بخشی از مقاله
چكيده
يك آناليز آماري چند گونه‌اي براي ارزيابي روابط بين يك سراي از پارامترهاي زيستگاه رودخانه و تنوع در گروه زيستي سالمونيد در 13 ايستگاه جمع‌آوري شده و بخش اصلي آناليز براي مشخص كردن پارامترهاي مرتبط مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بهترين مدل رگرسيون با دو آمار محاسبه مي‌شود: Mallows CP و R2، براي مجموعه زيستي ماهي را توضيح مي‌دهد. شاخص‌هاي آماري متنوعي براي ارزيابي كيفيت مدل و توانمندي آن محاسبه مي‌شوند. براي تعيين چگونگي فراز و نشيب مدل كه به دليل ارزيابي مستقل خطاها در پارامترها تغيير كرده است، يك آناليز دقيقي انجام مي‌شود. اين تاثيرات اغلب ناچيز هستند. اثبات مي‌شود كه ممكن است براي ساده كردن ارزيابي كيفيت زيستگاه از يك مجموعه محيطي استفاده شود.
مقدمه
اهميت حفظ زيستگاه رودخانه در سال‌هاي اخير افزايش يافته است. تناسب يك سري از الگوها، ارزش زيستگاه را در رودخانه‌هاي ايتاليايي و تغييرات نتايج مديريت منابع آبي كشور كه بررسي شده است، را مورد برآورد قرار مي‌دهد. مدل‌هاي زيادي براي ارزيابي نيازهاي جاري در سطوح مختلف پيچيدگي‌ها، توسعه يافته‌اند.
مدل‌ها صرفاً از روش‌هاي هيدرولوژيكي از قبيل Montana (Tennant, 1975) يا Baxter (Baxter, 1961) دسته‌بندي مي‌شوند كه از اطلاعات فقط مربوط به رودخانه و روش‌هايي كه ويژگي‌هخاي متفاوت رودخانه را جمعاً تلقي مي‌كند، استفاده مي‌كند، از قبيل متولوژي Instream Flow Incremental (Bovee, 1982) كه هم از اطلاعات هيدروليكي و هم بيولوژيكي استفاده مي‌كند. همچنين مدل‌هايي وجود دارد كه گروه زيستي ماهيان نهري را از شاخصه‌هاي قابل ارزيابي محيط را انجام مي‌دهد و همچنين مي‌تواند براي ارزيابي اثر تغيير جريان بر جمعيت ماهي بكار گرفته شود. كميت جمعيت ماهي مي‌تواند يك شاخصي از ارزش زيستگاه رودخانه باشد كه مي‌تواند در مورد اقتصاد براي تسهيل تصميم‌گيري در رابطه با استفاده از آب مورد ارزيابي قرار گيرد.
اگرچه، چون اكثريت مدل‌هاي موجود براي پيش‌بيني تراكم زيستي كه اهميت منطقه‌اي و كاربرد زيادي دارد، مورد استفاده قرار مي‌گيرد و نياز براي توسعه‌ي يك شيوه براي پيش‌بيني گروه زيستي خاص، به ويژه در در رودخانه‌هاي ايتاليايي سالمونيد آلپين شناسايي مي‌شود.
بنابراين يك مدل براي پيش‌بيني فراواني سالمونيد (توده زيستي در هر منطقه واحد kgha-1) در رودخانه‌هاي كوه‌هاي ايتاليايي بر پايه‌ي شاخصه‌هاي قابل اندازه‌گيري محيط بوده است.
هدف، توسعه يك مدل است كه همانند تنوه توده‌هاي زيستي مختلف كه در حال حاضر موجود هستند، توضيح داده شود، اما با كوچكترين اطلاعات، بازده موردنظر تجربي را (زمان و پول) مورد بررسي قرار داده‌اند. فلسفه‌ي شيوه‌ي شاخصه‌ي كيفيت زيستگاه (HQI)، روش كاري براي توسعه‌ي مدل بوده است كه از پارامترهاي دروني انواع مختلف، از شاخصه‌هاي حوزه‌ي رودخانه براي عوامل شيميايي و بيولوژيكي با كاربرد معيار آماري متنوع استفاده مي‌كند.
مواد و روش‌ها
مكان‌ها و بازده‌ي تغييرپذير مورد بررسي
محل‌هاي بررسي شده از نهرهاي گوناگون بدست آمده در شش رودخانه متنفاوت در امتداد بخش غربي كوه‌هاي آلپ ايتاليا انتخاب شده است. 9 دامنه در دو رودخانه‌ي Tagliamento گرفته شده است. يك دامنه در رودخانه‌ي Mera و ديگر دامنه‌ها در 3 رود فرعي از رودخانه‌ي Adda گرفته شده است. دامنه‌هاي رودخانه از ارتفاع m a.s.l150 تا m a.s.l1850 دسته‌بندي شده‌اند و در معرض سطوح مختلف تاثيرات انساني قرار گرفته‌اند. اكثر زيستگاه‌هاي انتخاب شده تقريباً در مناطق باير قرار گرفته‌اند (بدون روستا، بدون ساختار هيدروليك،
بدون فعاليت‌هاي ماهي و زمين مورد بهره‌برداري محدود شده)، در حالي كه 3 دامنه‌ي رودخانه با آب و زمين تغيير مي‌كنند. همانطور كه مي‌دانيد، اكثر رودخانه‌هاي آلپين ايتاليا توسط فعاليت‌هاي انساني تحت تاثير قرار مي‌گيرند كه اين براي دربر گرفتن دامنه‌هاي رودخانه تغيير يافته مهم است.
ارتفاع مكان‌هايد مورد بررسي از 50 تا 300 متر متفاوت است كه به اندازه‌ي ارتفاع رودخانه‌ي مورد نياز براي مقدار كافي نمونه زيستگاه ماهي موجود بستگي دارد. در مورد انواع زيستگاه‌هاي ميانه، همانند تنگاب‌ها، حوضچه‌ها يا رودچه‌ها، اين امر نيز وجود دارد (Bovee, 1982).
انتخاب اطلاعات مختلف، روش‌هاي كيفي و كمي را مورد توجه قرار مي‌دهد. نخست، اشاره به عقايد كارشناسي و مقالات، براي مشخص كردن تنوع مرتبط با فراواني ماهي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بعد از اين انتخاب، شيوه‌هاي آماري چند گونه‌اي براي انتخاب يك زيرمجموعه از تنوع متناسب براي توصيف توده‌هاي زيستي متنوع در شش رودخانه‌ي مورد بررسي قرار گرفته، مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
زيستگاه متنوع رودخانه، در 6 طبقه وابسته به مقياس اندازه‌گيري و ويژگي‌هاي رودخانه كه آنها توصيف كرده‌اند، مي‌تواند تقسيم شود.
1. متغيرهاي گروه زيستي رودخانه (مثل منطقه‌ي ماهيگيري شده يا ارتفاعات)؛
2. متغيرهاي ساختارشناسي (مثل سطح آب، عرض يا پهناي دامنه)؛
3. متغيرهاي هيدرولوژيكي (مثل ميانگين جريان يا عمق سطح آب در يك سال)؛
4. متغيرهاي ساختار زيستگاه (مثل درصد پوشش يا فرسايش ساحل‌ها)؛
5. متغيرهاي بيولوژيكي (مثل فراواني بي‌مهرگان يا عوامل واكنش)؛
6. متغيرهاي شيميايي و فيزيكي (مثل درجه حرارت آب و يا غلظت اكسيژن غيرمحلول).
حداقل يك متغير، از هر يك از طبقه‌بندي‌هاي بالا، شامل مدلي برا توصيف زيستگاه رودخانه‌اي از مقياس كوچك تا بزرگ مي‌شود. همچنين ضروري است كه تعدادي از متغيرهاي بازده را محدود كنيم. به اين دليل كه نمونه‌ي تقريباً كوچكي (13 بخش) براي حفظ تعداد قابل قبولي از درجات آزادي استفاده شود.
يك نقطه‌نظر مهم ديگر در انتخاب متغيرهاي دروني، سهولت و هزينه‌ي اندازه‌گيري متغيرهاي رودخانه است، چون بسياري از رودخانه‌ها براي ارزيابي مي‌توادن سخت و هزينه‌بردار باشد.
اين فرآيند به انتخاب متغيرهاي بازده‌ي مقدماتي بعدي منتج مي‌شود:
1. ارتفاع دامنه‌يرود (m a.s.l)
2. شيب يكنواخت رود (%)
3. عرض دامنه‌ي رود (m)
4. ميانگين جريان يك ساله MAE (m3s-1)
5. تهي سازي Q95 (m3s-1)
6. شاخصه‌ي متغير جريان رود (SFV)؛ از نسبت بين قله (Q27) و جريان پايين (Q95) نتيجه‌گيري مي‌شود.
7. درصد پوشش (%)
8. فراواني بي‌مهرگان (تعداد در m2)
9. تراكم بي‌مهرگان
10. ماكزيمم دماي آب (oC)
11. غلظت نيترات (NO3) (mg L-1)
نمونه‌برداري اطلاعات
نمونه‌برداري طي يك دوره‌ي دو ساله (1994-1993) در طول ماه‌هاي تابستات (فقط جولاي و آگوست) براي ارزيابي محدودترين شرايط براي توده‌ي زيستي ماهي (به ويژه مرتبط با دماي بالاي آب و كيفيت آب) انجام مي‌گيرد. ارتفاع دامنه از نقشه‌هاي توپوگرافي خوانده مي‌شود، در صورتي كه ميانگين شيب يكنواخت رودخانه و عرض دامنه در زمين، با استفاده از يك دستگاه مترسنج زمين، تعيين مي‌شود.
متغيرهاي هيدرولوژيكي (MAF, Q95, SFV) از ثبت جريانات رود برآورد مي‌شود (معمولاً از تخليه‌ي روزانه ثبت مي‌شود).
SFV, Q95 به اين دليل انتخاب شدند كه آنها شاخصه‌هاي هيدرولوژيكي هستند كه به طور معمول براي استفاده مي‌شوند. به ترتيب، دوره‌هاي خشكي و متغيرهايي از تخليه مي‌رود در طول يك سال، فاكتورهايي كه مي‌توانند براي جمعيت‌هاي ماهي رودخانه محدود كننده باشند. درصد تحت پوشش از لحاظ بصري (واقعي) توسط سه عملكرد متفاوت ارزيابي مي‌شوند، اما مشخص شده است كه اين روش از لحاظ غريزي بوسيله اشتباهات زيدي تحت تاثير قرار مي‌گيرد (هوگل، وسك و هوبرت، 1991).
پوشش (پناهگاه) نيز مورد توجه قرار مي‌گيرد، هم مناطق آرام رودخانه (حوضچه، مناطق پايين رود با سرعت پايين يا نزديك ساحل و ...) و پوشش گياهي بيش از حد، كه اولي متداولترين نوع پوشش در دامنه‌هاي رودخانه‌ي انتخاب شده هستند (ماركوس، يانگ، نوئل و بث، 1990).
جمعيت بي‌مهرگان در اندازه‌هاي بزرگ (ماكرو) براي ارزيابي فراواني و توزيع نمونه‌برداري مي‌شوند، شيوه HQI پيروي مي‌شود (بنيز وايسرمن، 1978). دما يا در جايي كه موجود است، از ثبت تاريخي آن محاسبه مي‌شود يا در طول بررسي‌هاي تجربي مورد ارزشيابي قرار مي‌گيرد. اگر ثبت شده‌هاي تاريخي موجود باشند، دما به عنوان ميانگين ماكزيمم روزانه‌ي دماي آب در سال محاسبه مي‌شود. به غير از اينكه ميانگين دماي آب در طوب دوره‌ي آزمايش برآورد مي‌شود، يك شاخصه از دماي آب تابستان نيز مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
غلظت نيترات توسط آناليز آزمايشگاهي نمونه‌هاي آب جمع‌آوري شده در طول بررسي در نقاط متفاوت درون دامنه‌ي رودخانه بررسي و تعيين مي‌شود.
توده‌ي زيستي سالمونيد (ماهي آزاد) توسط ماهيگيري الكتريكي با استفاده از شيوه‌ي كم توان كردن (سه بار) مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. برآورد توده‌ي زيستي با استفاده از شيوه‌ي Zippin محاسبه مي‌شود.
گونه‌ها يا زيرگونه‌هاي سالمونيد: Salmo Trutta Marmoratus; Salmo Trurra Thymallas Thymallus; Salmo Trurra fario Marmoratus و طول ماهي ثبت مي‌شود.
تمام سنين طبقه‌بندي‌ها در آناليزي براي نشان دادن كل توده زيستي ماهي كه در واقع در دامنه‌ي رود هستند، مورد توجه قرار مي‌گيرد. چون در اكثر رودخانه‌هاي آلپ در دامنه‌هاي انتخاب شده‌ي رود، اينگونه از سالمونيدها برجسته هستند.
تكنيك‌هاي آماري چندمتغيره
مجموعه داده‌ها شامل 11 متغير براي كل 13 مكان استو منتج به تعداد كمي از درجات آزادي مي‌شود. آناليز تركيب كننده‌ي اصلي سپس براي آزمايش امكان كاهش متغيرهاي دروني اوليه استفاده مي‌شود. براي انتخاب بهترين مدل رگرسيون چندگانه، حداقل دو نوع فرآيند مي‌تواند دنبال شود. نخست استفاده‌ي جزئي از F يا آزمون T، و بكار بردن روش‌هاي خودكار كه اغلب روش مرحله‌دار (گام‌دار) ناميده مي‌شود. روش دوم، استفاده از بعضي اندازه‌گيري‌هاي كلي از كيفيت مدل است شيوه‌ي دوم مزيت بسياري دارد (هلسل و هيرچ، 1992).
سه نوع شيوه‌ي مرحله‌دار وجود دارد كه معمولاً رگرسيون، پيش‌رو، پس‌رو و مرحله‌دار ناميده مي‌شود.
اين سه نوع هميشه بر سر بهترين مدل توافق نمي‌كنند، به ويژه هنگامي كه به صورت چند راستايي حاضر باشند. آنها همچنين تمام مدل‌هاي ممكن را ارزيابي نمي‌كنند. بنابراين حتي نمي‌توانند تعهد دهند كه بهترين مدل آزمايش شده است. آنها از تكنولوژي كامپيوتري پيشين تا به امروز (مدل) توسعه يافته‌اند و از تمامي كاستي‌ها براي انجام معاملات رگرسيون براي مقايسه اجتناب مي‌كنند.
آمارهاي ديگر مي‌تواند براي ارزيابي كل كيفيت هر دو معادله‌ي رگرسيون ممكن از متغيرهاي توصيفي انتخاب شده K استفاده كنند. در اين بررسي روش دوم استفاده مي‌شود.
يك كد كامپيوتر براي توسعه‌ي محاسبه تمام مدل‌هاي ممكن محاسبه مي‌شود كه تمام زيرمجموعه‌هاي رگرسيون براي انتخاب بهترين مدل استفاده شده براي دو معيار توسعه مي‌يابد:
R2 تنظيم شده (Ra2) و آمارهاي Mallows CP. مورد اولي بخشي از واريانس توصيف شده توسط مدل تنظيم شده براي درجاتي از آزادي در اين مدل است (ميزان رهايي Ra2).
بعدي براي بدست آوردن يك مدل رگرسيون است كه همانند واريانس در پاسخ موجود كه ممكن است شرح داده شود، تمام احتمالات يا متغيرهاي ممكن را در بر مي‌گيرد و اين كوچك شدن‌ها واريانسي از نتايج برآورد شده با حفظ بزرگي درجات آزادي را برآورد مي‌كند.
سپس با بهترين مدل توسط بزرگ كردن Ra2 و كوچك كردن Malluws CP است. در مورد ميزان مشابه Ra2 و CP، مدل مي‌تواند با تعداد حداقل متغيرهاي كم هزينه انتخاب شود. هنگامي كه بهترين مدل رگرسيون انتخاب شود، كيفيت مدل براي مشخص كردن اهميت ضريب رگرسيون آزمايش مي‌شود. همچنين ضروري است تا چند راستايي متغيرهاي توصيفي، به عنوان چند راستايي كه ممكن است منتج به نتايج نامطلوب از قبيل بي‌ثباتي ضريب‌هاي اسلوپ و نشانه‌هاي غيرواقعي ضريب‌ها، اندازه‌گيري شود. مهم است تا در اين تحقيق تنوع محيطي بالايي مربوط به يكديگر مورد توجه قرار گيرند، از قبيل ضريب زاويه‌ي دامنه و ارتفاع، چند راستايي با استفاده از فاكتور تورم (VIF) كه به طور مستقيم مربوط به عرض دروني ضريب زويه‌ي رگرسيون بوده، اندازه‌گيري مي‌شود.
سپس متغيرهاي دروني، بسته به نقششان در مدل و ضريب جزئي مربوطه با توده‌ي زيستي سالمونيد طبقه‌بندي مي‌شوند. توده‌ي زيستي بررسي و پيش‌بيني شده توسط اندازه‌گيري يك خط رگرسيون و آزمايش در جايي كه ضريب زاويه از نظر اهميت از واحد متفاوت است، مقايسه مي‌شود.
بعد از انتخاب و آزمايش مدل رگرسيون، يك آناليز دقيق براي تعيين چگونگي ضريب زاويه‌ي تغيير يافته بر اساس خطاي اندازه‌گيري براي متغيرهاي زيستگاهي انجام مي‌شود. اين يك موضوع اساسي در مدل‌هايي از اين نوع است كه به دليل متغيرهاي زيستگاهي رودخانه، مي‌تواند به طور گسترده با ارزيابي خطاها تحت تاثير قرار گيرد. آناليز دقيق با 2 شيوه‌ي متفاوت دنبال مي‌شود. نخست بر اساس ملاحظات تئوريكي انجام مي‌شود. مشخص است كه كمترين برآوردها بر اساس اين فرضيه است كه پيش‌بيني كنندگان ميزاني را بدون ارزيابي خطاها تثبيت كنند. بنابراين هنگامي كه خطاها در اين پيش‌بيني‌ها در حداقل مربع رگرسيون كه به طور دقيق صحيح نيست روي دهد، مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. امكان‌پذير است تا تشخيص براي تعيين آنكه اگر اندازه‌ي محاسبه شده به طور مشخص متفاوت از اندازه‌ي تقريبي باشد، مورد ارزيابي قرار بگيرد كه اين رگرسيون با پيش‌بيني‌ها با اندازه‌گيري خطاها تحت تاثير قرار نمي‌گيرد و X* ماتريكس با اندازه‌ي صحيح است. سپس X=X*+D در جايي كه D يك ماتريكس خطاست.
Moore & Hodges (1972) نشان دادند كه:
در جايي كه ميزان پيش‌بيني شده‌ي ضريب رگرسيون محاسبه شده‌ي ماتريكس X است. ضريب رگرسيون ميزان درست ماتريكس x و S ماتريكسي از اندازه‌گيري واريانس خطاست.
بنابراين متناسب كردن يك مدل رگرسيون با متغيرهاي دروني با اندازه‌گيري خطاهاي ارائه شده بر، برآوردهاي پايه‌اي ضريب زاويه تحت تاثير قرار مي‌گيرد. ظاهراً نمي‌تواند به طور دقيق محاسبه شود. به اين دليل ميزان نامشخص است. با اين وجود ارئه‌ي يك برآوردي از توسعه‌ي اندازه ي در يك سري Taylor در حدود D=0 و عبارن مطرود شده امكان‌پذير است.
با اين حال برآورد محاسبه برآورد، در نخستين گروه ضريب رگرسيون به دليل خطاهاي اندازه‌گيري تئوري مورد محاسبه قرار مي‌گيرد.
دومين روش در آناليز دقيقي كه يك آناليز واقعي است، استفاده مي‌شود. يك هزار رگرسيون چندگانه با استفاده از يك هزار ماتريكس داده‌هاي متفاوت توسط تغيير متغيرهاي دروني بوسيله‌ي يك ميزان تصادفي درون دامنه‌ي اندازه‌گيري خطا بدست مي‌آيد. حساب ميانگين و انحراف معيار ضريب رگرسيون سپس براي تعيين متغير نتايج رگرسيون كه توسط خطاها اندازه‌گيري مي‌شود، مورد محاسبه قرار مي‌گيرد.
تمام محاسبات آماري در ارزيابي كامپيوتري FORTRAN با استفاده از كتابخانه ي ISML FORTRAN انجام مي‌شود.
نتايج
اولين مشكلي كه به آن برمي‌خوريم، تعداد محدود شده‌ي درجات آزادي است. سپس آناليز بخش اصلي براي استاندارد كردن داده‌هاي دروني براي مشخص كردن متغيرها بكار برده مي‌شود كه مفيد نيستند. ابتدا، در بخش اصلي در حدود 66% واريانس را توضيح مي‌دهد و اين آناليز به طور روشني نشان مي‌دهد كه درصد تحت پوشش در جهت توضيح اطلاعات متغير شركت ندارد (ميزان وزن كم براي هر دو بخش اول و دوم)، در نتيجه اين تغييرات از آناليز بيشتر بدست مي‌آيد. براي مشخص كردن بهترين رگرسيون Ra2 و Mallow CP با شاخصه‌ها براي تمام رگرسيون‌هاي چندگانه از يك زيرمجموعه‌اي از 100 متغير دروني محاسبه مي‌شود (ارتفاع، ضريب زاويه، عرض، MAF، Q95، SFV، فراواني بي‌مهرگان و اختلاف، دما و NO3 (نيترات)).
