تماس با ما
گروه تلگرام ما
هشدارهای ما
آمار و اطلاعات
پروژه
تجزیه و تحلیل هیدروگراف WHAT - جداسازی آنلاین جریان پایه
چکیده
جداسازی مؤلفه جریان پایه از یک هیدروگراف جریان متغیر "تجزیه و تحلیل هیدروگراف" نامیده می شود. در این مطالعه توضیح داده می شود که چطور دو ماژول جداسازی مبتنی بر فیلتر دیجیتال، یعنی فیلترهای BFLOW و Eckhardt، در ابزار تجزیه و تحلیل هیدروگراف مبتنی بر وب (WHAT) قرار گرفتند. همچنین یک مؤلفه آماری برای ارائه اطلاعات بنیادی در تحلیل بسامد جریان و تحلیل سری زمانی ایجاد شده است. نسخه سیستم اطلاعات جغرافیایی وب (GIS) سیستم WHAT با اتصال به سیستم زمین شناسی ایالات متحده (USGS) داده های روزانه را از سرور وب USGS دستیابی می کند و از آنها استفاده می کند. نتایج حاصل از روش فیلتر اکهارد با نتایج حاصل از روش فیلتر BFLOW که قبلاً اعتبارسنجی شده بود مقایسه شد، زیرا داده های پایه اندازه گیری شده برای این مطالعه در دسترس نبودند. پس از اعتبارسنجی، دو روش فیلتر دیجیتالی در سیستم WHAT برای 50 ایستگاه گارینگ ایندیانا اجرا شد. مقادیر ضریب Nash-Sutcliffe با مقایسه نتایج دو روش فیلتر دیجیتالی بیش از 0.91 برای هر 50 ایستگاه اندازه گیری بود، که نشان می دهد جریان پایه فیلتر شده با استفاده از روش فیلتر اکهارد به طور معمول با جریان پایه اندازه گیری شده مطابقت خواهد داشت. جداسازی دستی جریان پایه از جریان اصلی می تواند منجر به ناهماهنگی در نتایج شود، در حالی که سیستم WHAT نتایج پایدار را در کمتر از یک دقیقه ارائه می دهد. اگرچه الگوریتم های جداسازی جریان پایه در سیستم WHAT نمی تواند رهاسازی جریان مخزن و ذوب برف را که ممکن است بر هیدروگراف های جریان تأثیر بگذارد، در نظر بگیرد. سیستم WHAT مبتنی بر وب ابزاری کارآمد برای کالیبراسیون و اعتبار مدل هیدرولوژیکی ارائه می دهد. اطلاعات جریان پایه از سیستم WHAT همچنین می تواند نقش مهمی در بهره برداری پایدار از آب زیرزمینی و آب های سطحی از جمله آبیاری و مصارف صنعتی و تخمین بار آلاینده ها از هر دو جریان پایه و رواناب مستقیم داشته باشد. بنابراین، اگر جریان اصلی مقدار قابل توجهی از آلاینده ها را به جریان منتقل کند، می توان از بهترین شیوه های مدیریتی برای کاهش و رهگیری شسته شدن آلاینده ها استفاده کرد. این سیستم مبتنی بر وب GIS همچنین نشان می دهد که چطور می توان منابع توزیع شده از راه دور را از طریق اینترنت با استفاده از برنامه نویسی وب به اشتراک گذاشت.
مقدمه
بسیاری از مدل های رایانه ای هیدرولوژیکی و یا کیفیت آب طی سال های متمادی تهیه و آزمایش شده اند که برای مدیریت موثر حوزه آبخیز مفید هستند. برای برآورد دقیق پارامترهای کیفیت آب با استفاده از این مدل ها، ابتدا باید جزء هیدرولوژیکی اعتبار یابد، زیرا هیدرولوژی نیروی محرک رسوب، مواد مغذی و سموم دفع آفات است. برای اعتبارسنجی اجزای هیدرولوژی مدل ها، رواناب مستقیم و اجزای جریان پایه هیدروگرافی جریان به طور معمول باید از هم جدا شوند، زیرا رواناب مستقیم و جریان پایه معمولاً در مدل های رایانه ای بطور جداگانه شبیه سازی می شوند.
فرایند جداسازی مؤلفه جریان پایه از هیدروگراف جریان متغیر "تجزیه و تحلیل هیدروگراف" نامیده می شود. شکل هیدروگراف بسته به شرایط محیطی و هواشناسی در یک حوضه آبریز متفاوت است، در نتیجه تجزیه و تحلیل هیدروگراف را پیچیده می کند. اولین مرحله از تجزیه و تحلیل هیدروگراف معمولی، شناسایی نقاط شروع و پایان رواناب مستقیم است. رواناب مستقیم با شروع جریان شروع می شود، در حالی که قطعه سرعت جریان ورود به سیستم در برابر زمان تبدیل به یک خط مستقیم می شود. چندین روش گرافیکی برای تعریف جریان پایه بین این نقاط شروع و پایان وجود دارد. با این حال، هنگام جدا کردن جریان پایه برای مدت طولانی، این روش ها کارآمد نیستند. همچنین، این تکنیک های ذهنی حتی با داده های جریان یکسان می توانند منجر به نتایج متناقض شوند.
یکی از کاربردهای جداسازی جریان پایه که بطور گسترده استفاده می شود در برنامه زمین شناسی ایالات متحده (USGS) به نام "HYSEP" است. HYSEP یک برنامه رایانه ای در حوزه عمومی است که دارای سه روش جداسازی است: فاصله ثابت، فاصله کشویی و روش حداقل محلی. با این حال، برنامه HYSEP کاربر پسند نیست و برای تهیه داده های ورودی و اجرای برنامه نیاز به مداخله زیادی دارد. علاوه بر روش جداسازی HYSEP، روش های فیلتر دیجیتالی اخیراً در جداسازی هیدروگراف رایج شده است. روش فیلتر دیجیتال در ابتدا در تحلیل و پردازش سیگنال مورد استفاده قرار گرفت. مقادیر جریان پایه فیلتر شده با استفاده از یک فیلتر دیجیتال با نتایج اندازه گیری شده مقایسه شده و مقدار R2 برابر 0.83 بدست آمده است.
اگرچه این روش های جداسازی در فیلترهای دیجیتال HYSEP و صورت دیجیتال که قبلاً مورد بحث قرار گرفته اند، مفید بوده اند اما برای تجزیه و تحلیل هیدروگراف، کاربران باید این برنامه ها را روی رایانه های خود نصب کنند یا آنها را در برنامه های صفحه گسترده پیاده سازی کنند، همچنین باید داده های ورودی را نیز بصورت دستی تهیه کنند. در صورتی که مجبور شود این کارها را برای بسیاری از جریانها برای مدت طولانی انجام دهد، می تواند کاری وقت گیر باشد. بنابراین، یک مدل جداسازی هیدروگراف مبتنی بر وب، سیستم iSep برای آنالیز هیدروگراف خودکار تهیه شده است. نتایج سیستم iSep با نتایج جریان پایه HYSEP مقایسه شد. سیستم iSep همیشه جریان پایه را در مقایسه با HYSEP بیش از حد ارزیابی می کند. زیرا iSep مدت زمان رواناب مستقیم را در تفکیک جریان پایه در نظر نمی گیرد (شکل 1) بنابراین، نیاز به الگوریتم های جداسازی جریان پایه بهتر در iSep نسبت به روش حداقل محلی که مدت زمان جریان را در نظر نمی گیرد، وجود دارد.
علاوه بر جداسازی جریان پایه، بسیاری از افراد از داده های جریانی USGS برای به دست آوردن آمار جریان برای تحلیل بسامد و تحلیل سری های زمانی استفاده می کنند. با این حال، آمار توسط سیستم iSep ارائه نشده است. هیستوگرام ها و نمودار های کمی (QQ) روش های معمولی برای بررسی توزیع داده های جریان خام و ثبت شده و عادی بودن داده های جریان تبدیل شده به صورت خام و ورود به سیستم هستند. افزودن یک مؤلفه آماری به iSep اطلاعات بسیار اساسی را برای تجزیه و تحلیل بسامد جریان و تحلیل سری زمانی در اختیار کاربران قرار می دهد.
شکل 1. جداسازی هیدروگراف با استفاده از روش حداقل جریان در سیستم iSep برای ایجلکریک، اسپیدوی و ایندیانا.
USGS سطح جریان، جریان، مخزن و سطح دریاچه، کیفیت آب های سطحی و داده های بارندگی را برای بیش از 850،000 ایستگاه آبخیزداری در ایالات متحده جمع آوری می کند. داده ها توسط ضبط خودکار و اندازه گیری دستی در تاسیسات میدانی در سراسر کشور جمع آوری می شود. این داده ها از وب سایت سیستم اطلاعات ملی USGS تهیه شده است. داده های جریان روزانه می توانند از طریق پایگاه داده، منطقه هیدرولوژیکی، طول جغرافیایی، نام سایت، شماره سایت، کد آژانس، منطقه زهکشی، تعداد مشاهدات و مدت زمان ثبت از پایگاه داده قابل دسترسی باشند. اگرچه وب سایت USGS گزینه های بسیاری را برای پرس و جو از پایگاه های داده خود ارائه می دهد، اما این یک کد متنی است که به جای حالت گرافیکی بر رابط کاربری، مبتنی بر اسکریپت می باشد. از آنجا که ایستگاه های اندازه گیری بصورت مکانی توزیع می شوند، تهیه یک رابط گرافیکی برای کمک به کاربران در انتخاب ایستگاه های مورد علاقه برای استفاده از رابط نقشه و اجرای ماژول های جداسازی جریان پایه، ایده آل خواهد بود.
اهداف این مطالعه، ایجاد یک ابزار تجزیه و تحلیل هیدروگراف مبتنی بر وب GIS است که از ماژول های جداسازی جریان پایه ای مبتنی بر فیلتر دیجیتال استفاده می کند و مؤلفه های آماری، و مقایسه روش فیلتر دیجیتالی اکهارد جریان پایه با جریان پایه دیجیتال آرنولد و آلن را دارست. روش فیلتر دیجیتال آرنولد و آلن قبلاً با داده های اندازه گیری شده جریان پایه مقایسه شده بود و بنابراین برای ارزیابی نتایج فیلتر اکهارد انتخاب شد.
چرا جریان مستقیم از کل جریان جدا می شود؟
برای بیش از 100 سال، رکود جریان پایه توسط هیدرولوژیست ها و هیدروژئولوژیست ها برای بررسی ویژگی های آبخوان مورد بررسی قرار گرفته است. به خوبی شناخته شده است که جریان پایه در جریان زیادی نقش دارد. بنابراین، تعیین کمیت سفره های آب زیرزمینی کم عمق برای بهره برداری از آب زیرزمینی پایدار و بهره برداری از آب های سطحی برای آبیاری و اهداف صنعتی و برآورد اثرات آلودگی در مناطق پایین دستی تخلیه فاضلاب مهم است. دیواندل و همکاران در سال 2003 در یک مطالعه ضخامت آبخوان را از تجزیه و تحلیل رکود جریان با استفاده از فرمول Maillet و Boussinesq تخمین زده اند. ویتنبرگ و سیواپالان در سال 1999 در یک مطالعه تغذیه مجدد به سفره آب زیرزمینی کم عمق را از یک روش جداسازی جریان پایه با توجه به تبخیر و تعرق درختان با ریشه عمیق تخمین زدند. این نتایج می تواند برای توسعه پایدار آب زیرزمینی در یک حوضه مورد استفاده قرار گیرد، و بیش از نرخ تغذیه به سفره آب زیرزمینی نباشد.
داتز و کاویتک در سال 2004 در یک مطالعه رواناب مستقیم، جریان و اجزای جریان اصلی از جریان را برای برآورد سهم نیترات از هر جزء به کل بارهای نیترات جریان برای یک حوزه آبخیز که در آن یک منطقه قابل تغذیه بسیار قابل نفوذ در قسمتهای صاف تپه واقع شده است، از هم جدا کردند. یک روش فیلتر دیجیتال پیشنهاد شده توسط چاپمن و ماکسول در سال 1996 و یک مدل مفهومی ساده، به نام GROUND توسط کالهاری و همکاران، در سال 2001، به ترتیب برای جدا کردن جریان پایه و رواناب مستقیم استفاده شد. از جریان کل اندازه گیری شده، این دو مؤلفه برای به دست آوردن مؤلفه جابجایی تفریق می شوند. غلظت نیترات برای هر مؤلفه، رواناب مستقیم، جریان و جریان پایه با استفاده از بهینه سازی غیرخطی ساده تخمین زده شد. مشخص شد که جریان و جریان پایه عوامل اصلی نیترات در جریان هستند. اگرچه نتایج به دست آمده اعتبارسنجی نشده است، می توان از روش جداسازی هیدروگراف با داده های غلظت نیترات جریان برای تخمین نقش اجزای مختلف رواناب در تولید کیفیت آب در جریان استفاده کرد.
شیلینگ و ژانگ در سال 2004 در یک مطالعه سری زمانی طولانی مدت جریان با داده های غلظت نیترات را برای تعیین کمیت تلفات نیترات در جریان پایه و جریان در حوضه رودخانه راکون در آیووا بررسی کردند. برای برآورد بارگذاری نیترات جریان پایه از جداسازی هیدروگراف همراه با برنامه تخمین بار استفاده شد. مشخص شد که تقریبا دو سوم بارهای نیترات سالانه توسط جریان اصلی در حوضه رودخانه راکون نقش دارند. نتایج نشان داد که بهترین شیوه های مناسب مدیریتی، مانند ایجاد بافرهای ریشه ای عمیق با ریشه، برای کاهش و رهگیری نیترات در حال شستشو مورد نیاز است.
روش های فیلتر دیجیتال برای تفکیک جریان پایه
پیش از این از روش فیلتر دیجیتال در تجزیه و تحلیل سیگنال و پردازش برای جدا کردن سیگنال بسامد بالا از سیگنال بسامد پایین استفاده شده است. این روش در جداسازی جریان پایه مورد استفاده قرار گرفته است زیرا امواج با فرکانس بالا می توانند با رواناب مستقیم متناظر باشند و امواج با فرکانس پایین می توانند با جریان پایه متناظر باشند. بنابراین، فیلتر مستقیم رواناب از جریان پایه شبیه به تحلیل و پردازش سیگنال است. معادله (1) فیلتر دیجیتال مورد استفاده برای جداسازی جریان پایه را نشان می دهد.
که در آن، qt رواناب مستقیم فیلتر شده در مرحله زمانی t است (متر مکعب بر ثانیه) است. qt-1 رواناب مستقیم فیلتر شده در مرحله زمانی t-1 است (متر مکعب بر ثانیه). α پارامتر فیلتر است. Qt جریان کل در مرحله زمانی t است (متر مکعب بر ثانیه). و Qt-1 جریان کل در مرحله زمان t-1 است (متر مکعب بر ثانیه). روش فیلتر دیجیتالی معنای فیزیکی ندارد، اما جنبه ذهنی را از جدایی دستی حذف می کند، و سریع، سازگار و قابل تکرار است. با این حال، توصیه می شود هیدرولوژیست های با تجربه، کیفیت نتایج حاصل از روش های فیلتر دیجیتال را به صورت ذهنی ارزیابی کنند. آرنولد و همکاران در سال 1995 در یک مطالعه نتایج فیلتر دیجیتال را با نتایج جداسازی دستی مقایسه کردند. نتایج جریان پایه فیلتر شده سالانه در 11 درصد از جریان پایه تخمین زده شده از جداسازی دستی مشابه بود. آرنولد و آلن در سال 1999 در یک مطالعه نتایج فیلتر دیجیتال را با جریان پایه اندازه گیری شده برای شش حوزه آبخیز مقایسه کردند. ارزش ضریب R2 برابر 0.83 با شیب 1.07 برای مقایسه ماهانه بدست آمد. نرم افزار توسعه یافته بر اساس فیلتر دیجیتالی نشان داده شده در معادله (1) در وزارت تحقیقات کشاورزی و خدمات تحقیقات کشاورزی آمریکا در دسترس است. اگرچه روش فیلتر دیجیتالی بین جریان پایه فیلتر شده و مقادیر جریان پایه اندازه گیری مطلوبی را ارائه می دهد، اما چاپمن در سال 1991 در یک مطالعه خاطرنشان می کند که روش فیلتر دیجیتالی جریان اصلی و جریان پایه را هنگامی که رواناب مستقیم متوقف می شود تخمین می زند. بنابراین، چاپمن الگوریتم جدیدی را ایجاد کردند همانطور که در معادله (2a) نشان داده شده است. چاپمن و ماکسول در سال 1996 در یک مطالعه معادله ساده شده را همانطور که در معادله (2b) نشان داده شده است، ارائه می دهند، که نتایج مشابهی به معادله (2a) ارائه می دهد.
که در آن bt جریان پایه فیلتر شده در مرحله زمان t است. bt-1 جریان پایه فیلتر شده در مرحله زمان t-1 است. α پارامتر فیلتر است، Qt جریان کل در مرحله زمان t بر حسب متر مکعب بر ثانیه است. و Qt-1 جریان کل در مرحله زمان t-1 بر حسب متر مکعب بر ثانیه است.
اکهارد در سال 2005 در یک مطالعه شکل یک فیلتر دیجیتال را با توجه به یک پارامتر فیلتر دیجیتال و BFImax (حداکثر مقدار نسبت بلند مدت جریان پایه به جریان کل) پیشنهاد داد (معادله 3).
که در آن bt جریان پایه فیلتر شده در مرحله زمانی t است. bt-1 جریان پایه فیلتر شده در مرحله زمان t-1 است. BFImax حداکثر مقدار نسبت بلند مدت جریان پایه به جریان کل است. α پارامتر فیلتر است. و Qt جریان کل در مرحله زمانی t است.
BFImax متغیر جدیدی است که در روش فیلتر دیجیتالی توسط اکهارد معرفی شده است. برای کاهش تأثیر ذهنی استفاده از BFImax در جداسازی جریان پایه، مقادیر BFImax برای مقایسه موقعیت های مختلف هیدرولوژیکی و هیدروژنتیکی با مقایسه جریان پایه از روش های جداسازی معمولی با روش های فیلتر دیجیتالی اکهارد محاسبه شد. اکهارد استفاده از مقادیر BFImax 0.80 برای جریان های چند ساله با سفره های متخلخل، 0.50 برای جریان های زودگذر در سفره های متخلخل و 0.25 برای جریان های چند ساله با سفره های سنگی را پیشنهاد کرد. این مقادیر با استفاده از اعتبار سنجی رویکرد فیلتر در حوزه های آبخیز در پنسیلوانیا، مریلند، ایلینویز و آلمان بدست آمد.
توسعه ابزار GIS بستر تحلیل هیدروگراف مبتنی بر وب
سیستم تجزیه و تحلیل هیدروگراف مبتنی بر وب (WHAT) با ترکیب روش های فیلتر دیجیتالی (معادلات 1 و 3) برای جداسازی جریان پایه با سیستم iSep توسعه داده شد. بنابراین، سه ماژول جداسازی جریان پایه، روش حداقل محلی و دو روش فیلتر دیجیتالی، در سیستم WHAT موجود است. برای تمایز بین روش های فیلتر دیجیتالی، در هر مقاله از هر روش فیلتر دیجیتال نام متفاوتی آورده شده است. روش فیلتر دیجیتالی توسط لین و هالیک (1979) "فیلتر BFLOW" نامیده می شود، زیرا نرم افزار BFLOW بر اساس این روش فیلتر دیجیتال ساخته شده است و روش فیلتر دیجیتالی که توسط اکهارد ارائه شده است. "فیلتر اکهارد" نامیده می شود.
برای استفاده از فیلتر BFLOW یا فیلتر اکهارد برای جداسازی جریان پایه، کاربران باید پارامترهایی را ارائه دهند: یک پارامتر فیلتر برای روش فیلتر BFLOW، و یک پارامتر فیلتر و مقدار BFImax برای روش فیلتر اکهارد. ناتان و مک ماهون در سال 1990 در یک مطالعه دریافتند که پارامتر فیلتر 0.925 در مقایسه با نتایج تفکیک دستی نتایج واقع بینانه ای به دست می دهد. اکهارد در سال 2005 در یک مطالعه دریافت که پارامتر فیلتر نسبت به نتایج فیلتر شده چندان حساس نیست (معادله 3)، در حالی که مقدار BFImax به شدت بر نتایج تأثیر می گذارد. بنابراین، مقادیر BFImax برای شرایط مختلف هیدرولوژیکی و هیدروژئولوژیکی در سیستم WHAT ارائه شده است. برای کمک به کاربران، سیستم WHAT را با استفاده از هر یک از این روش های فیلتر دیجیتالی اجرا کنید، مقادیر پیش فرض پارامتر فیلتر دیجیتال و مقدار BFImax در سیستم WHAT استفاده می شوند. اما اگر این مقادیر برای یک منطقه محلی موجود باشد، کاربران می توانند این مقادیر را به راحتی در رابط تغییر دهند.
برای کشف اینکه آیا روش های فیلتر دیجیتال در سیستم WHAT گنجانیده شده بهتر از روش حداقل محلی در سیستم iSep هستند، که مدت زمان جریان را در نظر نمی گیرد، جریان پایه با استفاده از روش های فیلتر BFLOW و اکهارد در سیستم WHAT همانطور که نشان داده شده محاسبه شده است. در شکل 2. سیستم WHAT برای همان ایستگاه و مدت زمانی که در شکل 1 نشان داده شده است اجرا شده است. مقادیر جریان پایه بدست آمده با استفاده از روش های فیلتر دیجیتال، جریان اصلی را دست کم نمی دهند که چندین قله بلند در یک بازه زمانی کوتاه اتفاق بیفتند، همانطور که در شکل 2، در مقایسه با جریان پایه با استفاده از روش حداقل محلی که به طور معمول جریان پایه را بیش از حد ارزیابی می کند، مقایسه می شود (شکل 1).
شکل 3 رابط WHAT را نشان می دهد. سیستم WHAT خرابی داده ها در داده های جریانی USGS را بررسی می کند، زیرا داده های جریان روزانه USGS برای برخی از ایستگاه های اندازه گیری مداوم نیست. در روش دستی و سایر تکنیک های تفکیک جریان پایه، با مسئولیت کاربر در هنگام بارگیری داده های جریان خام از سرور وب USGS، شکاف داده ها را بررسی می کند. سیستم WHAT مجموعه ای از داده های جریان را ارائه می دهد همانطور که در شکل 3 (c) نشان داده شده است. پس از جدا شدن جریان پایه از جریان، مقادیر مستقیم جریان روزانه، ماهانه و سالانه و جریان خروجی پایه با فرمت جدولی و همچنین یک هیدروگراف گرافیکی ارائه می شود (شکل 3). برخی از کاربران ممکن است بخواهند از داده های جریان محلی اندازه گیری شده در ایستگاه های غیر از USGS برای جدا کردن جریان پایه از جریان استفاده کنند. بنابراین، یک رابط وب ایجاد شده است تا کاربران بتوانند داده های جریان را وارد یا داده های جریان را به سرور WHAT بارگذاری کنند. این قابلیت ابزاری کارآمد برای کاربران بین المللی و سایر کاربران با مجموعه داده های محلی فراهم می کند.
سیستم WHAT یک رابط نقشه برای پایگاه داده جریان روزانه USGS را همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، فراهم می کند. این رابط نقشه که با استفاده از یک برنامه Web GIS ساخته شده است، می تواند پایگاه داده جریان USGS را تکمیل کند. در نسخه فعلی سیستم WHAT Web GIS، داده های مکانی برای ایندیانا، ایلینویز، اوهایو، میشیگان، مینسوتا و ویسکانسین ارائه شده است. با این حال، این می تواند به راحتی در سراسر کشور تعمیم داده شود. شکل 4 نشان می دهد که چگونه نسخه وب GIS سیستم WHAT کار می کند تا بطور خودکار جریان پایه را از جریان با استفاده از بانک اطلاعاتی جریان روزانه USGS در سرور وب USGS جدا کند. برنامه وب GIS یک درخواست یاب یکسان کننده منبع (URL) با اطلاعات مربوط به ایستگاه اندازه گیری را به سرور وب USGS ارسال می کند تا داده های جریان روزانه طولانی مدت را برای یک ایستگاه انتخابی جستجو کند. سپس، سیستم WHAT جریان روزانه USGS را برای آن ایستگاه معبر بازیابی می کند و آن را برای جداسازی جریان پایه تغییر می دهد. بسته به روش جداسازی انتخاب شده، سیستم WHAT جداسازی جریان پایه را انجام می دهد و داده های جدولی و هیدروگرافی را بطور خودکار آماده می کند. با سیستم WHAT، جداسازی جریان پایه می تواند در کمتر از یک دقیقه انجام شود. سیستم WHAT ابزاری بسیار کارآمد است که کاربران باید جریان پایه را برای بسیاری از ایستگاه های مطالعاتی و دوره های طولانی مدت جدا کنند.
علاوه بر جداسازی جریان پایه، بسیاری از افراد از داده های جریانی USGS برای به دست آوردن آمار جریان برای تحلیل بسامد و تحلیل سری های زمانی استفاده می کنند. بنابراین، یک مؤلفه آمار جریان همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است توسعه داده شد. نمودارهای هیستوگرام نشان دهنده توزیع داده های جریان تبدیل شده به صورت خام و ورود به سیستم، با منحنی توزیع عادی بر روی آن ترسیم می شوند. نقشه QQ همچنین برای بررسی عادی بودن داده های جریان تبدیل شده به صورت خام یا ورود ایجاد می شود. این قابلیت ها اطلاعات اساسی را برای تجزیه و تحلیل بسامد جریان و تحلیل سری زمانی در اختیار کاربران قرار می دهند. جداسازی جریان پایه یا تجزیه و تحلیل هیدروگراف غالباً برای کالیبراسیون و اعتبار بخشی اجزای رواناب مستقیم و جریان پایه در مدل هیدرولوژیکی با مقایسه مقادیر شبیه سازی شده با مقادیر اندازه گیری شده استفاده می شود. به عنوان معیاری از "خوب بودن تناسب"، ضریب تعیین (R2) و ضریب نش-ساتکلیف اغلب استفاده می شود. بنابراین، رابط مبتنی بر وب برای محاسبه این دو ضرایب به راحتی و به سرعت ساخته شده است. همچنین، یک نمودار X-Y که رابطه بین دو مجموعه داده مانند مدل شبیه سازی رواناب مستقیم و رواناب مستقیم اندازه گیری شده را نشان می دهد، تولید می شود.
مقایسه جریان پایه با استفاده از روش های فیلتر دیجیتال
آرنولد و آلن در سال 1999 در یک مطالعه نتایج جریان پایه را با استفاده از فیلتر BFLOW با نتایج حاصل از جداسازی دستی و داده های جریان پایه اندازه گیری کردند. مقدار R2 برابر 0.83 بود، با شیب 1.07. با این حال، جریان پایه فیلتر شده با استفاده از فیلتر اکهارد با داده های اندازه گیری شده جریان پایه مقایسه نمی شود، اما با نتایج حاصل از روش های جداسازی معمولی مقایسه شد. بنابراین، جریان پایه فیلتر شده با استفاده از فیلتر اکهارد با نتایج حاصل از فیلتر BFLOW مقایسه شد.
شکل 2. جداسازی هیدروگراف برای ایستگاه USGS 03353600 با استفاده از (الف) فیلتر BFLOW و (ب) فیلتر اکهارد در دوره نمایش داده شده در شکل 1.
برای مقایسه جریان پایه فیلتر شده با استفاده از روش های فیلتر BFLOW و اکهارد، 50 عدد از 275 ایستگاه گارینگ در ایندیانا به طور تصادفی با استفاده از نسخه وب GIS سیستم WHAT انتخاب شدند. مناطق زهکشی این ایستگاه های آبخیز از 33 کیلومتر مربع تا 313.933 کیلومتر مربع بود. داده های جریان روزانه فیلتر شده از روش فیلتر اکهارد با نمونه هایی از روش فیلتر BFLOW مقایسه شدند و ضریب Nash-Sutcliffe و R2 با استفاده از مؤلفه سیستم WHAT برای توصیف "خوب بودن" محاسبه شدند. شکل 6 فیلتر را نشان می دهد. جریان پایه با استفاده از فیلتر اکهارد و فیلتر BFLOW برای ایستگاه USGS 3341500 در ایندیانا. ضریب Nash Sutcliffe و مقادیر R2 هر دو 0.99 است. مقادیر ضریب Nash-Sutcliffe برای 50 ایستگاه گارینگ محاسبه شد، و نتایج در شکل 7 نشان داده شده است. این نشان می دهد که جریان پایه فیلتر شده با استفاده از فیلتر اکهارد معمولاً باید جریان پایه را از تفکیک دستی و اندازه گیری جریان پایه مطابقت دهد.
شکل 3. رابط وب GIS. (الف) رابط وب WHAT، (ب) رابط وب GIS، (ج) بررسی شکست اطلاعات در داده های جریان روزانه USGS، (د) روزانه، ماهانه، جریان سالانه، رواناب مستقیم، و خروجی پایه جریان در قالب جدول و صفحه گسترده و (ه) هیدروگراف برای دوره زمانی مشخص شده توسط کاربر.
شکل 4. مروری بر سیستم وب GIS برای جداسازی جریان پایه با استفاده از جریان روزانه USGS.
نتیجه گیری
دو روش فیلتر دیجیتال، فیلتر BFLOW و روش فیلتر اکهارد، به دلیل محدودیت در روش حداقل محلی برای جدا کردن جریان پایه از جریان در سیستم iSep، در سیستم WHAT گنجانیده شده اند. یک جزء آماری همچنین برای محاسبه پلات های هیستوگرام و QQ برای داده های ایستگاه، که اطلاعات بنیادی را برای تجزیه و تحلیل بسامد جریان و تحلیل سری های زمانی ارائه می دهد، ایجاد شده است. سیستم WHAT برای جداسازی جریان پایه به داده های جریان روزانه USGS از سرور وب USGS دسترسی و استفاده می کند. بنابراین، سیستم WHAT می تواند به آسانی برای جداسازی جریان پایه برای هر ایستگاه USGS در ایالات متحده استفاده شود.
شکل 5. نتایج مؤلفه آماری سیستم WHAT: (الف) هیدروگراف جریان ماهانه جریان، (ب) هیستوگرام و قطعه QQ از داده های جریان ماهانه خام، و (ج) هیستوگرام و پلات QQ از داده های جریان تبدیل شده.
شکل 6. مقایسه جریان پایه فیلتر شده با استفاده از فیلتر اکهارد و جریان پایه فیلتر شده با استفاده از فیلتر BFLOW برای ایستگاه جابجایی USGS 03341500 در ایندیانا.
داده های جریان پایه فیلتر شده با استفاده از روش فیلتر اکهارد با نتایج استفاده از روش فیلتر BFLOW برای 50 ایستگاه اندازه گیری در ایندیانا مقایسه شد، زیرا نتایج BFLOW قبلاً با داده های جریان پایه جدا شده و اندازه گیری شده مقایسه شده بود و هماهنگی خوبی را نشان می داد (R2 مقدار 0.83 را داشت). ضریب Nash-Sutcliffe و مقادیر R2 برای این مقایسه بیش از 0.9 برای کل ایستگاه های اندازه گیری بود که نشان می دهد جریان پایه فیلتر شده با استفاده از روش فیلتر اکهارد به طور معمول با جریان پایه اندازه گیری شده مطابقت خواهد داشت. در مقایسه با جداسازی دستی جریان پایه از جریان، که می تواند منجر به تناقض در نتایج شود، سیستم WHAT نتایج بهتری را در کمتر از یک دقیقه ارائه می دهد. اگرچه الگوریتم های جداسازی جریان پایه در سیستم WHAT نمی تواند فاکتورهای خارجی، مانند انتشار جریان مخزن و ذوب برف که می تواند بر هیدروگراف های جریان تأثیر بگذارد را در نظر بگیرد، اما سیستم WHAT مبتنی بر وب GIS می تواند برای کالیبراسیون و اعتبار سنجی مدل هیدرولوژیکی به طور موثری مورد استفاده قرار گیرد.
شکل 7. مقایسه جریان پایه فیلتر شده با استفاده از BFLOW و روش فیلتر اکهاردت برای 50 ایستگاه گاوداری ایندیانا.
این رویکرد نشان می دهد که چگونه منابع از راه دور می توانند از طریق اینترنت با استفاده از برنامه نویسی وب به اشتراک گذاشته شوند. وقتی USGS پایگاه داده خود را به روز می کند، سیستم WHAT می تواند آخرین اطلاعات را از طریق درخواست URL به سرور USGS بازیابی کند. USGS جریان روزانه را با فرمت Extensionible Markup Language یا به اختصار XML فراهم می کند، بنابراین تلاش می شود داده های جریان را با فرمت XML مستقیماً با برنامه نویسی XML تجزیه کنند. با این کار زمان بازیابی داده ها از سرور از راه دور و ذخیره آن در سرور WHAT از بین می رود. همچنین، مزیت استفاده از نسخه وب GIS سیستم WHAT این است که یک رابط گرافیکی را فراهم می کند که متن جستجوگر جریان روزانه USGS و وب سایت بازیابی را تکمیل می کند.
شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@
نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com
(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)
_______________________________________________________
در منابع آب
نظرات (۰)