مقایسه روش‌های ترسیمی و فیلتر‌های عددی برگشتی در تفکیک جریان پایه در تعدادی از رودخانه‌های استان اردبیل

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد مهندسی آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی

2 استادیار گروه منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی

3 دانشیار گروه منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی

چکیده

سابقه و هدف: جریان پایه یکی از اجزاء مهم در تشکیل هیدروگراف جریان است، که از جریان‌های زیرزمینی یا ذخایر کم‌عمق زیرسطحی ناشی می‌شود. تعیین سهم جریان پایه از جریان امکان ارزیابی واکنش آبخیز و برنامه‌ریزی بهتر استراتژی‌های مدیریت کمی و کیفی منابع آب در مقیاس آبخیز را فراهم می‌نماید. هم‌چنین، تفکیک جریان پایه از موارد مهم در مدل‌سازی هیدرولوژی و افزایش دقت کالیبراسیون در مدل‌سازی بارش-رواناب است. مقایسه حوزه‌های مختلف از نظر ویژگی‌های فروکش جریان می‌تواند اطلاعات ارزشمندی از خصوصیات ذخیره و تغذیه در آبخیز فراهم نماید. هم‌چنین تعیین سهم جریان پایه می‌تواند در تحلیل جریان زیست‌محیطی و شرایط سلامت رودخانه موثر واقع گردد. مولفه جریان پایه به‌شدت تحت تاثیر بهره‌برداری از چاه‌ها در دشت‌های سیلابی است که می‌تواند در روش‌های عددی تفکیک جریان پایه، منشاء بروز عدم قطعیت باشد. هدف از این مطالعه مقایسه روش‌های ترسیمی و فیلتر عددی در تفکیک جریان پایه و انتخاب روش مناسب برای برآورد دبی پایه در تعدادی از رودخانه‌های منتخب استان اردبیل است.
مواد و روش: در این پژوهش تفکیک جریان پایه روزانه علاوه بر روش‌های مرسوم (محدوده زمانی ثابت، محدوده زمانی جابه‌جاشونده و حداقل محلی)، با روش‌های فیلتر دیجیتال برگشتی شامل (الگوریتم یک پارامتره، الگوریتم دو پارامتره باگتون، الگوریتم سه پارامتره IHACRES، لین و هولیک، الگوریتم چاپمن و ایما فیلتر) نیز انجام گرفته است. نتایج روش‌های مذکور با روش تحلیل فروکش به‌عنوان روش مبنا مورد مقایسه قرار گرفته است. تحلیل‌ها و مقایسه نتایج روش‌های تفکیک جریان، براساس آمار دبی روزانه جریان با طول دوره آماری 22 سال در پنج ایستگاه هیدرومتری استان اردبیل با داده‌های در دسترس و مقادیر مختلف دبی جریان صورت گرفته است.
یافته‌ها: براساس نتایج و مقایسه روش‌های ترسیمی و فیلتری در تفکیک دبی پایه جریان، مشخص شد که دقت روش‌های ترسیمی با مقادیر پایین ضریب نش-ساتکلیف، قابل قبول نیست. در این راستا، روش محدوده زمانی ثابت با ضریب کارایی 04/0- در شرایط منطقه مورد مطالعه نتایج مناسبی ارائه نداده است. این در حالی است که روش‌های تفکیک فیلتری الگوریتم یک پارامتره و دو پارامتره باگتون (Boughton two parameter algrithm) با ضرایب کارایی 88/0 و 86/0 به‌ترتیب به‌عنوان مناسب‌ترین روش‌ها برای برآورد دبی پایه در رودخانه‌های استان اردبیل بوده است.
بحث و نتیجه‌گیری: نتایج تحقیق نشان داد که روش‌های ترسیمی تقریبا نتایج قابل قبولی ارائه نمی‌دهند و روش‌های فیلتری با رفع محدودیت‌ها‌ی روش‌های گرافیکی و مبتنی بر تئوری پردازش سیگنال‌ در تفکیک جریان به دو مؤلفه جریان سریع و جریان پایه از صحت و دقت بیش‌تری برخوردار می‌باشند. در مجموع‌ می‌توان گفت که روش‌های فیلتر عددی با ماهیت غیرخطی و تبعیت از توالی سری‌های زمانی در داده‌های دبی، دارای دقت بالاتری نسبت به روش‌های خطی و ترسیمی است. معرفی روش‌های مناسب تفکیک جریان دبی روزانه در مدل‌سازی هیدرولوژیک، تحلیل منطقه‌ای جریان‌های حداقل و تعیین سهم جریان پایه می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Graphical and recursive digital filter techniques in the separation of base flow, A comparison in Ardabil Province rivers

نویسندگان [English]

  • Sonia Mehri 1
  • Raoof Mostafazadeh 2
  • Abazar Esmali-Ouri 3
  • Ardavan Ghorbani 3
1 M.Sc. student of Watershed Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili
2 Assistant Professor, Dept. of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili
3 Associate Professor, Dept. of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili
چکیده [English]

Background and objectives: Base flow is an important component of flow hydrograph, which feeds by ground water or shallow subsurface flow, Sub surface flow and plays an important role in ecological function of a river. Identification of base flow contribution provides a basis to assess the watershed response and information on base flow availability and contributions is needed to develop water quantity and water quality management strategies in watershed scale. Also, the separation of the base of the important factors in hydrologic modeling and increase the accuracy of the model calibration in rainfall-runoff prediction. Comparison of different watersheds based on flow recession and low flow components can provide useful information regarding the storage characteristics and flow recharge. Also, the base flow contribution amount can be used in the analysis of environmental flow assessment and river flow health condition. Base flow component strongly affected by flow extraction through the flood plain wells which can be a source of uncertainty in the base flow separation by well-known numerical methods. The aim of this study was to compare graphically and recursive digital filtering techniques in base flow separation and selection of appropriate methods to estimate the base flow contribution in number of rivers over Ardebil Province.
Materials and methods: The base flow was estimated on daily basis using three graphical methods, including, 1) Fixed time interval, 2) Sliding time interval, 3) Local minima and six recursive digital filters including, 1) One-parameter algorithm, 2) Bughton two-parameter algorithm, 3) IHACRES three parameter method, 4) Lynne and Hollick, 5) Chapman algorithm and 6) Exponentially Weighted Moving Average methods. The results of these methods were compared with the recession analysis method as a reference. Estimated and analysis the results of base flow methods were compared for a 22-year period (1989-2011) for which stream flow data were available in 5 river gauge station in different ranges of flow rates over Ardabil Province.
Results: According to the results and the comparison of graphical and filtering methods of base flow separation, it was found that the accuracy of graphical methods is not acceptable (with negative and less than unity values) according to Nash-Sutcliffe efficiency criteria. Accordingly, the performance of Fixed time interval method according to Nash-Sutcliffe efficiency criteria – 0.04 did not give a good result in the study area. While, Two-parameter Boughton and One-parameter algorithms are most suitable methods in estimating the base flow component of hydrograph with 0.88 and 0.86 efficiency criteria respectively in the study area.
Conclusion: The results showed that graphical methods had not satisfactory results, but the digital filtering techniques based on signal processing theory had high accuracy in separating the flow hydrograph to speed and delayed components. The estimated base flow hydrographs by recursive digital filter methods showed good agreement overall with the recession analysis method. As a concluding remark, the recursive digital filters are more suitable methods in the study area with nonlinear nature complying the sequence of discharge data time series with respect to linear graphical methods. The suggested appropriate methods can be used to low flow regional analysis, hydrologic modelling and determination of the base flow contribution in daily flow hydrograph data in the study region.

کلیدواژه‌ها [English]

  • flow separation
  • base flow
  • Graphical methods
  • Recursive digital filters
  • Daily flow hydrograph
1.Aksoy, H., Kurt, I., and Ersi, E. 2009. Filtered smoothed minima base flow separation method. J. Hydrol. 372: 94-101.
2.Alizadeh, A. 2010. Principles of Applied Hydrology. Astan Quds Razavi. Press, 911p. (In Persian)
3.Arfania, R., and Samani, N. 2005. Construction of stream flow hydrograph separation curve in Zayndeh-roud Karstic watershed. Tarbiat Moalem Univ. J. Sci. 5: 585-600. (In Persian)
4.Chapman, T.G., and Maxwell, A. 1996. Base flow separation comparison of numerical methods with tracer experiments. In 23rd Hydrology and Water Resources Symposium, Hobart, Institution of Engineering Australia.Pp: 539-545.
5.Eckhardt, K. 2005. How to construct recursive digital filters for base flow separation. Hydrology Process. 19: 507-515.
6.Eckhardt, K. 2008. A comparison of base flow indices which were calculated with seven different base flow separation methods. J. Hydrol. 352: 168-173.
7.Ghanbarpour, M.R., Teimouri, M., and Gholami, S.H. 2008. Comparison ofbase flow estimation methods based
on hydrograph separation (Case study: Karun Basin). J. Water Soil Sci. 12: 1-13. (In Persian)
8.Gustard, A., and Demuth, S. 2009. Manual on Low-flow Estimation and Prediction. Operational Hydrology Report No. 50, WMO-No. 1029.
9.Li, L., and Maier, H.R. 2013. Framework for assessing and improving the performance of recursive digital filter for base flow estimation with application to the Lynne and Hollick filter. Environmental Modelling & Soft word. 41: 163-175.
10.Lynne, V., and Hollick, M. 1979. Stochastic time variable rainfall runoff modeling. In: Hydrology and Water Resources Symposium Perth 1979 Proceedings. National Committee on Hydrology and Water Resources of the Institution of Engineers. 79: 89-92.
11.Mahdavi, M. 2007. Applied Hydrology. Tehran University. Press, 437p. (In Persian)
12.Mali, S., and Mohammadi, Z. 2015. Assessment of base flow separation methods in Krastic springs (Case study: Pirghar and Dimeh springs). Advanced Applied Geology. 14: 22-37. (In Persian)
13.Mei, Y., and Anagnostou, E.N. 2015. A hydrograph separation method based on information from rainfall and runoff records. J. Hydrol. 523: 636-649.
14.Mirbagheri, S.A. 1998. Engineering Hydrology. Shiraz University. Press, 562p. (In Persian)
15.Mostafazadeh, R., and Bahremand, A. 2009. Simulation of direct run-off hydrograph using nash linear reservoir model in Jafar-Abad watershed Golestan Province. Iran. J. Water. Manage. Sci.3: 9-16. (In Persian)
16.Mehry, S., Mostafazadeh, R., Esmali Ouri, A., and Ghorbani, A. 2017. Spatial and Temporal Variations of Base Flow Index (BFI) the Ardabil Province river. Iran. Earth and Space Physics. 43: 623-634. (In Persian)
17.Nathan, R.J., and Mc Mahon, T.A. 1990. Evaluation of automated techniques for base flow and recession analysis. Water Resources Research. 26: 1465-1473.
18.Raghunath, H.M. 2006. Hydrology: Principles, Analysis and Design. New Age International, 476p.
19.Sengorur, B., Dede, C., and Dogan, E. 2014. The examination of the performances of methods used in separating the total stream flow in different rivers. GEOFIZIKA. 31: 1-12.
20.Teimouri, M., Ghanbarpour, M.R., Bashirgonbad, M., Zolfaghari, M., and Kazemikia, S. 2011. Comparison of base flow index in hydrograph separation with different method in some rivers of west Azerbaijan Province). J. Water Soil Sci. 15: 219-229. (In Persian)
21.Tularam, G.A., and Ilahee, M. 2008. Exponential smoothing method of base flow separation and its impact on continuous loss estimates. Amer. J. Environ. Sci. 4: 136-144.
22.Wittenberge, H. 1999. Base flow recession and recharge as nonlinear storage processes. Hydrology Process. 13: 715-762.
23.Zakernia, M., Tamaskani, A., Hezarjaribi, A., and Dehghani, A.A. 2013. Comparison of base flow separation methods from daily flow hydrograph (Case study: Upstream of Boustan dam catchment in Golestan Province). J. Water Soil Cons. 20: 127-145. (In Persian)
24.Zhange, R., and Li, Q. 2012. Baseflow separation in a small watershed in New Brunswick Canada, using a recursive digital filter calibrated with the conductivity mass balance method.J. Hydrol. 27: 2659-2665.