تحليل همبستگي چندمقياسي و واريانس موجكي سري زماني بارش و جريان رودخانه خرم‌آباد

مقدمه به‌رغم تأثيرپذيري شديد جريان رودخانه از مقدار و ماهيت بارشي كه در حوزه آبخيز رودخانه اتفاق مي‌افتد، اما رابطه بين اين دو متغير هيدرو ـ اقليمي به خصوص در حوزه‌هاي مناطق كوهستاني از ديناميك پيچيده‌اي در دامنه بسامد و شدت برخوردار است. اين ديناميك پيچيده نه تنها به سبب دخالت مؤلفه‌هاي متعدد طبيعي و انساني بوده كه هركدام از رفتار چندمقياسي متفاوتي برخوردارند، بلكه ناشي از تغيير اين مؤلفه‌ها در طي زمان نيز است. به اين ترتيب كه همگام با تغيير اين مؤلفه‌ها، شدت اندركنش و تاثير آن‌ها در حوزه آبخيز دستخوش تغيير شده و ديناميك رفتاري جريان رودخانه نيز متحمل تغيير مي‌شود. از اين گذشته، بارش به عنوان مهمترين عامل محرك جريان رودخانه به شمار مي‌رود  كه متأثر از سازوكارهاي متفاوتي است كه هركدام از اين سازوكارها در افق زماني متفاوتي فعال‌اند. چنين سازوكارهاي متفاوتي موجب شده‌اند كه سري زماني بارش ضمن دارا بودن رفتاري پيچيده و ناايستا از رفتاري چندمقياسي نيز برخوردار باشد. به طوري كه شدت و زمان پاسخ جريان رودخانه نسبت به مقدار بارش ضمن آنكه از يك الگوي كلي و خطي پيروي نمي‌كند بلكه در مقياس‌هاي زماني مختلف، الگوهاي متفاوتي را نشان مي‌دهد. با اين تفاسير، سري زماني بارش و جريان رودخانه حاوي نوسان‌هاي كوچك و بزرگي هستند. بنابراين هدف از انجام اين مطالعه عبارت از 1- شناسايي نوسان‌هاي بارش و جريان رودخانه خرم‌آباد در مقياس‌هاي زماني مختلف. 2- آشكارسازي سهم هركدام از افق‌هاي زماني كوچك ـ بزرگ در تعيين واريانس جريان رودخانه و بارش روزانه. مواد و روش‌ها در اين پژوهش از دو دسته داده شامل داده‌هاي بارش روزانه ايستگاه سينوپتيك خرم‌آباد (2016-1961) و داده‌هاي دبي روزانه ايستگاه دبي‌سنجي چم انجير واقع در پاياب حوزه آبخيز رودخانه خرم‌آباد (2016-1961) استفاده شد. همچنين به منظور انجام اين پژوهش از نسخه اصلاح‌شده تبديلات موجك گسسته (DWT) تحت عنوان تبديل موجك گسسته با بيشينه همپوشاني (MODWT) استفاده شد. بنابراين در اين مطالعه جهت تحليل چندنمايشي موجكي (تحليل نوسان‌ها)، تحليل واريانس موجكي و شناسايي رابطه ديناميكي و همبستگي چندمقياسي بين سيگنال بارش و جريان روزانه رودخانه خرم‌آباد از رويكرد موجك گسسته با بيشينه همپوشاني بر پايه تابع موجك مادر سيملت4 (sym4) استفاده شد. بدين‌ترتيب كه سري زماني بارش و جريان رودخانه با استفاده از MODWT به 11 سطح مقياسي تجزيه شدند. شايان ذكر است كه از تجزيه سيگنال توسط MODWT، دو گونه ضريب شامل ضرايب موجكي (جزييات (D)) و ضرايب مقياسي (كليات (S)) حاصل مي‌شود. ضرايب مقياسي نشان‌دهنده ضرايب تبديل موجك با تفكيك بالا (بسامد پايين) هستند كه روند كلي و هموار را در سري زماني بارش و جريان رودخانه نشان مي‌دهند. در مقابل، ضرايب موجكي (بسامد بالا) اطلاعات جزيي روندها و تناوب‌هاي معيني از سري‌هاي زماني هيدرولوژيكي را ارائه مي‌دهند. هر مؤلفه D يك دوره زماني معين يا مقياس زماني مشخصي را نشان مي‌دهد. نتايج و بحث تحليل چندنمايشي سيگنال بارش و جريان رودخانه از يك تا 13 سطح تجزيه موجكي نشان از سيماي بسيار مشخص نوسان‌هاي نيم‌سال نسبت به ساير مقياس‌هاي زماني دارد. همچنين به‌رغم نوساني‌تر بودن سيگنال بارش در مقياس‌هاي زماني روزانه تا دوماهه نسبت به سيگنال جريان رودخانه، اما برخي از نقاط اوج آن‌ها متناظر باهم هستند. اين نقاط اوج نشان‌دهنده سيلاب و بارش‌هاي سنگيني هستند كه در مقياس روزانه اتفاق افتاده‌اند: از سويي نوسان‌هاي بسيار متمايزي با چرخه‌هاي 11 و 22 ساله در سيگنال آن‌ها شناسايي شد كه به ترتيب متناظر با چرخه‌هاي شناخته‌شده تعداد لكه‌هاي خورشيدي و چرخه هيل هستند. نتايج حاصل از تجزيه واريانس اين دو پديده تا 11 سطح تجزيه موجكي نشان از شباهت كلي رفتار واريانس موجكي آن‌ها در مقياس هاي زماني روزانه تا چند ساله دارد اما آهنگ تغيير واريانس جريان رودخانه به ازاي افزايش مقياس زماني، متفاوت از آهنگ تغيير بارش است. از سويي، بيشترين تغييرپذيري بارش به مقياس روزانه (85 درصد از كل واريانس) اختصاص دارد. در صورتي كه بيشترين تغييرپذيري جريان رودخانه به صورت يك جريان حدي مطلق در چرخه سالانه قرار دارد. بنابراين، نوسان‌هاي سريع و متوسط، به ترتيب سهم بسيار مهمي در تغييرپذيري سيگنال بارش و جريان روزانه رودخانه خرم‌آباد برعهده دارند. همبستگي موجكي بين بارش و جريان رودخانه در مقياس‌هاي زماني مختلف يك رابطه مثبت معنادار در سطح اعتماد 99 درصد بين اين دو متغير را نشان مي‌دهد. نتيجه گيري با تجزيه موجكي واريانس كلي سيگنال بارش و جريان رودخانه خرم‌آباد مشخص شد كه شدت تغييرپذيري اين دو پديده متناسب با تغيير مقياس زماني به شدت تغيير مي‌كنند. به طوري كه شديدترين نوسان‌هاي بارش و جريان رودخانه به ترتيب در مقياس روزانه - ماهانه و سالانه اتفاق مي‌افتند. بنابراين نوسان‌هاي جريان رودخانه به‌رغم آنكه متأثر از نوسان‌هاي بارش است اما به طور شديدي از سازوكارهايي تأثير مي‌پذيرد كه در مقياس‌هاي زماني 6-8 ماهه با چرخه سالانه عمل مي‌كنند. همچنين در مقياس‌هاي زماني چندساله نيز نقاطي از مقادير بالا در نوسان بارش و جريان رودخانه آشكار شدند كه چرخه سينوسي را نشان مي‌دهند. اين نقاط نوساني در دوره‌هاي زماني 11 و 22 ساله وجود دارند. به طوركلي، نتايج اين مطالعه نشان داد كه بارش و جريان رودخانه خرم‌آباد از نوسان‌هاي روزانه، هفتگي، ماهانه، سالانه و چندين ساله برخوردارند كه اين نوسان‌ها نقش مهمي در چگونگي رابطه بين بارش و جريان رودخانه ايفا مي‌كنند. چنانكه رابطه بين بارش و جريان اين رودخانه از الگوي چندمقياسي برخوردار بوده كه در صورت تجزيه سيگنال‌هاي آن‌ها مي‌توان چرخه‌هاي اين نوسان‌ها كه در ساختار كلي سيگنال گاهاً به صورت نويزي و بي‌نظم هستند را استخراج كرد و به اين ترتيب ضمن شناسايي آن‌ها به سازوكار ايجادكننده آن‌ها نيز آگاهي پيدا كرد.