بخشی از مقاله
چکیده
شناسایی مناطق همگن خشکسالی با در نظر داشتن مولفههای زمانی و مکانی خشکسالی از ویژگیهای مهم در رفتارسنجی این بلیه محسوب میگردد و در مدیریت آن نقش موثری دارد. بدین منظور روشهای خوشهبندی میتوانند کارآیی مطلوبی داشته باشند. در این تحقیق، با استفاده از روشهای خوشهبندی و با استفاده ازشاخصهای خشکسالی هیدرولوژیکی DI1 و خشکسالی هواشناسی SPI2 سه و شش ماهه، مناطق همگن خشکسالی در حوضه دریاچه ارومیه با استفاده از دادههای 35 ایستگاه بارانسنجی و 32 ایستگاه هیدرومتری مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که این حوضه به لحاظ رفتار خشکسالی به دو قسمت شمالی و جنوبی قابل تقسیم است. بخش اول، شامل شمال استانهای آذربایجان شرقی و آذربایجانغربی میباشد و بخش دوم، شمال استان کردستان و قسمتی از جنوب استانهای آذربایجان شرقی و غربی را دربر میگیرد. این تقسیمبندی با سیستمهای هواشناسی موثر بر حوضه نیز همراستا است.
کلمات کلیدی: توزیع زمانی و مکانی خشکسالی، شاخص SPI، شاخص DI، خوشهبندی
-1مقدمه
خشکسالیهای اخیر اثرات زیانبار مختلفی بر رویادریاچه،ارومیهمخصوصً بر محیط زیست آن داشته است که یکی از تبعات بارز آن، کاهش قابل توجه تراز آب این دریاچه بوده است. بررسی تغییرات مکانی و زمانی خشکسالی در این حوضه، اطلاعات جامعتری جهت مدیریت بهتر آن فراهم میسازد. تحلیل خوشهبندی ازجمله روشهای مفید و قابل استفاده در این خصوص میباشد. Prudhomme و همکاران - 2007 - ، جهت منطقهبندی خشکسالی هیدرولوژیکی در کشور فرانسه، به خوشهبندی ایستگاههای هیدرومتری بر اساس شاخص ِDI با استفاده از روشهای خوشهبندی سلسله مراتبی3 و تجزیهای4 و با شش خوشه - در هر دو روش - پرداختند. Santos و همکاران - 2010 - بر اساس شاخصهای SPI یک، شش و دوازده ماهه و با استفاده از روش خوشهبندی k-means و تحلیل مولفه های اصلی5 خوشهبندی ایستگاههای بارانسنجی درکشور پرتغال را به انجام رساندند.
نتایج این تحقیق نشان داد که تعداد کلاس خوشهبندی 3، بهترین تعداد خوشه بوده و منطقه مورد مطالعه به سه منطقه همگن شمالی و میانی و جنوبی تقسیم شد. همچنین اسلامیان و همکاران - 1384 - بر اساس دادههای بارندگی ماهانه سی ساله 45 - 2000-1970 - ایستگاه هواشناسی و سینوپتیک و با استفاده از روش خوشه-بندی سلسله مراتبی وارد6، پنج گروه مکانی همگن خشکسالی را برای استان اصفهان شناسایی کردند.تحقیق حاضر نیز بررسی رفتار خشکسالی در دریاچه ارومیه را مد نظر قرار داده است که در آن با دخالت اطلاعات مکانی و زمانی خشکسالی در حوضهی دریاچهی ارومیه و با استفاده از شاخصهای خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی آنالیزهای خوشهبندی به انجام میرسد.
-2مواد و روشها
جهت تعیین مناطق همگن از لحاظ خشکسالی در حوضه دریاچه ارومیه، شاخصهای خشکسالی SPI سه و شش ماهه و DI که در مقیاس روزانه است، مورد استفاده قرارگرفتند. در ادامه شرح مختصری از آنها ارائه و سپس به روشهای خوشهبندی مورد استفاده پرداخته میشود.
-1-2محاسبه ی شاخصSPI
شاخص SPI برای هر منطقه بر اساس دادههای بلند مدت بارندگی محاسبه میشود. به این ترتیب که در ابتدا یک توزیع احتمالاتی مناسب برای دادههای بارندگی در دوره ی موردنظر برازش داده میشود. سپس این توزیع به توزیع نرمال استاندارد تبدیل میگردد . - Edwards and McKee, 1997 - در جدول - 1 - طبقهبندی شاخص SPI نشان داده شده است.
-2-2محاسبه ی شاخص DI
برای محاسبهی شاخص DI برای هر یک از روزهای سال در طول N سال دادههای آماری موجود در یک ایستگاه هیدرومتری، باید گامهای زیر طی گردد:
-1ابتدا یک بازه زمانی J D, J D برای هر یک از روزهای سال - J - برای انتخاب دبی در نظر گرفته میشود. مقدار D باید طوری باشد که تعداد دبیهای انتخاب شده برای هر یک از روزهای سال در طول N سال کمتر از 300 نباشد. در این تحقیق مقدارD برابر با 15روز در نظر گرفته شده است.
-2بعد از انجام مرحلهی اول، منحنی تداوم جریان برای روز J رسم میگردد.
-3در این مرحله Q آستانه محاسبه میگردد. Prudhomme و همکاران - 2007 - این آستانه را برای کشور فرانسه Q90 در نظر گرفتند. Q90 مقداری از دبی جریان است که 90 درصد از مواقع دبی رودخانه ازآن بیشتر و یا برابرآن است. هر آستانه دیگری از دبی نیز همین مفهوم را خواهد داشت و در این مطالعه مقدار Q70 به عنوان دبی آستانه در نظر گرفته شد.
-4در مرحله بعدی سری زمانی جدید - DI - t برای سری دادهی دبی روز J ام به صورت رابطه - 1 - محاسبه میشود.
بدین ترتیب سری زمانی دبیها تبدیل به سری زمانی صفر و یک شد که در آن عدد یک وقوع خشکسالی و عدد صفر عدم وقوع آن را نشان میدهد.
-3-2تحلیل خوشهای
خوشه به گروهی از اشیاء اطلاق میشود که نسبت به بقیهی اشیاء در خوشههای دیگر مشابهت بیشتری با یکدیگر دارند. بنابراین هدف از آنالیز خوشهبندی، دستهبندی اشیاء براساس میزان مشابهت بین آنها و سازماندهی گروهی دادهها میباشد . - Hoppner, 1999 - در این مطالعه، برای هر کدام از شاخصهای خشکسالی مورد استفاده، سطرهای ماتریس دادهها ایستگاههای هیدرومتری و بارانسنجی و ستونهای آن سری زمانی شاخص مورد نظر میباشد. جهت محاسبه میزان مشابهت بین ایستگاهها از فاصله اقلیدسی استفاده شده است که برای دو نقطه با مختصات - V - v1, v2 , ..., vp و U - u1 , u2 , ..., u p - این فاصله از رابطه - 2 - بدست میآید:در این رابطه، - D 2 - U ,V مجذور فاصلهی بین دو شی بوده و u1, u2 ,..., up متغیرهای مربوط به شی U وv1, v2 ,..., vp متغیرهای مربوط به شی V میباشند. برای شاخص DI نیز، v1 تا vp در واقع سری زمانی صفر و یک - وقوع و یا عدم وقوع خشکسالی - برای هر ایستگاه میباشند.
-1-3-2روش خوشهبندی K-means
روش K-means با یک تقسیم بندی تصادفی اشیاء شروع به کار میکند و براساس مشابهت آنها با مراکز خوشهها، کار اختصاص دادن آنها را به خوشهها به انجام میرساند. این حلقه تا زمانی ادامه مییابد که شرط همگرایی محقق شود - Han .and Kamber, 2006 - شرط همگرائی معمولاً رسیدن به میزان حداقل خطای مجذور میباشد. خطای مربع در خوشهبندی مجموعهای از اشیاء - - X از رابطه - - 3 بدست میآید:
