clustering
در نشریات گروه آبخیزداری، بیابان، محیط زیست، مرتع-
مقدمه و هدف
روند کاهشی اندازه بارش در بسیاری از مناطق کشور از جمله استان های شمال غرب کشور سبب شده است تا بررسی روش های جدید به منظور تکمیل پایگاه های داده ای آبخیزهای کشور بیش از پیش ضروری شود. در این راستا، درک تغییرات گرانیگاه بارش به عنوان یک مفهوم نوظهور که نشان دهنده توزیع مکانی بلندمدت بارش منطقه ای است، برای مدیریت چالش های آبخیزداری از جمله کاهش اثرات خشک سالی، مهار سیلاب و حفاظت از منابع آب اهمیت دارد. به این منظور، این پژوهش با هدف تحلیل گرانیگاه بارش و ارتباط آن با توزیع مکانی شبکه باران سنجی در استان اردبیل انجام شد.
مواد و روش هابرای محاسبه گرانیگاه بارش، از آمار بارش 49 ایستگاه هواشناسی در دوره آماری 45 ساله (1395-1350) استفاده شد. بر اساس اصل استخراج ایستگاه و با در نظر گرفتن منطقی بودن کمترین تراکم و یکنواختی، پنج ایستگاه به عنوان کمترین تعداد ممکن تعیین شد. سپس، تراکم 10، 20، 30 و 40 ایستگاه به شکل تصادفی استخراج شد تا توزیع گرانیگاه بارندگی با تراکم شبکه ایستگاه ها مقایسه شود. برای پیاده سازی مدل مرکز ثقل، محاسبه بیضی انحراف استاندارد در محیط نرم افزار ArcMap10.8 انجام شد و برای تحلیل همبستگی متعارف (CCA) از XLSTAT در مقیاس های زمانی ماهانه، فصلی و سالانه استفاده شد.
نتایج و بحث:
نتایج نشان داد که در بهار (فروردین تا خرداد)، جهت حرکت گرانیگاه بارش به طور قابل توجهی متفاوت بود و فاصله حرکت 18/17 کیلومتر برآورد شد. در تابستان (تیر تا شهریور)، حرکت گرانیگاه بارش عمدتا 20/18 کیلومتر به سمت شمال بود. در پاییز (مهر تا آذر)، حرکت گرانیگاه بارش عمدتا 20/48 کیلومتر به سمت جنوب بود و بیشترین فاصله حرکت در مقایسه با دیگر فصل ها، در فصل پاییز بود. در زمستان (دی تا اسفند)، جهت حرکت گرانیگاه بارش در جهت های متفاوتی بود و کمترین فاصله حرکت (8/35 کیلومتر) در مقایسه با دیگر فصل ها در فصل زمستان بود. جهت حرکت گرانیگاه بارش سالانه نیز عمدتا به سمت جنوب شرقی بود. بیشترین فاصله حرکت گرانیگاه 111/78 کیلومتر به سمت شمال غربی در سال 1358 بود. همچنین، گرانیگاه بارش سالانه در استان اردبیل در سه دهه 1350 تا 1360 عمدتا به سمت شمال غربی و در دیگر دهه ها به سمت جنوب شرقی حرکت کرد. همبستگی میان تراکم شبکه ایستگاه ها با تغییرات گرانیگاه بارش، مثبت (0/65=CCA در سطح معنی داری 5%) بود.
نتیجه گیری و پیشنهادها:
از میان تراکم های گوناگون 5، 10، 20، 30 و 40، بیشترین ضریب همبستگی متعارف با اندازه 0/80 برای تراکم 40 ایستگاه به دست آمد و کمترین اندازه این ضریب برای کمترین تراکم 5 ایستگاه با اندازه 0/04 بود. بر اساس نتایج این پژوهش، تغییرات حرکت الگوهای بارش که در دوره های خشک سالی و ترسالی می تواند موثر باشد، مشخص شد. پیشنهاد می شود که ارتباط میان تغییر اقلیم و عامل های پستی بلندی با تغییرات مکانی-زمانی گرانیگاه بارش بررسی شود.
کلید واژگان: آبخیزهای کوهستانی، الگوی مکانی، تراکم ایستگاه ها، جهت حرکت بارش، خوشه بندیIntroduction and Goal:
The decreasing trend of precipitation in many regions of the country, including the northwestern provinces, has made it more necessary to investigate new methodologies to complete the databases of the country's watersheds. In this regard, understanding the changes in precipitation barycenters, as an emerging concept, that indicates the long-term spatial distribution of regional precipitation is especially important for the administration of watershed management issues such as reducing drought effect, flood control, and water resource conservation. To this end, the present study analyzes the precipitation barycenter and its relationship with the spatial distribution of the rain gauge network in Ardabil Province.
Materials and MethodsTo calculate the precipitation amount, the statistics of 49 meteorological stations during the statistical period of 45 years (1971-2016) were used. Based on the principle of station extraction and considering the rationality of the lowest density and uniformity, five stations were determined as the minimum possible number. Then, densities of 10, 20, 30, and 40 stations were extracted randomly to compare the distribution of precipitation centroids with the density of the station network. The statistics above were used to implement the gravity center model, calculate the standard deviation ellipse in the ArcMap 10.8 software environment, and conventional correlation analysis on monthly, seasonal, and annual time scales using XLSTAT.
Results and DiscussionThe results showed that in spring (April to June), the direction of movement of the precipitation barycenter was significantly different and the movement distance was 18.17 km. In summer (July to September), the precipitation barycenter mainly moved 20.18 km to the north. In autumn (October to December), the precipitation barycenter mainly moves 20.49 km to the south and has the longest movement distance among the seasons. In winter (December to March), the precipitation barycenter moves in different directions and has the smallest movement distance (8.35). The annual precipitation barycenter migrated mostly in the southeast direction. The maximum migration of barycenter for 1979 was towards the northwest with 111.78 km. Besides, the annual precipitation barycenter in Ardabil Province in the three decades of 1971-1981 migrated mostly to the northwest and in the other decades to the southeast. The stational network density was positively correlated with changes in the precipitation barycenter (CCA = 0.65 at a significance level of 5%).
Conclusion and Suggestion:
The highest conventional correlation coefficient of 0.80 was obtained for the density of 40 stations among different densities of 5, 10, 20, 30, 40, and 50, and the lowest coefficient of 0.04 was obtained for the minimum density of 5 stations. Based on the results of this study, changes in the movement of precipitation patterns that can be effective in drought and wet periods were identified. It is suggested that the relationship between climate change and elevation factors with spatial-temporal changes in the precipitation center of gravity be investigated.
Keywords: Clustering, Migration Direction, Mountainaous Watersheds, Spatial Pattern, Stational Density -
با توجه به نقش و اهمیت عوامل محیطی در پراکنش و انتشار پوشش گیاهی و هم چنین وجود بادهای 120 روزه منطقه سیستان و ضرورت و اهمیت پوشش گیاهی و احداث پخش سیلاب در منطقه، این تحقیق با هدف طبقه بندی و رسته بندی جوامع گیاهی در منطقه پخش سیلاب نیاتک، شهرستان زابل انجام شد. تیپ های گیاهی با روش فیزیونومی-فلورستیک براون-بلانکه تعیین و هم چنین برای طبقه بندی پوشش گیاهی از دو روش تحلیل خوشه ای بر اساس ترکیب گونه ای و خصوصیات خاک استفاده شد. در هر تیپ گیاهی، نمونه برداری از خاک و پوشش گیاهی انجام شد. در منطقه معرف هر تیپ، 3 ترانسکت 30 متری مستقر شد و در طول هر ترانسکت، کلیه عوارض سطح زمین اندازه گیری شد. هم چنین در هر ترانسکت به صورت تصادفی، نمونه خاک برداشته و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن تعیین شد. نتایج حاصل از تیپ بندی اولیه به روش فیزیونومی در 17 تیپ مورد بررسی منجر به تشخیص پنچ جامعه گیاهی Tamarix stricta، Tamarix aphylla، Haloxylon ammodendron، Haloxylon persicum و Prosopis stephaniana شد. هم چنین طبقه بندی پوشش گیاهی به روش تحلیل خوشه ای بر اساس ترکیب گونه ای و بر اساس خصوصیات خاک بترتیب پنج و سه جامعه گیاهی تشخیص داده شد. نتایج رسته بندی نشان داد که محورهای اول و دوم مجموعا با 64 درصد واریانس پراکنش رویشگاه های گیاهی، مهم ترین محورها هستند. شن بیش ترین همبستگی مثبت و فسفر قابل جذب بیش ترین همبستگی منفی با محور 1 را دارند. سدیم و ESP بیش ترین همبستگی مثبت را با محور 2 دارند. نمودار دوپلاتی RDA نشان می دهد که خصوصیاتی هم چون درصد شن و درصد شن ریز، با جوامع Haloxylon persicum و Haloxylon ammodendron همبستگی مثبتی دارند و عواملی هم چون فسفر و پتاسیم قابل جذب و CEC باعث پراکنش جامعه Tamarix strictaدر منطقه می شوند. شوری و SAR باعث حضور جوامع Haloxylon ammodendronو Tamarix aphyllaمی شوند. نتایج نشان داد که ارتباط ویژه ای بین جوامع گیاهی مختلف و خصوصیات خاک وجود دارد.
کلید واژگان: پوشش گیاهی، خاک، خوشه بندی، رسته بندی، فیزیونومی-فلورستیکConsidering the role and importance of environmental factors in the distribution and spread of vegetation, as well as the existence of wind of 120 days in the Sistan region, and the necessity and importance of vegetation and flood spreading in the region, this research was done to classification and ordination of plant communities in Niatak flood spreading area, Zabol. Vegetation types were determined by Braun-Blanquet's physiognomy-floristic method and cluster analysis based on species composition and soil characteristics were used to classify vegetation. In each plant type, soil and vegetation sampling was done. In the key area of each plant type, 3 transects of 30 m were established, and during each transect, all surface features were measured. In addition, in each transect, soil samples were taken and physical and chemical properties were determined. The results of the preliminary studies obtained from the initial typology by the physiognomy-floristic method in 17 investigated types led to the identification of five plant communities, such as Ta. stricta, Ta. aphylla, Ha. ammodendron, Ha. persicum and Pr. stephaniana. In addition, the classification of vegetation by cluster analysis method based on species composition and soil properties was identified as five and three plant communities, respectively. The ordination results showed that the first axis and the second axis together with 64% of the variance of the distribution of plant communities are the most important axes. Sand percentage has the most positive correlation and absorbable phosphorus (Pav) has the most negative correlation with axis 1. Sodium (Na) and exchange sodium percentage (ESP) have the most positive correlation with axis 2. Redundancy analysis (RDA) biplot shows that characteristics, such as sand and fine sand percentage have a positive correlation with Ta. aphylla and Ha.ammodendron communities, and factors such as Pav, absorbable potassium (Kav), and cation exchange capacity (CEC) cause the distribution of Ta. stricta community in the region. Electrical conductivity (EC) and sodium absorption ratio (SAR) cause the presence of Ta. aphylla and Ha. ammodendron communities. There was a special relationship between different plant communities and soil characteristics.
Keywords: Clustering, Ordination, Physiognomy-Floristic, Vegetation Cover, Soil -
بارش از عناصر مهم اقلیمی و از عوامل تاثیرگذار در چرخه ی آب به شمار می رود. تغییرات خصوصیات زمانی-مکانی بارش در یک منطقه، نقش موثری در مدیریت منابع آب آن دارد. هدف از این تحقیق ارزیابی ویژگی های بارش سالانه 50 ایستگاه سینوپتیک کشور در بازه زمانی 2020-1980 با استفاده از روش های تبدیل موجک گسسته حداکثر هم پوشانی و خوشه بندی می باشد. بدین منظور ابتدا سری زمانی بارش سالانه ایستگاه ها با استفاده از روش MODWT و موجک مادر DB4 به چندین زیر سری تجزیه شد، سپس انتروپی زیر سری های حاصل از MODWT محاسبه و به عنوان ورودی برای منطقه بندی بارش استفاده شد. نتایج تجزیه داده های بارش نشان داد که در سری زمانی سالانه، زیر سری های جزیی کوچک تر، فرکانس های بزرگ تر با تغییرات سریع تر و ضرایب جزیی بزرگ تر، فرکانس های کم را نشان می دهند. همچنین، A4 کمترین تغییرات را نشان داد. براساس مقادیر معیارهای ارزیابی، تعداد خوشه های بهینه برابر با 4 تعیین شد. مقادیر معیارهای ارزیابی خوشه بندی نشان داد که روش K-means با 53/19CHi= ، 26/0= Sci و 08/1= DBi نسبت به روش SOM عملکرد بهتری داشته است. در نهایت ایستگاه های سینوپتیک کشور برمبنای شاخص موجک گسسته حداکثر هم پوشانی- انتروپی به 4 خوشه جدا شد و ایستگاه های چابهار، شاهرود، آبادان و زنجان به عنوان مراکز خوشه انتخاب شدند.
کلید واژگان: انتروپی، ایران، بارش، تبدیل موجک، حداکثر هم پوشانی، خوشه بندیIntroductionAssessing precipitation alterations in a large area like Iran is required for the identification of those areas that are more vulnerable to changes in precipitation patterns, considering the fact that such changes may significantly influence water availability, agriculture, and other sectors that are dependent on water resources. On the other hand, understanding the spatial variability of precipitation patterns can help develop purposive strategies, including drought or flood management in specific regions. Moreover, as severe weather events such as floods and droughts can devastate communities and their infrastructure, such an understanding can inform decisions made concerning disaster risk reduction efforts. Therefore, assessing precipitation variations is essential for the effective management of water resources and the reduction of disaster risks.
Materials and methodsThis study suggests a new method for analyzing precipitation properties in Iran, using a mixture of Maximal Overlap Discrete Wavelet Transform (MODWT) and Multiscale Entropy (MDE) techniques. This approach allows for a more detailed and accurate assessment of the spatial and temporal characteristics of precipitation properties, preparing the ground for the development of appropriate strategies for different regions in Iran. To this end, annual precipitation data collected from fifty Iranian synoptic stations for 1980-2020 were analyzed. Then, after classifying the precipitation data into different subseries, the concept of entropy was used to measure precipitation variability. Moreover, MDE values were used as input data for clustering purposes, followed by the calculation of internal evaluation criteria to be used for the determination of the optimal number of clusters and the most suitable clustering method calculated.
ResultsThe variations and trends of the precipitation data can be identified through the analysis of partial coefficients D1-D4 and the approximation coefficient. Accordingly, while the smaller partial sub-categories indicate more rapid variations at higher frequencies, the greater partial coefficients show more moderate variations at lower frequencies. Moreover, the approximation coefficient reveals the slightest variations at low frequencies in annual time series. The study’s results suggested that northern and northwestern Iranian regions that are primarily characterized by rainy, cold, and in some cases semi-arid climates experienced the greatest variations in terms of annual precipitation. On the other hand, the eastern and southern parts of Iran, which are mostly dry areas, experienced more moderate variations in annual precipitation rates. Therefore, according to the results found in this study, it could be argued that northern and northwestern Iran enjoy more precipitation variability than other parts of the country. Furthermore, the D3 sub-category (eight years) was found to have the greatest variations in terms of MWE. On the other hand, based on the values of Sci, DBi, and CH index, the k-means clustering method performed better than SOM (Sci=0.41, DBi= 1.22, and CH= 14.58). Finally, fifty Iranian synoptic stations were categorized into four clusters based on the MWE index, with Chabahar, Shahrud, Abadan, and Zanjan being selected as core clusters.
Discussion and ConclusionThe current study proposed a methodology for analyzing and zoning Iran’s annual precipitation based on the multiscale entropy method, considering the fact that the period and trend of the annual time series could be identified via the analysis of the precipitation series. Following the analysis of the collected data, this study used the multiscale entropy method to record precipitation variability in each synoptic station. On the other hand, the determination of SOM and k-means input data based on MWE values helped reduce the input data, leading to an increase in the accuracy of the zoning method and the selection of the homogenous clusters based on the proposed methodology. The results of the study indicated that generally, the K-means method offered more homogeneous areas than the SOM method. Moreover, the homogeneous distribution of annual precipitation variations obtained based on the K-means-derived clusters confirmed the positive performance of the methodology proposed in this study, which involves the identification of hydrologic uncertainty and temporal-spatial variations of precipitation in those stations related to a specific cluster. The methodology seeks to create distinct clusters of stations that share common features. This approach can provide insights into the spatial variability of hydrological processes and help improve water resource management by identifying areas susceptible to hydrological extremes such as floods or droughts. Some studies have already been conducted on the spatial clustering of precipitation stations in Iran using different methods, including the application of geographical proximity or precipitation rate as criteria for clustering. However, the method used in the current study involved clustering based on similarity in hydrological uncertainty and temporal-spatial complexity, which is consistent with the findings of Roshangar and Alizadeh (2019), and Roshangar et al. (2019). Identifying hydrologically homogeneous regions and their associated precipitation characteristics can significantly enhance the effective management of water resources in terms of adapting to climate change, preventing damage to water environments, and mitigating the impact of climate-related disasters. Therefore, the proposed methodology for spatial clustering of synoptic stations could be useful in managing water resources and all precipitation-related sectors and variables such as runoff and soil moisture. However, this study faced some limitations such as the small number of synoptic stations and the short length of the statistical period. Therefore, it is recommended that the methodology be applied to more stations at more varied time scales.
Keywords: Clustering, Discrete Wavelet Transform, Entropy, Iran, Maximal Overlap, Precipitation -
Because of the quantitative and qualitative problems of Daily Suspended Sediment Load (SSL) data with direct measurement, it is important to use methods for predicting it in watersheds. In this research, two methods consisting of the artificial neural network (ANN) and Genetic Expression Programming (GEP) were used to predict SSL. The studied area was a watershed in north of Iran. Input data included instantaneous flow discharge (Q), average daily flow discharge (Qi), average daily precipitation (Pi) and the output was SSL. A clustering method was used to homogenize data for the self-organizing map (SOM) method and then, all data were divided into three groups including 70, 15 and 15% for training, validating and testing, respectively. Also, the gamma test method was used to determine the best combination of input variables. In all combinations of inputs to the ANN and GEP models, the ANN model with tangent sigmoid activation function and input variables combination including Q, Qi, Qi-2, Qi-3, Pi, Pi-2, Pi-3 was the best for estimating SSL in the area with a root mean square error of 1995.3 (ton day -1 ) and the Nash-Sutcliff efficiency of 0.96. In general, the results of this study showed that intelligent models are capable of accurately estimating the SSL value. Also, using SOM preprocessing techniques and gamma tests increased the generalization power of the models. We also found that choosing the most influential variables and their best combination increased the modeling power and accuracy of SSL estimation, respectively.
Keywords: Daily discharge, Daily precipitation, Clustering, Gamma test, Self-organizing map, Smart model -
مقدمه و هدف
فرسایش خندقی یکی از منابع اصلی هدررفت خاک در حوزه های آبخیز و هم چنین یکی از عوامل اصلی ذخیره رسوب در مخازن سدها، و در آبرفت رودخانه ها است. علاوه بر آن فعالیت های انسانی، می تواند سبب وقوع تشدیدی این فرسایش شود که پیامدهای بسیار نگران کننده ای را به دنبال دارد. بدین منظور تحقیق حاضر با هدف تعیین آستانه های محیطی فرسایش خندقی و نیز طبقه بندی مورفوکلیماتیک این عرصه ها در استان کرمانشاه انجام شده است.
مواد و روش هابرای این مهم ابتدا با جمع آوری اطلاعات از مراجع ذی ربط و نیز با استفاده از عکس های هوایی 1:20000 و 1:50000 مناطق عمده خندقی استان که روی تصاویر نمایان بودند مشخص و سپس این اطلاعات با استفاده از عملیات میدانی و مشخص نمودن آن ها بر روی نقشه توپوگرافی تصحیح گردید. محدوده های اقلیمی مناطق خندقی استان با استفاده از نقشه های موجود و بر اساس روش دومارتن اصلاح شده مشخص شد. سپس در هر اقلیم یک تا سه منطقه خندقی به عنوان هدف مشخص گردید و در هریک از آن ها یک خندق معرف و دو تکرار شناسایی و با عملیات میدانی و بازدید صحرایی شناسنامه این خندق ها تکمیل شد. این مشخصات شامل موقعیت، تیپ اراضی، ابعاد در سر هدکت و در فواصل 25، 50 و 75 درصد از راس، طول، پروفیل و پلان عمومی خندق بوده است. ضمنا نمونه گیری از خاک در مقاطع فوق انجام و در آزمایشگاه برخی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی خاک اندازه گیری شد. هم چنین از روش آماری کلاسیک تحلیل خوشه ای برای طبقه بندی خندق ها استفاده شد.
یافته هانتایج این تحقیق نشان داد که تفاوت هایی در مشخصات مهم مورفومتری و آستانه توپوگرافی خندق های مورد بررسی در مناطق مختلف خندقی استان و در اقلیم های مختلف وجود دارد که عمدتا ناشی از اقلیم، نوع سازند، توپوگرافی و پوشش گیاهی این منطقه است. طبقه بندی خندق ها بر اساس روش کلاسه بندی نشان داد که با سطح تشابه 97/5 درصد، سه کلاس کلی برای مناطق خندقی قابل شناسایی است.
نتیجه گیریمناطق خندقی در اقلیم های خشک بیابانی (مناطق گرم) استان در یک کلاس، پهنه های خندقی واقع در ارتفاعات میانی و اقلیم نیمه خشک سرد در کلاس دوم و پهنه های خندقی موجود در اقلیم های نیمه خشک سرد تا مدیترانه ای سرد در کلاس سوم تشابه پهنه های خندقی قرار دارند. خندق های فعال استان عمدتا در تیپ اراضی تپه و دشت دامنه ای قرار دارند. نتایج این پژوهش سیمایی از عوامل موثر و تاثیرگذار در ایجاد خندق ها را نشان دهد که بر اساس آن می توان نحوه مهار آن ها را در برنامه ریزی آینده و مدیریت مسیولین اعمال نمود.
کلید واژگان: طبقه بندی اقلیمی، فرسایش خندقی، کلاسترینگ، مورفوکلیماتیکIntroduction and ObjectiveGully erosion is one of the main sources of soil loss in watersheds and also one of the main causes of sediment storage in dam reservoirs and river alluvium. In addition, human activities can exacerbate this erosion, which has very worrying consequences. Therefore, the present study was conducted to determine the environmental thresholds of gully erosion and also the morphoclimatic classification of these areas in Kermanshah province.
Material and MethodsTo do this, first by collecting information from relevant authorities and also using aerial photographs 1: 20,000 and 1: 50,000, the main gully of the province that were visible on the pictures and then this information using field operations and specifying them on corrected on topographic map. Climatic zones of gully in the province were identified using existing maps based on the modified Domarten method. Then, in each climate, one to three gully were identified as targets, and in each of them, a representative gully was identified and two replications were identified, and the field identification of these gully was completed by field operations and field visits. These characteristics included location, land type, dimensions at the head of the gully and at intervals of 25, 50 and 75% of the top, length, profile and general plan of the gully. In addition, soil sampling was performed in the above sections and some physical and chemical properties of soil were measured in the laboratory. The classical statistical method of cluster analysis was also used to classify gully.
ResultsThe results of this study showed that there are differences in the important morphometric characteristics and topographic threshold of the studied gully in different gully in the province and in different climates, which are mainly due to the climate, type of formation, topography and vegetation of this area. Classification of gully based on the classification method showed that with a similarity level of 97.5%, three general classes can be identified for gully.
Conclusiongully areas in arid desert climates (warm regions) of the province in one class, gully zones located in the middle altitudes and cold semi-arid climate in the second class and gully zones in cold semi-arid climates to the Mediterranean colds are in the third class similar to gully. The active gully of the province are mainly located in the hill and plain lands. The results of this study show a picture of effective and influential factors in creating gully, based on which it is possible to apply how to control them in future planning and management of officials.
Keywords: Clustering, Climatic classification, Morphoclimatic, Gully erosion -
پدیده های فرسایش و رسوب دو پدیده اجتناب ناپذیر حوزه های آبخیز هستند. در این پژوهش به منظور مدلسازی تعیین بار معلق رسوب 69 حوزه موجود در حوزه های آبخیز کارون بزرگ و کرخه ابتدا اطلاعات 30 نوع ویژگی فیزیوگرافیکی، ژیومرفولوژیکی، پوشش گیاهی و اقلیمی برای تجزیه و تحلیل آماری استفاده شد. با استفاده از تجزیه مولفه های اصلی، ماتریس خصوصیات به 8 ویژگی عامل مبنا شامل: رسوب سالانه، مساحت، محیط، طول آبراهه اصلی، رلیف حوزه، متوسط ارتفاع در 85% بالایی آبراهه اصلی، ارتفاع موقعیت 15% پایینی طول آبراهه اصلی و تعداد زمین لغزش در هر حوزه تقلیل یافت. حوزه های موجود بر اساس ویژگی های منتخب به 6 گروه همگن تقسیم و با استفاده از رگرسیون چند متغیره گام به گام مدلسازی رسوب دهی حوزه ها انجام شد. بر اساس منحنی های جرم مضاعف بین داده های رسوب-بارش، از بین 35 ایستگاه که در بالا دست خود دارای انواع سد های مخزنی بودند، رسوب دهی 29 ایستگاه تحت تاثیر سدهای بالا دست خود قرار داشتند. نتایج نشان داد که سدهای بزرگ می توانند بر عملکرد رسوب پایین دست خود تا طول 98 کیلومتری رودخانه تاثیر بگذارد. همچنین در هر گروه ترکیب خاصی از ویژگی ها بر روی رسوب دهی حوزه ها تاثیر گذار هستند. بر اساس شاخص های اعتبارسنجی ، مدل های به دست آمده دارای کارایی بالایی هستند (ضریب نش ساتکلیف 72/0 و ضریب تبیین 71/0). بطور کلی، ویژگی های فیزیوگرافی حوزه مانند محیط، مساحت، طول آبراهه اصلی و رلیف حوزه نسبت به سایر عوامل اقلیمی، پوشش گیاهی و زمین شناسی منطقه از درجه اهمیت بیشتری برخوردارند و کل واریانس تبیین شده توسط ویژگی های ذکر شده 3/87 درصد است.
کلید واژگان: مدلسازی، تجزیه مولفه های اصلی، خوشه بندی، حوزه های آبخیز کارون بزرگ و کرخهSediment and erosion are two natural phenomena in watersheds. Due to irregular recording and sampling difficulties, daily data are not available for sediment records. Therefore, decision makers and researchers have to apply interpolating methods to estimated sediment yields. In this study, 30 watershed characteristics including physiography, geomorphology, vegetation, climate conditions in 69 watersheds located in the Karoon and Karkheh basins were used to statistical analysis. Based on the principle component analysis, eight characteristics including area, perimeter, river length, relief, mean of elevation at 85% upstream and 15% point of longest flow path and the number of landslide events were selected. Then using Cluster Analysis, six homogenous regions were identified and multiple regression models were applied. Due to constriction of large dames on the studied watersheds, access to the reliable data is a challenges for sediment yield analysis. Based on the sediment-precipitation double-mass curves 29 out of 35 stations were influenced by upstream dam. Results indicated that the effects of large reservoir dams can influence the downstream sediment yield along 98 Km of river length. The results show that in each group a particular combination of variables influence the sediment yields of the watersheds. According to the validation indices (NS and R2) the obtained models have the high performance (R2 = 0.71 and NS=0.72). In general, the physiographic characteristics of the watershed such as length, area, main flow path and relief are more important than other climatic, vegetation and geological factors. The total explain variance by the mentioned variables is 87.3%.
Keywords: modelling, PCA, Clustering, Karoon, Karkhe Watersheds -
تحلیل داده های بار رسوب معلق در رودخانه ها اساس شناخت روند فرسایش و رسوب در بحث مدیریت و برنامه ریزی منابع آب و خاک است. به دلیل عدم دسترسی به داده های بار رسوب معلق روزانه با اندازه گیری مستقیم، استفاده از روش هایی برای مدل سازی و برآورد آن در حوزه های آبخیز حائز اهمیت است. یکی از روش های مناسب مورد استفاده در این زمینه، به کارگیری شبکه های عصبی مصنوعی است. برای مدل سازی بار رسوب معلق روزانه، ایستگاه هیدرومتری سیرا در حوزه آبخیز رودخانه کرج مورد مطالعه قرار گرفت. تعداد داده مورد استفاده در این پژوهش، 624 داده با طول دوره آماری 31 سال (از سال 1360 تا1390) است. متغیرهای ورودی به مدل های شبکه عصبی مصنوعی شامل دبی لحظه ای، متوسط دبی روزانه، متوسط دبی روزانه با تاخیر سه روزه، متوسط بارش روزانه و متوسط بارش روزانه با تاخیر سه روزه و متغیر خروجی به مدل ها بار رسوب معلق روزانه است. برای تعیین متغیرهای بهینه و بهترین ترکیب متغیرها برای ورود به مدل از آزمون گاما و الگوریتم ژنتیک استفاده شد. سپس، این ترکیب ها به همراه برخی از ترکیب متغیرهای حاصل از آزمون و خطا، وارد مدل های شبکه های عصبی مصنوعی شد. از شبکه عصبی نگاشت خودسازمان ده برای خوشه بندی داده ها استفاده و داده ها به سه گروه همگن، شامل 70 درصد برای آموزش، 15 درصد برای اعتبارسنجی و 15 درصدی برای آزمون جدا شد. در ادامه، ترکیب متغیرها وارد مدل های شبکه عصبی با توابع فعال سازی لوگ سیگموئید و تانژانت سیگموئید شد. نتایج نشان داد، در بین تمام ترکیب های ورودی به مدل های شبکه عصبی، مدل با تابع فعال سازی تانژانت سیگموئید با ترکیب متغیرهای ورودی شامل دبی لحظه ای (Q)، دبی متوسط روزانه (Qi)، دبی متوسط روزانه دو روز قبل (Qi-2)، دبی متوسط روزانه سه روز قبل (Qi-3)، بارندگی متوسط روزانه (Pi)، بارندگی متوسط روزانه دو روز قبل (Pi-2) و بارندگی متوسط روزانه سه روز قبل (Pi-3) مدل مناسب برای برآورد بار رسوب معلق روزانه شد. این مدل کمترین مقدار خطا، بالاترین کارایی مدل و کمترین انحراف استاندارد عمومی را در مقایسه با سایر مدل ها دارد. این مدل، بهترین ترکیب با تاثیرگذارترین متغیرهای ورودی به دست آمده از آزمون گاما و الگوریتم ژنتیک برای برآورد SSL است.کلید واژگان: آزمون گاما، تانژانت سیگموئید، خوشه بندی، شبکه عصبی مصنوعی، نگاشت خودسازمان دهAnalysis of suspended sediment load data in rivers is the basis for understanding the trend of erosion and sediment in the management and planning of soil and water resources. Due to lack of access to daily suspended sediment loading data with direct measurement, it is important to use methods for modeling and estimating it in watersheds. One of the best methods used in this field is the use of artificial neural networks. To evaluate daily suspended sediment load, Sira hydrometric station was studied in Karaj River watershed. The number of data used in this study included 624 information records of 31 years (1981–2011) statistical period .Input data to the artificial neural network models included instantaneous flow discharge, average daily flow discharge, average daily flow discharge with a delay of three days, average daily precipitation and average daily precipitation with a delay of three days. Output data to models was daily suspended sediment load. In this research, gamma test and genetic algorithm were used to obtain optimal variables and best combination of variables for entering the model. Then, these combinations with some combination of test and error variables were entered to artificial neural network models. The self-organizing map neural network was used for data clustering and all data were divided into three homogeneous groups: 70 percentage training data, 15 percentage validation data and 15 percentage test data. Then, the combination of variables entered to neural network models with activation functions log sigmoid and tangent sigmoid. The results showed that the neural networks using the optimal variable combinations in comparison with manual combinations have a more accurate estimate for suspended sediment load. In all combinations of inputs to neural network models, a model with tangent sigmoid activation function, with input variables combination including, instantaneous flow discharge (Q), average daily flow discharge (Qi), average daily flow discharge for two day ago (Qi-2), average daily flow discharge for three day ago (Qi-3), average daily precipitation (Pi), average daily precipitation for two day ago (Pi-2) and average daily precipitation for three day ago (Pi-3), was the best model for estimating daily suspended sediment load. This model has the lowest of error (MAE=500.05 (ton/day), RMSE=1995.33(ton/day) and Erel=7%), the highest accuracy (R2=0.96), the highest performance model (NSE=0.96) and has the lowest general standard deviation (GSD=0.97) compared to other models. Also, this model is the best combination with the most influential input variables derived from gamma test and genetic algorithm for estimating SSL.Keywords: Artificial Neural Network, Clustering, Gamma test, Self-Organizing Map, Tangent sigmoid
-
این پژوهش با هدف دست یابی به مدلهای منطقهیی برآورد بار معلق سالانه در استان هرمزگان انجام شد. متغیر وابسته میانگین بار معلق سالانه ی زیرحوزهها، و متغیرهای مستقل 21 سنجه ی ریخت شناختی و اقلیمی زیرحوزهها با دوره ی مشترک داده برداری 21 سال (1390-1370) انتخاب شد، و در دو مرحله ی تعیین عرصههای همگن و استنتاج مدل منطقهیی برای منطقه های همگن تحلیل شد. پس از شناختن تاثیرگذارترین سنجه ها به روش تحلیل عاملی، بهترین روش خوشهبندی منطقهیی بر اساس سه حالت سنجه های موثر، میزان بار معلق سالانه، و مشترک (اجتماع دو حالت) با تعداد خوشههای متفاوت دانسته شد. معادله های وایازی (رگرسیونی) بین اندازه های بار معلق سالانه با متغیرها به روش گام به گام به دست آمد. دادههای وایازی برای ارزیابی کردن مدل وایازی به دست آمده به کاررفت و مقدار معیار نش-ساتکلیف این معادله ها محاسبه شد. با توجه به نتیجه های خوشهبندی میتوان گفت که دادههای بار معلق از دو مدل منطقهیی تبعیت میکند. برای برآوردکردن بار معلق این دو منطقه معادلههایی با ضریب تبیین 0/78 و 0/84 داده شد. پیشنهاد میشود این تحقیق در حوزه های بیش تر و در شرایط مختلف جغرافیایی انجام شود تا بتوان این رابطه ها را برای حوزه های بی آمار بیش تری بهکاربرد.کلید واژگان: تخمین آورد بار معلق رودخانهیی، آبخیز، خوشه بندی، مجموعه ی زمانی، وایازی چندمتغیرهThe present study is aimed at estimating the suspended load discharged from watersheds in the Province of Hormozgan. The mean annual suspended loads were considered as the dependent variable and 21 parameters of morphological and climatic factors were selected as the independent parameters. The data were collected from 19 hydrometry stations for a 21-years period (1991–2011). This analysis is presented in two steps; a principal component analysis (PCA) was further applied to extract the underlying factors (principal component) and use the hierarchical clustering analysis in order to identify homogeneous groups. Multi regression was performed to identify the contribution of each variable. Different clustering scenarios were considered for selecting the optimal number of homogeneity groups, and their overall impacts on cluster validation indices were assessed. These three scenarios include dependent variable, independent parameters and the combined variables. The performance of the models was evaluated using the coefficient of determination (R2) and the Nash-Sutcliffe model efficiency. The watersheds were divided into two clusters and multiple regression models were derived for each homogenous region. Eventually, the models with coefficients of determination of 0.78 and 0.84 were used to estimate the mean annual suspended load. It is recommended to study more watersheds with different condition to reach the plurality and improve the quality of these models for estimation of the suspended load in the ungauged watersheds.Keywords: Estimation of suspended load, time series, Drainage basin, Clustering, multiple regression
-
همبستگی بین پوشش گیاهی و عوامل محیطی از مهمترین مباحث مرتبط با ساختار و عملکرد جوامع گیاهی است. عوامل محیطی نظیر اقلیم، توپوگرافی و خاک، می تواند پویایی جوامع گیاهی را دستخوش تغییرات کند. در این پژوهش، اثر عوامل محیطی بر پوشش گیاهی برخی مکان های مرتعی منطقه سمیرم استان اصفهان بررسی شد. نمونه برداری در 52 مکان مرتعی مورد مطالعه به روش تصادفی- سیستماتیک انجام گرفت. در هر مکان، 40 پلات یک متر مربعی در امتداد چهار ترانسکت انداخته و در هر پلات درصد پوشش گونه های گیاهی به روش تخمین نظری اندازه گیری شد. لایه های رقومی متغیرهای اقلیمی و توپوگرافی در محیط 1/10 ArcGIS تهیه و مقادیر مربوط به مکان های مرتعی استخراج گردید. نمونه های خاک از مناطق مورد مطالعه برداشت و برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک اندازه گیری شد. نتایج حاصل از آنالیز افزونگی (RDA) و تجزیه خوشه اینشان داد که متغیرهای میانگین دمای سالانه، همدمایی و متوسط دما در مرطوب ترین فصل، اسیدیته، بافت و ماده آلی خاک و ارتفاع از سطح دریا تاثیرگذارترین عوامل موثر بر درصد پوشش گونه های گیاهی می باشند.
کلید واژگان: رویشگاه های مرتعی، عوامل اکولوژیکی، اقلیم، خاک، خوشه بندیCorrelation between vegetation and environmental variables is the most important issue related to the structure and function of rangeland ecosystems. Environmental factors such as climate, topography, and soil can alter the dynamics of plant communities. In this study, the effects of environmental factors on vegetation of some rangeland sites in Semirom region of Isfahan province were evaluated. Sampling was carried out at 52 rangeland sites in a random-systematic way. At each location, 40 plots of one square meter were placed along four transects, and the percentage of vegetation cover in each plot was measured using ocular-estimate method. The grid layers of bioclimatic and topographic variables were prepared in ArcGIS 10.1 and values for each range site were extracted. Soil samples were collected from range sites and some physical and chemical properties of the samples were measured. Redundancy Analysis (RDA) was used to evaluate the relationships between environmental factors and the plant species cover. Cluster analysis was also used to group the studied range sites based on environmental factors. According to the results, annual mean temperature, isothermality, mean temperature of wettest quarter, soil texture, pH, organic matter, and elevation were identified as the most important ecological factors affecting plant species cover.
Keywords: Rangeland habitats, Ecological factors, Climate, Soil, Clustering -
برآورد صحیح مقدار رسوب معلق نقش مهمی در طراحی بهینه سازه های آبی، مطالعات فرسایش و رسوب و مطالعات کیفی آب دارد. منحنی سنجه رسوب، یک مدل رگرسیونی مرسوم و شناخته شده در این زمینه بوده، بااین حال به دلیل تبدیلات لگاریتمی در واسنجی این مدل، مقادیر برآوردی آن اغلب کمتر از مقدار واقعی است. در پژوهش حاضر، با استفاده از داده های دبی لحظه ای جریان و بار رسوب معلق ایستگاه هیدرومتری بیطاس در رودخانه مهاباد چای، مدل منحنی سنجه رسوب واسنجی و پس ازآن، با استفاده از الگوریتم ژنتیک چند هدفه با مرتب سازی نامغلوب (NSGA-II)، ضرایب این مدل مجددا بهینه شد. این الگوریتم یک روال خودکار بوده و می تواند توابع هدف مختلفی را در فرآیند واسنجی به طور هم زمان مورد استفاده قرار دهد. در این رابطه در فرایند واسنجی مدل از چهار تابع هدفRMSE ،MAE ، NSE و LOGE به طور دوبه دو استفاده گردید که با توجه به نتایج ارزیابی مدل، توابع هدف NSE و LOGE به عنوان بهترین توابع هدف جهت بهینه سازی مدل انتخاب شدند. همچنین به منظور افزایش قدرت تعمیم دهی مدل ها، از شبکه عصبی بدون ناظر نگاشت خودسازمان ده (SOM) برای خوشه بندی داده ها و تشکیل دو مجموعه داده همگن (مجموعه های واسنجی و ارزیابی) به نسبت 70 و 30 درصد استفاده شد. نتایج نشان داد که استفاده از الگوریتم NSGA-II سبب افزایش کارایی مدل شده به نحوی که نتایج آن، از نتایج دیگر مدل های مرسوم منحنی سنجه رسوب (نظیر منحنی سنجه حد وسط دسته ها، منحنی سنجه های تصحیح شده با ضرایب تصحیحی) بهتر است. در این رابطه، مقدار خطای (RMSE) داده های آزمون در بهترین مدل منحنی سنجه، 65/383 تن در روز محاسبه گردید که با استفاده از الگوریتم NSGA-II به 102/94تن در روز کاهش یافت. درمجموع، با استفاده از الگوریتم NSGA-II می توان ضرایب مدل منحنی سنجه رسوب را به نحوی بهینه نمود که کارایی آن بیشتر از سایر مدل های سنتی گردد.کلید واژگان: الگوریتم بهینه سازی چند هدفه با مرتب سازی نامغلوب، رسوب معلق، خوشه بندی، شبکه عصبی مصنوعی، منحنی سنجه رسوب، نگاشت خودسازمان دهThe estimation of the correct amount of suspended sediment has an important role in the optimal design of water structures, erosion studies and water quality studies. The sediment rating curve (SRC) is a conventional and well-known regression model. However, due to logarithmic transformations in calibrating this model, its estimated values are often less than actual values. In the present study, using the instantaneous flow discharge and suspended sediment load of Beytas hydrometric station in the Mahabad-Chai River, the SRC model was calibrated, and then using Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II), the coefficients of this model optimized again. This algorithm is an automatic procedure and can use different objective functions in the calibration process simultaneously. In this regard, in the calibration process of the model, four objective functions RMSE, MAE, NSE, and LOGE were used as pairwise combinations. According to the results of the model evaluation, the NSE and LOGE objective functions were selected as the best objective functions for optimization of the model. In order to increase the power of the model's generalization, the self-organizing map (SOM) neural network was used to cluster data and form two homogeneous data sets (calibration and evaluation sets) of 70% and 30% respectively. The results showed that the use of the NSGA II algorithm resulted in improved model efficiency so that the results are much more favorable than the other results of conventional SRC models (such as the rating curve of mean load within discharge classes, SRC models corrected by correction factors). In this regard, the error value (RMSE) of the test data set in the best model of the conventional SRC models was 383.65 tons/day, which was reduced by using the NSGA II algorithm to 102.94 tons/day. In sum, using the NSGA-II algorithm, we can optimize the coefficients of the SRC model, which is more efficient than the other conventional models.Keywords: Artificial Neural Network, Clustering, Curve, Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II), Sediment Rating Self-Organizing Map, Suspended Sediment
-
حوزه آبخیز زاینده رود با نقش حیاتی در شرب، زیست بوم، کشاورزی، صنعت و توریسم ایران، با مشکلات خشکسالی روبه رو شده است. بررسی وضعیت پراکنش منطقه ای خشکسالی در طی زمان با استفاده از خوشه بندی داده های خشکسالی بر اساس فاصله اقلیدسی ایستگاه ها می تواند یک رویکرد مدیریتی در جهت کاهش اثرات خطر خشکسالی باشد. در این پژوهش، رویکرد تعیین پراکنش مکانی-زمانی خوشه های ویژگی های خشکسالی حوزه آبخیز، برای بیان تغییرات بر اساس بارش شاخص نمایه استاندارد بارش (SPI) ایستگاه ها بر اساس احتمال بارش برای مقیاس زمانی 12 ماهه به کار رفته است. از آن جا که بیشینه پراکندگی مکانی ایستگاه های منطقه و بیشینه بازه زمانی دوره آماری بلندمدت ممکن و موجود با شروع یکسان مدنظر بود، از آمار سری زمانی بارش مربوط به 26 ایستگاه، طی 12 سال به عنوان داده های مرجع استفاده شد. سپس، شاخص SPI 12 ماهه منتهی به دسامبر برای تحلیل های خوشه بندی شاخص SPI آبخیز تهیه شد. در مرحله بعد، 144 داده سری زمانی بارش به چهار گروه خوشه بندی شدند. در ادامه، تحلیل پهنه بندی بر روی خوشه های داده های حاصل صورت گرفت. سپس، رابطه ارتفاع به عنوان یک عامل شکل زمین موثر در خشکسالی با خوشه های شاخص خشکسالی SPI با استفاده از همبستگی متغیرها بررسی شد. بدین صورت که همبستگی SPI با ارتفاع ایستگاه های هر خوشه بررسی و یک عدد حاصل شد. نتایج نشان داد که داده های خشکسالی 12 ماههSPI همبستگی بالا و منفی با داده های ارتفاع دارند. در ادامه، مساحت هر خوشه و نتایج مقایسه شد. همچنین، نتایج نمودار سری زمانی نوسانات شاخص SPI، خشکسالی بسیار شدید در سال های 2008 و 2009 و خشکسالی شدید در سال 2010 و خشکسالی ملایم در سال های 2003، 2005 و 2013 را نشان داد. نتیجتا، پایش مکانی-زمانی خوشه های شاخص های خشکسالی به عنوان راه کاری در جهت مدیریت اثرات خطر خشکسالی توصیه می شود.کلید واژگان: پراکندگی مکانی، خشکسالی کشاورزی، خوشه بندی، شاخص SPI، همبستگیZayandeh Rood Basin has a vital role in Iran's poetry, biomass, agriculture, industry and tourism, faced with drought problems. Clustering approach can be a management approach to reduce drought risk impacts which groups the members with regard to the division based on the Euclidean distance of stations. In this research, the approach of determining the spatial-temporal distribution of drought clusters in watersheds is used to express variations based on precipitation precipitation index (SPI) parameters of stations, which depends on the probability of precipitation for any time scale. Since the maximum spatial distribution of the meteorological stations in the region and the maximum time period of the long-term and possible long-term statistical period were considered the same, the data of 26 stations from 12 years (2003 to 2014) was used as reference data. In this regard, the12 months SPI index was first calculated. Then, the 12-month SPI index, which ended in December, was used for cluster analysis of the SPI, and then 144 data were clustered into four groups. Further, zoning analysis was performed on data clusters. Then, the relationship between elevations as an effective landform factor in drought with SPI drought index cluster was investigated using correlation of variables. SPI correlation with mean height of each cluster stations was studied and the results were compared and analyzed. The results of the SPI drought fluctuation chart showed a very severe drought in 2008 and 2009 and 2010, and severe drought in 2010 and mild drought in 2003, 2005 and 2013. Also, 12-month SPI drought data showed a high and negative correlation with height data. Consequently, spatial-temporal monitoring of drought indicators clusters is recommended as a way to manage the impacts of drought risk.Keywords: Agricultural drought, Clustering, Correlation, Spatial distribution, SPI index
-
برآورد دبی اوج به عنوان یکی از مباحث اصلی در مدیریت منابع آبی و سیلاب نقش اساسی در طراحی سازه های آبی و اقدامات بیومکانیکی در حوزه های آبخیز دارد، به طوری که برآورد صحیح آن نقش اساسی در موفقیت کار های اجرایی دارد. در این بررسی، سعی شده با استفاده از روش های هوش مصنوعی (شبکه عصبی MLP، ترکیب شبکه عصبی MLP و شبکه SOFM، GRNN، ترکیب خوشه بندی FCM و ANFIS) دبی بیشینه رودخانه یلفان در محل ایستگاه هیدرومتری برآورد شود. به این منظور، در این دو مدل هشت متغیر که شامل بارندگی مربوط به روز وقوع سیل، بارندگی های پنج روز قبل، دبی پایه در روز وقوع سیل و CN حوضه به عنوان پارامتر های ورودی و دبی پیک به عنوان خروجی در نظر گرفته شده است. سپس، با استفاده از روش هوش مصنوعی و پیش پردازش داده ها، ساختار بهینه مدل ها با استفاده از داده های ورودی و خروجی و با ملاک قراردادن معیار های ارزیابی، به روش سعی و خطا تعیین شد. نتایج نشان داد که شبکه عصبی پرسپترون چند لایه (MLP) عملکرد بهتری در برآورد دبی سیلاب نسبت به مدل ترکیبی ANFIS+FCM ،MLP+SOFM ،GRNN در حوضه یلفان دارد.کلید واژگان: خوشه بندی، دبی اوج، شبکه عصبی، ANFIS، GRNN، MLP، SOFMPeak flow estimation is one of the major issues in water resources and flood management that have basic role in the design of hydraulic structures and biomechanics activities in basins. So that a proper assessment has a basic role in the success of administrative works. In this paper, using artificial intelligence methods (MLP Neural Network, the mixture of SOFM with MLP, the mixture of FCM with ANFIS) to estimate Yalfan River’s peak discharge in hydrometer local station. For these models, eight variables have been considered as the inputs that includes rainfall amount in the occurrence time of flood, rainfall of five days ago from occurrence of flood, curve number of the basin (CN), basic discharge and finally peak discharge are considered as the output. In the artificial intelligences after preprocessing of the data, the optimal structure of the models are determined with input and output data, evaluation criteria and trial and error. At the end, the MLP model had better performance compared to ANFIS+FCM, MLP+SOFM, GRNN models.Keywords: ANFIS, Clustering, GRNN, MLP, Neural network, Peak flow, SOFM, Yalfan
-
برآورد میزان ضریب جریان، که متاثر از عوامل مورفومتری، زمین شناسی و هیدرواقلیمی است، همواره یکی از موضوعات مهم در هیدرولوژی بوده، اطلاع از میزان آن، نقش به سزایی در برنامه ریزی و مدیریت بهینه منابع آب دارد. همگن بندی حوزه های آبخیز مناسب ترین روش برای تحلیل پارامتر های هیدرولوژیکی در غیاب پوشش کامل داده های هیدرولوژی است. در این پژوهش، ابتدا با بررسی داده های دبی روزانه ایستگاه های آب سنجی و باران سنجی تعداد 22 ایستگاه با آمار مناسب و دوره مشترک آماری، سال های آبی 1378-1353 انتخاب شد. همچنین، با استفاده از نقشه توپوگرافی با مقیاس 1:50000 و تعیین موقعیت ایستگاه ها، محدوده مورد پژوهش مشخص و پارامترهای اولیه حوضه ها با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی استخراج شد. ضریب جریان با استفاده از روش جاستین و شاخص جریان پایه به روش فیلتر رقومی برگشتی تک پارامتره، محاسبه شد. واحدهای سنگ شناسی با استفاده از نقشه زمین شناسی با مقیاس 1:250000 رقومی و بر اساس نظر کارشناسی به دو طبقه عمده نفوذپذیر و نفوذناپذیر تقسیم و مساحت تحت پوشش هر واحد در هر حوضه تعیین شد. تحلیل عاملی از بین 15 پارامتر موثر در ضریب جریان انجام و همگن بندی حوضه ها با استفاده از عوامل مستقل انتخابی به روش های مختلف سلسله مراتبی شامل: نزدیک ترین همسایه، دورترین همسایه، فاصله از میانه، فاصله از مرکز ثقل و روش وارد انجام شد. سپس روابط منطقه ای به روش رگرسیون خطی، در سطوح معنی داری کمتر از یک درصد برای گروه های همگن تمام روش ها به دست آمد. ارزیابی صحت و کارایی مدل های برآوردی، به روش های آزمون استقلال خطاها، نرمال بودن توزیع خطاها و هم خطی انجام شد. سپس دقت مدل های استخراج شده با استفاده از ایستگاه های شاهد محاسبه و با یکدیگر مقایسه شد. نتایج آزمون تحلیل عاملی نشان داد که کلیه متغیرها در قالب پنج عامل طبقه بندی می شوند که در مجموع در برگیرنده 85.452 درصد از واریانس داده ها می باشند. نتایج همگن بندی نشان داد که دسته بندی حوضه ها در روش های همگن بندی نزدیک ترین همسایه، دورترین همسایه، فاصله از مرکز ثقل و فاصله از میانه، تماما مشابه هم بوده و در دو گروه با اجزاء مشابه دسته بندی می شوند. ولی در روش وارد، حوضه ها به سه منطقه همگن تفکیک شد، نتایج بررسی دقت مدل ها نشان داد که دقت مدل های استخراج شده در گرو ه های همگن به روش نزدیک ترین همسایه به دلیل حداقل درصد خطای نسبی به میزان 25.4 درصد، میانگین مطلق خطا به میزان 7.85 و مجذور میانگین مربعات خطا به میزان 9.62 از سایر روش ها مناسب تر است و به عنوان بهترین روش همگن بندی برای تحلیل منطقه ای ضریب جریان در منطقه پژوهش تشخیص داده شد.کلید واژگان: تحلیل منطقه ای، خطای برآورد، سلسله مراتبی، مدل سازی، همگن بندیEstimating the runoff coefficient that is influenced by morphometric, geologic and hydro-climatologically factors are the most important issues in hydrology and information of its role in the planning and management of water resources is more important. Clustering catchments is the best method for the analysis of hydrological parameters in the absence of full coverage of hydrological data. In this research, twenty two hydrometric stations with common period from 1974 to 1999 were selected. Physiographic parameters of the catchments were extracted. Runoff coefficient was calculated and then base flow was extracted from using one parameter recursive digital filters. Lithological units using digital geological map, with the scale of 1: 250,000, based on expert opinion divided on two classes and area covered by each unit in each catchment were calculated. Factor analysis using 15 parameters were conducted. Catchments using independent factors in different hierarchy methods includes: nearest neighbor, furthest neighbor, median clustering, centroid clustering and Ward method were classified. Then, the regional equations using linear regression at 1% significant level were determined. To compare and evaluate the accuracy and efficiency of the models, independence errors, colinerity and normal distribution of error were tested. The results of factor analysis showed that all variables are to be classified in terms of five factors which 85.9% of the variance was included. Results of homogeneity showed that the basins in homogeneous methods of nearest neighbor, furthest neighbor, centroid clustering and median clustering, were all the same and classified in two groups with the similar components. The results of accuracy assessment showed that the accuracy of nearest neighbor methods was more accurate, and because of low relative error (25.4%) and MAE of 7.85 and RMSE of 9.62 was diagnosed as the best method for regional analyzing of runoff coefficient in the study area.Keywords: clustering, Hierarchical, Modeling, Regional analysis, Estimation error
-
تحلیل های ریخت سنجی به عنوان ارزیابی کمی ویژگی های هندسی اشکال زمینی و چشم اندازها قابل بررسی می باشند. در بررسی ویژگی های تکتونیکی حوزه آبخیز، استفاده از بعضی پارامترهای ریخت سنجی، می تواند اطلاعات بسیار مهمی را ارائه دهند. حوضه گاوکشک با مساحت 46.73 کیلومترمربع، در ناحیه کوهستانی و تکتونیکی زاگرس چین خورده، قرار دارد. هدف از این پژوهش، استفاده از شاخص های ریخت سنجی، نظیر: شاخص انتگرال هیپسومتری، شاخص شکل حوضه زهکشی، شاخص شیب جریان (گرادیان طول رود)، شاخص شیب طولی رودخانه، شاخص عدم تقارن حوضه زهکشی و شاخص نسبت عرض کف دره به ارتفاع آن می باشد. در نتیجه، این شاخص ها تبدیل به شاخص نسبی فعالیت تکتونیکی می شود. با استفاده از این شاخص می توان عملکرد کلی فعالیت تکتونیکی منطقه را بررسی کرد. مقادیر شاخص های ریخت سنجی منطقه مورد مطالعه، با تقسیم شدن منطقه به 43 زیرحوضه آن و با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) و سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) مورد بررسی قرار گرفته است. روش شاخص های ریخت سنجی همراه با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی، رویه و ابزار توانمندی، برای برآورد فعالیت تکتونیکی منطقه می باشد. البته باید در نظر داشت که نتایج حاصل از این شاخص ها، می تواند در بخش های مختلف، مقادیر مختلفی را نشان دهد. با بررسی شاخص نسبی فعالیت تکتونیکی، حوضه مورد مطالعه به دو بخش فعال (25.6 درصد از کل حوزه آبخیز) و نیمه فعال (74.4 درصد از کل حوزه آبخیز) تقسیم می شود. با انجام بررسی های آماری، حوضه مورد مطالعه به چهار خوشه شامل: خوشه یک، با 91.83 درصد شباهت، خوشه دو، با 95.19 درصد شباهت، خوشه سه، با 96.18 درصد شباهت و خوشه چهار، با 91.09 درصد شباهت تقسیم بندی می شود. در این روش، مناطق همگن، بر اساس الگوریتم خوشه بندی Ward تعیین شدند. بررسی تکتونیک فعال حوضه مورد پژوهش، با استفاده از دیگر شاخص های ریخت سنجی، می تواند در یک طرح پژوهشی دیگر مورد بررسی قرار گیرد.کلید واژگان: حوضه گاوکشک، خوشه بندی، زاگرس چین خورده، سامانه اطلاعات جغرافیایی، مدل رقومی ارتفاعیMorphometric analysis is considered as quantitative evaluation of geometric features landforms and landscape. In the study of basin tectonic features, the use of some morphometric parameters can provide very substantial information. Gavkoshak Basin with an area of 46.73 km2 is located in Zagros simply folded belt. The objective of this research is to use the morphometric indices such as hypsometric integral, basin shape, stream length-gradient, asymmetric factor, and the valley width/height ratio. As a result, these indices are converted to the tectonic activity index. This index can be used to assess the overall performance of the region's tectonic activity.Morphometric indices of area are studied by dividing this area into 43 sub-basins, using the Digital-Elevation Model (DEM) and Geographic Information System) GIS). Morphotectonics index method with the use of geographic information systems provide procedures and a powerful tool for estimating tectonic activity in the region. It should be borne in mind that the results of these indices can show different values in different sectors. By examining the relative index of tectonic activity, the basin in this research is divided into two parts namely active (25.6% of the watershed) and semi-active (74.4 % of the watershed). Through statistical analysis, the area under investigation includes four clusters: cluster one with 91. 83% similarity, cluster two with 95.19% similarity, cluster three with 96.18% similarity, and cluster four with 91.09% similarity. In this way, homogeneous regions were determined based on clustering algorithm ward. The active tectonic basin in this research can be studied in another research project, using other morphometric parameters.Keywords: Clustering, Digital-Elevation Model, Gavkoshak basin, Geographic Information System, Zagros folded
-
ترکیب و مقدار بانک بذر خاک در اثر عوامل مدیریتی احیایی اکوسیستم ها تغییر می نماید، درک این تغییرات می تواند راهنمای مناسبی در تفسیر تغییرات پوشش گیاهی تحت تاثیر عملیات احیا باشد. بدین منظور، این تحقیق به بررسی تغییرات حاصل از عملیات اصلاحی بوته کاری گیاه غیربومی آتریپلکس کانسنس(Atriplex canescens) بر روی بانک بذر خاک در توالی های مختلف سنی در مراتع چپرقویمه گنبد کاووس پرداخته است. نمونه برداری در سه توده دست کاشت آتریپلکس دو، ده و بیست ساله که از نظر عوامل محیطی، همگنی و تشابه داشتند، در مکان های زیر بوته ها و بین بوته ها صورت پذیرفت. علاوه بر این، در مجاورت هر سایت یک منطقه شاهد که در آن بوته کاری انجام نشده بود نمونه برداری برای مقایسه انجام شد. در مجموع 54 نمونه خاک از عمق سطحی خاک با رویکرد تصادفی- سیستماتیک قبل از شروع فصل رویش نمونه برداری شد و سپس نمونه های خاک برای سبزشدن بذور به گلخانه منتقل شدند. داده های مربوط به گونه های سبزشده جمع آوری شد و نمودار دسته- فراوانی برای هر یک از سایت های مورد بررسی، ترسیم و همچنین مدل های توزیع فراوانی شامل سری هندسی، سری لگاریتمی، عصای شکسته و لوگ نرمال بر روی داده ها برازش شد و بهترین مدل توزیعی انتخاب گشت. همچنین شاخص تشابه جاکارد و خوشه بندی مقسمی برای سایت های مختلف محاسبه و رسم شد. نتایج نمودار دسته- فراوانی مکان های مورد بررسی نشان داد که منحنی تیمار شاهد تمامی سایت ها دارای شیب تندتری نسبت به منحنی تیمارهای زیر و بین بوته می باشد بنابراین تنوع گونه ای بانک بذر سایت شاهد پایین تر است. مدل عصای شکسته و لوگ نرمال نیز با تیمارهای سایت بیست ساله تطابق داشته که نشان دهنده جوامع با ثبات و با تنوع و یکنواختی بالا می باشد. نتایج حاصل از شاخص تشابه جاکارد نیز نشان داد در سایت ده ساله تشابه گونه ای بانک بذر خاک در تیمار زیر بوته و بین بوته بیشترین مقدار (75/0) را دارند و در سایت بیست ساله این تشابه به حداکثر میزان خود می رسد. نتایج کلی نشان می دهد که احیای مراتع به وسیله کاشت گیاه آتریپلکس موجب افزایش تنوع گونه ای بانک بذر خاک در مناطق مورد مطالعه داشته است که البته میزان این تغییرات به مدت زمان اجرای آن نیز بستگی دارد.کلید واژگان: اکوسیستم های مرتعی، تنوع گونه ای، تصادفی- سیستماتیک، گلخانه، مدل های توزیع فراوانی، شاخص تشابه جاکارد، خوشه بندیThe composition and amount of the soil seed bank will change by Management factor ecosystems, Understanding these changes can help explain vegetation change is affect resuscitation. For this purpose, this study examines the changes resulting from corrective action of planet non-native Atriplex canescens plant. Sampling in the three masses planting of Atriplex two, ten and twenty years in terms of environmental factors, and the homogeneity of similarities in places under the shrubs, between the shrubs were taken. In addition, a control area adjacent to each site where the plant had not been done to compare the sampling was done. In total 54 soil samples from the soil surface depth with approach Random systematic before the start of the growing season Samples were taken and then soil samples were transferred to the greenhouse for seed germination. Data were collected species of grown and rank-abundance plot diagram For each of the sites studied, Traced and also Frequency distribution models Included Geometric, Log-series, Broken-stick and Log-normal On the data's Were fitted and Was selected The best model distribution. Also, Jaccard similarity index and divider clustering for different sites were calculated and plotted. The results of rank-abundance plot diagram Studied Places shows the Curve from control plots all sites have steeper from plot curve under and between shrubs has so species diversity of seed bank control Site is lower. Broken-stick model and Log-Normal conform to the treatment site 20, which represents a stable community with high diversity and evenness. The results also showed Jaccard similarity index the 10-year-old site under shrub and between shrubs are Maximum Likelihood (0.75) Soil seed banks and also in 20-years-old sites this similarity reaches its maximum. The overall results indicate that restoration of rangeland by planting Atriplex cause Increase the species diversity of soil seed bank in study area the of course the amount this changes depends on Duration of its implementation.Keywords: soil seed bank, species diversity, frequency distributional models, Jaccard similarity index, clustering
-
نگاشت های خود سازمانده یکی از انواع شبکه های عصبی مصنوعی هستند که قابلیت آن ها در تشخیص الگو و خوشه بندی داده ها، آن ها را به ابزاری قابل توجه در زمینه ی منطقه بندی حوزه های آبخیز به منظور اجرای تحلیل فراوانی منطقه ای سیلاب تبدیل کرده است. در این مطالعه، توانایی نگاشت های خودسازمانده در منطقه بندی حوزه ی آبخیز سفیدرود به منظور اجرای تحلیل فراوانی منطقه ای سیلاب با استفاده از الگوریتم گشتاور های خطی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده بیانگر آن است که نگاشت های خود سازمانده می توانند به عنوان روشی قابل قبول در زمینه ی خوشه بندی داده ها و منطقه بندی حوزه های آبخیز به کار گرفته شوند. بررسی مقادیر شاخص های صحت خوشه نشان داد که این شاخص ها به تنهایی نمی توانندتعیین کننده ی منطقه بندی مطلوب برای تحلیل فراوانی منطقه ای باشند، بلکه این وضعیت همگنی مناطق است که عامل اساسی در تعیین منطقه بندی مطلوب است. بر اساس وضعیت همگنی مناطق و بزرگی مناطق تشکیل شده، حالت های دو منطقه ای حاصل از به کارگیری الگوریتم های وارد و نگاشت های خودسازمانده به عنوان حالت های بهینه به منظور اجرای تحلیل فراوانی منطقه ای سیلاب برای حوزه ی آبخیز سفیدرود، انتخاب شدند. افزون بر این، نتایج حاصل از برآورد سیلاب در تحلیل نقطه ای و دو تحلیل منطقه ای گویای آن بود که برآوردهای حاصل از دو تحلیل منطقه ای بسیار به هم نزدیک بوده و اختلاف نسبی آن ها به طور میانگین در حدود 1% است. هم چنین، اختلاف نسبی آن ها با برآوردهای حاصل از تحلیل نقطه ای نیز در هیچ یک از ایستگاه ها از 17% تجاوز نمی کند و مقدار میانگین آن تقریبا برابر 8% است.کلید واژگان: نگاشت خود سازمانده، منطقه بندی، خوشه بندی، گشتاور های خطیSelf-Organizing Feature Maps (SOFM) are a variety of artificial neural networks that their applications in the areas of pattern recognition and data clustering makes them noticeable tools to perform regional flood frequency analysis (RFFA). In this study, ability of Self-Organizing Feature Maps for regionalization of Sefidrood watershed in order to perform regional flood frequency analysis using L-moment algorithm is assessed. Results of this study show that SOFMs may be used as an acceptable method for data clustering and regionalization of watersheds. Evaluation of values of cluster validity measures showed that they cant be a determining factor to identify suitable number of regions for regional flood frequency analysis, but homogeneity of regions is main factor to determine desirable number of regions. According to homogeneity of regions and sizes of formed regions, regionalizations including two regions that formed by Wards algorithm and SOFM were chosen as optimum choices to regional flood frequency analysis on Sefidrood watershed. Furthermore, based on results of flood estimation by at-site FFA and two RFFA, regional estimates are very close to each other and their average relative difference is equal to 1% nearly. Also relative difference between regional and at-site estimates doesnt exceed 17% in any station and its mean value is about 8%.Keywords: Clustering, L, moments, Regionalization, SOFM
-
وقایع خشکسالی با تاثیر روی منابع آب سطحی و آب زیرزمینی مقدار آب در دسترس بخش های مختلف را کاهش می دهد، بدین منظور برای اتخاذ تصمیمات مدیریتی مناسب برای مقابله با آثار زیان بار خشکسالی، باید با ارزیابی و پایش خشکسالی جریان آب سطحی به شناسایی ویژگی های این پدیده از نظر دوام، شدت و توسعه جغرافیایی در نواحی مختلف پرداخت. در این تحقیق جهت کلاسه بندی و آنالیز شدت و مدت خشکسالی جریان آب سطحی در6 ایستگاه هیدرومتری منتخب استان ایلام طی دوره 1360 تا 1389 از خوشه بندی سلسله مراتبی، شاخص خشکسالی جریان آب سطحی و میانگین متحرک استفاده شد. نتایج شاخص خشکسالی جریان آب سطحی نشان داد که در بازه های زمانی 3 و 6 ماهه تنها جریان آب سطحی ملایم و متوسط در استان حاکم بوده است. اما در بازه های زمانی 9 و 12 ماهه خشکسالی شدید هم در سه دهه اخیر وجود داشته است. همه ایستگاه ها طبق نتایج میانگین متحرک نشان دادند که طی بازه زمانی 1370 تا 1375 یک دوره ترسالی شدید را در طی سه دهه اخیر تجربه کرده اند. در مقابل همه ایستگاه ها یک دوره خشکسالی جریان آب سطحی را در بین سال های 1375 تا 1385 پشت سرگذاشته اند. ایستگاه های هیدرومتری از لحاظ شرایط خشکسالی جریان آب سطحی در سه کلاسه مختلف قرار گرفتند. نتایج کلاسه بندی نشان داد که در کلاسه یک، ایستگاه های ایوان، هلیلان و تنگ سازین، در کلاسه 2، ایستگاه نظر آباد و در نهایت در کلاسه 3 دو ایستگاه سرجوی و دارتوت قرار گرفته اند. در نهایت جهت بررسی روند جریان آب رودخانه ها مرتبط با خشکسالی هیدرولوژیکی طی سه دهه گذشته از آزمون های من-کندال و شیب خط رگرسیونی استفاده شد. نتایج این دو آزمون نشان داد که روند دبی رودخانه ها در همه ایستگاه ها کاهشی بوده است.
کلید واژگان: جریان آب رودخانه، خشکسالی، کلاسه بندی، میانگین متحرک، استان ایلامClustering and Analyzing of Surface Water Droughts Severity and Duration (Case Study: Ilam Province)Droughts event can be effect on available groundwater and water resources in the many components that it cause deficit. This purpose, for the deal with droughts hazard for make decisions it is necessary to monitoring and assessing droughts feature in point of view concluding severity, geographic extending. In this study the hydrological droughts analyzed based on the clustering, surface water index and moving average methods in the 6 selected hydrometric stations in Ilam province over the 1982-2011. The results of the SDI showed that only occurred the moderate and slightly droughts states for the 3 and 6 reference periods. In the 9 and 12 reference periods, additionally we observed the severity droughts states in the three past decade. All of the stations experienced one wet year severity droughts in over the 1991 to 1996 period in the three past three decade. In contrast, all of the stations had been in the hydrological droughts event in over the 1996 to 2006. Hydrometric stations classified in three clusters based on surface water drought statuses. The results of clustering showed that Ivan, Holeylan and Tangsazin stations labeled in cluster 1 and Nazarabad station in cluser 2 and finally the Sarjooi and Dartoot stations classified in cluster 3. Ultimately, The Mann-Kendall and Linear Regression were applied to explore the relationship between hydrological droughts and river flow trends. The results of the trends test showed that all of the stations had decreasing trends.Keywords: River flow, Drought, Clustering, Moving Average, Ilam province -
یشینه دبی لحظه ای سالانه 38 ایستگاه هیدرومتری استان مازندران به همراه خصوصیات فیزیوگرافی و اقلیمی حوزه های آبخیز گردآوری شد. نخست، از روش درون یابی بر پایه فضای فیزیوگرافی جهت برآوردهای منطقه ای سیلاب با دوره های برگشت 10، 20، 50 و 100 سال استفاده شد. طراحی فضای فیزیوگرافی بر اساس روش تحلیل همبستگی متعارف انجام شد و برآوردهای منطقه ای سیلاب با استفاده از سه روش درون یابی کریجینگ معمولی، کریجینگ ساده و IDW در فضای فیزیوگرافی به دست آمد. نتایج نشان داد که مقادیر سیلاب ایستگاهی از بیشینه همبستگی مکانی در فضای فیزیوگرافی برخوردارند و ساختار مکانی آن ها از نیم تغییرنمای گوسی تبعیت می نماید. در ادامه، از گشتاورهای خطی نیز برای تحلیل فراوانی منطقه ای سیلاب استفاده شد. در این روش، مناطق همگن بر اساس الگوریتم خوشه بندی Ward تعیین شدند. همگنی مناطق به دست آمده از خوشه بندی با استفاده از آزمون های همگنی و ناهماهنگی بررسی شد. سپس با استفاده از آزمون نکویی برازشZDIST، توزیع لجستیک تعمیم یافته برای هر سه خوشه به عنوان بهترین توزیع منطقه ای انتخاب شد و برآوردهای منطقه ای بر اساس عوامل توزیع منتخب به دست آمد. در نهایت عملکرد دو روش با استفاده از روش ارزیابی جک نایف و پنج شاخص آماری BIAS، BIASr،RMSE، RMSEr و NASH بررسی شد. بر اساس شاخص NASH هر دو روش عملکرد مطلوب و مشابهی ارائه می دهند، اما، بر اساس نتایج سایر شاخص های آماری روش درون یابی بر پایه فضای فیزیوگرافی عملکرد بهتری نسبت به گشتاورهای خطی ارائه می دهد و با افزایش دوره بازگشت کیفیت برآوردهای آن بهبود می یابد. در حالی که، گشتاورهای خطی برای دوره های بازگشت کوتاه عملکرد بهتری را ارائه می دهد. همچنین، نتایج درون یابی نشان داد که تخمین های زمین آماری نسبت به قطعی از دقت بالاتری برخوردارند و بهترین عملکرد متعلق به کریجینگ معمولی است.
کلید واژگان: خوشه بندی، کریجینگ، نیم تغییرنما، همگنی منطقه ای، IDWThe physiographical and climatological attributes of basins and maximum annual flood statics were obtained from 38 hydrometric stations of Mazandaran Province. The first, physiographical space based interpolation method was used for regional flood analysis with 10, 20, 50 and 100 year return periods. The Canonical Correlation Analysis was used to design physiographic space and regional analysis was obtained application of three interpolation methods include, ordinary Kriging, simple Kriging and IDW in the physiographic space. The results showed at-site flood quantiles have maximum correlation spatial in the physiographic space and their spatial structures following from Gaussian semi variogram. In order to evaluated the accuracy results using L-moments method for regional flood frequency analysis. In this method Ward clustering has been used to the determination of homogeneous regions. Homogeneity areas were adjusted by using homogenous and discordancy tests. Using goodness-of-fit Z DIST the Generalized Logistic distribution was selected for all clusters as the best regional distribution and regional estimates obtained by parameters selected distribution. Finally, performance methods evaluated using Jack Knife procedure and the five statistical indexes BIAS, BIASr, RMSE, RMSEr and NASH. Both methods give the same and desirable performance based on NASH; however results of other indexes showed that physiographical space based interpolation method provide better performance than linear moments and improving estimated by increasing the return periods, while the L-moments offers better performance for short return periods. The results of interpolation indicated that geostatistics estimates have more accuracy than deterministic estimates and ordinary Kriging has best performance.Keywords: Clustering, IDW, Kriging, Regional homogeneity, Semi, variogram -
امروزه برآورد دقیق بار رسوب معلق رودخانه ای از جنبه های مختلف مهندسی منابع آب، مسائل زیست محیطی و کیفیت آب از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این راستا، مدل های هیدرولوژیکی حوزه، به دلیل عوامل متعدد تاثیرگذار ثابت و متغیر، کارایی مناسبی در برآورد میزان رسوب معلق از خود نشان نداده اند. همچنین اغلب مطالعات شبیه سازی برآورد رسوب معلق، تنها بر مبنای دبی جریان خروجی حوزه استوار است که نتایج حاصله نیز، گواه بر عدم کارآیی مطلوب آنها است. این در حالی است که عوامل تاثیرگذاری همچون نوع بارش، فصل سال و شکل هیدروگراف جریان که نقش عمده ای در این فرآیند ایفا می نمایند در شبیه سازی برآورد میزان رسوب معلق نادیده گرفته شده اند. در پژوهش حاضر، از روش شبکه عصبی پرسپترون چند لایه و داده های آب و هواشناسی (دبی و غلظت رسوب معلق روزانه جریان، متوسط بارش و دمای روزانه) حوزه آبخیز سد کرج در یک دوره زمانی 30 ساله (1360 تا 1390) به منظور برآورد غلظت رسوب معلق روزانه ایستگاه هیدرومتری سیرا استفاده شده است. در این روش، با توجه به نقش تغییرات فصلی و وضعیت جریان در تولید و انتقال رسوب حوزه، ابتدا بر اساس سه متغیر رژیم بارش، وضعیت هیدروگراف جریان و نوع رواناب حاصل از بارش، داده های مورد استفاده به 5 گروه تفکیک و سپس برای هر گروه، مدل جداگانه ای طراحی گردید. همچنین به منظور افزایش قدرت تعمیم دهی مدل ها، از شبکه عصبی نگاشت خود سازمان ده (SOM) جهت خوشه بندی و از شاخص سیلهوت، در تعیین تعداد بهینه خوشه ها استفاده شد. نتایج پژوهش نشان داد که استفاده از متغیرهای بارش و دمای روزانه، به همراه دبی جریان و تفکیک زمانی داده ها، نقش مهمی در افزایش دقت برآورد رسوب رودخانه داشته است. در این رابطه، بیشترین خطای محاسبه شده در بین مدل ها زمانی است که برای تمامی فصول سال، تنها از یک مدل واحد، جهت برازش به داده ها استفاده می گردد. نتایج این پژوهش می تواند به عنوان الگوئی مناسب در برآورد رسوب معلق سایر رودخانه های کشور مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: خوشه بندی، رسوب معلق، رودخانه کرج، سیرا، شبکه عصبی، نگاشت خود سازمان دهEstimation of Daily Suspended Sediment Concentration using Artificial Neural Networks and Data Clustering by Self-Organizing / Map (Case Study: Sierra Hydrometry Station- Karaj Dam Watershed)Nowadays, the accurate estimation of rivers suspended sediment load (SSL), from various aspects, such as water resources engineering, environmental issues, water quality and so on is important. In this regard, because of various roles of fixed and dynamic variables of watersheds, the watershed hydrological models have not showen a proper efficiency in statimation of SSL. Also, the most SSL studies are based on only flow discharge variable whereas the results of the present study have proved that the efficiency of these modeles is very poor. On the other hands, the parameters such as rainfall type, year seasons and flow hydrograph shape have important role in watershed sediment yield that were ignored in the most SSL simulations. In the present study, multi layers perceptron neural network and hydro-meteorological data (daily flow discharge, suspended sediment concentration, daily rainfall and temperature) of Karaj dam watershed in a 30-year period (1981 to 2011) were used to estimate daily suspended sediment concentration of Sierra station. Due to the role of seasonal changes and flow conditions in sediment yield and sediment transport of the watershed, based on rainfall regime, hydrograph condition and runoff type, the data used in this study were first seperated into 5 groups and then for each group, a separate model was designed. In order to increase the generalization ability of the neural network models, self-organizing map (SOM) and Silhouette coefficient were used for data clustering and determination of the optimal number of clusters respectively. The research results showed that the use of daily precipitation and temperature variables along with flow discharge and data separating based on watershed time and hydro climatic conditions has had an important role in increasing the accurate estimation of the river sediment. In this regard, among the models, the maximum calculated error is when only a single model is used for all year seasons. The research results and its used structure can be used as a pattern to estimate and to forecast many environmental variables of watersheds.Keywords: Clustering, Karaj River, Neural Networks, Self, Organizing Map, Suspended Sediment -
آمار حداکثر دبی لحظه ای سالانه 38 ایستگاه هیدرومتری استان مازندران با حداقل و حداکثر طول آماری 13 و 56 سال و خصوصیات فیزیوگرافی و اقلیمی حوزه های آبخیز گردآوری شد. در ابتدا، با استفاده از روش کریجینگ متعارف مناطق همگن براساس رویکرد همسایگی هیدرولوژیکی تعیین گردیدند. طراحی فضای فیزیوگرافی با استفاده از شش متغیر فیزیوگرافی موثر بر سیلاب و دو متغیر هیدرولوژیکی براساس روش تحلیل همبستگی متعارف انجام شد. در تمام دوره های بازگشت 10،20،50 و100 سال، مدل گوسی بعنوان بهترین مدل نیم تغییرنما انتخاب گردید و برآوردهای منطقه ای با استفاده از تکنیک کریجینگ معمولی در فضای فیزیوگرافی بدست آمد. در ادامه به منظور بررسی صحت نتایج، از روش گشتاورهای خطی نیز برای تحلیل فراوانی منطقه ای سیلاب استفاده شد. در این روش مناطق همگن براساس الگوریتم خوشه بندی سلسله مراتبی وارد تعیین گردیدند. همگنی مناطق بدست آمده از خوشه بندی با استفاده از آزمون های همگنی و ناهماهنگی بررسی شد. سپس با استفاده از آزمون نکویی برازشZDIST، توزیع لجستیک تعمیم یافته برای هر سه خوشه بعنوان بهترین توزیع منطقه ای انتخاب گردید و برآوردهای منطقه ای براساس پارامترهای توزیع منتخب بدست آمد. در نهایت عملکرد دو روش با استفاده از روش ارزیابی جک نایف و پنج شاخص آماری BIAS، BIASr،RMSE، RMSEr و NASH بررسی گردید. براساس شاخص NASH هر دو روش عملکرد مشابه و مطلوبی ارائه می دهند، اما براساس نتایج سایر شاخص های آماری کریجینگ متعارف عملکرد بهتری نسبت به روش گشتاورهای خطی ارائه می دهد و با افزایش دوره بازگشت کیفیت برآوردهای آن بهبود می یابد، در حالی که روش گشتاورهای خطی برای دوره های بازگشت کوتاه عملکرد بهتری را ارائه می دهد.
کلید واژگان: تحلیل منطقه ای، زمین آمار، فضای فیزیوگرافی، گشتاورهای خطی، خوشه بندی، استان مازندرانIranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, Volume:8 Issue: 25, 2014, PP 25 -38The physiographical and climatological attributes of basins and maximum annual flood statistics were obtained from 38 hydrometric stations of Mazandaran province with minimum and maximum statistical periods of 13 and 56 years. The first، homogenous regions based on neighborhood approach were determined using canonical kriging method. The Canonical Correlation Analysis was used to design physiographic space using the six physiographic variables affecting the flood and two hydrological variables. The Gaussian model had the best fit to semi-variogram model in 10، 20، 50 and 100 year return periods، and regional estimates obtained using ordinary Kriging technique based on physiography space. The accuracy of results was evaluated using L-moments method for regional flood frequency analysis. In this method، Ward hierarchical clustering has been used to the determination of homogeneous regions. Homogeneity areas were adjusted by using homogenous and discordancy tests. Using goodness-of-fit Z DIST the Generalized Logistic distribution was selected for all clusters as the best regional distribution and regional estimates obtained by parameters selected distribution. Finally، performance methods evaluated using Jack Knife procedure and the five statistical indexes BIAS، BIASr، RMSE، RMSEr and NASH. Both methods give the same and desirable performance based on NASH، however results of other indexes showed that canonical kriging method provide better performance than linear moments. Increasing the return periods will improve the estimation، but the L-moments offers better performance for short return periods.Keywords: Regional Analysis, Geostatistics, Physiographical Space, Linear Moments, Clustering, Mazandaran Province
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.