بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به خشکسالی و برداشت بیرویهي از منابع آب زیرزمینی امروزه پیشبینی تغییرات سطح آب زیرزمینی و پارامتر-هاي مرتبط با آن به یکی از مهمترین مسائل مدیریت منابع آب تبدیل گشته است، هدف اصلی این پژوهش بررسی تغییرات زمانی تراز سطح آب زیرزمینی آبخوان دشت مشهد با استفاده از دو روش سري زمانی و زمین آماراست، در این تحقیق براي سري زمانی ازمدل آریما در نرم افزار Minitab وبراي زمین آمار از مدل کریجینگ در نرمافزارGS+ استفاده گردید و توانایی این دو روش در تخمین تراز سطح ایستابی مورد ارزیابی قرار گرفت، براي دادههاي ورودي از دادههاي تراز سطح آب سه حلقه چاه نمونه واقع در ایستگاههاي کنهبیست، حسینآباد و امرقان - 1343-1391 - استفاده شد. براي ارزیابی در هر سه حلقه چاه هر دو مدل مورد استفاده قرار گرفت در نهایت در هر دو مدل با مقایسهي مقادیر تخمینی با مقادیر مشاهده شده با استفاده از معیارهاي آماريR2 وRMSE مشخص شد که در هر سه پیزومتر مدل آریما توانایی بیشتري در پیشبینی تغییرات تراز سطح ایستابی نسبت به روش زمینآمار دارد. به طوري که در مدل آریما مقادیر RMSE براي سه پیزومتر به ترتیب برابر 1/44، 1/35، 2/71 متر و در روش زمینآمار این مقادیر برابر 1,64، 2,91، 3,151 متر میباشد.
کلمات کلیدي: سري زمانی، زمین آمار، آریما، کریجینگ، آبخوان دشت مشهد
.1 مقدمه
آب زیزرمینی بعد از یخچالها بزرگترین منبع ذخیرهي آب شیرین محسوب میشوند، قابل توجه است که آب زیرزمینی فقط 6 درصد آبهاي موجود کرهي زمین را تشکیل میدهد حال آنکه این حجم بسیار ناچیز 98 درصد آب شیرین قابل استفادهي بشر را تامین می کند - تود،. - 2005 ایران از نظر جغرافیایی در منطقهاي از جهان واقع شده که متوسط بارندگی سالانهي آن 250 میلی متر است - علیزاده، - 1386، به طور کلی قسمت اعظم این کشور خشک وکم آب است وآب مورد نیاز روستاها، صنایع وشهرها از منابع آب زیرزمینی تامین میشود، در حال حاضر منابع آب زیرزمینی به دلیل برداشتهاي بیرویه به شدت روبه کاهش است. دشت مشهد جزء مناطق نیمه خشک است مهمترین منبع آبی مورد اعتماد جهت شرب وکشاورزي در این دشت سفرهي آب زیرزمینی است، در این دشت مسائل ناشی از آب تنها به علت کمبود منابع نیست، بلکه بیشتر به توزیع زمانی و مکانی ناموزون آن بر میگردد
، لذا پیشبینی مناسب زمانی ومکانی سطح آب زیرزمینی بسیار حائز اهمیت خواهد بود، براي پیشبینی تراز سطح آب زیرزمینی از روشهاي مختلفی میتوان استفاده کرد، از جملهي این روشها، روشهايسري زمانی وزمینآمار است. هرچند زمینآمار قدمت چندانی ندارد اما توسعهي روشهاي مختلف زمینآماري باعث شده تا برخی از مطالعات راجع به سطح آب زیرزمینی در رابطهي با مقایسهي انواع روشهاي زمینآماري انجام شود. - دیک، - 2006،میثاقی وهمکاران، - - 1381،کلین و همکاران - - 2005در مطالعهي خود با تکنیک زمینآمار کریجینگ معمولی، نقشهي همتراز سطح آب زیرزمینی را براي شمال دشت چین تهیه کردند؛ یافتههاي آنها افت سفرهي آب زیرزمینی به میزان 6 متر رادر مقایسه باسال1990 نشان میدهد، - ترابی، - 1378 در مطالعهي دشت کاشان به این نتیجه رسید که متوسط سطح ایستابی در طی سالیان 1344 تا 1376 حدود 16 متر افت داشت، احمدي و صدقآمیز - - 2007 روش کریجینگ را براي ارزیابی تغییرات مکانی و زمانی تراز سطح آب در39 چاه مشاهدهاي استفاده کردند، دسبارت و همکاران - - 2002 اطلاعات بدست آمده از dem رابراي براورد تراز سطح آب در آبخوانها با استفاده از مدل کریجینگ به کار بردهاند، هوکسما و همکاران - - 1989 روش کوکریجینگ را براي برآورد تراز سطح آب در نقاط مجهول به کار بردند؛ آنها تراز سطح آب و ارتفاع تراز سطح آب را عنوان متغیر هاي اولیه و ثانویه به کار بردهاند،
اولی و دیویس - 1999 - در یک تحقیق مفهومی روش کریجینگ را براي برآورد تراز سطح آب در چاه مشاهدهاي با استفاده از اعتبار سنجی حذفی به کار بردهاند، پراکش و سینگ - 2000 - روش کریجینگ را براي تعیین تعداد بهینهي چاههایی که به شبکهي موجود براي نظارت توزیع مکانی تراز سطح آب باید اضافه شود به کار بردند. بنابراین امکان آنکه تصویر واضحی از رفتار آبخوان در سطح منطقه فراهم شود مهیا میشود. سري زمانی نیز امروزه در بسیاري از شاخههاي مهندسی، علوم فیزیک و اقتصاد مورد استفاده قرار میگیرد. منظور از یک سري زمانی مجموعهاي از دادههاي آماري است که در فواصل زمانی مشخص جمعآوري شده باشد و روشهاي آماري که اینگونه دادهها را مورد استفاده قرار میدهند ،تحلیلهاي سري زمانی نامیده میشوند. تحلیل سري زمانی معمولا دوهدف را دنبال میکند، ابتدا درك و مدل کردن مکانیسم تصادفی و دوم پیشبینی مقادیرآیندهي سري که بر مبناي گذشتهي آن صورت می گیرد. سريهاي زمانی مدلهاي مختلفی دارد که از جملهي آن ها میتوان به آرما، آریما و آریماي فصلی اشاره کرد؛ آریما همان مدل خود همبستهي میانگین متحرك تلفیقشده - - - ARIMA - p,q,dمیباشد.
کاربرد مدلهاي خطی سري زمانی در هیدرولوژي از چهار دههي پیش آغاز شده است. مدلARIMAتوسط باکس و جنکینس در سال 1970 مطرح شده و از معمولترین رویکردها براي پیشبینی روند متغیرها است. یک مدلARIMA ترکیبی خطی از خطاهاي گذشته و مقادیر گذشته ي یک سري زمانی پایا است. که به صورت - ARIMA - p,q,d نشان داده میشود. در این رابطه p، وقفههاي گذشتهي متغیر وابسته و یا همان جملات خود توضیحی، d؛ تعداد دفعاتی است که سري زمانی باید تفاضلگیري شود تا پایا گردد و q تعداد جملههاي خطاهاي گذشته و یا همان جملات میانگین متحرك است. - آشگر طوسی: - 2003 با استفاده از سري زمانی، خشکسالی منطقهي شیروان در استان خراسان را پیشبینی نمود، جهانبخش با استفاده از سري زمانی و مدل آریما ، پنج ایستگاه معرف در پنج ناحیهي اقلیمی ایران را درفاصلهي سالهاي 1951تا 1955مورد مطاله قرار داد و نتیجه گرفت که مقادیر حداقل و حداکثر دما به جز مناطق نیمه خشک وگرم ایران در سایر مناطق از جمله نواحی دریاي خزر و نواحی کوهستانی تغییرات دمایی داشتهاند
و مجموع بارندگی ماهانه به جز در مناطق حاشیهاي کویرهاي مرکزي تغییرات آماري معنی داري ندارند. عزیزي و روشن - 1384 - جهت پیشبینی خشکسالی و ترسالی در استان سیستان و بلوچستان با استفاده ازمدل سري زمانی هالت وینترز به این نتیجه رسیدند که 3 دوره خشکسالی و 2 دوره تر سالی در منطقه رخ داده است. چوو و کارلیوتیس - 1970 - به آنالیز یک متغیرهي سريهاي زمانی بارندگی و درجه حرارت پرداختند؛ آنها در این آنالیز وجود مولفههاي تناوبی شدید یکساله و تناوب ضعیف با دورهي 6 ماهه را در سري دادهها تشخیص دادند. رئیسی - 1380 - با استفاده از روشهاي استوکستیک به مطالعهي تغییرات آب و هوایی جنوب ایران پرداخت، وي با روشهاي آنالیز طیفی، دادههاي 41 سال بارندگی و دماي شیراز را با استفاده از دادههاي دبی رودخانهي کارون در ایستگاههاي مختلف هیدرومتري و دادههاي بارندگی ایستگاههاي هواشناسی در زیرحوضههاي رودخانهي کارون با استفاده از تحلیل سري زمانی به بررسی عکسالعمل تغیرات دبی نسبت به بارندگی پرداختند ودر نهایت یک سیستم مدیریتی پیشبینی دبی رودخانه با استفاده از مدلهاي *ARIMAارائه نمودند. بورلاندو و همکاران، - 1966 - از مدلهاي ARIMA جهت پیشبینی همزمان بارندگیهاي ساعتی استفاده کردند و مقادیر بدست آمده را با دادههاي باران سنجی مقایسه کردند آنها درتحقیق خود به این نتیجه رسیدند که با افزایش تداوم بارندگی، اختلاف میزان باران پیشبینی از مقدار واقعی متناظر خود بیشتر میشود، دمل و یالسین - 2007 - به پیشبینی سیلاب با استفاده از کاربرد سريهاي زمانی در رودخانهي میسیسیپی آمریکا پرداختند؛ نتایج آنها حاکی از توانایی سري زمانی در ساخت دادههاي دبی روزانه و صحت پیشبینی هاي حاصله است. از دیگر مطالعات صورت گرفته در این زمینه میتوان به پیشبینی شدت، تداوم و فراوانی خشکسالی با استفاده از روشهاي احتمالاتی وسري زمانی در استان سیستان و بلوچستان توسط - ضیئی و همکاران، - 1382، کاربرد سريهاي زمانی ماهانه در پیشبینی رواناب در حوضهي آبخیز کشف رود توسط میان آبادي و افشار - - 1378، بررسی تغییرات دراز مدت دبی رودخانهي کارون با روش سري زمانی توسط صدقی - 1379 - اشاره کرد. در این پژوهش با استفاده از روشهاي زمینآمار و سري زمانی به صورت کمی به پیش-بینی سطح آب زیرزمینی ومقایسهي توانایی این دو روش در برآورد سطح ایستابی پرداخته میشود.
-2 مواد وروشها:
دشت مشهد جزء حوضه آبریز کشف رود میباشد. این حوضه در شمال استان خراسان رضوي در طول جغرافیایی 58/20 تا 60/8 و عرض 35 /40 تا 36 /3 واقع شده است و از شمال به خط الراس ارتفاعات هزار مسجد - کپه داغ - ، از جنوب به ارتفاعات بینالود و از شمالغرب به حوضه آبریز رودخانهي اترك، از جنوب شرق به حوزه آبریز جامرود محدود می شود. دشت مشهد میان دشتهاي کلات نادر ، قوچان - شیروان ، نیشابور ، سنگ بست ،ینگجه، دشت نریمانی محصور است. سطح کل حوضه تا محل خروجی از دشت - کال تنگل شور - 9909 کیلومتر مربع است که از این میزان 3351 کیلومتر مربع آن را دشت و 6558 کیلومتر مربع آنرا ارتفاعات تشکیل میدهد .طول کشیدگی حوضه حدوداً معادل 150
