بخشی از مقاله
چکیده :
در این پژوهش به منظور بررسی خشک سالی دشت زوزن - جنوب خراسان رضوی و شمال خراسان جنوبی - از دادههای بارش سالهای آبی 63-64 تا 92-93 ایستگاه باران سنجی آبیز استفاده شده است. دسته بندی دادهها بر اساس روش آزمون دنبالهها و SPI انجام گرفت که مشخص گردید سال آبی 74-75 دارای بیشترین میزان خشکسالی میباشد. با توجه به نتایج زنجیره مارکف به طور میانگین احتمال تعادل دورههای خشک، تر و نرمال در دشت زوزن به ترتیب %18، %72، %1 میباشد. به منظور تهیه هیدروگراف معرف آبخوان دشت زوزن و بررسی افت سطح ایستابی از اطلاعات 19 حلقه چاه مشاهده ای برای سال آبی 88-89 تا 92-93 استفاده گردید. نقشه هم افت برای سال آبی 88-89 تا 92-93 تهیه گردید. نتایج نشان میدهد که بیشترین افت سطح ایستابی در چاه مشاهده ای حجت آباد و کمترین افت سطح ایستابی در چاه مشاهده ای حسن آباد میباشد.
کلید واژهها: خشک سالی، زوزن، آزمون دنبالهها، SPI، زنجیره مارکف
مقدمه :
خشک سالی پدیدهای است اقلیمی که به صورت دورهای در هر منطقه و با هر شرای آب و هوایی رخ میدهد. لذا شناسایی خشکسالی خود یافتهای ارزشمند برای مدیریت منابع آبی مناطقی چون ایران است که بخش اعظم آن را مناطق خشک و نیمه خشک تشکیل میدهد. برای پایش خشکسالی نمایه های مختلفی از سوی محققین اعلام شده است که هر کدام ورودیها و شرای استفاده خاص خود را دارا میباشند. از بین متغیرهای اقلیمی بارش بهعنوان مهم ترین متغیر تعیین کننده شرای خشک سالی است. بارندگی مهمترین متغیری است که تغییرات آن به طور مستقیم در رطوبت خاک و جریانهای سطحی، تغییرات مخازن زیرزمینی آب و غیره منعکس می شود. اصولاً برای تحلیل کمی خشکسالی، وجود یک شاخص مشخص جهت تعیین دقیق دورههای مرطوب و خشک بسیار ضروری است. یکی از شاخصهای مهم مورد استفاده در مطالعات خشک سالی شاخص استاندارد بارش - SPI - میباشد که در این مطالعه جهت پیش بینی خشک سالی در دشت زوزن استفاده شده است. مک کی و همکاران برای اولین بار شاخص SPI را در ایالت کلرادو آمریکا به کار بردند و دریافتند که برای برازش دادههای بارندگی، توزیع گاما مناسب تر توزیع می باشد. هایز و همکاران - 1998 - در بررسی خشکسالی 1996 ایالت کلرادوی آمریکا نشان دادند که شاخص SPI در تعیین زمان شروع و پیشرفت خشک سالی نتایج قابل قبولی داشته و حتی در مقیاس ماهانه عملکرد بهتری نسبت به پالمر دارد. سلطانی و سعادتی پهنه بندی خشک سالی در استان اصفهان را با استفاده از شاخص استاندارد بارش انجام دادند. انصافی مقدم - 1386 - چند شاخص خشک سالی را در حوضه دریاچه نمک مورد ارزیابی قرار داد و شاخص SPI را مناسب ترین شاخص معرفی کرد. پیش بینی خشکسالی به عنوان یکی از راهبردهای مقابله با این رخداد طبیعی و کاهش اثرات مخرب آن امری است که در سالهای اخیر توجه کارشناسان هواشناسی و کشاورزی را به خود جلب نموده است و فعالیتهای گوناگون جهت پایش و پیش بینی این پدیده توس سازمانهای مرتب صورت پذیرفته است. مدل زنجیره مارکف از جمله مدلهای سری زمانی هستند که برای پیش بینی احتمالاتی بارندگی و رویدادهای خشک سالی به کار میروند. از مدل زنجیره مارکف برای بیان و تعریف ویژگیهای تصادفی فرآیندهای تصادفی - متغیرهای هواشناسی و هیدرولوژی - استفاده میشود. از موارد استفاده از زنجیره مارکف می توان به استفاده گابریل و نیومن - 1962 - از یک مدل زنجیره مارکف مرتبه اول برای تعیین روزهای خشک و تر با استفاده از دادههای بارندگی روزانه که در منطقهای در فلسطین استفاده نمودند نام برد. از مواردی که در داخل کشور از زنجیره مارکف جهت پیش بینی خشک سالی استفاده شده است، میتوان به تحقیقات رضییی و همکاران - 1386 - در استان سیستان و بلوچستان، علیزاده و همکاران در استان خراسان رضوی و حقیقت جو و شامحمدی حیدری جهت پیش بینی بده رودخانه هیرمند نام برد. تحلیل خشک سالی همچنین با استفاده از آزمون دنبالهها - Runs approach - که مشابه تئوری آزمون متغیرهای گسسته می باشد، انجام میگیرد که این روش خصوصیات تصادفی سریهای زمانی را مورد بررسی قرار میدهد. در این پژوهش به منظور بررسی خشک سالی دشت زوزن از روش آزمون دنبالهها، SPI و زنجیره مارکف استفاده شده است.
بحث:
محدوده مطالعاتی زوزن با کد 5102 و وسعت 4067/83 کیلومترمربع بخشی از حوضه آبریز نمکزار خواف می-باشد که در محدودهای به طول جغرافیایی 35 و 59 تا 25 و 60 و عرض جغرافیایی 42 و 33 تا 46 و 34 قرار دارد. این محدوده در جنوب استان خراسان رضوی و شمال استان خراسان جنوبی واقع شده و بخشی از شهرستانهای خواف و قاین را در برگرفته است. همان طور که در شکل - 1 - مشاهده می شود قدیمیترین تشکیلات زمین شناسی رخنمون یافته در محدوده مورد مطالعه زوزن شیل و ماسه سنگ سازند سردر به سن کربونیفر میباشد که در بخش غربی محدوده مطالعاتی زوزن در سطح دیده میشوند. در مجاورت این سنگها رسوبات آهکی و دولومیتی مربوط به گروه طبس متعلق به پرمین مشاهده میشود. شیل، ماسه سنگ و کوارتزیت سازند شمشک در بخشهای شمالی، کنگلومرا و ماسه سنگهای نئوژن در بخشهای شمال غربی و پادگانههای آبرفتی قدیمی و جوان که در اکثر بخشهای محدوده مطالعاتی زوزن نهشته شدهاند. بر اساس ضریب دو مارتن محدوده مطالعاتی زوزن دارای اقلیم خشک میباشد و بر اساس اقلیم نمای آمبرژه این محدوده دارای اقلیم خشک معتدل می باشد.
سطح آب زیرزمینی در محدوده مطالعاتی زوزن از سال 1388-93 در 19 حلقه چاه مشاهدهای اندازهگیری شده است. بنابراین جهت تهیه هیدروگراف معرف آب زیرزمینی در محدوده آبخوان آبرفتی از آمار و اطلاعات 19 حلقه چاه مشاهدهای استفاده گردید و چندضلعیهای تیسن برای آنها تهیه گردید - شکل . - 2 هیدروگراف معرف پنج ساله - از سال 1388-89 تا - 1392-93 آبخوان دشت زوزن نشان میدهندکه روند عمومی سطح آب زیرزمینی در آبخوان زوزن، کاهنده می باشد - شکل . - 3 به بیان دیگر در طول این 5 سال - از سال 1388-89 تا - 1392-93،
سطح آب زیرزمینی در آبخوان زوزن حدود /52 متر کاهش یافته است. جهت بررسی تأثیر بارندگی بر سطح ایستابی اطلاعات روزانه ایستگاه هواشناسی آبیز واقع در محدوده مطالعاتی برای سالهای آبی 1363-64 تا 1392-93 جمع آوری و نمودار سالانه بارندگی تهیه گردید - شکل . - 4
به منظور تعیین دوره خشک سالی از دو روش آزمون دنبالهها و SPI استفاده گردید.
روش آزمون دنبالهها:
تحلیل خشکسالیها در این روش مشابه آزمون تئوری متغیرهای گسسته است. در این روش ابتدا میانگین سالانه بارندگیها - P - محاسبه میگردد و یک حد آستانه - X0 - برای خشک سالی در نظر گرفته می شود. چنانچه مقدار بارندگی در هر سال - X - کمتر از X0 باشد آن سال یک سال خشک در نظر گرفته میشود. آستانه بارندگی - X0 - برای خشک سالی معمولاً برابر 75 تا 80 درصد متوس بارندگی سالانه است. اگر این آستانه X0 باشد بنابراین X= 0/75 خواهد بود. سپس برای هر سال تفاوت بارندگی سالانه نسبت به مقدار آستانه - X - X0 - محاسبه میگردد، که مقدار مثبت آن میزان ترسالی و یا مقدار منفی آن میزان خشکسالی را نشان میدهد. در شکل 6 شدت ترسالی و خشک سالی در بازه دارای آمار نشان داده شده است.
روش شاخص بارش استاندارد : - SPI -
یکی از شاخصهای اساسی در مطالعهی خشک سالی، شاخص استاندارد بارش می باشد که محاسبه آن نیازمند داشتن میانگین و انحراف معیار دراز مدت مقادیر بارندگی در دورههای مورد مطالعه است. این شاخص اساساً برای تعریف و پایش خشک سالی و ترسالی ارائه شده است و به تحلیل گر امکان میدهد تا تعداد وقایع خشک سالی و ترسالی اتفاق افتاده را برای هر گام زمانی دلخواه تعریف و شناسایی نماید. از آنجا که این شاخص بی بعد میباشد، میتوان به کمک آن اطلاعات مناطق مختلف را با هم مقایسه و نقشههای گستره خشک سالی را با دقت بیشتری تولید نمود از جمله مزایای دیگر این شاخص آن است که میتوان خشک سالیهای شدید و ترسالیهای شدید منطقه را شناسایی و با برازش تابع چگالی احتمال، تحلیل فراوانی بر روی آن انجام داد. برای بدست آوردن مقدار شاخص SPI ابتدا آمار ماهانه ایستگاهها محاسبه سپس آمار فصلی سالیانه با استفاده از آمار ماهانه مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد - شکل . - 7
:Xi مقادیر بارندگی برای i مین ایستگاه، : ̅ میانگین بارندگی برای ایستگاه i ام، :S انحراف معیار از دادههای i امین ایستگاه
مطالعات زمانی به صورت میانگین برای تغییرات سطح ایستابی کل دشت می باشد و تغییرات مکانی افت بر سطح ایستابی را نشان نمی دهد، بنابراین لازم است بررسی مکانی اطلاعات دشت صورت گیرد. برای این کار ابتدا نقشه هم پتانسیل با توجه به اطلاعات 19 حلقه چاه مشاهده ای برای بهمن و خرداد 93 با استفاده از نرم افزار SURFER 12.7 تهیه گردید - شکلهای 8 و . - 9 جهت رسم نقشه نوسانات سطح آب آبخوان دشت زوزن از دادههای دوره آماری 88-89 - تا - 92-93 استفاده گردید. نقشه هم افت پنج ساله آب زیرزمینی آبخوان زوزن با استفاده از تفاضل ارقام سطح آب بین مهر 1388 و شهریور 1393 ترسیم گردید - شکل . - 10
زنجیره مارکف:
مدل زنجیره مارکف یک روش ریاضی جهت مدل سازی پدیدههای تصادفی می باشد که توالی مشاهدات را در طول زمان نشان میدهند. وابستگی این زنجیره به زمان یا از طریق ضرایب همبستگی و یا با استفاده ماتریسهای احتمال انتقال بیان میشود.مدل زنجیره مارکف مرتبه اول اصلیترین شکل مدل زنجیره مارکف با تعداد حالتهای دو یا سه در بررسیهای خشکسالی میباشد. زنجیره مارکف مرتبه اول به فرآیندهایی میپردازد که در آنها هر واقعه تنها به واقعه مرحله قبل وابسته بوده و تأخیر زمانی آن به یک دوره قبل
