همگن بندي حوضه ها با استفاده از شاخص هاي هيدرواقليمي و فيزيكي

Watershed classification using hydroclimate and physical indices

مديريت جامع حوزه آبخيز و تعميم اطلاعات به حوضه هاي فاقد آمار، نيازمند درك حوضه هاي همگن مي باشد. شباهت هيدرولوژيكي حوضه ها از رفتار هيدرواقليمي و فيزيكي حوضه ها منتج مي شود. در اين تحقيق، براي تشخيص زيرحوضه هاي همگن هيدرولوژيكي، از شاخص هاي هيدرواقليمي و فيزيكي استفاده شد. تحليل عاملي براي كاهش ابعاد متغيرها به طور جداگانه براي شاخص هاي اقليمي، هيدرولوژيكي و فيزيكي انجام شد و سرانجام با استفاده از الگوريتم خوشه بندي فازي (FCM) و روش خوشه بندي سلسله مراتبي (HCA) زيرحوضه هاي همگن شناسايي شدند. نتايج تحليل عاملي نشان داد كه از بين شاخص هاي اقليمي، شاخص هاي طول دوره سرد، طول فصل رشد، بيشترين بارش پنج روزه، ميانگين دماي بيشينه و شاخص روزهاي گرم و از بين شاخص هاي هيدرولوژيكي، شاخص درصد سطح گروه D هيدرولوژيك و شاخص سيل خيزي به عنوان شاخص هاي نهايي هيدرواقليمي انتخاب شدند. همچنين، از بين پارامترهاي فيزيكي شاخص هاي سطح حوضه، كشيدگي حوضه، ميانگين طول زهكش ها و كل پستي و بلندي براي گروه بندي زيرحوضه ها انتخاب شدند. مقايسه نتايج روش هاي FCM و HCA نشان داد كه تعداد خوشه هاي بهينه در دو روش با هم تفاوتي ندارند ولي نتايج طبقه بندي حوضه ها در هر خوشه در دو روش متفاوت است. در استفاده از متغيرهاي هيدرواقليمي شباهت دو روش طبقه بندي در خوشه هاي يكسان برابر با 25 حوضه و براي متغيرهاي فيزيكي برابر با 27 حوضه است. نتايج طبقه بندي حوضه ها به وسيله پارامترهاي هيدرواقليمي در مقايسه با پارامترهاي فيزيكي شباهت چنداني ندارد، به طوري كه در روش FCM تعداد 17 زيرحوضه و در روش HCA تعداد 19 زيرحوضه، در طبقات مشابه قرار گرفته اند. با توجه به اين كه هيچ ارجعيتي براي پذيرش نتايج طبقه بندي حوضه ها به وسيله پارامترهاي هيدرواقليمي يا پارامترهاي فيزيكي وجود ندارد، بنابراين، از تركيب پارامترهاي نهايي هيدرواقليمي و فيزيكي براي طبقه بندي استفاده شد. نتايج طبقه بندي حوضه ها با تركيب پارامترهاي هيدرواقليمي و فيزيكي نشان داد كه تعداد 33 زيرحوضه از 38 زيرحوضه در هر دو روش FCM و HCA در خوشه هاي مشابه قرار گرفته اند. همگن بندي زيرحوضه هاي كرخه بر اساس تركيبي از متغيرهاي فيزيكي و هيدرواقليمي آشكار كرد كه مناطق شمالي در طبقه سه، مناطق مركزي (از شرق تا غرب) در طبقه دو و مناطق جنوبي حوضه در طبقه يك قرار گرفته اند. به طور ذاتي، اين زيرحوضه ها به هم شبيه بوده و از نظر آبخيزداري عمليات مديريتي و حفاظتي يكساني را نيز مي طلبند.

Integrated watershed management and regeneralization of available information to ungauged basin needs to recognize homogeneous watersheds. The hydrologic similarity of watersheds is caused by the hydroclimate and physical behaviors. In present study, hydroclimate and physical indices were used for indicating the homogeneous sub-watersheds in Karkheh Watershed and then results were compared. Factor analysis to reduce in the dimension of variables was conducted, separately for climatic, hydrological and physical parameters. Finally, using Fuzzy c-means (FCM) and hierarchical clustering analysis (HCA) homogeneous sub- watersheds were indicated by hydro-climate and physical parameters. Factor analysis results showed that indices of CSDI (cold spell duration index), GSL (growing season length), RX5day (monthly maximum consecutive 5-day precipitation), TX90p (percentage of days when daily maximum temperature is greater than 90th percentile) and TMAXmean (mean of maximum temperature) of climate indices, and indices of percent of hydrologica group D and flood potential index of hydrologic indices were selected. Also indices of basin area, basin elongation, average length of drainage and total topography between the physical parameters were selected. Comparing the results of the FCM and HCA indicated that the optimal number of clusters is same, but the results of watershed classification are not same in each cluster of two ways. Classification by hydroclimate and physical indices highlights that 25 and 27 basins were classified similar, respectively in two methods of clustering. Clustering by hydroclimate parameters produced different results compared with physical parameters, so that the 17 and 19 sub-basins are in the same classes in the FCM and HCA, respectively. However, there is no preference to accept watershed classification by hydroclimate or physical parameters, thus a combination of hydroclimate and physical parameters were used for classification. Watershed classification by the combination of hydroclimate and physical parameters indicated that 33 sub-basins were classified similar in both FCM and HCA methods. Classification in Karkheh basins based on the combination of physical and hydroclimate parameters revealed that the northern areas are in group 3, central regions (from east to west) are in group 2 and southern areas are in group 1. Inherently, these basins are similar in each group and demand the same protection operations in view of watershed management.