بررسي امكان برآورد غلظت رسوب معلق با استفاده از تصاوير Sentinel-2MSI در حوزه آبخيز گاماسياب

مقدمه ميزان رسوبات و مواد معلق به همراه آب جاري يكي از دغدغه‌هاي مهم در طراحي سازه‌هاي هيدروليكي مانند كانال‌ها، دريچه‌ها و توربين‌هاي سدها است. اين موضوع از جنبه‌هاي ديگر مانند حفظ كيفيت خاك در زمين‌هاي كشاورزي، رسيدگي به مسائل زيست‌محيطي و مديريت منابع آب براي شرب و صنعت بسيار حائز اهميت است. در اين راستا، تصاوير ماهواره‌اي براي تخمين و پايش كيفيت آب رودخانه‌ها (به‌ويژه غلظت بار معلق)، منابع آلودگي و حركت آن‌ها استفاده مي‌شود. آن‌ها به‌طور همزمان منطقه وسيعي از منطقه مورد مطالعه را پوشش مي‌دهند و بازتاب طيفي پديده‌هاي زميني را نيز ثبت مي‌كنند و راندمان بالايي دارند. به‌طور كلي تحقيقات انجام شده در زمينه رابطه بين بازتاب طيفي آب (ثبت شده در تصاوير ماهواره‌اي) و غلظت بار معلق نشان مي‌دهد كه بين طول موج قرمز و مادون قرمز با غلظت بار معلق همبستگي وجود دارد، كه مي‌توان از اين باندها به‌عنوان شاخصي در ارزيابي و تخمين ميزان غلظت بار معلق استفاده نمود. از طرفي روش مناسب براي يافتن مدل محلي غلظت رسوب معلق استفاده از داده‌هاي ميداني جمع‌آوري شده در طول تصويربرداري ماهواره‌اي است. بر همين اساس، در اين مقاله، به برآورد رسوب معلق با استفاده از تصاوير ماهواره‌اي سنتينل-2 در رودخانه‌ با عرض كم پرداخته شده است. مواد و روش‌ها در اين تحقيق برآورد غلظت رسوب معلق با استفاده از تصاوير ماهواره‌اي سنتينل-2  در رودخانه‌هاي كم عرض مورد بررسي قرار گرفته است. به‌منظور بررسي همبستگي ميان بازتاب طيفي باندهاي تصاوير سنتينل-2 و غلظت رسوب معلق از آمار غلظت رسوبات معلق ايستگاه پل‌چهر واقع در رودخانه گاماسياب استان كرمانشاه در دوره پنج ساله (1394 تا 1398) همزمان با آن‌ها استفاده شد. بدين منظور گستره‌اي از مقادير مختلف رسوب از غلظت 0.44 ميلي‌گرم بر ليتر تا 118.86 ميلي‌گرم بر ليتر استفاده شده است. از مجموع 24 تصوير مناسب با روزهاي اندازه‌گيري غلظت رسوب معلق چهار تصوير به‌دليل ابري بودن و دو تصوير با انعكاس غيرعادي بالاتر از بقيه حذف شدند. در نهايت 18 تصوير ماهواره‌اي مربوط به سيل استفاده شد، كه از 12 تصوير (70 درصد داده‌ها) براي استفاده در مرحله واسنجي و 6 تصوير (30 درصد) در مرحله اعتبارسنجي مورد استفاده قرار گرفت در اين مطالعه ارزش‌هاي مربوط به پيكسل‌هاي تصاوير منطبق بر داده‌هاي موجود هيدرومتري پل‌چهر در دو حالت تك باند و نسبت باند استخراج شد و مدل‌هاي رگرسيوني (خطي، نمايي و چند جمله‌اي) مناسب برازش داده شد  و دقت و صحت اين مدل‌ها بررسي شده است. در نهايت، نوع الگوريتم حاكم بر غلظت رسوب معلق در رودخانه گاماسياب تعيين شد. نتايج و بحث در اين تحقيق از 8 باند ماهواره سنتينل-2 به‌صورت تك باند و نسبت باند استفاده شد. نتايج نشان داد كه غلظت رسوب معلق در ايستگاه پل‌چهر از 0.44 ميلي‌گرم بر ليتر تا 118.86 ميلي‌گرم بر ليتر متغير بوده است. بر اساس نتايج، مشخص شد كه تاريخ‌هايي با مقادير بازتاب بالاتر، غلظت رسوب معلق اندازه‌گيري شده بالاتري داشتند. بيشترين ميزان بازتاب از سطح آب در باند پنج (703 نانومتر) و B8A مشاهده شد. همچنين، از مدل‌هاي به‌دست‌آمده، مشخص شد كه در مورد تك باند، نتايج بهتري نسبت به زماني كه نسبت باند استفاده مي‌شد، به دست آمد. مدل نمايي مربوط به باند 5 كه همبستگي بالاتري با تمام مقادير رسوب داشت و ضريب تعيين برابر 0.83 به دست آمد. براي ارزيابي نتايج پژوهش حاضر از ريشه ميانگين مربعات خطاي شاخص ارزيابي استفاده شد كه مقدار آن براي باند 5 برابري 33.95 بود. مشخص شد كه مدل‌سازي پارامتر رسوب معلق با دقت مناسبي انجام شده است. نتايج مطالعه حاضر نشان داد كه تصاوير ماهواره‌اي مي‌تواند براي ارزيابي پايش كيفيت آب مفيد باشد. علاوه بر اين، پژوهش حاضر نشان داد كه سنتينل-2  مي‌تواند به‌عنوان ابزاري مناسب براي تخمين غلظت رسوب معلق با دقت قابل‌قبولي در حوضه‌هاي كوچك مقياس و شرايط سيلابي استفاده شود. نتيجه‌گيري نتايج نشان داد كه تصاوير ماهواره سنتينل-2 و معادلات به دست آمده در پژوهش حاضر براي محاسبه غلظت رسوب معلق در حوزه آبخيز گاماسياب استان كرمانشاه مناسب است. بر اساس نتايج مشخص شد كه نه مدل براي منطقه مورد مطالعه داراي ضرايب تعيين و مقادير خطاي قابل‌قبول و مناسب بودند. از ميان مدل‌هاي به‌دست آمده مشخص شد كه در حالت تك باند نتايج بهتري بدست آمد نسبت به حالتي كه نسبت باندي مورد استفاده قرار گرفته شد. هم چنين نتايج نشان داد كه مدل نمايي مربوط به باند پنج كه همبستگي بيشتري با كليه مقادير رسوبات داشت كه از اين معادلات مي توان براي تخمين غلظت رسوب معلق از تصاوير ماهواره اي سنتينل-2 در حوضه آبخيز گاماسياب استان كرمانشاه در مواقعي كه امكان جمع‌آوري داده‌هاي ميداني وجود ندارد، استفاده كرد. مطالعه حاضر به عنوان مرجعي براي تحقيقات آتي در بررسي و برآورد رسوبات معلق با استفاده از داده‌هاي ماهواره‌اي مفيد خواهد بود. علاوه بر اين، با توجه به اهميت رسوب معلق در كيفيت آب و اثرات آن بر محيط زيست و اقتصاد منطقه، استفاده از روش‌هاي تخمين رسوب معلق با استفاده از داده‌هاي ماهواره‌اي مي‌تواند به عنوان روشي سريع و كارآمد براي پايش كيفيت آب در رودخانه‌هاي كم عرض استفاده شود.