مدل سازی مکانی سرعت صوت در خلیج فارس با استفاده از روش های زمین آماری

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 49، تابستان 98

مدل سازی مکانی سرعت صوت در خلیج فارس با استفاده از روش های زمین آماری

حسام الدین مهرفر[1]  ^*

hmehrfar@gmail.com

محمد اکبری نسب[2]

امیر سیه سرانی ^[3]

امین رئیسی [4]

چکیده

طی گشت تحقیقاتی راپمی 2001 پارامتر فیزیکی سرعت صوت در خلیج فارس اندازه­گیری شد. محدوده ایستگاه­های انتخابی برای اندازه­گیری این پارامترها کل خلیج فارس را شامل می­شد. البته این اندازه­گیری ها به صورت گسسته از منطقه^ء مورد مطالعه صورت گرفته- است. در این تحقیق به مدل­سازی مکانی پارامتر فیزیکی سرعت صوت در خلیج فارس با کمک تحلیل­گر زمین آماری نرم افزار ArcGIS  پرداخته شده است، که حاصل کار، ایجاد نقشه های پیوسته­ای از پارامتر حاضر در اعماق مختلف با اعتبار سنجی بالا می­باشد. این نقشه­های هوشمند این قابلیت را دارند که با کلیک کردن نشان­گر ماوس، مقدار پارامتر مورد تحلیل هر مختصات مکانی     در ناحیه مورد مطالعه را پیش بینی نمایند. همچنین با تحلیل این نقشه ها نتیجه شد که سرعت صوت در اعماق سطحی­تر در بخش­های مرکزی به دلیل دما و شوری بالاتر، بیشترین مقدار و در قسمت­های شرقی و غربی به دلیل مجاورت با آب­های کم شور دریای عمان      در اطراف تنگه هرمز در بخش شرقی و اروندرود در بخش غربی این خلیج، کم­ترین مقدار را دارد. همچنین در آب­های عمیق تر به دلیل خروج آب شورتر خلیج فارس به دریای عمان، در اطراف تنگه هرمز و سواحل جنوبی خلیج فارس صوت بیش­ترین سرعت را دارد.   

کلمات کلیدی: خلیج فارس، مدل­سازی مکانی، سرعت صوت، سیستم اطلاعات جغرافیایی

Sound Speed Spatial Modeling in Persian Gulf using Geostatistical Techniques

Hesameddin Mehrfar [5]^*(Corresponding Author)

hmehrfar@gmail.com

Mohamad Akbarinasab [6]

Amir Siah Sarani ^[7]

Amin Raeisi [8]

Abstract

During research patrol of 2001 ROPME, the physical parameters of sound velocity in the Persian Gulf were measured. The range of stations selected to measure these parameters included the entire Persian Gulf. However, these measurements were discrete from the study area.In this study sound speed was spatially modeled in Persian Gulf using the geostatistical analyst Arc GIS 9.2 software to prepare continuous and high validity maps of sound speed at different depths. These smart maps can be used to predict sound speed at any spatial coordinates in the study area by clicking the mouse pointer. Moreover, analysis of these maps led us to the conclusion that sound speed was highest in the shallower central parts but lowest in the eastern and western parts of the Gulf. The reason for this is the higher temperature and salinity in the central parts and the proximity of the eastern and western parts to the low-salinity waters of the Oman Sea around the Hormuz Strait in the eastern part and Arvandrood in the western part. The deeper waters also had the maximum sound speed around the Hormuz Strait and in the southern shores of the Persian Gulf where the more saline waters of the Gulf poured into the Oman Sea.

Key Words: Persian Gulf, Spatial modeling, Sound speed, Geographical information system.

مقدمه

خلیج فارس یک منطقه نظامی، اقتصادی و سیاسی مهم و استراتژیک در دنیای کنونی ما است. فعالیت اقتصادی و صنعتی کشورهای حاشیة خلیج فارس بیش­تر مبتنی بر تولید فرآورده­های نفتی است که از طریق این خلیج توسط کشتی حمل می­گردد. در کنار نفت منطقه، کشور های حاشیه­ای خلیج فارس یکی از بزرگ­ترین دارندگان ذخایر گاز طبیعی جهان می­باشند که در حدود 36% ذخایر گاز دنیا است. خلیج فارس از دوره هخامنشیان تا امروز همواره اهمیت استراتژیک داشته و به­ویژه در دوره جنگ جهانی دوم و دوره جنگ سرد بر اهمیت و شهرت جهانی آن افزوده شد و با آغاز نظام جمهوری اسلامی- ایران و بر هم خوردن معادلات جهانی و بروز سه جنگ، موسوم به جنگ های سه گانه خلیج فارس و با توجه به اهمیت اقتصادی و جهان­گردی که کشور های حاشیه عربی آن پیدا کرده­اند، این منطقه را به نقطه مهمی تبدیل کرده است. این خلیج با ژرفای کم در موقعیت جغرافیایی مدار 24 الی 30 درجه و 30 دقیقه عرض شمالی و نصف النهار 48 الی 56 درجه و 35 دقیقه طول شرقی از نصف النهار گرینویچ، قرار گرفته است. خلیج فارس تقریبا 990 کیلومتر درازا و به­طور ماکزیمم 370 کیلومتر پهنا دارد (پهنای آن از 185 تا 370 متغیر بوده و در تنگه هرمز به 56 کیلومتر می رسد). میانگین عمق آن 36 متر است(1). تحقیقات گسترده ای در خلیج فارس توسط محققین داخلی و خارجی در خصوص، پارامتر های فیزیکی خلیج فارس صورت گرفته است؛ از عمده­ترین تحقیقات دریایی در منطقه خلیج فارس می­توان به گشت تحقیقاتی منت میشل[9] (Reynolds، 1993)، گشت­های تحقیقاتی منطقه­ای راپمی 2000، 2001 و 2006 اشاره نمود(2).

یکی از مهم­ترین مطالعات دهه اخیر، مطالعاتی است که توسط سازمان منطقه­ای حفاظت از محیط زیست دریایی (ROPME[10]) صورت گرفته است. گشت­های تحقیقاتی راپمی 2000، 2001 و 2006 با کشتی تحقیقاتی قدس متعلق به سازمان بنادر و دریانوردی جمهوری اسلامی ایران و با همکاری کشورهای حاشیه­ای خلیج فارس، دریای عمان و دریای عرب (منطقة دریایی راپمی) و با حمایت و تامین مالی سازمان منطقه ای حفاظت از محیط زیست دریایی (ROPME) انجام شد که مجری این پروژه ها، معاونت محیط زیست دریایی سازمان محیط زیست جمهوری اسلامی ایران بود. این پروژه ها به منظور بررسی آخرین وضعیت فیزیک و شیمیایی، بیولوژیکی، آلودگی و شرایط زیست محیطی منطقه خلیج فارس صورت گرفت. گشت های تحقیقاتی راپمی 2000، 2001 و 2006 برای اولین بار توسط متخصصین منطقه و کشورهای عضو راپمی و با مدیریت متخصصین ایران اسلامی انجام پذیرفت. لازم به ذکر است که در سال های گذشته انجام چنین گشت­های تحقیقاتی گسترده، توسط متخصصین خارجی صورت پذیرفته بود. در این ارتباط، می توان به گشت تحقیقاتی منت میشل در سال 1992 توسط متخصصین آمریکایی(3) و نیز گشت تحقیقاتی اومیتا کامارو توسط متخصصین ژاپنی در سال 1993 در این منطقه اشاره داشت(2). داده مورد استفاده در این تحقیق توسط دستگاه CTD در جریان گشت راپمی 2001 که در 6 آگوست سال 2001 (15 مرداد ماه 1380) از تنگه هرمز (بندرعباس در ایران) شروع و در 28 آگوست (6 شهریور ماه 1380) در بندر الشیوخ کویت خاتمه یافت، جمع­آوری شده است. حاصل این گشت تحقیقاتی، جمع ‌آوری اطلاعات و داده‌ ها در 80 ایستگاه می ‌باشد که در 14 ترانسکت طی 2 مرحله (Leg 1, Leg 2) انجام پذیرفت. در شکل 1 موقعیت ایستگاه­های نمونه برداری نشان داده شده است. همان­طوری­که اشاره شد، طی گشت­های تحقیقاتی راپمی 2001 پارامتر های فیزیکی دما، شوری (رسانایی الکتریکی) و فشار (عمق) در خلیج فارس اندازه­گیری شده­اند. محدوده ایستگاه­های انتخابی برای اندازه گیری این پارامترها کل خلیج فارس    را شامل می­شد. البته این اندازه گیری ها به صورت گسسته از منطقه^ء مورد مطالعه صورت گرفته­اند. در تحقیق حاضر هدف، مدل­سازی مکانی پارامتر سرعت صوت با کمک تحلیل­گر زمین مکانی نرم افزار  ArcGIS می­باشد، که نتیجة کار، ایجاد نقشه های پیوسته ای از پارامتر های حاضر در اعماق مختلف می باشد. تعیین سرعت صوت فرآیندی تجربی است که بر- اساس سه پارامتر اصلی دما، شوری و عمق در نواحی مختلـف صورت می­گیرد. سرعت صوت در آب دریا یکی از مهم­ترین پارامترهایی است که در اکثر فعالیت­های میدانی مورد نیاز بوده و در بسیاری از تحقیقات نظامی، شیلاتی، مخابرات دریایی و هیدروگرافی، بر اساس آن محاسبات صورت می­گیرد.مثلا می­توان گفت که عملکرد سونار[11] وابسته به سرعت صوت می­باشد.

دستگاه CTD از حس­گرهای رسانایی الکتریکی (شوری)، دما، و فشار (عمق) با استفاده از چندین فرمول مشهور برای محاسبه سرعت صوت بهره می گیرد. Pike و Beibor (1993) این فرمول ها را مقایسه کردند و به نتیجه رسیدند که برای کار در فلات قاره ()، فرمول پیشنهاد شده توسط Chen و Millero (1977) بسیار مناسب است و برای عمق­های عمیق­تر استفاده از فرمول پشنهادی Del Grosso (1974) را ترجیح دادند(4). ما نیز در این تحقیق از فرمول Chen و Millero (1977) بهره گرفته ایم(5). فرمول Chen و Millero (1977) که به یک الگوریتم استاندارد بین المللی توسط UNESCO تبدیل شده است، به صورت زیر است:

که در آن  T، دما بر حسب درجه سانتی گراد، S، بر حسب ppt یا psu و P، بر حسب bar است.

Wong و Zhu (1995) ، گسترة اعتباری فرمول فوق را دماهایی در بازة 0 تا 40 درجة سانتی گراد، شوری در بازة 0 تا 40 جزء در هزار، و فشار 0 تا 1000، bar دانستند. ضرایب موجود در فرمول فوق الذکر همگی در جدول 1 آمده اند.    

جدول 1- مقدار ضرایب موجود در فرمول Chen و Millero (1977).

مواد و روش ها

تحلیل­گر زمین ­آماری ^®ArcGIS شرکت ESRI^® توسیعی برای عملکرد­­های مجموعه نرم افزاری ArcGIS است که قادر به مدل­سازی پیشرفته^ء سطوح با استفاده از روش­های جبری و زمین آماری می­باشد. تحلیل­گر زمین آماری را می­توان انقلابی در علوم زیست محیطی از جمله اقیانوس شناسی و هواشناسی دانست، چراکه این تحلیلگر را می توان به­عنوان پلی بین شکاف بزرگ زمین آمار و GIS دانست. تحلیل­گر زمین آماری از نقاط نمونه برداری شده استفاده می­کند و سطوح پیوسته­ای را ایجاد می­کند (درونیابی می­کند). تحلیل­گر زمین آماری دو گروه از تکنیک­های زمین آماری را فراهم می­آورد: جبری[12] و زمین آماری[13]. در حقیقت می­توان گفت همة روش­ها به یکدیگر شبیه­اند چراکه از نقاط نمونه برداری شدة مجاور برای ایجاد سطح استفاده می­کنند. تکنیک­های جبری از توابع ریاضی برای درونیابی استفاده می­کنند. ولی روش­های زمین آماری از هر    دو روش ریاضی و آماری بهره می­برد، که می­تواند برای ایجاد سطوح بکار برده شود و این قابلیت را دارد که خطای برآورد یا عدم قطعیت پیش بینی را تعیین کند(6و9).

در این تحقیق، ابتدا نقشه­ای از منطقه مورد مطالعه تهیه گردید، این نقشه به­صورت یک نقشه رقومی می­باشد که     قابل استفاده در نرم افزار  ArcGIS است. این نقشة digit شده، دارای سیستم مختصات جغرافیایی با Datum،  WGSمی­باشد. مختصات مکانی تمامی ایستگاه­های نمونه برداری شده در هر گشت تحقیقاتی در ابتدا توسط ابزارهای موجود در ArcMap نمایش داده شد، سپس توسط برنامه جنبی XTools، نقاط را از حالت Graphic به
Shape تبدیل گردید(شکل1) و در نهایت لایه­ای برای همة ایستگاه­های موجود در گشت تهیه شد. با استفاده از داده­های CTD موجود در ارتباط با پارامتر سرعت صوت، پایگاه داده­ای برای سطح دریا و اعماق 10، 15، 20، 30 ، و 40 در هر گشت ایجاد شد (شکل های 2 تا 6). جدول توصیفی لایة مربوط     به ایستگاه های تحقیقاتی را با پایگاه دادة ایجاد شده، Join نموده و در نهایت تحلیل پارامتر سرعت صوت موجود در جدول توصیفی جدید شروع شد. این کار با تحلیل­گر زمین آماری صورت گرفت و از روش کریجینگ معمولی[14] استفاده شد. با استفاده از مجموعه فرآیندهای هدایتی موجود در کادرهای محاوره­ای تحلیل­گر زمین آماری و پاره­ای از مباحث بنیادی    در این ارتباط، نقشه­های پیش بینی ایجاد شد. این نقشه ها   این قابلیت را دارند که با کلیک کردن نشان­گر ماوس، مقدار پارامتر مورد تحلیل هر مختصات مکانی در ناحیه مورد مطالعه را پیش بینی نمایند.

شکل 1 -نقشة ایستگاه­های اندازه گیری ROPME 2001.

شکل2- مدل­سازی مکانی سرعت صوت در آب­های سطحی در سطح خلیج فارس

شکل3- مدل­سازی مکانی سرعت صوت در عمق 10 متری در سطح خلیج فارس

شکل4 -مدل­سازی مکانی سرعت صوت در عمق 20 متری در سطح خلیج فارس

شکل5- مدل­سازی مکانی سرعت صوت در عمق 30 متری در سطح خلیج فارس

شکل6- مدل­سازی مکانی سرعت صوت در عمق 40 متری در سطح خلیج فارس