در طول زمان آب و هوا، توپوگرافی سطح زمین را از طریق تعامل بین بارندگی، رواناب و فرسایش در حوضه های زهکشی شکل می دهد. مشخصات طولی یک رودخانه (ارتفاع در مقابل فاصله از پایین دست) یک ویژگی مهم مورفولوژیکی است که تاریخچه تکامل حوضه زهکشی را منعکس می کند، بنابراین شکل آن باید تشخیصی منطقه ای آب و هوا و تعامل آن با سطح زمین بدست دهد. اما، هر دو تشخیص اثرات اقلیمی در پروفایل های طولی و رمز گشایی در ساز و کارهای آب و هوایی توسعه آنها به دلیل فقدان داده های جهانی مربوطه و همچنین اثرات متغیر تکتونیک، سنگ شناسی، خصوصیات سطح زمین و فعالیت های انسانی چالش برانگیز بوده اند. در اینجا ما مجموعه ای از مجموعه داده های 333502 پروفایل طولی رودخانه را ارائه می دهیم، و از آن برای کشف تفاوت های شکل کلی (مقعر) در مناطق آب و هوایی استفاده می کنیم. ما نشان می دهیم که پروفیل های رودخانه ای با افزایش خشکی به طور منظم مستقیم می شوند. از طریق مدل سازی عددی ساده، ما نشان می دهیم که این الگوهای جهانی در شکل پروفایل طولی را می توان با کنترل های هیدرولوژیکی که بازتاب رژیم های بارندگی- رواناب در مناطق مختلف آب و هوایی است، توضیح داد. مهمترین آنها نرخ پایین دست تغییر در جریان، مستقل از مساحت حوضه زهکشی است. نتایج ما نشان می دهد که توپوگرافی رودخانه نمودی از خشکی را نشان می دهد، نشان می دهد که آب و هوا یک کنترل مرتبه اول در تکامل حوضه زهکشی است.

نظریه متعارف، نمایه های طولی رودخانه (پروفایل های طولانی) را با داشتن شکل عموما مقعر، با نقاط ضربه و سایر نوسانات بیان کننده تعامل چندین متغیر مستقل است:: آب و هوا، تکتونیک، سنگ شناسی و تأثیرات انسانی. این شکل مشخصه از پروفیل های طولانی تفسیر شده است که در نتیجه افزایش جریان پایین دست با منطقه زهکشی، که باعث فرسایش بستر رودخانه می شود، رسوب را از بالادست به پایین دست منتقل می کند، و پروفیل ها را در اندازه دانه مواد کنار رودخانه ایجاد می کند. با این حال، پروفایل های طولانی با شیب کلی بسیار نزدیک به صفر وجود دارند (یعنی پروفایل ها از شکل معمولی مقعر مستقیم تر هستند)، با این وجود درک محدودی از توزیع جهانی تعرفه های پروفایل بلند و ارتباط آنها با آب و هوا وجود دارد. نظریه برش قدرت جریان بیان می کند که فرسایش کانال ذاتاً به یک رابطه فرض شده بین تخلیه رودخانه (Q) و منطقه زهکشی (A) وابسته است: Q ∝ Ac. بر اساس این تئوری، عبارتی مشتق شده است که تقارن مشخصات طولانی رودخانه با محدودیت تأمین را به فاکتور c پیوند می دهد، و نشان می دهد که پروفایل های مقعر برای c> 0، مستقیم برای c = 0 و محدب برای c <0 پیوند خورده اند. وابستگی مشابهی از تقارن پروفایل در رابطه Q-A برای سیستم های جوی حمل و نقل نامحدود به دست آمده است. کارهای قبلی تا حد زیادی مورد تأیید قرار گرفته است برای مواردی که c> 0 با وجود شواهدی که c در بسیاری از حوضه های رودخانه، به ویژه در مناطق خشک وجود دارد، ممکن است از طغیان تا سیل در طیف وسیعی از مقادیر منفی تا مثبت متفاوت باشد. از اهمیت ویژه ای که در اینجا وجود دارد این است که آیا بیان اقلیمی در هیدرولوژی کانال رودخانه ممکن است یک کنترل درجه اول در شکل پروفایل بلند باشد یا خیر، آیا اثر مشابه آب و هوایی آن در سراسر جهان حفظ شده است.

بسیاری از رودخانه ها از آبشار، تأثیرات از آب و هوا گرفته تا هیدرولوژی تا فرسایش را تجربه می کند که مشخصات مسیر طولانی آن تکامل می یابد. بنابراین، بیان آب و هوایی در جریان باید یک کنترل درجه اول در شکل نمای طولانی باشد. تجزیه و تحلیل عددی پاسخ های شکل پروفایل به توزیع حوادث جریان بالاتر از آستانه برای برش بستر، بخشی از این وابستگی را نشان داده است. با این حال، شواهد جهانی محدودی در مورد چگونگی تأثیر بیان هیدرولوژیکی آب و هوا بر پروفایل های طولانی، در طیف گسترده ای از مناطق آب و هوایی وجود دارد. آب و هوا رژیم بارش را در یک منطقه تعیین می کند. به نوبه خود، رژیم بارش میزان و دفعات تأمین آب به سطح زمین را کنترل می کند، بخشی از آن رواناب را در حوضه های زهکشی ایجاد می کند و این موضوع در معرض تلفات ناشی از نفوذ و تبخیر و تعرق است. جریان در رودخانه ها هنگام رسیدن رواناب به کانال، با سهم قابل توجهی از جریان اصلی در مناطق مرطوب از آب های زیرزمینی و زهکشی زیرسطحی و پتانسیل برای دوره های طولانی بدون جریان در کانال های خشک مواجه می شود. جریان آب درون یک رودخانه محرک اصلی تکامل چشم انداز آن است، از طریق نیروی پایین دست مربوطه اعمال شده بر بستر جریان، فرسایش کانال مرتبط صورت گرفته، و برش رودخانه محلی در هر موقعیت ارتفاعی در امتداد مشخصات صورت می گیرد. بنابراین، ما مشخص می کنیم که روابط آب و هوا و جریان یک کنترل قوی بر روی پروفایل های طولانی اعمال کند.

آب و هوا در پایین دست سرعت تغییر جریان در بین رودخانه های خشک و مرطوب پایان سپتامبر متفاوت است. در اقلیم های خشک، جریان به دو دلیل اصلی تمایل به کاهش در سطح بالادست در تمام سیل های جزیر دارد. اول، بارندگی کم سالانه، پوشش منطقه ای محدود از طوفان های باران، و مدت زمان کوتاه از وقایع بارندگی باعث رواناب جزئی از مناطق می شود. این نتیجه در بخش کمی از شاخه های حوضه است که برای مدت زمان محدود به جریان اصلی جریان می یابد. دوم، رودخانه ها معمولاً زودگذر هستند (بدون داشتن جریان دائمی)، بنابراین کانال ها از طریق بسترهای خشک و متخلخل (تلفات انتقال) آب را از دست می دهند زیرا سطوح آب در زیر کانال قرار دارد. بنابراین، رابطه فرضی قانون اغلب فرض شده بین جریان و ناحیه زهکشی (با ضریب مثبت c) تجزیه می شود، به طوری که ممکن است مقدار متوسط ​​بلند مدت c منفی، مثبت یا صفر باشد. در مقابل، کانال های مرطوب دارای جریان چند ساله (در تمام طول سال) هستند که از جریان اصلی آبهای زیرزمینی پشتیبانی می شوند، و جریان را از شاخه های همجوار جمع می کنند و باعث افزایش جریان پایین دست در تخلیه (C مثبت) می شوند. ما با توجه به بیان منطقه ای آب و هوا در رژیم های تخلیه (به عنوان مثال، هیدرولوژی دیم یا کوه شناسی دامنه کوه) طیف گسترده ای از تغییرات جریان پایین دست در جریان را براساس کره زمین وجود دارد، و نه فقط بر روی منطقه حوضه زهکشی. با توجه به پیوند آشکار بین جریان و فرسایش کنار رودخانه، فرض می کنیم که اثرات آب و هوایی در پروفایل های طولانی رودخانه ساخته می شوند، که بر سایر گروه های کنترل بیرونی معین شده است. به عبارت دیگر، انتظار داریم مقدار زیادی از پراکندگی، مانند داده های زیست محیطی، منفک باشد، اما فرض می کنیم که آب و هوا خود را به عنوان کنترل مرتبه اول در شکل پروفایل بلند نشان می دهد.

برای آزمایش این فرضیه، ما یک بانک اطلاعاتی از پروفایل های طولی جهانی (GLoPro) رودخانه ها بین 60 درجه سانتی گراد و 56 درجه سانتیگراد (شکل 1) استخراج شده از مدل ارتفاع دیجیتال ماموریت توپوگرافی شاتل 30 متری ناسا (مدل SRTM-DEM) استخراج کردیم. این پروفایل ها با استفاده از LSDTopoTools، نرم افزاری با قابلیت های پیشرفته در آنالیز توپوگرافی، استفاده از آستانه برای منطقه زهکشی بالادست و الگوریتم استخراج کانال استخراج شده است، که هر دو احتمال از جمله ویژگی های غیر کانال را کاهش می دهند (روش ها را ببینید). برای هر نمایه، ما شاخص معمول Concavity - NCI را محاسبه کردیم، یک متریک صرفاً بر اساس هندسه پروفایل محاسبه می شود (Methods؛ Data Extended شکل 1) که امکان مقایسه استاندارد از اشکال پروفیل رودخانه در سراسر جهان را فراهم می کند. NCI منفی است اگر نمایه مقعر باشد، اگر پروفایل مستقیم باشد صفر است و اگر پروفایل محدب باشد مثبت است.

شکل 1 | نقشه جهانی پروفیل های طولانی رودخانه استخراجی، طبقه بندی شده توسط مقادیر NCI. هر نقطه پایین ترین مقدار از هر نمای رودخانه استخراج شده، کدگذاری شده توسط مقدار NCI را مشخص می کند. پروفیل های طولانی رودخانه از 30M با وضوح SRTM-DEM استخراج شده است ، که مساحت زمین بین 60 درجه شمالی تا 56 درجه جنوبی را در بر می گیرد. جدول ورودی تعداد رودخانه های استخراج شده در هر سطل NCI را نشان می دهد. نقشه وکتور پس زمینه و زمینه شطرنجی رایگان از Earth Natural www.naturalearthdata.com در طرح نقشه Pseudo Plate Carree در ArcGIS است.

ما هر یک از مشخصات را در GLoPro با استفاده از طبقه بندی آب و هوا Köppen-Geiger و شاخص کمی خشکی (که با تقسیم بارش توسط تبخیر و تعرق احتمالی محاسبه می شود) طبقه بندی کردیم، برای بررسی روابط بین آب و هوا و شکل مشخصات مسیر طولی رودخانه و بررسی اینکه آیا بیان خشکی است یا خیر. قابل تشخیص در NCI. طبقه بندی Köppen-Geiger در آستانه دما و بارش استوار است، با تاکید بر پاسخ به پوشش گیاهی به آب و هوا. شاخص خشکی مقیاسی است که تعادل بین میزان بارش و تقاضای تبخیر را نشان می دهد و با خشکی کاهش می یابد. در اینجا ما فرضیه تهی را مطرح کردیم که هیچ تفاوتی بین NCI بین دسته اقلیم وجود ندارد. ما GLoPro را برای هر یک از عوامل طبیعی یا انسانی دیگر فیلتر نکردیم، و این شامل رودخانه های بستری و آبرفتی است. ما هیچ گونه فرضیه ای راجع به اینکه پروفایل ها حالت پایدار (تعادل) یا گذرا ندارند، ایجاد نمی کنیم، اما فرض کردیم که مقوله های اقلیمی در طبقه بندی Köppen-Geiger و شاخص خشکی در طول بازه های زمانی توسعه مشخصات طولانی تغییر نکرده اند (روش ها) .

توزیع جهانی مقادیر NCI هیچگونه تعصب جغرافیایی قوی را نشان نمی دهد، اگرچه غلظت های واضحی از محدب (جنوب سیبری)، مقعر (جنوب شرقی آسیا) و رودخانه های تقریبا مستقیم (شبه جزیره عربستان) وجود دارد (شکل 1). توزیع NCI کلاس های مختلف آب و هوایی (شکل 2a) با هم همپوشانی دارند و وسعت زیادی را نشان می دهند است، که منعکس کننده اندازه بزرگ نمونه و بسیاری از متغیرهای مستقل متقابل (آب و هوا، تکتونیک، سنگ شناسی و عوامل انسانی) که بر توسعه حوضه زهکشی تأثیر می گذارد. با این وجود، از نظر آماری تفاوت معنی داری بین توزیع مشهود است (مقادیر P بین ---، داده های توسعه یافته شکل 5). با مقایسه چهار منطقه اصلی آب و هوایی Köppen-Geiger، همه توزیع های NCI منفی هستند و نشان می دهد که پروفایل های طولانی رودخانه به طور کلی مقعر هستند (شکل 2a). با این حال، در مقایسه با سه منطقه اصلی آب و هوایی دیگر (گرمسیری، معتدل و سرد)، مقادیر NCI برای رودخانه های منطقه خشک به ویژه با توزیع باریک تر به صفر (تنگ تر) نزدیک تر است (جدول داده های xtended 1). اثر مشخص پروفایل های تنگتر در منطقه آب و هوایی Köppen-Geiger Arid در GLoPro یک یافته بی سابقه است. برای کشف بیشتر این نتیجه، ما به بررسی رابطه بین NCI برای طبقه بندی اقلیم شاخص خشکی، اعم از رده های Humid تا Hyper-Arid پرداختیم. با افزایش میزان خشکی، شاهد افزایش سیستماتیک در واسطه توزیع NCI از پروفایل های مقعر تا تنگتر هستیم (شکل 2c، d). علاوه بر این، ما فرکانس بالاتری از پروفایل رودخانه مقعر در مناطق مرطوب (ترکیبی از دسته های رطوبت خشک و رطوبت از شاخص خشکی) و فرکانس بالاتری از پروفیل های تنگتر در مناطق خشک (ترکیب Hyper-Arid) پیدا کردیم.، دسته های خشک و نیمه خشک از شاخص خشکی). به عبارت دیگر، صاف بودن نمای طولانی به نظر می رسد که به طور مستقیم با تعادل آب یک منطقه در ارتباط است، و با گسترش آن، بیان آن در رژیم های جریانی جریان رودخانه ها را نیز فرسایش می دهد.

سؤال کردیم که چرا پروفایل های طولی رودخانه خشک از رطوبت تندتر هستند و آب و هوا از طریق جریان در آن، تا چه اندازه بر مشخصات طولی تأثیر می گذارد؟ تئوری قدرت جریان نشان می دهد که تغییرات تخلیه با منطقه زهکشی از مخلوط نمای طولی کانال های محدود عرضه تأثیر می گذارد. ما در جستجوی منعطف کردن این فرض وابستگی به Q-A بودیم و بنابراین توضیح مکانیکی کلی تری از نتایج GLoPro خود ارائه می دهیم، به عنوان یکی از مواردی که در کانال های محدود حمل و نقل اعمال می شود. ما از مدل عددی LONGPRO30 - Methods استفاده کردیم و بیان هیدرولوژیکی آب و هوا را در یک پارامتر تقسیم کردیم که نشان دهنده نرخ پایین دست تغییر جریان است، که جایگزین رابطه Q-A از تئوری قدرت جریان است. به طور خاص، تخلیه با فاصله پایین کانال با یک نرخ کنترل شده توسط نماینده قانون قدرت، α، در معادله: QL = Qn (L / Ln) α، که QL تخلیه در فاصله پایین دست، L و n است، تغییر می کند. پایین ترین نقطه در نمایه (Methods). ما تکامل پروفایل های طولی رودخانه با استفاده از شش مقدار α را که در کنار هم نشان دهنده طیف وسیعی از کاهش و افزایش میزان تخلیه پایین دست هستند شبیه سازی می کنیم (α = − 2، -1، −0.5، 0.5، 1، 2). پارامترهای دیگر مدل LONGPRO در محدوده تعیین شده برای رودخانه های طبیعی ثابت نگه داشته ایم اما تأثیر آنها بر NCI را بطور جداگانه مورد بررسی قرار داده ایم. برای هر پروفایل شبیه سازی شده، مقدار NCI را محاسبه کردیم (شکل 3a).

شکل 2 | تأثیر آب و هوا بر NCI. تخمین چگالی هسته (KDE) (روش ها را ببینید) یک نمایش غیر پارامتری از عملکرد چگالی احتمال است. A  B، مقایسه مقادیر NCI برای چهار منطقه عمده آب و هوایی Köppen-Geiger، برجسته شده از تمایز مقادیر ناحیه ای از مناطق خشک (a) و زیر مناطق طبقه بندی Köppen-Geiger، از جمله جنگل های بارانی گرمسیری (آفریقا)، گرمسیری-موسمی (Am)، گرمسیری-ساوانا (Aw)، کویر خشک (BWh)، بیابان خشک و سرد (BWk)، استپی گرم و گرم (BSh)، استپ خشک و سرد (BSk)، تابستان معتدل و خشک (CS)، زمستان معتدل و خشک (CW)، فصل معتدل و بدون خشکی (Cf)، تابستان سرد و خشک (DS)، زمستان خشک و سرد (DW) و بازه بدون فصل سرد (Df)،ج، مقادیر KDE در مقابل مقادیر NCI برای شاخص های اقلیمی شاخص خشکی (AI) بزرگ شدن مستطیل در c است، تغییرات در توزیع NCI را براساس شاخص خشکی نشان می دهد. ه، فرکانس های دسته بندی ترکیبات شاخص خشکی ترکیبی بین توزیع های NCI، برجسته کردن سطل های خشک تحت سلطه و مرطوب تحت سلطه مقادیر NCI، جایی که دیم شامل دسته های Hyper-Arid ، Arid و Semi-Arid می باشد و مرطوب نیز شامل دسته های Sub-Humid و Humid می باشد. خط عمودی خاکستری در هر قطعه نمایه های مستقیم (NCI = 0) را نشان می دهد.

دریافتیم که NCI در پروفایل های شبیه سازی شده بطور منظم تحت تأثیر α قرار دارد (شکل 3b). به طور خاص، سریعترین تخلیه در پایین دست (α = 2) پروفایل های محدب را ایجاد می کند و پروفایل ها به تدریج مستقیم تر می شوند و با افزایش α، مقعر می شوند. به طور کلی، پروفایل های طولانی تر مستقیم تر هستند هنگامی که α به صفر نزدیک می شود (تخلیه در پایین دست متفاوت نیست). این نتایج LONGPRO پشتیبانی قطعی مکانیکی از نتایج NCI ما از GLoPro را تأمین می کند، و آنها همچنین تأثیر پارامتر c بر همرفتی از نظریه قدرت جریان را تأیید می کنند، و با اشاره به خشکی و تأثیر آن بر تخلیه پایین دست به عنوان یک کنترل درجه اول در شکل پروفایل طولی .

با تجزیه و تحلیل داده های جریان از طیف وسیعی از رودخانه های سنجش شده در ایالات متحده آمریکا، نمایندگی مقادیر α مدل شده برای رودخانه های واقعی را آزمایش کردیم. این تجزیه و تحلیل دامنه های α را متناسب با انتظارات برای هر منطقه آب و هوایی Köppen-Geiger نشان می دهد، که به موجب آن مناطق گرمسیری، معتدل و سرد دارای مقادیر α مثبت و بزرگ هستند و منطقه خشک مقادیر α را نزدیک به صفر نشان می دهد (داده های توسعه یافته شکل 8a). توجه داشته باشید که طیف وسیعی از مقادیر α (مثبت، منفی و صفر) احتمالاً برای رودخانه های خشک به دلیل بیان متغیر آب و هوا در هیدرولوژی جریان بر اثر سیل مشترک است. علاوه بر این، مقدار متوسط ​​α تحت تأثیر دوره های طولانی بدون جریان (زودگذر)، معمولی رودخانه های دیم قرار دارد (داده های توسعه یافته شکل 8b). حالت زودگذر تلفات انتقال را کاهش می دهد که جریان پایین دست را کاهش می دهد و همچنین وزن بیشتری به هر رویداد سیل تاریخی می دهد. یعنی سیل های کوچکتر که میزان تخلیه رو به پایین را نشان می دهند، از لحاظ ژئومورفی مقدار کمتری نسبت به حالت های بزرگتری که در پایین دست افزایش می یابند مؤثر هستند. بنابراین، α ممکن است بین مقادیر منفی و مثبت برای هر یک از سیل ها متفاوت باشد، و در نتیجه یک مقدار میانه توزیع نزدیک به صفر باشد.

ترکیب این داده های هیدرولوژیکی با نتایج مدل ما، تفسیر روند جهانی در مقعرهای نمای طولانی با خشکی را نشان می دهد و سه نتیجه را آشکار می کند. (1) مشخصات رودخانه مقعر تنها می تواند در نتیجه شرایط جریان چند ساله و افزایش جریان پایین دست، مطابق با نظریه برش جریان جریان ایجاد شود. (2) پروفایل های طولانی تری می توانند در رودخانه هایی که به ندرت جریان می یابند تکامل پیدا کنند و تخلیه میانه آنها در طولانی مدت در همه جای کانال مشابه باشد. (3) پروفایل های طولانی محدب می توانند تحت طیف وسیعی از شرایط زودگذر یا چند ساله ایجاد شوند، اما در جاهایی که آب و هوا ممکن است کنترل مرتبه اول نباشد. همه این اشکال پروفایل در GLoPro وجود دارد (شکل 1، 2) با غلبه بر پروفایل های مقعر در همه مناطق آب و هوایی (مدل α مثبت بزرگ مدل شده)، بسیاری از پروفایل های مستقیم متمرکز در مناطق خشک (مدل کوچک α ) مدل دار، و مجموعه ای کوچکتر از پروفیل های رودخانه محدب به سمت بالا (α مدل منفی) که در مناطق مرطوب (اثرات قوی آگرافی) و مناطق خشک (سهم منطقه جزئی و تلفات انتقال) رخ می دهد. تأثیر α در رودخانه های محدود به حمل و نقل (و با اثر بیشتر، تأثیر c در رودخانه های محدود به منبع تأمین) بر سایر کنترل های احتمالی بر روی مقابله با مشخصات در مقیاس جهانی غلبه می کند (داده های توسعه یافته شکل 6).

شکل 3 | مدل سازی پروفایل های طولانی رودخانه با نرخ پایین دست متغیر جریان. مقادیر NCI برای پروفایل های طولانی شبیه سازی شده با LONGPRO با طیف وسیعی از قدرت قانون نرخ پایین دست تغییر جریان (α). پانل های inset توزیع مربوط به پایین دست تخلیه (Q) را برای مقادیر α مختلف مورد استفاده در مدل سازی LONGPRO نشان می دهد. ب، پروفایل های طولانی رودخانه شبیه سازی شده برای مقادیر مربوط به α، نرمال شده توسط کل رودخانه (تفاوت بین حداکثر و حداقل ارتفاع از مشخصات بلند).

مجموعه داده های جهانی ما، GLoPro، همراه با مدل سازی عددی ساده و تجزیه و تحلیل داده های هیدرولوژیکی، توضیحی در مورد چگونگی بیان هیدرولوژیکی آب و هوا می تواند تفاوت های سیستماتیک در اشکال مشخصات طولانی بر اساس خشکی تولید کند. از این تجزیه و تحلیل جهانی از پروفایل های طولی، ما نشان می دهیم که سیگنال های اقلیمی، صرف نظر از تنوع شرایط محیطی و سایر اجبارات در سراسر کره زمین، به صورت پروفایل های طولانی رودخانه حفر می شوند (روش ها). علیرغم همپوشانی در توزیع NCI، سیگنال اصلی یکی از خشکی است که بر جریان کانال و آبشار عوامل از آب و هوا تا هیدرولوژی تا فرسایش تأثیر می گذارد، و تأیید کننده مطالعات قبلی است. این یافته ها اهمیت رژیم های هیدرولوژیکی، به طور مستقیم تحت تأثیر آب و هوا، به عنوان یک کنترل اولیه در توسعه توپوگرافی رودخانه، و درک ما از تکامل حوضه زهکشی در پاسخ به تغییرات آب و هوا را برجسته می کند.

دانلود اصل مقاله

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

پروژه تخصصی در لینکدین

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح