بررسی و تعیین عوامل مؤثر بر شکل منحنی تداوم جریان در اقلیم‌های مختلف ایران

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیز داری

2 عضو هیات علمی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیز داری

3 دانشیار پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری سازمان تحقیقات کشاورزی-وزارت جهارد کشاورزی

چکیده

سابقه و هدف : بهبود و توسعه پیش بینی‌ها در حوضه‌های فاقد آمار نیازمند فهم و درک برهم‌کنش بین مولفه‌های حوضه و پاسخ هیدرولوژیک در اقالیم مختلف است. منحنی‌ تداوم‌جریان، یکی از مناسب‌ترین روش‌های نمایش پاسخ هیدرولوژیک حوضه است و کاربرد‌های مختلفی در گرایش‌های مختلف هیدرولوژی و علوم وابسته دارد. شکل منحنی نیز انعکاسی از تاثیر پارامتر‌های آب و هوایی، زمین‌شناسی و فیزیوگرافی بر جریان رودخانه و پاسخ هیدرولوژیکی حوزه است. در یک دهه گذشته، مطالعات متعددی در‌خصوص تاثیر پارامتر‌های هندسی و هیدرولوژیکی حوضه بر شکل منحنی تداوم ‌جریان، انجام شده است. عمده این مطالعات به‌صورت تجربی است و در دو دسته گرافیکی و آماری قرار دارد که روش‌گرافیکی، برروی تاثیر مشخصه‌های فیزیوگرافیک و آب و هوائی بر شکل منحنی تداوم-جریان تمرکز دارند. در صورتی‌که روش‌های آماری بر روی توزیع‌های آماری، برای برازش به منحنی تداوم‌جریان و ارتباط این برازش‌ها به مشخصه‌های فیزیکی حوضه متمرکز هستند. تحلیل عاملی عوامل موثر بر شکل منحنی تداوم جریان موجب دست‌یابی به ‌اطلاعاتی برای مدل‌سازی منحنی تداوم جریان، تفسیر دقیق‌تر شرایط هیدرولوژیکی حوضه و استفاده درمدیریت بهینه منابع‌آب حوضه خواهد شد. هدف از این پژوهش، تعیین عوامل مهم تاثیرگذار هیدرو اقلیمی و مورفومتری در تغییر شکل منحنی تداوم‌جریان و همچنین بررسی روابط مابین آنها در اقالیم مختلف کشور می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش ابتدا با تهیه نقشه اقلیم کشور و تقاطع آن با مرز حوزه‌های آبخیز رتبه چهار، حوضه‌های واقع در هر منطقه اقلیمی تفکیک شد. سپس تعداد حداقل سی ایستگاه با آمار مناسب و دوره مشترک آماری سال‌های1355-1380در هر منطقه اقلیمی انتخاب شد. سپس10پارامتر هندسی و هیدرولوژیک موثر بر منحنی تداوم جریان شامل: ارتفاع متوسط، مساحت حوضه، ضریب گراویلیوس، شیب حوضه، طول رودخانه اصلی، بارش سالانه، شاخص جریان پایه، شماره منحنی، نفوذ‌پذیری و تعداد روز‌های بارانی برای هر حوضه محاسبه شد. منحنی تداوم‌جریان با استفاده از داده‌های روزانه جریان، ترسیم و با استفاده از برنامه‌نویسی در محیط MATLAB شیب حد فاصلQ33 تا Q66 به‌عنوان شاخص شکل منحنی محاسبه شد. تجزیه ‌عاملی انجام و عوامل مستقل تاثیر‌گذار بر شکل منحنی مشخص شد. سپس روابط رگرسیونی بین شاخص شکل منحنی و عوامل انتخابی در مناطق مختلف اقلیمی استخراج و تحلیل شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که پارامتر‌های عامل اول شامل: شماره منحنی، شاخص جریان پایه و تعداد روزهای بارانی در تمامی مناطق اقلیمی به استثناء منطقه خشک مشترک است. هم‌چنین، عامل شماره منحنی در تمامی مناطق بالاترین وزن تاثیرگذاری را دارا بوده است. در تمامی مناطق اقلیمی به استثناء منطقه بسیار مرطوب، وزن تاثیرگذاری مولفه‌های هندسی بیشتر از مولفه‌های هیدرولوژیکی است. عوامل انتخاب شده برای تحلیل عاملی در منطقه اقلیمی مرطوب با 88 درصد، بیشترین و منطقه مدیترانه‌ای با 72 درصد، کمترین واریانس داده‌ها را توضیح می‌دهند. توزیع نرمال خطاها، ضریب تعیین بیشتر از 90/0 و ضریب دوربین واتسن بین 5/1 تا 5/2 بیانگر اعتماد به روابط رگرسیونی برای برآورد شیب منحنی تداوم جریان در مناطق فاقد آمار در اقالیم مختلف است.
نتیجه‌گیری: در جمع‌بندی کلی نتایج تحلیل عاملی در مناطق مختلف اقلیمی کشور مشخص شد که برخی از پارامتر‌های دسته‌بندی شده در قالب عامل اول شامل: شماره منحنی، شاخص جریان پایه و تعداد روزهای بارانی در تمامی مناطق اقلیمی، مشترک است. با این استثناء که در منطقه خشک پارامتر تعداد روزهای بارانی دارای وزن تاثیرگذاری کمتری است و در قالب عامل دوم قرار گرفته است. عامل شماره منحنی در تمامی این مناطق وزن تاثیرگذاری بیشتری نسبت به سایر پارامتر‌های موجود در عامل اول را دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation and determination of factors affecting the shape of the flow duration curve in different climates of Iran

نویسندگان [English]

  • Rahim Kazemi 1
  • Jahangir Porhemmat 2
  • Forud Sharifi 3
1
2
3
چکیده [English]

Background and objectives: Improvement and development of forecasts in ungaged catchments needs to understand the interaction between the catchments parameters and hydrological response of catchments in different climates. Flow duration curve is one of the best methods for showing the hydrological response of basins and have different application in the fields of hydrology and related sciences. The shape of flow duration curve also reflected the impact of climatic, geologic and physiographic parameters on river flow and is hydrological response of catchment. In the past decade, several studies have been done on the impact of geometric and hydrological parameters of basins on the shape of flow duration curve. Most of these studies are empirical and classified in graphical and statistical methods. Graphical method, focus on o the effect of physiographic and climatic characteristics on the shape of flow duration curve. Statistical methods on statistical distribution and correlation of the physical characteristics of the catchments are concentrated. Factor analysis of parameters affecting the flow duration curve lead to accurate modeling and interpretation of catchments hydrology. The aim of this study was to determine the most important hydro-climatic and geometric factors affecting on the shape of flow duration curve and investigation of relation between them in the different climates.
Materials and methods: In this study, for factor analysis of effective parameter on the shape of flow duration curve, climate maps were prepared and intersect with the layer of fourth-order watersheds, and watersheds located in every climate were selected. Then at least 30 hydrometric stations with appropriate data and common period (1976-2001) in each climate zone were selected. Then 10 geometric and hydrological parameters affecting the flow duration curve including: average height, area of the watersheds, Gravelius coefficient, slope, main river length and hydro climatologically parameters including: annual rain fall, base flow index, curve number, permeability and the number of rainy days, were calculated for each basin. Flow duration curves plotted using daily flow data and the slope between Q33 to Q66 was computed as an indicator of the shape of flow duration curve, using coding in MATLAB programming environment. Factor analysis was performed and effective factors on the shape of curve were identified. The regression between the flow duration curve index and selected factors in different climate zones were extracted and analyzed.
Results: The results showed that the parameters of first factor including: curve number, base flow index, recession index and the number of rainy days in all climatic zones were common except dry climate zone. Curve Number in all the climate zones has the highest weight of influence. The Weight influence of geometric parameters in all areas was higher than hydrological parameter, except in very humid zone. Parameters selected for factor analysis in the humid zone were found the highest variance explained with 88 percent and the lowest in the Mediterranean zone with 72 percent. Normally distributed errors, the coefficient of determination more than 0.90 and the coefficient of Durbin Watson between (1.5-2.5) reflects the confidence on the regression equations to estimate the slope of flow duration curve in untagged catchments in different climatic zones.
Conclusion: Overall Conclusions of factor analysis in different climatic zones became clear that some of the parameters classified in the first class including: curve number, Base flow index, and number of rainy days were common in all climatic zones. With the one exception that in dry zone the number of rainy days placed in a second class. The factor of curve number in all climate zones has more effective than other parameters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • flow duration curve shape Index
  • climatic zones
  • geometric parameters
  • hydrologic parameters

مراجع

 1.Alizadeh, A. 2007. Principal of Applied Hydrology, 14nd edition, Mashhad. Emamreza
University Press, 807p. (In Persian)
2.Berhanu, B., Seleshi, Y., Demisse, S.S., and Melesse, A.M. 2015. Flow Regime
Classification and Hydrological Characterization: A Case Study of Ethiopian Rivers. J.
Water. 7: 3149-3165.
3.Blumenfeld, S., Lu, C., Christopehersen, T., and Coates, D. 2009. Water, wetlands and
forests: a review of ecological, economic and policy linkages. Secretariat of the Convention
on Biological Diversity and Secretariat of the Ramsar Convention on Wetlands, Montreal
and Gland. CBD Technical Series No. 47:38.
4.Booker, D.J., and Snelder, T. 2012. Comparing methods for estimating flow duration curves at
ungauged sites, J. Hydrol. 434: 78-94.
5.Brath, A., Castellarin, A., Franchini, M., and Galeati, G. 2001. Estimating the index flood
using indirect methods. Hydrological Sciences. 46: 3. 399-418.
6.Castellarina, A., Galeatib, G., Brandimartea, L., Montanaria, L., and Bratha, A.A. 2004.
Regional flow-duration curves: reliability for ungauged basins, J. Adv. Water Resour.
27: 953-965.
7.Cheng, L., Yaeger, M., Viglione, A., Coopersmith, E., Ye, S., and Sivapalan, M. 2012.
Exploring the physical controls of regional patterns of flow duration curves – Part 1: Insights
from statistical analyses, J. Hydrol. Earth Syst. Sci. 16: 4435-4446.
8.Cordova, J.R., and Gonzalez, M. 1997. Sediment yield in small watersheds based on stream
flow and suspended sediment discharge measurements. J. Soil Technol. 11: 57-65.
9.Costa, V., Fernandez, W., and Naghettini, M. 2014. Regional models of flow-duration curves
of perennial and intermittent streams and their use for calibrating the parameters of a
rainfall-runoff model. J. Hydrol. Sci. 59: 2. 262-277.
10.Dario, P., Noto, L.V., and Viola, F. 2013. Eco hydrological modeling of flow duration curve
in Mediterranean river basins. J. Adv. Water Resour. 52: 314-327.
11.Eslamian, S.S., Ghasemi, M., and Soltani-Gerdefaramarzi, S. 2012. Computation and
Regionalization of Low Flow Indices and Determination of Hydrological Drought Durations
in Karkhe Watershed. J. Sci. Technol. Agric. Natur. Resour. Water and Soil Science.
16: 59. 1-14. (In Persian)
12.Eslami, A.R., and Shokohi, A. 2013. Analysis of river flow, using Hydrological and
environmental index. J. Water. Engin. Manage. 5: 2. 125-133. (In Persian)
13.Hisdal, H., Tallaksen, L.M., Clausen, M.B., Peters, E., and Gus-tard, A. 2004. Hydrological
drought characteristics, in: Hydrological Drougth – Processes and estimation methods for
streamflow and groundwater, edited by: Tallaksen, L.M. and van Lanen, H.A.J.,
Developments in Water Science, Elsevier Science. 48: 139-198.
14.Iacobellis, V. 2008. Probabilistic model for the estimation of T year flow duration curves.
Water Resources Research. 4: 44. 1-13.
15.Kazemi, R., and Eslami, A.R. 2013 .Investigation on the role of geological formation and
hydrological parameter on base flow index, case study: Khazar region. J. Water Engin.
Manage. 5: 2. 85-93. (In Persian)
16.Lane, P.N.J., Best, A.E., Hickel, K., and Zhang, L. 2005. The response of flow duration
curves to afforestation. J. Hydrol. 310: 253-265.
17.Lee, S., Kim, J., and Hur, J.W. 2013. Assessment of ecological flow rate by flow duration
and environmental management class in the Geum River, Korea. J. Environ. Earth Sci.
68: 4. 1107-1118.
18.Li, M., Shao, Q., Zhang, L., and Chiew, F.H.S. 2010. A new regionalization approach and its
25 application to predict flow duration curve in ungauged basins. J. Hydrol. 389: 137-145.
19.Mohamoud, Y.M. 2008. Prediction of daily flow duration curves and stream flow for
ungauged catchments using regional flow duration curves. J. Hydrol. Sci. 53: 4. 706-724.
20.Muneepeerakul, R., Azaele, S., Botter, G., Rinaldo, A., and Rodriguez-Iturbe, I. 2010. Daily
stream flow analysis based on a two-scaled gamma pulse model. J. Water Resour. Res.
46, W11546.
21.Reed, D.W., Jakob, D., Robinson, A.J., Faulkner, D.S., and Stewart, E.J. 1999. Regional
frequency analysis: a new vocabulary. In: Hydrological extremes: understanding, predicting,
mitigating, Proc IUGG 99 Symposium. Birmingham, IAHS. 255: 237-43.
22.Richards, K.S. 1982. Rivers: form and process in alluvial channels. London: Methuen Press,
358p.
23.Sawicz, K., Wagener, T., Sivapalan, M., Troch, P.A., and Carrillo, G. 2011. Catchment
classification: empirical analysis of hydrologic similarity based on catchment function in the
eastern USA. J. Hydrol. Earth Syst. Sci. 15: 2895-2911.
24.Shamaee - Zadeh, M., and Soltani, S. 2011. Regional analysis of low flow in North Karoon
basin. J. Sci. Technol. Agric. Resour. Water and Soil Science. 18: 70. 231-242. (In Persian)
25.Sobhani, B., Sarraf, B., Azadi-Mobaraki, M., and Hoseyni, S.A. 2013. Modeling of Rain fall
in the West and Southwest of the Caspian Sea using spatial interpolation methods in the GIS
environment. J. Geograph. Dev. 11: 30. 23-34. (In Persian)
26.Yoshida, T., and Troch, P.A. 2016. Convolution of volcanic catchments in Japan.
J. Hydrol. Earth Syst. Sci. 20: 1133-1150.
27.Ward, R.C., and Robinson, M. 1990. Principles of Hydrology, 3nd edition, McGraw-Hill
Press, 365p.
28.Wagener, T., Sivapalan, M., Troch, P.A., and Woods, R. 2007. Catchment classification and
hydrologic similarity, Geogr. Compass. 1: 901-931.
29.Wagener, T., Blöschl, G., Goodrich, D., Gupta, H., Sivapalan, M., Tachikawa, Y., Troch, P.,
and Weiler, M. 2013. A synthesis framework for runoff predictions in ungauged basins,
in: chapt. 2, Runoff Predictions in Ungauged Basins, edited by: Blöschl, G., Sivapalan, M.,
Wagener, T., Viglione, A., and Savenije, H., Cambridge University Press, Cambridge, UK,
Pp: 11-28.
30.Westerberg, I.K., Guerrero, J.L., Younger, P.M., Beven, K.J., Seibert, J., Halldin, S., Freer,
J.E., and Xu, C.Y. 2011. Calibration of hydrological models using flow-duration curves.
J. Hydrol. Earth Syst. Sci. 15: 2205-2227.
31.Yadav, M., Wagener, T., and Gupta, H. 2007. Regionalization of constraints on expected
watershed response behavior for improved predictions in ungauged basins. J. Adv. Water
Resour. 30: 1756-1774.
32.Zhang, X., Zhang, L., Zhao, J., Rustomji, P., and Hairsine, P. 2008. Responses of stream
flow to changes in climate and land use/cover in the Loess Plateau, China. J. Water Resour.
Res. 44: 1-12.
33.Zheng, H., Zhang, L., Liu, C., Shao, Q., and Fukushima, Y. 2007. Changes in stream flow
regime in headwater catchments of the Yellow River basin since the 1950s. J. Hydrol. Proc.
21: 7. 886-893.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 25، شماره 1
فروردین و اردیبهشت 1397
صفحه 85-105

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار