ارزیابی اثرات احداث سد بر روی آبخوان با استفاده از تحلیل آنتروپی چندمقیاسه، مطالعه موردی: دشت ساوه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار گروه عمران دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شهرکرد

چکیده

با توجه به ارتباطات غیرخطی بین مؤلفه‌های حاکم بر سفره‌های زیرزمینی، از این سیستم‌ها به عنوان یک سیستم پیچیده نام برده می‌شود. تخمین درجه پیچیدگی این سیستم با توجه به تغییرات طبیعی و مصنوعی حاکم بر آن جهت ارزیابی‌های کمی و کیفی آبخوان بسیار مهم می‌باشد. در این تحقیق بر مبنای تغییرات بلندمدت (93-64) پیزومترهای دشت ساوه اقدام به بررسی اثر احداث سد ساوه بر روی آبخوان پایین‌دست سد با استفاده از تحلیل آنتروپی چندمقیاسه گردید. در این رویکرد بر خلاف روش آنتروپی که تنها میزان آنتروپی برای یک فاکتور مقیاس را مورد محاسبه قرار می‌دهد، از آنتروپی چندمقیاسه (MSE) جهت ارزیابی تغییرات احتمالی پیچیدگی آبخوان در چندین فاکتور مقیاس استفاده گردید. نتایج نشان می‌دهد که میزان پیچیدگی آبخوان بعد از احداث سد ساوه از ابتدای دشت تا میانه دشت بشدت کاهش یافته و به طور متوسط 31 درصد افزایش در میزان اختلاف آنتروپی (پیچیدگی) در دو دوره (قبل و بعد از احداث سد) مشاهده می‌شود. این تغییرات در خصوصیات پیچیدگی سفره منجر به تخریب سیستم طبیعی آبخوان و کاهش درجه پیچیدگی آن شده است. مقایسه رویکرد پیشنهادی با روش من-کندال بیانگر کارآیی آنتروپی چندمقیاسه در ارزیابی پیچیدگی سیستم آبخوان و تشخیص رخدادهای غیرطبیعی در سری زمانی تراز سطح آب زیرزمینی می‌باشد. این مطالعه می‌تواند مبنایی جهت حفاظت از محیط طبیعی آبخوان‌ها و ارزیابی اثرات ساخت سازه‌های هیدرولیکی عظیم بر روی سفره‌های زیرزمینی را ارائه نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Multi-scale Entropy Analysis to Assess Impacts of Dam Construction on Aquifer, Case Study: SAVEH Plain

نویسنده [English]

  • M. Mohammad Rezapour Tabari
چکیده [English]

According to the nonlinear relationship between the components of the aquifer, these systems are called as a complex system. In these systems due to natural and artificial changes, the estimating the degree of complexity for quality and quantity groundwater assessment is very important. In this study, in order to ascertain impacts of SAVEH dam on the complexity of the SAVEH aquifer plain, which is located downstream of the dam, multi-scale entropy (MSE) theory was applied to analyze long-term variation piezometers (1985-2014). In this approach, unlike the sample entropy that only the amount of entropy for a single scale factor measured, the MSE used to assess the possible changes in the complexity of the aquifer in multi scale factor. The results show that the complexity of the aquifer after SAVEH dam construction precipitously decreased from the beginning to the middle of the aquifer plain and an average 31 percent increase can be seen in the difference between the sample entropy (complexity) in two periods (before and after the dam construction). The complexity properties alterations of the aquifer caused the destruction of natural systems aquifer and decrease the complexity of it. The comparison between proposed approach and Mann-Kendall method is indicated that the efficiency of MSE in evaluating the complexity of aquifer systems and detection of abnormal events in the groundwater table level time series. This study could provide references for conservation of the aquifer natural environment and the assessment of impacts induced by big hydraulic structures construction on the groundwater system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • aquifer
  • Saveh Plain
  • Multi-scale entropy
  • System complexity
Chen W, Zhuang J, Yu W, Wang Z (2009) Measuring complexity using fuzzy RN, ApEn, and SampEn. Medical Engineering and Physics 31(1):61.
Costa M, Goldberger AL, Peng CK (2002) Multi-scale entropy analysis of complex physiologic time series. Physical Review Letters 89(6):1–4.
Costa M, Goldberger AL, Peng CK (2005) Multiscale entropy analysis of biological signals. Physical Review. E, Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics 71(1-2):1-18.
Costa M, Peng CK, Goldberger AL, Hausdorff JM (2003) Multiscale entropy analysis of human gait dynamics. Physica A 330:53–60.
Huang F, Xia Z, Zhang N, Zhang Y, Li J (2011) Flow-complexity analysis of the upper reaches of the Yangtze river China. Journal of Hydrologic Engineering 16:914-919.
Kendall MG (1975) Rank correlation methods. Hafner Press, NYC, 272p.
Lake DE, Richman JS, Griffin PM, Moorman JR (2002) Sample entropy analysis of neonatal heart rate variability. American Journal of Physiology 283(3):789–797.
Li SC, Zhou QF, Wu SH, Dai EF (2006) Measurement of climate complexity using sample entropy. International Journal of Climatology 26(15):2131–2139.
Li Z, Zhang YK (2008) Multi-scale entropy analysis of Mississippi river flow. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment 22(4):507–512.
Liu D, Qiang Fu, Hu Y, Wu Q (2015) Complexity measure of regional groundwater resources system based on wavelet entropy: A case study of Jiansanjiang administration of Heilongjiang land reclamation in China. Environ Earth Science 73(3):1033–1043.
Mann HB (1945) Nonparametric tests against trend. Econometrica 13, 245–259.
Maruyama T, Kawachi T, Singh VP (2005) Entropy-based assessment and clustering of potential water resources availability. Journal of Hydrology 309:104–113.
Mays DC, Faybishenko BA, Finsterle S (2002) Information entropy to measure temporal and spatial complexity of unsaturated flow in heterogeneous media. Water Resources Research 38(12): 1313-1323.
Ozkul S, Harmancioglu NB, Singh VP (2000) Entropy-based assessment of water quality monitoring networks. Journal of Hydrologic Engineering 5:90–100.
Pincus SM (1991) Approximate entropy as a measure of system complexity. Proceedings of the National Academy of Sciences 88(6):2297-2301.
Pincus SM, (1995) Approximate entropy (ApEn) as a complexity measure. Chaos 5(1):110–117.
Pincus SM, Cummins TR, Haddad GG (1993) Heart rate control in normal and aborted-SIDS infants. American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology 264(3): 638–646.
Richman JS, Moorman JR (2000) Physiological time-series analysis using approximate entropy and sample entropy. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology 278(6):2039–2049.
Tochigi Y, Segal NA, Vaseenon T, Brown TD (2012) Entropy analysis of tri-axial leg acceleration signal waveforms for measurement of decrease of physiological variability in human gait. Journal of Orthopaedic Research 30(6):897-904.
Wang D, Chen YF, Li GF, Xu YH (2004) Maximum entropy spectral analysis for annual maximum tide levels time series of the Changjiang river estuary. Journal of Coastal Research 43:101-108.
Wu SD, Wu CW, Lin SG, Wang CC, Lee KY (2013) Time series analysis using composite multiscale entropy. Entropy 15(3):1069-1084.
Zhang Q, Xu CY, Becker S, Jiang T (2006) Sediment and runoff changes in the Yangtze river basin during past 50 years. Journal of Hydrology 331:511–523.
Zhang Q, Xu CY, Chen X, Lu X (2012) Abrupt changes in the discharge and sediment load of the Pearl river, China. Hydrological Processes 26(10):1495–1508.
Zhou Y, Zhang Q, Li K, Chen X (2012) Hydrological effects of water reservoirs on hydrological processes in the east river (China) basin: Complexity evaluations based on the multi-scale entropy analysis. Hydrological Processes 26:3253–3262.