تحلیل فضایی مخاطرات محیطی

تحلیل فضایی مخاطرات محیطی

پایش خشکسالی و ارزیابی امکان پیش‌بینی آن در حوضه دریاچه ارومیه با استفاده از شاخص SEPI و مدل ANFIS

نویسندگان
چکیده
آنالیز و پایش خشکسالی یکی از اصول مهم در مدیریت خشکسالی و ریسک، بویژه در مناطق در معرض خطر خشکسالی است. سیستم‌های پایش در تدوین طرح‌های مقابله با خشکسالی و مدیریت آن از اهمیت زیادی برخوردار می‌باشند. با این حال، مطالعات انجام شده در رابطه با این پدیده بر اساس روش‌های مناسب بسیار کم است، بررسی ویژگی‌های خشکسالی و پیش‌بینی آن می‌تواند در کاهش خسارات حاصل از آن موثر باشد بدین منظور، در این پژوهش به بررسی خشکسالی و ارزیابی امکان پیش‌بینی آن برای ایستگاه‌های حوضه دریاچه ارومیه پرداخته شد. داده‌های مورد استفاده در این پژوهش، مقدار بارندگی به صورت ماهانه در دوره آماری 29 ساله از سال 1985 تا 2014 می‌باشد. شاخص SEPI در مقیاس زمانی 6 و 12 ماهه برای بررسی ویژگی خشکسالی و مدل سیستم استنتاج عصبیفازی تطبیقی برای پیش‌بینی خشکسالی استفاده می‌شود با توجه به یافته‌های حاصل در این پژوهش، درصد فراوانی وقوع خشکسالی در حوضه دریاچه ارومیه در ایستگاه‌های ارومیه و سقز و مراغه در مقیاس 6 ماهه بیش‌تر از مقیاس 12 ماهه است اما در ایستگاه‌های تبریز و مهاباد شرایط بر عکس می‌باشد. و روند خشکسالی در حوضه دریاچه ارومیه افزایشی است و روند دما با شدت بیش‌تری روند افزایشی دارد. بیش‌ترین درصد وقوع خشکسالی در ایستگاه ارومیه و کم‌ترین آن در مهاباد مشاهده شد. نتایج حاصل از پیش‌بینی شاخص با مدل ANFIS نشان داد در رابطه کد نویسی بیش‌ترین میانگین خطای آموزشی 51/0 درصد در ایستگاه تبریز در مقیاس 12 ماهه و کم‌ترین میانگین خطای آموزشی 36/0 درصد در ایستگاه مراغه در مقیاس 12 ماهه می‌باشد. در مدل‌سازی داده‌های اعتبارسنجی، میانگین خطای مدل‌سازی طبیعتاً بیش‌تر از میانگین خطای آموزشی می‌باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Monitoring and Forecast of Drought in Urmia Lake Basin by SEPI Index and ANFIS Model

نویسندگان English

batol zynali
sayyad asghari saraskanroud
vahid saffarian zangir
چکیده English

Drought is a concept that is generally understood on a basic level, but is difficult to quantify. Palmer defined a drought as a meteorological phenomenon that is characterized by ‘‘prolonged and abnormal moisture deficiency. A drought can alternatively be broadly defined as a temporary, recurring reduction in the precipitation in an area.

Aridity and drought are not synonymous. Aridity is a measure of long-term average climatic conditions. Both humid and arid regions experience droughts. However, the inter-year variation in precipitation is greater in arid regions and there is a greater probability of below average precipitation in any particular year. Arid regions are thus more prone to droughts and may experience more severe impacts from droughts.

In this research was used temperature and precipitation monthly data of Urmia, Tabriz, saghez, Maragheh, and Mahabad station in statistically period 1985-2014. Run test was used to study the homogeneity of data. Randomness and homogeneity of data was approved.at a confidence level of %95. SEPI Index and ANFIS model was used for determining and forecasting drought in Urmia lake basin. SEPI index is more complete than SPI. Results of SEPI were used in ANFIS model.

Fuzzy index SEPI[1]: Standardized precipitation index and evapotranspiration (SEPI) to address some of the disadvantages of SPI index is provided. Evapotranspiration and precipitation index SPI index and SEI standardized integration is achieved. The index is the result of drought monitoring phase of architectural models using fuzzy logic in a fuzzy inference system is designed. How to design this model and determine SEPI is described below.

Fuzzy architecture drought monitoring: for derivatization indices SPI and SEI using Fuzzy Inference System, Due to the structure of fuzzy models were considered.

SPI index[2]: Standardized Precipitation Index is an indicator widely used in Drought Monitoring. This index is one of the few indicators drought monitoring and could even say the only indicator that the time scale is considered. Depending on the time scale to determine the effect of different sources of agricultural drought, hydrological and so determined. Time scale can be determined from one month to several years. SPI index is used to calculate the only element rainy climate. Monthly precipitation amounts for each station in the desired time scale is calculated.

SEI index[3]: Since the index SPI Single Entry, rain, The SPI index values under the influence of changes in temperature and evapotranspiration parameter that is powerful factor in the drought, it will not be. So to enter the effect of temperature and evapotranspiration in SPI, SEI (evapotranspiration index Standard) To calculate this index, before any measures should reference evapotranspiration for the period to be estimated.

define the rules for combining indicators SPI and SEI: Different classes index SPI and SEI rules or the same combination of conditional statements in the form if, as a class of SEPI index in the lead, is defined. This rule only a combination of different modes SPI and SEI indices that lead to SEPI index shows. In this regard, the rules can be combined to fit different for successive written and stored in the knowledge base. Since the output of the resultant composition, indices SPI and SEI are involved in determining the status of SEPI, Weight each of the indicators with regard to the effect of precipitation and temperature parameters on the severity of the drought was considered As a result, SPI indices and weights 0.667 and 0.333, respectively SEI were included in the calculations.

According to the results, according to the research, education Anfis model with 75 percent of the data series is well done SEPI and much has been done to ensure education is nearly 100 percent. So that the graphic maximum of 0.26 percent error in saghez station on a scale of 6 months and the lowest average error of 0.10 percent in Urmia station is on a scale of 6 months. In modeling, validation data, the average error modeling is naturally higher than the average training error. Most average forecast error saghez on a scale of 6 months at the station 0.34 percent and 0.10 percent, the lowest on a scale of Urmia station is 6 months. But the coding maximum of 0.65 percent error in saghez station on a scale of 6 months and the lowest average error of 0.32 percent in Tabriz station is on a scale of 6 months. SEPI index in the time scale of 6 and 12 months is used for investigate the characteristics of adaptive neuro-fuzzy inference system in order to drought and drought forecasting model. According to the findings in this study, the frequency of drought in the stations of Urmia and Saghez and Maragheh on a scale of 6 months is more than the scale of 12 months in the basin of Lake Urmia but in Tabriz and Mahabad Stations situation is the vice versa. The drought in Urmia Lake basin is increasing trend but temperature has increasing trend with more intensity. The highest and lowest percentage of drought was seen in Urmia and Mahabad station respectively. The results of the forecasting of index by ANFIS model showed that the most training error is in Tabriz station (0.51) and the lowest training error is in Maragheh station (0.36) in a scale of 12 months in coding. In validation data modeling the average of modeling error is higher than the average training error naturally. According to the definition of drought SEPI was presented based on amounts of 0.73 or higher or mild drought to higher floors as dry conditions arise The scale of 6 months in Urmia station with 13.14 percent to 10.89 percent saghez station, Tabriz stations with 5.58 percent, with a 5.1% Mahabad station and Maragheh with the amount of 4.82 percent, the drought has occurred. The time scale of 12 months in Tabriz station by 9%, saghez station with 7.26 percent, with 6.11 percent of Urmia station, Maragheh with 5.5% and the amount of Mahabad stations with a 3.44 percent, from months of study in the series, drought has occurred.

Results of SPEI are:


Drought trend is increasing in urmia lake basin. Temperature has increasing trend extremely.
The highest percentage of drought is in Urmia station and its lowest is in Mahabad station.
Percent of frequency of drought in Urmia station, Saghez and Maragheh on a scale of 6 months is more than to 12 months, but the scale of Tabriz and Mahabad stations with the photos. Stations Tabriz and Mahabad is in the opposite situation.


Results of ANFIS Model are:

In study area and in ANFIS model whatever forecasting coming years is shorter; confidence of forecasting will be more.

Due to the errors amount obtained in model validation, in study area forecasting of drought by ANFIS model was done with confidence 94%.






[1] - The combination of indices SPI (Standardized Precipitation Index) and SEI (evapotranspiration index standard) based on the rules of the Fuzzy Inference System.



[2] - Standardized Precipitation Index



[3] - Standardized Evapotranspiration

کلیدواژه‌ها English

forecasting Drought
SEPI index
ANFIS model
Lake Urmia
Scale 6 and 12 months
اکبرزاده، مرتضی و سیدتقی میرحاجی. 1385. تغییرات پوشش گیاهی تحت تأثیر بارندگی در مراتع استپی رود شور، فصل-نامه تحقیقات مرتع و بیابان، سال 13.3: 222-235.
انصاری، حسین؛ داوری، کامران و سیدحسین ثنائی نژاد. 1389. پایش خشکسالی با استفاده از شاخص بارندگی وتبخیر و تعرق استاندارد شده SEPI، توسعه یافته بر اساس منطق فازی. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، جلد 24. 1: 38-52.
افروز، بهرام.1390. ارایه الگوی مناسب درسطح‌بندی عملکرد مدیریت شهری در بسترسازی برای توسعه کارآفرینی (مطالعه موردی: شهر اردبیل). پایان‌نامه کارشناسی ارشد: استاد راهنما: عطا غفاری. دانشگاه محقق اردبیلی.
جان‌درمیان، یونس؛ علیرضا شکیبا و حمیدرضا ناصری. 2015. بررسی وضعیت خشکسالی و ارتباط آن با تغییرات کمی و کیفی آب زیرزمینی در دشت سراب، کنفرانس بین اللملی توسعه با محوریت کشاورزی، محیط زیست و گردشگری، ایران. تبریز. : 16-17.
جوی‌زاده، سعید و زهرا حجازی‌زاده. 1389. مقدمه‌ای بر خشکسالی و شاخص‌های آن. چاپ اول. انتشارات سمت. تهران.
جعفرنژاد، علی و سید مصطفی کیا. 1389. منطق فازی در MATLAB، انتشارات کیان رایانه سبز. تهران.
حدادی، حسین و حسن حیدری. 1394. آشکارسازی اثر نوسانات بارش بر روان آب سطحی حوضه آبریز دریاچه ارومیه. مجله‌ی علمی پژوهشی جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، 58: 247-262.
خشتکاری‌ثانی، صیاد. 2015. واکاوی خشکسالی‌های استان آذربایجان غربی با شاخص Spi و Gis. کنفرانس بین اللملی با محوریت کشاورزی، محیط زیست و گردشگری، ایران. تبریز. 16-17.
خلیقی‌سیگارودی، شهرام؛ صادق سنگدهی، ع؛ اوسطی، خ؛ قویدل رحیمی، ی. 1388. بررسی نمایه‌های ارزیابی پدیده‌های ترسالی و خشکسالی: (SPI,PNPI,Nitzche) مطالعه موردی: استان مازندران. فصلنامه علمی پژوهش تحقیقات مرتع و بیابان ایران، 16: 44-54.
رهنمایی، محمدتقی. 1370. توان‌های محیطی ایران، انتشارات مرکز مطالعات و تحقیقات شهرسازی و معماری وزارت مسکن و شهرسازی. تهران.
زاهدی، مجید و یوسف قویدل‌رحیمی. 1386. تعیین آستانه خشکسالی و مقایسه بارش قابل اعتماد ایستگاه‌های حوضه دریاچه ارومیه. پژوهش‌های جغرافیایی، 59: 21-34.
سبحانی، بهروز، عطا غفاری‌گیلانده و اکبر گلدوست. 1394. پایش خشکسالی در استان اردبیل با استفاده از شاخص SEPI توسعه یافته براساس منطق فازی. نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیای، سال 15. 36: 51-72.
سبحانی، بهروز و اکبر گل‌دوست. 1394. پایش خشکسالی و ارزیابی امکان پیش‌بینی آن در استان اردبیل با شاخص SPI و مدل Anfis. فصل‌نامه تحقیقات جغرافیایی، سال 30. 1: 152-135.
شکری‌کوچک، سعید و عبدالکریم بهنیا. 1392. پایش و بیش‌بینی خشکسالی استان خوزستان با استفاده از شاخص SPI زنجیره مارکوف. کنفرانس بین اللملی بامحوریت کشاورزی محیط زیست. 24-16.
صفری، علی؛ سلیمان جاهی، حسین فلاحی و حسین ریاحی. 1382. استفاده ازسیستم جدید هوشمند استنتاج فازی–عصبی تطابقی(ANFIS) برای پیش‌بینی قدرت سرطان‌زایی ویروس پاپیلوهای انسانی. مجله علمی پژوهش دانشگاه علوم پژشکی اراک، سال13. 4: 95-105.
طالبی، محمد صادق و مهناز موسوی بفرویی. 1389. ارزیابی، پهنه‌بندی و پایش خشکسالی با استفاده از شاخص‌های معتبرمطالعه موردی: استان کرمان. اولین کنفرانس بین المللی مدل‌سازی گیاه، آب، خاک و هوا، مرکز بین المللی علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی دانشگاه شهید باهنر کرمان، آبان. 56-40.
علیزاده، امین. 1392. هیدرولوژی کاربردی، چاپ 36، دانشگاه فردوسی مشهد.
علیزاده، امین و شادی آشگرطوسی. 1387. توسعه یک مدل برای پایش و پیش‌بینی خشکسالی(مطالعه موردی: استان خراسان رضوی). مجله علوم، صنایع کشاورزی، ویژه آب و خاک، 22: 235-223.
علیاری، مهدی، محمد تشنه‌لب، و علی خاکی‌صدق. 1387. پیش‌بینی کوتاه مدت آلودگی هوا با کمک با روش‌های ترکیبی شبکه‌های عصبی پرسپترون چند لایه، خط حافظه‌دار تأخیر، گاما و ANFIS با روش‌های ترکیبی آموزشی مبتنی بر PSO. مجله کنترل، 1: 1-19.
فلاح‌قاهری، غلام‌عباس؛ محمد موسوی‌بایگی، و مجید مهدی‌نوخندان. 1387. پیش‌بینی بارش فصلی بر اساس الگوهای سینوپتیکی با استفاده از سیستم استنباط فازی-عصبی تطبیقی ANFIS. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 66: 121-139.
محسنی‌ساروی، مهدی؛ علی‌اکبر صفدری و بهروز ثقفیان. 1383. تحلیل شدت، مدت، فراوانی، و گستره خشکسالی‌های حوضه‌ی کارون به کمک شاخص بارش استاندارد. مجله منابع طبیعی ایران، جلد57. 4: 31-47.
منتصری، مجید و بابک امیرعطایی.1394. پیش‌بینی استوکستیکی احتمالات وقوع خشکسالی (مطالعه موردی: شمال غرب کشور). نشریه مهندس عمران و محیط زیست، جلد 45. 1: 9-12.
مالچسفکی. یاردان. 1385. سامانه اطلاعات جغرافیایی و تحلیل تصمیم چند معیاری. اکبر پرهیزگار. عطا غفاری گیلانده. تهران. انتشارات سمت، تهران.
هنر، تورج؛ محمدحسین طرازکار، و محمدرضا طرازکار. 1389. برآورد ضریب دبی سریزهای جانبی با استفاده از سیستم استنتاج فازی–عصبی. مجله پژوهشی‌های حفاظت آب و خاک، 2: 169-177.
Arms, K.; 1990. Environmental Sciences. Staunders Collage Pub Florida.
Gholam Ali, M.; Younes, KH.; Ismail, A.Fatemeh, T. 2011. Assessment of Geostatistical.
Huanga, S.; j. Huanga, J. Changa, Y. Zhua, and G. Lengb. 2015. Drought structure based on a nonparametric multivariate standardized drought index across the Yellow River basin, China. Journal of Hydrology, 530: 127–136.
Jain, v., R. Pandey, M. Jain and H-R. Byun. 2015. Comparison of drought indices for appraisal of drought characteristics in the Ken River Basin. Weather and Climate Extremes, 8: 1-11.
keta T.B and N.J Doesken. 1993. The relationship of drought frequency and duration to time scales. Eight Conference on Applied Climatology, Anaheim. CA. American Meteorological Society. 179:12-14
Methods for Spatial Analysis of SPI and EDI Drought Indices. World Applied Sciences Journal 15 (4): 474-482.
Morid, S., V. Smakhtinb, and K. Bagherzadehc. 2007. Drought forecastingusing artificial neural networks and time series of drought indices. Int. J. Climatol, 27: 2103–2111.
Moreira, E., A. Coelho, A. Paulo, S. Pereira and T. Mexia. 2008. SPI-based drought category prediction using loglinear models. Journal of Hydrology, 354: 116-130.
Mo, K.C. 2008. Model-based drought indices over the United States. J. Hydrometeorol, 9: 1212–1230. http://dx.doi.org/10.1175/2008JHM1002.1.
Niranjana. Kumar; k. N. Rajeevan, M. Pai, D. S. Sivastava, A.K., and B. Preethi. 2013. On the observed variability of monsoon droughts over india. weather and climate extremes, 1: 42-50.
Peters, E; G. Bier, H. A. Lanen, and P, Torfs. 2006. Propagation and spatial distribution of drought in a groundwater catchment. Journal of Hydrology, 321: 257-275.
Palmer,W.C. 1965. Research Iranian Journal of Irrigation and DrainageNo. Meteorological drought, 4, Vol. 8, Winter. 20, p. 845-856.
Spinoni, j; G. Naumann, j. vogt and P. Barbosa. 2015. The biggest drought events in Europe from 1950-2012. journal of hydrology: Regional, 3: 509-524.
Stairs, G. and H. Vangelis. 2004. Towards a Drought Watch System based on Spatial SPI. Journal of Water Resources Management, 18: 1-12.
Wang, L and W. Chen. 2014. A CMIP5 multimodel projection of future temperature, precipitation, and climatological drought in China. Int. J. Climatol, 34: 2059–2078. http://dx.doi.org/10.1002/joc.3822.
Wilhite, D.A. 2000. Drought: A Global Assessment, Rout ledge Press. London and NewYork. Volume I.
Touma, D; M. Ashfaq, M. Nayak, S-C. Kao and N. Diffenbaugh. 2015. A multi-model and multi-index evaluation of drought characteristics in the 21st century. Journal of Hydrology, 526: 196-207.
Zhao, M and S.W, Running. 2010. Drought-induced reduction in global terrestrial net primary production from 2000 through 2009. Environmental Science, 329: 940–943.