تعیین نواحی همگن هیدرولوژیکی برای برآورد رواناب در حوضه‌های آبخیز فاقد آمار با استفاده از تحلیل خوشهای (مطالعه موردی: استان اردبیل)
محورهای موضوعی : مدیریت آب در مزرعه با هدف بهبود شاخص های مدیریتی آبیاریبتول 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
کلید واژه: آبدهی, مناطق همگن, تحلیل مؤلفه های اصلی, خوشه بندی,
چکیده مقاله :
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.
Grouping of catchments based on their climatic factors and physiographic characteristics is a prerequisite for regional analysis of runoff and its use for estimating discharge of catchments without discharge measurement station. In this study, catchments located in Ardabil province were separated into homogeneous hydrological zones using discharge, mean annual precipitation and physiographic characteristics of catchments and hierarchical clustering method. Due to the large number of parameters, by using principal component analysis, the first four components with 83.6% of total variance were selected as inputs for cluster analysis. Then, the optimal number of clusters was determined by using hierarchical method and drawing the tree diagram, and finally the final clustering was done by K-means method. Subsequently, the sub-catchments that followed a hydrological process were identified using the Dalrymple uniformity test. The results of the uniformity test showed that by excluding stations outside the confidence limits of each cluster, catchments that were similar in terms of annual discharge and other physiographic and meteorological parameters were clustered. Therefore, the number of sub catchments located in clusters 1, 2, 3 and 4 were 8, 4, 9 and 9 catchments, respectively, which can be used in regional analysis to estimate runoff and floods in catchments without discharge measurement data.
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.
_||_