بخشی از مقاله
چکیده
خشکسالی خطری رو به رشد و بلایی دامنگیر است که تمامی اقشار جامعه را تحت تاثیر قرار می دهد. از این رو مطالعه روشهای مختلف تجزیه و تحلیل خشکسالی در تعیین میزان ابتلا به این خطر و راهکارهای پیشگیری و مدیریت بحران ناشی از آن را مشخص میکند. یکی از این روشها برازش توزیع احتمال مناسب بر دادههای جریان روزانه یک رودخانه است که میتواند رخداد متناظر با احتمال وقوع یا دوره بازگشت خاصی را تعیین نماید.
در این تحقیق از آمار روزانه رودخانه ارمند - حوزه آبریز کارون شمالی - در یک دوره آماری 58 ساله - - 1336 - 1392 استفاده شد. پس از محاسبه میانگین متحرک 7 روزه، برای هر یک از سالهای آماری سری زمانی جریان حداقل 7 روزه بدست آمد. با هدف انجام تحلیل فراوانی جریان کم آبی با نرم افزار HYFA، تابع توزیع احتمال دوپارامتری گامابا روش moment، بر اساس آزمونهای کای اسکوور و مجموع میانگین مربع خطاها ،مناسب تشخیص داده شد. نهایتا جریان کم آبی با دوره بازگشتهای2 ،5 ،10 ،20 ،50 و 100 برای بیان میزان جریان کم آبی مشخص گردید.
مقدمه
با افزایش روزافزون جمعیت کره زمین و به تبع آن بهرهبرداریهای نامطلوب و غیر اصولی از حوزههای آبخیز، هیدرولوژی رودخانههای کشور را به طریقی نامطلوب با خطر مواجه کردهاند. از جمله این مخاطرات برهم خوردن تعادل هیدرولوژیکی رودخانهها و آبراهههای حوزه، ایجاد سیلابها و خشکسالی های متوالی و فراوان که ناشی از عدم تعادل و پراکندگی زمانی و مکانی نزولات جوی میباشد.
با توجه به این امر که منابع آبی نسبت به تغییرات آب و هوایی بسیار حساس میباشند. افزایش دما، کاهش مقدار بارندگی و یا افزایش پراکندگی وقوع بارشهای جوی باعث افزایش میزان خشکسالی در کشورهای گوناگون از جمله مناطق خشک و نیمه خشک شده است. یکی از مهمترین بلایای طبیعی، پدیده خشکسالی است که اکثر کشورهای جهان را تحت تأثیر خود قرار داده و مسبب بسیاری از مشکلات سیاسی، اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی است.
هنگامی که بارندگی به شکل برف اتفاق میافتد، رخ میدهد. این منجر به کاهش ذخیره آب در خاکها، آبخانهها و دریاچهها و کاهش تخلیه به داخل رودخانه میشود. مدت زمان تخلیه جریان عمدتاً بستگی به شرایط پیشین آب و هوایی دارد. مقدار تخلیه نیز به پروسه-های هیدرولوژیکی و خصوصیات ذخیرهای در داخل حوزه، بستگی دارد.
برآورد مقادیر جریان کم در مناطق خشک و نیمه خشک که فاقد آمار هیدرومتری و یا دارای آمار کوتاه مدت هستند، یکی از مسائل مهم برای مدیریت منابع آب به شمار میرود و هدف اولیه تحلیل فراوانی جریان کم آبی، ارتباط دادن بزرگی وقایع حدی به فراوانی وقوع آنها از طریق استفاده از توزیعهای آماری میباشد.
به منظورتعیین مقادیر جریان کمآبی در دوره بازگشتهای مختلف در منطقه مطالعاتی، در ابتدا دادههای دبی روزانه مد نظر قرار میگیرد و سپس کمترین میانگین جریان های 1، 7، 15 و30 روزه در هر سال به دست میآید.
بررسیهای آگاوالا و همکاران - - 2001 نشان داد که در ایران و کشورهای جنوب شرق آسیا از سال 1999 تا 2001 میلادی، به مدت سه سال خشکسالی شدیدی رخ داده است. بروز این خشکسالی سه ساله، 10 استان از 28 استان ایران را تحت تأثیر قرار دادو بیش از 37میلیلون نفر از جمعیت کشور را با بحران کمبود آب و مواد غذایی مواجه کرد. ذخایر آبی ایران در جولای - 2001 تیر ماه - 1380 به مقدار %45 افت پیدا کرد.
میجوسکویچ سوتینوویچ و ماریسیک - - 2008 به تجزیه و تحلیل جریان حداقل در پایین دست رودخانه دراوا پرداختند. آنها برای این تحقیق از دادههای دبی روزانه ایستگاه دانجی میهولجاک طی دوره آماری 1980 تا 2007 استفاده کردند، سپس با استفاده از روش آستانه Q95 پارامترهای خشکسالی از قبیل حجم کمبود، تداوم جریان، حداکثر حجم کمبود، حداکثر تداوم جریان را استخراج کردند و نتایج حاصل نشان داد که توزیع پیرسون در سطح اطمینان %95 بهترین برازش را با دادههای جریان حداقل دارد.
سرحدی و همکاران - 1387 - برای تحلیل فراوانی منطقه ای جریان کم در حوضه هلیل رود جیرفت از روش گشتاور خطی استفاده کردند. با استفاده از دو آماره همگنی هاسکینگ و والیس D 3 - و - H=0,87 در حوضه مشخص شد که منقطه همگن است. با استفاده از آزمون نیکویی برازش، انتخاب بهترین توزیع و برآورد مقادیر دبی با دورههای بازگشت مختلف در ایستگاهها صورت گرفت. سپس آماره ZDIST برای ایستگاههای منطقه با استفاده از برنامه اجرایی نوشته شده به زبان فرترن برای توزیع های 3 پارامتری محاسبه شد و توزیع پیرسون نوع 3 به عنوان بهترین توزیع منطقهای شناخته شد
دودانگه وهمکاران - - 1388 در تجزیه و تحلیل فراوانی جریانهای حداقل در حوزه آبخیز گیلوان به منظور مدیریت کیفیت آب شرب و کشاورزی منطقه با استفاده از نرم افزار HYFA و استفاده از دو روش گشتاورها و حداکثر درستنمایی، تابع گاما را به عنوان مناسبترین توزیع معرفی کردند.
شماعی زاده و سلطانی در سال - - 1388 با استفاده از آمار روزانه جریان در رودخانه خانمیرزا - حوضه آبخیز زرین درخت از زیر حوضههای کارون شمالی - در یک دوره آماری 19ساله منحنی تداوم جریان ترسیم و شاخص Q95 به عنوان آستانه جریان حداقل از این منحنی استخراج گردید. سپس با محاسبه سری زمانی جریان حداقل 7 روزه تحلیل فراوانی توسط نرم افزار FERQ انجام شد. و از طریق آماره کای اسکوئر و کلموگراف اسمیرنوف تابع پارتوی تعمیم یافته به عنوان بهترین تابع بر سری زمانی حداقل جریان برازش دادهشد و نهایتاً حداقل جریان با دورههای بازگشت مختلف محاسبه گردید. حداقل جریان 7 روزه در دورههای بازگشت 20، 50 و 100 ساله برابر با صفر تخمین زده شد که نشان از بحران خشکسالی در این حوزه است.
طهماسبی پور و همکاران - - 2012 با استفاده از آمار دبی متوسط سالانه طی دوره آماری 37 ساله به بررسی خشکسالی هیدرولوژیک در استان لرستان پرداختند و با استفاده از نرم افزار HYFA توزیعهای آماری را مورد آزمون قرار دادند که توزیع پیرسون تیپ سه به عنوان توزیع برتر انتخاب گردید و با مقایسه دبی جریان سالیانه و محاسبه احتمال وقوع در طول دوره آماری وضیعت ترسالی و خشکسالی هر یک از ایستگاهها مشخص شد. نتایج محاسبات در ایستگاه آبسنجی کشکان که در خروجی منطقه مورد مطالعه قرار دارد نشان داد وقوع وضعیت-های خیلی خشک، خشک، نیمه خشک، متوسط، نیمه مرطوب، مرطوب، خیلی مرطوب به ترتیب 8,3، 8,3 ، 16,6، 13,8، 22,2 ، 13,8، 16,6 درصد بود
چوگان وهمکاران - 1392 - با تحلیل فراوانی جریانهای کمینه در حوزه آبریز کارون شمالی در استان چهارمحال بختیاری پس از برازش هشت توزیع آماری برای دادهها، توزیع گامای دو پارامتر و ویبول را برای منطقه مناسب تشخیص دادند. قربانی و همکاران - - 1393 به منظورتجزیه وتحلیل فراوانی جریان کم آبی در دو ایستگاه شوشتر و ولی آباد واقع بر شاخه گرگر رودخانه کارون در استان خوزستان مقادیر حداقل جریانهای 1، 7، 15و 30روزه انجام شد و جریان کم آبی با دوره بازگشتهای 2 ،10 ،20 و 100 ساله بدست آمد و پس از برازش توزیع های آماری مختلف بر دادهها، توزیع آماری لوگ نرمال سه متغیره با روش گشتاورها و دو پارامتری گاما بر اساس روش حداکثر درست نمائی با استفاده از نرم افزار HYFA برای این شاخه مناسب تشخیص داده شد.
هدف از این مطالعه تعیین کم آبی رودخانه با دوره بازگشتهای مختلف در منطقه در راستای مدیریرت علمی و عملی خشکسالی است.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
حوضه آبخیز کارون شمالی بخشی از حوضه آبخیز رودخانه کارون بوده که در محدوده جغرافیائی 49 درجه و 345 دقیقه تا 57 درجه و 41 دقیقه طول شرقی و 31 درجه و 18 دقیقه تا 32 درجه و 40 دقیقه عرض شمالی قرار دارد. از شمال و شمال شرق به حوضه آبخیز سد زاینده رود، از شمال غرب به حوضه رودخانه دز، از جنوب به حوضه آبخیز رودخانه خرسان و از جنوب غرب به بخشهایی از حوضه آبخیز کارون بزرگ منتهی میگردد.
رودخانه ارمند یا کارون علیا یکی از رودخانههای مهم استان چهارمحال بختیاری است که از مناطق کوهستانی مرتفع شرق و دشتهای مرکزی این استان سرچشمه گرفته و پس از عبور از منطقه ارمند، آب رودخانه سرخون را دریافت نموده و با پیوستن به رودخانه بازفت، به سد کارون 4 میریزد. حوضه آبریز ارمند بیش از 50درصد مساحت استان چهارمحال بختیاری را شامل شده و با متوسط آبدهی سالانه حدود100 مترمکعب در ثانیه، به عنوان اصلیترین پتانسیل آبی استان مطرح است.
مشخصات ایستگاههای مورد بررسی در جدول 1 ارائه شده است.[9] مساحت حوزه آبخیز ارمند 10500 کیلومترمربع و در حدود 23درصد از کل مساحت حوزه آبخیز کارون بزرگ را شامل شده است. حوضه آبخیز ارمند با توجه به سیستم شبکه زهکشی و وضعیت توپوگرافی به4 زیر حوضه بهشت آباد، کوهرنگ، کارون میانی، ونک تقسیم شده است.
منطقه مورد بررسی به دلیل توپوگرافی خاص و وجود مناطق برفگیر از پرآبترین مناطق کشور بوده، به طوری که سرچشه یکی از مهمترین رودخانههای کشور یعنی کارون در آن قرار دارد. از لحاظ سنگشناسی ارتفاعات این حوزه از تشکیلات آهکی مربوط به دوره کرتاسه تشکیل شده است.
پراکندگی نزولات آسمانی در نقاط مختلف حوزه متفاوت بوده، به طوری که حداکثر بارش سالانه در قسمت غربی حوضه و ارتفاعات زردکوه به میزان متوسط 1600و حداکثر 2000 میلیمتر تخمین زده شده است. در مقابل حداقل بارش متوسط سالانه در نواحی شمالی به میزان 300 میلیمتر مشاهده شده که در برخی سالهای خشک به 200 میلیمتر نیز تقلیل مییابد. به علت وضعیت اقلیمی مناسب و ریزش جوی نسبتا زیاد منطقه، وضعیت پوشش گیاهی مناسب بوده و عمدتا شامل مراتع استپی و جنگلهای نیمه متراکم است.
جدول شماره - 1 مشخصات آماری ایستگاه ارمند -
روش کار
روشهای متفاوتی برای بیان تحلیل فراوانی جریانهای کم آبی استفاده میشود. انتخاب روش مناسب به عوامل متعددی بستگی دارد. زمانی که یک ایستگاه هیدرومتری با آمار مناسب - هم به لحاظ کمی و هم به لحاظ کیفی - وجود داشته باشد میتوان از روش تحلیل فراوانی بر اساس آمار دبیهای حداقل سالانه ایستگاههای هیدرومتری استفاده کرد.
به منظور تعیین مقادیر جریان کم آبی در دوره بازگشتهای مختلف در منطقه مطالعاتی، در ابتدا دادههای دبی روزانه مد نظر قرار گرفت و سپس کمترین میانگین جریان های1، 7، 15 و 30 روزه در هر سال به دست آمد.[6] که برای این کار از روش میانگین متحرک استفاده گردید و سپس مقادیر کمترین جریان متوسط در دورههای زمانی مذکور در هر سال تعیین شد و با انجام چنین عملی برای دیگر سالها در طول دوره آماری می توان سری زمانی سالانه جریان های 7 روزه به دست آورد. اگر X یک متغیر تصادفی و x یک مقدار ممکن از X را نشان دهند، برای متغیر تصادفی X ، تابع دانسیته احتمال - PDF - از رابطه زیر به دست می آید:
که در آن FX - X - تابع توزیع تجمعی - PDF - است که احتمال عدم تجاوز متغییر X از مقدار x را نشان میدهد. در هیدرولوژی چندک های توزیع اغلب به عنوان رویدادهای طرح استفاده میشوند: P امین چندک xp مقداری است با احتمال عدم تجاوز
به بیان دیگر میتوان گفت که احتمال متوسط تجاوزX از xp برابر 1-P است. معمولا در هیدرولوژی استفاده از دورهی بازگشت بر استفاده از احتمال تجاوز ترجیح داده می شود که رابطه احتمال عدم تجاوز به صورت زیر است:
در حالیکه در تحلیل فراوانی جریان های کم ، دوره بازگشت T بصورت عکس احتمال عدم تجاوز استفاده شد:
بعد از انتخاب یک توزیع و براورد پارامترهای آن رابطه زیر برای تحلیل فراوانی توزیع بکار برده شد:
:XT اندازه پیشامد با دوره بازگشت T : m میانگین جامعه برآورد شده از نمونه
: S انحراف معیار جامعه برآورد شده از نمونه : K عامل فراوانی
و با در دست داشتن سری زمانی جریان کم آبی در دوره های مختلف زمانی ، به کمک نرم افزار HYFA، 6 توزیع - نرمال، لوگ نرمال دو پارامتری ، لوگ نرمال سه پارامتری ، گامای دو پارامتری ، پیرسون نوع سه و گامبل - بر داده های کم آبی برازش داده شد و در نهایت براساس دو معیار آزمون کای اسکور و مقدار خطا، بهترین توزیع مشخص گردید. برآورد مقادیر جریان کم در مناطق خشک و نیمه خشک که فاقد آمار هیدرومتری و یا دارای آمار کوتاه مدت هستند، یکی از مسائل مهم برای مدیریت منابع آب به شمار میرود و هدف اولیه تحلیل فراوانی جریان کم آبی، ارتباط دادن بزرگی وقایع حدی به فراوانی وقوع آنها از طریق استفاده از توزیعهای آماری است.
و با در دست داشتن سری زمانی جریان کم آبی در دوره های مختلف زمانی ، به کمک نرم افزار HYFA، 6 توزیع - نرمال، لوگ نرمال دو پارامتری ، لوگ نرمال سه پارامتری ، گامای دو پارامتری ، پیرسون نوع سه و گامبل - بر داده های کم آبی برازش داده شد و در نهایت براساس دو معیار آزمون کای اسکور و مقدار خطا، بهترین توزیع مشخص گردید. برآورد مقادیر جریان کم در مناطق خشک و نیمه خشک که فاقد آمار هیدرومتری و یا دارای آمار کوتاه مدت هستند، یکی از مسائل مهم برای مدیریت منابع آب به شمار میرود و هدف اولیه تحلیل فراوانی جریان کم آبی، ارتباط دادن بزرگی وقایع حدی به فراوانی وقوع آنها از طریق استفاده از توزیعهای آماری است.
