بخشی از مقاله
خلاصه
آبهای زیرزمینی، همواره بهعنوان یکی از منابع مهم و عمده در تأمین آب شرب و کشاورزی بهویژه در مناطق خشک و نیمهخشک مطرح بودهاند. دشت نیشابور نیز استفاده از آبهای زیرزمینی را بهعنوان مهمترین و درعینحال تنها منبع تولید آب شیرین پیشرو دارد. لازمه دستیابی به مدیریت جامع و پایدار منابع آب زیرزمینی، شناخت رفتار سیستم و پیشبینی نوسانات سطح آن در آینده میباشد. بهرهبرداری بیشازحد و کاهش تغذیه سبب ایجاد متوسط افت 74 سانتی-متر در سال شده است.
لذا در پژوهش حاضر از اطلاعات 57 چاه مشاهدهای از سال 1370 تا 1388 استفاده شد. پارامترهای تراز آب، حجم آب تخلیهشده استحصالی و میانگین بارندگی ماهیانه با اعمال تأخیر زمانی یک تا دوماهه بهعنوان ورودی مدل در نظر گرفتهشده و کارایی رهیافت نوین رگرسیون فازی با طراحی مدلی که در آن ضرایب فازی بوده و ورودی و خروجی مشاهدهای غیر فازی میباشد، در پیشبینی تراز سطح ایستابی آبخوان دشت نیشابور مورد ارزیابی قرار گرفت. نمودار رگرسیون فازی رسم شد و نتایج پژوهش نشان داد که با توجه به شاخصهای ارزیابی مدل، پایینترین دقت در دیماه با RMSE و R2 به ترتیب 6/68 و 0/45 و بالاترین دقت پیشبینی در ماه خرداد با RMSE و R2 به ترتیب 6/05 و 0/93 مشاهدهشده است.
مقدمه
آبهای زیرزمینی یکی از مهمترین منابع در جهت تأمین نیازهای خانگی، صنعتی و کشاورزی و در بعضی مناطق تنها گزینه ممکن در جهت تأمین این نیازها میباشند .[1] طی دهههای اخیر به دلیل افزایش تقاضای آب و کاهش سرانه منابع آب تجدیدشونده، نگرانیهای زیادی ایجادشده و چگونگی استفاده از این منابع به شکل مطلوب و مؤثر و کارآمد برای تضمین توسعه پایدار، یکی از مهمترین موضوعات مطرح در محافل بینالمللی است. منابع آب زیرزمینی همواره یکی از مهمترین و مطمئنترین منابع آبی در مناطق خشک و نیمهخشک محسوب بوده و استحصال آب از این منابع نسبت به اقلیمهای دیگر حائز اهمیت ویژهای است .[2]
مطالعات آبهای زیرزمینی با اهدافی چون بررسی وضعیت فعلی منابع آب زیرزمینی، پیشبینی و تغییرات تراز آب زیرزمینی در دورههای آتی و امکان برنامهریزی و مدیریت منابع آب برای بهبود شرایط آبخوان در آینده انجام میگیرد. در همین راستا بهمنظور شناخت مستقیم رفتار یک سیستم آب زیرزمینی، لازم است تعداد زیادی چاه اکتشافی حفر گردد و آزمایشهای متعدد صورت پذیرد، همچنین سطح آب زیرزمینی بهصورت مداوم آماربرداری و ثبت گردد. کلیه موارد ذکرشده نیازمند صرف هزینه فراوان میباشد.
[3] در سالهای اخیر استفاده از مدلهای ریاضی و کامپیوتری موردتوجه قرارگرفته است، تابهحال مدلهای زیادی برای پیشبینی تراز سطح آبهای زیرزمینی توسط محققین مختلف پیشنهادشدهاند. مدلهای ریاضی که بر پایهی دادههای مشاهداتی بوده و نیاز زیادی به تجارب قبلی ندارد، میتوانند گزینهی مناسبی در پیشبینی تراز آب زیرزمینی باشند . نیکبخت و همکاران [4] با کمک شبکههای موجک-عصبی، تراز آب زیرزمینی دشت مراغه واقع در آذربایجان شرقی را پیشبینی نمودند.
اکبری و همکاران [5] با بهرهگیری از سیستم اطلاعات جغرافیایی - GIS - افت سطح آب زیرزمینی آبخوان مشهد را بررسی کردند. رضایی و موسوی [6] در تحقیقی با استفاده از مدلهای سری زمانی نوسانات پیزومتری، شبیهسازی کردند و نوسانات آینده را پیشبینی نمودند. نایاک و همکاران [7] برای پیشبینی سطح آب زیرزمینی در آبخوان ساحلی هند نشان دادند که مدلهای شبکه عصبی مصنوعی قابلیت پیشبینی سطح آب زیرزمینی تا چهار ماه را دارد.
رگرسیون فازی روشی نوین برای مطالعات واقعی در حوزهی هیدرولوژی میباشد. هماکنون کاربرد این رویکرد در شاخههای مختلف علوم هیدرولوژی رو به گسترش است. در تحلیل رگرسیون آماری خطای محاسباتی بین دادههای مشاهداتی و مدل رگرسیونی متغیری تصادفی با توزیع نرمال است ولی در رگرسیون فازی خطا بهصورت میزان فازی بودن ساختار مدل میباشد .[8] یکی از روشهای پیشبینی و کنترل سطح ایستابی استفاده از معادلات رگرسیونی است. باردوسی و همکاران [9] بیان کردند در سیستمهای طبیعی عموماً مشاهدات نادقیق و یا روابط بین آنها مبهم بوده، لذا استفاده از روشی منطبق با دنیای واقعی موردنیاز است لذا رگرسیون فازی روشی برای مطالعات واقعی در حوزهی هیدرولوژی میباشد.
پرویز و همکاران [10] جریان سالانه رودخانه حوزه آبخیز دریاچه ارومیه را به دو روش سریهای زمانی و رگرسیون فازی برآورد نمودند. نتایج دلالت بر برتری عملکرد رهیافت رگرسیون فازی نسبت به مدل سری زمانی داشت. شایان نژاد و همکاران [11] تبخیر و تعرق بالقوه را با استفاده از 5 متغیر مستقل به سه روش پنمن -مونتیت، شبکههای عصبی و رگرسیون فازی برآورد نمودند. نتایج نشاندهندهی برتری رویکرد رگرسیون فازی نسبت به دو روش دیگر بود. در تحقیقی دیگر بهمنظور مدلسازی بار رسوب زیر حوضهی دو حوضهی آبخیز زایندهرود علیا با استفاده از روش رگرسیون کمترین مربعات فازی انجام گرفت .[12]
نتایج تحقیقات مؤید این است که مدلهای رگرسیون فازی سیستمهای کارایی در مباحث هیدرولوژی هستند که تاکنون تحقیقی در بررسی تغییرات سطح آب زیرزمینی با استفاده از آنها صورت نگرفته است. در دشت نیشابور نیز مسئله بحران آب، درنتیجهی به هم خوردن تعادل هیدرولوژیکی و افزایش تقاضا از منابع آبی نمود پیداکرده است، لذا آگاهی از روند تغییرات سطح آب زیرزمینی آبخوان کمک شایان توجهی به برنامهریزیهای مدیریتی در این بخش میکند که در پژوهش حاضر، کارایی مدل رگرسیون فازی بهعنوان رهیافتی نوین در پیشبینی تغییرات سطح آبخوان نیشابور مورد ارزیابی قرارگرفته است.
مواد و روشها
منطقه موردمطالعه
دشت نیشابور جزئی از حوضه آبریز کال شور نیشابور میباشد که در دامنه جنوبی ارتفاعات بینالود در شمال شرق کویر مرکزی واقعشده است. این حوضه در طول جغرافیایی 58 درجه 13 دقیقه تا 59 درجه 30 دقیقه و عرض جغرافیایی 35 درجه 40 دقیقه تا 36 درجه 39 قرار دارد. حوضه از شمال به خطالرأس ارتفاعات بینالود، از شرق به بلندیهای لیلاجوق و یال پلنگ، از جنوب به تپهماهورهای نیزه بلند، سیاه کوه و کوه نمک و از غرب به حوضه آبریز سبزوار محدود میشود - شکل . - 1 حداکثر و حداقل ارتفاع حوضه به ترتیب 3305 و 1065 متر در قله بینالود و خروجی رودخانه کال شور واقعشده است .[12] وسعت کل حوضه 7293 کیلومترمربع جزئی از حوضه آبریز کویر مرکزی بوده که 3400 کیلومترمربع آن را دشت و بقیه را ارتفاعات تشکیل میدهد.
منابع آبی دشت نیشابور شامل آبهای سطحی و آبهای زیرزمینی است. منابع آبهای سطحی در دشت نیشابور فصلی میباشند. تعدادی از این رودخانههای فصلی از ارتفاعات شمالی - ارتفاعات بینالود - سرچشمه میگیرند و تعدادی دیگر از ارتفاعات جنوبی نشئت مییابند. منابع آب زیرزمینی دشت نیشابور عمدتاً شامل آبهای ذخیرهشده در خلل و فرج رسوبات آبرفتی است که آبخوان آزاد منطقه را تشکیل داده است. منابع آب زیرزمینی آبخوان نیشابور شامل 2396 حلقه چاه عمیق و نیمه عمیق، 908 دهنه چشمه و 832 رشته قنات با مصارف مختلف کشاورزی، شرب، صنعتی و بهداشت میباشد .[13] برداشت بیشازحد منابع آب افت سطح آب زیرزمینی در دشت نیشابور را در پی داشته است.
جمعآوری دادهها
در پژوهش حاضر بهمنظور مطالعهی شاخصهای هیدرولیک آب زیرزمینی دشت نیشابور با استفاده از دادههای ماهیانهی اندازهگیری و ثبتشده در تمامی ایستگاههای منطقه نسبت به استخراج مقادیر فصلی و ماهانهی آن اقدام شد. دو عامل اصلی تغییر تراز سطح آبخوان شامل بارش ماهانه و تخلیه که در بحران آب تأثیرگذارند در این مطالعه مدنظر قرار گرفت. با استفاده از اطلاعات 57 چاه مشاهدهای از سال 1370 تا 1388 ، تراز سطح آب دشت نیشابور موردبررسی قرار گرفت.
