نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 استادیار اقلیم شناسی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
2 کارشناس ارشد ژئومورفولوژی، دانشگاه تربیت معلم سبزوار، سبزوار، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Extended abstract
1- Introduction
Drought and flood are events that humans are horrified about them and try to manage them. Today flood management by un-instrument management is considered and the first step for decreasing flood risk is watershed management in up-basins areas.Defining critical sub-basins by grouping in similar group in point of flood intensity and like geomorphologic variable is a useful method for flood management. In this way clustering method is used for identifying homogeneous hydrological basins.
Three main methods for clustering in statistical science are included: Hierarchical, Un- hierarchical and Fuzzy method.The number of researches has been done in Iran and other countries by these methods as following:
See and Openshow (1998) for increasing of flood risk forecasting in England and Roger ET all. (2000) for preparing of soil hydrologymap in France used fuzzy clustering. Both conclusions indicated fuzzy method is more suitable in point of operation and low cost. In Iran Ghiyasi and ET all, (2005) used geomorphologic quantitative variance (such as area, perimeter, length and slope (of main water way and watershed for indicating the homogenous sub-basins in northern Alborz. they showed fuzzy method no need to estimate many parameters to achieve fit result.
2- Methodology
Study area: The area in this research is a part of Karvan city in western Isfahan Province and a sub-basin of the big Morghab watershed (upward basin). Morghab River attaches to Zayaande Rood River. Karvan plain located in 50º 32′ E to 50º 56′ E and 32º 50′ N to 33º 2′ N. The area of basin is 326.189 km2 and its perimeter is 82.554m. The average height of basin is 2545.29m, highest point is 3640m (Daran Mountain) and lowest point is 2150m (near to the Askaran village). The average slope of the basin is 15.5% and slope decries to the east. Climate of basin is Semi-arid according to Demartan index.
Thirteen geomorphologic quantitative variances have been calculated in all sub-basins. These variants belong to the flood-density of streams, geometry of basin, height and climatologically variants of sub basins. For flood estimate we used SCS method in various return periods and cluster analyses by hierarchical and fuzzy method.
Steps for doing methods include:
1- Data selection and estimating (flood-density of streams, geometry of basin, height and climatologically variants of sub basins)
2- Standardizing data (by z-score methods)
3- Suitable algorithm selection for analysis (hierarchical and fuzzy methods) Fuzzy Algorithm
Fuzzy logic is a form of many-valued logic. it deals with reasoning that is fixed or approximate rather than fixed and exact. In contrast with traditional logic theory, where binary sets have two-valued logic: true or false, fuzzy logic variables may have a truth value that ranges in degree between 0 and 1. Fuzzy logic has been extended to handle the concept of partial truth, where the truth value may range between completely true and completely false. Furthermore, when linguistic variables are used, these degrees may be managed by specific functions.
3- Discussion
We used cluster analysis with Hierarchical method and Fuzzy method for dividing sub basins which belong to homogeneous groups. Using hierarchical method and using ward method was gained the best division. Sub-basins are classified into tree similar classes. Only two groups with similar approximate Membership coefficients were divided by Fuzzy method. In order to achieve better result in this method, variants were experienced in four groups by Fuzzy method and were achieved better result. Membership coefficients of sub-basins were increased in each group. In order to separate sub-basins of view intensity of flood, was used design storm for various return period, in both kinds of cluster method (Fuzzy and Hierarchical method), sub-basins were divided into three similar groups of sub-basins. Results specified that separating sub- basins was similar of view flood peak by Fuzzy and Cluster methods. Rightness of classification was proved by discriminate Analysis. The data demonstrated correct results in both kinds of cluster.
Theoretical classification of sub-basins was done in three identical groups in view point of flood potential. These outcomes were similar to obtained clusters in quantitative analytic method.
4- Conclusion
1- Using the Hierarchical and Fuzzy methods for clustering sub basins in point of view thirteen geomorphologic variables have revealed that Hierarchical method can gain a better clustering for sub-basins.
2- The Hierarchical and Fuzzy methods for clustering sub basins in point of view flood-intensity have indicated both methods achieved to similar cluster and rightness of classification was proved by discriminate analysis
3- By clustering variants in fit groups we can improve conclusions of clustering.
4- Theoretical classification of sub-basins can be a complementary method for comparison and validation of statistical clustering methods.
کلیدواژه‌ها [English]
خشکسالی و سیل از پدیده هایی هستند که بشر همواره از آنها وحشت داشته و کوشش نموده تا به گونه ای این مشکلات بزرگ را حل نماید برای موفقیت در این زمینه شناخت محیط و ساز و کار عمل مجموعه عناصر آن در ایجاد خطر، اهمیت زیادی دارد چون از جهت ژئومورفولوژیک یک سیستم به صورت کنش _واکنش عمل می کند و تغییر در یک قسمت آن می تواند بر قسمتهای دیگر تاثیر بگذارد (کوک و دورکمپ،1378،266). از آنجا که اولین قدم در راه مبارزه صحیح با یک پدیده، شناخت دقیق خصوصیات پدیده است (ضیایی و بهنیا، 1386،349)، علم ژئومورفولوژی می تواند در شناخت بخشی از این محیط و روابط زنجیره ای عناصر آن نقش قابل توجهی ایفا نماید (قنواتی، 1382،175).
برای جلوگیری از تهدید طبیعی سیلاب نمی‌توان در عوامل و عناصر جوی و اقلیمی تغییری ایجاد نمود بنابراین راه حل اصولی و چاره‌ساز را باید در روی زمین و اختصاصاً در حوضه‌های آبریز جستجو نمود. امروزه مبارزه با سیل از طریق مدیریت غیر سازه‌ای حوضه‌های آبخیز مورد توجه فراوان است در این ارتباط اولین اقدامی که برای کاهش خطر سیل مطرح می‌شود مهار سیل در سر منشاء آن یعنی زیرحوضه‌های آبخیز است (عبدی،1385،200). مسلماً برای انجام این کار نیاز به شناسایی مناطق سیل خیز در داخل حوضه می‌باشد، زیرا به دلیل وسعت زیاد و گستردگی حوضه‌های آبخیز انجام عملیات اجرایی و اصلاحی در سراسر حوضه امکان پذیر نبوده و حتی در صورت عدم بررسی دقیق می‌تواند سبب تشدید سیل در زیر حوضهها گردد (شیران،1386،3).
تفکیک یک حوضه به زیرحوضه ها و گروه بندی آنها در دسته های مشابه از نظر شدت سیلخیزی و نیز خصوصیات ژئومورفولوژیکی مشابه می تواند به عنوان روشی در جهت اجرای عملیات هماهنگ کنترل سیلاب و اولویت قائل شدن برای زیرحوضه های بحرانی به کار گرفته شود.
در این روش ناحیه بندی شیوه ای است که گروههای طبیعی از حوضه های آبخیز با واکنش هیدرولوژیکی همگن را جستجو می کند و از تکنیکهای خوشه ای به منظورتفکیک حوضه ها در گروههای مشابه استفاده می شود. این روش در طراحی، برنامه ریزی و مدیریت منابع آب کاربرد دارد (سرینواس [1]و شیوام،2008،136).
ناحیه بندی، طبقه بندی، پهنه بندی و شناخت مناطق همگن طی دوره های گذشته در شاخه های علم جغرافیا همواره مورد نظر بوده است که از جمله آنها می توان به پهنه بندی های هیدرولوژیکی، پهنه بندی های اقلیمی، پهنه بندی های مخاطرات طبیعی و پهنه بندی های ژئومورفولوژیکی اشاره کرد (عطایی،1383،23).
تحلیل خوشه ای محقق را قادر می سازد تا گروه های واقعی را آشکار ساخته و از طرف دیگر برای کاهش داده ها مفید است. الگوریتم های زیادی برای تجزیه خوشه ای پیشنهاد شده است، سه روش اصلی خوشه بندی که در علم آمار بسط و گسترش داده شده اند، عبارتند از: سلسله مراتبی، غیر سلسله مراتبی و فازی. دو روش اول در دسته بندی آزمودنی های مشابه منجر به تشکیل نتایج قطعی می شوند، بدین معنی که اعضایی که داخل یک خوشه قرار می گیرند صرفا به آن خوشه تعلق می گیرند (بابایی و آوات،1383، 2).
نظریه مجموعه های فازی بر منطق فازی (چند ارزشی) استوار بوده و اساسا به منظور اقدام در شرایط ابهام ارائه گردیده است. در این نظریه، هر فرد همزمان در کلاس های مختلف ولی به درجات متفاوت عضویت دارد. به دیگر سخن کلاس ها همپوشی داشته و بنابراین، پیوسته هستند (شکاری و باقرنژاد،1384، 56).
1-1- پیشینه تحقیق
سی و اوپن شاو[2] (1998) برای بالابردن اطمینان پیش بینی سیلاب در انگلستان و روگر و همکاران[3] (2000) برای تهیه نقشه مشخصات هیدرولوژیکی خاک در فرانسه از روش خوشه بندی به روش فازی استفاده کردند،در هر دو مورد، نتایج نشان داد که روش متکی بر منطق فازی به دلیل اجرای خوب، هزینه پایین تر و عملکرد بهتر، روش مناسب تری است.
هولا و داتر[4] (1999) مطالعه زمین آماری بارش را از دیدگاه زمانی ـ مکانی دراسترالیا انجام داده اند، در این بررسی داده های روزانه بیش از 400 ایستگاه در یک دوره 20 ساله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است، یکی از قوی ترین ابزارهای شناسایی رفتار زمانی ـ مکانی بارش یعنی پراش نگار نیز مورد استفاده واقع شده است. از پایگاه داده های هر ایستگاه، نخست ویژگیهای ضروری پراش نگار[5] با عناوینی همچون آستانه[6]، دامنه[7] و تأثیر ماند[8] مشخص شده است، سپس از تکنیک خوشه ای برای طبقه بندی بهره گرفته اند و نهایتا“ منطقه مورد مطالعه، بصورت دو، سه و چهار خوشه ای پهنه بندی شده است.
هافمن و هارگراو[9] (1999( در مقاله ای تحقیقی با عنوان "خوشه بندی چند متغیره عناصر جغرافیایی با بهره گیری از رایانه های موازی و روش خوشه بندی آماری ناپایگانی[10]) غیر ساسله مراتبی) برای تجزیه و تحلیل داده های محیطی 48 ناحیه ایالت متحده اقدام کرده اند. در این بررسی حدود 8 میلیون یاخته نقشه ای در فضای 9 بعدی پردازش شده که رایانه های شخصی قــادر به انجام چنین کاری نیستند، سپس با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی به طبقه بندی داده ها اقدام نموده و گروههای اقلیمی، خاک و... را از یکدیگر متمایز کرده اند. از نتایج جالب توجه در این تحقیق ارایه الگوریتم ناپایگانی از خوشه بندی می باشد که اصطلاحاً کهکشان ستاره [11]ها نامیده می شود. در این زمیــنه فضای 3 بعدی خوشه ها ترسیم شده و در نهایت نقشه ملی خوشه بندی شده بر اساس عناصر ار تفاع، خاک و متغیر های اقلیمی با 3000 بوم ناحیه تهیه شده است.
در ایران، غیاثی و همکاران (1383) از ویژگیهای هندسی حوضه ها نظیر مساحت، محیط، طول و شیب آبراهه اصلی و ... برای تعیین همگنی 40 حوضه در البرز شمالی استفاده کردند، نتایج نشان داد برای تعیین همگنی به روش ساسله مراتبی نیاز به اندازه گیری تعداد زیادی از پارامترهای هندسی نیست.
تلوری و همکاران (1383) به منظور بررسی امکان استفاده از تئوری و منطق فازی در اولویت بندی عملیات آبخیزداری با هدف کنترل سیلاب و کاهش رسوبدهی حوضه آبخیز شهرستانک کرج، 9 پارامتر مربوط به روشPSIAC را محاسبه کردند. ابتدا برای هر زیرحوضه 26 پارامتر هیدرولوژیکی، فیزیوگرافی، زمین شناسی و اقلیمی انتخاب و سپس این پارامترها با استفاده از روش تجزیه عاملها به 10 عامل با بیشترین تاثیر کاهش داده شدند. بین عوامل مذکور و نسبت Q10/Q100)) به عنوان شاخص سیلخیزی روابط رگرسیونی برقرار گردید و زیر حوضه ها اولویت بندی شدند. سپس روش تحلیل خوشه ای برای اولویت بندی به کار رفت. نتایج نشان داد که اولویت بندی بر اساس کاربرد منطق فازی در اکثر موارد با نتایج تحلیل خوشه ای همخوانی دارد یعنی زیرحوضه های دارای امتیاز یکسان از نظر اولویت بندی، متعلق به یک گروه همگن بوده اند.
بیابانکی و اسلامیان (1383) از روش تحلیل خوشه ای در حوضه آبریز کرخه برای تعیین مناطق همگن بر اساس 16 خصوصیت هیدرولوژیک استفاده کردند، سپس از روش تحلیل ممیزی درستی گروه بندی مورد آزمون قرار گرفت و در نتیجه منطقه به دو گروه همگن تقسیم بندی شد.
1-2- محدوده مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه بخشی از اراضی شهرستان تیران و کرون در غرب اصفهان را شامل می شود و زیرحوضه ای از حوضه بزرگ مرغاب (اراضی بالا دست حوضه) است که به زاینده رود می ریزد (شکل شماره1).
این دشت بین ¢50 32 تا ¢2 33 عرض شمالی و ¢32 50 تا ¢56 50 طول شرقی واقع است و توسط دو رشته کوه که جزء پیشکوههای زاگرس است از طرف جنوب محصور شده است. این ارتفاعات اکثرا از میان لایه های آهکی با ماسه سنگ و شیست سبز مربوط به دوران کرتاسه است که به صورت صخره ای و با پوشش گیاهی ضعیف می باشد، ضخامت خاک بسیار کم و نفوذ پذیری متوسط است. ارتفاعات شمالی دشت اکثرا از تشکیلات ماسه سنگ و کنگلومرا بوده که نفوذ پذیری و پوشش گیاهی اندکی دارند. مساحت حوضه 326.189 کیلومتر مربع و محیط آن82.554 کیلومتر است. ارتفاع متوسط حوضه 2545.29 متر است. مرتفع ترین نقطه ارتفاعی 3640 متر (کوه داران) و پست ترین نقطه 2150 متر (نزدیک روستای عسکران) است. شیب متوسط حوضه 15.5% می باشد که به طور کلی هرچه از سمت غرب به شرق حرکت کنیم از میزان شیب کم می شود. اقلیم حوضه در رده بندی دومارتن در گروه اقلیم نیمه خشک قرار می گیرد (امیر احمدی و شیران، 1388،156).
شکل 1- موقعیت حوضه در استان اصفهان و شهرستان تیران و کرون
2- داده های تحقیق
به منظور کاربرد تحلیل خوشه ای در حوضه کرون، حوضه مورد نظر روی نقشه رقومی با مقیاس 1:50000 (سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح، 1386، نقشه توپوگرافی1:50000 برگه های چادگان، عسکران، آشن، دهق) مشخص و به بیست زیرحوضه بر اساس واحدهای هیدرولوژیک تفکیک شد (شکل شماره 2). از بین متغیرهای ژئومورفولوژیک شامل شاخصهای ارتفاعی، تراکم آبراهه ای، ژئومتری و عوامل اقلیمی سیزده عامل انتخاب شدند. این انتخاب با توجه به عوامل کمی موثر بر سیلاب صورت گرفته است.این مجموعه عوامل در جدول شماره (1) آمده است مقادیر این متغیرها به تفکیک در هر یک از زیرحوضه ها توسط اندازه گیری رقومی با نرم افزار arc view و فرمولهای موجود محاسبه و ماتریس داده ها تشکیل گردید این ماتریس در جدول شماره (2) آمده است. با توجه به اینکه حوضه مورد نظر فاقد ایستگاه هیدرومتری است سیلاب حوضه برای بارش نمونه 6 ساعته در دوره های بازگشت مختلف و از طریق روش SCS برآورد گردید که این مقادیر در جدول شماره (3) آمده است. در روشSCS:
(1)
(2)
(3)
R: ارتفاع رواناب (سانتی متر)
QP: دبی سیلابی(مترمکعب بر ثانیه)
TP: زمان اوج هیرروگراف
A: مساحت حوضه (هکتار)
S: نمایه نگهداشت آب در داخل حوضه
P: بارش(سانتی متر) (علیزاده،1383،521)
شکل 2- واحدهای هیدرولوژیک دشت کرون
جدول 1- متغیر های به کار رفته در تحلیل خوشه ای
|
تراکم آبراهه ها (Du) |
متغیر های تراکم آبراهه ها |
|
ضریب بافت (Tu) |
|
|
مساحت بر حسب کیلومتر مربع(Au) |
متغیرهای ژئومتری |
|
محیط بر حسب کیلومتر (Pu) |
|
|
طول حوضه بر حسب کیلومتر(Lb) |
|
|
ضریب شکل (FF) |
|
|
زمان تمرکز بر حسب ساعت(Tc) |
|
|
شیب آبراهه بر حسب درصد(Sr) |
متغیرهای ارتفاعی |
|
شیب متوسط زیرحوضه برحسب درصد(Sb) |
|
|
اختلاف ارتفاع حوضه بر حسب متر(HS) |
|
|
ضریب خشونت ناهمواری(Rn) |
|
|
حد اکثر بارش 24 ساعته بر حسب میلیمترPmax)) |
متغیرهای اقلیمی |
|
میانگین بارش سالانه بر حسب میلیمتر(Pmin) |
جدول 2- ماتریس متغیرها و مقادیر محاسبه شده آنها در هر یک از زیر حوضه های دشت کرون
|
DU |
SB |
SR |
HS |
RN |
AU |
PU |
LB |
TU |
TC |
FF |
Pmin |
Pmax |
زیر حوضه |
|
61/1 |
50/25 |
94/3 |
13/2681 |
45/0 |
02/91 |
77/64 |
74/26 |
84/1 |
07/3 |
13/0 |
29/498 |
08/2 |
1 |
|
19/2 |
77/14 |
17/10 |
19/2624 |
5/0 |
88/11 |
44/17 |
00/5 |
92/0 |
21/1 |
48/0 |
67/477 |
05/1 |
2 |
|
25/1 |
46/17 |
09/13 |
07/2638 |
26/0 |
39/9 |
86/14 |
11/6 |
27/0 |
01/1 |
25/0 |
70/482 |
85/105 |
3 |
|
45/1 |
03/24 |
09/10 |
05/2733 |
31/0 |
97/17 |
77/18 |
13/5 |
91/0 |
74/0 |
68/0 |
08/517 |
74/111 |
4 |
|
89/0 |
38/13 |
14/10 |
67/2413 |
12/0 |
04/6 |
27/10 |
98/2 |
19/0 |
7/0 |
68/0 |
47/401 |
94/91 |
5 |
|
39/1 |
63/18 |
00/13 |
68/2539 |
20/0 |
67/6 |
39/13 |
76/3 |
67/0 |
7/0 |
47/0 |
08/447 |
75/99 |
6 |
|
58/1 |
10/19 |
33/10 |
51/2522 |
26/0 |
58/13 |
49/14 |
43/4 |
04/1 |
8/0 |
69/0 |
87/440 |
68/98 |
7 |
|
00/1 |
16/16 |
67/11 |
20/2336 |
11/0 |
79/3 |
86/9 |
86/2 |
1/0 |
66/0 |
46/0 |
42/373 |
13/87 |
8 |
|
08/2 |
59/13 |
51/10 |
52/2241 |
23/0 |
31/4 |
45/8 |
22/3 |
83/0 |
61/0 |
42/0 |
15/339 |
26/81 |
9 |
|
49/1 |
30/14 |
64/4 |
58/2635 |
24/0 |
58/55 |
22/33 |
12/10 |
84/1 |
97/1 |
41/0 |
80/481 |
69/105 |
10 |
|
23/1 |
24/4 |
62/2 |
77/2491 |
04/0 |
71/3 |
80/10 |
88/2 |
09/0 |
62/1 |
52/0 |
74/429 |
78/96 |
11 |
|
10/1 |
12/4 |
22/3 |
99/2366 |
04/0 |
75/6 |
86/10 |
05/4 |
46/0 |
54/1 |
21/0 |
57/384 |
04/89 |
12 |
|
19/2 |
70/9 |
31/6 |
86/2478 |
35/0 |
57/40 |
83/26 |
81/8 |
12/2 |
29/2 |
14/0 |
07/425 |
98/95 |
13 |
|
08/3 |
12/9 |
78/6 |
42/2375 |
32/0 |
50/9 |
49/19 |
78/6 |
09/1 |
62/1 |
24/0 |
62/387 |
59/89 |
14 |
|
89/1 |
28/10 |
02/7 |
85/2371 |
19/0 |
15/6 |
16/15 |
68/6 |
26/0 |
51/1 |
16/0 |
33/386 |
34/89 |
15 |
|
53/2 |
90/6 |
06/5 |
289/2281 |
17/0 |
66/9 |
46/14 |
40/6 |
89/0 |
67/1 |
14/0 |
76/353 |
77/83 |
16 |
|
47/2 |
82/9 |
87/5 |
63/2352 |
20/0 |
72/7 |
11/19 |
86/6 |
52/0 |
82/1 |
24/0 |
37/379 |
15/88 |
17 |
|
45/2 |
80/4 |
50/2 |
13/2296 |
20/0 |
41/4 |
24/14 |
61/5 |
42/0 |
01/2 |
14/0 |
91/358 |
65/84 |
18 |
|
02/4 |
00/4 |
42/2 |
40/2224 |
12/0 |
49/5 |
26/13 |
42/5 |
113/1 |
19/2 |
19/0 |
95/332 |
20/80 |
19 |
|
41/1 |
25/3 |
22/1 |
90/2213 |
05/0 |
05/12 |
99/47 |
20/16 |
04/0 |
31/2 |
05/0 |
15/329 |
55/79 |
20 |
جدول 3- دبی اوج سیلاب (مترمکعب بر ثانیه) در دوره‌های بازگشت مختلف برای بارش نمونه 6 ساعته در زیر حوضه‌های دشت کرون
|
زیر حوضه |
Q2 |
Q5 |
Q10 |
Q25 |
Q50 |
Q100 |
Q1000 |
|
1 |
161/88 |
9/171 |
86/180 |
25/188 |
85/199 |
35/209 |
222 |
|
2 |
68/44 |
25/47 |
54/49 |
84/51 |
67/54 |
37/57 |
75 |
|
3 |
4/40 |
82/42 |
45 |
94/46 |
5/49 |
9/51 |
60 |
|
4 |
39/108 |
14/114 |
31/119 |
62/123 |
95/129 |
69/135 |
95/54 |
|
5 |
5/26 |
41/28 |
02/30 |
82/31 |
83/33 |
65/35 |
17/143 |
|
6 |
48/36 |
7/38 |
7/40 |
58/42 |
02/45 |
13/47 |
01/50 |
|
7 |
06/63 |
19/67 |
69/70 |
19/74 |
52/78 |
44/82 |
8/87 |
|
8 |
2/17 |
42/18 |
46/19 |
76/20 |
22 |
23/23 |
87/24 |
|
9 |
77/18 |
33/20 |
58/21 |
13/23 |
61/24 |
03/26 |
04/28 |
|
10 |
01/151 |
18/158 |
8/162 |
41/173 |
82/182 |
34/191 |
99/202 |
|
11 |
08/9 |
73/9 |
28/10 |
87/10 |
52/11 |
18/12 |
13 |
|
ادامه جدول 3- دبی اوج سیلاب (مترمکعب بر ثانیه) در دوره‌های بازگشت مختلف برای بارش نمونه 6 ساعته در زیر حوضه‌های دشت کرون |
|||||||
|
12 |
34/15 |
57/16 |
61/17 |
72/18 |
02/20 |
18/21 |
81/22 |
|
13 |
5/76 |
76/81 |
72/86 |
36/91 |
23/97 |
48/102 |
5/109 |
|
14 |
99/20 |
67/22 |
08/24 |
31/25 |
34/27 |
92/28 |
04/31 |
|
15 |
24/14 |
38/15 |
41/16 |
37/17 |
63/18 |
65/19 |
09/21 |
|
16 |
12/19 |
7/20 |
1/22 |
68/23 |
26/25 |
93/26 |
03/29 |
|
17 |
33/15 |
58/16 |
63/17 |
75/18 |
07/20 |
25/21 |
83/22 |
|
18 |
21/7 |
84/7 |
4/8 |
9 |
52/9 |
25/10 |
09/11 |
|
19 |
87/7 |
57/8 |
22/9 |
92/9 |
66/10 |
37/11 |
34/12 |
|
20 |
25/9 |
12/10 |
85/10 |
67/11 |
49/12 |
33/13 |
23/14 |
2-1- روشها
در این پژوهش از روش تحلیل خوشه ای به دو شیوه طبقاتی و فازی استفاده شد. به منظور انجام این روش مراحل زیر به ترتیب اجرا می شوند:
الف - انتخاب و اندازه گیری دقیق داده ها
داده های به کار رفته در این تحلیل شامل متغیرهای مربوط به خصوصیات هندسی حوضه و دو عامل اقلیمی بارش به صورت میانگین بارش سالانه و حد اکثر بارش 24 ساعته زیرحوضه ها می باشند. خصوصیات هندسی حوضه به مجموعه عوامل فیزیکی گفته می شود که مقادیر آنها برای هر حوضه نسبتا ثابت بوده و نشان دهنده وضع ظاهری حوضه است.این عوامل از این جهت حائز اهمیت هستند که بین آنها و ورواناب حوضه همبستگی وجود دارد ( علیزاده، 1383، 455)
ب - استاندارد کردن داده ها
جهت پرهیز از تاثیر واحدهای اندازه گیری و عدم وابستگی به آنها، داده های استخراج شده استاندارد می شوند در این صورت متغیرها تاثیر غیرمتجانسی بر اندازه گیری فاصله نخواهند داشت. از متداول ترین روشها، روش z-score می باشد. در هر مشاهده از یک متغیر تصادفی اگر میانگین داده ها از آن کم شود و به انحراف معیار داده ها تقسیم شود مقدار به دست آمده را
z-score گویند (غیاثی و همکاران،1383،5).
ج- انتخاب الگوریتم مناسب برای تجزیه و تحلیل
انتخاب الگوریتم برای تجزیه و تحلیل خوشه ای بستگی به نوع داده و هدف دارد. در این پژوهش از روش طبقاتی[12] و روش فازی توسط نرم افزارs-plus استفاده گردید.
در روش طبقاتی از دو فرآیند تجمعی و تقسیمی استفاده می شود. روش طبقاتی در علوم مرتبط با زمین دارای کاربرد وسیعی است. از مزایای روش طبقاتی ترسیم دندوگرام یا نمودار داربستی می باشد که از آن گروههای همگن استخراج می شود.
الگوریتم خوشه بندی فازی
روشهای تفکیکی به دو بخش خوشه بندی سخت و خوشه بندی فازی تقسیم می شوند. در خوشه بندی سخت، هر داده به یک و فقط یک خوشه نسبت داده می شود، در حالیکه در خوشه بندی فازی، یک تفکیک فازی صورت می گیرد به این معنی که هر داده با یک درجه تعلق به هر خوشه متعلق است. در شرایط واقعی خوشه بندی فازی بسیار طبیعی تر از خوشه بندی سخت است، چون داده های موجود در مرز خوشه های مختلف مجبور به تعلق کامل به یکی از خوشه ها نیستند و با درجه تعلقی بین 0 تا 1 که نشان دهنده تعلق نسبی آنهاست تفکیک می شوند.
در تفکر فازی تعیین مرزی مشخص مشکل و تعلق عناصر مختلف به مفاهیم و موضوع های گوناگون نسبی است. چنین تفکری با طبیعت ومحیط پیرامونی انسان بسیار سازگار می باشد. فازی بودن به معنای چند ارزشی بودن است در صورتیکه در منطق دو ارزشی برای هر سوال و یا مفهومی تنها دو پاسخ و یا حالت می تواند وجود داشته باشد. عضویت در یک مجموعه فازی نه تنها به صورت صفر (غیرعضو) و یک (عضوبودن) است بلکه به شکل مقادیر بین صفر و یک، که بیانگر درجه عضویت و متعلق بودن به دسته و یا طبقه ای است، بیان می شود. تابعی که درجه عضویت به یک مجموعه را بیان می کند اصطلاحًا تابع عضویت نامیده می شود( بروف[13]، 1989،480). کاربردی ترین الگوریتم خوشه بندی فازی، الگوریتم C-means می باشد که نرم افزار splus در تحلیل فازی از این الگوریتم استفاده می کند(MathSoft، 1999، 86).
در این الگوریتم برای خوشه بندی n داده در c دسته یک تابع هدف jm به صورت رابطه زیر تعریف می شود:
(4)
به طوری که dikفاصله اقلیدسی بین مرکز خوشه i ام و دادهk ام باشد.
(5)
برابر درجه عضویت داده k ام به خوشه i ام است. کمترین مقدار jmمربوط به بهترین حالت خوشه بندی خواهد بود. در این جا یک پارامتر جدید m′به نام پارامتر وزنی معرفی می شود که بازه تغییرات آن به صورت می باشد این پارامتر میزان فازی بودن را در فرآیند دسته بندی مشخص می نماید. همچنین viنشان دهنده مختصات مرکز i امین خوشه می باشد بنابراین، vi = {vi1,…vim} که در آن m تعداد ابعاد vi یا به عبارتی تعداد معیارهای تشابه می باشد. مختصات مرکز خوشه ها از رابطه زیر به دست می آید:
(6)
به طوری که 1,2,…m=j متغیری برای نشان دادن فضای معیارها است(کوره پزان دزفولی،1387، 127).
د– تفکیک زیرحوضه ها در گروههای همگن
پس از استاندارد سازی داده ها با روش z-scoreو اعمال فاصله اقلیدسی توسط نرم افزار
s-plus و اعمال دو روش خوشه بندی فازی و طبقاتی، زیر حوضه ها در گروههای همگن دسته بندی شدند.
3- مباحث
الف – روش خوشه بندی به روش طبقاتی
با اعمال روش طبقاتی بر روی سیزده عامل ژئومورفولوژیک زیرحوضه ها، بهترین تفکیک زیر حوضه ها براساس روش وارد (ward method) حاصل شد. دسته بندی حوضه در نمودار داربستی شکل (3) از خروجی نرم افزار s-plus قابل مشاهده است.
شکل 3- نمودار داربستی تفکیک حوضه ها بر اساس مشابهت متغیرهای ژئومورفیک موثر بر سیلاب زیر حوضهها
نمودار سه دسته مجزا برای زیر حوضه ها با توجه به اندازه پارامترهای منتخب در زیرحوضه ها را مشخص کرده است ضریب مشابهت در گروه دوم، (0 تا 5) دارای بیشترین مشابهت و کمترین فاصله است. زیر حوضه ها در سه دسته زیر تفکیک شده اند و پهنه بندی زیرحوضه ها بر اساس این تحلیل در شکل شماره (4) آمده است:
گروه اول: 1S
گروه دوم: 13S، 10S، 7S، 6S، 4S، 3S، 2S
گروه سوم: 20S، 19S، 18S، 17S، 16S، 15S، 14S، 12S، 11S، 9S، 8S، 5S
شکل 4- پهنه بندی زیرحوضه ها بر اساس تحلیل خوشه ای به روش طبقاتی بر اساس مشابهت
متغیرهای موثر بر سیلاب زیرحوضهها
در دسته بندی دیگری که به منظور تفکیک زیرحوضه ها از نظر شدت سیلخیزی به روش طبقاتی صورت گرفت، از دبی اوج سیلاب برای بارش نمونه 6ساعته به روشSCS و در دوره بازگشتهای مختلف در زیرحوضه ها استفاده شد. بهترین تفکیک زیرحوضه ها به روش وارد در نمودار داربستی در شکل(5) و پهنه بندی زیر حوضه ها بر اساس این روش در شکل شماره (6) آمده است.
شکل 5- نمودار داربستی تفکیک زیرحوضه ها بر اساس مشابهت دبی اوج سیلاب
گروه اول: 10S، 1S
گروه دوم: 13S، 7S، 4S،
گروه سوم: 20S، 19S، 18S، 17S، 16S، 15S، 14S، 12S، 11S، 9S، 8S، 5S، 3S،2S
شکل 6- پهنه بندی زیرحوضهها به شیوه تحلیل خوشه‌ای به روش طبقاتی بر اساس مشابهت
دبی اوج سیلاب زیرحوضهها
ب- خوشه بندی به روش فازی
با اعمال روش فازی بر روی سیزده عامل ژئومورفولوژیک، زیرحوضه ها به دو دسته تفکیک شدند. شکل شماره (7) چگونگی این دسته بندی را نشان می‌دهد.
گروه اول: 13S، 10S، 8S، 7S، 6S، 5S، 4S، 3S،2S، 1S
درصد تعلق به گروه اول 55% و درصد تعلق به گروه دوم 9/49% بنابراین، با توجه به در صد تعلق بیشتر این زیر حوضه ها به گروه یک آنها را در این گروه جای دادیم.
گروه دوم: 20S، 19S، 18S، 17S، 16S، 15S، 14S، 12S، 11S، 9S،
درصد تعلق به گروه دوم 55% و درصد تعلق به گروه اول 9/49% بنابر این با توجه به درصد تعلق بیشتر این زیرحوضه ها به گروه دوم آنها را در گروه دوم جای دادیم.
مقایسه نتایج حاصل از روش فازی با روش طبقاتی نشان می دهد چنانچه گروههای یک و دو در روش طبقاتی را با توجه به اینکه گروه یک تنها یک عضو دارد در هم ادغام کنیم به جز زیر حوضه های 8 و5 گروه بندی مشابهی با روش فازی به دست می‌آید.
شکل 7- پهنه بندی زیرحوضهها به روش فازی بر اساس مشابهت متغیرهای موثر بر سیلاب زیرحوضهها
تفکیک زیرحوضه ها از نظر مشابهت دبی اوج سیلاب به روش فازی در جدول شماره (4) و شکل شماره (8) آمده است. نتایج حاصل نشان می دهد تفکیک زیر حوضه ها از نظر مشابهت دبی اوج سیلاب در هر دو روش فازی و طبقاتی با اندکی جابه جایی در گروهها مشابه بوده است.
به منظور کاربردی تر شدن تفکیک زیرحوضه ها به روش فازی، با توجه به چهار گروه از عوامل ژئومورفولوژیک دخیل در سیلاب، متغیرها در چهار دسته شامل متغیرهای آبراهه ای، ژئومتری، ارتفاعی و اقلیمی به طور مجزا دسته بندی شدند و روش فازی در هر دسته به طور جداگانه اعمال شد. نتایج این دسته بندی و درصد تعلق هر یک از زیرحوضه ها به گروههای مربوطه در جدول شماره (5) آمده است و نشان می دهد درصد همپوشی زیرحوضه ها در گروهها کاهش داشته و تفکیک بهتری برای خوشه بندی با درصد تعلق قابل قبول تری صورت گرفته است.
جدول 4- تفکیک زیرحوضه ها از نظر مشابهت دبی اوج سیلاب به روش فازی
|
گروه |
گروه اول |
گروه دوم |
گروه سوم |
|||||||||||||||||
|
زیر حوضه |
1 |
4 |
10 |
2 |
3 |
6 |
7 |
13 |
5 |
8 |
9 |
11 |
12 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|
درصد تعلق |
91/. |
48/. |
94/. |
86/. |
82/. |
73/. |
72/. |
58/. |
57/. |
92/. |
87/. |
87/. |
94/. |
79/. |
93/. |
86/. |
94/. |
84/. |
86/. |
88/. |
جدول 5- تفکیک زیرحوضهها به روش فازی در چهار گروه متغیرهای ژئومورفولوژیک
|
زیر حوضه |
متغیرهای تراکم آبراهه ای |
متغیرهای ژئومتری |
متغیرهای ارتفاعی |
متغیرهای اقلیمی |
||||
|
|
گروه |
درصد تعلق |
گروه |
درصد تعلق |
گروه |
درصد تعلق |
گروه |
درصد تعلق |
|
1 |
1 |
87/. |
1 |
88/. |
1 |
46/. |
1 |
83/. |
|
2 |
2 |
72/. |
2 |
66/. |
1 |
47/. |
1 |
87/. |
|
3 |
3 |
85/. |
3 |
58/. |
1 |
62/. |
1 |
93/. |
|
4 |
2 |
36/. |
2 |
67/. |
1 |
58/. |
1 |
7/. |
|
5 |
3 |
78/. |
2 |
72/. |
1 |
46/. |
2 |
57/. |
|
6 |
3 |
51/. |
2 |
77/. |
1 |
56/ |
2 |
63/. |
|
7 |
2 |
4/. |
2 |
73/. |
1 |
62/. |
2 |
74/. |
|
8 |
3 |
81/. |
2 |
74/. |
2 |
43/. |
3 |
75/. |
|
9 |
2 |
7/. |
2 |
7/. |
2 |
47/. |
3 |
81/. |
|
10 |
1 |
84/. |
1 |
35/. |
1 |
39/. |
1 |
93/. |
|
11 |
3 |
84/. |
3 |
58/. |
3 |
54/. |
2 |
86/. |
|
12 |
3 |
74/. |
3 |
55/. |
3 |
64/. |
3 |
59/. |
|
13 |
1 |
66/. |
1 |
4/. |
2 |
46/. |
2 |
85/. |
|
14 |
2 |
55/. |
2 |
84/. |
2 |
5/. |
3 |
53/. |
|
15 |
3 |
45/. |
3 |
78/. |
2 |
54/. |
3 |
55/. |
|
16 |
2 |
74/. |
2 |
82/. |
3 |
57/. |
3 |
85/. |
|
17 |
2 |
73/. |
2 |
8/. |
2 |
49/. |
3 |
67/. |
|
18 |
2 |
67/. |
2 |
77/. |
3 |
61/. |
3 |
85/. |
|
19 |
2 |
45/. |
2 |
74/. |
3 |
7/. |
3 |
77/. |
|
20 |
3 |
75/. |
3 |
45/. |
3 |
64/. |
3 |
74/. |
شکل 8- پهنه‌بندی زیرحوضهها به شیوه تحلیل فازی بر اساس مشابهت دبی اوج سیلاب زیرحوضهها
با توجه به مشابهت گروهبندی زیرحوضه ها از نظر مشابهت دبی اوج سیلاب، برای آزمون کردن درستی کلاس بندی زیر حوضه ها از آزمون آنالیز تشخیصی یا تحلیل ممیزی[14] استفاده شد.
تحلیل ممیزی مشابه رگرسیون خطی چندگانه است با این تفاوت که متغیر وابسته نه تنها توزیع نرمال ندارد بلکه یک متغیر رسته ای (کمی یا رتبه ای) با تعدادمقادیر اندک است(اسماعیلیان، 1384، 427 ).
مطابق این ارزیابی که در جداول شماره(6) و (7) و (8) آمده است دسته بندی بر اساس هر دو روش فازی و طبقاتی قابل قبول بوده است. این ارزیابی توسط نرم افزار SPSS انجام شده است. ماتریس مقادیر مربوط به این آنالیز در جداول (2) و (3) و (4) آمده است.
جدول 6- آنالیز تشخیصی همگنی گروههای زیر حوضه ها از نظر سیلخیزی به روش فازی
|
کل |
نتایج پیش بینی گروهها |
گروهها |
|||
|
3 |
2 |
1 |
|
||
|
3 5 12 |
0 0 12 |
0 5 0 |
3 0 0 |
1 2 3 |
تعداد اعضای گروهها |
|
100 100 100 |
0 0 100 |
0 100 0 |
100 0 0 |
1 2 3 |
% |
جدول 7- آنالیز تشخیصی همگنی گروههای زیر حوضهها از نظر سیلخیزی به روش طبقاتی
|
کل |
نتایج پیش بینی گروهها |
گروهها |
|||
|
3 |
2 |
1 |
|||
|
15 3 2 |
0 0 2 |
0 3 0 |
15 0 0 |
1 2 3 |
تعداد اعضای گروهها |
|
100 100 100 |
0 0 100 |
0 100 0 |
100 0 0 |
1 2 3 |
% |
جدول 8- آنالیز تشخیصی همگنی گروههای زیر حوضه ها براساس 13 متغیر ژئومورفولوژیک
|
کل |
نتایج پیش بینی گروهها |
گروهها |
|||
|
3 |
2 |
1 |
|||
|
1 7 12 |
0 0 12 |
1 7 0 |
0 0 0 |
1 2 3 |
تعداد اعضای گروهها |
|
100 100 100 |
0 0 100 |
0 100 0 |
100 0 0 |
1 2 3 |
% |
تحلیل توصیفی وشناسایی شواهد جغرافیایی زیر حوضه های همگن
زیر حوضه 1S
بیشترین مساحت زیر حوضه مربوط به ارتفاعات آهکی و کوههای سنگی بدون خاک است. پوشش گیاهی به دلیل ضخامت کم خاک و شیب زیاد، کم است. تنها در مناطق برف گیر خاک تشکیل شده و پوشش گیاهی دیده می شود. مخروط های دامنه ای وجود ندارد. شیب زیاد، نفوذ پذیری کم، فرسایش شدید و نداشتن پوشش خاکی (رخنمون سنگی) از ویژگیهای آن به حساب می آید (حسینی،1383، 65). قابلیت نفوذ آهسته و شیب کلی بین 8% - 5% و فرسایش نسبتا زیاد می باشد، نیم رخ طولی آبراهه نشان می دهد آبراهه اصلی در بستری کم شیب و منظم جاری است. آبراهه های این زیر حوضه از دو روند کلی تبعیت کرده اند یکی دره باریکی که در میان دو رشته کوه قرار دارد و آبراهه اصلی با ساختمان زمین شناسی و لیتولوژی انطباق یافته (محور ناودیس) و دیگری آبراهه هایی که با ساختمان زمین شناسی و لیتولوژی انطباق ندارند و پهلوی محور طاقدیس را بریده اند و به سمت محور ناودیس جریان یافته اند وانواع دره های یالی را درسنگهای آهکی شکل داده اند. در نگاه کلی این زیر حوضه از پتانسیل زیاد برای سیل خیزی برخوردار است.
زیر حوضه های جنوب دشت کرون
الف- زیر حوضه های 5S، 8S، 9 S
مساحت زیادی از این زیر حوضه ها در روی سازندهای با نفوذ پذیری خوب قرار گرفته است رخنمون سنگی تنها بخش محدودی از بالادست حوضه ها را شامل می شود. پوشش گیاهی شامل اراضی کشاورزی دیم و آبی است و شیب متوسطی دارند. بستر آبراهه ها شیبی کمتر از 10% داشته و بستر نسبتا منظمی دارند. در کل پتانسیل تولید سیل متوسطی را از منظر ویژگیهای کیفی ژئومورفولوژی داراست.
ب- زیر حوضه های7S، 6S، 5S، 4S، 3S، 2S
وسعت بیشتر این زیر حوضه ها در بالادست در سازندهای صخره ای با نفوذ پذیری کم و پوشش گیاهی ناچیز و فرسایش زیاد واقع است و درصد کمی از آن را خاک با نفوذ پذیری متوسط و پوشش گیاهی در بر می گیرد. شیب این زیر حوضه ها نسبتا زیاد است. شیب بستر آبراهه ها بیش از 10% بوده و بستری نامنظم دارند لذا پتانسیل تولید سیل در آنها نسبتا بالاست.
زیرحوضه‌های شمالی دشت کرون
الف- زیر حوضه های 13S و 10S
نزدیک به نیمی از مساحت این زیر حوضه ها از کوههای نسبتا مرتفع با قلل مدور، فرسایش نسبتا شدید، متشکل از سنگها وتشکیلات سخت و خاک کم عمق و سنگلاخی می باشد که بر روی سنگها و مواد آهکی تشکیل شده است. پوشش گیاهی کم تا متوسط گیاهان استپی و در بعضی قسمتها اراضی بایر از ویژگیهای این واحد است. نیم رخ آبراهه در این دو زیر حوضه با شیب متوسط 5 تا10% است و بستر منظمی دارد. آبراهه های این دوزیرحوضه دربالادست سنگهای سخت را بریده اند و با ساختمان زمین شناسی و سنگ شناسی انطباق ندارند و انواع دره های یالی را ایجاد کرده اند، نیم دیگر مساحت این زیر حوضه ها اراضی پوشیده از سنگریزه های زاویه دار است و دارای خاک کم عمق با قابلیت نفوذ متوسط و بافت سطحی است شیب و توپوگرافی و فرسایش نسبتا زیاد در شکلهای شیاری و سطحی و فعالیتهای انسانی در غالب کشاورزی و دامداری این دو زیر حوضه را در گروه زیر حوضه ها با پتانسیل سیل خیزی نسبتا بالا قرار داده است.
ب- زیر حوضه های 20S، 19S، 18S، 17S، 16S، 15S، 14S، 12S، 11S
خاک این زیرحوضه ها دارای بافت سبک تا متوسط و قابلیت نفوذ متوسط تا خوب است. دشت آبرفتی متشکل از مواد رسوبی و آبرفتی با شیب بسیار ملایم و نیز زهکش اصلی منطقه را تشکیل داده است. تراسهای آبرفتی درحاشیه و بافت ریز خاک از ویژگیهای فیزیوگرافی این زیر حوضه ها می باشد. فرسایش به شکل شیاری، رودخانه ای و سطحی در آن به چشم می خورد.
زیر حوضه های 19S، 18S،، 16S، اکثرا از شیل و مارن پوشیده شده اند و تراسهای آبرفتی در آنها مشهود است.
زیر حوضه 20S به شکل ویژه ای بستر رودخانه و زمینهای کشاورزی حاشیه آن را در بر می گیرد. روند کلی آبراهه ها در آن به دو صورت است یکی آبراهه هایی که به سمت مرکز دشت و به شکل موازی در جریان هستند و در شیل ومارن بستر خود را گسترده اند و با لیتولوژی انطباق یافته اند، نیم رخ طولی آنها با شیبی کمتر از 5% بوده و بستری منظم دارند و دیگری آبراهه اصلی حوضه است که درزیر حوضه 20S جریان یافته و نشانه انطباق مضاعف است زیرا در سطح دشت که دشتی ساختمانی است و در سنگهای سست شیلی ومارنی بستر آبرفتی خود را گسترده است. از لحاظ پوشش گیاهی اراضی مرتعی، کشاورزی و باغات را شامل می شود. این گروه زیر حوضه ها پتانسیل سیل خیزی پایینی دارند.
بنابراین، به طور مشخص می توان 3دسته زیر حوضه را بر اساس شباهت ویژگیهای کیفی ژئومورفیک موثر برسیلاب مشخص نمود:
گروه 1: زیر حوضه ها با پتانسیل سیل خیزی بالا:1S
گروه 2: زیر حوضه ها با پتانسیل سیل خیزی نسبتا بالا13S، 10S، 7S، 6S، 5S، 4S، 3S، 2S
گروه 3: زیر حوضه ها با پتانسیل سیل خیزی متوسط تا کم:
20S، 19S، 18S، 17S، 16S، 15S، 14S، 12S، 11S، 9S، 8S، 5S
4- نتیجه‌گیری
)
