بررسی تغییرات شدت بارش‌های کوتاه مدت در نیم قرن اخیر در شرایط کمبود داده (مطالعه موردی: شهر رشت)
محورهای موضوعی : هیدرولوژی، هیدرولیک و ساختمان های انتقال آب
مهدی ترابی
1
(دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین. ایران.)
علیرضا شکوهی
2
(استاد گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، ، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.)
کلید واژه: شدت بارش, منحنی‌های شدت-مدت-فراوانی, نظریه فرکتال, جهش اقلیمی, سیلاب شهری,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: با افزایش تولید گاز‌های گلخانه‌ای در پی صنعتی شدن کشورهای دنیا، شاهد رخداد گرمایش جهانی هستیم که در سال‌های اخیر باعث تغییرات اقلیمی در سراسر کره زمین شده است. از اثرات این پدیده می‌توان تغییر در رفتار فراسنج های آب و هوایی مثل دما و بارش را برشمرد. اثرات پدیده تغییرات اقلیمی بر روی بارش منجر به تغییر شدت بارش و در نهایت تغییر منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) بارش برای مناطق مختلف جهان و کشور شده است. از این رو بروزرسانی منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) به دلیل اهمیت آن ها در طراحی سازه های هیدرولیکی مورد استفاده در مدیریت سیلاب شهری امری ضروری است. یکی از مشکلات تولید منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) عدم دسترسی به داده های بارش با تداوم های مختلف است. هدف از این پژوهش استفاده از روش فرکتال برای بدست آوردن بارش با تداوم های مختلف و سپس ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر روی شدت بارش در شهر رشت می باشد.روش پژوهش: در این پژوهش ابتدا صحت روش فرکتال برای تولید منحنی های شدت-مدت-فراوانی ارزیابی شد. سپس با استفاده از نظریه فرکتال منحنی های شدت-مدت-فراوانی تولید شده اند و با تعیین جهش متاثر از تغییر اقلیم توسط نرم افزار TREND بر روی شدت بارش، دو دوره پیش و پس از تغیییرات اقلیمی ارزیابی و مقایسه شده است.یافته ها: در این پژوهش صحت سنجی روش فرکتال نشان داد که تولید منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) برای شهر رشت با استفاده از روش فرکتال در مقایسه با تولید منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) با استفاده از داده های مشاهداتی دارای اختلاف حدود سه درصدی می باشد. بنابراین برای تولید منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) برای سال هایی که داده های بارش با تداوم زیر سه ساعت در دسترس نبود، از این روش استفاده شد. ارزیابی منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) با نرم افزار TREND بر روی شدت بارش برای تداوم های مختلف نشان داد که در سال 2003 جهش شدت بارش به سمت شدیدتر شدن تحت اثر تغییرات اقلیمی رخ داده است. به عنوان نمونه برای مدت زمان 10 دقیقه ای با دوره بازگشت 100 سال پیش از اثر تغییر اقلیم شدت بارش 158 (میلی متر بر ساعت) و پس از اثر تغییر اقلیم شدت بارش 225 (میلی متر بر ساعت) شده است. همچنین نتایج نشان داد که دوره بازگشت های کوتاه تغییر بیشتری نسبت به دوره بازگشت های بزرگ داشته است یعنی دوره بازگشت 2 ساله حدود 70 درصد افزایش و در دوره بازگشت 100 ساله حدود 40 درصد افزایش مشاهده می‌شود.نتایج: در این پژوهش با ارزیابی روش فرکتال مشخص گردید که در صورت عدم دسترسی به داده های بارش با تداوم های مختلف، روش فرکتال برای تولید تداوم های مختلف بارش و تولید منحنی های شدت-مدت-فراوانی(IDF) با دقت قابل قبول، یک روش مناسب می باشد. همچنین نتایج نشان داد جهش منحنی های شدت-مدت-فراوانی تحت اثر تغییر اقلیم در سال 2003 رخ داده است و در دوره تغییر اقلیم نسبت به دوره پیش از تغییر اقلیم شدت بارش به سمت شدیدتر شدن بارش حرکت داشته است و این رخداد در دوره بازگشت های کوتاه مدت افزایش بیشتری را نشان می دهد.
Background and Aim: With the increase in the production of greenhouse gases due to the industrialization of the countries of the world, we are witnessing the occurrence of global warming, which has caused climate changes all over the planet in recent years. One of the effects of this phenomenon is the change in the behavior of weather parameters such as temperature and precipitation. The effects of climate change phenomenon on precipitation have led to changes in the intensity of precipitation and finally changes in intensity-duration-frequency (IDF) curves of precipitation for different regions of the world and country. Therefore, updating the intensity-duration-frequency (IDF) curves is necessary because of their importance in the design of hydraulic structures used in urban flood management. One of the problems of producing intensity-duration-frequency (IDF) curves is the lack of access to rainfall data with different continuities. The purpose of this research is to use the fractal method to obtain precipitation with different continuities and then evaluate the effect of climate change on the intensity of precipitation in Rasht City. .Method: In this research, the accuracy of the fractal method for generating intensity-duration-frequency curves is first evaluated. Then intensity-duration-abundance curves are produced by using fractal theory and by determining the effect of climate change on rainfall intensity by TREND software, two periods before and after climate change are evaluated and compared.Results: In this research, the validation of the Fractal method shows that the IDF curve production for Rasht city using the Fractal method compared to the IDF curve production using observational data has about a three percent difference. Therefore, this method was used to generate IDF curves for the years when rainfall data with less than three hours of duration was not available. The evaluation of IDF curves with TREND software on the rainfall intensity for different durations demonstrates that the rainfall intensity jump occurred in 2003 towards becoming more intense due to the effect of climate change. For example, for 10 minutes with a return period of 100 years before the effect of climate change, the intensity of rainfall is 158 (mm/h) and after the effect of climate change, the intensity of rainfall is 225 (mm/h). Also, the results showed that the period of short returns has changed more than the period of large returns, that is, the 2-year return period has increased by about 70% and the 100-year return period has increased by about 40%.Conclusion: In this research, by evaluating the fractal method, it was determined that if there is no access to rainfall data with different durations, the fractal method is a suitable method for generating different rainfall durations and generating IDF curves with acceptable accuracy. be Also, the results showed that the jump of intensity-duration-frequency curves occurred under the effect of climate change in 2003, and in the period of climate change, compared to the period before climate change, the intensity of rainfall moved towards more intense rainfall, and this event occurred in the period Short-term returns show a greater increase.
Azhdary Moghaddam, M., Heravi, Z., 2018. Evaluation of IDF curve production methods by relationship based on nature of combination of fractal of precipitation. Journal of Water and Soil Conservation, Vol. 24(6). doi: 10.22069/jwsc.2018.11418.2582. [In Persian]
Bolouki , H., Fazeli, M., Sharifzadeh, M., 2021. Investigation of the effect of climate change under emission scenarios on intensity-duration-frequency curves of precipitation in Zahedan Synoptic Station using Fractal theory. Iranian Journal of Ecohydrology, vol. 8 pages 735-748. Doi: 10.22059/ije.2021.323710.1505. [In Persian]
Khosravi, M., Dooskamian, M., Mirmoosavi, H., Bayat, A., Beigrezaei, A., 1392. Classification of temperature and precipitation in Iran using geostatistics and cluster analysis methods. Regional Planning Publication, 4(13). https://www.sid.ir/paper/230505/fa. [In Persian]
Shokoohi, A., Habibnejad, R., 2020. Evaluating Intensity, Duration and Frequency of Short Duration Rainfalls Using a Regional Climate Change Model (Case Study: Tehran). Iran-Water Resources Research, Volume 15, No. 4, Winter 2020 (IR-WRR). Doi: 20.1001.1.17352347.1398.15.4.28.1. [In Persian]
Safavi, H.R., Dadjou. Sh., Naeimi, G., 2019. Extraction of Intensity-Duration-Frequency (IDF) Curves Under Climate Change, Case study: Isfahan Synoptic Station. Volume 15, No. 2, (IR-WRR). Doi: 20.1001.1.17352347.1398.15.2.17.6. [In Persian]
Noori Gheidari, M.H., 2012. Extracting the Intensity - Duration – Frequency Curves with Daily precipitation Data Using Fractal Theory. Journal of Water and SoilVol. 26, No. 3, Jul-Aug 2012, p. 718-726. https://doi.org/10.22067/jsw.v0i0.14939. [In Persian]
Andimuthu, R., Kandasamy, P., Mudgal, BV., Jeganathan, A., Balu, A., sankar, G.,2019. performance of urban storm drainage network under changing climate scenarios: Flood mitigation in Indian coastal city. Scientific Reports volume 9, Article number: 7783. https://www.nature.com/articles/s41598-019-43859-3.
Burlando, P., Rosso, R., 1996. Scaling and muitiscaling models of depth-duration-frequency curves for storm precipitation. Journal of Hydrology 187:45-64. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(96)03086-7.
Deidda, R., 2000. Rainfall downscaling in Space-time multifractal framework. Water Resources Research. 36: 1779-1794. https://doi.org/10.1029/2000WR900038
General Requirements and Details for the Design and Construction of Surface Water Systems, Public Works Engineering Services Surface Water Management, Vancouver, 2017. https://www.cityofvancouver.us/publicworks/page/general-requirement-standards-details-water-sanitary-sewer-stormwater
Gupta, V.K., and Waymire, E., 1990. Multiscaling properties of spatial rainfall and river flow distributions. Journal of Geophysical Research, 95 (D3): 1999-2009. https://doi.org/10.1029/JD095iD03p01999
Molnar, P., and Burlando, P., 2005. Preservation of rainfall properties in stochastic disaggregation by a simple random cascade model. Atmospheric Research, 77:137-151. DOI:10.1016/j.atmosres.2004.10.024
Mandelbrot, BB,. 1982. The fractal geometry of nature, vol 1. WH freeman New York. https://doi.org/10.2307/2323761.
Nhat, L.M., Tachikawa, Y., Sayama, T., and Takara, K., 2007. Regional rainfall intensity – duration – frequency relationships for ungauged catchments based on scaling properties. Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University, 50, B: 33-43. http://www.dpri.kyoto-u.ac.jp/nenpo/no50/gaiyouB/b50b0p03.pdf
Akan, O., Houghtalen R.J., 2003. Urban hydrology, hydraulics and stormwater quality. John Wiley and Sons, Inc. https://books.google.ba/books?id=hmWflmO5uKcC&printsec=copyright#v=onepage&q&f=false.
Rodr ́ıguez, R., Navarro, X., Casas, M.C., Ribalaygua, J., Russo, B., Pouget, L., Reda ̃no, A., 2013. Influence of climate change on IDF curves for the metropolitan area of Barcelona (Spain). International journal of Climatology, vol,34, Pages 643-654. https://doi.org/10.1002/joc.3712
Sarhadi, A., Soulis, ED., 2017. Time-varying extreme rainfall intensity-duration-frequency curves in a changing climate. Geophysical Research Letters. DOI:10.1002/2016GL072201
Schaefer, M.G., 1990. Regional analyses of precipitation annual maxima in Washington State. Water Resources Research 26(1):119-13. https://doi.org/10.1029/WR026i001p00119
Singh, R., Arya, D.S., Taxak, A.K., Vojinovic, Z., 2016. Potential Impact of Climate Change on Rainfall Intensity-Duration-Frequency Curves in Roorkee, India, Water Resources Management volume 30, pages 4603–4616. https://doi.org/10.1007/s11269-016-1441-4
_||_