مقایسه شاخص بدون بعد تراکم شبکه زهکش و بعد فراکتال شبکه زهکشی در جدا‌سازی واحد های سنگ شناسی ( منطقه مورد مطالعه : حوزه آبخیز تفت، یزد)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 یزد، صفاییه، خیابان عدالت، کوچه عدالت 16، پلاک 26.

2 مدیریت بیابان، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه یزد، یزد، ایران.

3 دانشگاه یزد

چکیده

مطالعات سنگ شناسی و زمین شناسی در مدیریت منابع طبیعی از اهمیت خاصی برخوردار است. تکنیک فراکتال، یکی از تکنیک های پر کاربرد جهت انجام مطالعات زمین شناسی و سنگ شناسی می باشد. این تکنیک موجب می گردد پژوهشگر در مدت زمان کوتاه تر به نتایج دقیق تری دست یابد. هدف از این پژوهش، مقایسه ی عملکرد دو تکنیک بدون بعد سازی پارامتر های کمی در ژئومورفولوژی از قبیل شاخص تراکم شبکه زهکشی و بعد فراکتال آنها در جدا سازی و تفکیک واحد های زمین شناسی می باشد. سپس با استفاده از نرم افزار Fractalyse و ArcGIS، بعد فراکتال و تراکم آن ها محاسبه گردید. نسبت صحت سنجی در هر دو تکنیک بسیار خوب و شبیه به هم ( 98/0، 99/0، 99/0) بدست آمد. در تکنیک بعد فراکتال شبکه زهکش ضریب تعیین در سه واحد زمین شناسی 87/0 ، 91/0 و 91/0 و زاویه انحراف نیز 05/17 ، 48/1 و 37/8 است. اما در تکنیک تراکم شبکه زهکش در سه واحد زمین شناسی ضریب تعیین 99/0 ، 93/0 و 94/0 و زاویه انحراف 21/0 ، 40/2 و 22/0 می باشد. بنابراین با توجه به نتایج بدست آمده تکنیک تراکم شبکه زهکش نسبت به تکنیک بعد فراکتال شبکه زهکش در شناسایی و تفکیک واحد های زمین شناسی مطالعاتی در حوزه آبخیز تفت واقع در استان یزد، بسیار خوب ارزیابی گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of Dimensionless Drainage Network Density and Fractal Dimensions in Separating of Lithological Units (Case Study: Taft Watershed, Yazd)

نویسندگان [English]

  • vadieh barzegari 1
  • Mohammad Zare 2
  • mohammadreza Ekhtasasi 3
1 Desert, Managment, Natural Resources Faculty, Yazd University, Yazd, Iran.
2 Desert Management, Natural Resources Faculty, Yazd University, Yazd, Iran.
3 Yazd University
چکیده [English]

Introduction
Petrological and geological studies are of great importance in natural resources management. The fractal technique is used as an instrument to achieve accurate results in a shorter time. Geological maps are very useful in natural resources management, industry, especially refineries, and mine exploration. Due to the large scale of available geological maps, small scale geological maps should be provided in details. The fractal dimension, as a measure of surface roughness over a variety of scales, can be used to model the dissipation of erosive products due to climatic elements and fluvial transport. Nowadays, by using new fractal technique and terrestrial survey, more accurate results on geological units can be obtained in a shorter time. This research aims to compare the performance of two techniques of quantitative parameters non-dimensionalization in geomorphology such as drainage network density index, and fractal dimension, to separate geological units in the Taft watershed, Yazd province.
Materials and Methods
Taft watershed, as the study area, located in the Yazd province, that is situated between 53° 43' 38'' to 54° 14' 54'' E. longitude and 31° 33' 22'' to 31° 49' 06'' N. latitude. There is high diversity of geological and lithological units, including gd (Granodiorite), K^(t-1) (Taft lime), and K^S (conglomerate and sandstone) in this watershed. Three geological units selected in the study area. In each geological unit, , 10 plots of 2 km×2 km (samples), and 10 plots of 2 km×2 km (tests) were selected respectively inside and outside of the study area for analysis. To identify and distinguish three studied geological units, drainage network was drawn in each geological units through geological map of the Iranian Geological Survey and satellite images of the Google Earth and field observation. Afterwards, using Fractalyse and ArcGIS softwares, their fractal dimension and density were calculated. Output results of the Fractalyse software is some numbers that one of them indicates the fractal dimension of those lines. Fractal dimension number is between one and two. The area and network length of each plot were calculated by ArcGIS 10.2 software. Then, the drainage network density of each plot was calculated by equation 1.
Drainage Network Density= Drainage Network Length (km)/ Plot area (km2) (1)
Efficiency of the two dimensionless indices of drainage network density and fractal in separating geological units were compared by two methods:
A) Validation:
In each geological unit, the calculated numbers of the samples and tests should be averaged individually. Then, equation 2 is used to calculate the validation of each geological units.
Validity= sample/test (2)
Sample: Average fractal dimension of drain networks for sample plots.
Test: The mean fractal dimension of drainage networks for test plots.
Or
Sample: Average density of drainage networks for sample plots.
Test: The average density of the drainage networks for test plots.
B) Comparing the sample and test by using QQ diagram, the line equation, the coefficient of determination and the angel of deviation:
In drainage network fractal dimension, QQ diagram is plotted between samples and tests' fractal dimension. Line equation, coefficient of determination and angel of deviation were calculated. Moreover, the QQ graphs were plotted and calculations carried out on the drainage network density.

Results and discussion
Results of the first comparing method (validation) in both techniques are very good and similar. In second comparing method (i.e. QQ graph, angle of deviation, and coefficient of determination), coefficient of determination in the drainage network density in K^S, gd and K^(t-1)geological units were 0.99, 0.93 and 0.94, respectively, which are more than drainage network fractal dimension. The standard deviation in drainage network fractal dimension in K^S and gd and K^(t-1)geological units are +17.05, - 1.48, and +8.37 respectively, these values in the drainage network density are much lower (i.e. better). The angle of deviation in drainage network density of K^S, gd and K^(t-1) geological units are + 0.21, -2.4, and +0.22, respectively. According to the results, the drainage network density index is better than the drainage network fractal dimension in identifying and separating of the studied geology and lithological units of K^S, gd and K^(t-1) in the region.
Conclusion
The results of the accuracy assessment of both techniques are very good and similar to each other. Therefore, in this comparison, both techniques of drainage network density index and drainage network fractal dimension have high efficiency in identifying and separating of the geological studies unit. However, The drainage network density technique is the best technique of quantitative parameters non-dimensionalization in geomorphological studies in identifying and separating of geological units in the Taft watershed, Yazd.
Keywords: QQ Diagram, Fractal Technique, Drainage Network Density, Yazd.

کلیدواژه‌ها [English]

  • QQ Diagram
  • Fractal Technique
  • Drainage Network Density
  • Yazd
  • آق اتابای، مریم؛ سرکاری نژاد، خلیل، 1383، ماهیت فراکتالی (ناوردائی مقیاسی Scale Invariance) دوبلکس‌های منطقه هنشک، زون سنندج – سیرجان، هشتمین همایش انجمن زمین‌شناسی ایران.
  • احمدی، حسن،1390، ژئومورفولوژی کاربردی جلد 1 (فرسایش آبی)، انتشارات دانشگاه تهران.
  • اختصاصی، محمد رضا، 1390، جزوه درسی ژئومورفولوژی کمی، دانشکده منابع طبیعی و کویر شناسی دانشگاه یزد.
  • اسکندری، سعید؛ مدنی، سید حسن؛ رسولی، وامق؛ تخم چی، بهزاد، 1387، تعیین نقاط بهینه حفاری‌های آتی در معدن شماره 3 گل گهر سیرجان با استفاده از شبیه‌سازی متوالی گوسی- فراکتالی، نشریه علمی-پژوهشی مهندسی معدن، دوره سوم، شماره 5، صص. 11-19.
  • افشار نجفی، صادق؛ رحیمی، بهنام؛ احمدی روحانی، ریحانه؛ قائمی، فرزین، 1394، مطالعه الگوهای آماری و فراکتالی آرایه شکستگی‌های توده گرانیتی شرق بجستان بر پایه روش‌های دورسنجی. دومین کنگره بین‌المللی زمین‌شناسی کاربردی دانشگاه آزاد اسلامی مشهد، گروه زمین‌شناسی.
  • ایلدرمی، علیرضا؛ سپهری، مهدی، 1397، فرسایش پذیری سازند های زمین شناسی با استفاده از تحلیل بعد فراکتال شبکه زهکشی (مطالعه موردی: دامنه های شمالی همدان)، مجله ژئومورفولوژی کمی. سال ششم، شماره 4، صص. 70-87.
  • باقری، محمد علی، 1380، مدل­سازی سطوح درزه­ها با استفاده از هندسه­ی فراکتال، پنجمین همایش انجمن زمین‌شناسی ایران.
  • برزگری، ودیعه؛ زندوانیان، اعظم؛ میری، زهرا؛ واعظی زاده، سپیده، 1393، مطالعات جامع زمین‌شناسی و ژئومورفولوژی حوزه آبخیز رستم آباد-اشکذر، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه یزد.
  • بهاالدین، مجتبی؛ کریمی نسب، سعید؛ منصوری، حمید، 1383، توصیف قابلیت انفجار توده­سنگ به کمک بعد فراکتال، دومین کنفرانس مکانیک سنگ ایران.
  • پسند، سید علی؛ خانلری، غلامرضا؛ محمدی، سید داوود، 1383، کاربرد هندسه فراکتال در اکتشاف گسل‌ها (مطالعه موردی تونل‌های گلاب)، کنفرانس بین‌المللی زلزله (یادواره فاجعه بم).
  • جمال آبادی، جواد؛ زنگنه اسدی، محمد علی؛ فاتحی، زهرا؛ رباط سرپوشی، مریم، 1395، بررسی تأثیر تکتونیک در ویژگی های کمی شبکه های زهکشی (مطالعه موردی:حوضه های بار، بقیع و قلعه میدان در دامنه جنوبی رشته کوه بینالود)، مجله ژئومورفولوژی کمی. سال چهارم، شماره 4، صص. 87-103.
  • خوش برش، امیر رحیم؛ گشتاسبی، کامران، 1380، مدل‌سازی فراکتالی شاخص کیفیت سنگ (RQD) الگویی مناسب جهت توصیف کیفی سنگ‌ها، اولین کنفرانس مکانیک سنگ ایران.
  • درخشان، حسن؛ عابدینی، محمد جواد؛ طالب بیدختی، ناصر، 1388، تجزیه بارندگی به کمک ایده فراکتالی بودن خصوصیات درونی و بیرونی آن، پنجمین همایش ملی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.
  • شایان، سیاوش؛ یمانی، مجتبی؛ یادگاری، منیژه، 1394، مورفولیتولوژی توده الوند و نقش آن در مورفومتری و الگوی شبکه زهکشی، مجله ژئومورفولوژی کمی، سال چهارم، شماره 3، صص. 1-16.
  • شایسته فر، محمد رضا؛ رسا، ایرج، 1384، تحلیل داده‌های چند متغیره کانسار سرب و روی قنات مروان کرمان، مجله علوم زمین، دوره ی پانزده، شماره 57، صص. 134-145.
  • عدل، ایرج؛ مهروند، صمد، 1383، بعد فرکتالی و مشخصات هیدرولوژیکی حوزه‌های آبخیز، اولین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف.
  • علیمرادی، مهتاب، 1395، بررسی ارتباط پارامترهای کمی و بعد فراکتال الگوهای ژئومورفولوژی و سازندهای زمین‌شناسی در ارتباط با شاخص‌های هیدرولوژی و رسوب (مطالعه موردی: حوزه‌های آبخیز استان ایلام)، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه یزد.
  • فتاحی، محمد هادی؛ جهانگیری، حسن، 1393، بررسی ارتباط ویژگی‌های برخال شبکه‌ی رودخانه و سری‌های زمانی جریان رودخانه، مجله‌ی مهندسی منابع آب، دوره هفتم، شماره 20، صص. 1-9.
  • قدم پور، زهرا؛ طالب بیدختی، ناصر، 1390، محاسبه بعد فراکتالی در رودخانه‌های پیچانرودی با استفاده از روش شمارش جعبه‌ای، ششمین کنگره ملی مهندسی عمران.
  • کرم، امیر؛ صابری، میترا، 1394، محاسبه ی بعد فرکتال در حوضه های زهکشی و رابطه ی آن با برخی خصوصیات ژئوموفولوژیکی حوضه )مطالعه موردی:حوضه های آبریز شمال تهران،. مجله ژئومورفولوژی کمی، سال چهارم، شماره 3، صص. 153-167.
  • کرمی، فریبا؛ رجبی، معصومه؛ اباذری، کلثوم، 1397، تحلیل ناهنجاری های شبکه زهکشی و ارتباط آن با تکتونیک فعال در حوضه های آبریز شمال تبریز، مجله ژئومورفولوژی کمی، سال هفتم، شماره 1، صص. 30-47.
  • ملکشاهی، محمد؛ طالبی، علی؛ ثبوتی، سیران، 1391، بررسی روابط خطی و غیرخطی بین بعد فراکتال و دبی متوسط سالانه (مطالعه موردی رودخانه‌های استان لرستان)، سومین همایش ملی مدیریت جامع منابع آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی.
  • نیکویی، احسان؛ حیدری، مهدی؛ طالب بیدختی، ناصر؛ حکمت زاده، علی اکبر، 1387، هندسه فراکتالی در مهندسی رودخانه: ایده‌ها، مفاهیم اساسی و دستاوردها، چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه تهران.
  • همایون نژاد، ایمان؛ شجاعی، سعید، 1395، کاربرد علم فراکتال در ارزیابی حوزه آبخیز (مطالعه موردی: حوزه آبریز دویرج)، سومین همایش و نمایشگاه محیط زیست و بحران‌های پیش رو (با محوریت کمبود آب و آلودگی‌های شهری و صنعتی).
    • Allen, M., Brown, G.J., Miles, N.J., 1995. Measurement of Boundary Fractal Dimensions: Review of Current Techniques. Powder Technology, 84(1): 1-14.
    • Ariza.V. A, Jiménez-Hornero. F., Gutiérrez de Ravé. E., 2013. Multi-fractal analysis applied to the study of the accuracy of DEM-based stream derivation. Geomorphology. (197): 85-95.
    • Beauvais, A., Montgomery, D.R., 1996. Influence of Valley Type on the Scaling Properties of River Plan Forms. Water Resour. (32): 1441-1448.
    • Bi, L., He, H., Wei, Z., Shi, F., 2012. Fractal properties of landform in the Ordos Block and surrounding areas,China. Geomorphology (175): 151-162.
    • Breslin M.C. Belward, J.A. 1999. Fractal dimensions for rainfall time, Mathematics and Computers in Simulation (48): 437-446
    • Dimri, V.P., Ravi Prakash, M. and Chamoli, A., 2009. Seismicity of Doon Valley, North West Himalaya, India: A Fractal Approach. EGU General Assembly Conference Abstracts. (11).
    • Ghosh, A. And Daemen, J.K., 1993. Fractal Characteristics of Rock Discontinuities. Eng. Geol. (34): 1-9.
    • Idziak, A. and Teper, L., 1996. Fractal Dimension of Faults Network in the Upper Silesian Coal Basin (Poland): Preliminary Studies. J. of Pu. Appl. Geophys. 147(2).
    • Islam, M. N., Sivakumar, B., 2002. Characterization and Prediction of Runoff ynamics: A Nonlinear Dynamics View, Advances in Water Resources. (25): 179-190.
    • Mandelbrot, B., 1967. How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and fractiona dimension. Science. (156): 636-638.
    • Mandelbrot, B.B., 1977. Fractals: Form, Chance and Dimension. W.H. Freeman and Co, San Francisco, CA.
    • Men, B., Zhao, X., Liang, C., 2004. Chaostic Analysis on Monthly Precipitation on Hills Region in Middle Sichuan of China, Nature and Science. 2(2): 45-51.
    • Movahed, M. S. Hermanis, E. 2008. Fractal analysis of river flow fluctuations, Physica A. (387):  915-932
    • Nikora, V. I., 1991. Fractal Structures Of River Plan Forms. Water Resour. Res. 27(6).
    • Nikora, V.I., Sapozhnikov, V.B., 1993. River network fractalgeometry and its computer simulation. Water Resources Research. (29): 3565-3575.
    • Sammis, C.G., An, L.J., Ershaghi, I., 1991. Three Dimensional of The Fracture Network at The Geysers Geothermal Field. Paper presented at the 17th Annual Workshop Geothermal Reservoir Engineering, Stanford, CA, 29-31 January.
    • Shang P. and kamae S. 2005. Fractal Nature of Time Series in the Sediment Transport Phenomenon. Chaos Solitions & Fractals 26: 997-1007.
    • Shen, X.H., Zou, L.J., Li, H.S., 2002. Successive Shift boxcounting Method for Calculating Fractal Dimension and Its Application in Identification of Fault. Acta Geol, Sin.-Engl. 76: 257-263.
    • Shen, X.H, L.J. Zou, G.F. Zhang, N. Su, W.Y. Wu, S.F. Yang. 2011. Fractal Characteristics of the Main Channel of Yellow River and Its Relation to Regional Tectonic Evolution. Geomorphology, 127: 64-70.
    • Sivakumar, B., Berndtsson, R., Olsson, J., Kawamura, A., 2009. Dynamic of Monthly RainfallRunoff Process at the Gota Basin: A Search for Chaos, Chaos, Solitons and Fractals, 41: 368-379.
    • Snow, R.S., 1989. Fractal Sinuosity of Stream Channels. Pure Appl. Geophys, 131, 99-109.
    • Tarboton, D.G., 1996. Fractal River Networks, Horton's Laws and Tokunaga Cyclicity. J. Hydrol, 187: 105-117.
    • Turcotte, D.L., 1992. Fractal and Chaos in Geology and Geophysics. Geophysics Combridge University Press, Combridge: 121.
    • Wu, J., Lu, J., Wang, J., 2009. Application of Chaos and Fractal Models to Water uality Time Series Prediction, Environmental Modeling & Software, 24: 632-636.