تحليل حساسيت و عدم قطعيت ضرايب معادله سنجه رسوب با استفاده از شبيه‌ساز مونت كارلو (مطالعه موردي: حوضه آبخيز زشك - ابرده، شانديز)

Sensitivity and Uncertainty Analysis of Sediment Rating Equation Coefficients Using the Monte-Carlo Simulation Case Study: Zoshk-Abardeh Watershed, Shandiz

به منظور مديريت حوضه آبخيز جهت كاهش اثرات فرسايش خاك نياز است تا ميزان رسوب معلق خروجي حوضه آبخيز برآورد شود. بدين منظور روش منحني سنجه متداول­‌ترين روش آماري براي برآورد رسوب معلق در شرايط عدم داده‌­برداري رسوب معلق مي­‌باشد. با توجه به خطا­هاي داده­هاي برداشتي و محدود بودن اين داده­ها مقدار رسوب برآوردي با استفاده از روش منحني سنجه داراي عدم قطعيت­هايي است كه اين عدم قطعيت در صورت بزرگ بودن منجر به بروز خطاهاي معني­دار در برآورد­ها مي­شود. بدين منظور در اين تحقيق با استفاده از روش تصادفي مونت كارلو اقدام به برآورد عدم قطعيت و تحليل حساسيت معادله منحني سنجه رسوب در ايستگاه هيدورمتري زشك شد. شبيه­سازي مونت كارلوي رسوب بر اساس معادله سنجه رسوب و با 5000 نمونه برداري نشان داد كه سهم ضريب a نسبت به b در توجيه واريانس داده­هاي شبيه­سازي شده رسوب در رژيم جريان نرمال پرآب، كم­آب و نرمال بسيار بيش‌تر مي­باشد. اما اين روند در رژيم جريان حداكثر برعكس است. تحليل حساسيت معادله سنجه در رژيم جريان نرمال پرآب، كم­آب و نرمال نشان­دهنده تأثير­پذيري بالاي مدل سنجه رسوب نسبت به تغييرات ضريب a مي­باشد، در حاليكه اين تأثير­پذيري نسبت به تغييرات ضريب b اندك است. ولي در رژيم جريان حداكثر معادله سنجه رسوب تأثيرپذيري منظم­تر غير­خطي و بالايي را نسبت به تغييرات ضريب b نشان مي­دهد. معادله سنجه رسوب عدم قطعيت بسيار بالايي را در رژيم جريان حداقل (كم‌تر از 0/3 متر مكعب بر ثانيه) نشان داد بطوريكه در اين نوع از جريان تقريباً هيچ يك از داده‌­هاي مشاهده­اي رسوب در محدوده تخمين باند عدم قطعيت مدل قرار نمي­گيرند. در حاليكه ميزان عدم قطعيت مدل در رژيم جريان­هاي متوسط به بالا بسيار كم‌­تر بوده و اكثر داده­هاي مشاهده­اي رسوب در محدوده باند تخمين عدم قطعيت مدل قرار مي­گيرند.

The sediment load estimation is essential for watershed management and soil conservation strategies. The sediment rating curve is the most common approach for estimating the sediment load when the observed sediment records are not available. With regard to the measurement errors and the limitation of available data, the sediment rating curve has a degree of uncertainty which should be accounted for. Thus, in this work, a stochastic Monte-Carlo simulation approach was employed to measure the degree of uncertainty and to analyze the sensitivity of sediment rating equation to changing the coefficients "a" and "b" at the Zoshk hydrometric station. Results of the Monte-Carlo simulation using 5000 samplings showed that in the hydrologic regimes of normal high flow, normal low flow and normal, the contribution of the coefficient "a" to variance is significantly higher than the contribution of the coefficient "b" to sediment load variance. However, this condition is conversely for the hydrologic regime of maximum flow. The sensitivity analysis confirmed a higher sensitivity of the sediment rating equation to the coefficient "a" than that to the coefficient "b" in the hydrologic regimes of normal high flow, normal low flow and normal. However, in maximum flow, the sediment rating equation showed a higher non-linear and more regulated sensitivity to the changes of the coefficient "b" than "a". In all flow regimes, the coefficient "a" has a wider 95% uncertainty band, in comparison with that for the coefficient "b", which establishes a higher level of uncertainty. The sediment rating equation showed a high degree of uncertainty in the hydrologic regime of minimum flow (lower than 0.3 m3.s-1). In this condition, all observed sediment records place outside the 95% and 97.5% of the uncertainty band. However, in medium and high flows, most of the observed sediment records are bracketed by the uncertainty band of 95% and 97.5%.