ارزیابی روش‌ های درون ‌یابی در برآورد تراز سطح آب زیرزمینی (مطالعه موردی: دشت ‌های خراسان رضوی)

مقدمه: در بیش ‌تر پدیده‌های جغرافیایی و علومی نظیر هیدرولوژی و هواشناسی که نمونه‌گیری در آن بسیار هزینه‌بر است، مشاهدات به‌طور نقطه‌ای و با تراکم اندک انجام می‌پذیرد. انتخاب یک روش درون‌یابی مناسب برای مدیریت منابع آب مهم است زیرا بر دقت و کاهش هزینه تاثیر می‌گذارد. درون‌یابی که در علوم مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد، در درجه اول با هدف پیش‌بینی مقادیر ناشناخته از طریق طیف وسیعی از مدل‌های ریاضی و آماری است. اطمینان از روش درون‌یابی و صحت آن باعث صرفه‌جویی در هزینه و افزایش دقت تصمیم‌گیری می‌شود. به طور کلی روشی که در همه پدیده‌ها و مکان‌ها راه حل بهینه ارائه کند یافت نمی‌شود. با توجه به شرایط محیطی منطقه باید روش‌های مختلفی برای تعیین بهینه‌ترین رویکرد ارزیابی شود.  مواد و روش‌ها: محدوده مورد مطالعه گناباد به مساحت 1805.6 کیلومترمربع که 1048.7 کیلومترمربع آن دشت و بقیه ارتفاعات است. در پژوهش حاضر هدف اصلی، ارزیابی و مقایسه‌ی روش‌های رایج درون‌یابی در دشت‌هایی از استان خراسان رضوی می‌باشد. دشت‌های گناباد و سرخس به جهت شرایط هیدرولوژی و هیدروژئولوژی متفاوت از یکدیگر مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین در این پژوهش، روش‌های وزن‌دهی معکوس فاصله (idw)، کریجینگ (ساده، معمولی)، کریجینگ کمکی، توابع پایه شعاعی و روش تیسن به‌عنوان درون‌یابی برای مطالعه انتخاب شدند و تمامی این روش ها با اعتبارسنجی تقاطعی مورد ارزیابی قرار گرفتند.  نتایج و بحث: در پژوهش حاضر، دو روش درون یابی idw و کریجینگ، تخمین های به‌مراتب مناسب‌تری نسبت به بقیه روش‌های موردمطالعه ارائه کردند. در مقایسه این دو روش، idw به عنوان یک روش کلاسیک به علت این‌که پارامتر‌های کم‌تری نیاز دارد؛ کاملاُ ساده‌تر قابل‌اجراست. با این حال، ازآنجایی‌که ترتیب داده‌ها و همبستگی بین آن‌ها را در نظر نمی‌گیرد، از دقت کم‌تری در مقابل کریجینگ برخوردار است. از سوی دیگر، روش‌های زمین‌آماری همچون کریجینگ، ضمن ارائه دقت بهتر، به دلیل فرضیه‌هایی مانند نرمال بودن داده‌ها، نیازمند آزمون‌های آماری، انتقال داده‌ها، توزیع داده‌ها و تحلیل ساختار مکانی است که این خود باعث پیچیدگی و زمان‌بر شدن و ایجاد خطا گردید. در این مطالعه برای ارزیابی سطح آب زیرزمینی در شرایط مختلف، از اطلاعات دو ماه از سال در هر دوره زمانی به عنوان نماینده دوره‌های ترسالی (بهمن‌ماه) و خشک‌سالی (مردادماه) استفاده شد. برخلاف تصور قبلی، به دلیل خشکی آب و هوا و کم بارندگی در دشت های استان، تفاوتی بین این دو ماه مشاهده نشد.  نتیجه‌گیری: اعمال روش‌های درونیابی بر روی دو دوره زمانی مختلف به جهت بررسی افت بلند مدت انجام پذیرفت که در دشت گناباد با مقدار rmse 11.96 متر، برای idw 14.02و 14.49 متر برای کریجینگ ساده و معمولی، روش‌های برتر شناسایی شدند. در دشت سرخس روش‌های کریجینگ ساده و معمولی و همچنین وزن‌دهی‌معکوس‌فاصله با مقادیر rmse 1.41، 1.58 و 11.83متر بهینه‌ترین روش‌ها معرفی شدند. در نمایش پهنه‌بندی سطوح آب زیرزمینی که در انتهای هر دشت به‌وسیله‌ی نقشه آبخوان و تغییرات تراز سطح آب زیرزمینی نشان داده شد؛ مشخص شد که نوسانات ارتفاعی با اطلاعات موجود در بررسی‌های هیدروژئولوژی هر محدوده تا حد زیادی مطابقت دارد. با تحلیل نتایج پیش‌بینی‌های انجام گرفته، در طی سال 1392 و 1396 افت‌تراز سطح آب زیرزمینی بر اساس بهترین و بهینه‌ترین روش‌های اعمال شده در دشت‌های مطالعاتی گناباد، سرخس مقداری ناچیز و قابل چشم‌پوشی در حدود 4، 7 و 5 متر است. در درون‌یابی دشت‌های استان، آبخوان دشت سرخس از دیگر محدوده مطالعاتی دقت بالاتری را از خود به نمایش گذاشت؛ علت این اتفاق چیدمان صحیح ایستگاه‌های نمونه‌برداری و چگالی مناسب نقاط در نمونه‌برداری از دشت مذکور بود.

evaluation of interpolation methods in estimating the groundwater level (case study: razavi khorasan plains)

introduction: in many geographical and scientific phenomena such as hydrology and meteorology, where sampling is costly, observations are often sparse and pointwise. selecting an appropriate interpolation method is crucial for water resource management, as it significantly impacts accuracy and cost reduction. interpolation, utilized across various sciences, primarily aims to predict unknown values through a range of mathematical and statistical models. ensuring the interpolation method and its correctness saves money and increases the accuracy of decision making. in general, a method that provides an optimal solution in all phenomena and locations is not found. considering the environmental conditions of the region various methods should be assessed to determine the most optimal approach. materials and methods: the study area of gonabad, with an area of 1805.6 km2, of which 1048.7 km2 are plains and the rest are highlands. in this research, the main goal is to evaluate the common methods of interpolation in the plains of razavi khorasan province. the plains of gonabad and sarakhs were studied due to their different hydrological and hydrogeological conditions; also, in this review, inverse distance weighting (idw) methods, kriging (simple, ordinary), cokriging, radial basis functions, and thiessen’s method were selected as interpolators for the study; and all these methods were evaluated by cross-validation. results and discussion: in the present study, two methods of interpolation, idw and kriging, produced much more appropriate estimates than the rest of the studied methods. in comparing these two methods, idw, as a classic method, requires fewer parameters and is simpler to implement. however, since it does not take into account the arrangement of data and the correlation between them, it is less accurate than kriging. on the other hand, geostatistical methods such as kriging, while offering better accuracy, require statistical tests, data transfer, data distribution, and spatial structure analysis due to hypotheses such as normality of data. this complexity and time-consuming nature can lead to errors. in this study, to assess the groundwater level under different conditions, information from two months of the year was utilized in each time period as representative of wet (february) and dry (august) periods. contrary to previous ideas, due to the dry climate and low rainfall in the plains of the province, no significant difference was observed between these two months. contrary to previous assumptions, the dry climate and low rainfall in the plains resulted in no significant difference between these two months. conclusion: applying interpolation methods to two different time periods was conducted to investigate long-term decline. in the gonabad plain, the best methods were identified with rmse values ​​of 11.96, 14.02 and 14.49 meters for idw, ordinary kriging and simple kriging, respectively simple and ordinary kriging methods as well as idw with rmse values ​​of 1.41, 1.58 and 11.83 m, respectively, were introduced in the sarakhs plain as the most optimal methods. in depicting the zoning of groundwater levels, as illustrated at the end of each plain by the aquifer map and changes in water level, it was found that height fluctuations corresponded to the information available in hydrogeological surveys of each region to a large extent. analyzing the forecast results during the years 2012 to 2016, the decrease in groundwater level, based on the best and most optimal methods applied in the study plains of gonabad and sarakhs, amounted to a negligible four, seven, and five meters. in the province’s plains, the sarakhs plain aquifer exhibited higher accuracy than others. this was attributed to the correct arrangement and density of sampling stations in this plain.