بخشی از مقاله
چکیده
تغییر اقلیم فرایندهای هیدرولوژیکی را تحت تاثیر قرار میدهد و در ترکیب با فعالیتهای انسانی منجر به تغییرات گستردهای میشود. هدف این مطالعه تحلیل روند دبی و نقطه تغییر دو ایستگاه تازهکند قشلاق و کاسین واقع در حوضه اهرچای با استفاده از دادههای سالانه میباشد. برای این منظور از روش ناپارامتریک من کندال برای شناسایی روند و 3 آزمون پتیت، آزمون همگنی استاندارد نرمال و بویشند برای شناسایی نقطه تغییر استفاده شد. به منظور تخمین شیب خط روند روش تخمین گر سن مورد استفاده قرار گرفت .
نتایج نشان داد که در طول دوره 37 ساله مورد مطالعه مقدار دبی در هر دو ایستگاه مورد مطالعه از نوع کاهشی بوده است ولی روند کاهشی مشاهده شده در ایستگاه کاسین غیرمعنیدار و در ایستگاه تازه کند قشلاق از نوع معنیدار میباشد. نتیجه آزمونهای مربوط به نقطه تغییر نشان داد که در ایستگاه تازهکند قشلاق نقطه تغییر با استفاده از آزمون پتیت و بویشند سال 1373و با آزمون همگنی نرمال استاندارد سال 1374 میباشد. با مقایسه تطبیقی مقادیر بارندگی و دبی میتوان نتیجهگیری کرد که آیا روند کاهشی موجود در مقادیر دبی نتیجه دخالتهای انسانی یا تغییرات بارندگی و یا هر دو است.
واژه های کلیدی:خودهمبستگی، من کندال، نقطه تغییر، روند، اهرچای
مقدمه
تغییر چرخه هیدرولوژیکی حوضهها در سالهای اخیر به دلیل فعالیت-های انسانی یا تغییرات آب و هوایی مشهودتر شده است. رواناب عنصر کلیدی فرایند هیدرولوژیکی است و به طور غیرمستقیم تاثیر آب و هوای منطقه و فعالیت های انسانی را روی فرایندهای هیدرولوژیکی نشان میدهد .[1]دانشمندان معتقدند که دخالت بشر در ترکیب گازهای اتمسفر به علت تغییر در غلظت گازهای گلخانهای ناشی از مصرف سوخت-های فسیلی منجر به افزایش میانگین دمای هوای اطراف کره زمین شده است. افزایش دمای هوا میتواند منجر به تغییرات در روند برخی از مولفههای چرخه هیدرولوژی از جمله بارش و جریان آبراههای در نقاط مختلف جهان شود .[2] در سالهای اخیر پژوهشگران زیادی با استفاده از روشهای ناپارامتریک روند متغیرهای هیدرولوژیکی و آب و هوایی را مورد بررسی قرار دادهاند که در زیر به برخی از آنها اشاره میشود:
بائی و همکاران [3] روند بلندمدت بارندگی و رواناب را در 139 حوضه در کره جنوبی با استفاده از آمار 34 ساله مورد بررسی قرار دادند. ایشان از روش ناپارامتریک من کندال و رگرسیون جهت شناسایی روند در دادههای بارش و رواناب در 3 مقیاس زمانی ماهانه، فصلی و سالانه استفاده کردند. نتایج نشان داد که روند بارش و دبی سالانه در حوضههای مناطق شمالی افزایشی و در حوضههای مناطق جنوبی کاهشی میباشد. همچنین دبی در فصل بهار روند کاهشی و در فصل تابستان روند افزایشی نشان داد.گائو و همکاران [4] روند و نقطه تغییر دبی و رسوب را در رودخانه زرد چین با استفاده از روش ناپارامتریک من کندال و پتیت در طی دوره آماری 1950 تا 2005 مورد بررسی قرار دادند. نتایج ایشان نشان دهنده کاهش معنی دار در دبی و رسوب از اواخر دهه 1950 است.
تحلیل نقطه تغییر نیز نشان داد کاهش سریع در دبی و رسوب در بیشتر قسمتهای حوضه در 1985 آغاز شد.میرعباسی نجف آبادی و دین پژوه [2] در 3 مقیاس ماهانه، فصلی و سالانه با روش من کندال روند دبی رودخانههای شمال غرب ایران را با استفاده از آمار 16 ایستگاه هیدرومتری در دوره آماری 31 ساله مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد جریان رودخانههای شمال غرب ایران در مقیاس سالانه در کلیه ایستگاهها روند نزولی دارد.قاسمی [5] فراوانی بارشهای شدید 5 ایستگاه شمال غرب ایران را در دوره 50 ساله مورد بررسی قرار داد. ایشان برای بررسی نوع تغییرات از روش من کندال و جهت تعیین شدت تغییرات از روش تخمینگر سن استفاده کردند. نتایج نشان داد فراوانی بارشهای شدید بیشتر از 5 و 10 میلی متر در تمامی ایستگاهها دارای روند کاهشی است. نتایج آزمون پتیت نیز نشان داد به جز ایستگاه سقز که در دهه 1990 دچار تغییر ناگهانی در سری زمانی فراوانی بارشهای بیشتر از 5 میلیمتر شده است، سایر ایستگاهها در دهه 80 این تغییر را تجربه کردهاند.
قرهچایی و همکاران [6] تاثیر تغییرپذیری اقلیمی و فعالیتهای انسانی را بر روی رواناب در حوضه رودخانه کشکان مورد بررسی قرار دادند. نتایج بررسی روند بارش و تبخیر تعرق پتانسیل حوضه نشان داد این دو متغیر تغییرات معنیداری در دوره آماری مورد مطالعه - 1351-1391 - نداشتهاند در حالی که رواناب کاهش معنیداری داشته است. ایشان از روش الاستیسیته اقلیمی نیز استفاده کردند و نتیجه گرفتند فعالیتهای انسانی در مقایسه با تغییرپذیری اقلیمی سهم بیشتری در کاهش رواناب داشته است. خورشیددوست و همکاران [7] روند تغییرات بارش و دبی حوضه آبریز کشکان را با آزمون من کندال مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند روند دبی درمقیاس سالانه و فصلی کاهشی است. همچنین روند بارش در سری زمانی سالانه ایستگاههای شمالی حوضه افزایشی و در ایستگاههای جنوبی کاهشی است.
مواد و روشها
در این مطالعه روند تغییرات سری زمانی دبی سالانه دو ایستگاه کاسین و تازهکند قشلاق که به ترتیب در ورودی و خروجی اهرچای واقع شدهاند با آزمون ناپارامتری من کندال مورد بررسی قرار گرفت. همچنین نقطه تغییر در سری زمانی با استفاده از 3 آزمون پتیت، آزمون همگنی استاندارد نرمال، بویشند بررسی شد. دادههای مورد استفاده مقادیر دبی سالانه در دوره آماری 37 ساله 1345 تا 1381میباشد. مشخصات دو ایستگاه مورد مطالعه در جدول 1 نشان داده شده است. جدول 2 برخی از خصوصیات آماری دبی ایستگاه-های مورد مطالعه را نشان میدهد. شکل 1 نیز موقعیت جغرافیایی حوضه اهرچای را نشان میدهد.
روابط مربوط به آزمون من کندال که به صورت گستردهای در مطالعه تغییرات زمانی متغیرهای آب و هوایی در دنیا مورد استفاده قرار میگیرد در مقالات متعددی مانند اسمعیل پور و دین پژوه [8]، کومار و همکاران [9]، دانشور وثوقی و همکاران [10] ارائه شده است. تخمینگر شیب سن نیز که برای محاسبه شیب خط روند مورد استفاده قرار میگیرد در حقیقت یک روش ناپارامتری برای محاسبه شیب خط روند دادههاست.آزمون پتیت یک روش ناپارامتریک است که نیاز به برازش هیچ توزیعی بر روی سری دادهها ندارد و به منظور تعیین نقطه تغییر در یک سری زمانی استفاده میشود. در واقع با استفاده از این آزمون نقطه تغییر به این شکل شناسایی میگردد که به واسطه این نقطه،سری زمانی به دو گروه داده تقسیم میشوند که این دوگروه - - x 1 , x 2 , ...x tو - x t 1 , x t 2 , ...x T - هر یک دارای ویژگیهای آماری مشخصی هستند .[11]
نتایج
برای انجام آزمون من کندال لازم است دادهها مستقل باشند. به این معنی که همبستگی بین سریها با خود با تاخیر مشخص نباید معنیدار باشد. اصولا قبل از به کار بردن آزمون من کندال سریهای زمانی مورد مطالعه برای حذف اثرات خودهمبستگی مورد بررسی قرار میگیرند [12] زمانی که در سریها خودهمبستگی وجود داشته باشد واریانس آماره S کمتر از مقدار واقعی برآورد خواهد شد. در نتیجه با ترسیم نمودارهای خودهمبستگی میتوان روش دقیق تعیین روند را مورد استفاده قرار داد. در این تحقیق برای سری زمانی که دارای خودهمبستگی معنیدار است از روش یو و وانگ - 2004 - و برای خودهمبستگیهای غیرمعنیدار از روش حامد و رائو - 1998 - استفاده شد.
بنابراین قبل از بررسی روند داده ها، ابتدا نمودارهای مقادیر ضریب خود همبستگی داده های مورد بررسی در مقیاس سالانه با تاخیر 36 رسم گردید. شکل 2 نمونه ای از نمودار تابع خودهمبستگی سری زمانی دبی را در ایستگاه کاسین نشان می دهد. در این شکل هیچ یک از ضرایب خودهمبستگی از محدوده باند اطمینان خارج نشده اند بنابراین، دبی در این ماه تصادفی می باشد و روند تغییرات دبی این ایستگاه با استفاده از آزمون من- کندال مرسوم و روش حامد و رائو انجام گردید. شکل 3 نیز نشان میدهد خودهمبستگی سریزمانی مربوط به دبی ایستگاه تازهکند قشلاق معنیدار میباشد در حالی که هیچ یک از ضرایب خودهمبستگی در ایستگاه کاسین معنیدار نمیباشد.
با توجه به نمودارهای فوق روش مورد استفاده جهت تعیین روند در ایستگاه کاسین از روش حامد و رائو و در ایستگاه تازهکند قشلاق با توجه به معنیدار بودن ضرایب خودهمبستگی از روش یو و وانگ میباشد . نتایج به دست آمده از آزمون من- کندال درجدول 3 ارایه گردیده است.فرض صفر در آزمون من کندال به این صورت تعریف میشود: هیچ نوع روندی در دادهها وجود ندارد. با مقایسه مقدار p-value به دست آمده با سطح معنیداری - - در سطح 0/05 میتوان فرض صفر را رد کرد یا پذیرفت. در ایستگاه تازهکند p-value محاسبه شده کوچکتر از سطح معنیداری است و در نتیجه فرض صفر رد میشود و فرض جانشین یعنی وجود روند در دادهها مورد پذیرش قرار میگیرد.
در ایستگاه کاسین وضعیت برعکس ایستگاه تازهکند است. در این ایستگاه به دلیل اینکه مقدار p-value به دست آمده برابر با 0/14 است و از سطح معنیداری 0/05 بزرگتر است در نتیجه فرض صفر رد نمیشود. در هر دو ایستگاه روند از نوع کاهشی است که نشان دهنده کاهش جریان دبی است ولی روند ایستگاه تازهکند قشلاق معنی دار میباشد. در ایستگاه کاسین روند کاهشی مشاهده شده معنی دار نیست. شیب خط روند منفی در ایستگاه تازهکند قشلاق معادل -0/099 مترمکعب بر ثانیه میباشد. این نشان میدهد در این ایستگاه مقدار دبی در سال 99 لیتر در ثانیه کم شده است که به نوبه خود بر روی منابع آب این حوضه تاثیرگذار خواهد بود. بنابراین تغییرات دبی در طی 37 سال مورد مطالعه در حدود 3/33 مترمکعب بر ثانیه خواهد بود.
روشهای زیادی میتوانند جهت تعیین نقطه تغییر در یک سری زمانی مورد استفاده قرار گیرند. در این مطالعه جهت بررسی نقطه تغییر در دادههای دبی سالانه ایستگاه کاسین و تازهکند قشلاق از 3 آزمون پتیت، آزمون همگنی نرمال استاندارد و بویشند استفاده شد. نتایج آزمون پتیت در جدول 4 ارائه شده است.فرض صفر در این آزمون به این صورت تعریف میشود که دادهها همگن هستند. فرض جانشین نیز در این آزمون به این صورت است: در دادهها نقطه تغییر وجود دارد. به دلیل اینکه در ایستگاه تازهکند مقدار p-value به دست آمده از آلفا در سطح 0/05 کمتر میباشد بنابراین فرض صفر رد میشود و فرض جانشین پذیرفته میشود. در ایستگاه کاسین با مقایسه p-value به دست آمده با آلفا در سطح 0/05 فرض صفر مبنی بر همگن بودن دادهها پذیرفته میشود. طبق نتایج این آزمون روند کاهشی در ایستگاه تازهکند قشلاق از سال 1373 شروع شده است. طبق شکل 4 نیز میانگین دادهها در ایستگاه تازهکند قبل از سال تغییر 5 مترمکعب بر ثانیه بوده و بعد از این سال به 1/71 مترمکعب بر ثانیه کاهش پیدا کرده است.
