نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• رحیم کاظمی
• باقر قرمز چشمه

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

چکیده

مقدمه
جریان پایه به‌عنوان بخش تاخیری جریان رودخانه که عمدتاً از منابع آب زیرسطحی و زیرزمینی تأمین می‌شود، نقش کلیدی در پایداری جریان رودخانه، مدیریت منابع آب، حفاظت از اکوسیستم‌های آبی و برنامه‌ریزی سازگاری با خشکسالی ایفا می‌کند. شاخص جریان پایه که نسبت جریان پایه به جریان کل رودخانه است، معیاری بی‌بعد برای ارزیابی سهم مشارکت آب‌های زیرسطحی در جریان سطحی محسوب می‌شود. مطالعات جهانی نشان می‌دهد که به‌طور متوسط بیش از نیمی از جریان رودخانه‌ها از جریان پایه تأمین می‌شود و این شاخص بیش از آنکه تابع بارش باشد، به ویژگی‌های ذاتی حوضه نظیر زمین‌شناسی، خاک، توپوگرافی و شرایط مورفولوژیک وابسته است. مطالعات متعددی در زمینه برآورد جریان پایه در ایران انجام شده است. ولی بررسی تغییرات زمانی و روند بلندمدت آن در مقیاس‌های مختلف زمانی به‌طور محدود مورد توجه قرار گرفته است. ازاین‌رو، هدف این پژوهش بررسی تغییرات جریان پایه و شاخص آن در مقیاس‌های زمانی ماهانه، فصلی و سالانه و همچنین تحلیل روند بلندمدت و اثر مداخلات انسانی ناشی از احداث سد در حوضه رودخانه بارون‌چای به مبدأ ایستگاه آب‌سنجی قلعه‌جوق است.
 
مواد و روش‌ها
منطقه مورد مطالعه، حوضه رودخانه بارون‌چای با مساحت 1025 کیلومترمربع، واقع در حوضه بزرگ ارس در استان آذربایجان غربی است. این حوضه دارای تنوع قابل‌توجهی از نظر نفوذپذیری سازندهای زمین‌شناسی است، به‌طوری‌که بخش عمده‌ای از سطح آن را سازندهای با نفوذپذیری کم و خیلی کم تشکیل می‌دهد. در این پژوهش، داده‌های دبی روزانه ایستگاه آب‌سنجی قلعه‌جوق با دوره آماری سال‌های آبی 1355 تا 1396 مورد استفاده قرار گرفت. مشخصات فیزیوگرافی حوضه با بهره‌گیری از سامانه اطلاعات جغرافیایی استخراج شد. تفکیک جریان پایه از هیدروگراف جریان کل به روش فیلتر رقومی برگشتی تک‌پارامتری و با استفاده از افزونه BFI در نرم‌افزار  Hydro Office 2015 انجام شد. سپس سری‌های زمانی جریان پایه و شاخص جریان پایه در مقیاس‌های ماهانه، فصلی و سالانه تهیه و تحلیل آماری توصیفی و بررسی روند تغییرات آنها به روش ناپارامتری من–کندال صورت گرفت. همچنین، اثر احداث سد بالادست ایستگاه آب‌سنجی بر شاخص جریان پایه با مقایسه دوره‌های قبل و بعد از احداث سد ارزیابی شد.
 
نتایج و بحث
نتایج نشان داد که میانگین بلندمدت شاخص جریان پایه سالانه در دوره 41 ساله برابر با 0.552 است که بیانگر سهم بیش از 50 درصدی مشارکت آب‌های زیرسطحی و زیرزمینی در جریان رودخانه است. در مقیاس فصلی، بیشترین مقدار شاخص جریان پایه به فصول زمستان و تابستان و کمترین مقدار آن به فصل بهار تعلق دارد. در مقیاس ماهانه، بیشینه جریان پایه بلندمدت در دی‌ماه و کمینه آن در اردیبهشت‌ماه مشاهده شد. تحلیل تغییرات ماهانه شاخص جریان پایه نشان داد که این شاخص از ابتدای سال آبی تا دی‌ماه روند افزایشی و از دی تا اردیبهشت روند کاهشی داشته است. که این امر با تغییر رژیم بارش و تأخیر در مشارکت جریان‌های زیرسطحی هم‌زمان است. از اردیبهشت تا شهریور، با کاهش بارش، سهم جریان‌های تاخیری افزایش یافته و شاخص جریان پایه مجدداً روند افزایشی نشان می‌دهد. بررسی روند تغییرات شاخص جریان پایه بلندمدت، به روش من–کندال نشان داد که در اغلب ماه‌ها، فصول و مقیاس سالانه، روند منفی بوده و تنها در ماه‌های خرداد و مهر روند افزایشی مشاهده شده است. مقایسه میانگین سالانه شاخص جریان پایه در دوره‌های قبل و بعد از احداث سد نشان داد که میانگین بلندمدت شاخص جریان پایه از 0.542 به 0.562 افزایش یافته است و اثر مداخلات انسانی ناشی از احداث سد بر شاخص جریان پایه سالانه حدود 0.02 برآورد می‌شود. به‌عنوان یافته کاربردی پیشنهاد می‌شود، به‌عنوان پیش‌نیاز تدوین طرح‌های مدیریت جامع آبخیزداری، میزان شاخص جریان پایه در مقیاس‌های زمانی و مکانی مختلف محاسبه و نقشه جریان‌های پایدار در مقیاس‌های منطقه‌ای و کشوری تهیه شود.
 
نتیجه‌گیری
در مجموع، نتایج این پژوهش بیانگر نقش غالب جریان‌های زیرسطحی در تأمین جریان رودخانه بارون‌چای و وابستگی بیشتر شاخص جریان پایه به ویژگی‌های ذاتی حوضه نسبت به تغییرات بارش است. شناخت الگوی زمانی و روند بلندمدت جریان پایه می‌تواند، مبنای مؤثری برای مدیریت پایدار منابع آب، برنامه‌ریزی بهره‌برداری از سدها و تدوین راهبردهای سازگاری با خشک‌سالی در حوزه‌های آبخیز مشابه فراهم آورد.

کلیدواژه‌ها

• آب‌های زیرزمینی
• تحلیل روند
• تفکیک جریان
• فیلتر رقومی برگشتی
• گام زمانی

عنوان مقاله [English]

Temporal variation of base flow in Barun-Chay river sub-basin, Aras

نویسندگان [English]

• Rahim Kazemi
• Bagher Ghermezcheshmeh

Associate Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction
Baseflow, as the delayed portion of river flow, mainly supplied from subsurface water and groundwater resources, plays a key role in river flow sustainability, water resources management, aquatic ecosystem protection, and drought adaptation planning. The base flow index (BFI), which is the ratio of base flow volume to the total streamflow volume, is a dimensionless measure for assessing the contribution of subsurface water to stream flow. Global studies show that, on average, more than half of river flow is provided by base flow, and BFI depends more on the inherent characteristics of the basin, such as geology, soil, topography, and morphology, than on precipitation. Despite numerous studies on baseflow estimation in Iran, limited attention has been paid to investigating its temporal changes and long-term trends at different time scales. Therefore, the aim of this study is to investigate changes in BFI on monthly, seasonal, and annual time scales, as well as analyze the long-term trend and the effect of human interventions in Barun Chay river basin.
 
Materials and methods
The study area is Barun Chay river basin with an area of ​​1025 km², located in the Aras Basin in West Azerbaijan Province (Iran). This basin has a significant diversity in terms of permeability of geological formations, such that a major part of its surface is formed by geological formations with low and very low permeability. In this study, daily stream flow data from the Qale-Jogh hydrometric station of Barun Chay river basin were used for the period of 1976 to 2017. After extracting the physiographic characteristics of the basin using a geographic information system, the base flow was separated from the total flow hydrograph using the One Parameter Recursive Digital Filter technique and the BFI extension in the Hydro Office,2015, software. Then, time series of base flow and BFI were prepared on monthly, seasonal and annual scales. Descriptive statistical analysis and trend analysis were performed using the non-parametric Mann-Kendall method. Also, the effect of dam construction upstream of the hydrometric station on BFI was evaluated by comparing the periods before and after dam construction.
 
Results and discussion
The results showed that the long-term average of the annual BFI over a 41-year period was 0.552, indicating a more than 50 percent contribution of subsurface flow and groundwater to the river flow. On a seasonal scale, the highest value of BFI belongs to the winter and summer seasons and the lowest to the spring season. On a monthly scale, the maximum long-term BFI was observed in January and its minimum in May. Analysis of monthly changes in BFI showed that it had an increasing trend from the October to January and a decreasing trend from January to May, which coincided with the change in the precipitation regime and the delay in the participation of subsurface flows to stream flow. From May to September, with the decrease in precipitation, contribution of delayed flows increased and BFI showed an increasing trend again. Trend analysis of the long-term BFI using the Mann-Kendall test indicates that in most months, seasons and annual scales, the trend were negative and only in June and October an increasing trend was observed. Comparison of the annual average BFI in the periods before and after dam construction showed that the long-term average of BFI increased from 0.542 to 0.562, and the effect of human interventions resulting from dam construction on the annual BFI was estimated to be about 0.02.
 
Conclusion
The Overall results indicate the dominant role of subsurface flows in providing Barun Chay river flow and the greater dependence of BFI on the inherent characteristics of the basin than on precipitation changes. Understanding the temporal pattern and long-term trend of base flow can provide an effective basis for sustainable water resources management, dam operation planning, and developing drought adaptation strategies in similar watersheds. After determining BFI at different times and locations, and preparing a map of sustainable flows at regional and national scales, the initial prerequisite for developing plans appropriate to the hydrological capacity of each region will be achieved.

کلیدواژه‌ها [English]

• Flow Separation
• Groundwater
• Recursive Digital Filter
• Time Step
• Trend Analysis