فهرست مطالب

مجله مهندسی و مدیریت آبخیز
سال هفدهم شماره 4 (زمستان 1404)
- تاریخ انتشار: 1404/10/28
- تعداد عناوین: 8
-
-
صفحات 406-423مقدمهدر مدیریت جامع آبخیز، ارزیابی وضعیت و پویایی سلامت حوزه آبخیز به عنوان یکی از ابزارهای کلیدی برای شناسایی و اجرای پاسخ های مدیریتی کارآمد ضروری است. آسیب شناسی منابع آب و خاک و دلایل بروز مشکلات مختلف در حوزه های آبخیز، گامی بنیادین و اساسی در مدیریت پایدار منابع طبیعی به شمار می آید. این شناخت نه تنها امکان تحلیل عوامل تهدیدکننده را فراهم می کند، بلکه زمینه ساز شناسایی راه کارهای مناسب برای حفاظت و احیای منابع آبخیز نیز است. چارچوب DPSIR (نیروهای محرکه، فشارها، وضعیت، تاثیر و پاسخ) به عنوان یک مدل تحلیلی جامع، روابط علت و معلولی میان عوامل مختلف را تبیین کرده و به طور موثر وضعیت سلامت حوزه آبخیز را ارزیابی می نماید. هدف این پژوهش استفاده از چارچوب DPSIR برای تحلیل جامع وضعیت سلامت حوضه و شناسایی عوامل کلیدی موثر در کاهش آن، با تمرکز بر حوزه آبخیز سد ایلام است تا امکان ارائه راه کارهای مدیریتی موثر و پایدار فراهم شود.
مواد و روش هابه منظور شناسایی دقیق عوامل مرتبط با هر یک از مولفه های چارچوب DPSIR، ابتدا مطالعات کتابخانه ای و بررسی منابع علمی به منظور دستیابی به ادبیات نظری و پژوهش های پیشین انجام شد. سپس، بازدیدهای میدانی از حوزه آبخیز برای ارزیابی وضعیت موجود و مشاهده مستقیم شرایط طبیعی و انسانی منطقه صورت گرفت. در ادامه، با برگزاری جلسات طوفان فکری و مصاحبه های نیمه ساختار یافته با کارشناسان و ذی نفعان محلی ازجمله آبخیزنشینان، اطلاعات جامعی درباره آسیب ها و عوامل موثر بر آن ها گردآوری شد. بر اساس یافته های اولیه، پرسشنامه ای طراحی شد که روایی آن به وسیله جمعی از خبرگان تایید شد. به منظور سنجش پایایی، از روش آلفای کرونباخ استفاده شد و نتایج حاصل پایایی مناسب پرسشنامه را نشان داد. نظرسنجی با استفاده از مقیاس لیکرت از 20 کارشناس و 20 آبخیزنشین انجام شد. سپس برای تحلیل داده ها و اولویت بندی گویه ها از دیدگاه مشارکت کنندگان، از آزمون فریدمن بهره گرفته شد تا اهمیت هر عامل در چارچوب DPSIR به دقت مشخص شود.
نتایج و بحثطبق نتایج، در حوزه آبخیز سد ایلام پنج نیرو محرکه باعث ایجاد شدن 34 فشار بر منابع آبخیز و فشارها نیز به نوبه خود باعث به وجود آمدن 11 وضعیت نابه سامان در حوزه آبخیز شده است. وضعیت های موجود نیز 20 اثر ناخواسته را به دنبال داشته است. همچنین برای بهبود وضعیت موجود 32 پاسخ مدیریتی ارائه شد. در ادامه ماتریس روابط میان عوامل هر یک از مولفه های اصلی چارچوب DPSIR و اولویت بندی آن ها از دیدگاه دو گروه کارشناسان و خبرگان انجام گرفت. طبق نتایج میزان تطابق اولویت های مشترک در میان 40 درصد از مهم ترین اولویت ها به صورت 50 درصد برای نیرو محرکه، 69 درصد برای مولفه فشار، 80 درصد برای مولفه وضعیت، 75 درصد برای مولفه اثر و 84 درصد برای مولفه پاسخ بوده است.
نتیجه گیریبرنامه ریزی و سیاست گذاری برای دستیابی به توسعه اقتصادی، اجتماعی و محیط زیستی پایدار نیازمند دسترسی به اطلاعات دقیق و جامع از شرایط و پویایی های حوزه های آبخیز است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که شناسایی و به کارگیری راهکارهای مدیریتی مناسب می تواند نقش تعیین کننده ای در بهبود سلامت منابع طبیعی و اکوسیستم های حوزه آبخیز داشته باشد. این پژوهش با هدف شناسایی و اولویت بندی پاسخ های مدیریتی به منظور بهبود وضعیت محیط زیستی حوضه مورد مطالعه انجام شده است. تحلیل های انجام شده با استفاده از رویکرد DPSIR، به عنوان چارچوبی کارآمد که امکان تحلیل علت و معلول را برای مسائل محیط زیستی را فراهم می کند؛ ابزارهایی را برای شناسایی مشکلات و چالش های اصلی حوضه فراهم کرده است و به شناسایی عوامل و فشارهای اصلی وارد بر منابع طبیعی پرداخته است. از این رو، پاسخ های مدیریتی ارائه شده می توانند به عنوان راهکارهای اجرایی برای بهبود شرایط موجود و پیشگیری از مشکلات آینده در مدیریت پایدار منابع طبیعی و اکوسیستم های حوضه مورد نظر استفاده شوند. این پاسخ های مدیریتی نه تنها از جنبه علمی بلکه در بعد اجرایی نیز نقش مهمی در توسعه و پیاده سازی برنامه های جامع مدیریت حوزه های آبخیز ایفا می کنند و راهکارهای عملی و موثری را برای تصمیم گیران به منظور بهبود وضعیت منابع طبیعی و اکوسیستم ها ارائه می دهند.کلیدواژگان: تحلیل علت و معلول، توسعه پایدار، حفاظت آب، مدیریت جامع، نیرو محرکه -
صفحات 424-447مقدمه
پیش بینی دقیق جریان رودخانه برای مدیریت آب و کنترل سیلاب ضروری است. به دلیل رفتار پیچیده و غیرخطی جریان، مدل های سنتی کارایی لازم را ندارند. الگوریتم های یادگیری ماشین و یادگیری عمیق راه حل های پیشرفته تری ارائه می دهند، اما دقت آن ها تحت تاثیر نوسانات ناگهانی اقلیمی قرار می گیرد. از این رو، برای بهبود پیش بینی، به کارگیری روش های ترکیبی ضروری است. مرور پیشینه نشان می دهد که با وجود توانمندی بالای مدل های یادگیری ماشین، همچنان شکاف تحقیقاتی در زمینه مدیریت نوسانات چندمقیاسی در داده های جریان رودخانه وجود دارد. این موضوع، ضرورت به کارگیری روش های ترکیبی را برای افزایش دقت پیش بینی آشکار می سازد. نوآوری این پژوهش در ارائه یک چارچوب ترکیبی است که با ادغام تحلیل موجک برای تجزیه سیگنال جریان و یک مدل یادگیری عمیق قدرتمند، به طور همزمان الگوهای بلندمدت و نوسانات کوتاه مدت را مدل سازی می کند.
مواد و روش هادر این پژوهش، به منظور پیش بینی جریان رودخانه کورکورسر نوشهر، از داده های هیدرولوژیکی شامل بارش روزانه و دبی جریان رودخانه در بازه زمانی 20 ساله و سطح روزانه استفاده شد. متغیرهای ورودی شامل بارش روزانه (Pt) و دبی جریان با تاخیرهای زمانی یک، دو و سه روزه (Qt-1, Qt-2, Qt-3) بودند. پیش از انجام فرایند مدل سازی، پیش پردازش داده ها شامل بازسازی داده های گمشده، حذف داده های پرت (خارج از محدوده نرمال) و نرمال سازی مقادیر به منظور بهبود کیفیت داده ها و افزایش قابلیت اعتماد آن ها در تحلیل های هیدرولوژیکی انجام پذیرفت. در این پژوهش، داده های حاصل از پایش جریان هیدرولوژیکی حوزه آبخیز به سه زیرمجموعه آموزش (70 درصد)، اعتبارسنجی (15 درصد) و آزمون (15 درصد) تفکیک شد. چهار سناریوی پیش بینی جریان بر اساس تحلیل ضریب همبستگی پیرسون به منظور شناسایی متغیرهای حساس و تعیین ورودی های مدل ها انتخاب شدند. فرایند مدل سازی جریان رودخانه با بهره گیری از دو الگوریتم یادگیری ماشین شامل جنگل تصادفی (RF) و شبکه عصبی بازگشتی یادگیری عمیق حافظه طولانی کوتاه مدت (LSTM) انجام شد. همچنین، به منظور افزایش دقت و بهبود قابلیت تعمیم پذیری مدل ها، روش های تبدیل موجکی متنوعی ازجمله موجک دابشیز نوع 4 (Dabchiz 4)، موجک هار (Haar) و موجک کلاه مکزیکی (Mexican Hat) جهت استخراج ویژگی های چندمقیاسی و ترکیب آن ها با داده های ورودی مدل های RF و LSTM مورد استفاده قرار گرفتند. این رویکرد ترکیبی امکان شناسایی الگوهای زمانی-فضایی پیچیده در سری های زمانی هیدرولوژیکی را تسهیل نمود. پس از اتمام فرایند ارزیابی نهایی عملکرد مدل های پیش بینی، به منظور بهینه سازی ضرایب و فراسنجه های ساختاری آن ها، تبدیل موجک دابشیز نوع 4 (Db4) به کار گرفته شد. شاخص های ارزیابی عملکرد شامل ضریب تعیین (R²)، میانگین قدر مطلق خطا (MAE)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، درصد نااریبی (PBIAS)، میانگین درصد قدر مطلق خطا (MAPE) و ضریب بهره وری کلینگ-گوپتا (KGE) جهت سنجش دقیق بودن پیش بینی های مدل ها به کاربرده شدند. درنهایت، انتخاب بهینه ترین مدل ها بر اساس تحلیل مقایسه ای این معیارهای کمی انجام گرفت. همچنین، به منظور تجزیه و تحلیل داده ها و ارائه بصری نتایج، از نمودارهای پراکندگی، سری های زمانی داده های مشاهده شده و پیش بینی شده، توزیع خطاها ازجمله هیستوگرام خطا، منحنی چگالی نرمال، تابع توزیع تجمعی خطا و نمودارهای چندک-چندک استفاده شد.
نتایج و بحثنتایج نشان داد که در پیش بینی جریان رودخانه، گام های قبلی (تاخیرهای مختلف) مهم ترین متغیر در پیش بینی جریان تمام افق های بعدی است. نتایج نهایی در خصوص سناریوهای مدل نشان داد که سناریوی اول (S1) که فقط از متغیر بارش (Qt) استفاده می نماید، در تمامی حالات به عنوان ضعیف ترین عملکرد در پیش بینی انتخاب شد. همچنین سناریوی ششم (S6) که از تمامی متغیرهای موجود بهره می برد (Pt، Qt-1، Qt-2، Qt-3) دارای بهترین عملکرد در مرحله آموزش و آزمون برای مدل های منفرد و ترکیبی بوده است. یافته های پژوهش نشان داد که مدل ترکیبی جنگل تصادفی-موجک (RF-Wavelet) در دو حالت آموزش (R2=0.907، RMSE=0.0192) و آزمون (R2=0.942، RMSE=0.0106) دارای بهترین عملکرد بوده است. همچنین مدل منفرد یادگیری عمیق حافظه طولانی کوتاه مدت (LSTM) دارای ضعیف ترین عملکرد در مرحله آموزش (R2=0.499، RMSE=1.6) و آزمون (R2=0.579، RMSE=1.149) بوده است. همچنین یافته ها نشان داد که مدل موجک دابشیز 4 توانسته است با ترکیب با مدل جنگل تصادفی حدود 55 درصد خطای مدل منفرد RF را کاهش دهد. همچنین مدل موجک در ترکیب با مدل LSTM توانسته است حدود 39 دقت پیش بینی را افزایش دهد. همچنین مقایسه مدل های ترکیبی ترکیب شده با موجک نشان داد که مدل RF-Wavelet حدود 23 درصد نسبت به مدل ترکیبی LSTM-Wavelet خطای مدل را کاهش دهد.
نتیجه گیریدر این پژوهش، از مدل های مختلف تبدیل موجک شامل موجک دابشیز 4، موجک هار و موجک کلاه مکزیکی برای تلفیق با الگوریتم های یادگیری ماشین RF و شبکه های LSTM بهره برداری شده است. تحلیل های کمی و کیفی نشان داد که تبدیل موجک دابشیز 4 در بهبود دقت پیش بینی جریان رودخانه نسبت به سایر انواع موجک ها در هر دو چارچوب مدل RF و LSTM برتری معنی داری داشته است. ازاین رو، این نوع تبدیل موجک به عنوان مبنای اصلی برای ادغام با این دو مدل پیش بینی انتخاب و مورد استفاده قرارگرفته است. بررسی الگوی توزیع خطا در داده های آموزش نشان دهنده تمرکز عمده مقادیر خطا در نواحی مجاور صفر است. توزیع خطاها تقریبا به صورت تقارن دوطرفه مشاهده شده و سازگاری قابل توجهی با توزیع نرمال از خود نشان داده است. این الگو بیانگر دقت مطلوب مدل در فرایند آموزش و برازش داده ها است. درنهایت، مطالعه مذکور به توسعه مدل های مبتنی برداده به منظور تعیین بهینه ترین ترکیب متغیرهای پیش بینی کننده برای مدل سازی و پیش بینی جریان رودخانه متمرکز شد. این پژوهش به طور دقیقی نشان داد که ادغام تبدیل موجک دابشیز 4 با مدل جنگل تصادفی RF به عنوان رویکرد بهینه و برتر در پیش بینی جریان های هیدرولوژیکی در مورد مطالعه حاضر عمل کرده است. مدل ترکیبی مذکور، علاوه بر ارتقاء قابل توجه عملکرد نسبت به مدل های تک محوری، با کاهش خطای پیش بینی تا حدود 55 درصد، برتری شاخصی نسبت به مدل های پیچیده یادگیری عمیق، ازجمله LSTM و ترکیبات ترکیبی مرتبط نشان داده است. این دستاورد، اهمیت استخراج ویژگی های چندمقیاسی و زمانی-فرکانسی با استفاده از تبدیل موجک را برجسته می سازد و بر نقش محوری آن در بهبود دقت و قابلیت تعمیم پیش بینی جریان های هیدرولوژیکی، حتی در مقایسه با معماری های پیشرفته مدل های زمانی تاکید می کند.
کلیدواژگان: پیش بینی رودخانه، جنگل تصادفی، ضریب پیرسون، موجک کلاه مکزیکی، موجک هار -
صفحات 448-476مقدمه
برآوردهای انجام شده در کشور، نشان از هدررفت سالانه حدود یک میلیارد مترمکعب خاک از عرصه منابع اراضی کشور است. اگرچه ارزش گذاری اقتصادی این حجم از اتلاف منابع خاک از این رهگذر کار دشواری است، ولی با توجه به تعادل شکننده زیست بوم های موجود در منابع اراضی کشور، می توان پیش بینی کرد که این حجم اتلاف منابع چه زیان جبران ناپذیر و برگشت ناپذیری را به ظرفیت تولید و کارکرد این منابع وارد می کند. بخشی از این اتلاف خاک به وسیله فرایندهای خاک سازی جبران و جایگزین می شود و تا زمانی که میزان فرسایش از نرخ خاک سازی پیشی نگرفته است، به نوعی فرایندی طبیعی و اجتناب ناپذیر تلقی می شود. داشتن اطلاع از نرخ جایگزینی طبیعی برای رصد تغییرات کیفیت و کمیت این منبع طبیعی و دانستن روند زوال یا بهبودی آن ضروری است. به علاوه، فرسایش خاک در خارج از محل وقوع خود، خساراتی را از منظر اقتصادی، تنوع زیستی و نیز بر چشم انداز طبیعی وارد می کند. حد قابل تحمل این نوع خسارات نیز استاندارد علمی خاص خود را طلب می کند. از سوی دیگر، سالانه ارقام کلانی از منابع مالی کشور صرف اقدامات آبخیزداری می شود. این در حالی است که یک استاندارد منطقه ای کمی برای طراحی این اقدامات و همچنین یک شیوه نامه کاربردی، برای ارزیابی میزان اثرگذاری این اقدامات در دست نیست. این استاندارد و نیز کمیت نرخ باززایی و تجدید پذیری خاک، در جهان تحت عنوان فرسایش قابل تحمل خاک (T) شناخته شده است.
مواد و روش هادر این نوشتار تلاش شده تا ضمن رصد توسعه مفاهیم فرسایش قابل تحمل در جهان، فنون و شیوه های توسعه یافته، با نگاهی به قابلیت تعمیم و کاربرد در شرایط ایران مورد بررسی قرار گیرد. در این پژوهش، مروری بر 109 مقاله علمی پژوهشی داخلی و خارجی صورت گرفته است و خلاصه ای از نحوه شکل گیری مفهوم فرسایش قابل تحمل در علوم خاک، عامل های موثر بر مقدار T و همچنین روش های محاسبه آن معرفی و ارزیابی می شود. علاوه بر این، خلاصه ای از تحقیقات صورت گرفته و نتایج آن ها در ارتباط با فرسایش قابل تحمل و آشنایی با روش های مختلف در این زمینه ارائه و پیشنهادها و نیازهای تحقیقاتی و راهکارهای بهینه برآورد فرسایش قابل تحمل برای شرایط کشور معرفی شده است.
نتایج و بحثمفهوم فرسایش قابل تحمل خاک که در برنامه های حفاظت خاک به کار می رود، برای حفظ قابلیت تولید نامحدود زمین های زراعی در درازمدت مناسب نیست. زیرا این مقادیر بر اساس فرضیات نادرستی درباره نرخ های تشکیل لایه سطحی خاک و فرایندهای هوازدگی معدنی تعیین شده اند. این مفهوم بر دو فرض بنا شده است: اول، دانشمندان خاک می توانند به طور قابل اعتماد و دقیق، بیشینه نرخ های فرسایش قابل تحمل را ارزیابی کنند. دوم، سیاست گذاران می توانند این ارزیابی ها را به طور عینی در برابر منافع یا نیازهای مختلف سنجش و متعادل کنند. در حالی که هر دو فرض باید به چالش کشیده شوند تا صحت آن ها مشخص شود. ممکن است ملاحظات سیاسی کوتاه مدت ایجاب کند که سیاست های عمومی به تدریج اجازه دهند منابع خاک بدون وقفه تخریب شوند. تا حدی که دیگر برای کشاورزی قابل استفاده نباشند. اما حمایت مستمر از چنین سیاستی باید به وضوح به میزان و کیفیت اطلاعات موجود درباره نرخ های تشکیل خاک در شرایط کشاورزی توجه داشته باشد. مقادیر فرسایش قابل تحمل خاک بسیار مهم هستند و نباید بر اساس فرضیات نادرست و غیرعلمی تعیین شوند. نکته دیگر آن که، بررسی خسارات فرسایش خاک در خارج از محل وقوع فرسایش بر روی تاسیسات، زیرساخت ها و منابع زیستی نیز مستلزم رصد کردن شاخص هایی در خارج از محل وقوع فرسایش برای ارزیابی است. در مجموع با بررسی روش های تعیین فرسایش قابل تحمل ارائه شده می توان بیان کرد که روش های پیشنهادی Macedo می تواند روش مناسبی برای شرایط ایران باشد، با توجه به کمبود داده در ایران و از این نظر که ویژگیهای مورد بررسی در این روش سهل الوصول هستند.
نتیجه گیریبا توجه به این که پذیرش مفهوم فرسایش قابل تحمل بر اساس شرایط حاصلخیزی (توان تولید) و سرعت تشکیل خاک کافی نیست و اثرات برون عرصه ای فرسایش خاک نیز باید در آن لحاظ شود، در نتیجه تحقیقات بیشتر و علمی تری در این زمینه ضروری است. از آنجایی که مفهوم تحمل از دست دادن خاک برای برنامه ریزی راهبردهای حفاظت خاک مفید است، برآورد کمی آن نیز ضروری است و بهتر است با در نظر گرفتن رگبارهای حدی به جای شرایط متوسط انجام شود. به همین دلیل، باید تحقیقاتی در زمینه توزیع آماری بیشینه تلفات سالانه خاک در مناطق مختلف جهان انجام شود.
کلیدواژگان: تشکیل مجدد خاک، تلفات خاک، حاصلخیزی خاک، کیفیت خاک، مدل های فرسایش -
صفحات 477-497مقدمه
تغییر در نوسانات دبی رودخانه ها چه به صورت افزایشی یا کاهشی می تواند خسارت های جبران ناپذیری برای محیط زیست انسانی و طبیعی داشته باشد. امروزه پذیرفته شده که نوسان در فازهای مختلف الگوهای دور پیوندی می تواند افزایش یا کاهش دبی رودخانه ها را در مناطق مختلف جهان با توجه به اثرگذاری هر الگو بر دوره های بارشی، تبخیر و تعرق و خشکسالی در پی داشته باشد.
مواد و روش هابدین منظور برای انجام این پژوهش داده های دریافتی 28 شاخص مهم دور پیوندی تاثیرگذار بر اقلیم ایران از وب سایت NOAA دریافت شد. همچنین آمار دبی ایستگاه های هیدرومتری منتخب بالادست سدهای مستقر بر روی رودخانه کارون (ایستگاه های تله زنگ، لردگان، ارمند، پاتاوه و کتا) طی سری زمانی 30 ساله (2022-1993) از وزارت نیرو جهت مطالعه دریافت و مورد بررسی قرار گرفته شد. پس از بررسی اولیه بر روی داده های دبی، با استفاده از روش رگرسیون چندگانه جهت برآورد داده ها مفقودی از صحت و انسجام داده ها اطمینان حاصل شد. این روش به دلیل حفظ روند کلی داده ها و کاهش اختلالات داده ای انتخاب شد. سپس برای محاسبه روند و شدت تغییرات دبی فصلی و سالانه، از روش ناپارمتری من کندال و تایل سن استفاده شد. در ادامه، ارتباط بین شاخص های دورپیوندی و دبی رودخانه با استفاده از ضریب همبستگی پیرسون در سه مقیاس زمانی ماهانه، فصلی و سالانه هم به صورت هم زمان و هم با تاخیر یک تا سه ماهه انجام شد. با توجه به تعداد بالای شاخص ها، تنها مواردی که دارای همبستگی معنی دار با دبی بودند، وارد تحلیل های نهایی شدند.
نتایج و بحثطبق نتایج به دست آمده به طور متوسط روند مجموع میانگین دبی طی دوره موردمطالعه به طور پیوسته کاهشی بوده است. به طوری که میانگین دبی در تمام فصل ها، با روند کاهشی همراه بوده و این مقدار در مقیاس سالانه طی دوره موردمطالعه با کاهش معنی دار 11.3 مترمکعب در سال با جهش منفی (4.1- =Z) همراه بوده است. همچنین ارتباط بین الگوهای دور پیوند با دبی حوضه مورد مطالعه طی سری زمانی مورد نظر مورد واکاوی قرار گرفت. طبق نتایج به دست آمده طی مقیاس های زمانی مختلف (ماهانه، فصلی و سالانه) الگوهای دور پیوند متعددی ازجمله الگوهای GLBTS، WHWP، SOI، SOLAR FLUX، TSA، TNA، NINO4،AMO ، AMM، MEIVE2،PDO ، NINO1، AAO، WARMPOOL، PNA، EPO، WP، TNH، NCP، RMM1 و RMM2 به صورت هم زمان یا با تاخیر یک تا سه ماهه همبستگی معنی دار در سطح 0.05 و 0.01 با دبی سرشاخه های رودخانه کارون طی سری زمانی موردمطالعه داشته اند.
نتیجه گیریدرمجموع می توان بیان کرد، میانگین دبی ایستگاه های منتخب در بالادست سدهای رودخانه کارون روند کاهشی داشته است. همچنین مشخص شد بین نوسانات برخی از الگوهای دور پیوندی با دبی همبستگی معنی داری به صورت هم زمان و با تاخیر وجود دارد. بنابراین می توان نتیجه گیری کرد که الگوهای دور پیوند ذکرشده می توانند بر دبی این حوضه تاثیرگذار باشند. از طرفی با توجه به قابل پیش بینی بودن نوسانات الگوهای دور پیوند موردنظر و وجود همبستگی معنی دار با دبی می توان میزان نوسانات دبی رودخانه کارون را در آینده به صورت ماهانه، فصلی و یا سالانه با توجه به نتایج این پژوهش پیش بینی کرد.
کلیدواژگان: دبی رودخانه، رگرسیون چندگانه، روش ناپارمتری من کندال، لردگان، همبستگی -
بررسی ارزش گردشگری چشم اندازهای زمین گردشگری حوزه آبخیز حبله رود با استفاده از مدل پرالونگ (Prolong)صفحات 498-513مقدمه
طی دهه های اخیر بهره برداری مفرط و غیراصولی از منابع حوزه های آبخیز (خاک، آب و پوشش گیاهی) باعث کاهش سلامت آن ها شده است. یکی از این پاسخ ها، که می تواند نقش پیشگیرانه داشته باشد، توجه به معیشت جایگزین و به خصوص صنعت بوم گردی و گردشگری است. از این رو، شناخت ژئوسایت ها و ژئومورفوسایت های مناطق مختلف ضرورت می یابد. هدف از پژوهش حاضر، ارزیابی ارزش گردشگری چشم اندازهای ژئومورفوتوریستی حوضه حبله رود با استفاده از مدل پرالونگ است.
مواد و روش هابرای ارزیابی این ژئوسایت ها، با مطالعات میدانی و کتابخانه ای اطلاعات دقیقی نسبت به منطقه مورد مطالعه به دست آمد. حوزه آبخیز حبله رود با وسعت 1265977 هکتار در در استان های تهران و سمنان واقع شده است. از بین مکان های ژئومورفیک منطقه حبله رود، سه مکان انتخاب شد و برای هر یک از مکان های ژئومورفیک یک شناسنامه تهیه شد. مکان ها شامل روستای رودافشان در غرب شهر دماوند، چشمه خمده و تنگه واشی هستند. در این تحقیق، بنابر مدل پرالونگ، نظرسنجی از تعدادی کارشناسان آگاه نسبت به منطقه مورد مطالعه و گردشگران بازدیدکننده (30 نفر) با استفاده از روش نمونه گیری تصادفی ساده به عمل آمد. مدل مذکور، به طور ویژه به ارزیابی کیفیت گردشگری ژئومورفوسایت ها و بهره وری آن ها می پردازد. در این مدل، ارزش گردشگری یک مکان با میانگین ارزش های زیبایی، علمی، فرهنگی و اقتصادی مورد سنجش قرار گرفت. معیارها و مقیاس های خاصی برای تعیین ارزش هر یک از جنبه های عیار گردشگری مکان های ژئومورفیکی تعریف شده است. در چنین حالتی، عیار گردشگری یک مکان عبارت از میانگین این چهار معیار است.
نتایج و بحثپس از سنجش داده ها مشخص شد که از بین سه نمونه انتخاب شده، ژئوسایت تنگه واشی با عیار گردشگری 0.54 و میانگین ارزش بهره وری 0.68، دارای بالاترین ارزش ژئومورفوتوریسمی است. آن چه باعث بالابردن ارزش و اهمیت تنگه واشی شده است، منحصر به فردبودن آن در سطح کشور، اقلیم مساعد و خنک، شکل های ژئومورفولوژی و حکاکی های کم نظیر بر روی دیواره سنگی تنگه و همچنین منظره آبشار و وجود چمن زار بسیار زیبا در اطراف این تنگه است. این تنگه با رودخانه خروشان و با آب خنک جذابیت بسیاری را برای عموم مردم و گردشگران به وجود آورده است. ژئوسایت های غار رودافشان با عیار گردشگری (0.41) در رتبه دوم قرار گرفت. دلایل کسب این رتبه را می توان تجمع پدیده های ژئومورفولوژیکی به صورت فشرده در محدوده کوچک (داخل غار)، واقع شدن در کنار روستای رودافشان و جاذبه های طبیعی (رودخانه دلیچای، طبیعت بکر روستا با درختان سرسبز و بلند)، آن دانست. چشمه آب معدنی خمده با عیار (0.31)، رتبه سوم را به خود اختصاص داد. دلیل آن منحصر به فرد بودن چشمه در نوع خود در این منطقه، خاصیت درمانی آن، مجاورت با رودخانه پرآب حبله رود، طبیعت زیبای اطراف آن و دسترسی آسان به جاده آسفالته است. ارزیابی ها نشان دهنده آن است، که ارزش های گردشگری لندفرم های ژئومورفولوژیکی منطقه تنگه واشی عمدتا به دلیل بالابودن ارزش زیبایی ظاهری و ارزش فرهنگی و ارزش علمی این لندفرم است. به رابطه بین این ارزش ها باید توجه شود. به طورکلی، در همه لندفرم ها، عیار ظاهری و عیار علمی به هم نزدیک هستند.
نتیجه گیریطبق نتایج، بیشترین عیار و ارزش گردشگری مربوط به تنگه واشی و کمترین میزان مربوط به چشمه آب معدنی خمده است، اما به جز تنگه واشی، نسبت عیار علمی و ظاهری زیبایی و میزان بهره وری در لندفرم های دیگر بسیار پایین است. ضروری است با تجهیز این لندفرم ها به امکانات مورد نیاز گردشگران، موجبات بهره برداری بهینه از این مناطق فراهم شود. ارزش گردشگری این مکان ها وابسته به بالا بودن عیار ظاهری زیبایی و عیار فرهنگی و علمی آن ها است. عواملی مانند دشواری دسترسی، نبود امکانات و تسهیلات رفاهی و خدماتی مناسب و عدم توجه به ژئوتوریسم در کاهش مجموع عیارهای محاسبه شده موثر بوده است.
کلیدواژگان: ارزش گذاری، تنگه واشی، جاذبه های طبیعی، سمنان، معیشت جایگزین -
ارزیابی و تحلیل مکانی خدمات بوم سازگان هیدرولوژیکی حوزه آبخیز نیشابور با استفاده از نرم افزار InVESTصفحات 514-533مقدمه
بو م سازگان های طبیعی نقش حیاتی در حفظ فرایندهای محیطی و سامانه های حیاتی دارند، اما به دلیل تغییرات در استفاده از زمین و مدیریت نادرست، خدمات بوم سازگانی که برای حیات انسان ضروری هستند، کاهش یافته است. این کاهش باعث بروز مشکلاتی در زمینه های انرژی، آب و هوا و خدمات بوم سازگان شده است. با افزایش جمعیت و نیازهای انسانی، فشارها بر بوم سازگان ها بیشتر شده و این مسائل اهمیت خدمات بو م سازگانی را در سطح جهانی برجسته کرده است. نرم افزار InVES به عنوان ابزاری برای ارزیابی و نقشه برداری از این خدمات، در پروژه سرمایه طبیعی توسعه یافته است. هدف این پژوهش کاربرد نرم افزار InVEST به منظور تحلیل مکانی خدمات بوم سازگان هیدرولوژیکی حوزه آبخیز نیشابور است.
مواد و روش هادر این پژوهش، از دو زیرمدل تولید آب فصلی و مدل نسبت تحویل رسوب درInVEST برای ارزیابی میزان آبدهی و تعیین فرسایش خاک در حوضه مورد مطالعه استفاده شد. برای اجرای این مدل به نقشه های مدل رقومی ارتفاع، حوضه و زیرحوضه ها، بارش، تبخیر و تعرق مرجع، گروه هیدرولوژیکی خاک، کاربری اراضی، فرسایش پذیری خاک، فرسایندگی باران و همچنین جدول اطلاعات بیوفیزیک و تعداد رویداد بارش نیاز است. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل در حوضه مطالعاتی، از آمار سه ایستگاه هیدرومتری حوضه برای دوره 1982 تا 1993 استفاده شد. سپس با تنظیم پارامترهای حساس مدل، شامل پارامتر β (پارامتر توپوگرافی محلی و خاک)، Υ (پارامتر میزان نفوذ در سلول)، Z (تعداد وقایع باران)، CN، و (پارامترهای ارتباط بین اتصال هیدرولوژیکی و نسبت تحویل رسوب) در محدوده مجاز واسنجی شد. این واسنجی با استفاده از مقادیر دبی و رسوب ثبت شده در ایستگاه های بار اریه، طاغون و زرنده برای دوره 1982 تا 1989 انجام و برای دوره 1990 تا 1993 اعتبارسنجی شد. برای تعیین خدمات بوم سازگان هیدرولوژیکی، نقشه های ماهانه دما و بارش WorldClim برای دوره 1970 تا 2000 با تفکیک پذیری مناسب استفاده و مدل بر اساس آن اجرا شد.
نتایج و بحثاز میان پارامترهای α، β، Υ، CN، Z، و مدل بیشترین حساسیت را به پارامترهای Z (تعداد وقایع بارندگی)، CN، و نشان داد. الگوی تغییرات مکانی رواناب در حوضه نیشابور نشان می دهد که رواناب عمدتا تحت تاثیر بارش است. بخش های شمالی، شمال شرقی و شرق حوضه به دلیل شیب های تند و بارش های شدید، رواناب سریع تری دارند، در حالی که در بخش های جنوب غربی، جنوب و میانه حوضه، رواناب سریع کمتر است. همبستگی بالای 0.83 بین بارش و رواناب، تاثیر قوی بارش بر رواناب را تایید می کند. مقدار متوسط رواناب سالانه در حوضه نیشابور 34.4 میلی متر است. بالاترین مقدار رواناب سریع در زیرحوضه 1 و کمترین مقدار در زیرحوضه 4 مشاهده شده است. خاک های با نفوذپذیری کم در زیرحوضه 1 باعث افزایش رواناب سریع شده، در حالی که خاک های نفوذپذیرتر در زیرحوضه 4، این مقدار را کاهش می دهند. در زمینه آبدهی سالانه، متوسط سالانه آبدهی حوضه 43.4 میلی متر است. بالاترین آبدهی در زیرحوضه 1 و کمترین آن در زیرحوضه 5 گزارش شده است. این تفاوت ها عمدتا به تاثیرات شرایط اقلیمی و نوع کاربری اراضی مربوط می شوند. متوسط فرسایش در حوضه نیشابور برابر با 0.6 تن در هکتار در سال است. بالاترین میزان فرسایش در زیرحوضه 3 و کمترین میزان در زیرحوضه 4 مشاهده می شود. مناطق با شیب های زیاد و بارش های شدید بیشتر در معرض فرسایش هستند. مهم ترین یافته در زمینه نگهداشت خاک این است که میزان نگهداشت خاک در تمامی زیرحوضه ها بیشتر از میزان فرسایش است. زیرحوضه 3 بالاترین میزان نگهداشت خاک را دارد، در حالی که زیرحوضه 4 با کمترین میزان نگهداشت خاک به حفاظت بیشتری نیاز دارد. کاربری های جنگل و کاربری بیشه زار و درختچه بیشترین توانایی را در نگهداشت خاک و اراضی شور و نمک زار و کاربری مسکونی کمترین نقش در نگهداشت خاک را دارند.
نتیجه گیریتعیین خدمات بوم سازگان هیدرولوژیکی حوزه های آبخیز به منظور مدیریت بهتر و هدفمند حوضه حائز اهمیت است. این پژوهش با هدف تحلیل مکانی این خدمات در حوزه آبخیز نیشابور در استان خراسان رضوی انجام شد. در بخش های شمال و شمال شرقی حوضه مقدار آبدهی بیشتر است، این موضوع می تواند در بهره برداری از منابع آب حوضه و اجرای اقدامات کنترل سیل در این مناطق مد نظر قرار بگیرد. در بحث نگهداشت خاک نیز نتایج پژوهش بیانگر آن است که زیرحوضه 3 با بیشترین میزان نگهداشت خاک، پتانسیل بالایی در جلوگیری از فرسایش را دارد. در مقابل، زیرحوضه 4 با کمترین میزان از نگهداشت خاک، پتانسیل کمی در جلوگیری از فرسایش را دارد. در مجموع نتایج پژوهش بیانگر اهمیت بررسی الگوی ارائه خدمات بوم سازگانی هیدرولوژیکی در مدیریت حوزه های آبخیز است.
کلیدواژگان: آبخیزداری، آبدهی، رواناب سریع، فرسایش خاک، نگهداشت خاک -
صفحات 534-552مقدمه
فرونشست زمین به عنوان یکی از مخاطرات زمین شناسی، تاثیرات گسترده ای بر زیرساخت ها، کشاورزی و محیط زیست دارد. این پدیده می تواند ناشی از عواملی همچون برداشت بی رویه آب های زیرزمینی، فعالیت های معدنی، استخراج نفت/ گاز و یا عوامل طبیعی مانند تراکم رسوبات و حرکات تکتونیکی باشد. پایش دقیق این پدیده با استفاده از تکنولوژی های نوین، راهکاری کلیدی برای کاهش آثار زیان بار آن به شمار می رود. روش تداخل سنجی راداری روزنه مصنوعی (InSAR)، به ویژه تکنیک پراکنده سازهای ماندگار (PSInSAR)، یکی از پیشرفته ترین روش ها برای پایش تغییرات سطح زمین است. این روش با دقت میلی متری، امکان شناسایی جابجایی های کوچک زمین را فراهم می کند و ابزار مهمی برای پایش بلندمدت فرونشست در مناطق وسیع می باشد. این مطالعه با هدف ارزیابی و پهنه بندی خطر فرونشست زمین در برخی از مهم ترین حوزه های آبخیز استان اصفهان، شامل اصفهان-برخوار، نجف آباد، مهیار شمالی، مهیار جنوبی و کوهپایه-سجزی، با استفاده از داده های صعودی، نزولی و ترکیبی (صعودی-نزولی) ماهواره Sentinel-1 و تکنیک PSInSAR انجام شده است. این پژوهش ضمن ارائه اطلاعات دقیق در مورد وسعت و شدت فرونشست، به شناسایی الگوهای مکانی و زمانی این پدیده پرداخته و نتایج آن برای سیاست گذاری و مدیریت خطرات فرونشست می تواند بسیار حائز اهمیت باشد.
مواد و روش هامنطقه مورد مطالعه شامل حوزه های آبخیز گسترده ای است که نه تنها کلان شهر اصفهان را در بر می گیرد، بلکه مناطق وسیعی از زمین های کشاورزی و سکونتگاه های مهم را نیز شامل می شود. در این مطالعه، داده های راداری Sentinel-1 مربوط به دوره زمانی 1393 (2014) تا 1402 (2023) مورد استفاده قرار گرفته است. این داده ها شامل تصاویر صعودی و نزولی این ماهواره می باشد که ترکیب آن ها به حذف ابهامات ناشی از جهت جابجایی کمک می نماید. در ابتدا، پردازش اولیه داده ها انجام گردیده که شامل هم ثبت سازی تصاویر به منظور تطابق دقیق پیکسل ها و تولید تداخل نگارها برای استخراج تغییرات فاز می باشد. سپس شناسایی پراکنده سازهای ماندگار (PS) صورت گرفته است که در این مرحله، نقاطی با بازتاب پایدار رادار با استفاده از شاخص پراکندگی دامنه (ADI) و تحلیل پایداری فاز شناسایی شده اند. در گام بعد، تصحیح خطاهای جوی و مداری با استفاده از مدل های آماری و روش های وارون سازی انجام شده تا اثرات جوی و خطاهای مداری حذف شوند. سپس به توسط تحلیل سری زمانی تغییرات زمین، جابجایی در طول زمان محاسبه گردیده و داده ها به مختصات جغرافیایی تبدیل شده اند. در ادامه، داده های به دست آمده با داده های زمینی و سایر منابع مستقل مقایسه شده تا دقت و قابلیت اعتماد نتایج اعتبارسنجی شود. نهایتا نقشه های پهنه بندی شامل نقشه های فرونشست تجمعی، نرخ سالیانه فرونشست و پهنه های خطر وقوع این پدیده تهیه شده اند.
نتایج و بحثنتایج نشان می دهد که فرونشست زمین در منطقه مورد مطالعه از مقدار ناچیز تا 55 سانتی متر در بازه 9 ساله مورد بررسی متغیر می باشد. نرخ سالیانه فرونشست در مناطقی از حوضه های اصفهان-برخوار و مهیار جنوبی به 6 سانتی متر در سال رسیده است. ترکیب داده های صعودی و نزولی علاوه بر کمک به کاهش خطاها، امکان تفکیک جابجایی های عمودی و افقی زمین را نیز فراهم ساخته است. بیشترین فرونشست تجمعی در مناطق شهری و کشاورزی حوضه اصفهان-برخوار و همچنین در محدوده رسوبات رسی در حوضه مهیار جنوبی مشاهده می شود. پهنه بندی خطر نشان می دهد که حوضه های اصفهان-برخوار و مهیار جنوبی دارای بیشترین مساحت پهنه های با خطر بسیار زیاد هستند. در سایر حوضه ها، مناطق با خطر متوسط و کم غالب هستند. نقشه های پهنه بندی، ارتباط مستقیمی را بین بیشترین میزان فرونشست و کاربری اراضی (مانند مناطق شهری و کشاورزی) و همچنین ویژگی های زمین شناسی (رسوبات رسی و کلوت ها) نشان می دهند.
نتیجه گیریاستفاده از تکنیک PSInSAR برای پایش فرونشست زمین در استان اصفهان، اطلاعات ارزشمندی درباره الگوها و روند این پدیده ارائه نموده است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که فرونشست در حوضه های اصفهان-برخوار و مهیار جنوبی نه تنها شدید است، بلکه روند مداومی دارد. این موضوع نیازمند برنامه ریزی فوری و اجرای اقدامات مدیریتی برای کاهش خطرات فرونشست است. ارتباط بین فرونشست و عوامل انسان زاد مانند برداشت بی رویه آب های زیرزمینی و ویژگی های زمین شناسی بر ضرورت برنامه ریزی یکپارچه برای مدیریت پایدار منابع آب و استفاده از زمین تاکید دارد. نقشه های پهنه بندی خطر ارائه شده در این مطالعه، ابزار ارزشمندی برای سیاست گذاران و برنامه ریزان شهری به منظور مدیریت بهینه ریسک های ناشی از فرونشست زمین است. پژوهش های آینده باید بر پایش مداوم و توسعه مدل های پیش بینی فرونشست برای مقابله موثر با این پدیده متمرکز شوند.
کلیدواژگان: تداخل سنجی راداری Psinsar، داده های صعودی و نزولی، فرونشست، Sentinel-1 -
صفحات 553-570مقدمه
کیفیت آب مصرفی در بخش های شرب و کشاورزی از شاخص های مهم توسعه پایدار است. فعالیت های کشاوررزی و صنعتی انسان منجر به کاهش کیفیت آب شده است. از سوی دیگر، محدودیت منابع آب شیرین و با کیفیت مناسب از دیگر محدودیت های منابع آب است. پیچیدگی سامانه های آبی، تغییرات آن در طول زمان و مکان، افزایش هزینه و زمان بر بودن آزمایش کیفیت آب و نیاز به پایش مداوم بر دشواری پایش و ارزیابی کیفیت آب اثرگذار است. استفاده از الگوریتم های هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و یادگیری عمیق، برای پیش بینی کیفیت آب به دلیل پارامترهای متنوع، مفید بوده، در مقایسه با روش های آزمایش سنتی، مقرون به صرفه است. هیچ الگوریتم یکنواختی برای پیش بینی کیفیت آب وجود ندارد. در این پژوهش تلاش می شود، کارایی این الگوریتم در تخمین عناصر فیزیکی و شیمیایی مورد ارزیابی قرار گیرد. در دهه های اخیر کیفیت رودخانه های رشته کوه زاگرس به دلیل فرسایش سازندهای کارستیک، عبور از مناطق سکونتگاهی، تغییرات کاربری اراضی، خشکسالی و تغییر اقلیم کاهش یافته است. برخی از این رودخانه ها مانند کرخه، کارون و دز منبع تامین آب شرب جمعیتی بیش از 10 میلیون نفر هستند. بنابراین تغییر در کیفیت آب منجر به افزایش خطر و تهدید آب شرب این سکونتگاه ها می شود. بنابراین بررسی کیفیت منابع آب و ارائه مدل مناسب آن نقش موثری در مدیریت تامین آب مورد نیاز خواهد داشت. پژوهش حاضر، بر آن است، ضمن پایش کیفیت آب آبخیز چم انجیر، بهترین الگوریتم یادگیری ماشین در تخمین آن را ارزیابی کند.
مواد و روش هاحوزه آبخیز چم انجیر واقع در استان لرستان و در جنوب شرق حوزه آبخیز کرخه است و بین طول های 40 48 تا 10 48 شرقی و عرض های 10 33 تا 36 33 قرار دارد. سازندهای زمین شناسی یکی از منابع موثر در غلظت متغیرهای شیمیایی منابع آب سطحی به ویژه در مناطق کارستیک است. این سازند در تغییر کیفیت آبخیز چم انجیر بسیار موثر است. سه زیرحوضه هم جوار الشتر، خرم آباد و بیرانشهر تحت تاثیر سنگ شناسی منطقه، میزان ترکیب شیمیایی سنگ های آهک و دولومیت، 89-87 درصد و انحلال گچ 13-11 درصد و میزان انحلال کربنات کارست (بین 0.01 تا 0.40 میلی متر) است. آهکی بودن جنس زمین و وجود سنگ های نفوذی در زیرحوضه های بالادست رودخانه دز منجر به تغییر متغیرهای کلسیم، پتاسیم، EC و TDS شده است. همچنین خشکسالی اقلیمی و هیدرولوژی کیفیت منابع آب را تحت تاثیر قرار داده، باعث افزایش درصد متغیرهای شیمیایی آب شده است. برای انتخاب مدل مناسب هوش مصنوعی و بررسی کیفیت منابع آب سطحی آبخیز چم انجیر، از 321 نمونه از متغیر دبی چم انجیر در دوره 2021-1969 استفاده شد. این نمونه ها، از متغیر های شیمیایی Na، SAR، TH، TDS، Cl، Ca و Mg ایستگاه هیدرومتریک چم انجیر انتخاب شده اند. برای مدل سازی کیفیت آب سطحی چم انجیر از الگوریتم های یادگیری ماشین استفاده شد. در پژوهش حاضر، متغیرهای شیمیایی با الگوریتم های مختلف یادگیری ماشین بررسی شده، اعتبار و دقت مقادیر برآورد شده با مقادیر مشاهداتی متغیرهای شیمیایی آب با شاخص های r، MSE و MAE ارزیابی شده است. بر اساس تکرار و آزمون مدل های مختلف الگوریم یادگیری ماشین، الگوریتم های ماشین بردار پشتیبان و رگرسیون درختی به عنوان بهترین مدل ها انتخاب شده اند. برای ارزیابی و ارتباط سنجی بین متغیرها از ماتریس همبستگی استفاده و بر اساس همبستگی، از میان دبی رودخانه و متغیر های ماهانه کیفیت آب، HCO3، pH، Na، EC، Cl، Ca، Mg، TH، TDS و سختی موقت، 321 نمونه ماهانه از دو متغیر TDS و TH در دوره آماری 2021-1969 بررسی شد. برای بررسی دقت الگوریتم های یادگیری ماشین در مدل سازی کیفیت آب، از شاخص های همبستگی، میانگین مربعات خطاها و میانگین خطای مطلق استفاده شده است.
نتایج و بحثنتایج P-test وجود روند افزایشی در سطح اطمینان 95 درصد دو متغیرTDS و TH از سال 1985 را تایید کرد. متوسط TDS در دوره اول (1984-1969)، 286.6 میلی گرم در لیتر و در دوره دوم (2021-1985) 422.08 میلی گرم در لیتر و متوسط TH در دوره اول (1984-1969) 181.5 میلی گرم در لیتر و در دوره دوم (2021-1985) 278.6 میلی گرم در لیتر است. نتایج ماتریس همبستگی نشان داد که TDS همبستگی قوی با EC و TH نشان می دهد. TH همبستگی مثبت با متغیرهای شیمیایی TDS، EC، HCO3، Ca، Cl و Mg و همبستگی معکوس با pH نشان می دهد. الگوریتم های یادگیری ماشین SVM و CART روند افزایشی را برای دو متغیر سختی کل و غلظت مواد محلول آب در دبی آبخیز چم انجیر تخمین می زنند. الگوریتم SVM با مدل KernalLinear بهترین عملکرد را داشت. علاوه بر این، شاخص صحت سنجی RMSE نیز الگوریتم SVM را با مقادیر پایین تری نسبت به الگوریتم CART نشان داد. بنابراین، SVM در پیش بینی متغیر های کیفیت آب دقیق تر است.
نتیجه گیریالگوریتم های یادگیری ماشین برای مدل سازی کیفیت آب موثر هستند. نتایج نشان داد، در آبخیز چم انجیر، روند رو به رشد در غلظت های TDS و TH از سال 1985 وجود دارد. SVM در پیش بینی TDS و TH از CART بهتر عمل کرد. یافته ها نشان داد کاهش دبی رودخانه، افزایش مصرف آب و زمین شناسی کارست در میزان غلظت TH و TDS تاثیر دارند. پایش کیفیت آب برای مدیریت منابع آب ضروری است. برای تخمین های آینده کیفیت آب در این مطالعه، الگوریتم SVM توصیه می شود.
کلیدواژگان: درخت تصمیم، سختی آب، صحت سنجی، کیفیت آب، ماشین بردار ویژه
-
Pages 406-423IntroductionIn integrated watershed management, assessing the status and dynamics of watershed health is essential as a fundamental tool for identifying and implementing effective management responses. Diagnosing the issues affecting water and soil resources, along with identifying the causes of various problems in watersheds, constitutes a critical step toward sustainable natural resource management. This understanding not only enables the analysis of threatening factors but also provides a basis for identifying appropriate solutions to protect and restore watershed resources. The DPSIR framework (Drivers, Pressures, State, Impact, and Response) serves as a comprehensive analytical model, capable of explaining the causal relationships among various factors and effectively evaluating watershed health. The aim of this research is to use the DPSIR framework for a comprehensive analysis of watershed health status and to identify key factors contributing to its decline, with a focus on the watershed area draining to the Ilam Dam, in order to propose effective and sustainable management solutions.
Materials and methodsTo accurately identify the factors related to each component of the DPSIR framework, a systematic review of the literature and previous studies was conducted through library research to gather theoretical background and scientific resources. Field visits to the watershed were then undertaken to assess the current conditions and directly observe the natural and human factors affecting the region. Additionally, brainstorming sessions and semi-structured interviews with experts and local stakeholders, including residents of the watershed area, were carried out to collect comprehensive information on the issues and influencing factors. Based on the preliminary findings, a questionnaire was designed and its validity was confirmed by a panel of experts. Cronbach's alpha was used to measure reliability, and the results indicated an acceptable level of reliability. The survey, using a Likert scale, was administered to 20 experts and 20 local residents of the watershed. To analyze the data and prioritize factors from the participants' perspectives, Friedman’s test was used to determine the relative importance of each factor within the DPSIR framework.
Results and discussionThe findings show that in the studied watershed, five driving forces have led to 34 distinct pressures on watershed resources, which in turn have caused 11 unfavorable states. These states have also resulted in 20 unintended impacts. Additionally, 32 management responses were proposed to improve the current situation. The relationships among the factors within each of the main components of the DPSIR framework were examined and prioritized based on the views of both experts and stakeholders. According to the results, the alignment of shared priorities within the top 40% of the most important factors was as follows: 50% for driving forces, 69% for pressures, 80% for states, 75% for impacts, and 84% for responses.
ConclusionsPlanning and policymaking aimed at achieving sustainable economic, social, and environmental development require access to accurate and comprehensive information about the conditions and dynamics of watersheds. The results of this study indicate that identifying and implementing appropriate management strategies can play a decisive role in improving the health of natural resources and watershed ecosystems. This research was conducted with the aim of identifying and prioritizing management responses to improve the environmental conditions of the study area. The analyses, carried out using the DPSIR approach as an effective cause–effect analytical framework, provided valuable tools for identifying the main problems and challenges of the watershed. Moreover, the study identified the key factors and pressures impacting natural resources. Therefore, the proposed management responses can serve as practical solutions for improving current conditions and preventing future problems in the sustainable management of natural resources and ecosystems in the targeted area. These management responses play a significant role not only from a scientific perspective but also in the practical implementation of comprehensive watershed management programs, offering actionable guidance for decision-makers to enhance the state of natural resources and ecosystems.Keywords: Cause, Effect Analysis, Sustainable Development, Water Conservation, Comprehensive Management, Driving Forces -
Pages 424-447Introduction
Accurate streamflow prediction is essential for water resources management and flood control. Due to the complex and nonlinear behavior of streamflow, traditional models are often inadequate. Machine learning and deep learning algorithms offer more robust solutions; however, their accuracy can be affected by sudden climatic fluctuations. Consequently, employing hybrid methods is necessary to improve prediction accuracy. The literature review reveals that, despite the high capabilities of machine learning models, a research gap still exists in managing multi-scale fluctuations in streamflow data. This underscores the necessity of using hybrid approaches to enhance prediction accuracy. The innovation of this study is a hybrid framework that simultaneously models both long-term patterns and short-term fluctuations by integrating wavelet analysis, used to decompose the streamflow signal, with a powerful deep learning model.
Materials and methodsIn this study, to predict the streamflow of the Kurkursar River in Nowshahr, hydrological data including daily precipitation and river discharge over a 20-year period at a daily resolution were utilized. The input variables included daily precipitation (Pt) and streamflow with time lags of one, two, and three days (Qt−1, Qt−2, Qt−3). Before the modeling process, data preprocessing was performed, which included reconstructing missing data, removing anomalous data (outliers), and normalizing the values to improve data quality and enhance their reliability in hydrological analyses. The hydrological data from the watershed were divided into three subsets: training (70%), validation (15%), and testing (15%). Four streamflow prediction scenarios were selected based on Pearson correlation coefficient analysis to identify sensitive variables and determine the model inputs. The river streamflow modeling process was carried out using two algorithms: Random Forest (RF) and the deep learning Long Short-Term Memory (LSTM) recurrent neural network. Furthermore, to enhance the accuracy and improve the generalizability of the models, various wavelet transform methods, including Daubechies 4 (Db4), Haar, and Mexican Hat wavelets, were used to extract multi-scale features and combine them with the input data for the RF and LSTM models. This hybrid approach facilitated the identification of complex spatio-temporal patterns in the hydrological time series. After the final evaluation of the prediction models' performance, the Daubechies 4 (Db4) wavelet transform was employed to optimize their coefficients and structural parameters. Performance evaluation metrics, including the Coefficient of Determination (R²), Mean Absolute Error (MAE), Root Mean Square Error (RMSE), Percent Bias (PBIAS), Mean Absolute Percentage Error (MAPE), and Kling-Gupta Efficiency (KGE), were used to assess the accuracy of the models' predictions. Ultimately, the optimal models were selected based on a comparative analysis of these quantitative criteria. Additionally, for data analysis and visual presentation of the results, various plots were used, including scatter plots, time series of observed and predicted data, and error distributions such as error histograms, normal density curves, cumulative distribution functions of errors, and quantile-quantile (Q-Q) plots.
Results and discussionThe results showed that in streamflow prediction, previous time steps (different lags) were the most important variables for predicting all subsequent horizons. The final results regarding the model scenarios indicated that the first scenario (S1), which only used the precipitation variable, was the weakest performer in all cases. Furthermore, the sixth scenario (S6), which utilized all available variables (Pt,Qt−1,Qt−2,Qt−3), had the best performance in the training and testing phases for both standalone and hybrid models. The research findings indicated that the hybrid Random Forest-Wavelet (RF-Wavelet) model had the best performance in both the training (R²=0.907, RMSE=0.0192) and testing (R²=0.942, RMSE=0.0106) phases. Additionally, the standalone Long Short-Term Memory (LSTM) deep learning model had the weakest performance in the training (R²=0.499, RMSE=1.6) and testing (R²=0.579, RMSE=1.149) phases. The findings also showed that the Daubechies 4 wavelet , when combined with the Random Forest model, was able to reduce the error of the standalone RF model by approximately 55%. Additionally, the wavelet, when combined with the LSTM model, was able to increase the prediction accuracy by approximately 39%. Furthermore, a comparison of the wavelet-hybrid models showed that the RF-Wavelet model reduced the error by approximately 23% compared to the hybrid LSTM-Wavelet model.
ConclusionIn this research, various wavelet transform models, including Daubechies 4, Haar, and Mexican Hat, were utilized for integration with RF and LSTM algorithms. Quantitative and qualitative analyses showed that the Daubechies 4 wavelet transform had significant superiority in improving streamflow prediction accuracy compared to other wavelet types within both RF and LSTM model frameworks. Therefore, this type of wavelet transform was selected and used as the primary basis for integration with these two prediction models. Examination of the error distribution pattern in the training data indicates a major concentration of error values in regions adjacent to zero. The distribution of errors was observed to be approximately symmetrical and showed considerable consistency with a normal distribution. This pattern signifies the model's satisfactory accuracy in the training and data-fitting process. Ultimately, the present study focused on the development of data-driven models to determine the optimal combination of predictor variables for modeling and predicting river streamflow. This research demonstrated that integrating the Daubechies 4 wavelet transform with the Random Forest (RF) model served as the optimal and superior approach for predicting hydrological streamflow in the present case study. The aforementioned hybrid model, in addition to significantly enhancing performance compared to standalone models by reducing prediction error by up to 55%, showed notable superiority over complex deep learning models, including LSTM and its associated hybrid combinations. This achievement highlights the importance of extracting multi-scale time-frequency features using the wavelet transform and emphasizes its pivotal role in improving the accuracy and generalizability of hydrological streamflow predictions, even in comparison to advanced architectures of deep temporal models.
Keywords: Haar Wavelet, Mexican Hat Wavelet, Pearson Correlation Coefficient, Random Forest, Streamflow Prediction -
Pages 448-476Introduction
Estimates in Iran indicate an annual loss of about one billion cubic meters of soil from the country's land resources. Although quantifying the economic value of this volume of soil resource loss is difficult, the fragile ecological balance of ecosystems in the country's land resources suggests that this volume of resource loss will cause irreparable and irreversible damage to the production capacity and functioning of these resources. A part of this soil loss is compensated for and replaced by soil formation processes, and as long as the rate of erosion does not exceed the rate of soil formation, it is considered a natural and inevitable process. Knowing the rate of natural replacement is necessary for monitoring changes in the quality and quantity of this natural resource and for understanding the process of its deterioration or recovery. In addition, soil erosion beyond its place of occurrence causes economic, biodiversity, and natural landscape damages. The tolerable limit for this type of damage also requires its own scientific standard. On the other hand, substantial amounts of the country's financial resources are spent annually on watershed management measures. However, there is no quantitative regional standard for the design of these measures, nor a practical guideline for evaluating their effectiveness of these measures. This standard, along with the rate of soil regeneration and renewability, is known worldwide as tolerable soil erosion.
Materials and methodsIn this article, the development of the concepts of tolerable erosion worldwide has been monitored, and the developed techniques and methods have been investigated for their potential generalization and application to the conditions of Iran. In this study, 109 domestic and international research articles were reviewed, and a summary is provided of the evolution of the concept of tolerable soil erosion, the factors influencing the T-value, and the methods for its calculation. Additionally, a summary of the research conducted, their results related to tolerable erosion, and various methodologies in this field are presented. Recommendations, research needs, and optimal strategies for estimating tolerable erosion in the country's conditions are also presented.
Results and discussionThe concept of tolerable soil erosion used in soil conservation programs is not suitable for maintaining the long-term indefinite productivity of agricultural lands over the long term. This is because these values are based on incorrect assumptions about the rates of topsoil formation and mineral weathering processes. The concept is built on two assumptions: first, that soil scientists can reliably and accurately assess the maximum tolerable erosion rates; and second, that policymakers can objectively weigh and balance these assessments against various interests or needs. Both assumptions should be challenged. Short-term political considerations might require that public policies allow soil resources to be degraded gradually and continuously to the point where they are no longer usable for agriculture. However, sustained support for such policies must clearly take into account the quantity and quality of available information on soil formation rates under agricultural conditions. Another point is that assessing soil erosion damages beyond the site of erosion to facilities, infrastructures, and biological resources also requires monitoring indicators off-site for evaluation. Tolerable soil erosion values are crucial and should not be determined based on incorrect and unscientific assumptions. Overall, after reviewing the proposed methods for determining tolerable erosion, it can be concluded that the method suggested by Macedo could be appropriate for Iran's conditions, given that the parameters examined in this method are easily accessible and, considering the data scarcity in Iran, this method is well-suited to these conditions.
ConclusionGiven that the concept of tolerable erosion based on soil fertility and soil formation rates is insufficient, and that the off-site effects of soil erosion should also be considered, more extensive and scientific research in this field is necessary. Since the concept of tolerable soil loss is useful for planning soil conservation strategies, its quantitative estimation is essential and should be performed taking into account extreme rainfall events rather than average conditions. Therefore, research on the statistical distribution of maximum annual soil losses in different regions of the world is necessary.
Keywords: Erosion Models, Soil Fertility, Soil Loss, Soil Quality, Soil Formation -
Pages 477-497Introduction
Changes in river discharge fluctuations, whether increases or decreases, can lead to irreversible damage to both human and natural environments. It is now well established that variations in the phases of teleconnection patterns can cause significant increases or decreases in river discharge across different regions of the world, depending on their influence on precipitation cycles, evapotranspiration, and drought occurrence.
Materials and methodsFor this study, data on 28 major teleconnection indices affecting Iran’s climate were obtained from the NOAA website. In addition, river discharge records from selected hydrometric stations located upstream of the dams on the Karun River (Telezang, Lordegan, Armand, Pataveh, and Kata stations) were collected from the Ministry of Energy for a 30-year period (1993–2022). Following a preliminary assessment of the discharge data, missing values were reconstructed using the multiple regression method to ensure data consistency and reliability. This method was chosen for its ability to preserve the general trend of the dataset while minimizing disturbance to the data. To analyze the trends and magnitude of seasonal and annual discharge variations, the non-parametric Mann–Kendall test and Theil–Sen slope estimator were applied. Furthermore, the relationship between teleconnection indices and river discharge was examined using the Pearson correlation coefficient across three temporal scales: monthly, seasonal, and annual. These correlations were assessed both simultaneously and with time lags of one to three months. Given the large number of indices, only those with statistically significant correlations with discharge were included in the final analyses.
Results and discussionThe results indicated that, overall, the mean discharge exhibited a continuous decreasing trend during the study period. Specifically, the mean discharge in all seasons showed a declining pattern, and at the annual scale, a significant decrease of 11.3 m³/s per year was observed, accompanied by a negative Mann-Kendall statistic (Z = –4.1). The correlations between teleconnection patterns and discharge in the study basin were further explored. The findings revealed that, at different temporal scales (monthly, seasonal, and annual), several teleconnection indices—including GLBTS, WHWP, SOI, Solar Flux, TSA, TNA, NINO4, AMO, AMM, MEI v2, PDO, NINO1+2, AAO, Warm Pool, PNA, EPO, WP, TNH, NCP, RMM1, and RMM2-exhibited statistically significant correlations (at the 0.05 and 0.01 confidence levels) with the discharge of the Karun River headwaters, either simultaneously or with lags of one to three months.
ConclusionsOverall, the mean discharge recorded at the selected upstream stations of the Karun River dams demonstrated a decreasing trend. Moreover, the study confirmed the existence of significant simultaneous and lagged correlations between the fluctuations of several teleconnection indices and river discharge. Consequently, it can be concluded that the identified teleconnection patterns exert considerable influence on discharge variations in the basin. Given the predictability of these teleconnection indices and their significant correlations with discharge, future fluctuations of the Karun River discharge can potentially be forecasted at monthly, seasonal, and annual scales based on the findings of this research.
Keywords: Correlation, Lordegan, Multiple Regression, Non-Parametric Mann–Kendall Test, River Discharge -
Pages 498-513Introduction
Over the past decades, excessive and unplanned exploitation of watershed resources (soil, water, and vegetation) has led to a decline in their overall health. One approach that can play a preventive role in this regard is to focus on alternative livelihoods, especially in the ecotourism and tourism sectors. Therefore, it is necessary to identify and assess geosites and geomorphosites across different regions. The aim of the present study is to evaluate the tourism value of geomorphotourism landscapes in the Hableh-Rud basin using the Pralong model.
Materials and methodsTo evaluate these geosites, detailed information about the studied area was obtained through field and library studies. The Hableh-Rud watershed, with an area of 1,265,977 hectares, is located between 52°39' to 53°08' east longitude and 35°26' to 35°57' north latitude in Tehran and Semnan provinces. From among the geomorphic sites in the Hableh-Rud region, three sites were selected, and a detailed profile was prepared for each geomorphosite. The sites include Rudafshan Cave in the west of Damavand city, Khumdeh Spring, and Vashi Gorge. In this research, based on the Pralong model, a survey of experts knowledgeable about the study area and visiting tourists (30 people) was conducted using a simple random sampling method. The Pralong model specifically evaluates the tourism quality of geomorphosites and their potential for use. In this model, the tourism value of a site is calculated as the average of its aesthetic, scientific, cultural, and functional-economic values. Specific criteria and scales have been defined to determine the value of each aspect of the tourism quality of geomorphic sites. Accordingly, the tourism score of a site is the average of these four criteria.
Results and discussionAfter analyzing the data, it was determined that, among the three selected sites, the Vashi Gorge geosite has the highest geomorphotourism value, with a tourism score of 0.54 and an average use potential value of 0.68. Factors that have increased the value and importance of the Vashi Gorge include its uniqueness at the national level, pleasant and cool climate, distinctive geomorphological forms and unique engravings on the stone wall of the gorge, as well as the scenery of the waterfall and the presence of a very beautiful meadow surrounding it. This gorge, with its raging river and cool water, has attracted many visitors and tourists. The Rudafshan Cave geosites ranked second with a tourism score of (0.41). The reasons for this ranking can be attributed to the concentration of geomorphological phenomena in a small area (inside the cave), its location next to Rudafshan village, and natural attractions (Delichai River, the pristine nature of the village with green and tall trees). The Khumdeh mineral spring with a score of (0.31) ranked third. The reasons include the unique character of the spring in the region, its therapeutic properties, its proximity to the flowing Hableh-Rud River, the beautiful surrounding nature, and easy access via an asphalted road. The evaluations show that the tourism values of the geomorphological landforms in the Vashi Gorge region are mainly due to the high scores for physical beauty, cultural value, and scientific value of this landform. The interrelationships between these values should be considered. In general, across all landforms, the aesthetic score and the scientific score are similar.
ConclusionsAccording to the results, the highest tourism quality and value belong to the Vashi Gorge, and the lowest belongs to the Khumdeh mineral spring. However, except for the Vashi Gorge, the scores for scientific and aesthetic quality, as well as use potential, in the other landforms are very low. It is necessary to provide these landforms with the facilities needed by tourists to ensure optimal utilization of these areas. The tourism value of these sites depends on the high quality of their aesthetic appeal and their cultural and scientific qualities. Factors such as difficult access, the lack of amenities and proper services, and insufficient attention to geotourism have contributed to the relatively low total calculated scores.
Keywords: Alternative Livelihoods, Natural Attractions, Semnan, Valuation, Vashi Gorge -
Pages 514-533Introduction
Natural ecosystems play a vital role in maintaining environmental processes and life-support systems, but due to land-use changes and improper management, essential ecosystem services for human well-being have declined. This reduction has led to problems in areas such as energy, climate, and ecosystem services. With increasing population and human needs, greater pressure has been placed on ecosystems, highlighting the global importance of ecosystem services worldwide. The InVEST model, developed by the Natural Capital Project, serves as a tool for assessing and mapping these services. The objective of this research is to spatially analyze the hydrological ecosystem services using the InVEST model in the Neyshabur Watershed.
Materials and methodsIn this study, two sub-models—the Seasonal Water Yield and Sediment Delivery Ratio (SDR) models in InVEST—were used to assess water yield and estimate soil erosion in the study watershed. To run the model, inputs including Digital Elevation Model (DEM) maps, watershed and sub-watershed maps, precipitation, reference evapotranspiration, soil hydrological groups, land use, soil erodibility, rainfall erosivity, a biophysical data table, and the number of precipitation events were required. For calibration and validation of the model in the study area, data from three hydrometric stations in the watershed for the period 1982 to 1993 were used. Then, by adjusting the model’s sensitive parameters, including β (local topographic and soil parameter), γ (parameter related to infiltration rate in cells), Z (number of rainfall events), CN values, k_b, and IC₀ (parameters for the relationship between hydrological connectivity and sediment delivery ratio), the model was calibrated within the allowed range. Calibration was performed using the discharge and sediment data recorded at the Bar, Taghun, and Zarandeh stations for the period 1982 to 1989, and validation was carried out for the period 1990 to 1993. To determine the hydrological ecosystem services, monthly temperature and precipitation maps from WorldClim for the period 1970 to 2000 with an appropriate resolution were used, and the model was run based on these data.
Results and discussionAmong the parameters α, β, γ, CN, Z, k_b, and IC₀, the model showed the highest sensitivity to the parameters Z (number of rainfall events), CN values, k_b, and IC₀. The spatial variation pattern of quickflow in the Neyshabur watershed indicates that quickflow is primarily influenced by precipitation. The northern, northeastern, and eastern parts of the watershed, due to steep slopes and intense rainfall, experience higher quickflow, while the southwestern, southern, and central areas of the watershed have lower quickflow. A strong correlation of 0.83 between precipitation and quickflow confirms the significant impact of precipitation on surface runoff. The average annual quickflow in the Neyshabur watershed is 34.3 mm. The highest quickflow occurs in sub-watershed 1, and the lowest in sub-watershed 4. Soils with low permeability in sub-watershed 1 lead to increased quickflow, while more permeable soils in sub-watershed 4 reduce it. Regarding water yield, the annual average water yield of the watershed is 43.4 mm. The highest water yield is reported in sub-watershed 1, while the lowest is in sub-watershed 5. These differences are mainly attributed to the climatic conditions and land-use types. The average erosion rate in the Neyshabur watershed is 0.6 t ha⁻¹ yr⁻¹. The highest erosion occurs in sub-watershed 3, and the lowest in sub-watershed 4. Areas with steep slopes and intense rainfall are more prone to erosion. The most important finding regarding soil retention is that the soil retention rate in all sub-watersheds exceeds the erosion rate. Sub-watershed 3 has the highest soil retention, while sub-watershed 4, with the lowest soil retention, requires more protection. Forest, shrubland, and scrubland land uses have the greatest capacity to retain soil, while saline and marshy lands and residential areas play the least role in soil retention.
ConclusionsDetermining the hydrological ecosystem services of watersheds is crucial for better and more targeted watershed management. This study was conducted to spatially analyze these services in the Neyshabur watershed in Razavi Khorasan Province. In the northern and northeastern parts of the watershed, higher water yield is observed, which could be considered for water resource exploitation and flood control measures in these areas. Regarding soil retention, the results indicate that sub-watershed 3, with the highest soil retention, has high potential for preventing erosion. In contrast, sub-watershed 4, with the lowest soil retention, has limited potential to prevent erosion. Overall, the findings highlight the importance of evaluating the spatial pattern of hydrological ecosystem services in watershed management.
Keywords: Quickflow, Soil Erosion, Soil Retention, Watershed Management, Water Yield -
Pages 534-552Introduction
Land subsidence, a significant geological hazard, poses widespread risks to infrastructure, agriculture, and the environment. This phenomenon may result from factors such as excessive groundwater extraction, mining activities, oil/gas extraction, or natural causes like sediment compaction and tectonic movements. Accurate monitoring of land subsidence using advanced technologies is essential for mitigating its adverse effects. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), particularly the Persistent Scatterer InSAR (PSInSAR) technique, is one of the most advanced methods for monitoring ground deformation. With millimeter-level precision, it enables the detection of subtle land movements and serves as a critical tool for long-term subsidence monitoring over large areas. In this study, Sentinel-1 satellite data (ascending, descending, and combined modes) and the PSInSAR technique were utilized to assess and map land subsidence risk in major watersheds of Isfahan Province, including Isfahan-Borkhar, Najafabad, Northern Mahyar, Southern Mahyar, and Kuhpayeh-Sejzi. By providing detailed insights into the extent and severity of subsidence, this research identifies spatial and temporal patterns, offering crucial information for policymaking and risk management.
Materials and methodsThe study area encompasses extensive watersheds that include the metropolis of Isfahan, as well as significant agricultural lands and residential areas. The Sentinel-1 radar data spanning from 2014 to 2023 were used, including ascending and descending imagery, to resolve displacement ambiguities caused by the directional nature of movement. Initial data processing involved co-registration of radar images to align pixels accurately and generate interferograms for phase change extraction. Persistent scatterers (PS) were identified using the Amplitude Dispersion Index (ADI) and phase stability analysis. Atmospheric and orbital errors were corrected using statistical models and inversion techniques to eliminate biases. Temporal analysis of ground displacement was conducted to calculate deformation trends, with data georeferenced for spatial interpretation. Validation was carried out by comparing results with ground-based data and independent sources. Final outputs included cumulative subsidence maps, annual subsidence rates, and risk zoning maps highlighting areas prone to land subsidence.
Results and discussionThe findings reveal that subsidence in the study area ranged from negligible levels to 55 cm over the nine-year observation period. Annual subsidence rates in parts of the Isfahan-Borkhar and Southern Mahyar watersheds reached 60 mm per year. Combining ascending and descending data improved accuracy and enabled the separation of vertical and east-west horizontal displacement components. The highest cumulative subsidence was observed in urban and agricultural zones of the Isfahan-Borkhar watershed and in clayey sediment areas within the Southern Mahyar watershed. Risk zoning maps indicate that the Isfahan-Borkhar and Southern Mahyar watersheds have the largest areas classified as high-risk. The other watersheds predominantly exhibit moderate to low-risk zones. The maps demonstrate a strong correlation between severe subsidence and land use (urban and agricultural areas) as well as geological features (clayey sediments and alluvial deposits).
ConclusionsThe application of PSInSAR for monitoring land subsidence in Isfahan Province provides valuable insights into the patterns and trends of this phenomenon. The results highlight severe and ongoing subsidence in the Isfahan-Borkhar and Southern Mahyar watersheds, necessitating urgent planning and management measures to mitigate the associated risks. The link between subsidence and anthropogenic factors, such as excessive groundwater extraction, and geological characteristics underscores the need for integrated planning for sustainable water resource management and land use. The risk zoning maps presented in this study serve as essential tools for policymakers and urban planners to optimize risk management strategies. Future research should focus on continuous monitoring and the development of predictive subsidence models to address this issue effectively.
Keywords: Ascending, Descending Data, Psinsar Interferometry, Sentinel-1, Land Subsidence -
Pages 553-570Introduction
The complexity of aquatic systems, their spatiotemporal variations, the high cost and time-consuming nature of traditional testing methods, and the need for continuous monitoring all contribute to the difficulty of monitoring and evaluating water quality. Therefore, artificial intelligence, machine learning, and deep learning approaches are useful for predicting water quality given the diverse parameters involved and are more cost-effective compared to traditional testing methods. There is no uniform algorithm that performs optimally for predicting water quality, and different algorithms exhibit superior performance in different contexts. The quality of rivers in the Zagros mountainous region has decreased due to the erosion of karst formations, their passage through residential areas, changes in land use, drought, and climate change. Some of these rivers, such as the Karkheh, Karun, and Dez, serve as the source of drinking water for a population of over 10 million people. Therefore, changes in water quality pose increased risks and threats to the drinking water supply of these settlements. Assessing the quality of water resources and developing a suitable model will play an effective role in managing the required water supply. The present study aims to identify the best machine learning algorithm for estimating the water quality parameters of the Cham Anjir watershed while facilitating ongoing monitoring of the resource.
Materials and methodsData from 321 samples of discharge and water quality parameters at the Cham Anjir hydrometric station during the period 1969–2021 were used to select a suitable artificial intelligence model and to assessthe quality of surface water resources in the Cham Anjir watershed. These samples included physical and chemical indicators: TDS, TH, SAR, Na, Mg, Ca, and Cl. Machine learning algorithms were employed to model the water quality of the Cham Anjir watershed. Through iterative testing of different models, the Support Vector Machine (SVM) and Classification and Regression Tree (CART) models were selected as the best performers. A correlation matrix was used to evaluate relationships among the variables, and based on these correlations, monthly discharge and monthly water quality indices—including TDS, TH, SAR, Na, Mg, Ca, Cl, EC, %Na, pH, HCO₃, and temporary hardness—were analyzed. A total of 321 monthly samples of the two key indices, TDS and TH, were studied over the statistical period of 1969–2021. To evaluate the accuracy of the machine learning algorithms in water quality modeling, the following performance indices were used: coefficient of determination (R²), mean squared error (MSE), and mean absolute error (MAE).
Results and discussionThe p-value from trend tests confirmed the existence of an increasing trend at the 95% confidence level for the two variables TDS and TH (surface water quality parameters of the Cham Anjir watershed) since 1985. The average TDS in the first period (1969–1984) was 286.6 mg/L, and in the second period (1985–2021) it was 422.08 mg/L. The average TH in the first period (1969–1984) was 181.5 mg/L, and in the second period (1985–2021) it was 278.6 mg/L.The results of the correlation matrix indicated that TDS has a strong correlation with EC and TH. TH has a positive correlation with TDS, EC, HCO₃, Ca, Cl, and Mg , and an inverse correlation with pH. The machine learning algorithms SVM and CART successfully captured the increasing trend for the two parameters of total hardness and total dissolved solids in the discharge of the Cham Anjir watershed. The SVM algorithm with the linear kernel exhibited the best performance. In addition, the root mean square error (RMSE) validation index also showed lower values for the SVM algorithm compared to the CART algorithm. Therefore, SVM is more accurate in predicting water quality indicators.
ConclusionMachine learning algorithms are effective for water quality modeling. The results indicated an increasing trend in TDS and TH concentrations in the Cham Anjir watershed since 1985. SVM performed better than CART in predicting TDS and TH. The findings suggest that decreasing river flow, increasing water consumption, and karst geology influence TH and TDS concentrations in the quality of this watershed. Water quality monitoring is essential for water resource management. For future estimates of water quality in this context, the SVM algorithm is recommended.
Keywords: Decision Tree, Support Vector Machine, Total Hardness, Validation, Water Quality