نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه مهندسی آبخیزداری دانشگاه لرستان

2 دانشجوی کارشناسی ارشد آبخیزداری دانشگاه ملایر

3 کارشناس ارشد منابع آب گروه تخصیص وزارت نیرو.

چکیده

چکیده
یکی از مهم ترین منابع آبی در مناطق کوهستانی ذخیره­ی برف می­باشد که می­تواند در بیشتر مواقع سال آب مورد نیاز برای مصارف کشاورزی، شرب، زیست محیطی را فراهم کند. پژوهش حاضر که در حوضه­ی آبخیز کوهستانی گوش بالا به وسعت 3/83 کیلومتر مربع در شرق مشهد انجام گرفته است. که با استفاده از 11 نمونه اندازه­گیری شده عمق و چگالی برف پهنه­بندی دو پارامتر مذکور با استفاده از روش­های زمین آمار مانند عکس فاصله وزن­دار (IDW)، توابع شعاع پایه (RBF)، کریجینگ و کوکریجینگ انجام گرفت. با بکارگیری آماره جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) روش کوکریجینگ ساده برای عمق و کریجینگ ساده برای چگالی که دارای کمترین میزان خطای به مقدار 518/0 و023/0 بودند تشخیص داده شد. واریوگرام به دست آمده در روش کوکریجینگ ساده از نوع J بسل برای عمق برف دارای کمترین مقدار اثر قطعه­ای و نسبت اثر قطعه­ای به سقف به میزان 795/0 و 95/0 را نشان داد و همچنین واریوگرام مربوط به چگالی برف نیز کمترین مـقدار اثـر قـطعه­ای و نسبت اثـر قـطعه­ای بـه سـقف را بـه مـقدار  8/0 و 9/0 در روش کوکریجینگ ساده از نوع J بسل را دارا بود. نتایج نشان می­دهد که اثر قطعه­ای و نسبت اثر قطعه­ای به سقف بالا می­باشد که این خود دلیلی بر ساختار فضایی ضعیف حاکم در بین داده­های دو پارامتر مورد مطالعه می­باشد که نشان­دهنده­ی ناهمگنی در داده­های جمع­آوری شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Performance Evaluation of Geo-Statistical Methods to Estimate the Spatial Distribution of Snow Depth and Density in Mountainous Areas (Case Study: Gush Bala Watershed, Mashhad)

نویسندگان [English]

  • Ali Haghizadeh 1
  • Arman Kiani 2
  • Milad Kiani 3

1 - Associate Professor, Department of Watershed Management Engineering, Lorestan University.

2 M.Sc Student of Watershed Management Engineering, Malayer University

3 M.Sc, Water Resource Department of Water Macro Planing Ministry of Energy Iran

چکیده [English]

Introduction
One form of precipitation is snow. Due to the long-lasting process of its transformation into runoff, it is different from other ingredients of the water budget. In most permanent rivers whose basins are covered with snow, it plays a little role in water resources' studies. This case study is the Gush Bala mountain watershed, which is located in the eastern part of Mashhad in Khorasan-Razavi province.
Materials and methods
 In this study, 11 measured samples were used to map the depth and density of snow. Using Minitab software, the normality of the gathered data of snow was assessed through Kolmogorov-Smirnov test. The probability of more than 0.05 was considered as a criteria for the normality of the distribution of the data. If it does not have a normal distribution, they are normalized, through using modified shapes, in regard to their skewness. After testing the normality, the point data was transformed to regional data through Geo-Statistics such as Inverse Distance Weighting (IDW), Radial Basis Function (RBF), Kriging, and Cokriging. Geo-statistical estimation consists of two phases. Its first phase involves identifying and modeling spatial structure that can be studied by means of half-changing facade and estimation which can be the best linear unbiased estimation. The mutual assessment method was utilized to choose the most appropriate Geo-Statistical method. In this method, for each step, one observed point was crossed out and its value was estimated. After that, the estimated value was compared with the observed one.
Results and discussion 
The most vital criterion was Root Mean Square Error (RMSE).The comparison of the RMSE of different methods like IDW, RBF, Kriging, and Cokriging showed that the most and the least values were for simple cokriging and simple kiriging methods whose values were respectively 0.518 and 0.023. Therefore, the simple kriging revealed better results than the other methods. Overall, less values of RMSE led to a better performance of a spatial semi-variogram for depth and density. Because the values of RMSE for 11 functions including Circular, Spherical, Tetra spherical, Penta spherical, Exponential, Gaussian, Quadratic Rational, Hole Effect, K-Bessel, J-Bessel, and Stable for simple Cokriging for depth and simple kriging for density were respectively 0.518 and 0.023, the interpretation Variogram for 11 functions was needed in the case of simple cokriging for depth and simple kriging for density.
The criteria which were used were Nugget and Nugget to sill ratio. Generraly, if they are less, their results are better super structure. The value with simple cokriging method for the depth of the snow for J-Bessel and sill ratio were respectively 0.795 and 0.95 which experienced better super structure. The value with simple kriging method for the density of the snow for J-Bessel and sill ratio were respectively 0.806 and 0.9 which showed an optimum method compared to other methods. All values that are obtained from interpolating kriging and cokriging methods must be evaluated with variogram structure, especially Nugget and Nugget to sill ratio. If the values of Nugget and Nugget to sill ratio increases, the predictability of the variogram decreases. In the variogram which was related to the depth and density data, the piece effect showed high levels. Furthermore, the ratio of nugget to sill was more than 0.75, which revealed a weak super structure between values in various distances. These findings demonstrated the heterogeneity of the data. On the other hand, considerable oscillations between nugget in depth data and density was shown on high values for nugget.
Conclusion
The results of the predictions assessment done with simple cokriging for depth and simple kriging for density showed the higher accuracy of the aforementioned methods to other methods. One reason for this high accuracy can be ascribed to the influence of these parameters. In general, when the environment is more homogeneous, the Mardr small scale's results will be better than conventional statistical analysis. Thus, it seems that the sampling method with homogeneous units using satellite and aerial images could result in the homogeneity of the data. In addition, as a result, the spatial vacillations of the data went down and the ability of Geo-Statistics to predict and estimate will improve.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Snow
  • Geo-statistical
  • Variogram
  • Nugget
  • Mashhad
منابع
ـ ابدام، سمیه و علی فتح­زاده (1392)، ارزیابی روش­های زمین آماری به منظور برآورد توزیع مکانی عمق برف در مناطق نیمه­خشک مطالعه­ی موردی حوضه­ی آبخیز سخوید، فصلنامه­ی علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب، سال چهارم، شماره­ی 13، صص113-124.
ـ بهرامی، مهناز؛ فتح­زاده، علی؛ تقی­زاده مهرجردی، روح­الله و محمدعلی زارع چاهوکی (1395)، بررسی مقیاس پارامترهای ژئومرفومتری بر پیش­بینی پراکنش عمق برف، نشریه­ی هیدروژئومرفولوژی، شماره­ی 1، صص 95-113.
ـ جهانبخش­اصل، سعید؛ دین­پژوه، یعقوب و محمدحسین عالی­نژاد (1394)، مقایسه­ی مدل­های SRMو HEC-HMSدر شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف حوضه­ی آبریز  شهر چای ارومیه، نشریه­ی هیدروژئومرفولوژی، شماره­ی 5، صص 101-117.
ـ حسنی پاک، علی­اصغر (1377)، زمین آمار (ژئواستاتیسیک)، انتشارات دانشگاه تهران.
ـ شریفی، مرتضی؛ آخوندعلی، علی­­­محمد؛ پرهمت، جهانگیر و جهانگرد محمدی (1386)، ارزیابی دو روش همبستگی خطی و کریجینگ معمولی به منظور برآورد توزیع مکانی عمق برف در حوضه­ی آبخیز صمصامی، مجله­ی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، سال اول، شماره­ی 1، صص 24-38.
ـ قنبرپور، محمدرضا؛ محسنی ساروی، محسن؛ ثقفیان، بهرام؛ احمدی، حسن و کریم عباسپور (1384)، تعیین مناطق موثر در انباشت و ماندگاری سطح -پوشش برف و سهم در ذوب رواناب، مجله­ی منابع طبیعی ایران شماره­ی­ 3، صص 517-530.
ـ کارآموز، محمد و شهاب عراقی­نژاد (1389)، هیدرولوژی پیشرفته، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
ـ محمدی، جهانگرد (1380)، مروری بر مبانی ژئواستاتیسیک و کاربرد آن در خاک شناسی، مجله­ی علوم خاک و آب، شماره­ی 1،صص 99-121.
- Balk, B., and Elder, K., (2000), Combining binary decision tree and geostatistical methods to estimate snow distribution in a mountain watershed, Water Resources Research, vol. 36, PP.13-26.
- Bocchiola, D., and Groppeli, B., (2010), Spatial estimation of snow water equivalent at different dates within the Adamello Park of Italy, Cold Regions Science and Technology, Vol. 63, No. 3, PP.97-109.
- Erxleben, J., Elder, K., and Davis, R., (2002), Comparison of spatial interpolation methods for estimating snow distribution in Colorado Rocky Mountains, Hydrological Processes, No. 16, PP.3627-3649.
- Marchand, W.D., and Killingtveit, A., (2005), Statistical probability distribution of snow depth at the model sub-grid cell spatial scale, Hydrological Processes, No. 19, PP.355-369.
- Molotch, N.P., Colee, M.T., Bales, R.C., and Dozier, J., (2005), Estimating the spatial distribution of snow water equivalent in an alpine basin using binary regression tree models: the impact of digital elevation data independent variable selection, Hydrological Processes, No. 19, PP.1459-1479.
- Morid, S., Gosain, A.K., and Keshari, A.K., (2001), Challenge in snow melt-runoff simulation, Journal of the Earth and Space Physics, No. 2, PP. 11-17.
- Schneider, K., Schober, J., and Stotter, J., (2012), Comparing the spatial variability of snow depth on glacierized and nin-glacierzed surfaces using a geostatistical approach, Geophysical Research Abstracts, No. 14, EGU2012-5279.
- Sturm, M., Taras, B., Liston, G., Derksen, C., Jonas, T., and Lea, J., (2010), Estimating snow water equivalent using snow depth data and climate classes, Journal Hydrometeor, Vol. 11, PP.1380-1394.
- Sun, Y., Kang, S., Li, F., and Zhang, L., (2009), Comparison of interpolation methods for depth to groundwater and its temporal and spatial variations in the Minqin oasis of north west China, Environmental Modelling & Software, No. 10, PP.1163-11