شبکه بسیار ظریف برای رودخانه ها

غنای گونه ای و ویژگی های آب های جاری در سراسر جهان چگونه به هم مرتبط هستند؟ این سوال توسط تیمی به سرپرستی سامی دومیش در موسسه Leibniz-Für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) در آلمان مطرح شده است.

برای کمک به پاسخ به این سوال، محققان نقشه‌ای با بالاترین وضوح از سیستم‌های رودخانه‌ای جهان که تاکنون تولید شده است، تهیه کرده‌اند. این نقشه مبنایی را برای تجزیه و تحلیل دقیق از ویژگی‌های زیستگاه‌های رودخانه‌ای و نحوه ارتباط آنها فراهم می‌کند.

رودخانه‌ها راه نجات تمام خشکی‌های روی زمین هستند. این همچنین در نقشه ای که سامی دومیش با همکاری سایر محققان از IGB و دانشگاه ییل تهیه کرده است قابل مشاهده است: شبکه ای با شاخه های ظریف از بخش های بالقوه رودخانه در تمام قاره ها امتداد دارد. این نقشه بر اساس مجموعه داده های “Hydrography90m” است که محققان دو سال و نیم صرف ساخت آن بر روی یک ابر رایانه در دانشگاه ایالات متحده کردند.

نقشه برداری دقیق

البته این نقشه در نوع خود اولین نیست. رودخانه ها و توزیع آنها در سراسر جهان در حال حاضر در مدل های متعدد نشان داده شده است. همه این نقشه ها بر اساس داده های ماهواره ای از نقش برجسته های توپوگرافی است: هر جا شکاف هایی در چشم انداز با ویژگی های خاص وجود داشته باشد، به طور بالقوه یک جریان آب نیز وجود خواهد داشت. و با این حال، هیچ مجموعه داده دیگری به اندازه Hydrography90m دقیق نیست.

سامی دومیش گفت: “ما یک مدل ارتفاعی با وضوح بالا از زمین گرفتیم و از نرم افزار منبع باز برای استخراج شبکه رودخانه از آن استفاده کردیم. برخلاف سایر مجموعه های داده قبلی، Hydrography90m همچنین بازوهای کوتاه و بسیار کوتاه آب های جاری را نقشه برداری می کند.” سطح دقت در نام است: کوتاه ترین واحد 90 متر طول دارد. از آنجایی که رودخانه های کوچک بیشترین سهم شبکه رودخانه های جهانی را به خود اختصاص می دهند (حدود 70%)، نقش مهمی در تنوع زیستی رودخانه ایفا می کنند.

مدل سازی دبی رودخانه ها

مجموعه داده ها در مجموع 726 میلیون بخش رودخانه بالقوه را شامل می شود. اصطلاح «پتانسیل» در این زمینه بسیار مهم است: سامی دومیش گفت: «در ابتدا، ما نمی‌دانیم رودخانه‌ها واقعاً کجا جریان دارند. دانشمند و تیمش در حال حاضر در حال مدل‌سازی دبی‌ها برای شناسایی رودخانه‌هایی هستند که در واقع آب را حمل می‌کنند – چه در طول سال یا به صورت متناوب.

برای انجام این کار، آنها از داده‌های 30000 ایستگاه سنجش در سراسر جهان استفاده می‌کنند که در آن‌ها مقادیری آب در بخش‌های تعریف‌شده رودخانه برای سال‌ها جمع‌آوری شده است. علاوه بر این، محققان به داده های جامع در مورد طیف گسترده ای از پارامترهای محیطی مانند بارش، دما، کاربری زمین، ویژگی های خاک و شیب دسترسی دارند. در مدل، این پارامترها مربوط به مقادیر آب اندازه گیری شده در هر مورد است.

جوزپه آماتولی، نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: “در این رابطه، ما با یادگیری ماشین کار می کنیم. این بدان معناست که با هر مجموعه داده جدید، مدل ما در تشخیص اینکه کدام متغیرهای پارامتر مربوط به حجم آب است، بهتر و بهتر می شود.” اگر مدل کار کند، می‌توان آن را در تمام بخش‌های رودخانه در سراسر جهان اعمال کرد، حتی اگر ایستگاه سنجش نداشته باشند: در این حالت، مدل دبی احتمالی، یعنی مقدار آب رودخانه برای کل منطقه را از روی پارامترهای محیطی موجود محاسبه می‌کند.

اعتبارسنجی مدل

برای اعتبارسنجی مدل، محققان ابتدا آن را با 70 درصد از مجموعه داده‌های کمیت آب موجود تغذیه می‌کنند. پس از آموزش به این روش، مدل وظیفه تعیین مقادیر مناسب آب از پارامترهای محیطی 30 درصد باقیمانده را دارد. اگر این مقادیر به اندازه کافی با مقادیر اندازه گیری شده واقعی مطابقت داشته باشند، مدل به درستی عمل می کند – در غیر این صورت، مدل می تواند بهبود یابد.

با این حال، انحرافات سیستماتیک مدل همچنین می تواند به این معنی باشد که پارامترهای خاصی وجود دارد – که محققان هیچ داده ای برای آنها ندارند – که نقش مهمی دارند، یکی برداشت آب توسط انسان است. سپس مدل تطبیقی ​​می‌تواند برای تعیین دبی تمام بخش‌های رودخانه در سراسر جهان استفاده شود.

سامی دومیش گفت: «به‌ویژه در مناطق خشک، این احتمال وجود دارد که رودخانه‌های حاوی آب به میزان قابل توجهی کمتر از آنچه مجموعه داده‌های ما نشان می‌دهد وجود داشته باشد. این فرض همچنین توسط یک مطالعه انجام شده توسط نویسندگانی که از مجموعه داده‌های HydroRIVERS با جزئیات کمتر استفاده کردند، پشتیبانی می‌شود. آنها تخمین زدند که تنها حدود 60 درصد از رودخانه های جهان به طور متناوب یا در طول سال آب را حمل می کنند.

این مدل به سوالات کلیدی پاسخ می دهد: رودخانه هایی که به طور دائم یا موقت آب را حمل می کنند چقدر طول می کشند؟ کجا تراکم جریان زیاد یا کم وجود دارد؟ و این چه تاثیری بر تنوع زیستی دارد؟ همچنین می توان در مورد سؤالاتی از این قبیل اظهارات مفصل داد زیرا Hydrography90m حوضه های آبریز بخش های رودخانه را در مقیاس بسیار کوچک ثبت می کند.

از آنجایی که داده های زیست محیطی در حال حاضر برای هر یک از این حوضه های 5 هکتاری موجود است، این داده ها می توانند برای توصیف وجود جوامع گونه ای استفاده شوند، به عنوان مثال، کدام داده های آب و هوایی یا شیب ها با آن جوامع مرتبط است. به عنوان مثال، مناطق مختلف جهان دارای آب و هوای مدیترانه ای هستند – نه تنها حوزه مدیترانه، بلکه برخی از بخش های ساحل غربی ایالات متحده نیز.

فقط شروع

تجزیه و تحلیل ترکیب گونه‌ها در آنجا محققان را قادر می‌سازد تا در مورد جغرافیای زیستی این زیستگاه‌ها نتیجه‌گیری کنند، یعنی اینکه کدام یک از اثرات زیست‌محیطی به وجود گونه‌های خاص کمک می‌کند. و این تازه شروع آن است:

سامی دومیش می‌گوید: «وقتی بدانیم چقدر آب در کجا جریان دارد، می‌توانیم تجزیه و تحلیل دقیقی از زیستگاه‌های رودخانه‌ای در سراسر جهان انجام دهیم، تا کوچک‌ترین بازوی رودخانه». حتی در نقاطی از جهان که عملاً برای انسان غیرقابل دسترس است.

تحقیقات خلاصه شده در اینجا در Earth System Science Data منتشر شده است