بررسی تغییرات فرآیندهای هیدرولوژیکی با استفاده از معیاره موجک-آنتروپی مطالعه موردی: دریاچه ارومیه

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز

چکیده

در سال­های اخیر با پیشرفت تکنولوژی، استفاده از نقشه­های زمینی و عکس­های ماهواره­ای برای بررسی تغییرات هیدروژئومورفولوژیکی حوضه­ها مرسوم گشته است. لیکن این روش­ها اغلب پر هزینه و زمان­بر بوده و یا به دلیل وﺳــﻌﺖﺟﻐﺮاﻓﯿﺎﺋﯽ ﻣﻨﺎﻃﻖ ﻣﻮرد ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ، ﺑﺮرﺳﯽ ﻫﻤﻪ ﺟﺎﻧﺒﻪ ﺗﻐﯿﯿﺮات ﮐﺎرﺑــﺮی اراﺿﯽ اﻣــﮑﺎن ﭘﺬﯾﺮ نیست؛ لذا معیار پیچیدگی که در تحلیل سری­های زمانی مطرح است می­تواند معیار مناسبی برای ارزیابی و سنجش میزان تغییرات فرایندهای هیدرولوژیکی موجود در یک حوضه باشد. با محاسبه مقدار پیچیدگی حوضه می­توان بی­نظمی موجود در حوضه را به دست آورد که تغییرات بی­نظمی و یا پیچیدگی حوضه نشان­دهنده تغییرات هیدرولوژیکی به وجود آمده در حوضه است. در این تحقیق برای سنجش میزان پیچیدگی فرایندهای هیدرولوژیکی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه از روش جدیدی به نام روش موجک-آنتروپی استفاده شده است. در این روش ابتدا سری­های زمانی فرایندهای هیدرولوژیکی مورد نظر به بازه­های زمانی کوچک­تر تقسیم شده و هرکدام از این زیرسری­ها با استفاده از تبدیل موجک تجزیه و در نهایت معیار پیچیدگی موجک-آنتروپی برای هر یک از بازه­های زمانی محاسبه شد. نتایج به دست آمده حاکی از آن هستند که علاوه بر کاهش تراز آب در دریاچه ارومیه، نوسانات سطح آب نیز در حال کاهش است، بنابر این الگوی نوسانات سطح آب دریاچه ارومیه در حال تغییر است که این تغییر الگو سبب کاهش پیچیدگی تراز آب دریاچه شده است. کاهش پیچیدگی تراز آب می­تواند در اثر عوامل طبیعی نظیر تغییر نوسانات بارش، دما، رطوبت و یا عوامل انسانی باشد. عوامل انسانی نظیر افزایش جمعیت، توسعه شهرسازی و ... تأثیر مستقیم در کاهش نوسانات سری زمانی رواناب دارد. طبق نتایج حاصل از بررسی تغییرات پیچیدگی سری­های زمانی بارش، دما، رطوبت و رواناب، پیچیدگی سری زمانی رواناب منطقه در دوره زمانی مورد مطالعه کاهش بیشتری (92/57%) نسبت به پیچیدگی سری­های زمانی بارش (9/1%) و دما (05/7%) داشته است و این نشان می­دهد که دلیل اصلی کاهش پیچیدگی تراز آب دریاچه ارومیه مربوط به کاهش پیچیدگی رواناب می­باشد. بنابر این نقش عوامل انسانی در کاهش پیچیدگی تراز آب دریاچه ارومیه به مراتب بیشتر از عوامل طبیعی بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Change Detection of Hydrological Processes Using Wavelet-Entropy Complexity Measure Case Study: Urmia Lake

نویسندگان [English]

  • Vahid Nourani
  • Sevil Ranjbar
  • Faranak Tootoonchi
Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrological processes
  • Complexity measure
  • Wavelet-entropy
  • Urmia lake watershed
[1]      Shannon, C. E., "A Mathematical Theory of Communications I and II. Bell", System Technical Journal, 1948, 27, 379-443.
[2]      Pincus, S. M., "Approximate Entropy as a Measure of System Complexity", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1991, 15, 2297-2301.
[3]      Richman, J. S., Moorman, J. R., "Physiological Time-Series Analysis Using Approximate Entropy and Sample Entropy", American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2000, 278, 2039-2049.
[4]      Goldberger, A. I., Peng, C. K., Lipsitz, L. A., "Fractal Dynamics in Physiology: Alterations with Disease and Aging", Neurobiology of Aging, 2002, 23, 1-11.
[5]      Burioka, N., Cornelissen, G., Halberg, F. T. Kaplan, D., Suyama H., Sako, T., Shimizu, E., "Approximate Entropy of Human Respiratory Movement during Eye-Closed Walking and Different Sleep Stages", Chest, 2003, 123, 80-86.
[6]      Costa, M., Goldberger, A. L., Peng, C. K., "Multiscale Entropy Analysis of Complex Physiologic Time Series", Physical Review Letters, 2002, 89 (6), 068102.
[7]      Li, Z., Zhang, Y. K., "Multi-Scale Entropy Analysis of Mississippi River Flow", Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2008, 22, 507-512.
[8]      Chou, M., "Complexity Analysis of Rainfall and Runoff Time Series Based on Sample Entropy in Different Temporal Scales", Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2014, 28, 1401-1408.
[9]      Nourani, V., Zanardo, S., "Wavelet-Based Regularization of the Extracted Topographic Index from High-Resolution Topography for Hydro - Geomorphic Applications", Hydrological Processes, 2013, 28, 1345-1357.
[10]    Nourani, V., Komasi, M., Mano, A., "A Multivariate ANN-Wavelet Approach for Rainfall-Runoff Modelling", Water Resources Management, 2009, 23, 2877-2894.
[11]    Partal, T., Kisi, O., "Wavelet and Neuro-Fuzzy Conjunction Model for Precipitation Forecasting", Journal of Hydrology, 2007, 342, 199-212.
[12]    Rosso, O. A., Martin, M. T., Figliola, A., Keller, K., Plastino, A., "EEG Analysis Using Wavelet-Based Information Tools", Journal of Neuroscience Methods, 2006, 153, 163-182.
[13]    Addison, P. S., Murrary, K. B., Watson, J. N., "Wavelet Transfom Analysis of Open Channel Wake Flows", Journal of Engineering Mechanics, 2001, 127, 58-70.
[14]    Singh, V. P., "Hydrologic Synthesis Using Entropy Theory", Journal of Hydrologic Engineering, 2011, 16, 421-433.
[15]    Rosso, O. A., Blanco, S., Yordanova, J., Kolev, V., Figliola, A., Schurmann, M., "Wavelet Entropy: A New Tool for the Analysis of Short Duration Brain Electrical Signals", Journal of Neuroscience Methods, 2001, 105, 65-75.
[16]    Abbate, A., Koay, J., Frankel, J., Schroeder, S. C., Das, P., "Application of Wavelet Transform Signal Processor to Ultrasound", Proceedings of Ultrasonic Symposium, 1994, 2, 1147-1152.
[17]    Nourani, V., Kisi, O., Komasi, M., "Two Hybrid Artificial Intelligence Approaches for Modeling Rainfall-Runoff Process", Journal of Hydrology, 2011, 402, 41-59.
]18[   ترابی آزاد، م.، جعفری، ا.، سهرابی، ش.، "بررسی رابطه خطی (رگرسیونی) افزایش دمای ناشی از تغییر اقلیم جهانی بر میانگین سالانه دمای سطحی آب در سواحل هرمزگان"، مجله علوم و فناوری دریا، 1389، 54، 69-82.
[19]   Hassanzadeh, E., Zarghami, M., Hassanzadeh, Y., "Determining the Main Factors in Declining The Urmia Lake Level By Using System Dynamics Modeling", Water Resources Management, 2012, 26, 129-145.

[20]   Nourani, V., Baghanam, A. H., Adamowski, J., Kisi, O., "Applications of Hybrid Wavelet-Artificial Intelligence Models in Hydrology: A Review", Journal of Hydrology, 2014, 514, 358-377.