فراخوان مقاله: زمین آمار پیشرفته در هیدرولوژیکی

روشهای زمین آمار معمولاً در علوم آب، زمین و محیط زیست برای کمی کردن تغییرات فضایی، تولید نقشه های درون یابی با عدم قطعیت کمی و بهینه سازی طرحهای نمونه برداری فضایی استفاده می شود. زمین آمار زمین-فضا جنبه های پویای فرایندهای محیطی را بررسی کرده و تغییرات پویا را از نظر همبستگی مشخص می کند. زمین آمار نیز می تواند با یادگیری ماشین و مدل های مکانیکی ترکیب شود تا مدل سازی فرایندها و الگوهای دنیای واقعی را بهبود بخشد. چنین روشهایی برای مدل سازی خواص خاک، تولید خروجی های مدل آب و هوایی، شبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی و درک بهتر و پیش بینی عدم قطعیت ها به طور کلی استفاده می شود. تجزیه و تحلیل داده های بزرگ و ادغام داده ها به دلیل پیشرفت های تکنولوژیکی و فراوانی منابع داده جدید از سنجش از دور و نزدیک و همچنین تعداد زیادی از شبکه های حسگر محیطی به موضوعات اصلی تحقیق تبدیل شده است. پیشرفتهای روش شناختی، مانند مدل سازی سلسله مراتبی بیزی، یادگیری ماشین، فرآیندهای پراکنده گوسی، مدلهای تعامل محلی و همچنین پیشرفت در ماژولهای نرم افزاری زمین آمار در R و پایتون، جعبه ابزار زمین آمار را افزایش داده است.

ما در سایت بیسین، در یک بررسی آماری، از طریق پردازش داده های ماهواره های ناسا، به نتایجی رسیدیم که شاید یک درک بصری از آن برای همگان وجود داشته باشد. یکی از مهم ترین این نتایج این است که ایران دچار تنش آبی است نه خشکسالی به معنای عام آن. خشکسالی ها می توانند هیدرولوژیک، هواشناسی و... باشند که در جای خود نیاز به بررسی دقیق هستند. اما برای درک بهتر به نمودار زیر نگاه کنید.

معرفی کلی نرم افزار Vensim

Vensim یک نرم افزار شبیه سازی است که توسط Ventana Systems ساخته شده است. این برنامه در درجه اول از قابلیت شبیه سازی مداوم (پویایی سیستم)، با برخی از قابلیت های گسسته و مدل سازی مبتنی بر عامل، پشتیبانی می کند. به صورت تجاری و بصورت رایگان "نسخه یادگیری شخصی" در دسترس است. Vensim یک رابط مدلسازی گرافیکی با نمودارهای stock و flow و causal loop، در بالای یک سیستم معادلات مبتنی بر متن در یک زبان برنامه نویسی اعلانی ارائه می دهد. این شامل یک روش ثبت شده برای ردیابی تعاملی رفتار از طریق پیوند در ساختار مدل، و همچنین یک زبان اضافی برای اتوماسیون آزمایش های کنترل کیفیت در مدل هایی به نام بررسی واقعیت است.

Flike یک بسته تجزیه و تحلیل مقدار شدید است که احتمال وقایع سیل را بر اساس سوابق تاریخی محاسبه می کند. این برای تجزیه و تحلیل فرکانس سیل ایجاد شده است ، اما می تواند برای هر تجزیه و تحلیل مقدار شدید استفاده شود. Flike که توسط پروفسور جورج کوچرا از دانشکده مهندسی عمران دانشگاه نیوکاسل استرالیا تهیه شده است، با اصلاح عمده اخیر دستورالعمل های صنعت برای برآورد سیل مطابقت دارد، که در پیش نویس به روزرسانی باران و رواناب استرالیا (ARR) مستند شده است.

Hyfran یک نرم افزار بسیار مناسب جهت تحلیل آماری پارامترهای هواشناسی و هیدرولوژی می باشد. با این نرم افزار می توان با توزیع های آماری مختلف، مقدار یک پارامتر را در دوره بازگشت های مختلف تخمین زد. این نرم افزار قابلیت انجام خودکار آزمون های آماری بر روی داده ها را نیز دارد. شایان ذکر است که در این نرم افزار تحلیل های آماری پارامترهای هواشناسی و هیدرولوژی در آن قابل انجام بوده و خروجی های آن قابل انتقال به برنامه های دیگر مثل Excel می باشد.

به منظور تخمین سیلاب با دورهای بازگشت مشخص، نظیر 2، 5، 10، 100 ساله و یا بیشتر، در حوضه های آبریزی که برای آنها به علل مختلف داده ای در دسترس نیست چه راهی وجود دارد؟ جواب این سوال در حیطه فعالیت های یک مهندس منابع آب است که بر طبق روابط گسترده هیدرولوژی، می تواند تنها با استفاده از یک لایه مدل رقومی ارتفاع (DEM) آماری جزئی، محاسبات را با دقت قابل قبولی تکمیل کند.

شکل دقیق انجام این مطالعات از حوصله این مطلب خارج بوده و جزییات ریاضی و روش را می توانید در لینک های زیر پیدا کنید. اما لازم است تا برای آشنایی کلی، شرحی بر روند تحلیل ها ذکر گردد. در یک ویدیوی آموزشی که بر روی خروجی های محاسبات مشابهی زده شده است، بیان می شود که می توان با استفاده از اطلاعات هیدروگراف های واحد، داده های باران سنجی، و لایه DEM، و همچنین تنها اطلاعات دبی سنجی حداکثر سالانه، به واسنجی مدل بارش روانابی از منطقه پرداخت که ارقام مشاهداتی آن توسط تحلیل های ریاضی استخراج شده است و نه دبی سنجی صحرایی. برای جزییات بیشتر، ویدیو زیر را ببینید:

روش های مطالعه

راهنمایی ذکر شده در بخش قبل، برنامه ریزان را راهنمایی می کند تا منافع FWS را ارزیابی کنند، اما چگونگی انجام این کار را تعیین نمی کند. یک روش مشترک استفاده از به اصطلاح منحنی روز (USACE ،1996) است که در شکل زیر نشان داده شده است.

بررسی اجمالی سیستم های هشدار دهنده سیل

سیستم هشدار سیل چیست؟ سیستم هشدار سیل (FWS) بسته ای یکپارچه از تجهیزات جمع آوری و انتقال داده ها، مدل های پیش بینی، برنامه ها و روش های پاسخ و منابع انسانی است. اینها با هم زمان هدایت هشدار سیل را افزایش می دهند. با افزایش زمان هدایت، مقامات دولتی و شهروندان می توانند برای کاهش خسارت و محافظت از زندگی اقدامی انجام دهند. FWS به عنوان یک جایگزین برای کاهش خسارت غیرساختاری طبقه بندی می شود: این امر باعث کاهش جریان سیل یا مراحل سیل نمی شود، بلکه باعث کاهش خسارت های ناشی از یک مرحله مشخص می شود. یک سیستم هشدار کامل سیل شامل مؤلفه هایی است که در شکل به صورت مفهومی نشان داده شده است.

این نرم افزار به کاربران اجازه می دهد تا تجزیه و تحلیل آماری از داده های هیدرولوژیکی را انجام دهند. نسخه فعلی HEC-SSP می تواند تجزیه و تحلیل فرکانس جریان سیل را بر اساس بولتن 17B (کمیته مشورتی مشورتی بینابینی در مورد داده های آب، 1982) و بولتن 17C انجام دهد، آنالیز فرکانس عمومی در نه تنها داده های جریان بلکه سایر داده های هیدرولوژیکی و همچنین، آنالیز فرکانس حجم جریان بالا یا پایین، تجزیه و تحلیل مدت زمان، آنالیز فرکانس تصادفی، تجزیه و تحلیل ترکیبی منحنی، تجزیه و تحلیل هیدروگرافی متعادل، تجزیه و تحلیل اتصالات توزیع و تجزیه و تحلیل تراکم ترکیبی کاربرد دارد.

سیل صدساله سیلی است که هرساله ۱ درصد احتمال دارد که رخ دهد. سیل صدساله همچنین به ۱ درصد سیل که هرساله ممکن رخ دهد، اشاره دارد. سیل صدساله بطورکلی به عنوان یک نرخ صدساله بیان شده‌است. براساس نرخ جریان ۱۰۰ساله انتظار می‌رود که در یک نهر، رودخانه یا سیستم اب سطحی که انتظار می‌رود. سطح اب سیل می‌تواند به عنوان منطقه طغیان ترسیم شود. دشت سیلابی به دشت‌های سیلابی ۱۰۰ساله اشاره دارد که ممکن است شکل بگیرد و در نتیجه در دادن مجوزهای ساخت و ساز، مقررات زیست‌محیطی و بیمه سیل بسیار اهمیت دارد. برآورد نرخ جریان ۱۰۰ ساله و امار رودخانه‌های دیگر در ایالات متحده در دسترس است.

سیل 100 ساله چیست؟

اکثر مردم شرایط، سیل 100 ساله، طوفان 50 ساله یا سیل 200 ساله را به عنوان توصیف بزرگی از طوفان یا سیل شنیده اند. ما می دانیم که هر چه قبل از وقوع سیل سال قبل بیشتر باشد، تأثیر آن بر سطح رودخانه و هر چیزی که در جلگه رودخانه وجود دارد، بیشتر خواهد بود. همچنین، ما از کلمات 'سیل 100 ساله' می فهمیم که دوره بازگشت سیل 100 سال دارد یا به عبارت دیگر، فقط باید به طور متوسط ​​در هر 100 سال اتفاق می افتد. اما سؤالات باقیمانده این است که "آیا یک سیل 100 ساله ممکن است برای سال بعد هم رخ دهد؟"و" احتمال وقوع آن در هر دوره زمانی معین چقدر است؟ "

دوره بازگشت به برآورد احتمال روی‌دادن یک پدیده طبیعی مثل سیل یا تغییرات دبی رودخانه گفته می‌شود. معمولاً محاسبه و برآورد دوره بازگشت بر پایه اندازه‌گیری آماری داده‌های تاریخی به منظور دست‌یابی به میانگین زمان تکرار پدیده در یک دوره زمانی است و برای تحلیل خطر بروز یک پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. شامل تصمیم گیری در مورد اینکه آیا اجازه می دهد پروژه در منطقه ای از ریسک خاص پیش برود یا طراحی ساختارها برای مقاومت در برابر حوادث با یک دوره بازگشت خاص، مجاز است. تجزیه و تحلیل زیر فرض می کند که احتمال وقوع این رویداد به مرور تغییر نمی کند و مستقل از وقایع گذشته است.

مفاهیم و مبانی

دوره بازگشت به برآورد احتمال روی‌دادن یک پدیده طبیعی مثل سیل یا تغییرات دبی رودخانه گفته می‌شود. معمولاً محاسبه و برآورد دوره بازگشت بر پایه اندازه‌گیری آماری داده‌های تاریخی به منظور دست‌یابی به میانگین زمان تکرار پدیده در یک دوره زمانی است و برای تحلیل خطر بروز یک پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. شامل تصمیم گیری در مورد اینکه آیا اجازه می دهد پروژه در منطقه ای از ریسک خاص پیش برود یا طراحی ساختارها برای مقاومت در برابر حوادث با یک دوره بازگشت خاص، مجاز است. تجزیه و تحلیل زیر فرض می کند که احتمال وقوع این رویداد به مرور تغییر نمی کند و مستقل از وقایع گذشته است.

توجه: این مطلب در راستای تایید محاسبات یک گزارش 400 صفحه ای در تحلیل و پیش بینی سیلاب حوضه آبریز خرم آباد نوشته شده است. این محاسبات و گزارش پیش از سال 1398 انجام شده است که به درستی سیل فروردین ماه لرستان را با دقت بالایی پیش بینی می کند.

به عنوان یک روش دیگر در بررسی درستی محاسبات گزارش هیدرولوژی پروژه جامع، می توان دبی سیل 11ام و 12ام فروردین 1398 در ایستگاه هیدرومتری دوآب-خرم آباد (مشاهداتی شرکت آب منطقه ای)، که درست بر نقطه خروجی مرز بسته شده حوضه منطبق است را با هیدروگراف قابل استخراج از هیدروگراف واحد مصنوعی اشنایدر کل حوضه، مورد مقایسه قرار داد. با توجه به مساحت و شکل حوضه، پیش از این درستی انتخاب هیدروگراف اشنایدر از بین دیگر روش های تهیه هیدروگراف واحد مصنوعی، در گزارش اصلی تحلیل شده است.

مدل سه بعدی حوضه آبریز خرم آباد

توجه: این مطلب در راستای تایید محاسبات یک گزارش 400 صفحه ای در تحلیل و پیش بینی سیلاب حوضه آبریز خرم آباد نوشته شده است. این محاسبات و گزارش پیش از سال 1398 انجام شده است که به درستی سیل فروردین ماه لرستان را با دقت بالایی پیش بینی می کند.

در این گزارش به منظور محاسبه درستی و صحت یابی خروجی مطالعات هیدرولوژی آبریز حوضه خرم آباد، منحصرا در بخش دبی های با دوره بازگشت معین، در اینجا دوره بازگشت سیل در ایستگاه های هیدرومتری فیزیکی (موجود در حوضه آبریز)، با عناصر مدل بارش-رواناب HEC-HMS، درست در محل این ایستگاه ها مورد مقایسه واقع شده است. بعلاوه در انتها یک مقایسه نیز با ارقام دبی سیلابی فروردین ماه 1398 صورت گرفت.

HydroShare سیستمی است که توسط کنسرسیوم دانشگاه ها برای پیشرفت شرکت Hydrologic Science Inc یا CUAHSI اداره می شود که به کاربران این امکان را می دهد تا داده ها و مدل ها را در قالب های مختلف انعطاف پذیر به اشتراک بگذارند و منتشر کنند و این اطلاعات را به صورت قابل اعتماد، به حالت اشتراک و در دسترس قرار دهند. روش قابل کشف HydroShare شامل مخزنی برای داده ها و مدل ها و ابزارها (برنامه های وب) است که می تواند براساس محتوا در HydroShare عمل کند و دروازه ای را برای محاسبات با عملکرد بالا در اختیار کاربران قرار دهد.

علت کاهش آب های زیرزمینی در بسیاری از مناطق جهان به طور گسترده ای به آبیاری نسبت داده شده است. با این حال، مکانیسم های علمی رسمی، مبتنی بر داده ها، از الگوهای آب های زیرزمینی طولانی مدت ارزیابی نشده است. در اینجا، ما اولین تجزیه و تحلیل علت اساسی را برای شناسایی "علل" الگوهای آب های زیرزمینی با استفاده از مزرعه های تولید برنج لوئیزیانا، ایالات متحده، به عنوان نمونه انجام دادیم. تجزیه و تحلیل ها، روند کاهش سطح تا 6 متر در سطح آب زیرزمینی را طی 51 سال نشان داد. ما دریافتیم که هیچ یک از موارد، الگوهای آب زیرزمینی را برای همه موراد توجیه نمی کند. ارتباط علت و معلولی بین آب های زیرزمینی و منطقه برداشت شده، تعداد چاه های آبیاری، کل بارش های تابستان و خشکسالی مشاهده شده. ارتباطات دو جهته بین آب زیرزمینی و عملکرد برنج مشاهده شد، و نشانگر بازخورد بین هر دو سری زمان است. ارتباط علت و معلولی بین آبهای زیرزمینی و بسیاری از عوامل وجود دارد که در آن رابطه همبستگی معنی داری وجود داشته است، و نشان دهنده اهمیت استفاده از روابط مستحکم نسبت به همبستگی های توهم آور برای کشف علت است. این نتایج درک ما از پویایی آب زیرزمینی را پیش می برد و می تواند ارتباط کلیدی بین غذا و آب های زیرزمینی را نشان دهد.

تغییرات آب و هوا منجر به نگرانی در مورد افزایش سیلاب های رودخانه ای شده است که ناشی از ظرفیت بیشتری برای نگهداری آب در یک جو گرم است. این نگرانی ها با شواهدی مبنی بر افزایش خسارت های اقتصادی ناشی از سیل در بسیاری از نقاط جهان، از جمله اروپا تقویت می شود. هرگونه تغییر در سیلاب رودخانه می تواند پیامدهای ماندگار در طراحی اقدامات حفاظت از سیلاب و پهنه بندی خطر سیل داشته باشد. با این حال، مطالعات موجود قادر به شناسایی یک سیگنال تغییر آب و هوایی در مقیاس قاره پایدار در مشاهدات تخلیه سیل در اروپا نیستند، به دلیل محدود بودن فضای مکانی و تعداد ایستگاه های هیدرومتریک. در اینجا ما الگوهای آشکار منطقه ای از افزایش و کاهش در سیلاب رودخانه مشاهده شده در پنج دهه گذشته در اروپا را نشان می دهیم، که مظاهر تغییر آب و هوا هستند.

مدل توابع اکوسیستم (HEC-EFM) برای کمک به تیم های مطالعه تعیین پاسخ اکوسیستم به تغییرات در رژیم جریان یک رودخانه یا تالاب متصل طراحی شده است. تجزیه و تحلیل HEC-EFM شامل: 1) تجزیه و تحلیل آماری از روابط بین هیدرولوژی و اکولوژی، 2) مدل سازی هیدرولیک و 3) استفاده از سیستم های اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای نمایش نتایج و سایر داده های مکانی مرتبط است. از طریق این فرآیند، تیم های مطالعه قادر خواهند بود تا شرایط زیست محیطی موجود را تجسم کرده و تعریف کنند، مکانهای ترقی نوید بخش را برجسته کرده و گزینه های متناسب با تغییرات پیش بینی شده در جنبه های مختلف اکوسیستم را ارزیابی و رتبه بندی کنند.