تشخیص خشکسالی بلند مدت از توپوگرافی رودخانه های جهان :: بیسین - سایت تخصصی مهندسی آب

ابزار وبمستر

Bootstrap Example

عضويت در خبرنامه ايـميـل پايگاه بيسيــن - عضويت پس از کليک بر روي لينک فعال سازي که براي شما ارسال خواهد شد تکميل مي شود

پشتيباني شده با بيسين

تشخیص خشکسالی بلند مدت از توپوگرافی رودخانه های جهان


در طول زمان آب و هوا، توپوگرافی سطح زمین را از طریق تعامل بین بارندگی، رواناب و فرسایش در حوضه های زهکشی شکل می دهد. مشخصات طولی یک رودخانه (ارتفاع در مقابل فاصله از پایین دست) یک ویژگی مهم مورفولوژیکی است که تاریخچه تکامل حوضه زهکشی را منعکس می کند، بنابراین شکل آن باید تشخیصی منطقه ای آب و هوا و تعامل آن با سطح زمین بدست دهد. اما، هر دو تشخیص اثرات اقلیمی در پروفایل های طولی و رمز گشایی در ساز و کارهای آب و هوایی توسعه آنها به دلیل فقدان داده های جهانی مربوطه و همچنین اثرات متغیر تکتونیک، سنگ شناسی، خصوصیات سطح زمین و فعالیت های انسانی چالش برانگیز بوده اند. در اینجا ما مجموعه ای از مجموعه داده های 333502 پروفایل طولی رودخانه را ارائه می دهیم، و از آن برای کشف تفاوت های شکل کلی (مقعر) در مناطق آب و هوایی استفاده می کنیم. ما نشان می دهیم که پروفیل های رودخانه ای با افزایش خشکی به طور منظم مستقیم می شوند. از طریق مدل سازی عددی ساده، ما نشان می دهیم که این الگوهای جهانی در شکل پروفایل طولی را می توان با کنترل های هیدرولوژیکی که بازتاب رژیم های بارندگی- رواناب در مناطق مختلف آب و هوایی است، توضیح داد. مهمترین آنها نرخ پایین دست تغییر در جریان، مستقل از مساحت حوضه زهکشی است. نتایج ما نشان می دهد که توپوگرافی رودخانه نمودی از خشکی را نشان می دهد، نشان می دهد که آب و هوا یک کنترل مرتبه اول در تکامل حوضه زهکشی است.


نظریه متعارف، نمایه های طولی رودخانه (پروفایل های طولانی) را با داشتن شکل عموما مقعر، با نقاط ضربه و سایر نوسانات بیان کننده تعامل چندین متغیر مستقل است:: آب و هوا، تکتونیک، سنگ شناسی و تأثیرات انسانی. این شکل مشخصه از پروفیل های طولانی تفسیر شده است که در نتیجه افزایش جریان پایین دست با منطقه زهکشی، که باعث فرسایش بستر رودخانه می شود، رسوب را از بالادست به پایین دست منتقل می کند، و پروفیل ها را در اندازه دانه مواد کنار رودخانه ایجاد می کند. با این حال، پروفایل های طولانی با شیب کلی بسیار نزدیک به صفر وجود دارند (یعنی پروفایل ها از شکل معمولی مقعر مستقیم تر هستند)، با این وجود درک محدودی از توزیع جهانی تعرفه های پروفایل بلند و ارتباط آنها با آب و هوا وجود دارد. نظریه برش قدرت جریان بیان می کند که فرسایش کانال ذاتاً به یک رابطه فرض شده بین تخلیه رودخانه (Q) و منطقه زهکشی (A) وابسته است: Q ∝ Ac. بر اساس این تئوری، عبارتی مشتق شده است که تقارن مشخصات طولانی رودخانه با محدودیت تأمین را به فاکتور c پیوند می دهد، و نشان می دهد که پروفایل های مقعر برای c> 0، مستقیم برای c = 0 و محدب برای c <0 پیوند خورده اند. وابستگی مشابهی از تقارن پروفایل در رابطه Q-A برای سیستم های جوی حمل و نقل نامحدود به دست آمده است. کارهای قبلی تا حد زیادی مورد تأیید قرار گرفته است برای مواردی که c> 0 با وجود شواهدی که c در بسیاری از حوضه های رودخانه، به ویژه در مناطق خشک وجود دارد، ممکن است از طغیان تا سیل در طیف وسیعی از مقادیر منفی تا مثبت متفاوت باشد. از اهمیت ویژه ای که در اینجا وجود دارد این است که آیا بیان اقلیمی در هیدرولوژی کانال رودخانه ممکن است یک کنترل درجه اول در شکل پروفایل بلند باشد یا خیر، آیا اثر مشابه آب و هوایی آن در سراسر جهان حفظ شده است.


بسیاری از رودخانه ها از آبشار، تأثیرات از آب و هوا گرفته تا هیدرولوژی تا فرسایش را تجربه می کند که مشخصات مسیر طولانی آن تکامل می یابد. بنابراین، بیان آب و هوایی در جریان باید یک کنترل درجه اول در شکل نمای طولانی باشد. تجزیه و تحلیل عددی پاسخ های شکل پروفایل به توزیع حوادث جریان بالاتر از آستانه برای برش بستر، بخشی از این وابستگی را نشان داده است. با این حال، شواهد جهانی محدودی در مورد چگونگی تأثیر بیان هیدرولوژیکی آب و هوا بر پروفایل های طولانی، در طیف گسترده ای از مناطق آب و هوایی وجود دارد. آب و هوا رژیم بارش را در یک منطقه تعیین می کند. به نوبه خود، رژیم بارش میزان و دفعات تأمین آب به سطح زمین را کنترل می کند، بخشی از آن رواناب را در حوضه های زهکشی ایجاد می کند و این موضوع در معرض تلفات ناشی از نفوذ و تبخیر و تعرق است. جریان در رودخانه ها هنگام رسیدن رواناب به کانال، با سهم قابل توجهی از جریان اصلی در مناطق مرطوب از آب های زیرزمینی و زهکشی زیرسطحی و پتانسیل برای دوره های طولانی بدون جریان در کانال های خشک مواجه می شود. جریان آب درون یک رودخانه محرک اصلی تکامل چشم انداز آن است، از طریق نیروی پایین دست مربوطه اعمال شده بر بستر جریان، فرسایش کانال مرتبط صورت گرفته، و برش رودخانه محلی در هر موقعیت ارتفاعی در امتداد مشخصات صورت می گیرد. بنابراین، ما مشخص می کنیم که روابط آب و هوا و جریان یک کنترل قوی بر روی پروفایل های طولانی اعمال کند.


آب و هوا در پایین دست سرعت تغییر جریان در بین رودخانه های خشک و مرطوب پایان سپتامبر متفاوت است. در اقلیم های خشک، جریان به دو دلیل اصلی تمایل به کاهش در سطح بالادست در تمام سیل های جزیر دارد. اول، بارندگی کم سالانه، پوشش منطقه ای محدود از طوفان های باران، و مدت زمان کوتاه از وقایع بارندگی باعث رواناب جزئی از مناطق می شود. این نتیجه در بخش کمی از شاخه های حوضه است که برای مدت زمان محدود به جریان اصلی جریان می یابد. دوم، رودخانه ها معمولاً زودگذر هستند (بدون داشتن جریان دائمی)، بنابراین کانال ها از طریق بسترهای خشک و متخلخل (تلفات انتقال) آب را از دست می دهند زیرا سطوح آب در زیر کانال قرار دارد. بنابراین، رابطه فرضی قانون اغلب فرض شده بین جریان و ناحیه زهکشی (با ضریب مثبت c) تجزیه می شود، به طوری که ممکن است مقدار متوسط ​​بلند مدت c منفی، مثبت یا صفر باشد. در مقابل، کانال های مرطوب دارای جریان چند ساله (در تمام طول سال) هستند که از جریان اصلی آبهای زیرزمینی پشتیبانی می شوند، و جریان را از شاخه های همجوار جمع می کنند و باعث افزایش جریان پایین دست در تخلیه (C مثبت) می شوند. ما با توجه به بیان منطقه ای آب و هوا در رژیم های تخلیه (به عنوان مثال، هیدرولوژی دیم یا کوه شناسی دامنه کوه) طیف گسترده ای از تغییرات جریان پایین دست در جریان را براساس کره زمین وجود دارد، و نه فقط بر روی منطقه حوضه زهکشی. با توجه به پیوند آشکار بین جریان و فرسایش کنار رودخانه، فرض می کنیم که اثرات آب و هوایی در پروفایل های طولانی رودخانه ساخته می شوند، که بر سایر گروه های کنترل بیرونی معین شده است. به عبارت دیگر، انتظار داریم مقدار زیادی از پراکندگی، مانند داده های زیست محیطی، منفک باشد، اما فرض می کنیم که آب و هوا خود را به عنوان کنترل مرتبه اول در شکل پروفایل بلند نشان می دهد.


برای آزمایش این فرضیه، ما یک بانک اطلاعاتی از پروفایل های طولی جهانی (GLoPro) رودخانه ها بین 60 درجه سانتی گراد و 56 درجه سانتیگراد (شکل 1) استخراج شده از مدل ارتفاع دیجیتال ماموریت توپوگرافی شاتل 30 متری ناسا (مدل SRTM-DEM) استخراج کردیم. این پروفایل ها با استفاده از LSDTopoTools، نرم افزاری با قابلیت های پیشرفته در آنالیز توپوگرافی، استفاده از آستانه برای منطقه زهکشی بالادست و الگوریتم استخراج کانال استخراج شده است، که هر دو احتمال از جمله ویژگی های غیر کانال را کاهش می دهند (روش ها را ببینید). برای هر نمایه، ما شاخص معمول Concavity - NCI را محاسبه کردیم، یک متریک صرفاً بر اساس هندسه پروفایل محاسبه می شود (Methods؛ Data Extended شکل 1) که امکان مقایسه استاندارد از اشکال پروفیل رودخانه در سراسر جهان را فراهم می کند. NCI منفی است اگر نمایه مقعر باشد، اگر پروفایل مستقیم باشد صفر است و اگر پروفایل محدب باشد مثبت است.


شکل 1 | نقشه جهانی پروفیل های طولانی رودخانه استخراجی، طبقه بندی شده توسط مقادیر NCI. هر نقطه پایین ترین مقدار از هر نمای رودخانه استخراج شده، کدگذاری شده توسط مقدار NCI را مشخص می کند. پروفیل های طولانی رودخانه از 30M با وضوح SRTM-DEM استخراج شده است ، که مساحت زمین بین 60 درجه شمالی تا 56 درجه جنوبی را در بر می گیرد. جدول ورودی تعداد رودخانه های استخراج شده در هر سطل NCI را نشان می دهد. نقشه وکتور پس زمینه و زمینه شطرنجی رایگان از Earth Natural www.naturalearthdata.com در طرح نقشه Pseudo Plate Carree در ArcGIS است.


ما هر یک از مشخصات را در GLoPro با استفاده از طبقه بندی آب و هوا Köppen-Geiger و شاخص کمی خشکی (که با تقسیم بارش توسط تبخیر و تعرق احتمالی محاسبه می شود) طبقه بندی کردیم، برای بررسی روابط بین آب و هوا و شکل مشخصات مسیر طولی رودخانه و بررسی اینکه آیا بیان خشکی است یا خیر. قابل تشخیص در NCI. طبقه بندی Köppen-Geiger در آستانه دما و بارش استوار است، با تاکید بر پاسخ به پوشش گیاهی به آب و هوا. شاخص خشکی مقیاسی است که تعادل بین میزان بارش و تقاضای تبخیر را نشان می دهد و با خشکی کاهش می یابد. در اینجا ما فرضیه تهی را مطرح کردیم که هیچ تفاوتی بین NCI بین دسته اقلیم وجود ندارد. ما GLoPro را برای هر یک از عوامل طبیعی یا انسانی دیگر فیلتر نکردیم، و این شامل رودخانه های بست