فهرست مطالب

علوم و مهندسی آبخیزداری ایران - پیاپی 61 (تابستان 1402)

مجله علوم و مهندسی آبخیزداری ایران
پیاپی 61 (تابستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/06/28
  • تعداد عناوین: 7
|
  • نرگس کریمی نژاد، حمیدرضا پورقاسمی*، محسن حسینعلی زاده صفحات 1-10

    فرسایش های تونلی، آبکندی و حرکات توده ای پیچیدگی هایی دارند که بهترین راه برای بررسی همه جانبه آن ها، استفاده از روش های نوین مطالعاتی است. هدف از این پژوهش، تجزیه و تحلیل مکانی گسترش فرسایش های تونلی، آبکندی و حرکات توده ای مبتنی بر آماره های مکانی و مطالعات میدانی است. در این تحقیق، پس از پیمایش میدانی و نقشه برداری هوایی توسط پهپاد فتوگرامتری، مدل رقومی ارتفاع تهیه شد. سپس الگوی پراکنش مکانی و روابط متقابل سه رخساره بررسی و تاثیر عامل محیطی شیب در تمامی تحلیل های مکانی، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد الگوی پراکنش مکانی براساس تابع همبستگی جفتی (g(r)) برای هر دو فرسایش آبکندی و تونلی خوشه ای و برای حرکات توده ای تا فاصله 140 متر، پراکنده است. آماره های اختصاری دو متغیره (g12(r)) نشان داد ارتباط متقابل مثبت و معنی داری بین فرسایش های آبکندی و تونلی وجود دارد. ارتباط متقابل هر یک از فرسایش های آبکندی و تونلی با حرکات توده ای در فاصله های کم، مثبت بود. افزایش شیب به عنوان یک ویژگی کمی بر پراکنش و توزیع مکانی حرکات توده ای اثر زیاد و بر پراکنش مکانی فرسایش تونلی و آبکندی اثر کم داشت. لذا، استفاده از آماره های کمی، می تواند منجر به شناسایی بهتر فرآیندهای موثر بر آنها شده و در نهایت سرعت خطرات طبیعی را به صورت موثرتری پیش بینی کند.

    کلیدواژگان: آماره های اختصاری، پهپاد، حرکات توده ای، فرسایش آبکندی، فرسایش تونلی، نهشته های لسی
  • مجتبی غیبی، سعید فرزین* صفحات 11-20

    در تحقیق حاضر، سازه ترکیبی سرریز- روزنه با استفاده از نرم افزار Flow-3D شبیه سازی و نتایج حاصل، با داده های آزمایشگاهی صحت سنجی شده است. در این راستا، سه گروه مش بندی جهت انتخاب مش بلاک بهینه و مدل های آشفتگی K-Ɛ و RNG به منظور انتخاب مدل آشفتگی مناسب مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج نشان داد مش بلاک با 198750 سلول و مدل آشفتگی RNG با ضریب همبستگی 92/0، بالاترین دقت و سرعت را برای این شبیه سازی دارا بوده اند. سپس با کمک مدل عددی، پارامترهای سرعت، فشار و پروفیل سطح آب مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. در ادامه، در سه ارتفاع آب برابر 0756/0، 0973/0 و 1243/0 متر، با اعمال 10 زاویه مختلف سرریز از حالت افقی به مورب در مقطع کانال دایره ای، بهبود عملکرد سازه ترکیبی و تغییرات ضریب دبی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج، حاکی از آن بود که ایده قرارگیری سرریز به صورت مورب، موجب افزیش ضریب دبی گردیده است. کمترین و بیشترین مقدار ضریب دبی به ترتیب برای زوایای 5/2 و 5/12 درجه با مقادیر 67/0 و 84/0 حاصل شده است. سرریز با زاویه 5/12 درجه با افزایش27/13 درصدی ضریب دبی، بیشترین مقدار افزایش این ضریب در بین زوایای اعمال شده را داشته است.

    کلیدواژگان: سازه ترکیبی، سرریز مورب، ضریب دبی، مدل عددی، مدل آشفتگی RNG
  • احسان زاهدی، علی طالبی*، کامران داوری، وحید موسوی صفحات 21-29

    تبخیر و تعرق (ET) یکی از مهم ترین اجزای چرخه ی هیدرولوژیک و یک عامل مهم در تعیین نیاز آب می باشد که توزیع مکانی و برآورد دقیق آن برای بسیاری از مطالعات نظیر بیلان آب، شبیه سازی تولید گیاهی، برنامه ریزی آبیاری و مدیریت منابع آب اهمیت بسیاری دارد. همچنین استفاده از روش زمین آمار یکی از راه های تخمین تبخیر و تعرق در نقاط فاقد ایستگاه می باشد. در این تحقیق برای شبیه سازی تبخیر و تعرق حوزه آبخیز دربند سملقان از مدل هیدرولوژیکی SWAT استفاده شد. فرآیند واسنجی برای بازه زمانی 1385 تا 1391 و فرآیند اعتبارسنجی در بازه زمانی 1392 تا 1395 انجام شد. برای ارزیابی نتایج شبیه سازی از شاخص های R2 (ضریب تبیین)، bR2 (ضریب همبستگی وزنی)، NS (نش- ساتکلیف) استفاده گردید. در مرحله واسنجی ضرایب  R2،bR2 و NS به ترتیب برابر 74/0، 71/0و 68/0 و در مرحله اعتبارسنجی برابر 69/0، 62/0 و 59/0 حاصل گردید. بعد از انجام آنالیز حساسیت، 14 پارامتر موثر بر بیلان آبی حوزه مشخص گردید که شماره منحنی (CN2) بعنوان مهم ترین پارامتر شناخته شد. در ادامه با استفاده از نتایج حاصل از آنالیز مکانی داده ها در این تحقیق مدل نمایی (Exponantial) با توجه به مقدار RMSe کمتر و همبستگی بیشتر بعنوان مناسب ترین مدل جهت پهنه بندی انتخاب گردید.

    کلیدواژگان: تبخیر و تعرق پتانسیل، مدل SWAT، زمین آمار، مدل نمایی، حوزه آبخیز دربند
  • مهدی تیموری*، فرزانه وکیلی تجره، ملیحه مزین، مرضیه رمضانی صفحات 30-40

    هدف از این تحقیق تعیین مناطق دارای حساسیت سیل خیزی با استفاده از روش های CART, RF و BRT می باشد. 12 عامل موثر بر پتانسیل سیل شامل ارتفاع، شیب، جهت شیب، فاصله از آبراهه، سنگ شناسی، بارندگی، کاربری اراضی، SPI، TPI، TWI، انحناء توپوگرافی و RSP انتخاب شدند. از مجموع 82 نقطه سیل، به صورت تصادفی و نسبت 70 به 30 درصد به عنوان داده های آزمون و اعتبارسنجی طبقه بندی شدند. همچنین جهت تعیین مهم ترین پارامترها از روش جنگل تصادفی استفاده شد. از منحنی ROC نیز جهت قدرت پیش بینی مدل استفاده شد. بر اساس روش جنگل تصادفی لایه های ارتفاع، فاصله از آبراهه، بارندگی، کاربری اراضی و RSP به ترتیب مهم ترین عوامل موثر بر حساسیت و احتمال وقوع سیل بودند. بر اساس نمودار ROC میزان دقت مدل RF به عنوان مدل برتر، هم در بخش آموزش (884/0) و هم اعتبارسنجی (856/0) خیلی خوب بوده است. بر اساس نقشه نهایی حساسیت سیل 7/32 درصد از پهنه حوزه مورد مطالعه دارای حساسیت سیل متوسط رو به بالا می باشد. نتایج نشان داد که با توجه به دقت عالی نقشه توزیع مکانی حساسیت سیل، نتایج این پژوهش می تواند مورد استفاده تصمیم گیران، مدیران محلی و مسیولان به منظور کاهش خسارات قرار گیرد.

    کلیدواژگان: جنگل تصادفی، سد کرج، حساسیت سیل، یادگیری ماشینی
  • محمدامین کیانی اصل، بهزاد متشفع*، سید حسین روشان صفحات 41-51

    عوامل متعدد اقلیمی، هیدرولوژیکی، ژیومورفولوژیکی و زمین شناسی در وقوع سیلاب نقش دارند. تجزیه و تحلیل سیلاب، مدیریت و کنترل آن می تواند با تهیه نقشه های پتانسیل سیل خیزی انجام شود. هدف این پژوهش تهیه نقشه پتانسیل سیل خیزی حوضه مارون با استفاده از روش های یادگیری ماشین جنگل تصادفی و ماشین بردار پشتیبان می باشد. به این منظور 16 پارامتر موثر در وقوع سیلاب شامل طبقات ارتفاعی، مقدار و جهت شیب، انحنای زمین، سازندهای زمین شناسی، کاربری اراضی، شماره منحنی، بارندگی، درجه حرارت، شاخص قدرت جریان (SPI)، شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI)، فاصله از آبراهه، تراکم آبراهه، فاصله از جاده، تراکم جاده و شاخص پوشش گیاهی NDVI در نظر گرفته شد. پارامترهای مذکور در محیط نرم افزارهای ArcGIS 10.8، ENVI 5.3 و SAGA GIS 7.2 تهیه شدند سپس به فرمت خوانا برای محیط نرم افزار R به منظور اجرای مدل ماشین بردار پشتیبان و جنگل تصادفی تبدیل شدند. در نهایت با استفاده از بسته SDM مدل های RF و SVM اجرا شدند و با استفاده از منحنی تشخیص عملکرد نسبی(ROC) مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که مدل های RF و SVM بترتیب با دقت 997/0 و 947/0 درصد نقشه سیل خیزی حوضه مارون را پیش بینی کردند.

    کلیدواژگان: جنگل تصادفی، حوضه مارون، ماشین بردار پشتیبان، مدیریت سیلاب، وقوع سیلاب
  • سید حمیدرضا صادقی*، مهین کله هوئی، رضا چمنی، خدیجه حاجی صفحات 52-61

    رفتارسنجی سلامت حوزه آبخیز، دیدگاه جامعی از عوامل موثر در وضعیت حوزه آبخیز را فراهم می کند. پژوهش حاضر، تاثیر طول دوره آماری بر تغییرات شاخص سلامت آبخیز مبتنی بر شاخص خشک سالی (SPI) در دوره آماری سال های 2021-1961 در ایستگاه های صحنه، کرمانشاه و هرسین در استان کرمانشاه با استفاده از چارچوب RelResVul ارزیابی شده است. به همین منظور شاخص های پایایی (Rel)، تاب آوری (Res)، آسیب پذیری (Vul) و متوسط سلامت آبخیز (RelResVul) در بازه های زمانی متفاوت در مدل RelResVul محاسبه شد. مطابق نتایج، در دوره های زمانی 1961 تا 1980، 1981 تا 2000 و 2001 تا 2021 شاخص های سلامت آبخیز مقادیر متفاوتی داشته است. به طوری که با افزایش دوره آماری، شاخص های سلامت تغییرات متفاوتی داشته و در دوره های کوتاه مدت تغییرات شاخص ها نسبت به کل دوره بیش تر بوده است. بیش ترین میزان تغییرات در 30 سال ابتدایی دوره آماری مشاهده و با افزایش طول دوره آماری تا انتهای دوره، میزان تغییرات این شاخص ها کم شد. بر این اساس 30 سال انتهایی دوره آماری، از نتایج مطلوب و قابل اعتمادی برای محاسبه شاخص های سلامت فعلی برخوردار است. ازاین رو با توجه به حجم زیاد محاسبات و هم چنین فقدان داده های اقلیمی و کاهش ایستگاه ها، استفاده از طول دوره آماری 30 ساله منتهی به مقطع زمانی موردمطالعه برای بررسی سلامت آبخیز پیشنهاد می شود.

    کلیدواژگان: ارزیابی سلامت آبخیز، تحلیل زمانی، خشک سالی، مدیریت حوزه های آبخیز
  • امیرحسین پارسامهر، علی سلاجقه*، شهرام خلیقی سیگارودی، خالد احمدآلی صفحات 62-73

    حداکثر ظرفیت ذخیره تاج پوشش، یکی از پارامترهای مهم در مدل های هیدرولوژیکی است. هدف از پژوهش حاضر که در محدوده ای از استان فارس انجام شد، مدل سازی حداکثر ظرفیت تاج پوشش گیاهان برای ذخیره بارش بود. بنابراین از پارامترهای شاخص سطح برگ و شاخص سطح شاخه به عنوان الگویی از توزیع عمودی تاج پوشش استفاده شد. همچنین قابلیت 10 شاخص گیاهی منتج از باندهای باریک لبه قرمز در مقایسه با 10 شاخص گیاهی منتج از باندهای پهن تصاویر ماهواره ای   سنتینل-2، در برآورد شاخص های سطح شاخه و سطح برگ، مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با استفاده از نمونه برداری در فصل های خزان و بهار، نتایج آزمایشگاهی و استفاده از مدل های رگرسیونی، نقشه های حداکثر ظرفیت ذخیره تاج پوشش در این فصول ترسیم شد. نتایج نشان داد شاخص CIRE که منتج از باندهای باریک لبه قرمز بود، توانست به عنوان بهترین شاخص، برآورد بسیار خوبی از مقادیر هر دو شاخص، یعنی شاخص سطح شاخه (74/0 =R2) و شاخص سطح برگ (92/0 =R2) داشته باشد. همچنین نتایج مدل سازی حداکثر ظرفیت ذخیره تاج پوشش نشان داد که این ظرفیت از صفر تا 32/1 میلی متر در واحد پیکسل در پاییز و از صفر تا 74/1 میلی متر در واحد پیکسل در فصل بهار متغیر است.

    کلیدواژگان: مدل سازی هیدرولوژیکی، حداکثر ظرفیت ذخیره تاج پوشش، تصاویر سنتینل-2، شاخص گیاهی
|
  • Narges Kariminejad, Hamid Reza Pourghasemi*, Mohsen Hosseinalizadeh Pages 1-10

    Piping erosion, gully erosion, and mass movement have complexity that the best way to comprehensively identify them is to use new statistical tools. The purpose of this study is spatial analysis of soil landforms based on spatial statistics and field studies. In this research, a digital elevation model was prepared. Then, the spatial pattern and interaction of the three soil landforms were investigated and the spatial effect of slope degree was analyzed on the spatial distributions of them. The results showed the pair correlation function (g(r)) was clustered for both piping erosion and gully erosion. However, it was dispersed for mass movements up to spatial distance of 140 m. The bivariate statistic (g12(r)) showed there is a significantly positive correlation between gully erosion and piping erosion. The correlation between mass movements with each of gullies and piping erosions were positive at the near distances. In addition, increasing the slope had a large effect on the spatial distribution of mass movements and a small effect on the spatial distribution of piping erosion and gully erosion. Therefore, a comprehensive approach to a landscape using quantitative statistics can lead to better identification of processes affecting them, and then, reduction of natural hazards.

    Keywords: summary statistics, UAV, mass movements, gully ersion, piping erosion, loess deposits
  • Mojtaba Gheybi, Saeed Farzin* Pages 11-20

    In this research, the weir-orifice composite structure was simulated using two water elevations and six analyzes in the Flow-3D model, and the results were validated with laboratory data. Three grid groups were used to select the optimal block mesh. However, the K-Ɛ and RNG turbulence models were used to select the appropriate turbulence model. The block mesh with 198750 cells was selected as the most suitable mesh for this simulation. The results showed that the RNG turbulence model with the correlation coefficient of 0.92 has the highest accuracy and speed. The numerical model investigated the velocity, pressure, water level profile, and flow lines, and the results were presented. Then, by using three water heights of 0.0756, 0.0973, and 0.1243 m and applying ten different angles at each height, by changing the location of the overflow from horizontal to diagonal in the cross-section of the circular channel, changes in the discharge coefficient of the case were investigated. Also showed that the diagonal weir had increased the discharge coefficient. The lowest and highest discharge coefficient values were obtained for angles of 2.5 and 12.5 degrees with values ​​of 0.67 and 0.84, respectively. Weir with an angle of 12.5 degrees with an increase of 13.27% of the discharge coefficient has the most increase in this coefficient among the applied angles.

    Keywords: Combined structure, Diagonal weir, Discharge coefficient, Numerical model, RNG turbulence model
  • Ehsan Zahedi, Ali Talebi*, Kamran Davari, Vahid Mousavi Pages 21-29

    Evapotranspiration (ET) is one of the most important components of the hydrological cycle and an important factor in determining water demand, its spatial distribution and accurate estimation for many studies such as water balance, crop production simulation, program Irrigation planning and water resources management are very important. Also, using of geostatistical methods is one of the ways to estimate evapotranspiration in places without stations. In this study, SWAT hydrological model was used to simulate evapotranspiration of Samalghan watershed . To evaluate the simulation results, indices R2 , bR2 , NS was used. In the calibration stage, the coefficients of R2, bR2 and NS were equal to 0.74, 0.71 and 0.68, respectively, and in the validation stage, they was equal to 0.69, 0.62 and 0.59. .Then, using the results of spatial analysis of data in this study, the exponantial model was selected as the most appropriate model for zoning due to the lower RMSe value and higher correlation.

    Keywords: evapotranspiration, SWAT model, geostatistics, exponential model, Darband watershed
  • Mehdi Teimoori*, Farzaneh Vakili Tajareh, Malihe Mozayyan, Marziyeh Ramezani Pages 30-40

    The present research aims to determine areas with flood susceptibility using CART, RF and BRT models. Twelve factors affecting flood susceptibility including altitude )DEM), slope, aspect, distance from stream, lithology, rainfall, land use, SPI, TPI, TWI, curvature and RSP were selected. Out of 82 flood points, 70 percent to 30 percent were randomly classified as training and validation data. Also, random forest method was used to determine the most important parameters. The ROC curve was also used to validation the model. According to the random forest model, DEM, distance from stream, rainfall, land use and RSP were the most important factors affecting the susceptibility and probability of floods, respectively. According to the ROC chart, the accuracy of the RF model as a superior model has been very good in both training )0.884) and validation )0.856). According to the final flood susceptibility map, 32.7 percent of the study area has a medium to high flood susceptibility. The results showed due to the high accuracy of the spatial distribution map of flood susceptibility can be promising for decision makers, local managers and policymakers to reduce flood damages.

    Keywords: Random forest, Karaj dam basin, Flood susceptibility, Machine learning
  • Mohammad Amin Kiani Asl, Behzad Moteshaffeh*, Seyed Hussein Roshaan Pages 41-51

    Floods are one of the most important natural hazards that have caused economic and social damage in most areas. Numerous climatic, hydrological, geomorphological and geological factors are involved in the occurrence of floods. Flood analysis, management and control can be done by preparing flood potential maps. The purpose of this study is to map the flood potential of Maroon watershed using random forest and support vector machine machine learning methods. For this purpose, 16 effective parameters in flood occurrence including altitude, slope and aspect, curvature, geological formations, land use, curve number, rainfall, temperature, stream power index )SPI), topographic wetness index )TWI), distance From stream, stream density, road distance, road density and NDVI index were considered. The mentioned parameters were prepared in ArcGIS 10.8, ENVI 5.3 and SAGA GIS 7.2 software environments and then converted to readable format for R software environment in order to implement the support vector machine and random forest models. Finally, RF and SVM models were implemented using SDM packages and evaluated using receiver operating characteristic )ROC). The results showed that RF and SVM models correctly predicted the flooding map of Maroon Basin with 0.997 and 0.947 percent accuracy, respectively

    Keywords: Flood management, Flood occurrence, Maroon basin, Random forest, Support vectormachine
  • Seyed Hamidreza Sadeghi*, Mahin Kalehoee, Reza Chamani, Khadijeh Haji Pages 52-61

    Watershed health provides an integrated view of the factors influencing the watershed conditions. In the current study, the data length effect on changes in SPI-based watershed health index was evaluated using the RelResVul framework for the period of 1961-2021 in Sahneh, Kermanshah, and Harsin stations in Kermanshah Province, Iran. For this purpose, reliability (Rel), resilience (Res), vulnerability (Vul) indicators, and mean watershed health (RelResVul) were calculated in different periods. According to the results, watershed health indicators were different in 1961-1980, 1981-2000, and 2001-2021. In addition, with the increase in the length of the statistical period, health indicators had different changes, so that in short-term data, the changes of the indicators mentioned above were more than the whole period. The maximum changes in the first 30 years of the statistical period, and with the increase in the length of the statistical period until the end of the period, changes decreased. Accordingly, the last 30 years of the statistical period have reliable results in calculating health indicators. Considering massive calculations, climatic data deficits, and limited stations while increasing the length of the statistical period, it is suggested to use the climatic data of the last 30 years to estimate watershed health.

    Keywords: Drought, Temporal analysis, Watershed health assessment, Watershed management
  • Amir Hossein Parsamehr, Ali Salajegheh*, Shahram Khalighi Sigaroodi, Khaled Ahmadaali Pages 62-73

    The maximum canopy storage capacity is an important parameter in hydrological models. The aim of the present study, which was conducted in a region of Fars province, was to model the maximum canopy storage capacity for storing rainfall. Therefore, the parameters of leaf area index and branch area index were used as a pattern of the vertical distribution of canopy. Additionally, the ability of 10 vegetation indices produced from narrow- red edge bands compared to 10 vegetation indices produced from broad bands that resulted from Sentinel-2 satellite imagery in estimating branch and leaf area indices was investigated. Subsequently, using sampling in autumn and spring seasons, laboratory results and regression models, maps of maximum canopy storage capacity were drawn for these seasons. The results showed that the CIRE index, which was produced from narrow- red edge bands, was able to estimate both branch area index )R2=0.74) and leaf area index )R2=0.92) values very well and was the best index. Additionally, the modeling results of maximum canopy storage capacity showed that this capacity varied from zero to 1.32 mm per pixel in autumn and from zero to 1.74 mm per pixel in spring.

    Keywords: Hydrological modelling, Maximum canopy storage capacity, Sentinel-2 image, Vegetationindex