نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• محمودرضا طباطبایی ¹
• امین صالح پور جم ²
• جمال مصفایی ²

¹ دانشیار، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

² دانشیار پژوهشی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

مقدمه
رشد سریع جمعیت و توسعه اقتصادی، به‌ویژه در مناطق حساس مانند حوزه‌‌های آبخیز، تقاضا برای منابع آب را افزایش داده و چالش‌‌های مهمی را به دنبال دارد. در زمینه آبخیزداری، مدیریت و پایش فرایندهای فرسایش و رسوبگذاری از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا این فرایندها تأثیر مستقیم بر کیفیت و کمیت منابع آبی دارند. آگاهی از مقادیر رسوب معلق در این حوضه‌ها می‌تواند به درک بهتر فرایندهای بوم‌شناختی و تسهیل ارزیابی وضعیت محیط‌زیستی آبخیزها کمک کند که به نوبه خود بهبود مدیریت و حفاظت از منابع آب را رقم می‌زند. در این راستا، طراحی و ساخت سامانه‌های پیشرفته نظیر سامانه اطلاعات مکانی تخصصی ایستگاه‌های آب‌سنجی کشور می‌تواند تغییرات چشمگیری در پژوهش‌های مربوط به آبخیزداری و فرسایش و رسوب ایجاد کند. این سامانه با تجمیع و تحلیل داده‌های هیدرولوژیکی، اطلاعات دقیق و به‌هنگام درباره میزان رسوب معلق رودخانه‌‌ها را در اختیار محققان و کارشناسان قرار می‌دهد. به‌طوری‌که می‌توان به‌طور مستمر و جامع به پایش و ارزیابی حوزه‌های آبخیز پرداخت و تدابیر لازم را برای مدیریت بهینه این منابع اتخاذ کرد.
 
مواد و روش‌ها
در این پژوهش، یک سامانه مکانی تخصصی برای مدیریت و تحلیل داده‌های هیدرولوژیکی با استفاده از زبان برنامه‌نویسی سی شارپ (#C) و کتابخانه‌های مکانی متن باز توسعه داده شده است. این سامانه از پایگاه داده SQLite به‌عنوان بستر ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌کند و از فناوری Entity Framework 6 (EF6) و زبان LINQ برای تسهیل استخراج و مدیریت داده‌ها بهره می‌برد. در طراحی پایگاه داده، داده‌های رسوب معلق و دبی جریان به‌طور جامع جمع‌آوری و ذخیره شده‌اند. سامانه قادر است، پرس‌وجوها و تحلیل‌های مکانی و توصیفی متنوعی را بر روی این داده‌ها انجام دهد. همچنین، امکان انجام تحلیل‌های آماری و استخراج خلاصه‌های آماری از داده‌های رسوب معلق فراهم شده است. این ویژگی‌ها به محققان این امکان را می‌دهد که به‌راحتی به پردازش و تحلیل دقیق داده‌ها پرداخته و نتایج مرتبط با فرسایش و رسوبگذاری را با دقت بیشتری بررسی کنند. سامانه طراحی شده به‌عنوان یک ابزار کارآمد، امکان پایش و ارزیابی وضعیت حوزه‌های آبخیز را تسهیل می‌نماید.
 
نتایج و بحث
نتایج این پژوهش را می‌‌توان در دو بخش طراحی و ساخت سامانه و تحلیل آماری داده‌‌های رسوب معلق حوزه آبخیز ارس خلاصه نمود. در بخش نخست که در زمینه طراحی و ساخت سامانه مکانی است، با کمک تکنیک‌‌های مدرن و روش‌‌های پیشرفته، رابط‌‌های گرافیکی مناسبی برای ذخیره‌‌سازی و ارتباط کاربر با پایگاه داده و  همچنین مدیریت داده‌‌ها طراحی و کدنویسی شد. با استفاده از این ابزارها، فرایند استخراج و مدیریت داده‌ها تسهیل شده و امکان تحلیل‌های آماری فراهم آمده است. در نتیجه، کاربران می‌توانند داده‌ها را با دقت و سهولت بیشتری پردازش و تحلیل کنند. در بخش دوم، نتایج آماری به‌دست آمده از تحلیل آماری داده‌‌های رسوب معلق حوضه ارس (نتایج گرفته شده تا سال 1396 به تعداد 26156 داده ثبت شده) نشان می‌‌دهد که در مقیاس حوضه، میانگین دبی رسوب معلق روزانه 95/11814 تن در روز، میانگین غلظت رسوب معلق 4185.68 میلی‌گرم در لیتر و میانگین دبی لحظه‌‌ای جریان 13.16 مترمکعب در ثانیه بوده است. درمقیاس واحدهای مطالعاتی، میانگین بیشترین و کمترین دبی رسوب معلق به‌ترتیب مربوط به واحدهای مطالعاتی جلفا-دوزال (کد 1105) با مقدار 10312.33 تن در روز و قره ضیالدین (کد 1108) با مقدار 991.96 تن در روز بوده. همچنین در مقیاس ایستگاه آب‌سنجی، میانگین بیشترین و کمترین دبی رسوب معلق روزانه به‌ترتیب مربوط به ایستگاه‌‌های آب‌سنجی جلفا (با کد 807-19) با مقدار 571697.82 تن در روز و ناور-خروجی‌ نئور (با کد 0195-19) مقدار 2.82 تن در روز محاسبه شده است. مقادیر حدی رسوب معلق ثبت شده ایستگاه آب‌سنجی جلفا بسیار زیاد بوده (افزون بر سه میلیون تن در روز) که لازم است با احتیاط از این اعداد استفاده شود. طبق بررسی به‌عمل آمده اراضی این منطقه در پهنه‌‌های مارنی حساس به فرسایش واقع شده و سهم فرسایش کناری رودخانه در تولید رسوب در بازه‌‌هایی از رودخانه که حالت مئاندری پیدا نموده‌‌اند بسیار زیاد است. با این‌حال لازم است مطالعاتی در خصوص تغییر کاربری و دیگر عوامل تأثیر گذار در ایجاد رسوب این منطقه انجام شود.
 
نتیجه‌گیری
این پژوهش با هدف توسعه زیرساخت نرم‌افزاری ملی برای مدیریت داده‌های رسوب معلق و دبی جریان ایستگاه‌های آب‌سنجی انجام شده است. سامانه ایجادشده، توانایی ذخیره‌سازی، بازیابی و تحلیل داده‌های مکانی و زمانی را دارا بوده و به‌طور خاص در شبیه‌سازی رسوب معلق در رودخانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، با ایجاد رابط‌های گرافیکی پیشرفته، تعامل کاربران با داده‌ها به شکل قابل‌توجهی تسهیل شده است. یکی از ویژگی‌های بارز این سامانه، استفاده از فناوری‌های متن‌باز در طراحی و توسعه آن است. این امر موجب می‌شود که هیچ‌گونه محدودیت قانونی یا وابستگی به مجوزهای خارجی برای استفاده و توسعه آن وجود نداشته باشد. این خصوصیت به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای پتانسیل تجاری‌سازی سیستم را هم در داخل کشور و هم در بازارهای بین‌المللی افزایش می‌دهد. علاوه بر طراحی و توسعه این سیستم نرم‌افزاری، نتایج به‌دست‌آمده از کاربرد آن در تحلیل آماری سریع و دقیق داده‌های رسوب از حوزه آبخیز ارس، قابلیت‌های منحصر به فرد آن در مدیریت و تحلیل داده‌ها را به وضوح نشان می‌دهد. با توجه به اهمیت درک دقیق فرایندهای فرسایش و رسوبگذاری در حوزه‌های آبخیز کشور، این سیستم به‌عنوان ابزاری کارآمد و مؤثر در به‌دست آوردن اطلاعات دقیق و قابل‌اعتماد عمل می‌کند.
 

کلیدواژه‌ها

• پایگاه داده
• داده‌های رسوب معلق
• دبی جریان
• رسوب معلق
• حوزه آبخیز
• SQL

عنوان مقاله [English]

Design and development of a specialized spatial system for the management and analysis of suspended sediment data and flow discharge at country hydrometric station

نویسندگان [English]

• Mahmoudreza Tabatabaei ¹
• Amin Salehpour Jam ²
• Jamal Mosaffaie ²

¹ Associate Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

² Associate Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction
Rapid population growth and economic development, especially in sensitive areas like watersheds, have increased the demand for water resources, leading to significant challenges. In watershed management, monitoring erosion and sedimentation processes is of paramount importance, as these processes directly influence the quality and quantity of water resources. Awareness of suspended sediment loads in these basins can facilitate a deeper understanding of ecological processes and assist in the assessment of the environmental status of watersheds, which in turn improves the management and conservation of water resources. The word “transform” in your sentence means to change or significantly improve something. In this context, it suggests that the design and implementation of advanced systems will lead to a significant enhancement or alteration in the way research is conducted regarding watershed management, sediment, and erosion. By aggregating and analyzing hydrologic data, this system provides accurate and up-to-date information on the amount of suspended sediment in rivers, enabling continuous and comprehensive monitoring and evaluation of watersheds. This, in turn, facilitates the adoption of necessary measures for the optimal management of these resources..
 
Materials and methods
In this research, a specialized spatial system for the management and analysis of hydrological data has been developed using the C# programming language and open-source spatial libraries. This system utilizes the SQLite database as its underlying data storage platform and employs Entity Framework 6 (EF6) and LINQ for facilitating data extraction and management. In the database design, sedimentation and flow discharge data have been comprehensively collected and stored. The system is capable of executing a variety of spatial and descriptive queries and analyses on this data. Furthermore, it provides the capability to perform statistical analyses and extract statistical summaries from the sedimentation data. These features enable researchers to process and analyze the data with ease, allowing for a more precise examination of results related to erosion and sedimentation processes. The designed system serves as an efficient tool, facilitating the monitoring and assessment of watershed conditions.
 
Results and discussion
The results of this research can be summarized into two main sections: system design and construction, and statistical analysis of sedimentation data in the Aras watershed. In the first section, which focuses on the design and development of the spatial system, appropriate graphical interfaces for data storage, user interaction with the database, and data management were designed and coded with the help of modern techniques and advanced methods. By utilizing these tools, the data extraction and management process was streamlined, and the possibility of performing statistical analyses was enabled. As a result, users can process and analyze the data with greater accuracy and ease. In the second section, the statistical results obtained from the analysis of the sedimentation data of the Aras Basin (with 26,156 data points recorded up to 2017) indicate that, at the basin scale, the average daily suspended sediment discharge is 11,814.95 tons per day, the average concentration of suspended sediment is 4,185.68 milligrams per liter, and the average instantaneous flow discharge is 13.16 cubic meters per second. At the level of study units, the highest and lowest average suspended sediment discharge values were found in the study units of Jolfā-Dūzāl (code 1105) with a value of 10,312.33 tons per day, and Qara Ziyaldin (code 1108) with a value of 991.96 tons per day, respectively. Moreover, at the hydrometric station scale, the highest and lowest average daily suspended sediment discharge were observed at the Jolfā hydrometric station (code 807-19) with 571,697.82 tons per day, and Nāvar-Khrouji Neor (code 0195-19) with 2.82 tons per day, respectively. The extreme values of suspended sediment recorded at the Jolfā hydrometric station are significantly high (over 3 million tons per day), so these figures should be used with caution. According to the findings, the land in this area is located in marly zones that are highly susceptible to erosion, and the contribution of lateral erosion in producing sediment is significant in river sections that have developed meandering patterns. However, further studies on land-use changes and other factors influencing sediment generation in this area are required.
 
Conclusion
This research was conducted with the aim of developing a national software infrastructure for managing suspended sediment data and flow discharge from hydrometric stations. The developed system possesses the capability to store, retrieve, and analyze spatial and temporal data, and it is specifically utilized for simulating suspended sediment in rivers. Additionally, advanced graphical interfaces have been created to significantly facilitate user interaction with the data. One of the notable features of this system is its use of open-source technologies in its design and development. This ensures that there are no legal restrictions or dependencies on foreign licenses for its use and development. This characteristic significantly enhances the commercialization potential of the system both domestically and in international markets. In addition to the design and development of this software system, the results obtained from its application in rapid and accurate statistical analysis of sediment data from the Aras watershed clearly demonstrate its unique capabilities in data management and analysis. Given the importance of accurately understanding erosion and sedimentation processes in the watersheds of the country, this system serves as an efficient and effective tool for obtaining precise and reliable information.

کلیدواژه‌ها [English]

• Database
• Flow discharge
• Sediment data
• SQL
• Suspended sediment
• Watershed