-248609-474

5176830-442435

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال چهارم، شماره 2، زمستان 1393

ارزیابی روش هاي آزمون گاما، تحلیل خوشه اي، تحلیل تابع تشخیص و منحنی هاي اندرو در تفکیک آبخیزهاي همگن براي آنالیز منطقهاي رسوب معلق

حسین خیرفام1و مهدي وفاخواه2*

1) دانشجوي دکتري؛ گروه مهندسی آبخیزداري؛ دانشکده منابع طبیعی؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ نور؛ مازندران؛ ایران
2*) دانشیار؛ گروه مهندسی آبخیزداري؛ دانشکده منابع طبیعی؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ نور؛ مازندران؛ ایران
[email protected] :نویسنده مسئول مکاتبات*
18697504340

تاریخ دریافت: 18/07/1392 تاریخ پذیرش: 13/11/93

چکیده
رسوب ناشی از فرسایش خاك به عنوان مهم ترین نمایه هاي تخریب اراضی، چالشی مهم در بحث توسعۀ پایدار و تهدیدي بر زیست بوم ها تلقی می شود. لذا تخمین رسوب خروجی از آبخیزها بسیار حائز اهمیت می باشد. گستردگی آبخیزها و کمبود ایستگاه هاي سنجش رسوب باعث شده تا از روش هاي غیرمستقیم از قبیل مدل هاي تهیه شده در آبخیزهاي مشابه جهت تخمین رسوب در آبخیز فاقد آمار استفاده نمایند. در این پژوهش، 42 ایستگاه رسوب سنجی جنوب و جنوب شرقی دریاي خزر با دوره هاي آماري بیش از 20 سال انتخاب گردید. با برقراري ارتباط بین مقادیر دبی و رسوب معلق در مواقع سیلابی اقدام به تخمین مقادیر روزانۀ رسوب معلق از روي دبی هاي روزانه شده و مقادیر رسوب متوسط سالانه محاسبه گردید. با استفاده از آزمون گاما ،13 عامل موثر بر تولید رسوب به 5 عامل اصلی کاهش داده شد و ایستگاه هاي مورد مطالعه با به کارگیري تحلیل خوشه اي، تحلیل تابع تشخیص و منحنی هاي اندرو در گروه هاي همگن قرار گرفتند. براي هر گروه همگن حاصل از هر یکی از روش هاي همگن سازي مذکور و براي کل ایستگاه ها به عنوان یک گروه با 5 عامل اصلی انتخاب شده مدل رگرسیونی براي تخمین میزان رسوب معلق متوسط سالانه تهیه شد و مقادیر خطا و کارآیی مدل هاي تهیه شده با استفاده از نمایه هاي آماري RRMSE ،RE و RBIAS براساس داده هاي مشاهداتی محاسبه گردید. نتایج نشان داد که هر 3 روش همگن سازي نتایج بهتري نسبت به مدل کلی داشته و روش منحنیهاي اندرو به ترتیب با مقادیر خطاي نسبی( RE)، ریشه نسبی مجذور میانگین مربعات خطا( RRMSE) و انحراف نسبی( RBIAS) 12/38 و 16/53 درصد و 01/0- در مرحلۀ واسنجی و 91/45 و 11/33 درصد و 01/0 در مرحلۀ اعتبارسنجی نسبت به دو روش تحلیل خوشه اي و تحلیل تابع تشخیص عملکرد بهتري در همگن سازي حوزه هاي آبخیز بر اساس تولید رسوب داشته است. هم چنین دبی اوج با دوره بازگشت دو ساله نیز بیش ترین تأثیر در تغییرات میزان رسوب معلق متوسط سالانه را دارد.
کلید واژه ها: تخمین رسوب معلق؛ مدلسازي رسوب؛ منحنی سنجه رسوب؛ همگن سازي آبخیزها
مقدمه
روند تخریب اراضی و به تبع آن پیامدهایی از قبیل سیل و رسوب زایی در سطح جهان، به ویژه در کشورهاي
69530208100483

سال

چهارم

/
شماره

2
/

سال

چهارم

/

شماره

2

/

در حال توسعه، رو به افزایش می باشد( Sadeghi et al., 2008). لذا فرسایش خاك و رسوب تولیدي ناشی از آن در علوم حفاظت خاك و مهندسی هیدرولیک حائز اهمیت می باشد ( 2007Alp and Cigizoglu, )، رسوب خروجی از آبخیز به وسیله فرآیندهاي فیزیکی برداشت ،انتقال و ته نشست صورت می گیرد و غلظت رسوب متاثر از شدت و حجم بارش، توپوگرافی، پوشش سطح زمین ،فعالیت هاي مدیریتی، قابلیت جدایش و بافت خاك می باشد( 2011Sadeghi and Singh, 2005; Melesse, ). با این حال حمل رسوب توسط رودخانه ها مشکلاتی ازقبیل پر شدن مخازن سدها، تغییر در مسیر رودخانهها یاکاهش ظرفیت حمل آنها، تخریب تأسیسات مسیر رودخانهها، کاهش کیفیت آب، اختلال در آبزيپروري را در پی دارد (2004Cigizoglu, ). به این دلیل تخمین صحیح رسوبات خروجی از حوزههاي آبخیز اهمیت بسزایی در مدیریت منابع دارد( 2010Kişi, ). با وجود اهمیت تخمبن صحیح رسوب خروجی آبخیز، به دلیل گستردگی و تعداد بالاي آبخیزها استقرار ایستگاههاي رسوب سنجی در تمام حوضهها میسر نمیباشد و توجیه اقتصادي ندارد. بنابراین برآورد مقادیر رسوب خروجی از آبخیزها اغلب با استفاده از روش منحنی سنجه که مبتنی بر رابطه تجربی بین غلظت رسوب و دبی میباشد ،صورت میگیرد ( 2010Tramblay et al., ). پژوهش ها نشان میدهد مدلهاي مبتنی بر منحنی سنجه برآورد بیش تري از مقدار رسوب دارند( خیرفام ،1391؛ 2000Asselman, ) و با اصلاح انحراف مدلها نیز بیش تخمینی وجود خواهد داشت (خیرفام و صادقی ،1391؛ 1988Walling and Webb, ). بعضی پژوهش ها رابطه ي ضعیف بین رسوب و دبی خروجی آبخیزها را نشان دادهاند .Tramblay و همکاران( 2008) با بررسی رابطهي بین دبی رودخانه و رسوب معلق خروجی 208 ایستگاه شمال امریکا، اعلام نمود که تنها در 98 رودخانه رابطهي مناسبی بین دبی و رسوب وجود دارد که حاکی از عدم جامع بودن روش منحنی سنجه رسوب جهت تخمین میزان رسوب معلق حوضهها میباشد. از سوي دیگر پژوهش هاي متعددي نشان دادند که بین ویژگی هاي فیزیکی حوضهها از قبیل توپوگرافی، زمین شناسی و کاربري اراضی و هم چنین ویژگی هاي اقلیمی از قبیل شدت و میزان بارندگی با میزان بارمعلق( Bray and Xie, ; Ludwig and Probs, 1998; Restrepo et al.,1993
2006) میانگین غلظت رسوب معلق( Jarvie et al.,
2002; Siakeu et al., 2004; Syvitski and Milliman, یا حداکثر غلظت (2007; Nadal-Romero et al., 2011
رسوب معلق (2007Tramblay et al., ) رابطۀ معنی داريوجود دارد. نبود اطلاعات رسوب خروجی از حوضه ها به دلیل خرابی یا عدم وجود ایستگاه رسوب سنجی ،مشکلاتی را براي برنامهریزي ایجاد کرده است. براي رفع چنین مشکلاتی استفاده از آمار ایستگاههاي مشابه از لحاظ جغرافیایی را توصیه کردهاند (خیرفام و همکاران ،1391ب)، که البته مجاورت جغرافیایی نیز دلیل بر تشابه بین حوضهها نمی تواند باشد. روشهاي متعددي براي تعیین تشابه و همگنی حوضهها ارائه شده اند که میتوان از منحنیهاي اندرو (011Moustafa, )، تحلیل خوشهاي (2011Zhang et al., ) و تحلیل تابع تشخیص2 (Wilson,
2002; Detenbeck et al., 2005, Carroll et al., 2009;
2009Lin and Chen, ) نام برد. بررسی کارایی مشخصات اقلیمی و فیزیکی آبخیز به منظور تخمین مقدار رسوب خروجی از حوضههاي داراي ایستگاه رسوب سنجی و تعمیم روابط بدست آمده بین ویژگی هاي فیزیکی و اقلیمی و مقدار رسوب خروجی از حوضه، به حوضههاي مشابه و همگن میتواند راه کاري براي تخمین رسوب در حوضههاي فاقد ایستگاه باشد( Riggs, 1973; Caratti et 2010al., 2004; Tramblay et al., ). از طرفی تعدد عوامل فیزیکی و اقلیمی موثر بر میزان رسوب تولیدي منجر به عدم امکان برآورد و تعیین تمام عوامل شده و یا توجیه علمی و اقتصادي ندارد، بنابراین باید با کاربرد روشهایی تعداد فاکتورهاي موثر در تولید رسوب را به تعدادي کاهش داد که بیش ترین تاثیر را در تولید رسوب دارند ( 2011 Lin and Wang, 2006; Noori et al.,). روش آزمون گاما از جمله روش هایی می باشد که امروزه به منظور تعیین عوامل اصلی مؤثر بر متغیر وابسته مورد توجه قرار گرفته است ( ;2003 Corcoran et al.,
2009 Moghaddamnia et al.,). در نهایت با استفاده از روشهاي کاهش تعداد عوامل موثر در تولید رسوب و هم چنین با قرار دادن آبخیزهایی که رفتار مشابهی در تولید رسوب دارند در گروههاي همگن، میتوان براي هر گروه مدلی ارائه داده و با انتخاب بهترین روش، براي آبخیزهاي فاقد آمار و ایستگاه رسوب سنجی، با استفاده از عوامل موثر بر تولید رسوب، میزان رسوب هر آبخیز را تخمین زد. در این راستا Caratti و همکاران( 2004) بر اساس دادههاي اقلیمی و مورفومتریک و با استفاده از روشهاي تحلیل تابع تشخیص و خوشه بندي اقدام به کلاس بندي زیرحوزههاي آبخیز رودخانهي کلمبیا بر اساس شناسههاي محیط زیستی نمودند و اعلام نمودند که نتایج حاصل از دو روش مذکور اختلاف معنی داري با هم ندارند و این روشها در انتخاب عوامل موثر به منظور کلاس بندي زیرحوضهها در گروههاي همگن، به صورت تصادفی عمل کرده و باید کاربرد چنین روشهایی با احتیاط صورت گیرد.Lin و Wang (2006) به منظور بررسی کارایی روشهاي تحلیل تابع تشخیص و تحلیل خوشهاي اقدام به همگن بندي حوضههاي جنوب تایوان به منظور تخمین جریانهاي حداقل نمودند که نتایج حاکی از کارایی بالاي روش تحلیل تابع تشخیص نسبت به روش تحلیل خوشهاي بوده و با ترکیب این دو روش نتایج بهتري حاصل شد .Tramblay و همکاران( 2010)، به منظور تخمین حداکثر غلظت رسوب سالانه 72 رودخانه در امریکا و کانادا، با استفاده از مدلهاي منطقه-اي که براي پیش بینی سیلاب تهیه شده بودند و با قرار دادن حوضهها در گروههاي همگن، یک رابطه رگرسیونی چند متغیره بین ویژگی هاي فیزیکی و اقلیمی حوضه با مقدار غلظت رسوب معلق برقرار نمودند. نتایج نشان داد که تخمین رسوب با استفاده از مدلهاي منطقهاي کارایی بیشتري نسبت به یک مدل رگرسیونی کلی براي تمام حوضهها دارد. درصد رس خاك، درصد پوشش جنگلی و شدت بارندگی را تاثیرگذارترین عوامل در میزان تولید رسوب معلق گزارش نمودند .Roman و همکاران (2012)، از خصوصیات حوزه آبخیز براي استخراج مدل هاي رگرسیونی چندمتغیره رسوب معلق سالانه در شرق آمریکا استفاده نمودند. نتایج نشان داد که متوسط رسوب سالانه با متغیرهاي مساحت حوزه آبخیز، الگوي کاربري اراضی، بارش فصلی، خصوصیات خاك و اصلاح هیدرولوژیکی ارتباط دارد .Heng و Suetsugi (2014)، از خصوصیات فیزیکی حوزه آبخیز براي انتقال منحنی سنجه رسوب از چهار شاخص متفاوت همگنسازي در 16 زیرحوزه آبخیز واقع در حوزه آبخیز مکونگ در جنوب شرقی آسیا استفاده نمودند. نتایج نشان داد که روش استفاده از فاصله اقلیدسی که توسط مقیاس چندوجهی ،خصوصیات حوزه آبخیز (توپوگرافی، مورفولوژي ،هیدرولوژي، پوشش زمین، خاك) را نرمالسازي میکند جواب مناسبتري نسبت به روشهاي دیگر ارائه می نماید. استفاده از آزمون گاما نیز توسط پژوهش گران متعددي به منظور تعیین موثرترین عوامل فیزیکی ،هیدرولوژیکی و اقلیمی موثر در پاسخگویی هیدرولوژیکی آبخیزها استفاده نمودهاند .Corcoran و همکاران( 2003) براي پیشبینی دبی ،Moghaddamnia و همکاران( 2009) براي پیشبینی تبخیر و Noori و همکاران( 2011) به منظور کاهش تعداد عوامل موثر بر پاسخهاي هیدرولوژیکی حوضه جهت پیش بینی جریانهاي ماهانه استفاده کردهاند. در ایران نیز وفاخواه( 1385) با استفاده از تحلیل عاملی به منظور کاهش تعداد پارامترهاي تاثیرگذار در تولید رسوب و تحلیل خوشه اي براي همگن بندي حوضه هاي ساحلی جنوب دریاي خزر استفاده کرد که حوضهها در دو گروه همگن طبقه بندي شدند .
427252-78316

سال

چهارم

/

شماره

2

سال

چهارم

/



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید