بررسی روش‌های مختلف استخراج جریان‌پایه با‌استفاده از شاخص منحنی تداوم‌جریان(مطالعه موردی: ناحیه خزری)‏

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیز داری

2 عضو هیئت علمی سامان تحقیقات کشاورزی جهاد

چکیده

سابقه و هدف
استخراج جریان‌پایه و شاخص مربوطه، همواره یکی از موضوعات مهم در هیدرولوژی بوده و اطلاع از میزان آن نقش مهمی در مدیریت بهینه منابع‌آب دارد. توسعه روش‌های آنالیز جریان‌پایه از هیدروگراف جریان، یک تاریخچه طولانی مدت دارد که به پژوهش‌های تئوری و تجربی هورتون، بر می‌گردد (5). در این خصوص، مرور منابع متعدد و مفیدی برای نشان دادن روند پیشرفت ارائه شده است (27؛25؛ 14). "روش‌های مختلف آنالیز جریان با ‌استفاده از روش همبستگی، توسط ناتان و مک ماهون (1990) مورد بررسی قرارگرفت، آن‌ها روش ساده فیلتر رقومی یک‌پارامتره با ضریب پارامتر 925/0 را پیشنهاد دادند (18)". "روش‌های مختلف گرافیکی، رقومی و روش‌های مبتنی بر ردیاب‌ها توسط گونزالس و همکاران(2009) در حوزه‌های واقع در زمین‌های پست کشور هلند، مورد پژوهش قرار گرفت. نتایج نشان داد که روش‌های مبتنی بر ردیاب‌ها، مطابقت مناسبی با مشاهدات و برداشت‌های صحرایی دارد، آن‌ها نتیجه گرفتند که روش اکهارد روش مناسبی برای حوزه‌های واقع در زمین‌های پست می‌باشد(12)". با بررسی‌های انجام شده، مشخص شد که در رابطه با مقایسه روش‌های مختلف استخراج جریان پایه در اقالیم مختلف در سطح کشور پژوهش کافی انجام نشده است. هدف از این پژوهش،بررسی روش‌های مختلف استخراج جریان‌پایه با‌استفاده ازشاخص منحنی تداوم‌جریان، به منظور انتخاب مناسب ترین روش است

مواد و روش ها
در این پژوهش، جریان‌پایه و شاخص آن با استفاده از جریان روزانه بیست ایستگاه هیدرومتری واقع در ناحیه خزری و الگوریتم-های حداقل‌محلی، فواصل‌ثابت، فواصل‌متحرک، فیلتر رقومی برگشتی یک‌پارامتره، فیلتر رقومی برگشتی دو‌پارامتره، فیلتر رقومی برگشتی B-Flow و فیلتر رقومی برگشتی چاپمن استخراج شد. ضرایب فیلترهای استفاده شده در محدوده موردنیاز هر روش و با توجه به بهترین پاسخ داده شده به تغییرات ضرایب و با ‌استفاده از قابلیت نمایش گرافیکی نرم‌افزار Hydro Office و مقایسه چشمی انتخاب شد. منحنی تداوم‌جریان کلیه ایستگاه‌ها ترسیم و شاخص‌هایQ90,Q50 و نسبت هیدرولوژیکی Q90/Q50 استخراج شد. مقادیر شاخص جریان پایه به‌دست آمده با ‌استفاده از معیارهای میانگین مطلق‌خطا، انحراف معیار،خطای برآورد استاندارد و ضریب -تعیین و روابط همبستگی با نسبت هیدرولوژیکی Q90/Q50تحلیل شد. با‌توجه به‌اینکه شاخص‌های مستخرج از منحنی تداوم‌جریان با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری و مشاهده‌ای محاسبه می‌گردد و این شاخص به‌عنوان شاخص مربوط به مشارکت منابع آب‌های زیرزمینی در جریان رودخانه شناخته شده است، لذا به عنوان نماینده جریان واقعی برای بررسی ومقایسه مدل‌های استخراج آب پایه از هیدروگراف جریان رودخانه استفاده شد.
یافته ها
نتایج نشان داد، میانگین سالیانه شاخص مربوطه در کل دوره، بین حداقل 56/0 و حداکثر 91/0 نوسان می‌کند که به‌ترتیب متعلق به روش فیلتر رقومی برگشتی یک‌پارامتره و فیلتر رقومی برگشتی B-Flow می‌باشد. این مقدار نشان دهنده مشارکت بالای آب‌های زیرسطحی در تامین جریان رودخانه در منطقه پژوهش است. ماتریس همبستگی بین میانگین سالیانه طولانی مدت حاصل از تمام روش‌ها در منطقه مورد پژوهش با شاخص حاصل از منحنی تداوم‌جریان نشان داد که بالاترین ضریب‌تعیین، بین روش‌های مختلف با شاخص منحنی تداوم‌جریان به میزان 82/0 بین روش‌های B-Flow و Q90/Q50 بود و کمترین آن به‌روش چاپمن و فواصل‌ثابت تعلق گرفت. مقایسه انحراف‌معیار روش‌ها، نشان داد که روش B-FLOWکمترین انحراف‌معیار را دارد. در ضمن این روش، بالاترین همبستگی را با شاخص منحنی تداوم‌جریان دارد، لذا با توجه به این دو شاخص، روش فیلتر رقومی برگشتی B-FLOWنسبت به روش‌های دیگر، گزینه مناسبتری تشخیص داده شد. با توجه به معیار میانگین مطلق‌خطا و خطای برآورد استاندارد، روش یک‌پارامتره بهترین برآورد را دارد.

نتیجه گیری
در جمع‌بندی کلی نتایج تحلیل آماری، روش فیلتر رقومی برگشتی یک‌پارامتره به‌دلیل حداقل میانگین مطلق‌خطا، کمترین میزان خطای برآورد‌ استاندارد و همبستگی مناسب با ضریب تعیین 71/0 با شاخص تداوم جریان، مناسب‌ترین روش برای استخراج جریان-پایه و شاخص آن به‌دست آمد. این روش در غیاب روش‌های مبتنی بر ردیاب‌ها، به‌عنوان مناسب‌ترین روش در منطقه مورد پژوهش، تشخیص داده شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of Different Base flow Separation Methods ‎ Using Flow Duration Indices, case study: Khazar region

نویسندگان [English]

  • Rahim Kazemi 1
  • Bagher Ghermezcheshmeh 2

چکیده [English]

Objectives and Background
Extraction of the base flow index (BFI) has been one of the most important issues in hydrology and plays a key role in the optimal water resources management .Development of the base flow analysis from the hydrograph has a long-term history which date back to the theoretical and experimental research of Horton, (5). In this regard, numerous and useful literature review is presented to show progress, (14, 25, 27). Different methods of hydrograph separation were examined using correlation analysis by Nathan and McMahon (1990).they suggested a simple one parameter digital filter with 0.925 coefficients (18). Different graphical, digital and tracing methods were studied in the catchments of the lowlands of the Netherlands by Gonzalez et al (2009). Results showed that Eckhart algorithm is a good method in the lowlands (12). Literature review showed that In relation to the comparison of different base flow separation methods on the basis of different climates, enough research has not been done in the country. The aim of this study is investigation of different base flow separation methods using flow duration curve indices In order to select the most appropriate method.

Materials and methods
In this research, the base flow and BFI were extracted using daily flows of twenty gauging station located in the Khazar region. Seven algorithms were selected, four based on recursive digital filter (One-parameter algorithm, Boughton two parameter algorithm, BFLOW algorithm, Chapman algorithm) and the others on simple smoothing (Local minimum, Fixed interval, Sliding interval).Filter coefficients selected in the range required for each method according to the best response to changes in the coefficients and using the graphical display of Hydro Office software. Flow duration curve of all the stations traced and their indices were extracted. Results were evaluated using different statistical methods (Mean absolute error, Standard deviation, and Standard error of estimate, Coefficient of determination and Correlation Matrix) with respect to flow duration indices. Since the parameters extracted from the flow duration curve is calculated using the measured and observational data and this index known as an indicator of the groundwater contribution to the steam flow. Therefore, as representative of the actual flow were used for comparison of hydrograph separation models.

Results
The results showed that the average annual of BFI, fluctuate between 0.56 and 0.91, which related to one parameter recursive digital filter and B-Flow algorithms. This value represents a high ground water contribution in stream flow in the study area. Correlation matrix between different set of BFI values and flow duration curve indices showed high value of coefficient of determination between B-Flow method and Q90/Q50 and the lowest were identified between Chapman and Fixed intervals. Comparison of Standard division of different methods showed that B-FLOW has the lowest standard deviation. In addition, this method has the highest correlation with the flow duration curve index. On the basis of these two criteria’s, B-Flow recursive digital filter compared to other, was diagnosed as a better option. According to the Mean absolute error, and Standard error of estimate, one parameter method had the best estimate.

Conclusion
The overall conclusion obtained using different statistical tests were found to yield suitable estimation of base flow index by one parameter algorithm because of low Mean absolute error, the lowest Standard error of estimate and 0.71 coefficient of determination with flow duration curve index. This method in the absence of tracing methods, were diagnosed as the most appropriate method in the study area.

کلیدواژه‌ها [English]

  • BFI
  • Digital filter
  • Flow duration
  • Hydrograph Separation
  • Khazar basin‎