نقشه برداری از سطوح جدول آب سفره های آب محدود نشده با استفاده از دو روش درونیابی

 

پیش بینی فضایی سطح ایستابی را می توان برای بسیاری از کاربردهای مربوط به کارهای عمرانی (پایه ها، حفاری ها) و سایر فعالیت های مدیریت شهری و محیطی استفاده کرد. روش‌های درون‌یابی قطعی و زمین‌آماری برای پیش‌بینی توزیع فضایی سطوح سطح آب (آبخوان‌های نامحدود) سازندهای زمین‌شناسی مهم شهر ژوائو پسوا (پایتخت ایالت پارایبا، برزیل) با اشغال شهری متراکم و تقاضای بالا برای کارهای عمرانی جدید استفاده شد. روش های درونیابی قطعی (توپو به شطرنجی) و زمین آماری (کریجینگ معمولی) با استفاده از یک بررسی مبتنی بر سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) مورد ارزیابی قرار گرفت. سطوح سطح ایستابی از 276 سیاهههای مربوط به آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) در محل به دست آمد.بررسی توزیع شده بر روی سازندهای زمین شناسی مورد مطالعه (مساحتی به مساحت 59.8 کیلومتر ^مربع، 40 منطقه شهر ژوائو پسوا را پوشش می دهد). مقادیر Nspt و داده های توصیف بافت برای سطوح عمق 1 متر ذخیره می شوند. برخی گمانه های واقع در منطقه مورد بررسی در فرآیندهای درون یابی قرار نگرفتند تا با مقادیر تخمینی مقایسه شوند (اعتبارسنجی نتایج). نقشه‌هایی از اعماق سطح آب نیز برای تجزیه و تحلیل بیشتر کیفیت سطوح سطح ایستابی که با هر دو روش درون‌یابی شده‌اند، تولید شد. درون یابی سطح فریاتیک نتایج رضایت بخشی را برای هر دو روش ارائه کرد (RMSE = 1.8 متر). روش توپو به شطرنجی تمایل کلی کمی به کمتر تحت تاثیر قرار گرفتن مقادیر محلی در رابطه با روش کریجینگ نشان داد و همچنین دارای مزیت یکپارچه‌سازی سیستم جریان زهکشی است که یک جنبه مرتبط برای مدل‌های فضایی سطوح سطح ایستابی غیرمحدود است. سفره های زیرزمینی

کلید واژه ها

جدول آب , روشهای درونیابی قطعی و زمین آماری , گمانه های SPT , پایگاه داده های زمین شناسی – ژئوتکنیکی

1. مقدمه

بررسی‌های گمانه‌ها در محل با تست نفوذ استاندارد (SPT) رایج‌ترین نوع بررسی زیرسطحی در ژئوتکنیک برزیل است. اطلاعات به دست آمده از این بررسی زیرسطحی به طور گسترده در مهندسی پی استفاده می شود (مقادیر Nspt، بافت خاک، عمق سطح آب، فشردگی یا قوام خاک). این اطلاعات همچنین می تواند به برنامه ریزی، طراحی و اجرای سایر انواع کارهای عمرانی (به عنوان مثال، حفاری، پایداری شیب و کارهای زمینی) کمک مالی کند و پارامترهایی را برای مدیریت شهری و محیطی ارائه دهد.

تست SPT در سراسر جهان به عنوان یک بررسی مهم ژئوتکنیکی مورد استفاده قرار می گیرد و اولین تلاش برای نرمال سازی در سال 1958 توسط انجمن آمریکایی تست و مواد (ASTM) انجام شد. استانداردهای آمریکای شمالی اغلب در آمریکای جنوبی استفاده می شود. استانداردهای خاص ایجاد شده توسط ABNT [ 1 ] در برزیل پذیرفته شده است.

استفاده از روش های درونیابی قطعی و زمین آماری برای پیش بینی توزیع فضایی سطوح سطح ایستابی و مقادیر آزمون های نفوذ استاندارد (Nspt) در بیست سال گذشته در تحقیقات زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیک مورد مطالعه قرار گرفته است، برخی از آنها با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)-مبتنی بر مبنای سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) تحقیق و بررسی. پیشرفت ابزارهای محاسباتی، استفاده شدید از روش های زمین آماری را برای پیش بینی توزیع مکانی متغیرهای زمین شناسی و ژئوتکنیکی فراهم می کند. اما برای برخی از این متغیرها، روش‌های قطعی می‌توانند نتایجی مانند یا قابل اعتمادتر از زمین‌آمار تولید کنند، با این مزیت که دانش نظری کمتری را طلب می‌کنند [ 2 ] – [ 8 ].

این کار بخشی از یک پروژه تحقیقاتی دکترا با هدف توسعه یک سیستم پشتیبانی تصمیم با استفاده از پایگاه داده زمین‌شناسی-ژئوتکنیکی برای یارانه دادن به فعالیت‌های مهندسی بنیاد و سایر فعالیت‌های مرتبط با مدیریت شهری و محیطی بود [ 9 ]. این مقاله بر پیش‌بینی سطوح سطح ایستابی آب (آبخوان‌های نامحدود) با استفاده از روش‌های درونیابی قطعی و زمین‌آماری تمرکز دارد. منطقه مورد مطالعه، مجموعاً 59.8 کیلومتر مربع ^، شامل 40 ناحیه و سازندهای زمین‌شناسی مهم شهر ژائو پسوا، ایالت پارایبا، برزیل است ( شکل 1 ).

پایگاه داده زمین شناسی-ژئوتکنیکی حاوی لایه های اطلاعاتی اصلی زیر است: مدل رقومی ارتفاع (DEM) به دست آمده از نقشه های توپوگرافی در مقیاس 1:10000 (کنتورهای 5 متر). نقشه واحدهای زمین شناسی مهندسی تنظیم شده در مقیاس 1:10000، اما عمدتاً بر اساس نقشه برداری زمین شناسی در مقیاس 1:50000. و داده‌های حاصل از شنودهای حفاری با تست نفوذ استاندارد (SPT) و چاه‌های عمیق.

روش‌های درون‌یابی زمین‌آماری ویژگی‌های فضایی متغیرهای منطقه‌ای خودهمبستگی را در نظر می‌گیرند، در حالی که روش‌های قطعی فقط مقادیر دخیل در درون‌یابی را در نظر می‌گیرند. هر دو روش برای ایجاد سطح به شباهت نقاط نمونه نزدیک متکی هستند. تکنیک های قطعی از توابع ریاضی برای درون یابی استفاده می کنند. زمین آمار بر هر دو روش آماری و ریاضی متکی است که می تواند برای ایجاد سطوح و ارزیابی عدم قطعیت پیش بینی ها استفاده شود.

روش‌های اصلی درون‌یابی قطعی موجود در نرم‌افزار GIS شامل مثلث‌سازی با درون‌یابی خطی، وزن‌دهی با فاصله معکوس (IDW)، اسپلاین و اصلاح‌شده اسپلاین است. این مطالعه از یک روش اصلاح شده spline به نام دستور Topo to Raster در ابزار درونیابی شطرنجی ماژول ArcMap نرم افزار Arcgis Desktop استفاده کرد.

این روال از یک تکنیک درون یابی استفاده می کند که به طور خاص برای ایجاد سطحی طراحی شده است که سطح زهکشی طبیعی را بیشتر نشان می دهد و هم خطوط برآمدگی و هم شبکه های جریان را از داده های کانتور ورودی بهتر حفظ می کند. این روش اساساً یک تکنیک اسپلاین صفحه نازک گسسته است که جریمه زبری برای آن اصلاح شده است تا به مدل ارتفاع دیجیتال نصب شده (DEM) اجازه دهد تا تغییرات ناگهانی در زمین، مانند جوی‌ها، برآمدگی‌ها و صخره‌ها را دنبال کند [ 10 ]. ESRI [ 11 ] می‌گوید که روال Topo به Raster برای داشتن کارایی محاسباتی روش‌های درون‌یابی محلی، مانند درون یابی IDW، بدون از دست دادن تداوم سطحی روش‌های درون یابی جهانی، مانند اسپلاین (یک روش قطعی) و کریجینگ (یک روش درونیابی) بهینه شده است. روش زمین آماری).

روش‌های زمین‌آماری قابلیت تولید سطح پیش‌بینی را دارند، اما می‌توانند معیاری از قطعیت یا دقت پیش‌بینی‌ها را نیز ارائه دهند. کریجینگ معمولی یک روش زمین آماری است که در ابزارهای تحلیل GIS رایج است. کریجینگ شبیه IDW (روش قطعی) است که مقادیر اندازه‌گیری شده اطراف را وزن می‌کند تا یک پیش‌بینی برای هر مکان بدست آورد. با این حال، وزن‌ها نه تنها بر اساس فاصله بین نقاط اندازه‌گیری شده و مکان پیش‌بینی، بلکه بر اساس آرایش فضایی کلی بین نقاط اندازه‌گیری شده است.

در روش کریجینگ، نیمه متغیروگرام تجربی وسیله‌ای برای بررسی این فرض است که چیزهایی که به یکدیگر نزدیک هستند شبیه‌تر از موارد دورتر هستند (که به عنوان همبستگی فضایی تعیین می‌شود). مدل‌های زیر از نیم‌واریوگرام تجربی موجود است: دایره‌ای، کروی، چهارکره‌ای، پنج‌کره‌ای، نمایی، گاوسی، درجه دوم منطقی، اثر سوراخ، K-Bessel، J-Bessel و پایدار. مدل انتخاب شده بر پیش‌بینی مقادیر مجهول تأثیر می‌گذارد، به‌ویژه زمانی که شکل منحنی نزدیک مبدا به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است.

2. روش و مواد

ماژول ArcMap نرم افزار Arcgis Desktop (نسخه های 9.1 تا 10.2) برای ترکیب اطلاعات حاصل از بررسی های سطحی، تحقیقات زیرسطحی (حفاری ضربه ای با مقالات SPT) و درون یابی سطح ایستابی استفاده شد. ماژول ArcCatalog برای مدیریت فایل های پایگاه داده استفاده شد. ماژول ArcScene برای تجسم سه بعدی برخی از نقشه های موضوعی استفاده شد. مراحل اصلی، فعالیت ها و نتایج مطالعه در شکل 2 ارائه شده است.

اولین مرحله شامل جمع آوری و آماده سازی داده ها، از پایگاه توپوگرافی دیجیتال تا اطلاعات از سیاهههای مربوط به سیاهههای مربوط به شهر João Pessoa (پایتخت ایالت پارایبا، برزیل، شکل 1 ) بود. اطلاعات از سیاهههای مربوط به حفاری با انتخاب بین 2000 پروفایل ژئوتکنیکی ارائه شده توسط یک شرکت بنیاد محلی که در منطقه مورد مطالعه کار می کند، به دست آمد.

اطلاعات توپوگرافی توسط چندین مؤسسه و هیئت از شورای شهر، مانند خطوط کانتور 5 متری در مقیاس 1:10000 ارائه شده است. نقاط ارتفاعی و تمامی شبکه‌ها و نهرهای زهکشی پس از یک فرآیند ارجاع جغرافیایی با مختصات جغرافیایی به‌دست آمد و دیجیتالی شد. نقشه واحدهای زمین شناسی مهندسی به این پایگاه توپوگرافی رقومی در مقیاس 1:10000 بر اساس نقشه برداری زمین شناسی در مقیاس 1:50.000 در دسترس همه مناطق مورد مطالعه و تحقیقات میدانی تنظیم شد.

سپس فرآیند مدل‌سازی DEM برای ارائه یک سطح توپوگرافی پیوسته از منطقه مورد مطالعه برای تنظیم ارتفاعات شروع همه گمانه‌های در نظر گرفته شده در تحلیل انجام شد. روال Topo to Raster ArcMap استفاده شد. اندازه سلول 4 متری به عنوان شبکه درون یابی تعریف شد که 20 درصد از حداکثر خطای کارتوگرافی مجاز در مقیاس 1:10000 (0.5 میلی متر یا 5 متر) کمتر است. فیلتر و ابزار پر برای به دست آوردن اعمال شد

سطح شطرنجی درون یابی شده نهایی از نظر هیدرولوژیکی صحیح است.

DEM نهایی از نظر کیفی و کمی ارزیابی شد تا اطمینان حاصل شود که داده ها و پارامترهای ارائه شده به برنامه منجر به نمایش واقعی سطح توپوگرافی می شود. ارزیابی کیفی خطوطی را از سطح جدید با ابزار Contour ایجاد کرد و آنها را با داده های کانتور ورودی مقایسه کرد. ارزیابی کمی مورد نیاز برای پنهان کردن درصدی از داده های ورودی از فرآیند درونیابی. پس از ایجاد سطح، ارتفاع این نقاط شناخته شده از سطح تولید شده کم شد تا بررسی شود که سطح جدید چقدر سطح واقعی را نشان می دهد. این تفاوت ها برای محاسبه ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) با استفاده از معادله زیر استفاده شد [ 10 ]:

(1)

که در آن n تعداد کل نقاط نمونه است، و z _i و z _1،i به ترتیب مقادیر اندازه گیری شده و تخمینی در محل i ^هستند .

مرحله دوم شامل فعالیت های میدانی و کار میزی برای انتخاب گمانه ها، بررسی مکان آنها و درج اطلاعات ژئوتکنیکی در پایگاه داده بود. ساختار پایگاه داده گمانه ها یک فایل برداری (shapefile) از نوع ویژگی نقطه ای است که دو جدول از ویژگی ها پیوست شده است.

جدول ویژگی اصلی شامل فیلدهایی است که برای هر گمانه منحصر به فرد هستند و با عمق تغییر نمی کنند: identifier borehole; مختصات مکان؛ ارتفاع شروع سوراخ (استخراج شده از DEM نهایی)؛ تاریخ نظرسنجی؛ عمق سطح آب و عمق کل گمانه. جدول مشخصه ثانویه حاوی فیلد گمانه شناسه و فیلدهایی است که با عمق تغییر می کنند: Nspt; نوع خاک؛ بافت خاک؛ رنگ خاک و شاخص فشردگی یا قوام. فیلد شناسه گمانه امکان اتصال دو جدول مورد نیاز برای انجام درون یابی متغیرهای مختلف برای سطوح عمیق را فراهم می کند.

مرحله سوم شامل درونیابی داده های سطح آب با استفاده از روش های قطعی (توپو به رستر) و زمین آماری (کریجینگ معمولی) بود. تجزیه و تحلیل در بخش شمال شرقی شهر ژوائو پسوا، جایی که اطلاعات گمانه های بیشتری در دسترس بود، آغاز شد. این منطقه شامل رسوبات آبرفتی (کواترنر) و رسوبات دریایی اخیر با سهم رودخانه ای (کواترنر) واقع در امتداد سواحل اقیانوس اطلس و گلسنگ ها و ماسه سنگ های گروه Barreiras (ترشیاری) است.

برای درونیابی سطوح سطح ایستابی، سیستم های آبخوان نامحدود مرتبط با واحدهای زمین شناسی مهندسی در نظر گرفته شد. داده های جغرافیایی گردآوری شده بر اساس دوره سال و فصل باران مربوطه تفکیک شدند. در منطقه مورد مطالعه، فصل بارندگی از اسفند تا مرداد و فصل خشک آن از شهریور تا بهمن است.

الگوریتم مورد استفاده برای روش توپو به شطرنجی اساساً یک تکنیک اسپلاین صفحه نازک گسسته [ 12 ] است که جریمه زبری برای آن اصلاح شده است تا به سطح درون یابی تعبیه شده اجازه دهد تا تغییرات ناگهانی را دنبال کند. این روش از فرمول کلی زیر استفاده می کند:

(2)

جایی که: j = 1، 2، ・・・، N; N تعداد نقاط است. λ _j ضرایبی هستند که با حل یک سیستم معادلات خطی پیدا می شوند. r _j فاصله نقطه (x, y) تا نقطه j ^است . بسته به گزینه انتخاب شده، T(x، y) و R(r) متفاوت تعریف می شوند.

مدلسازی با روش کریجینگ، علاوه بر درونیابی سطح ایستابی، نقشه انحرافات استاندارد را نیز برای ارزیابی صحت نتایج تهیه کرد. طبق اولیور [ 13 ]، فرمول کلی برای درون یاب کریجینگ به صورت مجموع وزنی داده ها شکل می گیرد:

(3)

که در آن Z(S _i ) = مقدار اندازه گیری شده در محل i ^ام . λ _i = یک وزن ناشناخته برای مقدار اندازه گیری شده در محل ⁱ . S ₀ = محل پیش بینی و N = تعداد مقادیر اندازه گیری شده.

پس از فرآیندهای درون یابی، یک مرحله اعتبار سنجی با استفاده از داده های سطح ایستابی که قبلاً برای برآوردها استفاده نمی شد، انجام شد. مقادیر برآورد شده برای محاسبه خطای بین دو موقعیت مقایسه شد.

نقشه‌هایی از اعماق سطح آب نیز برای تجزیه و تحلیل بیشتر کیفیت سطوح سطح ایستابی که با هر دو روش درون‌یابی شده‌اند، تولید شد. این نقشه ها با تفریق مدل ارتفاعی دیجیتال (DEM) سطوح سطح ایستابی به دست آمده با هر دو روش، بر اساس یک عملیات ریاضی سلول به سلول به دست آمد.

3. نتایج و بحث

3.1. پایگاه داده، جنبه های زمین شناسی و ژئوتکنیکی

DEM یک لایه مهم در هر پایگاه داده ژئوتکنیکی است زیرا تمام تحلیل های مکانی بعدی به دقت آن بستگی دارد. در تحقیق حاضر، ارائه ارتفاعات ابتدایی همه گمانه‌های در نظر گرفته شده در تحلیل درون‌یابی، اساسی بود. DEM همچنین نقشه ها و لایه های کمکی دیگری (نقشه شیب، نقشه هیپسومتریک، نقشه جنبه، نقشه سایه تپه) ارائه کرد که در مطالعه مورد استفاده قرار گرفتند. هر دو اعتبار سنجی (کیفی و کمی) دقت خوب DEM را نشان می دهد. RMSE به‌دست‌آمده در اعتبارسنجی کمی 0.67 متر یا تقریباً 13 درصد از حداکثر خطای مجاز نقشه‌برداری در مقیاس 1:10000 بود. این RMSE را می توان برای مقیاس و اهداف مطالعه مناسب در نظر گرفت.

رسوبات دریایی با سهم رودخانه ای واقع در امتداد سواحل اقیانوس اطلس (کواترنر) و گروه Barreiras (سوم) واحدهای زمین شناسی مهندسی اصلی در منطقه مورد مطالعه با توجه به گسترش آنها و تقاضا برای کارهای عمرانی جدید هستند. اولی شامل یک نوار ساحلی باریک، با بیان بیشتر در منتهی الیه شمال شرقی منطقه مورد مطالعه ( شکل 3 ) است و از ماسه های مرتب شده، دانه های ریز تا متوسط ​​و بقایای حیوانات دریایی (پوسته) تشکیل شده است. در مصب زهکش های اصلی، این رسوبات به مواد ریزتر (سیلت و رس) و مواد آلی تبدیل می شوند.

گروه Barreiras متشکل از گلسنگ ها، ماسه سنگ ها و رس سیلتی و بسترهای شنی-کنگلومرای بدون حضور فسیل است. رسوبات اغلب ضعیف انتخاب شده اند، با غلبه شن و رس، با رنگ های قرمز و افق های متمایل به سفید.

این واحدها همچنین دو بخش مختلف زمین را تعریف می کنند. رسوبات دریایی در ارتفاعات صفر تا 10 متر و گروه Barreiras در ارتفاعات 10 تا 50 متر رخ می دهد. انتقال بین این دو بخش به طور ناگهانی رخ می دهد و یک صخره شیب دار را در امتداد ساحل تشکیل می دهد. نهشته های آبرفتی اخیر (کواترنری) در دره های زهکش های اصلی و رودخانه ها در امتداد ارتفاعات مختلف رخ می دهد ( جدول 1 و شکل 3 ).

3.2. درون یابی جدول آب

برای درون یابی سطوح سطح ایستابی آب (آبخوان های نامحدود)، رسوبات آبرفتی، رسوبات دریایی اخیر و واحدهای زمین شناسی مهندسی گروه Barreiras شامل مساحت 59.8 کیلومتر مربع در نظر گرفته ^شد . از 311 گمانه ای که به سطح آب می رسید، 170 گمانه در فصل خشک و 141 گمانه در دوره بارانی سال ساخته شده است. درون یابی ها از گمانه های مربوط به فصل خشک استفاده کردند زیرا تعداد آنها از گمانه های انجام شده در فصل بارانی بیشتر بود ( شکل 3 ).

علاوه بر سیاهههای مربوط به صدای حفاری، اطلاعات اضافی در مورد سطح سطح ایستابی از 16 حلقه چاه آب زیرزمینی (داده های فصل خشک) ارائه شد که امکان به دست آوردن اطلاعات بیشتری از چاه های حفر شده واقع در زمین هایی که عمق سطح ایستابی وجود دارد را فراهم کرد. بالاتر از 20 متر، حداکثر عمق متوسط ​​گمانه های ضربه ای بود.

علاوه بر این، 127 نقطه ارتفاع بر روی زهکشی های طبیعی برای مدل سازی سطح سطح ایستابی استفاده شد. این روش برای به دست آوردن سطح ایستابی تنظیم شده با سیستم زهکشی طبیعی موجود در آب مورد استفاده قرار گرفت

منطقه درون یابی میانگین چگالی تمام داده‌های در نظر گرفته شده در درونیابی‌های سطح ایستابی برای هر دو روش 5.2 نقطه بر کیلومتر مربع ⁽ 170 گمانه + 16 چاه + 127 نقطه بر روی زهکش‌ها / 59.8 کیلومتر مربع ⁾ بود.

موقعیت سایت نشان می دهد که بیشتر داده های صوتی متعلق به واحد زمین شناسی مهندسی رسوبات دریایی است که ارتفاع زمین از 0 تا 5 متر متغیر است. در این واحد، سطوح سطح آب از 1- (ارتفاع صفر برابر با سطح آب بندی) تا ارتفاع 5 متر اندازه گیری شد. همانطور که انتظار می رفت، سطح ایستابی به دست آمده در فصول خشک در طول سال ها کمتر از سطوح اندازه گیری شده در دوره های بارانی بود.

3.2.1. روش توپو به رستر

روش توپو به شطرنجی چندین پارامتر را برای انجام درون یابی در نظر می گیرد. ویژگی ورودی حاوی سطوح سطح ایستابی که باید درون یابی شود، یک کلاس ویژگی نقطه ای (170 گمانه، 16 چاه و 127 نقطه روی زهکشی) بود. سایر ویژگی‌های ورودی یک کلاس ویژگی خطی از مکان‌های جریان (زه‌کشی‌های طبیعی و رودخانه‌ها) و یک کلاس ویژگی حاوی یک چندضلعی بود که مرز بیرونی سطح درون‌یابی را نشان می‌دهد. اندازه سلول 4 متر برای درون یابی سطح ایستابی استفاده شد، همان اندازه برای مدل ارتفاع دیجیتال استفاده شد. پارامترهای دیگر با در نظر گرفتن ویژگی های داده های درون یابی و توصیه های دستور توپو به شطرنجی تعریف شدند.

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، سطح سطح ایستابی (فصل خشک) که با استفاده از روش توپو به شطرنجی درون یابی شده است به شش بازه ارتفاعی (متر) طبقه بندی شد: -9.4 (حداقل ارتفاع به دست آمده) تا 0، 0.1 تا 2، 2.1 تا 5. 5.1 تا 10، 10.1 تا 20 و 20.1 تا 43.7 (حداکثر ارتفاع بدست آمده). جدول 2 درصد سطح سطح ایستابی را به تفکیک واحدهای زمین شناسی مهندسی با جزئیات مقادیر منفی نشان می دهد.

سطح ایستابی درون یابی شده یک آرایش فضایی منسجم را هنگام در نظر گرفتن توپوگرافی کلی منطقه مورد مطالعه ارائه می دهد. مدل توپو به شطرنجی نیز رفتار مناسبی را در کف دره نشان می‌دهد.

کمترین سطح ایستابی به دست آمده 9.4- متر بود. این مقدار غیرعادی در یک منطقه بسیار محدود از واحد گروه Barreiras رخ داده است و با کمبود درون یابی همراه است (کمتر از 0.1٪ از کل منطقه، جدول 2 ). سطوح سطح ایستابی به دست آمده تمایل به 1.9- تا صفر متر در نزدیکی خط ساحلی (15٪ از کل رسوبات دریایی) دارد، به تدریج به سمت قاره افزایش می یابد، و در تمام رسوبات دریایی به مقادیر 0 تا 5 متر می رسد (85٪ از کل رسوبات دریایی). مساحت کل، جدول 2 و شکل 4 ).

افزایش شدیدی در این مقادیر در تماس بین رسوبات دریایی و گلسنگ ها/ماسه سنگ های گروه Barreiras وجود دارد که از نظر توپوگرافی با یک صخره شیب دار در امتداد ساحل مشخص می شود ( شکل 2 و شکل 3 را ببینید). در گروه Barreiras، سطح ایستابی تخمین زده شده عمدتاً دارای مقادیر بیشتر از 5 متر است (85.5٪ از کل مساحت آن، جدول 2 را ببینید.). بزرگترین بخش این واحد با سطح آب بین 2 تا 5 متر، در بخش جنوبی منطقه درون یابی، نزدیک دره های رودخانه جاگواریبه و تیمبو قرار دارد. در مناطق مرتفع گروه Barreiras، سطح ایستابی بین 10 تا 44 متر (تقریباً 64٪ از کل مساحت آن) به ارتفاعات رسیده است. رسوبات آبرفتی سطح آب بین 0 تا 20 متر را نشان می دادند، اما 51.5 درصد از کل مساحت سطح آب بین 2 تا 5 متر بود. تنها 0.1 درصد از این واحد دارای سطح آب منفی بود ( جدول 2 و شکل 3 را ببینید).

3.2.2. روش کریجینگ

در ابتدا، واریوگرام‌ها و توابع کوواریانس برای تخمین مقادیر وابستگی آماری که به مدل همبستگی خودکار بستگی دارد (جهت زاویه = 0˚؛ تحمل زاویه = 90˚) تهیه شد. تخمین‌های کریجینگ معمولی از واریوگرام به‌دست‌آمده در تجزیه و تحلیل با اعتبارسنجی متقاطع، به‌ویژه در کششی که تعداد نمونه‌های بیشتری وجود دارد، رضایت‌بخش بود. بهترین برازش برای مدل کروی با تاخیر (فاصله) 300 متر و حداکثر فاصله 2016 متر به دست آمد.

سطح جدول آب با استفاده از روش کریجینگ معمولی، مدل واریوگرام تعریف شده در بالا، و همان اندازه سلول و داده های مورد استفاده در درونیابی توپو به شطرنجی درونیابی شد. بر خلاف روش توپو به شطرنجی که امکان تعیین ناحیه خاصی برای انجام درون یابی وجود دارد، در روش کریجینگ، این حد به توزیع نقاط نمونه برداری و تعاریف استفاده شده در مدل درونیابی (تأخیر و حداکثر فاصله) بستگی دارد. . برای تسهیل مقایسه نتایج، برش این ناحیه درونیابی شده با در نظر گرفتن همان حد اتخاذ شده در روش بالا به شطرنجی انجام شد.

شکل 5 نقشه ای را نشان می دهد که سطح سطح ایستابی با استفاده از روش کریجینگ درونیابی شده است. برای تسهیل مقایسه بین دو روش، این سطح میز آب در همان فواصل مورد استفاده در جدول بالا تا درونیابی شطرنجی، اما با در نظر گرفتن مقادیر افراطی سطح آب به دست آمده در درونیابی کریجینگ (9.3- و 43.5 متر) برش داده شد.

کریجینگ معمولی یک سطح میز آب شبیه به روش توپو به شطرنجی ایجاد کرد ( شکل 3 و شکل 4 را ببینید). مقادیر افراطی به‌دست‌آمده با روش کریجینگ کمی کمتر از مقادیر به‌دست‌آمده از روش توپو به شطرنجی بود، اما این روش تمایل عمومی کمی به تأثیر کمتری از مقادیر محلی در رابطه با روش کریجینگ نشان داد.

کمترین سطح ایستابی به دست آمده با استفاده از روش کریجینگ 9.3- متر بود. این مقدار غیرعادی در یک منطقه محدود از واحد گروه Barreiras (0.2٪ از کل مساحت آن، جدول 3 ) رخ داده است. سطح ایستابی به دست آمده از 1.9- تا صفر متر در نزدیکی خط ساحلی (14.6٪ از کل مساحت رسوبات دریایی)، به تدریج به سمت قاره افزایش می یابد و به مقادیر تقریباً 0 تا 5 متر در کل واحد رسوبات دریایی می رسد (85.3٪). از کل مساحت، جدول 3 و شکل 5 ).

تفاوت اصلی بین دو روش درونیابی در بخش جنوبی منطقه مورد مطالعه، در دو طرف رودخانه دره تیمبو رخ داد، جایی که روش کریجینگ منجر به مقادیر منفی تا صفر آب شد.

سطح در گروه Barreiras (2.2٪ از کل مساحت از 1.9- تا صفر متر، شکل 4 و شکل 5 و جدول 3 ).

یک نقشه انحرافات استاندارد نیز برای ارائه مقداری از دقت جدول آب درونیابی با استفاده از روش کریجینگ تهیه شد. این نقشه از اعمال ریشه دوم به مقادیر واریانس پیش بینی شده تولید شده توسط درونیابی کریجینگ معمولی به دست آمده است.

مقادیر انحراف معیار از 0.1 تا 5.8 متر با مقدار متوسط ​​2.5 متر متغیر است. این مقادیر به پنج بازه تقسیم شدند: 0.1 تا 1، 1.1 تا 2، 2.1 تا 3، 3.1 تا 4 و 4.1 تا 5.8 متر ( شکل 6 ). جدول 4 درصد مساحت این پنج کلاس انحراف معیار را در سه واحد زمین شناسی مهندسی موجود در منطقه درونیابی نشان می دهد.

رسوبات دریایی بهترین قابلیت اطمینان سطح را برای سطح آب درونیابی شده با تقریباً 61 درصد مساحت کل آن با انحراف معیار بین 1.1 تا 2 متر نشان دادند. گروه Barreiras بدترین قابلیت اطمینان را برای سطح آب درونیابی ارائه کرد، به طوری که تقریباً 46٪ از کل مساحت آن دارای انحراف استاندارد بین 3.1 تا 4 متر و 11٪ از کل مساحت آن دارای انحراف استاندارد بین 4.1 تا 5.8 متر است. تمامی واحدهای زمین شناسی مهندسی درصد پایینی از کل مناطق را با انحراف معیار کمتر از 1 متر ارائه کردند ( جدول 4)). نتایج انحرافات استاندارد مرتبط با سطح ایستابی درون‌یابی شده با استفاده از روش کریجینگ را می‌توان با توزیع گمانه‌های SPT در این واحدها توضیح داد. رسوبات دریایی تعداد گمانه های SPT بسیار بیشتری نسبت به سایر واحدهای زمین شناسی مهندسی دارند.

3.3. اعتبار سنجی نتایج درونیابی

جدول 5 مقایسه ای بین مقادیر اندازه گیری شده و تخمین زده شده برای سطح ایستابی آب به دست آمده در گمانه هایی را ارائه می دهد که در فرآیند مدل سازی برای تایید نتایج لحاظ نشده اند. دو روش خطاهای فردی مشابهی را ارائه کردند. با در نظر گرفتن این خطاهای فردی، RMSE محاسبه شده با معادله 1 برای هر دو روش 1.8 متر بود.

^* شکل 6 را ببینید.

خطاهای فردی و RMSE به دست آمده با اعتبار سنجی مقادیر ارائه شده سازگار با انحرافات استاندارد به دست آمده از روش درونیابی کریجینگ. محدودیت‌های اصلی این اعتبار، کاهش تعداد گمانه‌های SPT قابل استفاده (فقط پنج) و این واقعیت است که همه گمانه‌ها در واحد رسوبات دریایی قرار دارند. جنبه مثبتی که باید به آن توجه کرد این است که سوراخ ها به خوبی در وسعت بیشتر این واحد توزیع شده اند ( شکل 6 ).

حداقل خطای فردی (0.2 متر) در گمانه SPT شماره 84، واقع در ناحیه جنوبی منتهی الیه واحد رسوبات دریایی برای روش توپو به شطرنجی رخ داد. برای روش کریجینگ، حداقل خطا در گمانه SPT شماره 83، واقع در تقریبا 1.7 کیلومتری شمال غربی گمانه قبلی یافت شد. حداکثر

خطاهای فردی مام برای هر دو روش در گمانه SPT شماره 17، واقع در منطقه شمال شرقی واحد رسوبات دریایی ( جدول 5 و شکل 6 ) یافت شد.

نقشه‌هایی از عمق سطح آب نیز برای تجزیه و تحلیل بیشتر کیفیت سطوح سطح ایستابی تهیه شد که با هر دو روش درون‌یابی شده‌اند. اعماق منفی نشان می دهد که در آن سطح جدول آب درون یابی شکست خورده است، یا جایی که سطح سطح آب به دست آمده با درون یابی بالاتر از سطح زمین بوده است. این وضعیت فقط باید در جایی اتفاق بیفتد که یک نوع آب وجود دارد (به عنوان مثال، رودخانه، دریاچه، مخزن یا اقیانوس).

شکل 6 نقشه عمق سطح آب به دست آمده با استفاده از روش توپو به شطرنجی را نشان می دهد که در شش محدوده (متر) طبقه بندی شده است: -17.1 تا 0، 0.1 تا 2، 2.1 تا 5، 5.1 تا 10، 10.1 تا 20 و 20.1. به 58.7 شکل 8 نقشه عمق سطح آب به دست آمده با استفاده از روش کریجینگ را نشان می دهد. برای تسهیل مقایسه بین دو روش، عمق جدول آب در همان فواصل مورد استفاده در درون یابی توپو به شطرنجی، با استفاده از حداقل عمق جدول آب به دست آمده در درون یابی کریجینگ (-16.8 متر) برش داده شد. جدول 6 درصد مناطق طبقات عمق جدول آب را بر اساس واحدهای زمین شناسی مهندسی، با در نظر گرفتن هر دو روش و جزئیات اعماق منفی (17.1/16.9 تا 10-، 9.9- تا 5-، 4.9- تا 2- و 1.9- تا 0 نشان می دهد). ).

نتایج برای دو روش درونیابی مشابه بود. اعماق سطح آب منفی عمدتاً در نهشته های آبرفتی رخ داده است که به ترتیب 2/43 و 2/45 درصد از کل مساحت را برای روش های توپو تا شطرنجی و کریجینگ تشکیل می دهد. از این مجموع، بیش از 25٪ در محدوده 1.9- تا 0 متر، برای هر دو روش. گروه Barreiras 4.0% و 4.8% و رسوبات دریایی 1.0% و 0.8% از کل مساحت خود را با اعماق منفی با در نظر گرفتن روش توپو به شطرنجی و کریجینگ به خود اختصاص دادند. علاوه بر این، 97 درصد از مساحت کل واحد رسوبات دریایی دارای عمق سطح ایستابی بین 0.1 تا 5 متر برای هر دو روش درونیابی بود ( شکل 7 و شکل 8 و جدول 6 ).

اعماق سطح ایستابی منفی یا شکست روش‌های درون‌یابی عمدتاً با واحدهای رسوبات آبرفتی مرتبط است، زیرا تغییرات ناگهانی در ترکیب زمین در دره‌های زهکشی رخ می‌دهد و تنظیم سطوح فریاتیک درون‌یابی را دشوار می‌کند. این نتایج را می توان با در نظر گرفتن نقاط نمونه برداری بیشتر از زهکش ها و رودخانه ها افزایش داد.

^* 1: رسوبات آبرفتی. 2: رسوبات دریایی; 3: گروه Barreiras.

4. نتیجه گیری

درونیابی سطح فریاتیک (آبخوان های نامحدود) با مقایسه دو روش هدایت شد: توپو قطعی تا شطرنجی و کریجینگ معمولی زمین آماری. هر دو روش نتایج رضایت بخش و مشابهی را ارائه می دهند.

روش توپو به شطرنجی (جبرگرا) تمایل کلی کمی داشت که کمتر تحت تأثیر مقادیر محلی در رابطه با روش کریجینگ قرار گیرد. روش اول همچنین دارای مزیت یکپارچه‌سازی سیستم جریان زهکشی در طول فرآیند مدل‌سازی بود، که یک جنبه مرتبط هنگام پرداختن به سطوح سطح آب سفره‌های آب محدود است. روش کریجینگ این مزیت را داشت که میزانی از دقت سطوح سطح ایستابی درون یابی شده را ارائه می کرد.

فرآیندهای اعتبارسنجی نشان داد که سطوح جداول آب قابل اعتماد با هر دو روش (RMSE = 1.8 متر) به دست آمد. عمق جدول آب منفی یا شکست روش های درون یابی عمدتاً مرتبط است

با واحدهای رسوبات آبرفتی آزمایش های درون یابی تنها با استفاده از ارتفاع داده های گمانه و چاه انجام شد. استفاده از 127 نقطه ارتفاعی بیش از زهکشی های طبیعی نتایج را برای هر دو روش درونیابی بهبود بخشید. این نتایج را می توان با در نظر گرفتن نقاط نمونه برداری بیشتر از زهکش ها و رودخانه ها افزایش داد. این نقاط باید با دقت و با کنترل میدانی انتخاب شوند تا از همبستگی خوبی با ارتفاع سطح ایستابی اطمینان حاصل شود.

روش های قطعی می توانند نتایج قابل اعتمادتری نسبت به زمین آماری ارائه دهند که دانش نظری کمتری را طلب می کند. روش‌های زمین‌آماری مزیت اصلی تولید سطح پیش‌بینی را دارند و همچنین معیاری از قطعیت یا دقت پیش‌بینی‌ها را ارائه می‌کنند که برای رویکردهای احتمالی در مهندسی ژئوتکنیک اساسی است.

نقشه‌های عمق سطح ایستابی به‌دست‌آمده از تفاوت بین DEM و نقشه‌های درون‌یابی شده سطح ایستابی، عملکرد هر یک از روش‌های درون‌یابی را در قالب نقشه ارائه می‌کنند، با این مزیت که مدل‌های هیدروژئولوژیکی اولیه منطقه مورد مطالعه را نیز ارائه می‌کنند. کارهای ژئوتکنیکی مهندسی

این مطالعه امکان ایجاد پیش‌بینی‌های قابل اعتماد در مورد سطوح و اعماق سطح ایستابی آب (آبخوان‌های نامحدود) را برای 40 منطقه شهر ژوائو پسوا فراهم می‌کند که می‌تواند در کاربردهای مختلف مربوط به کارهای پایه و سایر فعالیت‌های مدیریت شهری و محیطی مفید باشد. GIS ابزار مهمی در طول تحقق تمام مراحل تحقیقاتی، از جمله تولید پایگاه داده و ساختاردهی تا پردازش فضایی اطلاعات ذخیره شده است.

منابع

[ 1 ]	Associacao Brasileira de Normas Técnicas-ABNT (2001) Execucao de sondagens de simples reconhecimento dos solos. NBR 6484، ریودوژانیرو، 8 p.
[ 2 ]	Al-Ani, H., Oh, E. and Chai, G. (2014) بررسی مبتنی بر GIS پیت و خاک در بهشت ​​موج سواران استرالیا. سالانه علوم خاک، 65، 29-38. https://dx.doi.org/10.2478/ssa-2014-0005
[ 3 ]	Altun, S., Goktepe, B. and Sezer, A. (2013) درون یابی زمین آماری برای مدلسازی داده های SPT در شمال ازمیر. سادانا، 38، 1451-1468. https://dx.doi.org/10.1007/s12046-013-0183-8
[ 4 ]	Ciotoli, G., Stigliano, F., Mancini, M., Marconi, F., Moscatelli, M. and Cavinato, GP (2015) Interpolators Geostatistical for the Estimation of the Geometry of Anthropogenic Deposits in Rome (Italia) and Related Physical -مشخصات مکانیکی با مفاهیمی در ارزیابی خطر زمین. Environmental Earth Sciences, 74, 2635-2658. https://dx.doi.org/10.1007/s12665-015-4284-z
[ 5 ]	Kim, D., Ryu, D., Lee, C. and Lee, W. (2013) ارزیابی احتمالی استقرار تثبیت اولیه شهر جدید سونگو با استفاده از برآوردهای کریگد پروفایل های زمین شناسی. Acta Geotechnica, 8, 323-334. https://dx.doi.org/10.1007/s11440-012-0192-5
[ 6 ]	Mendes, RM and Lorandi, R. (2008) تجزیه و تحلیل تغییرپذیری فضایی مقاومت نفوذ SPT در خاکهای جمع شونده با در نظر گرفتن عمق جدول آب. زمین شناسی مهندسی، 101، 218-225. https://dx.doi.org/10.1016/j.engeo.2008.06.001
[ 7 ]	Raspaa، G.، Moscatellib، M.، Stiglianob، F.، Paterab، A.، Marconib، F.، Follea، D.، Valloneb، R.، Mancinib، M.، Cavinatob، GP، Millic، S. و Costa ، JFCL (2008) خصوصیات ژئوتکنیکی رسوبات آبرفتی پلیستوسن-هولوسن بالایی روم (ایتالیا) با استفاده از زمین آمار چند متغیره: نتایج اعتبارسنجی متقابل. زمین شناسی مهندسی، 101، 251-268. https://dx.doi.org/10.1016/j.engeo.2008.06.007
[ 8 ]	Samui, P. and Sitharam, TG (2011) کاربرد مدل های زمین آماری برای تخمین تغییرپذیری فضایی عمق سنگ. مهندسی، 3، 886-894. https://dx.doi.org/10.4236/eng.2011.39108
[ 9 ]	Soares, WC (2011) Banco de dados geológico-geotécnicos com base em sondagens à percussao e uso de SIG: Análise espacial da profunddidade do lencol freático e do Nspt para obras de fundacao em Joao Pessoa-P. تسه Departamento de Geotecnia، EESC، USP. سائوکارلوس. 215 ص.
[ 10 ]	Hutchinson, MF, Xu, T. and Stein, JA (2011) پیشرفت اخیر در روش شبکه بندی ارتفاعی ANUDEM. در: Hengel, T., Evans, IS, Wilson, JP and Gould, M., Eds., Geomorphometry 2011, Redlands, 19-22. https://geomorphometry.org/HutchinsonXu2011
[ 11 ]	کتابچه راهنما موسسه منابع سیستم های محیطی-ESRI (2015). فصل 3- اصول تحلیل زمین آماری. 49-77. https://maps.unomaha.edu/Peterson/gisII/ESRImanuals/Ch3_Principles.pdf
[ 12 ]	Wahba, G. (1990) مدل های Spline برای داده های مشاهده ای. مقاله ارائه شده در سری کنفرانس های منطقه ای CBMS-NSF در ریاضیات کاربردی. انجمن ریاضیات صنعتی و کاربردی، فیلادلفیا. https://dx.doi.org/10.1137/1.9781611970128
[ 13 ]	Oliver, MA (1990) Kriging: A Method of Interpolation for Geographical Information Systems. مجله بین المللی سیستم های اطلاعات جغرافیایی، 4، 313-332. https://dx.doi.org/10.1080/02693799008941549