انقلاب فناوری در صنعت آب ایران؛ از پیش‌بینی هوشمند سیلاب با مدل‌های سوئیسی تا آب‌شیرین‌کن‌های نانویی با بازده ۹۳ درصد

در عصر حاضر، تقابل میان «بحران‌های حدی آب» نظیر سیلاب‌های ویرانگر و «کمبود شدید منابع آبی» نیازمند راهکارهایی فراتر از روش‌های سنتی است. مرکز بینش آب همواره بر این باور است که تلفیق فناوری‌های نوظهور با دانش بومی، کلید حل معضلات پیچیده حکمرانی آب است. در این گزارش جامع، به بررسی دو دستاورد بزرگ علمی که اخیراً در خبرگزاری مهر منتشر شده‌اند می‌پردازیم. خبر اول با تیتر «پیش‌بینی سیلاب با فناوری یادگیری ماشینی؛ اجرای طرح برتر سوئیس در ایران» به قلم شبنم درخشان، به تشریح یک همکاری بین‌المللی موفق برای پر کردن شکاف داده‌ای در مدیریت سیلاب می‌پردازد. خبر دوم با عنوان «محققان ایرانی بازده آب شیرین‌کن خورشیدی را به ۹۳ درصد رساندند» نوشته مهتاب چابوک، پیشرفتی خیره‌کننده در حوزه نمک‌زدایی با انرژی‌های تجدیدپذیر را روایت می‌کند. ادغام این دو رویکرد، تصویری روشن از توان متخصصان حوزه آب برای ارتقای امنیت آبی کشور ارائه می‌دهد.

نکات کلیدی و دستاوردهای محوری

• طراحی مدل‌های هوشمند «سیاوش» و «فرهاد»: استفاده از یادگیری ماشین (Machine Learning) برای پیش‌بینی سیلاب در مناطق فاقد داده هیدرولوژیکی.
• بومی‌سازی استانداردهای سوئیسی: تدوین دستورالعمل‌های نقشه‌های خطر و ریسک سیلاب بر اساس همکاری دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی و دانشگاه علوم کاربردی رپرسویل (OST).
• رکوردشکنی در بازدهی شیرین‌سازی: دستیابی به بازده ۹۳.۵ درصدی در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی با اصلاح سطح غشاهای پلیمری.
• فناوری نانو در خدمت آب: استفاده از نانوذرات کربن و تغییر ساختار غشاهای PVDF برای افزایش جذب نور و مقاومت در برابر خیس‌شدگی.
• آسیب‌شناسی تصمیم‌گیری شهری: تحلیل دقیق نقشه‌های خطر در پلدختر و اثبات خطاهای فاحش در جانمایی تأسیسات شهری در برابر سیلاب.
• پایداری در برابر آلاینده‌ها: تولید غشاهای با سطح «همه گریر» (Omniphobic) مقاوم در برابر مواد فعال سطحی و طول عمر عملیاتی بالا.

مدیریت هوشمند سیلاب؛ پر کردن شکاف دانش و اجرا با مدل‌های سوئیسی-ایرانی

یکی از چالش‌های بنیادین و مزمن در ساختار حکمرانی آب در ایران، وجود دره‌ای عمیق میان دانش فنی تولیدشده در دانشگاه‌ها و فرآیندهای عملیاتی سیاست‌گذاری و تصمیم‌گیری شهری است. این گسست باعث شده تا بسیاری از پژوهش‌های ارزشمند، علی‌رغم غنای علمی، هرگز از مرحله توصیه‌های نظری فراتر نروند و در بایگانی‌ها خاک بخورند. در همین راستا، تدوین دستورالعمل‌های بومی برای تهیه نقشه‌های خطر و ریسک سیلاب به‌عنوان یکی از محورهای کلیدی همکاری‌های بین‌المللی تعریف شد. هدف اصلی این ابتکار، وارد کردن دانش تخصصی حوزه سیلاب به چرخه تصمیم‌سازی در شهرداری‌ها و سازمان‌های مدیریت بحران از طریق تعریف سازوکارهای اجرایی و الزام‌آور بوده است. محمدجواد استادمیرزا تهرانی، مدیر آزمایشگاه پژوهشی آب (Water Matters Laboratory) دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی، در گفتگو با خبرنگار مهر به تشریح انگیزه‌های این طرح پرداخت. وی با اشاره به تجربه شخصی خود از سیلاب‌های ویرانگر سال ۱۳۹۸ بیان کرد:

«واقعیت این است که انگیزه اصلی من برای ورود جدی به موضوع نقشه‌های خطر سیلاب، رخداد سیلاب‌های سال ۱۳۹۸ در آق‌قلا و پل‌دختر بود؛ سیلاب‌هایی که هم‌زمان با بازگشت من به ایران اتفاق افتاد و از نزدیک با پیامدهای آن مواجه شدیم.»

بررسی‌های اولیه و تحلیل‌های کارشناسی نشان داد که وضعیت نقشه‌های سیلاب در کشور بسیار نگران‌کننده است. از مجموع بیش از ۷۲ هزار کیلومتر رودخانه موجود در ایران، عملاً تنها حدود ۲ هزار کیلومتر دارای نقشه پهنه‌بندی هستند. نکته تأسف‌بارتر اینکه، همین نقشه‌های موجود نیز به‌صورت نظام‌مند و روشمند تهیه نشده‌اند. آنچه در بسیاری از موارد به‌عنوان نقشه خطر مورد استناد قرار می‌گیرد، در واقع نقشه‌های پهنه‌بندی قدیمی است که به دلیل ضعف‌های علمی و روش‌شناختی، نه‌تنها نقشه خطر واقعی محسوب نمی‌شوند، بلکه قابلیت تبدیل شدن به نقشه‌های ریسک، برنامه‌ریزی برای تخلیه و مدیریت بحران را نیز ندارند. این خلأ بزرگ علمی و اجرایی، زمینه‌ساز شکل‌گیری یک پروژه مشترک راهبردی با دانشگاه علوم کاربردی رپرسویل (OST) زوریخ سوئیس شد.

بومی‌سازی استانداردها و آسیب‌شناسی فاجعه پلدختر

در گام نخست این پروژه بین‌المللی مشخص شد که اگرچه ایران دارای ضوابط و اسناد بالادستی است، اما ضعف اصلی در اجرایی‌بودن، انسجام روش‌ها و اتصال آن‌ها به نظام تصمیم‌گیری نهفته است. بر همین اساس، تیم تحقیقاتی با بهره‌گیری از دستورالعمل‌های معتبر کشور سوئیس و با در نظر گرفتن دقیق اقتضائات اداری، نهادی و فرآیندهای تصمیم‌گیری بومی، یک دستورالعمل جامع برای تهیه نقشه‌های خطر و ریسک سیلاب طراحی کردند. برای اطمینان از کارایی، این چارچوب به‌صورت پایلوت در دو منطقه با ویژگی‌های جغرافیایی کاملاً متفاوت پیاده‌سازی شد: منطقه مسطح «آق‌قلا» و منطقه کوهستانی «پل‌دختر». نتایج حاصله بسیار فراتر از انتظار بود و ثابت کرد که امکان گذار از اسناد نظری به ابزارهای عملیاتی تصمیم‌سازی در کشور کاملاً وجود دارد. استادمیرزا تهرانی نتایج تحلیل‌های انجام شده در شهر پلدختر را بسیار قابل‌تأمل و تکان‌دهنده توصیف کرد. تحلیل‌ها نشان داد که در فاز طراحی شهری و تصمیم‌گیری‌های مرتبط با کاربری اراضی، اگر تصمیم‌گیران عمداً قصد داشتند شهر پل‌دختر را به‌گونه‌ای طراحی کنند که در برابر سیلاب بیشترین خسارت ممکن را متحمل شود، عملاً نمی‌توانستند انتخابی بدتر از آنچه در واقعیت انجام شده است، داشته باشند. ساختمان‌ها و تأسیسات حیاتی شهر دقیقاً در نقاطی جانمایی و احداث شده‌اند که دارای بالاترین سطح خطر و آسیب‌پذیری سیلابی هستند. این یافته‌ها به‌روشنی اثبات می‌کند که فقدان نقشه‌های خطر و ریسک معتبر و الزام‌آور، چگونه تصمیم‌های کالبدی شهر را به سمتی سوق می‌دهد که توسعه شهری خود به عامل تشدید خسارات تبدیل می‌شود. این پروژه ۲ ساله که سال گذشته به پایان رسید، موفق شد عنوان پروژه برگزیده دفتر همکاری‌های علمی سوییس (Swiss Leading House) را کسب کند.

ظهور مدل‌های هوشمند «سیاوش» و «فرهاد» در مدیریت منابع آب

این پروژه تحقیقاتی متوقف نشد و در ادامه با حمایت برنامه «همکاری با متخصصان و فناوران ایرانی خارج از کشور (CONNECT)» وابسته به معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست جمهوری، مسیر توسعه و عملیاتی‌سازی را پیمود. نتیجه نهایی این تلاش‌ها، طراحی و پیاده‌سازی دو مدل هوشمند و خودکار با نام‌های «سیاوش» و «فرهاد» بود. این مدل‌ها با بهره‌گیری از پیشرفته‌ترین روش‌های یادگیری ماشین (Machine Learning) و یادگیری عمیق (Deep Learning)، امکان بازتولید قابل‌اعتماد نقشه‌های خطر و ریسک سیلاب را فراهم می‌کنند. اهمیت این مدل‌ها زمانی برجسته می‌شود که بدانیم بسیاری از حوضه‌های آبریز ایران با خلأ داده مواجه هستند و این فناوری می‌تواند این کمبود را جبران کند. این پژوهشگر برجسته تأکید دارد که اتصال پژوهش‌های دانشگاهی به نیازهای عملی صنعت آب و محیط‌زیست، نیازمند یک تحول اساسی در ساختارهای حکمرانی پژوهش است. متخصصان حوزه آب معتقدند برای جلوگیری از هدر رفت سرمایه‌های علمی و تبدیل نشدن پایان‌نامه‌ها به پرونده‌های بایگانی شده، باید سازوکارهای حمایت و نظارت بر پژوهش تغییر یابد تا با تمرکز بر پژوهش‌های مسئله‌محور، شکاف میان تئوری و عمل در مدیریت منابع آب ایران از میان برداشته شود.

بخش دوم: انقلاب در نمک‌زدایی؛ بازده ۹۳ درصدی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی با فناوری نانو

در سویی دیگر از جبهه فناوری آب، محققان دانشگاه صنعتی اصفهان با بهره‌گیری از فناوری نانو و مهندسی سطح، موفق به ثبت رکوردی جدید در بازدهی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی شدند. به گزارش خبرگزاری مهر و به نقل از ستاد نانو، این دستاورد با تغییر ساختار سطح غشاهای «پلی‌وینیلیدن فلوراید» (PVDF) و افزودن نانوذرات کربن حاصل شده است. نتیجه این مهندسی دقیق، ایجاد سطحی متخلخل و خشن است که نور خورشید را به‌طور مؤثر جذب و ذخیره کرده و هم‌زمان انتقال بخار آب را تسهیل و مقاومت غشا در برابر خیس شدن را به‌شدت افزایش می‌دهد. بحران‌های هم‌زمان آب و انرژی، کشورها را به سمت یافتن راهکارهایی برای تأمین پایدار آب شیرین سوق داده است. یکی از پیشرفته‌ترین مسیرها، استفاده از انرژی خورشیدی برای تبخیر و تقطیر آب از طریق غشاهای نیمه‌تراوا در فرآیندی موسوم به «تقطیر غشایی فوتوترمال در خلأ» یا (Photothermal Vacuum Membrane Distillation – PVMD) است. در این فرآیند، کیفیت سطح غشا نقش مرگ و حیاتی در بازده تبخیر و طول عمر سیستم ایفا می‌کند. غشاهای توسعه‌یافته توسط محققان ایرانی، نه‌تنها بازدهی بالایی دارند، بلکه به لطف فناوری سطح ضدآب نانویی، عملکرد پایدار طولانی‌مدت حتی در حضور مواد فعال سطحی را تضمین می‌کنند.

مهندسی سطح و نقش نانوذرات کربن

تیم تحقیقاتی دانشگاه صنعتی اصفهان با هدف افزایش بازده و طول عمر عملیاتی، نانوذرات کربن را به محلول‌های پلیمری اضافه کرده و با استفاده از روش‌های «الکتروریسی» و «کستینگ»، غشاهایی با بافت سطحی خشن و متخلخل تولید کردند. نانوذرات کربن در این سیستم عملکردی دوگانه و حیاتی دارند: از یک سو جذب نور خورشید و تبدیل آن به انرژی گرمایی را به حداثر می‌رسانند و از سوی دیگر با ایجاد شبکه‌های رسانای حرارتی در مقیاس موضعی، فرآیند تبخیر را تسریع می‌کنند. مطالعات نشان می‌دهد که ساختار سطح غشا با پارامترهایی نظیر زبری متوسط و تخلخل رابطه مستقیم دارد. نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن است که هرچه سطح خشن‌تر و متخلخل‌تر باشد، جذب نور و انتقال مولکولی بهینه‌تر می‌شود. برای نمونه، غشایی با زبری سطح متوسط ۳۰۶.۷ نانومتر و تخلخل ۳۲.۶ درصد، بیشترین بازده تبخیر را ثبت کرد که به رقم خیره‌کننده ۹۳.۵ درصد رسید. در مقابل، غشاهای معمولی با زبری ۱۰۱.۱ نانومتر و تخلخل ۵ درصد، تنها قادر به ارائه بازده ۶۰.۷ درصدی بودند. این اختلاف فاحش، اهمیت حیاتی مهندسی سطح در فناوری آب را نشان می‌دهد.

پایداری در برابر آلاینده‌ها و کاربرد صنعتی

یکی از ویژگی‌های کلیدی و متمایزکننده این غشاها، اصلاح سطح با استفاده از پلاسمای کم‌فشار و مونومرهای خاص است که سطح را «Omniphobic» (ضدآب و ضدچربی) می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود غشا در تماس طولانی‌مدت با محلول‌های خوراک که حاوی آلاینده‌ها و سورفکتانت‌ها هستند، دچار گرفتگی نشده و عملکرد پایدار خود را حفظ کند. آزمایش‌ها نشان دادند که این غشاها حتی در حضور آلاینده‌های شیمیایی به مدت ۵۴۰ دقیقه بدون هیچ‌گونه کاهش بازده به کار خود ادامه می‌دهند. این غشاها علاوه بر بازده حرارتی بالا، جریان نفوذ (Permeate Flux) برابر با ۲.۸۵ کیلوگرم بر مترمربع در ساعت را ارائه دادند. این ویژگی‌ها، فناوری PVMD را به یک گزینه عملی و اقتصادی برای واحدهای کوچک و بزرگ آب‌شیرین‌کن تبدیل می‌کند، به‌ویژه در مناطق دورافتاده ایران که دسترسی به شبکه برق سراسری دشوار است اما از نعمت نور خورشید بهره‌مند هستند. این پروژه نمادی موفق از همگرایی مهندسی پلیمر، نانو و انرژی‌های تجدیدپذیر است که می‌تواند پارادایم تولید آب شیرین در کشور را تغییر دهد.

تحلیل اختصاصی تیم Water Insight Hub – مرکز بینش آب

ادغام این دو خبر در کنار یکدیگر، پیامی روشن برای سیاست‌گذاران و متخصصان حوزه آب دارد: «گذار از سازه‌های بتنی به سازه‌های دانش‌بنیان». ایران در نقطه‌ای تاریخی قرار دارد که دیگر راه‌حل‌های سنتی و «سازه محور» (مانند سدسازی صرف) پاسخگوی پیچیدگی‌های بحران آب نیست. پروژه پیش‌بینی سیلاب نشان داد که مشکل ما همیشه کمبود زیرساخت نیست، بلکه فقدان «بینش داده‌محور» است. فاجعه پلدختر که در خبر به آن اشاره شد، نماد بارز حکمرانی آبی است که بدون توجه به داده‌های ریسک، به توسعه فیزیکی پرداخته است. ورود هوش مصنوعی و مدل‌هایی مانند سیاوش و فرهاد، نویدبخش عصری است که در آن «نرم‌افزار» بر «سخت‌افزار» اولویت می‌یابد و مدیریت سیلاب از واکنش پس از بحران به پیش‌بینی و پیشگیری تغییر ماهیت می‌دهد. از سوی دیگر، دستاورد آب‌شیرین‌کن‌های نانویی دانشگاه صنعتی اصفهان، پاسخی مستقیم به معضل «امنیت آبی» در فلات مرکزی ایران است. تا کنون، نمک‌زدایی فرآیندی پرهزینه و انرژی‌بر محسوب می‌شد که خود باعث چالش‌های زیست‌محیطی (انتشار کربن) می‌گشت. دستیابی به بازده ۹۳ درصد با استفاده از انرژی خورشیدی، معادله هزینه-فایده را به نفع محیط‌زیست و اقتصاد تغییر می‌دهد. این فناوری پتانسیل بالایی برای «تمرکززدایی» از سیستم تأمین آب دارد؛ بدین معنا که به جای انتقال آب در فواصل طولانی، می‌توان در هر نقطه آفتاب‌خیز، منابع آب شور یا لب‌شور را به آب شرب تبدیل کرد. در نهایت، نقطه مشترک هر دو پژوهش، «بومی‌سازی دانش جهانی» است. چه در تطبیق استانداردهای سوئیسی سیلاب با شرایط ایران و چه در توسعه غشاهای نانویی، محققان ایرانی نشان دادند که راهکار پایدار، واردات صرف تکنولوژی نیست، بلکه بازطراحی آن بر اساس اقلیم و چالش‌های بومی است.