بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق برای تشریح ویژگیهای تغییرپذیری مقیاسی و تحلیل رفتار تصادفی جریان رودخانه صوفیچای از زیر حوضههای دریاچه ارومیه در ایستگاه تازهکند از روش تحلیل چندفرکتالی نوسانات روندزدایی شده استفاده گردید. نماهای مهم مقیاسی و خواص چندفرکتالی سری تعیین شد تا پیچیدگی و نحوه تغییرات جریان رودخانه مورد بررسی بهتر درک شود، به این منظور در ابتدا اثرات روند فصلی حذف شد.
نتایج به دست آمده نشان میدهد سری مورد بررسی با مقدار نمای هارست 0/9 نویزدار بوده و نحوه تغییرات پارامترها حاکی از رفتار چندفرکتالی در مقیاسهای متفاوت است. طیف فرکتال چندگانه به دست آمده از تحلیل چندفرکتالی نوسانات روندزدایی شده انحراف را در ساختار فرکتال موجود در بازهی زمانی مورد نظر مشخص میکند، که حاکی از تغییرات شرایط حاکم بر دادهها میباشد که این تغییرات هم شامل شرایط حاضر و نیز پیشبینی شرایط آینده دادهها است.
1. مقدمه
برنامهریزی بهرهبرداری از منابع آبهای سطحی و زیرزمینی، ساماندهی رودخانهها و هشدار سیل نیاز به بررسی مناسب جریان رودخانه و رواناب حوضهآبریز دارد. با مطرح شدن نظریه آشوب4 برای بررسی رفتار سیستمهای پیچیده و پویا، فصل جدیدی از تحقیقات در زمینه مطالعه رفتار جریان رودخانهها گشوده شد. در نگاه اول سیستمهای آشوبناک به نظر میرسد رفتار غیرعادی و تصادفی داشته باشند، در صورتی که نظریهی آشوب سعی در بیان اینکه همین سیستمها تحت حاکمیت قوانین مشخصی بوده و یک نظم خاصی در این به ظاهر بینظمی نهفته است.
همچنین این نظریه در عمل چهارچوبی برای تشخیص تصادفی و یا قطعی، و خطی یا غیرخطی بودن دادهها ارائه مینماید، بهطوریکه تئوری آشوب با تعیین نوع رفتار سری زمانی امکان اختیار ابزار متناسب با آن رفتار را برای پیشبینی فراهم میآورد و توابع مولد سری زمانی آشوبگونه دادههایی تولید مینمایند که به ظاهر تصادفی است ولی طبیعتی قطعی دارنددر. نتیجه توصیف رفتار سری زمانی مربوطه باعث شده که نظریه آشوب عملاً به روش قابل اعتمادی برای تعیین درجه پیشبینیپذیر بودن سری زمانی تبدیل گردد.
یافتههای اخیر نشان میدهند رفتار جریان رودخانهها از نظر آماری تا حدی همبستهاند، بنابراین نیاز به یک روش مناسب برای بررسی ویژگیهای نوسان جریان میباشد. مطابق توسعههای صورت گرفته در نظریه آشوب و استفاده از مفاهیم فرکتالی یک ساختار جدید برای مدلسازی آشفتگیها و تغییرات دورهای برای درک رفتار قطعی و یا تصادفی بودن جریان رودخانهها فراهم میآورد تا بتوان رفتار این پارامتر را به طور دقیقتر توصیف نمود. وجود این ویژگیها توسط رویکردهای مختلفی شامل مدلهای تحلیل دامنه مقیاسی5، تحلیل نوسانات روندزدایی شده6 و غیره تایید شده است.
مزیت روش تحلیل نوسانات روندزدایی شده این است که به کمک آن میتوان همبستگیهای بلند مدت را حتی در سریهای به ظاهر ناایستا جستجو کرد، همچنین میتوان از ردیابی کاذب همبستگیهای ظاهری بلندمدت پرهیز کرد. اما این مدل نمیتواند به منظور بررسی رفتار مقیاسی توزیع احتمال در سریهای زمانی استفاده شود زیرا با محدودیت بازیابی اطلاعات تکراری مواجهاند.
بدین معنی که این مدلها تنها تصویر کلی از فرآیند ارائه میدهند بدون اینکه ویژگیهای جزئی را در نظر بگیرند و تحلیل چندفرکتالی از طریق تقسیم سیستم پیچیده به بخشهای مختلف مطابق با پیچیدگی آنها تغییرات دادهها را تشریح مینماید. روش تحلیل چندفرکتالی نوسانات روندزدایی شده که توسط کنتل هاردت و همکاران ارائه گردید، برای تعیین نماهای مهم مقیاسی فرآیندها، خواص چندفرکتالی و همچنین منشا ایجاد آنها به کار میرود، که به نظر آنها دو منشا متفاوت برای خواص چند فرکتالی وجود دارد: همبستگی متفاوت در مقیاسهای کوچک و بزرگ، و انحراف از تابع توزیع نرمال
در این تحقیق برای تحلیل رفتار تصادفی و تشریح ویژگیهای تغییرپذیری مقیاسی جریان رودخانه صوفیچای در ایستگاه تازه کند از زیر حوضههای دریاچه ارومیه از روش تحلیل چندفرکتالی نوسانات روندزدایی1 استفاده شده است. دریاچه ارومیه یکی از بزرگترین و مهمترین اکوسیستمهای آبی در ایران میباشد که با توجه به افزایش دما و کاهش - تغییرات - زیاد بارش در سالهای اخیر منجر به کاهش شدید تراز سطح آب دریاچه شده است. به این منظور آگاهی از میزان رواناب ناشی از آن در تفسیر و بررسی ذخیره آبی و همچنین مسائل مربوط به برنامهریزی و مدیریت منابع آب این حوضه موثر میباشد.
2. پیشینه تحقیق
از جمله مطالعات انجام گرفته میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
پاندی و همکاران تحلیل چندفرکتالی بر روی دادههای جریان 19رودخانه واقع در حوضههایی با مساحت متفاوت در آمریکا انجام دادند. نتایج به دست آمده نشان میدهد سریهای روزانه جریان رودخانه حاکی از رفتار فرکتال چندگانه در مقیاسهای متفاوت بوده ولی هیچ تغییرپذیری سازگاری در هر حوضه نسبت به حوضه دیگر وجود ندارد. سه پارامتر اصلی در تحلیل چندفرکتالی نه تنها در مقیاسهای زمانی متفاوت یکسان نیستند، بلکه در حوضههای با اندازه متفاوت نیز تغییر مییابند، که این مسئله احتمالاً نشاندهنده مقیاس چندگانه مکانی و زمانی فرآیند بارش و رواناب میباشد .
همبستگی زمانی و خصوصیات چندفرکتالی دادههای جریان رودخانه 41 ایستگاه هیدرولوژیکی در سطح جهان با دوره ثبت طولانیمدت توسط باند و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. با وجود روند در دادههای مورد بررسی از تکنیکهای متعددی به منظور آگاهی از همبستگی طولانیمدت و رفتار چندفرکتالی استفاده گردید تا بهطور سیستماتیکی ناایستایی در دادهها و در تمامی مقیاسهای زمانی مورد بررسی شناسایی و برطرف گردد.
نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد در بازههای زمانی در حدود چندهفته دادههای جریان روزانه همبسته هستند و توسط تابع همبستگی به صورت مشخص میگردند. همچنین در اغلب سریهای مورد بررسی در بازههای زمانی طولانیتر، رفتار چندفرکتالی ضعیف رخ میدهد، که این نوع رفتارتوسط تعمیم روش مدل آبشاری ضربی به دست آمد .
موحد و هرمانز از تعدادی روش تحلیل فرکتالی استفاده نمودهاند تا نوسانات جریان رودخانهها را مورد مطالعه قرار دهند. نتایج حاصل از روش تحلیل چندفرکتالی نوسانات روندزدایی شده نشان داد دو مقیاس زمانی متقاطع وجود دارد و در این تحقیق نحوه وجود ارتباط بین روندهای سینوسی به همچون مقیاسهای زمانی مورد بحث قرار گرفته است. همچنین با استفاده از تحلیل نوسانات روندزدایی شده فوریه، روند سینوسی برطرف گردید، بهطوریکه مقادیر توان هارست برای جریان رودخانههای مورد بررسی بدون روند سینوسی رفتار همبسته دراز مدت نشان داد
رگو و همکاران با استفاده از تکنیک تحلیل چندفرکتالی نوسانات روندزدایی شده، نوسانات سطح تراز آب برخی از رودخانههای مهم کشور برزیل را مطالعه نمودهاند. آنها مقادیر توان هارست را برای دادههای سطح تراز آب 16 ایستگاه هیدرولوژیکی واقع در شهرهای با اقلیمهای متفاوت به دست آوردهاند. نتایج حاصل از این تحقیق رفتار ناایستا و وجود فرکتال چندگانه در تمامی سریهای مورد بررسی به اثبات رساند.
همچنین مطابق نتایج به دست آمده میتوان برای بررسی سطح تراز آب رودخانههای برزیل مطابق دیدگاه چندفرکتالی عمل نمود تا بدین وسیله بتوان درک بهتری از رفتار پیچیده قوانین مقیاسگذاری موجود در سریها داشت
فتحیان و همکاران با استفاده از آزمون کندال فصلی روند سریهای زمانی آب و هواشناسی در زیر حوضه آجیچای از حوضه دریاچه ارومیه بررسی نمودهاند. علاوه بر این، مقدار نمایه هارست به عنوان یک عامل تاثیرگذار بر روند و فصلیت سریهای زمانی با استفاده از روشهای محدوده مقیاس - - R/S، واریانس و تحلیل نوسانات روندزدایی شده ارزیابی گردید. نتایج نشان داد دما روند معنیدار افزایشی، و بارندگی هم روند معنیدار کاهشی و هم روند معنیدار افزایشی را در سطح اطمینان 10 درصد در زیرحوضه مورد بررسی نشان میدهند.
برای متغیر دبی نیز ایستگاههای پائیندست روند معنیدار کاهشی نشان میدهند. نتایج تحلیل روشهای تخمین نمایه هارست نشان دادند سریهای زمانی بارش و دبی دارای تداوم طولانی مدت نسبتاً متوسطی - H~0.65 - هستند. همچنین وجود پدیده هارست به عنوان یک عامل تاثیرگذار بر فصلیت و روند سریهای زمانی بارش و دبی توسط نمایه > 0/5 در روش تحلیل نوسانات روندزدایی شده تائید شده است
3. مواد و روشها
3,1. معرفی منطقه و دادههای مورد استفاده
منطقه مورد مطالعه در این تحقیق حوضه آبریز صوفیچای به عنوان یکی از زیرحوضههای نسبتاً پرآب موجود در دریاچه ارومیه و زیر حوضه اصلی سد علویان میباشد. حوضه آبریز صوفی چای در حد فاصل عرضهای شمالی 37 15 تا 37 44 و طولهای شرقی 45 56 تا 46 27 و در قسمت جنوبی رشته کوههای سهند قرار گرفته و جهت کلی جریان رودخانه شمالشرق به جنوبغرب میباشد و در قسمت میانی و پاییندست کم و بیش به طرف حوضه صوفیچای متمایل گردیده است، بهطوریکه پس از عبور از دشتهای مراغه و بناب از سمت جنوبشرق به دریاچه ارومیه سرازیر میشود - شکل . - 1
طول رودخانه صوفیچای حدود 70 کیلومتر بوده و مساحت حوضه آبریز آن در بالادست دریاچه ارومیه حدود 1800 کیلومترمربع میباشد. در حوضه آبریز صوفیچای موقعیت ایستگاه تازهکند در 46 17 طول جغرافیایی، 37 16 عرض جغرافیایی و در ارتفاع 1600 متر قرار گرفته است.
شکل -1 موقعیت حوضه آبریز صوفیچای
در این تحقیق مقادیر روزانه دبی رودخانه برای ایستگاه هیدرومتری تازهکند در مقیاس زمانی روزانه در طول 37 سال - مهر -1352 مهر - 1388 در دسترس بوده که پس از بررسی دادهها و انجام اصلاحات مورد نیاز از جمله تعیین دادههای اندازهگیری نشده دبی جریان روزانه رودخانه طی 34 سال جهت تحلیل به کار گرفته شدهاند. جدول - 1 - مشخصات آماری رواناب حوضه صوفیچای در مقیاس زمانی روزانه برای ایستگاه تازهکند ارائه میدهد.
جدول -1 مشخصات آماری رواناب حوضه صوفیچای در مقیاس زمانی روزانه
