستند.

مفاهیم کلیدی

۱. متغیرهای تصادفی (Random Variables):

• توصیف کمی پدیدههای هیدرولوژیکی با استفاده از توزیعهای احتمالاتی (مثلاً نرمال، گاما، گمبل).

• مثال: مدلسازی بارش سالانه با توزیع گاما.

۲. فرایندهای تصادفی (Stochastic Processes):

• تحلیل داده های سری زمانی (مانند جریان رودخانه) با در نظر گرفتن وابستگی زمانی.

• مثال: مدل ARIMA برای پیشبینی جریان ماهانه.

۳. عدم قطعیت (Uncertainty Quantification):

• ارزیابی خطا در پیش بینی ها با روش هایی مانند شبیه سازی مونت کارلو.

۴. غیرایستایی (Non-Stationarity):

• تعدیل مدلها برای تغییرات بلندمدت (مثلاً تأثیر تغییرات اقلیمی).

روشها و فرمولهای اصلی

۱. مدلهای سری زمانی (Time Series Models)

• مدل AR (Autoregressive):

  Xt​=ϕ1​Xt−1​+ϕ2​Xt−2​+⋯+ϕp​Xt−p​+ϵt​

  • Xt​: مقدار متغیر در زمان tt.

  • ϕ: ضرایب مدل.

  • ϵt​: خطای تصادفی (نویز سفید).

• مدل ARMA (Autoregressive Moving Average):

  Xt=∑i=1pϕiXt−i+∑j=1qθjϵt−j+ϵtXt​=i=1∑p​ϕi​Xt−i​+j=1∑q​θj​ϵt−j​+ϵt​

  • ترکیب مدل AR و MA برای دادههای ایستا.

• مدل SARIMA (Seasonal ARIMA):

  • برای دادههای با فصلیت (مثلاً جریان رودخانه فصلی).

۲. توزیع مقادیر حدی (Extreme Value Theory)

• توزیع گمبل (Gumbel):

  F(x)=e−e−(x−μ)/β

  • مدلسازی سیلابها یا خشکسالیهای شدید.

• توزیع Generalized Extreme Value (GEV):

  F(x)=exp[−(1+ξ((x−μ​)/σ))−1/ξ]

  • ξ: پارامتر شکل (تعیین نوع توزیع: فرین، وایبول، گمبل).

۳. روشهای مکانی-تصادفی (Geostatistics)

• کریگینگ (Kriging):

  Z^(s0​)=i=1∑n​λi​Z(si​)

  • پیشبینیمکانی بارش یا رطوبت خاک با استفاده از واریوگرام.

۴. زنجیره مارکوف (Markov Chain)

• مدلسازی انتقال بین حالتها (مثلاً خشک/مرطوب):

  P(Xt+1​=j∣Xt​=i)=pij​

• کاربرد: پیشبینی توالی روزهای بارانی.

کاربردها

۱. پیشبینی سیلاب: استفاده از مدلهای ARIMA و GEV برای تخمین دبی اوج.
۲. مدیریت منابع آب: شبیهسازی جریان رودخانه تحت سناریوهای مختلف اقلیمی.
۳. ارزیابی خشکسالی: تحلیل توزیع SPI (شاخص بارش استانداردشده) با روشهای تصادفی.
۴. طراحی سازه های هیدرولیک: محاسبه دوره بازگشت سیلاب با توزیع Gumbel.

چالشها

• غیرایستایی: تغییرات اقلیمی باعث نقض فرض ایستایی در مدلهای کلاسیک.

• کمبود داده: در مناطق خشک یا دورافتاده، داده های کافی وجود ندارد.

• پیچیدگی محاسباتی: مدلهای فضایی-زمانی به منابع محاسباتی بالا نیاز دارند.

ابزارهای نرم افزاری

• زبان R: بستههای forecast (برای ARIMA)، evd (برای تحلیل مقادیر حدی).

• پایتون: کتابخانههای statsmodels (ARIMA)، PyMC3 (شبیهسازی بیزی).

• نرمافزارهای تخصصی: HEC-SSP، SWAT.

جمع بندی

هیدرولوژی استوکستیک با ترکیب مفاهیم احتمالات و هیدرولوژی، ابزاری قدرتمند برای مدیریت عدم قطعیت در سیستمهای آبی فراهم میکند. انتخاب روش مناسب به ماهیت دادهها (ایستا/غیرایستا، نقطهای/مکانی) و هدف مطالعه بستگی دارد. درک اصول آماری و سازگاری مدل با فرایندهای فیزیکی، کلید موفقیت در این حوزه است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مطابق آمار تهیه شده توسط سازمان ملل متحد در میان بلایای طبیعی، سیل و طوفان بیشترین تلفات و خسارات ر ا به جوامع بشری وارد آورده اند، بگونه ای که تنها در یک دهه میزان خسارات ناشی از سیل و طوفان بالغ بر 21 میلیارد دلار در مقابل 18 میلیارد دلار خسارات ناشی از زلزله بوده است. این امر در کشور ما نیز صادق است و در اغلب سالهای گذشته حدود 70 % اعتبارات سالانه طرح کاهش اثرات بلایای طبیعی و ستاد حوادث غیر مترقبه صرف جبران خساران ناشی از سیل شده است . ضمن اینکه باید توجه داشت بدلیل بهبود روشهای ساخت و ساز و رعایت ضوابط و مقررات، ایمنی سازه ها و تأسیسات در مقابل خطراتی چون زلزله افزایش می یابد ولی متأسفانه روند طبیعی تو سعه در کشورهایی نظیر ایران باعث تخریب محیط زیست و منابع طبیعی شده و خسارات سیل مرتباً افزایش می یابد . رشد 250 درصدی خسارات ناشی از سیل کشور در پنج دهه گذشته مؤید این مدعاست. متأسفانه موضوع سیل و مدیریت و کاهش خسارات آن در کشور مورد توجه جدی قرار نگرفته و فقط زمانی که سیلاب مخربی جاری می شود و فاجعه ای بوجود می آید، توجه مسئولین و متخصصین به آن جلب می گردد. اگر چه بررسی طرحهای مهار سیلاب که به صورت محدود و پراکنده در سطح کشور مطالعه و اجرا شده اند، نشان می دهد یک راه حل مشخص و مطمئن برای کلیۀ مناطق سیلگیر وج ود ندارد اما بدیهی است پدیدۀ سیل علیرغم همۀ پیچیدگیهایش قابل بررسی و مطالعه بوده و می توان در جهت مهار وکاهش خسارات آن و حتی بهره برداری اقتصادی از سیل راه حل های مناسبی جستجو کرد. بر این اساس برنامه ریزی و انجام اقدامات جامع جهت پیشگیری و کاهش خسارات سیل در قالب طرحهای مطالعاتی و اجرایی از اهمیت بسزایی در راستای دستیابی به اهداف توسعۀ پایدار برخوردار می باشد. طبقه بندی سیل های کشور جریان سیل به طور عمده ناشی از رواناب سطحی می باشد که حاصل خصوصیات بارش و خصوصیات حوزۀ آبخیز است که در این میان، تأثیر پوشش گ یاهی و خاک در کاهش جریان سیل حوزه های کوچک کمتر از حوزه های با مساحت زیادی می باشد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هیدرولوژی و توضیحات جامع در مورد آن

هیدرولوژی چیست ؟

بر اساس آخرین مطالعات تا کنون ۵ میلیارد سال از عمر زمین می گذرد و شواهد نشان میدهد که آب از همان ابتدای تشکیل کره زمین نقش مهمی در تحول و قابل سکونت کردن آن به عنوان تنها سیاره قابل زیست داشته است . با تشکیل اقیانوسها و دریاها و تشکیل بخار از روی آنها و ایجاد ابر و بارندگی و به طور کلی گردش آب در طبیعت و جاری شده آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقیانوسها ، ابتدا زندگی اولیه با گیاهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گیاهان و حیوانات عالی به وجود آمدند .

پیوسته زمین که از سنگهای آذرین سرد شده تشکیل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأثیر پدیده هوازدگی قرار گرفت و تغییرات همزمان آب ، دما و یخبندان باعث تکه تکه شدن سنگها شده و جاری شدن آبها ، آنها را جابه جا کرده و دشتهای وسیعی را که دارای پوشش خاک بودند به وجود آوردند . این پوشش خاکی همراه با آب قابل دسترس در طبیعت محیط مناسبی را برای رشد گیاهان فراهم شد و محیط مناسب برای زندگی بشر آماده و مهیا گردید . انسان های نخستین از آب تنها برای شرب استفاده می کردند و به تدریج با پیشرفت تمدن و گذشت زمان از آن برای گردش آسیاب ها ، کشاورزی و حمل ونقل نیز استفاده کرد.

همزمان با پیشرفت تمدنها استفاده از آب نیز شکل تازه ای به خودگرفت به طوری که در بسیاری از زمینه ها ، از کشاورزی گرفته تا صنعت و از همه مهمتر تولید انرژی از آب استفاده می شود و امروزه دسترسی به آب کافی و با کیفیت مناسب در زمان و مکان مناسب مد نظر می باشد و هر گونه کمبود آب را مانعی در جهت توسعه پایدار می داند به همین دلیل هر ساله سرمایه های زیادی برای توسعه منابع آب و طرحهای مرتبط با آن مثل سدسازی و احداث شبکه های آبیاری و زهکشی ، آبخیزداری ، مهار سیل و تغذیه آبهای زیرزمینی انجام می دهند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هدايت هيدروليکى
مقدار جريان يا سرعت جريان آب از يک نقطه به نقطه ديگر متناسب با اختلاف پتانسيل است. اختلاف پتانسيل نسبت به فاصله نيز برابر با شيب هيدروليکى است که معادل است با تغييرات پتانسيل کل نسبت به فاصله بين دو نقطه. شيب هيدروليکى بين نقطه ۱ و ۲ را مى‌توان به‌صورت زير توصيف کرد:

dΦ / ds = ( Φ۱-Φ۲ ) / ( S۱-S۲ )

که ds فاصله بين نقاط ۱و ۲ مى‌باشد. همچنين در صورتى که اختلاف پتانسيل اسمزى ناچيز باشد و بتوان از آن صرف‌نظر کرد به جاى پتانسيل کل مى‌توان پتانسيل هيدروليکى يا h را بکار برد. بنابر اين شيب هيدروليکى (dh/ds) برابر است با:


dh / ds = (h۱-h۲) / ( S۱-S۲ )

چنانچه V سرعت جريان آب در خاک باشد اين سرعت متناسب با گراديان هيدروليکى است و ضريب تناسب عدد ثابت آن مى‌باشد:

V = -K ( dh / ds )
مقدار K را ضريب هدايت هيدروليکى مى‌ناميم. ملاحظه شود که جلوى K علامت منفى گذاشته شده است اين علامت نقشى در مقدار سرعت ندارد و فقط از نظر تعيين جهت جريان است. مثلاً اگر هميشه نقطه ۱ سمت راست و نقطه ۲سمت چپ انتخاب شود چنانچه با در نظر گرفتن علامت در جلو معادله نتيجه عدد مثبتى شد جريان از سمت چپ به راست و اگر عدد منفى بدست آمد جريان از راست به چپ خواهد بود.


توجه داشته باشيد که سرعت محاسبه شده با فرمول فوق سرعت ظاهرى است و سرعت واقعى آب که از منافذ بين ذرات خاک صورت مى‌گيرد به مراتب بيشتر از مقدار فوق است. زيرا آب فقط از داخل خلل و فرج عبور مى‌کند. چنانچه تخلخل خاک n باشد سرعت واقعى آب يا به اصطلاحى سرعت منفذى (Vp) عبارت است از:

Vp = V / n

در طراحى آبيارى سروکار ما با سرعت ظاهرى حرکت آب است، اما در بررسى انتقال مواد شيميايى در خاک و يا برخى مسائل زهکشى مى‌بايست سرعت منفذى نيز در نظر گرفته شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هيدروليك و هيدرولوژي

مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین می‌توان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می‌شود.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
 ● قانون پاسکال: ۱) فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستم‌های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم‌های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستم‌های هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی: ۱) مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).
 ● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی: ۱) کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها
● یک مقایسه کلی بین سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک: ۱) در سیستم‌های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم‌های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند. ۲) در سیستم‌های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد ۳) فشار در سیستم‌های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستم‌های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم‌های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است . ۵) در سیستم‌های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد. ۶) سیستم‌های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی برخوردارند.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
جهش هيدروليكي
جهش هيدروليكي از جمله پديده هايي است كه تاكنون محققان زيادي را معطوف خود ساخته است.خصوصيات بارز و ممتاز اين پديده موجب گرديده است تا در مهندسي هيدروليك كاربردهاي زيادي براي آن يافت شود.استفاده از جهش هيدروليكي در سرريز سدها به عنوان مستهلك كننده انرژي و استفاده از جهش هيدروليكي به منظور افزايش عمق جريان در كانالهاي آبياري و استفاده از تلاطم ايجاد شده در جهش به منظور اختلاط مواد شيميايي يا هوا با آب در تصفيه خانه هاي آب و فاضلاب و موارد متعدد ديگر از جمله اين كاربردها مي باشد.                                           
جرياني كه از روي سرريز سد با سرعت زياد به پايين دست آن جريان مي يابدممكن است باعث تخريب و فرسايش كف  رودخانه شده و خطراتي را متوجه سازه كند.بدين منظور براي كاهش انرژي جنبشي جريان در پايين دست سدها از حوضچه هاي جهش هيدروليكي استفاده مي شود.جهش هيدروليكي در واقع تبديل و تغير ناگهاني و سريع حالت جريان از فوق بحراني با سرعت زياد به زير بحراني با سرعت كم مي باشد.بنابراين بيشتر انرژي جنبشي جريان در خلال اين فرايند به انرژي پتانسيل تبديل مي شود.بخش ديگري از انرژي جنبشي نيز بر اثر تنشهاي برشي حاصل از برخورد موجها و تلاطم هاي بوجود آمده بر اثر جهش به صورت گرما جذب محيط اطراف خود مي شود.                                                                                                            
خصوصيات بارز يك جهش هيدروليكي را مي توان به صورت زير خلاصه كرد                  
● آشفتگي شديد جريان
● ارتعاش و مشاهده حالت ضرباني در جريان
● ايجاد موج در سطح آب پايين دست
● ورود هوا به داخل جريان
● استهلاك انرژي به واسط آشفتگي و تلاطم شديد جريان
● ايجاد حالت پاشيدگي در آب و توليد سر و صدا
دريك تقسيم بندي كلي مي توان انواع جهش هيدروليكي را به صورت زير دسته بندي كرد :  
١- جهش هيدروليكي ازاد
٢- جهش هيدروليكي اجباري
٣- جهش هيدروليكي مستغرق
هيدرولوژي چيست ؟
بر اساس آخرين مطالعات تا كنون 5 ميليارد سال از عمر زمين مي گذرد و شواهد مشان مي دهد كه آب از همان ابتداي تشكيل كره زمين نقش مهمي در تحول و قابل سكونت كردن آن به عنوان تنها سياره قابل زيست داشته است . با تشكيل اقيانوسها و در ياها و تشگيل بخار از روي آنها و ايجاد ابر و بارندگي و به طور كلي گردش آب در طبيعت و جاري شدن آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقيانوسها ، ابتدا زندگي اوليه با گياهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گياهان و حيوانات عالي به وجود آمدند.
پوسته زمين كه از سنگهاي آذرين سرد شده تشكيل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأ ثير پديده هوازدگي قرار گرفت و تغييرات همزمان آب ، دما و يخبندان باعث تكه تكه شدن سنگها شده وجاري شدن آبها آنها را جابه جا كرده و دشتهاي وسيعي را كه داراي پوشش خاك بودند به وجود آوردند . اين پوشش خاكي همراه با آب قابل دسترس در طبيعت محيط مناسبي را براي رشد گياهان فراهم شد و محيط مناسب براي زندگي بشر آماده و مهيا گرديد . انسانهاي نخستين از آب تنها براي شرب استفاده مي كردند بتدريج با پيشرفت تمدن و گذشت زمان از آن براي گردش آسيابها ، كشاورزي و حمل و نقل نيز استفاده كرد.
همزمان با پيشرفت تمدنها استفاده از آب نيز شكل تازه اي به خود گرفت به طوري كه در بسياري از زمينه ها ، از كشاورزي گرفته تا صنعت و از همه مهمتر توليد انرژي از آب استفاده مي شود و امروزه دسترسي به آب كافي و با كيفيت مناسب در زمان و مكان مناسب مد نظر مي باشد و هرگونه كمبود آب را مانعي در جهت توسعه پايدار مي داند به همين دليل هرساله سرمايه هاي زيادي براي توسعه منابع آب و طرحهاي مرتبط با آن مثل سدسازي و احداث شبكه هاي آبياري و زهكشي ، آبخيز داري ، مهار سيل و تغذيه آبهاي زير زميني انجام مي دهند .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هیدرولوژی یا آب شناسی از دو کلمه Hydro به معنی آب و Logos به معنی شناسایی گرفته شده است.هیدروژئولوژی دانشی است که از آب های زیرزمینی بحث می کند و به عنوان شعبه ای از زمین شناسی ، منشأ ، ترکیب ، خواص ، کیفیت ، گسترش و حرکت آب را در داخل قشرهای زمین مورد مطالعه قرار می دهد. هیدرولوژی علمی است که در مورد پیدایش خصوصیات و نحوه توزیع آب در طبیعت بحث می‌کند ولی عملا واژه هیدرولوژی به شاخه‌ای از جغرافیای فیزیکی اطلاق می‌شود که گردش آب در طبیعت را مورد بررسی قرار می‌دهد.انجمن علوم و فنون ایالات متحده تعریف زیر را برای هیدرولوژی برگزیده است:

«هیدرولوژی علم مطالعه آب کره زمین است و در مورد پیدایش ، چرخش و توزیع آب در طبیعت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب ، واکنش‌های آب در محیط و ارتباط آن با موجودات زنده بحث می‌کند بنابراین ملاحظه می‌شود که هیدرولوژی در برگیرنده تمامی داستان آب است. »

توجه نوع بشر به مسائل مربوط به آب های زیرزمینی سابقه قدیمی و تاریخی دارد . در بسیاری از تمدن های قدیمی حفر چاه معمول بوده و مسلماً برای انتخاب محل چاه اطلاعات ابتدایی در مورد نحوه تشکیل و پیدایش سفره های زیرزمینی آب در دسترس انسان قرار داشته است .به موازات پیشرفت عمومی دانش بشر نحوه استفاده از آب های زیرزمینی دستخوش تحول و دگرگونی عمیقی می گردد . به استناد مدارکی که از قرون 8 تا 10 میلادی در دست است در آن عصر مجاری عمیق و باز که شکل ابتدایی قنات بوده و برای استخراج و بهره برداری از آب های زیرزمینی مورد استفاده قرار می گرفته است . فن حفر قنات و چشمه در کشور ایران بیش از تمام ممالک دیگر پیشرفت داشته و امروزه نیز علیرغم تحولات و پیشرفت های تکنیک استفاده از آب چشمه ها از نظر کیفیت و غالباً از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است .

تا جایی که تاریخ نشان می‌دهد اولین تجارب آب شناسی مربوط به سومریها و مصریها در منطقه خاورمیانه است بطوری که قدمت سد سازی روی رودخانه نیل به 4000 سال قبل از میلاد مسیح می‌رسد در همین زمان فعالیتهای مشابهی در چین نیز وجود داشته است. از بدو تاریخ تا حدود 1400 سال بعد ازمیلاد مسیح فلاسفه و دانشمندان مختلفی از جمله هومر طالس ، افلاطون ، ارسطو و پلنی در مورد سیکل هیدرولوژی اندیشه‌های گوناگونی ارائه کرده‌اند و کم کم مفاهیم فلسفی هیدرولوژی جای خود را به مشاهدات علمی دادند.

شاید بتوان گفت هیدرولوژی جدید از قرن 17 با اندازه گیریهای مختلف آغاز شد در این دوره پرالت ترانست مقدار بارندگی تبخیر و صعود موئینه‌ای را در حوضه آبریز رودخانه سن اندازه گیری کند ماریوت با اندازه گیری سرعت و سطح مقطع جریان دبی رودخانه سن را در پاریس اندازه گیری کرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حوزه های آبخیز ایران

این حوزه آبخیز که مساحت آن به 173،300 کیلومتر مربع می‌رسد، دارای شیب زیاد بوده و بیشترین اختلاف ارتفاع حوزه آبخیز‌های کشور را که بالغ بر 5500 متر است، به خود اختصاص داده است. در این محدوده سیزده رودخانه با مساحت حوزه آبخیز بیش از هزار کلیومتر مربع وجود دارد که رودخانه‌های ارس، سفیدرود، هراز و اترک از نظر وسعت حوزه آبخیز و ویژگیهای اقلیمی و تداوم آبدهی متفاوت از حوزه دیگر می باشند. رودهای فوق دارای حوزه آبخیز‌های کوهستانی وسیعی هستند و پوشش گیاهی غالب آنها جنگلی است.
حوزه خلیج فارس و دریای عمان
این حوزه آبخیز با مساحت 437،150 کیلومتر مربع یکی از پهناورترین حوزه آبخیز‌های ایران محسوب می‌گردد و رودخانه‌های غرب، جنوب غربی و جنوب زیرحوزه های سرچشمه گرفته از کوههای زاگرس و بشاگرد و بلوچستان را در بر می‌گیرد. جمعاً 29 رودخانه با مساحت بیش از 1000 کیلومتر مربع در این زیرحوزه وجود دارد که یا به درون کشور عراق جریان می‌یابند و پس از پیوستن به رودخانهدجله به خلیج فارس می‌ریزند و یا بطور مستقیم به خلیج مزبور و یا دریای عمان وارد می‌گردند. برخی ازبزگترین رودخانه‌های این حوزه آبخیز به ترتیب از شمال تا جنوب خاوری عبارتند از: سیروان، کرخه، کارون، جراحی، زهره، هله، موند، کل، میناب و سرباز.
در باب اهمیت این زیرحوزه فقط به این نکته بسنده می شود که رودهای دشت خوزستان به تنهائی 30 درصد منابع آب کشور را دارا می باشند.
حوزه آبخیز دریاچه ارومیه
مساحت این حوزه دریاجه ارومیه 50،850 کیلومتر مربع است در این حوزه دریاجه ارومیه هشت رودخانه با مساحت آبریز بیش از هزار کیلومتر مربع وجود دارد و زرینه‌رود بزرگترین و مهمترین آنها بشمار می‌آید.
حوزه آبخیز دریاچه نمک قم
مساحت حوزه دریاچهنمک قم 89،650 کیلومتر مربع است و بخش بسیار ناچیز و کوچکی از آن نیز به دریاچهحوض‌سلطان و کویر میغان و دشت جنوبی قزوین وارد می‌گردد. رودخانه‌های جاجرود، کرج، شور، قره‌چای و قمرود به این حوزه زهکشی می شوند در این محدوده شش رودخانه با مساحت بیش از هزار کیلومتر مربع وجود دارد که رودخانهشور و قره‌چای و قمرود بزرگترین آنها محسوب می‌شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب