تجزیه و تحلیل رفتار فصلی رخدادهای سیل و تغییرات زمانی آن در آبخیزهای هیرکانی (مطالعه نمونه: آبخیز‌های حوضه رودخانه گرگانرود)

لالوزایی, اکرم; سعدالدین, امیر; زارع, آرش; شیخ, واحدبردی

doi:10.22111/jneh.2020.31773.1568

تجزیه و تحلیل رفتار فصلی رخدادهای سیل و تغییرات زمانی آن در آبخیزهای هیرکانی (مطالعه نمونه: آبخیز‌های حوضه رودخانه گرگانرود)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

² دانشیار گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

³ استادیار دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

⁴ گروه آبخیزداری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

10.22111/jneh.2020.31773.1568

چکیده

شناسایی رفتار فصلی وقوع سیل و تغییرات آن در طی زمان در حوزه‌های آبخیز، امکان ادارک بهتر فرآیند‌های وقوع سیل، طرح‌ریزی بهتر پروژه‌های آبی و مدیریت بهتر ریسک سیل را فراهم می‌کند. "آمار جهتی" یک مبنای مفید برای تعیین معیار‌های تشابه زمان وقوع سیل است و برای تحلیل فصلی بودن زمان وقوع سیل‌ها کاربرد دارد. روش مذکور در مجموعه‌ای از 20 ایستگاه هیدرومتری در حوضه رودخانه گرگانرود واقع در شمال کشور دارای پایه‌ زمانی مشترک 48 ساله، برای تعیین فصلی بودن رویداد‌های سیل و بررسی تغییرات آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور دو شاخص MDF و r ̅ که به ترتیب بیانگر میانگین زمان وقوع سیل و یکنواختی تاریخ وقوع آن‌ها (درجه‌ی فصلی بودن سیل) است، برای بررسی ویژگی‌ها محاسبه شد. همچنین، به منظور بررسی تغییرات طولانی‌مدت از نظر روز وقوع سیل در طی زمان، کل دوره آماری مشترک داده‌های حداکثر لحظه‌ای به سه دوره‌ی 16 ساله تقسیم شد که به صورت گذشته‌ی دور، گذشته‌ی نزدیک و حال مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که میانگین زمان وقوع عمده سیل‌ها در حوضه رودخانه گرگانرود در دو فصل بهار و تابستان است و حدود 75% ایستگاه‌های هیدرومتری حوضه ، دارای 0.3≤r ̅≤0.7 می‌باشند که نشان‌دهنده‌ی شرایط بینابین است و در واقع نشان می‌دهد زمان وقوع رویداد‌ها به طور متوسط در یک، دو یا سه فصل پراکنده شده‌اند. بررسی تغییرات فصلی سیل در بلند‌مدت نشان می‌دهد که میانگین زمان رویداد سیل در حوضه رودخانه گرگانرود از گذشته تاکنون تغییر معنی‌داری نکرده و فقط درجه فصلی آن دچار تغییر شده است به‌نحوی‌که درجه فصلی بودن سیل از گذشته تاکنون در حال کاهش است. وجود ترکیبی از فرایندهای مختلف تولید سیل از قبیل ذوب برف و بارندگی‌های تابستان یا پاییز، تأثیر توأم موقعیت جغرافیایی و اندازه حوزه‌‌های آبخیز می‌تواند دلیل کاهش درجه فصلی سیل در این حوضه باشد.
شناسایی رفتار فصلی وقوع سیل و تغییرات آن در طی زمان در حوزههای آبخیز، امکان ادارک بهتر فرآیندهای وقوع سیل، طرحریزی بهتر پروژههای آبی و مدیریت بهتر ریسک سیل را فراهم میکند. "آمار جهتی" یک مبنای مفید برای تعیین معیارهای تشابه زمان وقوع سیل است و برای تحلیل فصلی بودن زمان وقوع سیلها کاربرد دارد. روش مذکور در مجموعهای از 20 ایستگاه هیدرومتری در حوضه رودخانه گرگانرود واقع در شمال کشور دارای پایه زمانی مشترک 48 ساله، برای تعیین فصلی بودن رویدادهای سیل و بررسی تغییرات آنها مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور دو شاخص MDF و که به ترتیب بیانگر میانگین زمان وقوع سیل و یکنواختی تاریخ وقوع آنها (درجهی فصلی بودن سیل) است، برای بررسی ویژگیها محاسبه شد. همچنین، به منظور بررسی تغییرات طولانی‌مدت از نظر روز وقوع سیل در طی زمان، کل دوره آماری مشترک دادههای حداکثر لحظهای به سه دورهی 16 ساله تقسیم شد که به صورت گذشتهی دور، گذشتهی نزدیک و حال مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که میانگین زمان وقوع عمده سیلها در حوضه رودخانه گرگانرود در دو فصل بهار و تابستان است و حدود 75% ایستگاههای هیدرومتری حوضه ، دارای میباشند که نشاندهندهی شرایط بینابین است و در واقع نشان میدهد زمان وقوع رویدادها به طور متوسط در یک، دو یا سه فصل پراکنده شدهاند. بررسی تغییرات فصلی سیل در بلندمدت نشان می‌دهد که میانگین زمان رویداد سیل در حوضه رودخانه گرگانرود از گذشته تاکنون تغییر معنی‌داری نکرده و فقط درجه فصلی آن دچار تغییر شده است به‌نحوی‌که درجه فصلی بودن سیل از گذشته تاکنون در حال کاهش است.وجود ترکیبی از فرایندهای مختلف تولید سیل از قبیل ذوب برف و بارندگیهای تابستان یا پاییز، تأثیر توأم موقعیت جغرافیایی و اندازه حوزه‌های آبخیز میتواند دلیل کاهش درجه فصلی سیل در این حوضه باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Analysis of seasonal behavior of flood events and their temporal changes for the Hyrcanian watersheds (Pilot study: watersheds of the Gorganrud River Basin, Iran)

نویسندگان [English]

Akram Lalouzai ¹
Amir Sadoddin ²
Arash Zare Garizi ³
Vahedberdi Sheikh ⁴

¹ PhD Student of Watershed Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources.

² Associate Professor, Watershed Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources.

³ Assistant Professor, Watershed Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources.

⁴ Associate Professor, Watershed Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources

چکیده [English]

Identifying the seasonal behavior of flood events and their changes over time in watersheds provide useful insights for a better understanding of flood processes, planning water projects, and managing flood risks. Directional statistics provide a good basis for determining the similarity between flood occurrence times and is useful for flood seasonality analysis. This method was applied to a set of 20 river gauge stations in the Gorganrud River Basin, located in the North of Iran, with a 48-year recording period, to identify the seasonality of flood occurrences as well as their variations. Two indices namely MDF and r which indicate the average time of flood occurrence and the uniformity of their occurrence date during the year (degree of seasonality), were calculated for the maximum instantaneous flow data, respectively. Also, in order to examine long-term changes in flood seasonality, the recording period of the maximum flow data was divided into three 16-year intervals representing the distant past, near past, and the present time and then the indices were calculated for each interval. The results show that the average time of flood occurrence in the Gorganrud River Basin is in springs and summers. Also, the majority of the stations (about 75%) have r values between 0.3 and 0.7, which indicates an intermediate degree of seasonality meaning that the time of occurrence of the events spreads over one, two or three seasons. Analysis of long-term changes in flood seasonality shows that the average time of flood events in the Gorganrud River Basin has not changed significantly from the past. The degree of seasonality, however, has decreased compared to the past period. A mixture of different flood generation processes such as snowmelt and summer or fall rainfalls and the combined influence of geographical location and the size of watersheds can be the possible reasons for the reduction in flood seasonality in this basin.

کلیدواژه‌ها [English]

Maximum instantaneous discharge
Flood seasonality
Directional statistics
Flood generation process
the Gorganrud River Basin

مراجع

رحمتی امید، طهماسپی پور ناصر و پورقاسمی حمیدرضا (1394)، اولویت بندی سیلخیزی زیرحوضه های آبخیز استان گلستان براساس آنالیز مورفومتریک و همبستگی آماری، مجله اکوهیدرولوژی، دوره دوم، شماره2، ص 161-151.

Archer, D. (2003). Contrasting hydrological regimes in the upper Indus Basin. Journal of Hydrology, 274(1-4), 198-210.

Arias, M. E., Cochrane, T. A., Norton, D., Killeen, T. J., & Khon, P. (2013). The flood pulse as the underlying driver of vegetation in the largest wetland and fishery of the Mekong Basin. Ambio, 42(7), 864-876.

Berghuijs, W. R., Woods, R. A., Hutton, C. J., & Sivapalan, M. (2016). Dominant flood generating mechanisms across the United States. Geophysical Research Letters, 43(9), 4382-4390.

Beurton, S., & Thieken, A. H. (2009). Seasonality of floods in Germany. Hydrological Sciences Journal, 54(1), 62-76.

Black, A. R. (1994). Seasonality of flooding in the white Laggan Burn, Kirkcudbrightshire. Scottish Geographical Magazine, 110 (3), 162-167.

Black, A. R., & Werritty, A. (1997). Seasonality of flooding: a case study of North Britain. Journal of Hydrology, 195(1-4), 1-25.

Blöschl, G., Piock-Ellena, U., Merz, R. & Gutknecht, D. (1999). Prozeßorientierte Regionalisierung von Hochwässern. Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft Universität Kaiserslautern Berichte 9, 267–285 (in German).

Burn, D.H., (1996). The use of seasonality measures in hydrology. In: Brunelle, P.E., Editor. Proceedings, Annual Conference of the Canadian Society for Civil Engineering, Montreal, Quebec. vol. I. pp. 264–273.

Burn, D. H. (1997). Catchment similarity for regional flood frequency analysis using seasonality measures. Journal of Hydrology, 202(1-4), 212-230.

Collins, M. J., Kirk, J. P., Pettit, J., DeGaetano, A. T., McCown, M. S., Peterson, T. C., ... & Zhang, X. (2014). Annual floods in New England (USA) and Atlantic Canada: synoptic climatology and generating mechanisms. Physical Geography, 35(3), 195-219.

Collins, M. J. (2019). River flood seasonality in the Northeast United States: Characterization and trends. Hydrological Processes, 33(5), 687-698.

Cunderlik, J. M., and D. H. Burn. (2002). The use of flood regime information in regional flood frequency analysis, Hydrol. Sci. J., 47(1), 77– 92.

Cunderlik, J. M., & Ouarda, T. B. (2009). Trends in the timing and magnitude of floods in Canada. Journal of Hydrology, 375(3-4), 471-480.

De Michele, C., & Rosso, R. (2002). A multi-level approach to flood frequency regionalization. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 6(2), 185-194.

Gardiner, J. (1994). Environmental impact of floods. In G. Rossi, N. B. Harmancioglu, & V. Yevjevich (Eds.), Coping with floods (pp. 529–548). Dordrecht: Springer.

Hirschboeck, K. K. (1988). Flood hydroclimatology. In “Flood Geomorphology.”(VR Baker, RC Kochel, and PC Patton, Eds.). Flood Geomorphology (pp. 27–49).

Javelle, P., Ouarda, T. B., & Bobée, B. (2003). Spring flood analysis using the flood‐duration–frequency approach: application to the provinces of Quebec and Ontario, Canada. Hydrological Processes, 17(18), 3717-3736.

Jenks, G. F. (1967). The data model concept in statistical mapping. International Yearbook of Cartography, 7, 186-190.

Köplin, N., Schädler, B., Viviroli, D., & Weingartner, R. (2014). Seasonality and magnitude of floods in Switzerland under future climate change. Hydrological Processes, 28(4), 2567-2578.

Koutroulis, A. G., Tsanis, I. K., & Daliakopoulos, I. N. (2010). Seasonality of floods and their hydrometeorological characteristics on the island of Crete. Journal of Hydrology, 394(1-2), 90-100.

Lecce, S. A. (2000). Seasonality of flooding in North Carolina. Southeastern Geographer, 40(2), 168-175. Collins, M. J. (2019). River flood seasonality in the Northeast United States: Characterization and trends. Hydrological Processes, 33(5), 687-698.

Magilligan, F. J., & Graber, B. E. (1996). Hydroclimatological and geomorphic controls on the timing and spatial variability of floods in New England, USA. Journal of Hydrology, 178(1-4), 159-180.

Mardia, K. V. (1975). Statistics of directional data. Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Methodological), 37(3), 349-371.

Merz, R., Piock-Ellena, U., Blöschl, G. & Gutknecht, D. (1999). Seasonality of flood processes in Austria. In: Hydrological Extremes: Understanding, Predicting, Mitigating (ed. by L. Gottschalk, J.-C. Olivry, D. Reed & D. Rosbjerg), 273–278. IAHS Publ. 255. IAHS Press, Wallingford, UK.

Næsje, T., Jonssons, B., & Skurdal, J. (1995). Spring flood: a primary cue for hydrometeorological hatching of river spawning Coregoninae. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 52(10), 2190-2196.

Ouarda, T. B., Haché, M., Bruneau, P., & Bobée, B. (2000). Regional flood peak and volume estimation in the northern Canadian basin. Journal of Cold Regions Engineering, 14(4), 176-191.

Ouarda, T. B., Ashkar, F., & El-Jabi, N. (1993). Peaks over the threshold model for seasonal flood variations. In Engineering Hydrology (pp. 341-346). ASCE.

Richards, K. (1994). Peaks-over-threshold flood database: Summary statistics and seasonality by Adrian C. Bayliss and Richard C. Jones, Institute of Hydrology Report No. 121, Natural Environment Research Council, 1993. No. of pages: 61. Price:£ 15. ISBN 0948-540-47-8. Earth Surface Processes and Landforms, 19, 675-675.

Robertson, A. I., Bacon, P., & Heagney, G. (2001). The responses of floodplain primary production to flood frequency and timing. Journal of Applied Ecology, 38(1), 126-136.

Sivapalan, M., Blöschl, G., Merz, R., & Gutknecht, D. (2005). Linking flood frequency to long‐term water balance: Incorporating effects of seasonality. Water Resources Research, 41(6).

Villarini, G. (2016). On the seasonality of flooding across the continental United States. Advances in Water Resources, 87, 80-91.

Ye, S., Li, H. Y., Leung, L. R., Guo, J., Ran, Q., Demissie, Y., & Sivapalan, M. (2017). Understanding flood seasonality and its temporal shifts within the contiguous United States. Journal of Hydrometeorology, 18(7), 1997-2009.