خلاصه

شاخص طول- گرادیان جریان (SL) به طور گسترده ای در مطالعات ژئومورفولوژیکی با هدف شناسایی نواحی نازک، که انحرافات گسترده در طول جریان از شکل معمولی مقعر فرض شده برای پروفیل های طولی جریان در شرایط حالت پایدار هستند، استفاده می شود. به طور خاص، SL برای شناسایی شیب های غیرعادی در امتداد کانال های جریان سنگ بستر در حوضه های کوهستانی عملی بود. این کار جعبه ابزار GIS SLiX را ارائه می‌کند که برای استخراج مقادیر شاخص SL، از مدل‌های ارتفاعی دیجیتال (DEMs) طراحی شده است. SLiX همچنین برای تجزیه و تحلیل فضایی مقادیر SL مناسب است و به شناسایی بخش‌های چشم‌اندازی که مقادیر بالای غیرعادی SL رخ می‌دهد و در نتیجه آن بخش‌های حوضه که در آن کانال‌های جریان اوج‌هایی در پویایی فرسایش نشان می‌دهند، اجازه می‌دهد. خروجی های اصلی SLiX عبارتند از (i) شکل فایل های نقطه ای حاوی: در میان ویژگی‌های کانال‌های جریان، مقادیر استخراج‌شده SL در طول شبکه جریان تجزیه و تحلیل شد، و (ii) نقشه‌های ناهنجاری SL در قالب GeoTIFF، که از طریق Hotspot و تجزیه و تحلیل خوشه‌ای (HCA) محاسبه شده‌اند، که امکان تشخیص بخش‌های حوضه را در جایی که SL اصلی هستند، می‌سازد. ناهنجاری ها و در نتیجه نواحی اصلی رخ می دهد. استفاده از ابزار پیشنهادی در یک حوضه آبریز تجربی واقع در آپنین شمالی ایتالیا، عملکرد مناسب و پتانسیل استفاده از آن را برای مطالعات مختلف ژئومورفولوژیکی و محیطی نشان داد. تشخیص دقیق و مقرون به صرفه تغییرات غیرعادی در گرادیان جریان تضمین شده توسط SLiX بسیار جالب است و می تواند برای مطالعاتی که با هدف کشف فرآیندهای زمین مسئول تشکیل آنها هستند مفید باشد (به عنوان مثال، فرآیندهای شیب فعال، مانند رانش زمین که به طور مستقیم با بستر رودخانه، وجود ساختارهای زمین شناسی و بریدگی پیچ و خم در تعامل است. کاربردهای SLiX پیامدهای روشنی برای تحلیل‌های اولیه، در مقیاس منطقه‌ای در زمینه‌های مورفو-اقلیمی مختلف، برای مدیریت هیدرولوژیکی حوضه‌های رودخانه و/یا برای جلوگیری از خطرات زمین‌شناسی مرتبط با پویایی فرسایش رودخانه‌ای دارد.

کلید واژه ها:

ژئومورفومتری ; شاخص SL ; پروفیل های طولی جریان ; جعبه ابزار GIS ; مدیریت منظر

چکیده گرافیکی

1. معرفی

تکامل چشم انداز، به دلیل اقدامات متضاد بالا آمدن و فرونشست زمین ساختی فعال، و همچنین فرآیندهای فرسایش و رسوب، مستلزم تغییرات ثابت توپوگرافی سطح زمین [ 1 ] است. هندسه و توزیع فضایی شبکه های زهکشی می تواند منعکس کننده سبک و زمان تکامل چشم انداز در مقیاس های مختلف، از حوضه های آبریز گرفته تا رشته کوه ها باشد. ژئومورفومتری نیمرخ‌های طولی جریان تاکنون برای مدل‌سازی تکامل مناظر فرسایشی [ 2 ] و ارجاع به آن‌ها و به‌ویژه برای درک بهتر نقش عوامل مختلف روی هم قرار گرفته، مانند عوامل ناشی از تکتونیک فعال و تغییرات آب و هوایی مفید بوده است. [ 3 ].
بسیاری از شاخص‌های ژئومورفیک برای کشف اثر انگشت توپوگرافی فرآیندهای سطحی و زیرسطحی [ 2 ] و مرجع در آن پیشنهاد شده‌اند. در این میان، شاخص طول-شیب جریان (SL) [ 4 ] اجازه می‌دهد تا انحرافات از شکل مقعر پروفیل‌های طولی رودخانه را برجسته کند و نقاط برخورد/مناطق را که شیب جریان مقادیر غیرعادی نشان می‌دهد، علامت‌گذاری کند [ 5 ].

با توجه به هک (1973) [ 4 ]، شکل یک جریان سنگ بستر با مشخصات بلند در شرایط حالت پایدار را می توان با این معادله به صورت زیر توصیف کرد:

H = C – K * logL،

که در آن H ارتفاع یک نقطه معین در امتداد کانال جریان و L فاصله نقطه دور از شروع کانال است. یک نمایه بلند جریان در شرایط حالت پایدار معمولاً شکل یک خط مستقیم در فضای H-logL (یعنی نمایه Hack) دارد. بنابراین، انحراف از شرایط حالت پایدار را می توان به راحتی با تغییرات ضریب زاویه ای K معادله (1) آشکار کرد.

اگر بر روی فاصله مشتق شود، معادله (1) L به صورت زیر می شود:

K (SL) = dH/dL * L،

که در آن K شاخص گرادیان طول جریان (SL) است (از اینجا به سادگی SL) [ 4 ]. تسهیل آشکار محاسبه شاخص و در اخیر، امکان استفاده از داده های رقومی ارتفاعی با وضوح بالا و فناوری های اطلاعات جغرافیایی (به عنوان مثال، نرم افزار GIS، بالاتر از همه)، SL را به یکی از پرکاربردترین ها در مطالعات ژئومورفولوژی تبدیل کرد. در میان طیف وسیعی از شاخص‌ها [ 5 ، 6 ] و مرجع در آن، به‌ویژه در مطالعاتی که برای شناسایی اثرات تکتونیک فعال بر شبکه زهکشی [ 2 ] و مرجع در آن نهایی شده‌اند. بنابراین، حتی اگر روش منحصر به فرد نباشد (به عنوان مثال، [ 7])، SL ابزار مناسبی است که راهی آسان برای یافتن گرادیان‌های غیرعادی در امتداد نمایه‌های بلند جریان در طیف وسیعی از مقیاس‌ها، به عنوان مثال، نقاط ضربه و نقاط ضربه [ 8 ] ارائه می‌کند.

Knickzones را می توان با تغییرات محلی یا منطقه ای در سطح پایه فرسایشی تولید کرد [ 9 ، 10 ]. دومی می تواند ناشی از عوامل و فرآیندهای مختلفی باشد: (1) ساختارهای زمین شناسی (یعنی گسل ها) یا فعال یا غیر فعال. (ب) فرسایش دیفرانسیل به دلیل تغییرات لیتو ساختاری. (iii) زمین لغزش ها به طور مستقیم با بستر رودخانه در تعامل هستند. (IV) دزدی دریایی جریان و قطع پیچ و خم. و (v) ویژگی های انسانی. بنابراین، تفسیر زمین شناسی و مورفوژنتیک مناسب ناهنجاری های SL شناسایی شده اساسی است [ 6 ، 8 ].
در دسترس بودن رو به رشد فناوری‌های اطلاعات جغرافیایی، امکان مواجهه با مسائل ژئومورفولوژیکی را با ابزارهای جدید فراهم می‌کند. به طور خاص، استفاده از شاخص‌های ژئومورفومتریک برای بررسی تأثیر متقابل بین عوامل و فرآیندهای مختلف زمین‌شناسی و ژئومورفولوژیکی در شکل‌دهی منظر می‌تواند از ابزارهای GIS بهره‌مند شود [ 11 ].
یک روش گام به گام متشکل از چندین مرحله برای استخراج و اعتبار سنجی مقادیر SL از مدل های ارتفاعی دیجیتال (DEMs) در Troiani و همکاران پیشنهاد شده است. (2014) [ 6 ]. این نویسندگان همچنین یک روش زمین آماری کامل را برای تنظیم دقیق تحلیل فضایی مقادیر شاخص و برای انتخاب روش تقسیم‌بندی جریان مناسب پیشنهاد کردند که می‌تواند بر دقت محاسباتی مقادیر شاخص SL تأثیر زیادی بگذارد.
متعاقباً ترویانی و همکاران. (2017) [ 8 ] یک روش نقشه برداری جدید از SL را پیشنهاد کرد، که هم در حوضه آبریز کوچک و هم در مقیاس منطقه ای، بر اساس آمار Getis–Ord (یعنی نقشه های SL-HCA) قابل استفاده است، که برای شناسایی و تنظیم دقیق تفسیر گسترده مفید است. جریان می رسد تحت تاثیر شیب های غیرعادی بالا (به عنوان مثال، knickzones).
در این کار، توسعه جعبه ابزار منبع باز به نام SLiX ارائه و بحث شده است. SLiX در ArcGIS 10.6 کار می‌کند و به کاربران اجازه می‌دهد مقادیر SL را استخراج کنند که از DEM شروع می‌شود و به عنوان خروجی نهایی، نقشه‌های نقطه‌ای SL و نقشه‌های SL-HCA (sensu [ 8 ]) تولید می‌کنند، که ناهنجاری‌های اصلی SL را در حوضه‌های تحلیل‌شده برجسته می‌کند. ابزار پیشنهادی برای حمایت از تشخیص ناهنجارها در زمینه‌های زمین‌شناسی مختلف و برای استنباط پیامدهای ریخت‌زایی آنها مفید است.

2. اصول طراحی و ابزارهای پردازش

SLiX برای استخراج خودکار مقادیر SL، با شروع از منابع مختلف DEM، و برای تجزیه و تحلیل فضایی مقادیر SL در یک منطقه معین، در مقیاس های مختلف، از حوضه آبریز تا رشته کوه طراحی شده است.
شاخص SL برای یک دسترسی معین در طول یک کانال معین، با استفاده از معادله (2) محاسبه می شود ( شکل 1 ).
روش کامل GIS ابتدا به استخراج شبکه جریان، سپس محاسبه مقادیر SL و در نهایت طبقه بندی مناسب مقادیر SL محاسبه شده نیاز دارد تا مناطق با مقادیر بالای غیرعادی برجسته شوند. کل فرآیند گام به گام، که به حدود 15 اقدام مختلف نیاز دارد، با استفاده از ابزارهای مختلف در یک نرم افزار سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) (مانند Q-GIS و ArcGis) قابل تکرار است، که در نهایت توسط بسته های خارجی پشتیبانی می شود (مثلاً ، ArcHydroTools و ETGeowizard)، هر مرحله را به ترتیب سیستماتیک انجام می دهند.

2.1. استخراج شبکه جریان

روش استخراج مقادیر SL به عنوان اولین گام به ترسیم شبکه زهکشی از مجموعه داده DEM نیاز دارد. به منظور تضمین صحت هیدرولوژیکی، عملیات پر کردن سینک‌ها و حذف قله‌ها، احتمالاً به دلیل عدم دقت داده‌های ارتفاعی اولیه یا خطاهای درونیابی، مورد نیاز است [ 12 ]. مرحله متوالی شامل محاسبه شطرنجی جهت جریان با استفاده از الگوریتم تک جریانی (یعنی D8) و متعاقباً استخراج شطرنجی تجمع جریان است. پارامتر اول جهت جریان را برای هر سلول شطرنجی تعیین می کند، در حالی که پارامتر دوم، برای هر سلول شطرنجی، منطقه کمک کننده بالادست تجمعی را تخمین می زند [ 13 ، 14 ، 15]. SL فقط برای جریان‌های سنگ بستر معتبر است و بنابراین استفاده از آن به بخش‌های حوضه کوهستانی و/یا در بخش‌هایی در امتداد کانال‌های رودخانه‌ای که مورفودینامیک فرسایشی غالب است محدود می‌شود. در این شرایط ژئومورفولوژیکی، الگوریتم تک جریان D8 بهترین انتخاب [ 16 ] و مرجع در آن را نشان داد.
شطرنجی انباشت جریان باید به صورت دودویی به “کانال” و “نه کانال” کدگذاری شود تا به درستی شبکه کانال ها را ترسیم کند. بنابراین، اطمینان از استخراج شبکه کانال‌های «واقعی»، از جمله تنها بخش‌های چشم‌اندازی که فرآیند رودخانه‌ای را تجربه می‌کنند، اساسی است [ 17 ، 18 ]. این را می توان با تعیین یک مقدار مناسب برای شروع کانال بر حسب ناحیه کمک کننده، که می تواند با تشخیص آستانه بحرانی جداکننده شیب و حوزه های فرآیند رودخانه در رابطه بین منطقه زهکشی و شیب انتخاب شود، تضمین شود [ 16 ، 17 ، 18 ].

2.2. محاسبه SLIndex

شبکه کانال‌های استخراج‌شده باید در دسترسی‌های توزیع شده منظم تقسیم شود تا امکان محاسبه مقادیر SL در امتداد دسترسی‌هایی با طول یکسان یا محدوده ارتفاع یکسان فراهم شود. این محاسبات تحت تأثیر روش تقسیم‌بندی جریان قرار می‌گیرد، که می‌تواند دسترسی‌های کانال را با dH ثابت یا dL ثابت (ر.ک. معادله (2)) برنامه‌ریزی کند [ 4 ، 5 ، 6 ]. با در نظر گرفتن محاسبه، دریافت کانال با dL ثابت [ 6]، برای هر دسترسی کانال مجموعه داده به دست آمده، تغییر ارتفاع (dH) و فاصله از نقطه شروع کانال (L) را می توان محاسبه کرد. انتخاب برای استفاده از dL ثابت بر اساس نتایج به دست آمده در تجزیه و تحلیل های مقایسه ای قبلی است که روش های تقسیم بندی مختلف را در نظر گرفته است [ 56 ]. این رویکرد همچنین اجازه می دهد تا یک فاصله نقطه ثابت وجود داشته باشد و از توزیع نامنظم مقادیر SL جلوگیری می کند []. مقادیر ارتفاع مستقیماً از مجموعه داده‌های DEM ورودی استخراج می‌شوند و به هر کانال مقادیر z را اضافه می‌کنند. تغییر ارتفاع (dH) به عنوان تفریق بین مقادیر حداکثر و حداقل در امتداد هر کانال محاسبه می‌شود، که دومی به طور متوالی در یک نقطه (یعنی نقطه میانی دسترسی در نظر گرفته شده) تبدیل می‌شود. طول کانال از مجموعه داده‌های شطرنجی طول جریان استخراج می‌شود که از DEM ورودی مشتق شده است و از مجموعه داده‌های شطرنجی جهت جریان و انباشت جریان قبلاً مشتق‌شده استفاده می‌کند. داده‌های Flow Length در واقع فاصله بالادستی در امتداد یک کانال را ارائه می‌کنند، بنابراین مقدار L (معادله (2)) را برای هر نقطه از مجموعه داده‌ها نشان می‌دهد. در این مرحله، با در اختیار داشتن تمام پارامترهای موجود در رابطه (2)، اکنون می توان مقدار SL را برای هر نقطه از مجموعه داده محاسبه کرد.

2.3. طبقه بندی و تفسیر ارزش های SL

مقادیر SL اکنون می توانند برای نمادشناسی نتایج مناسب و/یا برای تجزیه و تحلیل فضایی متوالی استفاده شوند، به عنوان مثال، با استفاده از کریجینگ معمولی [ 5 ، 6 ، 19 ، 20 ] یا تجزیه و تحلیل Hotspot و Cluster [ 8 ].]، که برای تخمین بخش های چشم انداز که در آن پارامترها به طور غیرعادی بالا هستند مفید هستند. به طور خاص، Hotspot and Cluster Analysis (HCA) یک روش مناسب برای تجسم جغرافیایی- فضایی مقادیر شاخص SL ثابت شده است زیرا به انتخاب عینی مناطق با مقادیر بالای غیرعادی کمک می کند. در واقع، این رویکرد، بر اساس آمار Getis–Ord Gi*، امکان شناسایی مناطق پراکنده در پروفایل‌های جریان، اندازه‌گیری خوشه‌بندی بالاترین مقادیر SL در مقایسه با کل مجموعه داده حوضه رودخانه مورد تجزیه و تحلیل را فراهم می‌کند [ 8 ].

2.4. جعبه ابزار SLiX

روش گام به گام شرح داده شده در بخش های قبلی در جعبه ابزار SLiX خلاصه شده است. این جعبه ابزار شامل سه مدل مختلف است: (1) استخراج شبکه جریان (SNE)، (ب) مدل SLiX. و (iii) استریم طول جریان-گرادیان شاخص نقطه کانونی و تجزیه و تحلیل خوشه (SL-HCA). مدل‌های توسعه‌یافته، با بهره‌برداری از زبان برنامه‌نویسی بصری ArcGis Model Builder، امکان استخراج خودکار شبکه زهکشی و مقادیر SL را که از DEM شروع می‌شوند، و همچنین کانون‌های SL و تراکم هسته مرتبط با شروع از مقادیر SL را فراهم می‌کنند. به طور خاص، مدل SLiX با یک ماسک ورودی منفرد و تنها یک شکل فایل خروجی کل فرآیند محاسبه شاخص SL را خلاصه می کند ( شکل 2 و شکل 3 ).
گردش کار شماتیک برای مدل SLiX در شکل 2 ارائه شده است .
مدل استخراج شبکه جریان، به عنوان خروجی میانی، یک ترسیم مستقل از شبکه زهکشی را در قالب برداری ارائه می کند ( شکل 3 ). دومی می تواند برای تحلیل های ژئومورفولوژیکی و ژئومورفومتریک بیشتر یا دیگر مفید باشد.
خروجی مدل SLiX (مقادیر نقطه SL) در نگاه اول طبقه بندی نشده به نظر می رسد. با توجه به معیارهای طبقه بندی آماری مختلف، طبقه بندی پیشنهادی برای اعمال، توزیع چارک را در نظر می گیرد و به ترتیب امکان تقسیم نتایج را به چهار کلاس ( شکل 4 ) فراهم می کند: (i) 0 – مقدار متوسط. (ب) مقدار میانه – چارک سوم. (iii) ربع سوم – ارزش مجاور بالا (UAV). و (IV) مقادیر پرت [ 6 ، 8 ، 20 ].
برای کمک به تفسیر ناهنجاری‌های SL با استفاده از تحلیل‌های نقطه داغ و خوشه‌ای طول جریان-گرادیانت (SL-HCA) پیشنهاد شده توسط Troiani و همکاران. (2017) [ 8 ]، مدل SL-HCA در نهایت در جعبه ابزار SLiX معرفی شد ( شکل 5 ). این مدل دو خروجی را ارائه می دهد: (1) شکل فایل نقطه ای SL-HCA، ​​با استفاده از الگوریتم Getis-Ord که توزیع فضایی سرد و هات اسپات SL را نشان می دهد. (2) نقشه شطرنجی چگالی هسته با جدول آماری مرتبط. خروجی اول اجازه می دهد تا توزیع مناطق در امتداد شبکه زهکشی را با خوشه بندی مقادیر شاخص SL غیرعادی بالا نشان دهد. دومی یک نقشه مشتق شده است که به تجسم مناطق غیرعادی اصلی کمک می کند، زیرا محصول ساده تری است ( شکل 5).).

3. نمونه ای از کاربرد

جعبه ابزار پیشنهادی با داده های واقعی در چندین حوضه آزمایش شده است و کاربرد آن در حوضه آبریز رودخانه آپسا، یکی از شاخه های سمت راست رودخانه فوگلیا در آپنین شمالی در اینجا ارائه شده است ( شکل 6 ).
این منطقه یک سایت عالی را برای آزمایش عملکرد و قابلیت اطمینان جعبه ابزار SLiX نشان داد، زیرا محیط لیتو-ساختاری پیچیده ای که نماینده مناظر فعال حک شده بر روی کمربندهای تاشو و رانش پیچیده سنگ شناسی است. حوضه آبریز رودخانه آپسا نیز یکی از آن‌هایی است که تحت‌تاثیر لغزش‌های بزرگ فعال و خفته است که بر دامنه‌های تپه تأثیر می‌گذارد که با هر دو لیتوتیپ سخت و نرم و مورفوژنز فعال رودخانه‌ای که مورفوتیپ‌های فرسایشی و رسوبی ایجاد می‌کنند، مشخص می‌شود.

3.1. تنظیمات عمومی

حوضه آبریز رودخانه آپسا در حدود 100 کیلومتر مربع در بخش تپه‌ای و پیمونت در بخش شمالی کوه‌های آپنین مارکه در مرکز ایتالیا وسعت دارد. ارتفاعات از حدود 40 متر، در خروجی آپسا، تا 640 متر از ارتفاع، در اطراف نقش برجسته به نام Colla Romana در بخش جنوبی حوضه آبریز متغیر است ( شکل 6 ).
سنگ بستر به طور کلی شامل یک توالی چینه شناسی خاک زایی چند لایه است که متعلق به توالی چینه شناسی مزوسنوزوئیک Umbria-Marche [ 21 ، 22 ، 23 ] است که عمدتاً توسط تناوب نامنظم آرنیت ها، پلیت ها، سنگ های مارنی-آهکی] و سنگ های آهکی [ 2 ] تشکیل شده است. در این بخش از آپنین، تبخیرهای مسینی و سطوح دیاتومیتی نیز رخنمون می‌دهند ( شکل 6 ). ساختارهای اصلی زمین‌شناسی، که با توالی موزون ساختارهای چین خورده تاقدیس و ناودیس و گسل‌های رانش نشان داده می‌شوند، عموماً در جهت‌های NW-SE و WNW-ESE برخورد می‌کنند.
سنگ شناسی های رخنمون و نگرش ساختاری آن ها به نفع حضور جریان های زمین و لغزش های زمین با اندازه های مختلف و وضعیت فعالیت است که در کل منطقه گسترده هستند، به ویژه در جایی که فرسایش پذیرترین مارن ها و سنگ ریزه ها بیرون می آیند [ 24 ]. لغزش سنگ ها و تغییر شکل های شیب گرانشی عمیق (DSGSDs) نیز در منطقه مورد مطالعه [ 25 ، 26 ، 27 ] و در منطقه اطراف [ 28 ، 29 ] شناسایی شده است.
شبکه زهکشی به طور کلی با کانال‌های سنگ بستر مشخص می‌شود که عمدتاً در دره V شکل حفر شده مستقر شده‌اند که عموماً در ساختارهای اصلی زمین‌شناسی جریان دارند. بخش‌های دره‌ای که در فرسایش‌پذیرترین سنگ‌شناسی‌های مارنی و سنگ‌دانه‌ای مستقر شده‌اند، به طور کلی شکل ملایم‌تری دارند. سنگربندی دره عمدتاً به دلیل بالا آمدن تکتونیکی کواترنر است که این بخش از آپنین را تحت تأثیر قرار داده است [ 30]. سیستم کانال شیب در امتداد حوضه های انشعابی به طور کلی به خوبی متصل است. به طور خاص، دامنه‌ها توسط یک دشت رودخانه‌ای که هرگز از عرض 5 تا 10 متر تجاوز نمی‌کند از بستر رودخانه‌ها جدا می‌شوند. در مقابل، در امتداد جریان تنه آپسا، سیستم شیب کانال قطع می شود و یک دشت رودخانه ای با عرض> 10 تا 20 متر مشخص می شود، به خصوص در امتداد بخش های پایین دست.

3.2. استخراج مقادیر SL و محاسبه نقشه ناهنجاری

آزمون SLiX در حوضه آبریز رودخانه آپسا بر اساس یک شبکه DEM منظم با اندازه سلول 10 متر، که با استفاده از الگوریتم ANUDEM از مجموعه داده های ارتفاع سنجی موجود در نقشه های توپوگرافی دیجیتال موجود برای منطقه مورد مطالعه در مقیاس به دست آمده است. از 1:10000 (CTR Regione Marche: www.ambiente.marche.it ؛ بررسی فتوگرامتری: 1999–2000). کل شبکه زهکشی حوضه آبریز رودخانه آپسا با استفاده از یک آستانه شروع کانال بر اساس مساحت کمک کننده معادل 0.5 کیلومتر مربع استخراج شده است که از تجزیه و تحلیل رابطه منطقه زهکشی – شیب در حوضه در نظر گرفته شده است [ 16 ، 18 ].]. در منطقه مورد مطالعه، این انتخاب، محاسبه SL را تنها در امتداد آن کانال‌های جریانی که تحت سلطه فرآیندهای رودخانه‌ای هستند، تضمین می‌کند.
محاسبه SL در طول کل شبکه کانال با اتخاذ یک تقسیم‌بندی جریان با dL ثابت برابر با 50 متر، بر اساس نتایج به‌دست‌آمده در تحلیل‌های مقایسه‌ای قبلی [ 6 ]، وضوح DEM، و گسترش منطقه مورد مطالعه انجام شده است.
نقشه‌های به‌دست‌آمده از هر دو مدل SLiX و مدل SL-HCA ( شکل 7 ) با نتایج به‌دست‌آمده با استفاده از روش سنتی و زمان‌بر گام به گام مقایسه شده‌اند و مقایسه توافق رضایت‌بخشی را تایید می‌کند. .

3.3. نتایج

در منطقه مورد مطالعه رودخانه آپسا، حوضه های آبریز شناسایی شده با مقدار غیرعادی شاخص SL در شکل 7 نشان داده شده است. مناطق کوچک شناسایی شده از طریق نقشه نقطه SL ( شکل 7 الف) و تفسیر بهتر با استفاده از رویکرد SL-HCA ( شکل 7 ب) از طریق تفسیر عکس هوایی، بازرسی بصری تصاویر ماهواره ای Google® Earth و در نهایت، توسط ابزار مشاهدات دقیق به طور مستقیم در میدان. جدول 1 مکان هایی را نشان می دهد که نواحی اصلی در آنها شناسایی شده اند و فرآیند ژئومورفیک یا عامل مسئول شکل گیری و توسعه آنها.
از بین ده منطقه شناسایی شده که مقدار غیرعادی شاخص SL را نشان می‌دهند، هفت ناحیه به طور کامل یا جزئی به وقوع زمین لغزش‌هایی که مستقیماً به بستر رودخانه می‌رسند نسبت داده می‌شوند. در میان این موارد اخیر، سه مورد به دلیل تغییر شکل‌های شیب سنگی با حرکت آهسته است که کل دامنه‌های تپه را شامل می‌شود (یعنی تغییر شکل شیب گرانشی عمیق) ( شکل 8 ).

4. بحث و نتیجه گیری

در این کار، جعبه ابزار جدید GIS به نام SLiX که در نرم افزار ESRI® ArcGIS کار می کند ، معرفی شد. SLiX، از یک سو، استخراج خودکار مقادیر شاخص طول- گرادیان جریان (SL) را که از منابع مختلف DEM شروع می‌شود، اجازه می‌دهد و از سوی دیگر، امکان استخراج بخش‌های حوضه را در جایی که شاخص به طور غیرعادی بالا است، می‌دهد. ثابت شده است که ناهنجاری‌های SL برای شناسایی نواحی ناهموار در امتداد جریان در جریان‌های سنگ بستر کوهستانی مفید هستند، بنابراین مناطق حوضه که در آن قدرت جریان به طور غیرعادی بالا قله‌های آشکار در پویایی فرسایش است.
جعبه ابزار شامل سه مدل است: (1) مدل شبکه جریان اختصاص داده شده به استخراج شبکه زهکشی به طور مستقیم از DEM، (2) مدل SLiX که اجازه می دهد تا با یک مرحله واحد، مقادیر SL را در کل شبکه زهکشی به دست آوریم، و (iii) ) مدل SL-HCA که به دست آوردن نقشه ناهنجاری SL بر روی حوضه آبریز تجزیه و تحلیل شده بر اساس روش مطابق با Troiani و همکاران، اجازه می دهد. (2017) [ 8 ].
این خروجی‌ها به‌طور گسترده در مطالعات ژئومورفولوژیکی به‌عنوان شاخص‌های فعالیت تکتونیکی، فرسایش دیفرانسیل سنگ و فرآیندهای شیب تپه مورد استفاده قرار می‌گیرند. رابطه بین مقادیر SL و فرآیندهای ژئومورفیک رودخانه، که عمدتاً قابل ارجاع به فرسایش متمرکز است، این شاخص را برای کشف شرایط کلی مورفودینامیکی حوضه‌های رودخانه، که به عنوان دانش اولیه در برنامه‌ریزی احیای رودخانه و مطالعات هیدرولیکی اساسی هستند، مفید می‌سازد.
بر این اساس، جعبه ابزار می تواند یک رویکرد مفید برای تحقیقات مقدماتی مقرون به صرفه در مناطق وسیع، حتی در مناطق دورافتاده را نشان دهد. خروجی های جعبه ابزار در واقع به انتخاب از قبل حیاتی ترین مناطق برای ارائه به تجزیه و تحلیل های زمین شناسی/ژئومورفولوژیکی بیشتر کمک می کند. در واقع، استفاده از تکنیک‌های آزمایشگاهی ژئومورفومتریک با کاربرد آسان، مانند آن‌هایی که در جعبه ابزار SLiX گنجانده شده‌اند، می‌تواند تلاش‌های لجستیک کار میدانی را بهینه کند و از بررسی‌ها پشتیبانی کند، حتی آنهایی که توسط تکنیک‌های موبایل-GIS انجام می‌شوند [ 31 ].
مزیت اصلی این جعبه ابزار این است که کاربر می تواند به راحتی مقادیر شاخص SL را در امتداد یک شبکه جریانی استخراج کند و از روش گام به گام GIS اجتناب کند. علاوه بر این، استفاده از جعبه ابزار همراه با داده های ورودی ساده مورد نیاز، تکرارپذیری نتایج و محدود کردن احتمال خطا را به دلیل استفاده دستی از ابزارهای پردازش جغرافیایی متعدد تضمین می کند. برای معتبر بودن نتایج، باید توجه ویژه ای به انتخاب آستانه ها و پارامترهای درج در تحلیل ها شود. به طور خاص، دقت نتایج به استخراج صحیح شبکه کانال بستگی دارد، که با استفاده از یک مقدار آستانه مناسب برای شروع کانال از نظر منطقه کمک کننده قابل دستیابی است، و به انتخاب فاصله تقسیم بندی جریان (dL) مناسب، برای انتخاب بر اساس وضوح DEM و گسترش منطقه مورد مطالعه برای تجزیه و تحلیل. علاوه بر این، تجسم و تفسیر مقادیر SL محاسبه‌شده نیازمند توجه برای اطمینان از استخراج بخش‌های چشم‌انداز است که در آن ارزش SL به طور موثری بالاست.
جعبه ابزار SLiX که از زبان برنامه نویسی بصری Model Builder استفاده می کند، کاملاً در محیط ArcGIS یکپارچه شده است. جعبه ابزار با هر منبع DEM ارجاعی جغرافیایی، از وضوح پایین جهانی گرفته تا منابع با وضوح بالا کار می کند، اگرچه با در نظر گرفتن رابطه نزدیک بین وضوح DEM استفاده شده و نتایج قابل دستیابی، اساسی است.
جعبه ابزار در یک حوضه آبریز واقع در آپنین شمالی ایتالیا آزمایش شد و نتایج نهایی، در مقایسه با نتایج به‌دست‌آمده از روش سنتی و گام به گام زمان‌بر [ 6 ، 8 ]، قدرت کلی را نشان داد. از جعبه ابزار و اینکه SLiX یک ابزار مقرون به صرفه برای تجزیه و تحلیل کمی منظر است.
محدودیت‌های استفاده از جعبه ابزار SLiX، محیط اعتبار روش SL است، که باید به شبکه‌های رودخانه‌ای که با رفتار فرسایشی عمومی مشخص می‌شوند محدود شود. در نهایت، برای جلوگیری از نتایج غیر قابل اعتماد، دقت و صحت هیدرولیکی مجموعه داده DEM مورد استفاده در محاسبه SL باید همیشه در نظر گرفته شود.
مزیت استفاده از جعبه ابزار SLiX پیاده سازی شده در یک محیط GIS این است که داده های ژئومورفومتریک قابل اعتمادی را ارائه می دهد که می تواند به راحتی توسط – و در واقع می تواند یکپارچگی از – پایگاه های جغرافیایی عمومی یا موضوعی موجود برای یک منطقه معین را نشان دهد. این مجموعه داده ژئومورفومتریک برای برنامه ریزی چشم انداز رودخانه و همچنین برای تجزیه و تحلیل خطر هیدروژئولوژیکی اهمیت زیادی دارد.
تشخیص دقیق تغییرات غیرعادی در شیب جریان که توسط SLiX تضمین می‌شود بسیار مورد توجه است و می‌تواند برای مطالعاتی با هدف کشف فرآیندهای زمین که مسئول شکل‌گیری آن‌ها هستند مفید باشد (به عنوان مثال، فرآیندهای دامنه فعال مانند لغزش‌ها در تعامل مستقیم با بستر رودخانه، وجود زمین‌شناسی سازه ها و برش پیچ و خم). در نتیجه، SLiX می‌تواند در تحلیل‌های اولیه برای مدیریت هیدرولوژیکی حوضه‌های رودخانه و/یا برای جلوگیری از خطرات زمین‌شناسی مرتبط با پویایی فرسایش رودخانه‌ای، در مقیاس منطقه‌ای، در زمینه‌های مورفوکلیمی مختلف استفاده شود.

منابع

  1. Bishop، P. تکامل بلند مدت چشم انداز: پیوند تکتونیک و فرآیندهای سطحی. زمین گشت و گذار. روند. Landf. 2007 ، 32 ، 329-365. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  2. دمولین، ا. Matherc، A.; بایگانی Whittaker، A. Fluvial، یک رکورد ارزشمند از تغییر شکل پوسته عمودی. کوات. علمی Rev. 2017 , 166 , 10-37. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
  3. ترویانی، ف. دلا ستا، M. پاسخ ژئومورفولوژیکی تراس های رودخانه ای و ساحلی به تکتونیک و اقلیم کواترنر همانطور که توسط تجزیه و تحلیل توپوگرافی زمین آماری نشان داده شد. زمین گشت و گذار. روند. Landf. 2011 ، 36 ، 1193-1208. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  4. هک، J. تجزیه و تحلیل پروفایل جریان و شاخص گرادیان جریان. J. Res. جیول آمریکا Surv. 1973 ، 1 ، 421-429. [ Google Scholar ]
  5. پرز-پنا، JV; آزانون، جی.ام. بوث-ریا، جی. آزور، ا. دلاگادو، جی. تمایز زمین شناسی و تکتونیک با استفاده از تکنیک خودهمبستگی فضایی برای انتگرال هیپسومتری. جی. ژئوفیز. Res. 2009 ، 114 ، 1-15. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  6. ترویانی، ف. Galve، JP; پیاسنتینی، دی. دلا ستا، م. Guerrero، J. تجزیه و تحلیل فضایی شاخص طول جریان (SL) برای تشخیص فرآیندهای دامنه‌ها: موردی از سرچشمه رودخانه Gállego (پیرنه مرکزی، اسپانیا). ژئومورفولوژی 2014 ، 214 ، 183-197. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  7. کربی، ای. ویپل، KX بیان تکتونیک فعال در مناظر فرسایشی. جی. ساختار. جئول 2012 ، 44 ، 54-75. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  8. ترویانی، ف. پیاسنتینی، دی. دلا ستا، م. Galve، JP Stream Longth-gradient Hotspot and Cluster Analysis (SL-HCA) برای تنظیم دقیق تشخیص و تفسیر نقاط اتصال بر روی پروفایل های طولی. Catena 2017 ، 156 ، 30-41. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  9. فاستر، MA; کلسی، KM Knickpoint و تشکیل و انتشار منطقه knickzone، رودخانه South Fork Eel، شمال کالیفرنیا. Geosphere 2012 ، 8 ، 1-14. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
  10. بولتون، اس جی; استوکس، ام. Mather، AE برش رودخانه ای گذرا به عنوان شاخص گسلش فعال و برآمدگی پلیو-کواترنری اطلس عالی مراکش. تکتونوفیزیک 2014 ، 633 ، 16-33. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
  11. هنگل، تی. رویتر، ژئومورفومتری HI . مفاهیم، ​​نرم افزار، برنامه های کاربردی ; تحولات در علوم خاک 33; الزویر: آکسفورد، انگلستان، 2009; پ. 765. [ Google Scholar ]
  12. پلانشون، او. Darboux, F. یک الگوریتم سریع، ساده و همه کاره برای پر کردن فرورفتگی‌های مدل‌های ارتفاعی دیجیتال. کاتنا 2002 ، 46 ، 159-176. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  13. آرنولد، ن. رویکردی جدید برای مقابله با فرورفتگی‌ها در مدل‌های ارتفاعی دیجیتال هنگام محاسبه مقادیر تجمع جریان. Prog. فیزیک Geogr. 2010 ، 34 ، 781-809. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  14. هولمگرن، پی. الگوریتم‌های جهت جریان چندگانه برای مدل‌سازی رواناب در مدل‌های ارتفاعی مبتنی بر شبکه: یک ارزیابی تجربی. هیدرول. روند. 1994 ، 8 ، 327-334. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  15. جنسون، SK; Domingue، JO استخراج ساختار توپوگرافی از داده های ارتفاعی دیجیتال برای تجزیه و تحلیل سیستم اطلاعات جغرافیایی. فتوگرام مهندس Remote Sens. 1988 , 54 , 1593-1600. [ Google Scholar ]
  16. ورگاری، ف. ترویانی، ف. فاکنر، اچ. دل مونته، ام. دلا ستا، م. سیکاچی، اس. فردی، P. استفاده از تابع ناحیه شیب برای تجزیه و تحلیل حوزه های فرآیند در مناظر پیچیده بدلند. زمین گشت و گذار. روند. Landf. 2019 ، 44 ، 273-286. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
  17. تاربتون، دی جی; سوتین، RL; Rodriguez–Iturbe, I. در مورد استخراج شبکه های کانال از داده های ارتفاعی دیجیتال. هیدرول. روند. 1991 ، 5 ، 81-100. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  18. مونتگومری، DR; Foufoula-Georgiou، E. نمایش منبع شبکه کانال با استفاده از مدل های دیجیتال ارتفاع. منبع آب Res. 1993 ، 29 ، 3925-3934. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  19. آرینگولی، د. کاویتولو، پی. فارابولینی، پ. گالیندو زالدیوار، ج. جنتیلی، بی. جیانو، SI; لوپز-گاریدو، AC; ماتراتزی، م. نیبی، ال. پدررا، ا. و همکاران خصوصیات مورفوتکتونیکی حوضه های بین کوهستانی چهارتایی Umbria-Marche Apennines (ایتالیا). Rendiconti Lincei 2014 ، 25 ، 111-128. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  20. دلا ستا، م. اسپوزیتو، سی. مارمونی، جی. مارتینو، اس. اسکاراسیا موگنوزا، جی. Troiani، F. تکامل ساختاری سیستم‌های دره-شیب و پیامدهای مرتبط با فرآیندهای گرانشی در مقیاس شیب. نتایج جدید از تاریخچه مورد کوه Genzana (آپنین مرکزی، ایتالیا). ژئومورفولوژی 2017 ، 289 ، 60-77. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  21. Capuano، N. یادداشت گویا دلا کارتا زمین شناسی d’Italia alla scala 1:50000. Foglio 279-Urbino. در Regione Marche، Servizio Ambiente e Paesaggio ; Istituto Superiore per la Protezione e Ricerca Ambientale—Servizio Geologico d’Italia: Roma، ایتالیا، 2009; پ. 114. [ Google Scholar ]
  22. ترامونتانا، ام. Guerrera, F. یادداشت گویا دلا کارتا زمین شناسی d’Italia alla scala 1:50000. Foglio 268 — Pesaro. در Regione Marche، Servizio Territorio Ambiente Energia ; Istituto Superiore per la Protezione e Ricerca Ambientale—Servizio Geologico d’Italia: Roma، ایتالیا، 2011; پ. 132. [ Google Scholar ]
  23. پانتالونی، م. پیچزی، آر.ام. D’Ambrogi، C. پامپالونی، ام ال. Rossi، M. یادداشت گویا دلا کارتا زمین شناسی d’Italia alla scala 1:50000. Foglio 280-Fossombrone. در Regione Marche، Servizio Territorio Ambiente Energia ; Istituto Superiore per la Protezione e Ricerca Ambientale—Servizio Geologico d’Italia: Roma، ایتالیا، 2016; پ. 132. [ Google Scholar ]
  24. رومئو، آر. ماری، م. فلوریس، م. پاپافیکو، جی اف. گوری، U. رویکردی برای پیوستن به اجزای مکانی و زمانی حساسیت زمین لغزش: یک برنامه کاربردی برای منطقه Marche (ایتالیای مرکزی). ایتالیایی J. Eng. جئول محیط زیست 2011 ، 2 ، 63-78. [ Google Scholar ]
  25. پولیدوری، ای. تونلی، جی. ترامونتانا، ام. ونری، اف. Gori، U. Un esempio di spandimento laterale su terreni miocenici nelle Marche settentrionali. جئول رومانا 1994 ، 30 ، 429-438. [ Google Scholar ]
  26. فلوریس، م. پرستینینزی، ا. رومئو، آر. تونلی، جی. Veneri، F. Evoluzione morfologica dell’area del Sasso di Urbino e valutazione delle condizioni di stabilità. چهار جئول Appl. 2003 ، 2 ، 51-67. [ Google Scholar ]
  27. گوری، یو. ونری، اف. تثبیت حرکت لغزشی در نزدیکی اوربینو، ایتالیا. In Landslides: Glissements de Terrain، مجموعه مقالات ششمین سمپوزیوم بین المللی زمین لغزش، کرایست چرچ، نیوزیلند، 10-14 فوریه 1992 . بل، دی اچ، اد. Balkema: روتردام، هلند، 1995; صفحات 1767-1774. [ Google Scholar ]
  28. کاپاکچیونی، بی. نسی، او. ساکی، EM; ساولی، دی. Troiani، F. Caratterizzazione idrochimica di un acquifero superficiale: Il caso della circolazione idrica nei corpi di frana nella dorsale carbonatica di M. Pietralata-M. پاگانوچیو (Appennino Marchigiano). دوم کوات. ایتالیایی جی. کوات. علمی 2004 ، 17 ، 585-595. [ Google Scholar ]
  29. ترویانی، ف. Della Seta، M. استفاده از شاخص طول- گرادیان جریان در تجزیه و تحلیل مورفوتکتونیکی حوضه های کوچک: مطالعه موردی از ایتالیا مرکزی. ژئومورفولوژی 2008 ، 102 ، 159-168. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  30. نسی، او. ساولی، دی. Troiani، F. انواع و توسعه تراس های جریان در Marche Apennines (مرکز ایتالیا): بررسی و اظهارات در مورد ارزیابی های اخیر. ژئومورفولوژی 2012 ، 2 ، 215-238. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
  31. دی دوناتیس، م. سوسینی، اس. دلموناکو، جی. روش های نقشه برداری زمین شناسی دیجیتال: از میدان تا مدل سه بعدی. بین المللی جی. جئول. 2008 ، 2 ، 47-52. [ Google Scholar ]
Ijgi 09 00069 g001 550
شکل 1. طرحی که به محاسبه امتداد جریان مقادیر SL به دنبال معادله هک معرفی می شود.
Ijgi 09 00069 g002 550
شکل 2. گردش کار مدل SLiX.
Ijgi 09 00069 g003 550
شکل 3. ابزار مدل استخراج شبکه جریان و ابزار SLiX در جعبه ابزار SLiX. مدل ارتفاع دیجیتال (DEM) داده های ورودی را در هر دو ابزار مدل نشان می دهد. مدل استخراج شبکه جریان اجازه می دهد تا شبکه زهکشی را استخراج کنید (شکل سمت چپ)، در حالی که مدل SLiX اجازه می دهد تا مقادیر شاخص SL (شکل سمت راست) استخراج شود.
Ijgi 09 00069 g004 550
شکل 4. نقشه شاخص طول- گرادیان جریان با استفاده از ابزار SLiX و اعمال یک طبقه بندی چهار طبقه بر اساس مقادیر چارک به دست آمده است.
Ijgi 09 00069 g005 550
شکل 5. ابزار مدل SL-HCA (SL-HCA) در جعبه ابزار SLiX. خروجی به دست آمده از ابزار مدل SLiX، داده های ورودی این ابزار مدل را نشان می دهد، که اجازه می دهد تا توزیع فضایی نقاط سرد و داغ (شکل سمت چپ) و چگالی نسبی هسته (شکل سمت راست) استخراج شود. نگاشت چگالی هسته در اینجا یک طبقه بندی بر اساس فاصله انحراف استاندارد از میانگین اتخاذ شده است.
Ijgi 09 00069 g006 550
شکل 6. موقعیت منطقه مورد مطالعه در آپنین شمالی ایتالیا و نقشه زمین شناسی. ( الف ) بافت جغرافیایی؛ ( ب ) نقشه زمین شناسی (برگرفته از [ 21 ، 22 ، 23 ).])، 1: گسل عمومی، 2: گسل نامشخص، 3: گسل نرمال، 4: گسل عادی نامشخص، 5: گسل رانش، 6: گسل رانش نامشخص، 7: رسوبات آبرفتی هولوسن، 8: نهشته های آبرفتی پلکانی پلیستوسن، 9: رس های دریایی پلیو پلیستوسن، 10: پلیت های مسینی، 11: آرنیت ها و پلیت های مسینی، 12: تبخیرهای مسینی، 13: تناوب مارن ها و آرنیت های مسینی با سطوح دیاتومیتی، 14: آرنیت ها و پلیت های میوسن پسین از شکل گیری مارنیت ها 15: مارن‌ها و رس‌های میوسن سازند شلیر، 16: مارن‌ها و مارن‌های میوسن اولیه، 17: مارن‌های ائوسن-میوسن و سنگ‌های مارنی-آهک سازند Scaglia Cinerea، 18: مارنی-آهک‌های ائوسن، Varga19 Forcagliam. : سنگ آهک های کرتاسه فوقانی-ائوسن، سنگ آهک های مارنی و مارن های سازند Scaglia Rossa.
Ijgi 09 00069 g007 550
شکل 7. نقشه های به دست آمده با استفاده از مدل SLiX و مدل SL-HCA در حوضه آبریز رودخانه آپسا. ( الف ) نقشه نقطه SL; ( ب ) نقشه شطرنجی چگالی هسته.
Ijgi 09 00069 g008 550
شکل 8. نمای پانوراما از غرب منطقه شهری ساسو (ناهنجاری شناسه شماره 5)، در نزدیکی شهر اوربینو. با خطوط چین قرمز مشخص شده یک بدنه زمین لغزش است که نمایانگر ریزش یک تغییر شکل شیب سنگی گسترده تر است (یعنی تغییر شکل شیب گرانشی عمیق). در نقطه لغزش زمین، که در تصویر قابل مشاهده نیست، رودخانه آپسا با یک منطقه کوچک در نزدیکی رودخانه که در آن یک دره اپی ژنتیک رخ می دهد مشخص می شود.

مقالات داخلی و بین المللی

مطالب مرتبط ...

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید