Science & Engineering. Vol. 4, No. 13, Winter 2011 غرب مقدمه تهران

Transcript

1 پژوهشی علمی- مجله ایران آبخیزداری مهندسی و علوم Iran-Watershed Management Science & Engineering Vol. 4, No. 13, Winter زمستان 13- شماره چهارم- سال براي آبشناختی همگنبندي روش بهترين تعيين آبخيز حوزههاي در سيالب منطقهاي تحلیل و تجزیه كشور غرب 4 فتحي گالويژ و 3 وفاخواه مهدي 2 محسنيساروي محسن 1 خسروي مريم 89/05/04 پذیرش: تاریخ 88/07/12 دریافت: تاریخ چكيده و تجزیه براي آبشناختی همگنبندي براي پژوهش اين در استان سه در واقع آبخيز حوزههاي در سيالب منطقهاي تحلیل مبتني روش سه از كرمانشاه( و لرستان )همدان كشور غربي و ویژگیها استان( سه سياسي )مرزهاي طبيعي ويژگيهاي بر تجزيه و النگبين( همگني )آزمون جريان آبشناختی عكسالعمل ابتدا منظور اين براي شده استفاده وارد( )روش خوشهاي تحليل و آماري دوره طول تعيين از بعد و جمعآوري الزم اطالعات و داده دادههاي زماني سري نقصهای بازسازي به اقدام سال( )26 مشترك انتخاب با گرديد. انتخابي آبسنجی ايستگاه 30 در اوج دبي اوج دبيهاي نوع 3 ( پيرسون )لوگ منطقهاي آماري توزيع بهترين همگن منطقههای گرديد. برآورد مختلف بازگشت دورههاي با منطقه دو به خوشهاي تحليل و تجزيه روش در آبشناختی محدودههاي و همگن منطقه يك النگبين همگني آزمون همگن مربوط معادلههای سپس شد. تقسيم همگن منطقه 3 جغرافيايي منطقه كل و همگن منطقههای در دوسال دورهبازگشت با دبي به آمده دست به رابطههای كه ميدهد نشان نتايج گرديد. محاسبه داراي خوشهاي تحليل و تجزيه روش به همگن منطقههای در ميباشد. همبستگي ضريب بيشترين و استاندارد اشتباه كمترين روش بهترين عنوان به خوشهاي تحليل و تجزيه روش بنابراين ميگردد. پيشنهاد همگنبندي تهران دانشگاه طبيعي منابع دانشكده آبخيزداري ارشد كارشناسي آموخته دانش 1- mkhosravi.85@gmail.com تهران دانشگاه طبيعي منابع دانشكده استاد 2- مدرس تربيت دانشگاه دريايي علوم و طبيعي منابع دانشكده استاديار 3- دانشگاه طبيعي منابع دانشكده آبخيزداري ارشد كارشناسي دانشآموخته 4- تهران تحلیل و تجزیه آبشناختی همگنبندي كليدي: واژههاي آبخيز حوزههاي و خوشهاي تحليل و تجزيه النگبين منطقهاي كشور غرب مقدمه دارد وجود ايران آبخيز حوزههاي اغلب در كه مشكالتي از يكي آبسنجی ايستگاه نبود دليل به دقيق و كامل اطالعات و آمار عدم آمار داراي يا و آمار فاقد آبخيز حوزههای در طرفي از ميباشد. مواردي چنين در نمود. استفاده آماري توزيعهاي از نميتوان محدود موردنظر بازگشت دوره با سيل دبي برآورد براي حلها راه از يکي بر که طوري به میباشد منطقهاي سيالب تحليل و تجزيه انجام مانند مختلفي روشهاي از که آبخيز حوزه سيل متوسط دبي مبناي ویژگیها و بارندگي و دبي بين روابط يا و آبخيز حوزه سطح رابطه بازگشتهاي دوره در سيل دبي ميآيد دست به حوزه فيزيکي اغلب آبشناختی در منطقههای گروهبندي ميگردد. محاسبه مختلف منطقههای به جريان آمار داراي منطقههای از اطالعات انتقال منظور به انتقال همگن بخشهاي به منطقه تقسيم با ميگيرد. صورت آمار فاقد در پژوهشهایی تاكنون ميگيرد. صورت بيشتري دقت با اطالعات از كدام هر در كه شده انجام سيالب منطقهاي تحلیل و تجزیه زمينه استفاده آبشناختی همگنبندي روشهاي از يكي از پژوهشها اين بررسي به پژوهشي در ]8[ سينكلر و آكرمن جمله از است. شده در آبخيز حوزه ویژگیهای اساس بر همگن منطقههای تعيين اهميت همگنبندي براي آنها پرداختند. اسكاتلند در سيالب منطقهاي تحليل منطقه پنج بين از كردند. استفاده خوشهاي تحليل و تجزيه روش از نبوده دبي تغييرات توضيح به قادر دو گروه تنها شده ايجاد همگن ايالتهاي در را سيالب منطقهاي مدلهاي ]9[ هس و استامي است. مساحت اساس بر را نظر مورد منطقه آمريكا فلوريدا و جورجيا ]14[ همکاران و تاسکر کردند. طبقهبندي همگن منطقه چهار به چهار به جغرافيايي روش با را آرکانزاس در پژوهش مورد منطقه و اوردا شد. ارایه معادلهاي يک هر براي و نموده تفکيک منطقه اونتاريوي ايالت در پژوهش مورد آبخيز حوزه در ]11[ همکاران و تجزیه روش از آبشناختی همگن منطقههای تعيين براي کانادا ]12[ همکاران و جلدسن کردند. استفاده استاندارد همبستگي تحلیل روش از سيالب منطقهاي تحلیل و تجزیه براي جنوبي آفريقاي در کردند استفاده همگنبندي براي روش به خوشهای تحلیل و تجزیه ماهانه بارندگي تمرکز نمایه اساس بر را پژوهش مورد منطقههای و 1389 زمستان 13- شماره چهارم- سال 15 ایران آبخیزداری مهندسی و علوم

2 پژوهشي ]5[ سپاسخواه و موسوي نمودند. تقسيم همگن منطقه دو به استان آمار فاقد آخيز حوزههاي در روزانه بیشینه دبي برآورد براي را مورد منطقه النگبين همگني آزمون از استفاده با دادند. انجام فارس براي ]6[ هنربخش شد. تقسيمبندي همگن ناحيه چهار به پژوهش دوره با سيالبهاي براي مرکزي آبخيز حوزه در واقع ايستگاه 32 مقايسه با برد. کار به را 1 آكرس همگني روش مختلف بازگشتهاي از استفاده با سيالب نمایه و چندگانه همبستگی معادله روشهاي کارآيي سيالب نمایه روش که داد نشان خطا مربع ميانگين جذر نشان را سال 2 بازگشت دوره با سيالب اهميت که دارد بيشتري و تجزيه روش چهار از گروهها تعيين براي ]1[ روحاني ميدهد. گروه متوسط همسايه دورترين همسايه نزديکترين خوشهاي تحليل منطقه دو و داد ارایه بهتري نتيجه وارد روش کرد. استفاده وارد و سيالب نمایه گروهبندي روش در ]2[ عباسيزاده شد. حاصل همگن از گروهها تعيين براي و نمود استفاده خوشهاي تحليل و تجزيه از گروه متوسط همسايه دورترين همسايه نزديکترين روش چهار تطابق وارد مراتبي سلسله خوشهبندی نتايج کرد. استفاده وارد و داشت پژوهش مورد منطقه طبيعي جغرافيايي واقعیتهای با بيشتري از استفاده ضمن پژوهش اين در شد. حاصل همگن منطقه دو و همگنبندي روش مناسبترين آبشناختی همگنبندي روش سه هدف ميگردد. معرفي سيالب منطقهاي تحلیل و تجزیه اجراي براي نظر از منطقههای همگنبندي روش بهترين تعيين پژوهش اين از ميباشد. آبشناختی روشها و مواد پژوهش مورد منطقه موقعيت لرستان استان سه شامل کشور غرب در واقع مطالعاتي منطقه در و ميباشد مربع كيلومتر مساحت با کرمانشاه و همدان جغرافيايي عرض و شرقي 50 3 ' تا ' جغرافيايي طول استان كه ترتيب بدين است شده واقع شمالي ' تا ' طول و شمالي ' تا ' جغرافيايي عرض بين لرستان حدود آن وسعت و گرفته قرار شرقي 50 3 ' تا جغرافيايي' متنوعي هواي و آب داراي لرستان استان است کيلومترمربع و کوالک و برف لرستان شمال در که هنگامي زمستان در است و مطبوع هواي از آن جنوبي قسمتهای دارد جريان شديد سرماي کيلومترمربع مساحت با همدان استان است. برخوردار باراني جغرافياي طول و شمالي ' تا ' جغرافيايي عرض بين بر و اقليمي نظر از است. گرفته قرار شرقي ' تا ' سه در استان سطح در واقع ايستگاههاي دومارتن روش اساس ميگيرند. قرار مديترانهاي و نيمهمرطوب نيمهخشک اقليمي طبقه ميانه در كيلومترمربع معادل مساحتي با کرمانشاه استان شمالي ' تا ' جغرافيايي عرض كشور غربي ضلع و است گرفته قرار شرقي ' تا ' جغرافيايي طول و شكل) 1 ( ]3[. است مديترانهاي هواي و آب داراي اقليمي لحاظ از نشان پژوهش مورد منطقه در را آبشناختی ايستگاههاي موقعيت ميدهد. پژوهش مورد منطقه آبشناختی ايستگاههاي موقعيت 1- شكل پژوهش روش 1- Acres 1389 زمستان 13- شماره چهارم- سال 16 ایران آبخیزداری مهندسی و علوم

3 مراحل انجام كار به شرح زير ميباشد: 1- جمعآوري آمار و اطالعات دادهها و اطالعات موردنياز شامل دبي حداكثر لحظهاي بارندگي متوسط ساالنه مساحت حوزه آبخيز باالدست و ارتفاع متوسط مربوط به 30 ايستگاه آبشناختی از سازمان پژوهشهای منابع آب كشور دريافت شد. براي تجزيه و تحليل دادهها از نرمافزار SPSS نسخه 11 استفاده گرديد. 2- انتخاب دوره آماري مشترك تعداد سالهاي آماري حوزههاي مورد استفاده متفاوت است لذا در ابتدا دوره آماري 26 ساله از سال آبي 1355 تا سال آبي 1380 به عنوان دوره آماري مشترک انتخاب گرديد. از ايستگاههايي استفاده شد که آمار باالي 20 سال داشتند. در پژوهش حاضر به دليل وجود فقط يک ايستگاه کامل و دقت بيشتر روش نسبت معمولی نسبت به روش همبستگي تا حد امکان از اين روش براي بازسازي نقصها آماري استفاده گرديد ]3[. 3- تعيين توزيع احتمال منطقهاي براي برازش توزيعهاي مختلف آماري و انتخاب بهترين توزيع فراواني از نرم افزار 1 HYFA استفاده گرديد و هفت توزيع آماري معمولی لوگ معمولی دو عاملي لوگ معمولی سه عاملي گاما دو عاملي پيرسون نوع سه لوگ پيرسون نوع سه و توزيع گمبل با شش روش ويبول هيزن چگودايف بلوم توکي گرينگورتن بر آنها برازش داده شد. در نهايت در آزمون برازش نکويي با توجه به اين که هر توزيعي که ميانگين انحراف نسبي کمتري )حداقل مربعات( داشته باشد توزيع برتر شناخته ميشود به آن امتياز 1 و به نامناسبترين توزيع امتياز 7 داده شد. مشاهده شد که توزيع لوگ پيرسون نوع سه با کمترين حداقل مربعات با جمع امتياز 39 و معدل 25/1 در 33/73 درصد حالتها نسبت به بقيه توزيعها انطباق بهتري بر سري دادهها دارد عالوه بر اين از نرمافزار SMADA نيز استفاده شد و مشاهده گرديد كه منحني مربوط به لوگپيرسون نوع سه تطابق بيشتري با منطقه دارد بنابراين دبي با دوره بازگشتهاي مختلف بر مبناي اين توزيع برآورد گرديد. 4- روشهاي تعيين همگني در حوزههاي آبخيز با توجه به پژوهشهای انجام شده برا ي تعيين منطقههای همگن ميتوان از معيارها و روشهاي مختلفي استفاده كرد كه در زير به آنها اشاره ميشود: الف- روشهاي مبتني بر ويژگيهاي طبيعي بعضي از پژوهشگران )تاسکر و همکاران 1996( با استفاده از ویژگیها آب و هوايي محدودههاي جغرافيايي مرزهاي سياسي و وضعيت ارتفاعي منطقههای همگن را از يکديگر جدا مينمايند ]10 و 15[. در اين پژوهش بر مبناي مرزهاي سياسي همگنبندي منطقههای صورت گرفت و سه منطقه همگن بر اساس مرز هر استان ايجاد شد. ب- روشهاي مبتني بر ویژگیها و عکس العمل آبشناختی حوزه آبخيز روش ترسيمي آزمون همگني النگبين که توسط سازمان زمينشناسي اياالت متحده آمريکا ارایه شده براي تعيين منطقههای همگن بهکار ميرود ]4[. در اين روش پس از تعيين توزيع مناسب منطقهای جريان سيالبي با دوره بازگشت 2 و 10 سال براي هر ايستگاه محاسبه شده سپس نسبت Q10/Q2 براي هر ايستگاه محاسبه شده و مقدار متوسط آن براي کليه ايستگاهها بهوسيله رابطه )1( تعيين ميشود )n تعداد ايستگاهها(: n Q )1( K = 1/ n 1 0 Q i= 1 2 سپس دبي يکنواخت شده براي هر ايستگاه از رابطه )2( محاسبه ميگردد. Q k =KQ 2 )2( پس از تعيين دبي يکنواخت شده دوره بازگشت دبيهاي يکنواخت شده براي هر ايستگاه تعيين ميگردد. با انتقال اين دوره بازگشت و تعداد سالهاي آماري موجود در دوره نمایه )بدون بازسازي( روي کاغذ مخصوص آزمون همگني نقاط مختلفي به دست ميآيد چنانچه اين نقاط در محدوده بين دو منحني رسم شده قرار داشته باشند حوزههاي آبخيز آنها همگن و در غير اين صورت ناهمگن ميباشند و بايد از محاسبه حذف گردند ]15[. ج- تجزيه و تحليل خوشهای اين روش بر مبناي ویژگیهای فيزيكي حوزه آبخيز )مساحت و ارتفاع( و ویژگیهای جريان )دبي ويژه( با استفاده از عاملهای مستقل كار همگنبندي گروهها را انجام ميدهد. قبل از انجام تجزیه و تحلیل خوشهاي دادهها با استفاده از رابطه )3( براي كاهش خطا استاندارد ميشوند. n= x-x i s )3( در اين رابطه x i مقدار عددي هر متغير x ميانگين متغيرها S انحراف معيار و n مقدار استاندارد شده متغير ميباشد. براي تعيين فواصل بين افراد از طريق اندازه و مشابهت بين افراد از رابطه اقليدسي و براي تعيين گروهها از روش سلسله مراتبي و به طريق تجمعي براي تعيين همگني استفاده گرديد ]13[. روشهاي نزديکترين همسايه دورترين همسايه همبستگي بين گروهي و وارد براي تعيين نزديكي گروهها مورد استفاده قرار گرفتند. بعد از تعيين يك دوره 26 ساله به عنوان پايه آماري مشترك و انتخاب توزيع لوگ پيرسون نوع سه به عنوان بهترين توزيع فراواني اقدام به برآورد دبي با دوره بازگشتهاي مختلف شد و منطقههای از نظر آبشناختی با استفاده از سه روش مبتني بر ويژگيهاي طبيعي 1- Hydrological Frequency Analysis 17 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389 علوم و مهندسی آبخیزداری ایران

4 آبشناختی عكسالعمل و ویژگیها بر مبتني سياسي( )مرزهاي عنوان به وارد روش با خوشهاي تحليل و تجزيه و )النگبين( جريان سيالب منطقهاي تحليل و تجزيه براي گروهها نزديكي روش بهترين شد. همگنبندي نتايج نشان را همگني حدود آوردن دست به چگونگي )1( جدول حدود از خارج ايستگاه يك فقط كه ميدهد نشان )2( شكل ميدهد. منطقه در موجود آبسنجی ايستگاههاي بقيه نتيجه در و بوده همگني ميدهد نشان را خوشهاي تحلیل و تجزیه )3( شكل ميباشند. همگن است. داشته بيشتري دقت روشها ساير به نسبت پژوهش اين در كه زير صورت به همگن منطقه دو اينجا در ميگردد مالحظه چنانچه کشکان 1 آبخيز حوزههاي شامل همگن 1 گروه است. شده ايجاد آب گاماسياب 2 سرخاب چهلول دزد دره زمکان 2 کشکان 2 خميگان زهتران بادآور آباد صالح زمکان 1 کنگير آباد خرم سبزه حوزههاي شامل همگن 2 گروه و آبشينه کمندان مريانج درهتخت خرمرود قرهچاي سيمره گاماسياب 1 قرهسو 3 قرهسو 2 آبخيز زا بعد ميباشد. سيالخور و تويسرکان قرهسو 1 آبمرگ سيمينه رابطه از سيالب متوسط دبي برآورد براي همگن منطقههای تفكيك شد. استفاده حوزه سطح همگني آزمون در پايين و باال اطمينان حدود تعيين 1- جدول TU 2SE Y10 نمونهn تعداد پايين حد Y10-2SE باال حد Y10+2SE TL 6.3 = n /5 2/1-58/0 83/ /4 85/1 25/ /3 8/2 83/0 42/ /3 5/3 09/1 16/ /3 05/4 25/ /3 4/4 35/1 90/ /2 6/5 62/1 63/ /15 70/2 5/6 80/1 45/ /2 7/7 97/1 28/ /2 3/8 05/2 20/ سیالب دادههای تجانس نمودار 2- شکل 1389 زمستان 13- شماره چهارم- سال 18 ایران آبخیزداری مهندسی و علوم

5 شكل 3- دندروگرام تجزیه و تحلیل خوشهاي Q=0/26A^0/89 :منطقه همگن 1 )روش تجزیه و تحلیلخوشهاي( R 2 =0/79 SE=0/30 )4( Q=0/15A^0/88 :منطقه همگن 2 R 2 =0/78 SE=0/20 )5( Q=0/94A^0/78 :منطقه همگن 1 )روش النگبين( R 2 =0/61 SE=0/36 )6( Q=2/17A^0/64 :منطقه همگن 1 )مرزهاي سياسي( R 2 =0/41 SE=0/31 α=0/03 )7( Q=0/60A^0/89 :منطقه همگن 2 R 2 =0/79 SE=0/33 )8( Q=1/87A^0/89 :منطقه همگن 3 R 2 =0/79 SE=0/18 )9( Q=0/92A^0/78 ::كل منطقه R 2 =0/61 SE=0/36 )10( معادلههای مربوط به روش تجزیه و تحلیل خوشهاي بهصورت روابط )4( و )5( معادلههای مربوط به روش النگبين بهصورت روابط )6( و )7( معادلههای مربوط به روش جغرافيايي بهصورت روابط )8( و )9( و معادلههای مربوط به كل منطقه بهصورت رابطه )10( ارایه گرديد. بحث و نتيجهگيري 19 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389 علوم و مهندسی آبخیزداری ایران

6 كنفرانس آبشناختی. دانشگاه تهران. 6- هنربخش ا تجزیه و تحلیل منطقهای سيالب در حوزه آبخيز فالت مركزي. پايان نامه کارشناسي ارشد. دانشكده منابع طبيعي. دانشگاه تهران. 100 ص. 7- وزارت نيرو معاونت بهره برداري و مديريت منابع آب. اطلس منابع آب ايران. سازمان پژوهشهای منابع آب کشور. 8- Acreman, M.C. and Sinclair, C.D Classification of drainage basins according to their physical characteristics for flood frequency analysis in Scotland. Journal of Hydrology, 84: Astamy, T. C. and Hess, G.W Techniques for estimating magnitude and frequency of floods in rural basins in Georgia. U.S. Geological Survey Water Resources Investigations Report , 94p. 10- Murphey, D.E., Wallance, E. and Lane, L.J Geomorphic parameters predict hydrograph characteristics in the southwest. Water Resources Bulletin, 13(1): Ourada, B.M.J., Claude, G., George, S., Cavadias and Bobee, B Regional flood frequency estimation with canonical correlation analysis. Journal of Hydrology 254: Kjeldsen, T.r. and Smithers, J.C Regional flood frequency analysis in the KwaZulu- Natal provinces, South Africa, using the indexflood method. Journal of Hydrology, 255: Tasker, G.D Comparing methods of hydrologic regionalization. Water Resources Bulletin, 18(6): Tasker, G.D. and Hadge, S.A. and Sbarker, C Region of influence regression for estimating the 50-year flood at ungaged sites. Water Resources Bulletin, 32(1): Wiltshire, S.E Regional flood frequency analysis II: Homogeneity statistics. Hydrological (Sciences) journal. 31(3): نتايج حاصل از تجزيه و تحليل سيالب منطقهاي نشان ميدهد كه روش آزمون همگني النگبين با توجه به كمترين ضريب تعيين )0/61( و بيشترين اشتباه استاندارد )0/36( كمترين دقت را نسبت به دو روش ديگر داشته است به طوري كه حذف يك ايستگاه به عنوان داده ناهمگن تاثيري نداشته و جواب حاصل به طور کامل مشابه با زماني است كه از تمامي ايستگاهها براي تجزيه و تحليل سيالب منطقهاي استفاده شده است. روش تجزیه و تحلیل خوشهاي در سطح خطاي يك درصد داراي كمترين اشتباه استاندارد و بيشترين ضريب تعيين براي منطقههای همگن ايجاد شده ميباشد. معموال در بيشتر پژوهشهای انجام شده براي تجزیه و تحلیل منطقهاي سيالب فقط از يكي از روشهاي تعيين همگنبندي استفاده شده است كه مالحظه ميگردد بيشتر افراد از روش تجزیه و تحلیل خوشهاي استفاده نموده و بهترين روش نزديكي گروه را روش وارد معرفي كردهاند. روحاني عباسيزاده آكرمن و سينكلر و جلدسن و اسميترز از روش تجزیه و تحلیل خوشهاي موسوي و سپاسخواه از روش آزمون همگني النگبين هنربخش از روش همگني آكرس استامي و هس بر اساس مساحت تاسکر و همکاران با استفاده از روش جغرافيايي و اوردا و همکاران از روش تجزیه و تحلیل همبستگي استاندارد براي همگنبندي منطقههای استفاده نمودند. پژوهشي كه در آن روشهاي مختلف همگنبندي براي تعيين بهترين روش همگنبندي آبشناختی مورد بررسي و مقايسه قرار گيرند مشاهده نشد بنابراين مبني بر دقت و سهولت بيشتر روش همگنبندي تجزیه و تحلیل خوشهاي به عنوان روش مناسبتر براي تجزيه و تحليل منطقهاي سيالب پيشنهاد ميگردد. منابع 1- روحاني ح تحليل فراواني منطقهای سيالب به روش هيبريد در منطقههای خشک و نيمه خشک )مطالعه موردي: خراسان(. پايان نامه کارشناسي ارشد. دانشكده منابع طبيعي. دانشگاه تهران. 132 ص. 2- عباسي زاده م تحليل منطقهای سيالب به روش هيبريد )در البرز جنوبي(. پايان نامه کارشناسي ارشد. دانشكده منابع طبيعي. دانشگاه تهران. 107 ص. 3- فتحي گ انتخاب مناسبترين توزيع فراواني سيالب در غرب ايران. سمينار کارشناسي ارشد. دانشكده منابع طبيعي. دانشگاه تهران. 73 ص. 4- مهدوي م آبشناختی کاربردي )جلد اول و دوم(. انتشارات دانشگاه تهران. 364 و 473 ص. 5- موسوي ه. و سپاسخواه ع برآورد دبي بیشینه روزانه در حوزههای آبخيز فاقد آمار در استان فارس. مجموعه مقاالت اولين 20 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389 علوم و مهندسی آبخیزداری ایران