تعیین ویژگی‌های خشکسالی هیدرولوژیک بر اساس منحنی‌های بزرگی-مدت-فرآوانی و آستانه‌های مختلف جریان رودخانه‌های استان اردبیل

محورهای موضوعی : مدیریت منابع آب

حامد امینی ¹ , اباذر اسمعلی عوری ² , رئوف مصطفی زاده ³ , معراج شرری ⁴ , محسن ذبیحی ⁵

1 - دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد مهندسی آبخیزداری، گروه منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
2 - استاد گروه منابع طبیعی و عضو پژوهشکده مدیریت آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
3 - دانشیار گروه منابع طبیعی و عضو پژوهشکده مدیریت آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
4 - دانشیار گروه منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
5 - دانش‌آموخته دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1401/09/12 تاریخ پذیرش : 1401/11/17 تاریخ انتشار : 1402/02/01

کلید واژه: شدت خشکسالی, حد آستانه, تداوم خشکسالی, میانگین فصلی جریان, جریان زیست‌محیطی,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: خشکسالی پدیده‌ای جهانی است که می‌تواند در هر جایی رخ دهد و خسارات قابل توجهی به انسان و اکوسیستم‌های طبیعی وارد کند. لذا موضوع خشکسالی هیدرولوژیک و کاهش جریان در رودخانه‌ های استان اردبیل نیز از موارد مهمی است که نیازمند مطالعه جامعی در این خصوص است.هدف: در تحقیق حاضر، به تحلیل و مقایسه خشکسالی هیدرولوژیک با استفاده از 4 آستانه مختلف (ثابت، متوسط سالانه، جریان زیست‌محیطی و فصلی) در 33 ایستگاه هیدرومتری استان اردبیل پرداخته شد. شدت وقایع خشکسالی با استفاده از نرم‌افزار Easy-Fit در دوره‌بازگشت‌های مختلف محاسبه شد. در این راستا، منحنی‌های بزرگی-مدت-فرآوانی خشکسالی محاسبه شد و بر اساس آن مقادیر وقایع خشکسالی در دوره بازگشت‌های مختلف محاسبه و مورد تحلیل قرار گرفت.روش: برای مطالعه خشکسالی هیدرولوژیک از 4 آستانه مختلف استفاده شده و شدت خشکسالی هیدرولوژیک در دوره ‌بازگشت‌های متفاوت محاسبه شد و سپس به بررسی خشکسالی هیدرولوژیک در دوره بازگشت‌های مختلف و منحنی‌های بزرگی-مدت-فراوانی پرداخته شد.یافته‌ها: بیش‌ترین رخداد خشکسالی در آستانه‌های ثابت، فصلی، سالانه و جریان زیست‌محیطی به‌ترتیب مربوط به ایستگاه‌های سامیان، مشیران، بوران و سامیان بوده است. هم‌چنین کم‌ترین رخداد خشکسالی مربوط به ایستگاه ویلادرق بوده است. بیش‌ترین رخداد‌های خشکسالی در هر چهار آستانه مذکور، اکثرا در تداوم‌های کم‌تر به خصوص یک ماهه دیده می‌شود. با توجه به تناسب داده‌ها با توزیع‌های متفاوت، توزیع‌های جانسون-اس بی و مقادیر فرین تعمیم یافته بیش‌ترین کاربرد را داشتند. بیش‌ترین شدت خشکسالی با افزایش دوره بازگشت مربوط به سطح آستانه متوسط سالانه و کم‌ترین شدت خشکسالی هیدرولوژیک، مربوط به سطح آستانه جریان زیست‌محیطی است. منحنی‌های بزرگی-مدت-فراوانی در همه ایستگاه‌ها روند افزایشی را نشان داد و این بدین معنا است که با افزایش تداوم خشکسالی هیدرولوژیک در همه آستانه‌های مورد مطالعه، شدت وقوع خشکسالی‌های هیدرولوژیک هم افزایش می‌یابد. بیش‌ترین شدت خشکسالی هیدرولوژیک به‌ترتیب مربوط به آستانه سالانه سپس آستانه فصلی و آستانه ثابت و از همه کم‌تر و پایین‌تر آستانه جریان زیست محیطی است. بنابراین، در دوره بازگشت‌های کم‌تر در هر چهار ایستگاه آستانه ثابت شدت یا بزرگی بیش‌تری را نسبت به آستانه فصلی نشان می‌دهد و در دوره بازگشت‌های بالاتر آستانه فصلی شدت بالاتر وقایع خشکسالی را نسبت به آستانه ثابت نشان می‌دهد.نتایج: هم‌چنین می‌توان نتیجه گرفت که بزرگی خشکسالی هیدرولوژیک در آستانه ثابت در هر چهار ایستگاه منتخب نوسان کم‌تری را نسبت به سایر آستانه‌ها نشان می‌دهد. باید اشاره شود که در تعیین خشکسالی بر اساس آستانه ثابت، سالانه و فصلی، وقایع دارای تعداد و شدت بیش‌تر نسبت به آستانه جریان محیط زیستی خواهد بود. نقشه تغییرات مکانی شدت خشکسالی نشان داد که بیش‌تر خشکسالی‌ها در ایستگاه‌های واقع در شمال و شمال غرب (بران و دوست‌بیگلو) اتفاق افتاده است. تفکیک اثر عوامل انسانی و اقلیمی در ارزیابی خشکسالی از پیشنهادات تحقیق حاضر است که می‌تواند در مطالعات آتی مدنظر قرار گیرد.

چکیده انگلیسی:

Background and Aim: Drought is a global phenomenon that can occur anywhere and cause significant damage to humans and natural ecosystems. Therefore, the issue of hydrological drought and reduction of river flow in Ardabil province is also an important issue that requires a comprehensive study.Method: In this study, hydrological drought characteristics are using Severity-Duration-Frequency (SDF) curves considering four different threshold levels (constant, annual average, seasonal, and environmental flow) in 33 hydrometric stations in Ardabil province. The severities of drought events are calculated using Easy-Fit software in different return periods. In this regard, drought magnitude-duration-frequency curves are calculated and based on that, the values of drought events in different return periods are calculated and analyzed.Results: The highest drought event is determined for constant, seasonal, yearly, E-flow threshold levels in Samina, Mashiran, Booran, and Samian stations, respectively.  Also, the lowest occurrence of drought is associated with the Vildaragh station. The majority of drought events in all four aforementioned thresholds are mostly observed in shorter durations, especially within one-month periods. The Jonson_SB and General Extreme Value distributions were the most suitable statistical distributions. The highest intensity of drought increases with longer return periods associated with the average annual threshold level, and the lowest intensity of hydrological drought is linked to the threshold of environmental flow. The SDF curves for all stations demonstrate an increasing trend, indicating that with prolonged hydrological drought duration in all studied thresholds, the severity of hydrological drought occurrences also increases. The greatest intensity of hydrological drought is sequentially related to the annual threshold, followed by the seasonal threshold and the fixed threshold, with the threshold of environmental flow being the lowest and least. Consequently, for shorter return periods, the fixed threshold indicates greater intensity or magnitude compared to the seasonal threshold in all four stations, and for longer return periods, the seasonal threshold demonstrates higher intensity of drought events compared to the fixed threshold.Conclusion: Furthermore, it can be concluded that the magnitude of hydrological drought at a fixed threshold shows less variability in all four selected stations compared to the other thresholds. It should be noted that in defining drought based on fixed, annual, and seasonal thresholds, events will have a higher number and greater intensity compared to the environmental flow threshold. The spatial changes in drought intensity are depicted on the map, indicating that most droughts have occurred in stations located in the northern and north-western regions (Borran and Dostbiglou). Separating the effects of human and climatic factors in drought assessment is a suggestion from this study that could be considered in future research.

منابع و مأخذ:

Alijani, B., & Afsharmanesh, H. (2015). Statistical analysis of long-term precipitation values to fit the appropriate statistical distribution (Case study of Iran). Geography and urban planning of Zagros Landscape, 7(5): 73-95. [In Persian]

Araghinejad, Sh., & Karamouz, M. (2014). Advanced Hydrology. Amir Kabir Publications. 1^st Edition, 468p. [In Persian]

Bagheri, R., & Mohammadi, S. (2012). Investigation on spatial variations of drought using geostatistics in Kerman province over a thirty-year period (1970- 2000). Rangeland and Desert Research, 19(2): 283-296. [In Persian]

Bayazidi, M., & Saghafian, B. (2011). Regional analysis of river flow drought in southwestern regions of the country. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 5(14): 37-52. [In Persian]

Byun, H.R., & Wilhite, D. (1999). Objective quantification of drought severity and duration, Journal of Climate, 2(9): 2747-2756.

Delpla, I., Jung, A.V., Baures, E., Clement, M & Thomas, O., (2009). Impacts of climate change on surface water quality in relation to drinking water production. Environmental International, 35(8): 1225-1233.

Garberchet, J., Van Liew, M & Brown, G.O., (2004). Trends in precipitation, streamflow, and evapotranspiration in the great plains of the United States, Hydrologic Engineering, 9(5): 360-367.

Gordon, N., McMahon, Th., Finlayson, B., Gippel, Ch & Nathan, R., (2004). Stream Hydrology: An Introduction for Ecologists, 2nd Edition, Wiley, Pp 448.

Haji, Kh., Mostafazadeh, R., EsmaliOuri, A. (2017). Severity and duration variations of monthly stream flow in Gorganroud Watershed, Golestan Province. Extension and Development of Watershed Management, 5(19):57-67. [In Persian]

Hasani, M., Malekian, A., Rahimi, M., Samiei, M., & Khamushi, M.R. (2012). Study of efficiency of various base flow separation methods in arid and semi-arid rivers (Case study: Hablehroud basin). Journal of Arid Biome, 2(2): 10-212. [In Persian]

Hirji, R & Davis, R., (2009). Environmental flows in water resources policies, plans, and projects, findings and recommendations, The World Bank, Washington DC. Vol 1, 189 Pp.

Hisdal, H & Tallaksen, L. M., (2003). Estimation of regional meteorological and hydrological drought characteristics: a case study for Denmark, Journal of Hydrology, 281(3): 230-247.

Janbozorgi, M., Hanifepour, M., & Khosravi, H. (2021). Temporal changes in meteorological-hydrological drought (Case study: Guilan Province). Water and Soil Management and Modelling, 1(2), 1-13. doi: 10.22098/mmws.2021.1215

Karimi, M., Shahedi, K., & Bayazidi, M. (2015). Analysis of hydrological drought using constant threshold level method (Case study: Karkheh River Basin, Iran). Journal of Watershed Management Research, 60(11): 59-72. [In Persian]

Khedun, C.P., Chowdhary, H., Giardino, J.R., Mishra & Singh, V.P., (2011). Analysis of drought severity and duration based on runoff derived from the noah land surface model. Symposium on Data- Driven Approaches to Droughts, 6(21): 1-10.

Khorooshi, S., Mostafazadeh, R., Esmali-Ouri, A., & Raoof, M. (2017). Spatiotemporal Assessing the Hydrologic River Health Index Variations in Ardabil Province Watersheds. Ecohydrology, 4(2): 393-379. [In Persian]

Kjeldsen, T.R., Lundorf, A & Dan, R., (2000). Use of two components exponential distribution in partial duration modeling of hydrological droughts in Zimbabwean rivers, Hydrological Science, 45(2):285–298.

Kwak, J., Soo, Y., So, J.K., Soo, L & H., Kim., )2012(. Drought Severity-Duration-Frequency analysis of hydrological drought based on copula theory, Hydrology Days, Pp82-89.

Maroufi, S., & Tabari, H. (2011). Revealing the process of changes in Maroon River discharge using parametric and non-parametric methods. Geographic research, 26(2): 125-146. [In Persian]

Mehry, S., Mostafazadeh, R., EsmaliOuri, A., & Ghorbani, A. (2017). Spatial and Temporal Variations of Base Flow Index (BFI) the Ardabil Province rivers, Iran. Earth and Space Physics, 43(6)623-634. [In Persian]

Mirabbasi Najafabadi; R., & Dinpazhoh, Y. (2010). Analysis of the changes in the water yield of the northwest rivers of Iran in the last three decades. Water and Soil, 24(4): 757-768. [In Persian]

Mishra, A.K and Singh, V.P., (2010). A review of drought concepts. Journal of Hydrology, 391(1-2): 202-216.

Mostafazadeh, R., & Mehry, S. (2019). Determining the precipitation regime and changes of precipitation seasonality index in the central part of Ardabil province. Watershed Management Research, 31(3): 28-39. [In Persian]

Nosrati, K. (2012). Regional Analysis of Hydrological Drought in Sefidrood Drainage Basin Using Base Flow Index. Journal of Range and Watershed Management, 65(2): 257-267. [In Persian]

Nosrati, K., & and Kazemi, Y. (2010). Daily monitoring of drought and water resources in different climates of Iran. Journal of Range and Watershed Managment, 64(1): 79-94. [In Persian]

Razmkhah, H., (2017). Comparing threshold level methods in development of stream flow drought Severity-Duration-Frequency curves, Water Resources Management, 31(13): 4045-4061.

Salajeghe, A., Mesbahzade, T., Soleimani Sardoo, F., & Alipour, N. (2018) Assessment of hydrological drought using constand treshold level. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 11(39): 89-99. [In Persian]

Sarailidis, G., Vasilides, L & Loukas., (2015). The quantification of threshold level method on lows studies, Proceedings of the 14th International Conference on Environmental Science and Technology Rhodes, Greece, Pp 1-5.

Schittkowski, K., (2002). EASY-FIT: a software system for data fitting in dynamical systems. Structural and Multidisciplinary Optimization, 23(2): 153-169.

Shafiei, M., & Raeini, M. (2016). Assessment of the Impact of meteorological drought and wetness trends on the Parishan Lake water level decline. Journal of Watershed Management Research, 6(12): 118-126. [In Persian]

Smakhtin, V.U., (2001). Low flow hydrology: a review, Journal of Hydrology, 240(3-4): 147-186.

Sung, J.H & Chung, E.S., (2014). Development of streamflow drought Severity–Duration–Frequency curves using the threshold level method, Hydrology and Earth system Sciences, 18(9): 3341–3351.

Tallaksen, L.M., (2000). Streamflow drought frequency analysis, Drought and Drought Mitigation in Europe, 14:103-117.

Tareke, K.A., Awoke, A.G. 2022. Hydrological and meteorological drought monitoring and trend analysis in Abbay River basin, Ethiopia. Advances in Meteorology, 2048077. https://doi.org/10.1155/2022/2048077

Urosev, M., Dolinaj, D & Lescesen, I., (2016). Hydrological droughts in the Juzna Morava river basin (Serbia), Geographica Pannonica, 20(4): 197-207.

Van Huijgevoort, M.H.J., Van Lanen, H.A.J., Teuling, A.J., & Uijlenhoet, R., (2014). Identification of changes in hydrological drought characteristics from a multi-GCM driven ensemble constrained by observed discharge. Journal of Hydrology, 512: 421-434.

Van Huijgevoort, M.H.J., Van Lanen, H.A.J., Teuling, A.J., & Uijlenhoet, R., (2014). Identification of changes in hydrological drought characteristics from a multi-GCM driven ensemble constrained by observed discharge. Journal of Hydrology, 512: 421-434.

Van Loon, A.F & Laaha, G. (2015). Hydrological drought severity explained by climate and Catchment Characteristics. Journal of Hydrology, 526: 3–14.

Wu, J.; Yao, H.; Wang, G. 2022. Propagation Characteristics of Hydrological Drought Based on Variable and Fixed Threshold Methods in Snowmelt and Rainfall Driven Catchments. Water, 14, 3219. https://doi.org/10.3390/ w14203219

Yildirim, G., Rahman, A., Singh, V.J. 2022. Meteorological and hydrological drought hazard, frequency and propagation analysis: A case study in southeast Australia, Journal of Hydrology: Regional Studies, 44, 101229, https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2022.101229.

Yousefi, Y., Rordeh, H., Razavi, S.M. (2011). Spatial and Temporal Variability of River Flow in Mazandaran Province, Geographical Planning of Space. 1(2): 75-88. [In Persian]

Zargar, A., Sadiq, R., Naser, B & Khan, F.L., (2011). A review of drought indices. Environmental Reviews. 19(1): 333-349.