نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سیما رحیمی بندرآبادی ¹
• بهرام بهرام ثقفیان ²
• طیب رضیئی ¹

¹ استادیار، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

² استاد، دانشکده عمران، معماری و هنر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران

چکیده

مقدمه
شناخت فرکانس وقوع‌ خشکسالی‌های‌ با شدت و تداوم‌های‌ مختلف‌ و پیش­‌بینی‌ به‌ موقع‌ آن‌­ها برای اعلام هشدار، یکی‌ از نیازهای‌ اساسی‌ پروژه‌های‌ منابع‌ آب است. پدیده خشکسالی، به سه گروه عمده هواشناسی، کشاورزی و هیدرولوژی تقسیم می­‌شود. پایش خشکسالی‌های هیدرولوژیکی، یکی از نیازهای اساسی مدیریت منابع آب در حوزه‌های آبخیز، به‌ویژه در بخش کشاورزی آبی به شمار می­‌آید. در سال‌های اخیر، شاخص‌ها و روش‌های جدیدی برای پایش خشکسالی هیدرولوژیکی در سطح جهان ارائه شده است.
مواد و روش‌­ها
در این پژوهش، شاخص‌های جریان کمینه (Q­₇₅، Q₉₀ و Q₉₅) مستخرج از منحنی تداوم جریان و سری‌های جریان کمینه (10 و30 روزه) و همچنین، حجم کمبود جریان برای پایش خشکسالی هیدرولوژیکی در حوضه دریای خزر، مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور، 40 ایستگاه هیدرومتری که دارای آمار 41 ساله (از سال آبی 1351-1350 تا 1391-1390) بود، انتخاب شد. در مرحله بعد، داده‌های ایستگاه‌های مورد مطالعه از نظر همگنی، استقلال و تصادفی بودن، مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس، به کمک روش تحلیل خوشه‌­ای مرتبه‌­ای و رگرسیون گام به گام، مناطق همگن هیدرولوژیکی تعیین و تحلیل منطقه‌ای این شاخص‌ها انجام شد.
نتایج و بحث
برای بررسی ویژگی‏‌های جریان کمینه در حوضه دریای خزر، ابتدا منحنی تداوم جریان برای هر یک از ایستگاه‏‌ها رسم و سپس، سه شاخص Q­_­75، Q₉₀ و Q₉₅ برای هر یک از ایستگاه‌ها محاسبه شد. برای مقایسه مکانی جریان کمینه، از دبی کمینه ویژه یا qs (مقدار دبی کمینه تقسیم بر سطح) استفاده شد. شاخص qs_75، بین 0.0006 تا 13 متر مکعب بر ثانیه بر کیلومتر مربع تغییر می‏‌کند. مقدار qs₇₅، در قسمت‌های شرقی، کمتر (خشک‌تر) و در قسمت‌های غربی منطقه، مقدار خشکی جریان کمتر از سایر نقاط است‎. بررسی نقشه‌های توزیع مکانی این سه شاخص، نشان می‌دهد که روند تغییرات مکانی آن‌­ها تقریبا مشابه است و همگی بیانگر مرطوب­تر بودن مناطق غربی حوضه دریای خزر نسبت به مناطق شرقی و مرکزی هستند. در مرحله بعد، برای بررسی شاخص‌های جریان کمینه، ابتدا سری جریان‏‌های کمینه 10 و 30 روزه تهیه شد. با مقایسه پارامترهای توزیع به کمک روش امتیازدهی، توزیع لوگ پیرسون تیپ سه، به‏‌عنوان بهترین توزیع در بیشتر ایستگاه‌ها انتخاب شد. پس از انتخاب مناسب‌­ترین توزیع، مقادیر شاخص‌های کمینه 10 روزه و 30 روزه با دوره بازگشت­‌های مختلف محاسبه شد. بررسی میانگین شاخص‌ها نشان می‌دهد که کمترین مقدار دبی کمینه 10 روزه با مقدار 0.01 متر مکعب بر ثانیه در ایستگاه وطنا (035-12) واقع در شرق حوضه و بیشترین میزان با مقدار 91.2 متر مکعب در ثانیه در ایستگاه رودبار (034-17) در منطقه غرب حوضه است. در مورد میانگین دبی کمینه 30 روزه نیز کمترین مقدار برابر 0.02 متر مکعب برثانیه و بیشترین مقدار برابر 8.52 متر مکعب بر ثانیه در همین دو ایستگاه است. به‌منظور، بررسی تغییرات زمانی شدت خشکسالی هیدرولوژیکی، سری­‌های زمانی سالانه جریان کم 10 و 30 روزه در هر ایستگاه نسبت به سال وقوع آن‌ها ترسیم شدند تا روند تغییرات وضعیت خشکسالی در سال‌های مختلف مشخص شود. بررسی روند زمانی شاخص‌های جریان کمینه بر روی نمودارها، نشان از کاهش مقدار شاخص‌ها طی سال‌­های اخیر و روند منفی شاخص‌ها دارد. به عبارت دیگر، نمودارها تقریبا در همه ایستگاه‌ها بیان از خشکسالی­‌های هیدرولوژیکی (کاهش شاخص‌های جریان کمینه) طی سال­‌های اخیر دارند. برای تعیین طول دوره­‌های جریان کمینه نیز، در ایستگاه‌های مختلف میانگین‌­های متحرک 10 و 30 روزه دبی با مقدار شاخص Q₉₀، مقایسه شد. نتایج نشان می‌دهد که تداوم خشکسالی در قسمت­‌های مرکزی حوضه دریای خزر (زیرحوضه‌های پلور، رزن، کرسنگ، تنگه لاویج، پل‌ذغال و زوات) بیشتر از بقیه مناطق است که این زیرحوضه‌ها در استان مازندران واقع هستند. کمترین تداوم خشکسالی (بین 22 تا 25 روز) نیز مربوط به زیرحوضه‌های شلمان، پل سازمان، پاشاکی، آستانه و توتکابن در قسمت شرقی حوضه دریای خزر و در استان گیلان است. قسمت­‌های شرقی حوضه نیز طول دوره خشکسالی بین 28 تا 30 روز را تجربه کرده‌اند.
نتیجه‌گیری
نتایج نشان می‌دهد که در سال‌های 1377 تا 1390، در بیشتر ایستگاه­‌ها شدیدترین و طولانی­‌ترین خشکسالی‌ها اتفاق افتاده است. بررسی توزیع مکانی شاخص‌های جریان کمینه و حجم کمبود جریان، بیانگر خشک‌­تر بودن قسمت‌های شرقی حوضه نسبت به مرکزی و غرب حوضه دریای خزر است. هرچند، طول دوره خشکسالی‌های هیدرولوژیکی در خزر مرکزی بیشتر از سایر نقاط حوضه است. بررسی روند زمانی شاخص‌ها نیز بیانگر افزایش تکرار و طول مدت خشکسالی‌های هیدرولوژیکی در سال­های اخیر است. مقایسه شاخص‌های مختلف نشان می‌دهد که همه شاخص‌ها نتایج مشابهی در منطقه دارند. بررسی روابط منطقه‌ای نشان داد که در منطقه همگن شرقی عامل تاثیرگذار بر شاخص‌های جریان، ارتفاع است. در حالی­‌که در منطقه مرکزی و غربی مساحت و تراکم زهکشی، تاثیر بیشتری دارند.

کلیدواژه‌ها

• تحلیل منطقه‌ای
• جریان کمینه
• حجم کمبود جریان
• شاخص خشکسالی
• منحنی تداوم جریان

عنوان مقاله [English]

Monitoring of hydrological drought in Caspian Sea Basin

نویسندگان [English]

• sima rahimi bondarabadi ¹
• Bahram Saghafian ²
• Tayeb Raziei ¹

¹ Assistant Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

² Professor, Faculty of Civil Engineering, Architecture and Art, Sciences and Researches Unit, Islamic Azad ‎University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction
Monitoring of hydrological droughts is one of the basic needs of water resources management in watersheds, especially in the field of water agriculture. Drought is divided into three major groups: meteorology, agriculture and hydrology. Hydrologic drought can be studied in different ways. One of the common methods is the use of low flow indexes and threshold level approach.
Materials and methods
In this research, the minimum flow indices (Q₇₅, Q₉₀ and Q₉₅) extracted from the flow continuity curve and minimum flow series (10 and 30 days) as well as the amount of flow deficit for hydrological drought monitoring in the Caspian Sea Basin were investigated and evaluated. For this purpose, 40 hydrometric stations with 41-year statistics (1970-2011) were selected. In the next step, the data of the studied stations were evaluated in terms of homogeneity, independence and randomness. Then, with the help of hierarchical cluster analysis and step-by-step regression, hydrological homogenous areas were determined and regional analysis of these indicators was done.
Results and discussion
In order to investigate the characteristics of the minimum current in the Caspian Sea Basin, first, the continuous flow curve was drawn for each of the stations, and then, three indices Q₇₅, Q₉₀ and Q₉₅ were calculated for each of the stations. For the spatial comparison of the minimum flow, the specific minimum discharge or qs (minimum discharge value divided by the area) was used. qs₇₅ index varies between 0.0006 and 13 m³s^-1per km². The value of qs₇₅ is less (drier) in the eastern parts and in the western parts of the region, the amount of dryness of the stream is less than other places. Examining the spatial distribution maps of these three indicators shows that the trend of their spatial changes is almost similar and they all indicate that the western regions of the Caspian Sea Basin are more humid than the eastern and central regions. In the next step, to examine the minimum flow indicators, a series of minimum flows of 10 and 30 days was prepared. By comparing distribution parameters with the help of scoring method, Log-Pearson type 3 distribution was selected as the best distribution in most stations. After choosing the most appropriate distribution, the values of the 10-day and 30-day minimum indices with different return periods were calculated. Examining the average indicators shows that the minimum discharge value of 10 days with a value equal to 0.01 m³s^-1 in Vatana Station (12-035) located in the east of the basin and the highest with a value of 19.2 m³s^-1, it is at Rudbar Station (17-034) in the western region of the basin. Regarding the average minimum discharge of 30 days, the lowest value is equal to 0.20 m³s^-1 and the highest value is equal to 8.52 m³s^-1in these two stations. In order to investigate the temporal changes of hydrological drought intensity, the annual time series of 10-day and 30-day low flow at each station were plotted in relation to the year of their occurrence, in order to determine the trend of changes in the drought situation in different years. Examining the time trend of the minimum flow indicators on the graphs, shows a decrease in the value of the indicators in recent years and a negative trend of the indicators. In other words, the graphs in almost all stations show hydrological droughts (reduction of minimum flow indicators) during recent years. In order to determine the length of minimum flow periods, 10 and 30 day moving averages of discharge were compared with Q₉₀ index value in different stations. The results show that the persistence of drought in the central parts of the Caspian Sea Basin (Pulor, Razan, Karsang, Tange Lavij, Pol Zoghal and Zowat sub-basins) is more than the rest of the regions, these sub-basins are located in Mazandaran Province. The lowest duration of drought (between 22 and 25 days) is related to the sub-basins of Shalman, Pol-e-Sazman, Pashaki, Astana and Tutkabon in the eastern part of the Caspian Sea Basin and in Gilan Province. The eastern parts of the basin have also experienced a drought period between 28 and 30 days.
Conclusion
Results indicate that the years 1990 to 2010 have undergone severe and long droughts in most of the stations. The review of the spatial distribution of indexes shows better conditions in the western parts of the study area compared to the eastern sections in terms of dryness. However, the duration of hydrological droughts in the central study area is longer than in other parts of the basin. Investigating the time trend of the indexes also shows the increase in the frequency and duration of hydrological droughts in recent years. A comparison of different indexes shows that all of them have similar results in the region. The results of cluster analysis divided the area into three distinct homogenous units (in 0.01 significant level). The result of the regional analysis showed that in the eastern homogeneous region, the influencing factor on low flow indexes is elevation, while in the central and western regions, the drainage area and density have a greater impact.
 

کلیدواژه‌ها [English]

• Drought deficit volume
• Drought index
• Flow duration curves
• Low flow index
• Regional analysis