تعیین نواحی همگن هیدرولوژیکی برای برآورد رواناب در حوضه‌های آبخیز فاقد آمار با استفاده از تحلیل خوشه‌ای (مطالعه موردی: استان اردبیل)

الموضوعات :

بتول پورسیف اللهی ¹ , امین کانونی ² , محمدرضا نیک پور ³ , جواد رمضانی مقدم ⁴

1 - گروه مهندسی آب دانشگاه محقق اردبیلی
2 - گروه مهندسی آب دانشگاه محقق اردبیلی
3 - دانشگاه محقق اردبیلی
4 - دانشگاه محقق اردبیلی

تاريخ الإرسال : 24 الثلاثاء , جمادى الثانية, 1441 تاريخ التأكيد : 07 الأربعاء , جمادى الثانية, 1442 تاريخ الإصدار : 07 الجمعة , رجب, 1442

الکلمات المفتاحية: آبدهی, مناطق همگن, تحلیل مؤلفه‏ های اصلی, خوشه ‏بندی,

ملخص المقالة :

گروه‌بندی حوضه‌های آبخیز با توجه به عوامل اقلیمی و خصوصیات فیزیوگرافی حوضه‌ها پیش‌نیاز تحلیل منطقه‌ای رواناب و استفاده از آن برای تخمین آبدهی حوضه‌های فاقد ایستگاه سنجش دبی است. در این تحقیق با استفاده از داده‌های دبی، متوسط بارش سالانه و خصوصیات فیزیوگرافی حوضه‌های آبخیز و با روش خوشه‌بندی سلسله مراتبی وارد و k-means ، حوضه‌های آبخیز واقع در استان اردبیل به مناطق همگن هیدرولوژیکی تفکیک شدند. به علت تعدد زیاد پارامترها ابتدا با تحلیل مؤلفه‌های اصلی، چهار مؤلفه اول با تبیین 6/83 درصد واریانس کل، به عنوان ورودی تحلیل خوشه‌ای انتخاب شدند. سپس تعداد بهینه خوشه‌ها به کمک روش سلسله مراتبی وارد و رسم نمودار درختی، تعیین و در نهایت با روش k-means خوشه‌بندی نهایی انجام شد. در ادامه با به کارگیری آزمون یکنواختی دالریمپل، زیرحوضه‌هایی که از لحاظ هیدرولوژیکی از یک فرآیند آبدهی پیروی می‌کردند، شناسایی شدند. نتایج آزمون یکنواختی نشان داد که با کنار گذاشتن ایستگاه‌های واقع در خارج از محدوده اطمینان هر خوشه، زیرحوضه‌های که از نظر آبدهی سالانه و سایر پارامترهای فیزیوگرافی و هواشناسی با یکدیگر شباهت داشتند در یک خوشه قرار می‌گیرند. بنابراین تعداد زیرحوضه‌های واقع در خوشه‌های 1، 2، 3 و 4 به ترتیب برابر 8، 4، 9 و 9 حوضه بوده است که می‌تواند در تحلیل منطقه‌ای به منظور برآورد رواناب و سیلاب در حوضه‌های آبخیز فاقد داده‌های دبی سنجی، مورد استفاده قرار گیرد.

المصادر:

ارسی، م. 1396. ارزیابی اثرات تغییر اقلیم روی خصوصیات هیدرولوژیکی حوزه آبخیز یامچی. پایان­نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی منابع طبیعی گرایش آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.

بیابانکی، م. و اسلامیان، س. 1383. استفاده از روش خوشه­بندی در تعیین همگنی هیدرولوژیک و ارزیابی آن توسط روش­های تحلیل ممیزی و منحنی­های Andrew در حوضه آبخیز کرخه. مجله کشاورزی، 6 (2): 26-13.

جهانشاهی، ا.، شاهدی، ک.، سلیمانی، ک. و مقدم­نیا، ع. 1397. تعیین مناطق همگن هیدرولوژیکی در غرب حوضه هامون-جازموریان. تحقیقات منابع آب ایران، 15 (1): 235-223.

ﺧﺪﻣﺘﻲ ح.، منشوری، م.، ﺣﻴﺪری­زاده، م. و ﺻﺪﻗﻲ، ح. 1389. ﻣﻨﻄﻘﻪﺑﻨﺪی و ﺑﺮآورد دﺑﻲ ﺳﻴﻼﺑﻲ در ﺣﻮﺿﻪﻫﺎی آﺑﺨﻴﺰ ﻓﺎﻗﺪ آﻣﺎر ﺟﻨﻮبﺷﺮق اﻳﺮان ﺑﺎ ﺗﺮﻛﻴﺐ روش ﺷﺎﺧﺺ ﺳﻴﻼب و رﮔﺮﺳﻴﻮن ﭼﻨﺪ ﻣﺘﻐﻴﺮه (اﺳﺘﺎنﻫﺎی ﻛﺮﻣﺎن، ﻳﺰد، ﺳﻴﺴﺘﺎن و ﺑﻠﻮﭼﺴﺘﺎن و ﻫﺮﻣﺰﮔﺎن). نشریه آب و خاک مشهد، 24 (3): 593-609.

دارابی ح.، سلیمانی، ک.، شاهدی ک. و میریعقوب­زاده، م. 1391. طبقه­بندی زیرحوضه­ها براساس پارامترهای مورفومتریک با استفاده از تحلیل­های خوشه­ای در حوضه آبخیز پل دوآب شازند. نشریه دانش آب و خاک، 22 (4): 211-199.

زارع چاهوکی، م ع. 1389. تجزیه و تحلیل داده­ها در پژوهش­های منابع طبیعی با نرم­افزار SPSS. انتشارات جهاد دانشگاهی واحد تهران.

فرسادنیا ف. و مقدم­نیا، ع. 1392. تحلیل فراوانی منطقه­ای سیلاب با استفاده از روش خوشه­بندی ترکیبی نگاشت ویژگی خودسامان و فازی. مجله تحقیقات منابع آب ایران، 9 (3): 36-24.

فتحیان، ف. و احمدزاده، ح. 1391. تحلیل فراوانی منطقه‌ای سیلاب با استفاده از روش گشتاورهای خطی بر اساس تحلیل خوشه‌بندی در حوضه دریاچه ارومیه. علوم و مهندسی آبیاری، 35 (3): 106-95.

قهرمان، ب. و داوری، ک. 1393. افزایش کارایی فرآیند خوشه‏بندی-K میانگین توسط روش‏های سلسله مراتبی. آب و خاک، 28(3): 471-480.

کاظمی، ر. و پرهمت، ج. 1397. بررسی تاثیر روش‌های خوشه‌بندی سلسله مراتبی در دقت مدل‌سازی ضریب جریان در حوضه کرخه. مهندسی و مدیریت آبخیز، 10(1): 94-81.

محمدی جوزدانی، س.، ملکی­نژاد، ح. و دولتی، ع. 1398. تأثیر مناطق همگن هیدرو-اقلیمی بر تعیین بهترین توزیع احتمالاتی برای بارش­های حداکثر روزانه. مجله مهندسی منابع آب، 12 (40): 114-105.

مهدوی، م. 1392. هیدرولوژی کاربردی. انتشارات دانشگاه تهران، چاپ هشتم، جلد 2، تهران.

مهری، س.، مصطفی­زاده، ر.، اسمعلی­عوری، ا. و قربانی، ا. 1395. گروه­بندی آبخیزها براساس خصوصیات فیزیکی و دبی پایه جریان رودخانه با روش­های مختلف خوشه­بندی در استان اردبیل. نشریه ترویج و توسعه آبخیزداری، 4 (15): 41-31.

نوری، ر. ا.، اشرفی، خ. و اژدرپور، ا. 1387. مقایسه کاربرد روش­های شبکه عصبی مصنوعی و رگرسیون خطی چند متغیره براساس تحلیل مؤلفه­های اصلی برای پیش­بینی غلظت میانگین روزانه کربن مونواکسید: بررسی موردی شهر تهران. مجله فیزیک زمین و فضا، 34 (1): 152-135.

Abdolhay, A., Saghafian, B., Soom, M.A.M. and Ghazali, A.H.B. 2012. Identification of homogenous regions in Gorganrood basin (Iran) for the purpose of regionalization. Natural hazards, 61: 1427-1442.‏

Cerny, B.A. and Kaiser, H.F. 1977. A study of a measure of sampling adequacy for factor-analytic correlation matrices. Multivariate behavioral research, 12: 43-47.‏

Chang, F.J., Tsai, M.J., Tsai, W.P., and Herricks, E.E. 2008. Assessing the ecological hydrology of natural flow conditions in Taiwan. Journal of Hydrology, 354: 75-89.‏

Dalrymple, T. 1960. Flood frequency analyses. U.S. Geological Survey water-supply paper 1543-A.

Dikbas, F., Firat, M., Koc, A.C. and Gungor, M. 2012. Classification of precipitation series using fuzzy cluster method. International Journal of Climatology, 32: 1596-1603.

Farsadnia, F., Kamrood, M.R., Nia, A.M., Modarres, R., Bray, M.T., Han, D. and Sadatinejad, J. 2014. Identification of homogeneous regions for regionalization of watersheds by two-level self-organizing feature maps. Journal of Hydrology, 509: 387-397.

Gomes, E.P., Blanco, C.J.C. and Pessoa, F.C.L. 2019. Identification of homogeneous precipitation regions via Fuzzy c-means in the hydrographic region of Tocantins–Araguaia of Brazilian Amazonia. Applied Water Science, 9(6). https://doi.org/10.1007/s13201-018-0884-6.

Hosking, J.R.M. and Wallis, J.R. 1996. Regional frequency analysis: an approach based on L-moments. Cambridge University Press: Cambridge.

Jolliffe, I.T. 2004. Principal component analysis, 2nd edition. Springer Series in Statistics, USA.

Latt, Z.Z., Wittenberg, H., and Urban, B. 2015. Clustering hydrological homogeneous regions and neural network based index flood estimation for un-gauged catchments: an example of the Chindwin River in Myanmar. Water resources management, 29: 913-928.‏

Li, Q., Li, Z., Zhu, Y., Deng, Y., Zhang, K. and Yao, C. 2018. Hydrological regionalization based on available hydrological information for runoff prediction at catchment scale. Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences, 379: 13-19.‏

Rafiei Sardooi, E., Azareh, A., Choubin, B., Barkhori, S., Singh, V.P. and Shamshirband, Sh. 2019. Applying the remotely sensed data to identify homogeneous regions of watersheds using a pixel-based classification approach. Applied Geography, 111: https://doi.org/10.1016/j.apgeog.2019.102071.

Raju, K.S. and Kumar, D.N. 2011. Classification of micro watersheds based on morphological characteristics. Journal of Hydro-Environment Research, 5: 101-109.‏

Ward Jr., J.H. 1963. Hierarchical grouping to optimize an objective function. Journal of the American statistical association, 58: 236-244.‏

Wiltshire, S.E. 1986. Regional flood frequency analysis I: Homogeneity statistics. Hydrological Sciences Journal, 31: 321-333.