دانلود مقاله تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی حوزه آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی

یکی از مسائل مهم در طراحی سازه¬های آبی، معیارهای هیدرولوژیکی می¬باشد لذا توجه به دوره¬های هیدرولوژیکی حوزه¬ها، امری ضروری به نظر می¬رسد. تحقیق حاضر به تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی موجود در حوزه آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS)، پرداخته است. بدین منظور پس از جمع¬آوری داده¬های ماهانه بارش، دما و دبی اوج لحظه¬ای ایستگاههای موجود در منطقه مورد مطالعه، اقدام به انتخاب پایه زمانی مشترک آماری، و کنترل کیفیت و همگنی آمارهای موجود برای هر ماه از سال بطور جداگانه از روش منحنی جرم مضاعف گردید. آنگاه پس از بازسازی و تکمیل آمار ایستگاههای ناقص به روش همبستگی و نسبت نرمال، مقادیر متوسط بارندگی و دمای حوزه مورد مطالعه به روش ترسیم خطوط همباران و همدما در نرم¬افزار Arcviewبرای ماههای مختلف سال محاسبه گردید. از تنها ایستگاه هیدرومتری حوزه مورد مطالعه بنام کوشک¬آباد، مقادیر دبی متوسط در ماههای مختلف سال بصورت میانگین حسابی محاسبه شد. به این ترتیب، نتایج حاصله، بصورت دو منحنی تغییرات بارش-دبی و بارش-دما (منحنی آمبروترمیک) در طول سال رسم گردید. نتایج تحقیق با تحلیل روند تغییر شیب منحنی¬های مذکور نشان داد که در حوزه آبخیز کوشک¬آباد سه دوره هیدرولوژیکی بهاره (فروردین تا تیر)، تابستان-پاییزه (مرداد تا دی) و زمستانه (بهمن تا اسفند) قابل تشخیص می¬باشد. لذا با تمرکز عملیات مدیریتی، سازه¬ای و بیولوژیکی بر اساس دوره¬های هیدرولوژیکی تعیین شده، ضمن دسترسی به اهداف پروژه¬های مختلف آبخیزداری، مهندسی رودخانه و کنترل سیلاب، مدیریت منابع آب، مسائل بهداشتی، فاضلاب شهری و صنعتی، زمینه¬های زیست محیطی و غیره، افزایش قابل توجهی در مدیریت بهینه آنها پیش¬بینی می¬گردد.با معلوم بودن اهداف هیدرولوژی، مسائل آن را می¬توان به دو گروه عمده علمی-فنی و مدیریتی-رفتاری تقسیم¬بندی کرد. گرچه علم و فن¬آوری شاهرگ تداوم و توسعه منابع طبیعی برای خدمت به نیازهای بشر است، ولی ساختار مدیریتی-رفتاری که این علم و فن¬آوری در آن بکار برده می¬شود نیز از اهمیتی خاص برخوردار است (نجفی 1381). اغلب، فرایندهای هیدرولوژیکی در یک چارچوب دوره¬ای محدود کننده¬ای عمل می¬کنند. بنابراین مناسب است که بررسی جنبه¬های علمی فرایند¬های هیدرولوژیکی با بررسی جنبه-های رفتاری فرایندهای مزبور در دوره¬های زمانی واقعی صورت گیرد.
بررسی¬های انجام شده نشان می¬دهد موضوعات مرتبط با این تحقیق عمدتا در زمینه بررسی اثر توزیع مکانی و زمانی بارندگی بر روی وضعیت سیل؛ مدل¬بندی، پیش¬بینی و بازسازی فاکتورهای هیدرولوژیکی از دیدگاه سری زمانی؛ تاثیر طول آمار در پیش¬بینی رویدادهای هیدرولوژیکی؛ تاثیر دوره¬ها و فصول هیدرولوژیکی بر خصوصیات فیزیکی و هیدرولیکی حوزه بوده است. Hernandez (1992) در آمریکا، مدل مناسبی را با استفاده از مفهوم سری زمانی برای بازسازی آمار هیدرولوژیکی بارش و دبی با خطای ناچیز و قابل قبول ارائه کرد. Desa و Niemczynowicz (1996) با مطالعه رگبارهای سالانه، ماهانه و دقیقه¬ای در حوزه آبخیزی در شهر کوالالامپور مالزی، به اهمیت تاثیر توزیع مکانی و زمانی بارندگی بر وضعیت سیل حوزه پی بردند. Singh (1997) با مطالعه و بررسی جهت، مدت و پوشش جزیی سامانه باران¬زا بر روی وضعیت سیل در مناطق ساحل خلیج لویزیایی در ایالات متحده آمریکا به اهمیت اثر توزیع مکانی و زمانی بارندگی به عنوان یکی از عوامل موثر در وقوع سیل اشاره کرد. Poschو همکاران (2003) فاکتور فرسایندگی باران در معادله جهانی فرسایش خاک را برای کشور فنلاند محاسبه و اشاره کردند که تغییرات فصلی و ماهانه فرسایندگی ناشی از تغییرات فصلی و ماهانه بارش، قابل توجه است. Young وCarleton (2005) با مدلسازی رابطه بارش-رواناب اراضی کشاورزی غرب آمریکا با استفاده از روش شماره منحنی و بررسی روزانه تغییرات شرایط رطوبتی خاک، بیان می¬کنند که شماره منحنی دارای تغییرات زمانی قابل توجهی می¬باشد. رحیم¬زاده (1369) اقدام به مدل¬بندی و پیش¬بینی فاکتورهای ماهانه بارندگی، درجه حرارت و میانگین فشار شهر تهران از دیدگاه سری زمانی نمود و بیان کرد که خطای موجود در برآورد میانگین¬ها ناچیز می¬باشد. ساداتی¬نژاد (1376) با مقایسه آماری روش¬های ایستگاه معرف، نسبت نرمال، محور مختصاتی، رگرسیون خطی، رگرسیون چند متغیره و سری زمانی در بازسازی داده¬های بارش استان اصفهان، بیان می¬دارد که روش نسبت نرمال در بازسازی داده¬های بارش مناطق خشک استان مزبور نتایج قابل قبولی دارد. رزاقیان (1383) با مدل¬بندی بارش-رواناب حوزه آبخیز گرگانرود، برای 12 دوره زمانی ماهانه، 4 دوره فصلی و 2 دوره خشک و مرطوب، میزان تاثیر بارش هر ایستگاه باران¬سنجی را در دوره¬های زمانی مختلف بررسی نمود و بر نقش متفاوت توزیع زمانی بارش در سیلاب حوزه آبخیز مذکور تاکید کرد. بهزادفر (1383) با استفاده از 4 ایستگاه هواشناسی با 13 سال دوره آماری مشترک در مقطع زمانی ماهانه، فصلی و سالانه اقدام به تعیین رابطه بین خصوصیات مختلف بارندگی و فرسایندگی باران استان خوزستان در مقاطع زمانی یاد شده به کمک آنالیز رگرسیونی کرده و نشان داد که ماههای بهمن، آذر، اسفند و دی، و فصل زمستان در اولویت اول از نظر خطر فرسایندگی هستند. یثربی (1384) با نصب اشل در خروجی زیرحوزه¬های آبخیز هراز و با قرائت روزانه آنها و تهیه منحنی دبی-اشل, اقدام به محاسبه دبی روزانه و شناسایی تغییرات زمانی-مکانی و اولویت¬بندی زیرحوزه¬ها در رواناب تولیدی نمود. بر طبق نتایج به دست آمده, مقادیر رواناب طی ماههای مختلف دارای تغییرات زیادی بوده است. ایزانلو (1385) با تعیین فصول هیدرولوژیکی و تهیه نقشه¬های شماره منحنی برای هر فصل سیلابی، اقدام به بررسی شدت سیل¬خیزی زیرحوزه¬های آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS کرده و بیان می¬دارد که مقایسه اولویت¬بندی پتانسیل تولید سیل در دوره¬های هیدرولوژیکی متفاوت، حاکی از وجود اختلاف معنی¬داری از نظر آماری می¬باشد.
با توجه به مطالعات انجام شده می¬توان بیان داشت که بیشتر پارامترهای هیدرولوژیکی دارای توزیع مکانی در دوره¬های زمانی متفاوتی می¬باشند. بنابراین بررسی مسائل هیدرولوژیکی در دوره¬های زمانی واقعی آنها کمک شایانی به موفقیت در پروژه¬های مطالعاتی و اجرایی مدیریتی، بیولوژیکی و سازه¬ای می¬نماید. لذا هدف از این تحقیق، ارائه الگویی مناسب در تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی حوزه¬های آبخیز با مطالعه موردی در حوزه آبخیز کوشک¬آباد استان خراسان رضوی می¬باشد.

مواد و روش¬ها
حوزه آبخیز کوشک¬آباد در استان خراسان رضوی در شمال غرب مشهد و در طول جغرافیایی 30 º59 تا 38 º59 شرقی و در عرض جغرافیایی 38 º36 تا 47 º36 شمالی واقع شده است (شکل1). ارتفاع متوسط حوزه 1705 متر، شیب متوسط آن بالای 25 درصد بوده و دارای اقلیم خشک تحت تاثیر توده هوای سیبری می¬باشد. مساحت حوزه 45/87 کیلومترمربع بوده که میانگین نزولات سالانه این حوزه 3/391 میلی¬متر است.
روش کار
به منظور تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی، داده¬های ماهانه ایستگاههای باران¬سنجی، هواشناسی و هیدرومتری در درون و بیرون حوزه، مورد نیاز می¬باشد. پس از تهیه داده¬های مورد نیاز از ایستگاههای موجود در منطقه مورد مطالعه، اقدام به تجزیه و تحلیل منطقه¬ای متغیرهای هیدرولوژیکی (بارندگی، دما و دبی) می¬گردد. بنابراین علاوه بر تغییرات زمانی متغیرهای هیدرولوژیکی (بارندگی، دما و دبی حداکثر لحظه¬ای)، تغییرات مکانی آنها نیز در نظر گرفته شده و از آمار ایستگاههای مختلف استفاده می¬گردد. به این ترتیب، پس از انتخاب پایه زمانی مشترک، کنترل همگنی آمار و بازسازی نواقص آماری، مقادیر متوسط متغیرهای هیدرولوژیکی مزبور در حوزه مورد مطالعه در ماههای مختلف سال محاسبه می¬شود. نتایج حاصله، بصورت دو منحنی تغییرات بارش-دبی و بارش-دما (منحنی آمبروترمیک) در طول سال رسم می¬گردند. با بررسی روند تغییر شیب منحنی¬های مربوط به متغیرهای هیدرولوژیکی حوزه مورد تحقیق، دوره¬های هیدرولوژیکی آن شناسایی می¬شود.
انتخاب پایه زمانی مشترک
مشکل همیشگی در تجزیه و تحلیل آمارهای منطقه¬ای، وجود تعداد سال¬های آماری متفاوت برای ایستگاهها می¬باشد که مربوط به تاسیس آنها در سال¬های مختلف و تعطیلی ایستگاهها در سال¬های متفاوت به دلایل مختلف است (مهدوی 1380). بنابراین یک پایه زمانی مشترک و اپتیمم برای آمار موجود در منطقه مورد مطالعه در نظر گرفته و سپس اقدام به تکمیل آمارهای ناقص این دوره گردید.

کنترل همگنی آمار و بازسازی نواقص آماری
اغلب در یک دوره طولانی، بر اثر تعویض دستگاه اندازه¬گیری، جابجایی ایستگاه، تعویض مامور آماربرداری و یا از بین رفتن حریم ایستگاه ناشی از احداث ساختمان و یا رشد درختان در اطراف آن، آمار همگن بودن خود را از دست می¬دهد. بنابراین برای کنترل همگنی آمار ماهانه متغیرهای هیدرولوژیکی حوزه مورد تحقیق، از روش منحنی جرم مضاعف استفاده گردید و با استفاده از آن، آمارهای مشکوک اصلاح گردید. برای اصلاح آمار مشکوک، از نسبت شیب شاخه صحیح به شیب شاخه مشکوک منحنی جرم مضاعف به عنوان ضریب تصحیح (k) استفاده گردید و مقادیر مشکوک در ضریب مزبور ضرب گردید. همچنین اغلب تاریخ تاسیس ایستگاهها در یک منطقه با یکدیگر متفاوت بوده و از طرفی دیگر، نقایص احتمالی دستگاهها، برداشت آمار غلط که توسط کارشناسان ارشد کنترل شده و از مجموعه آمار حذف می¬شوند، از بین رفتن ایستگاهها در اثر سوانح طبیعی مانند سیل، زلزله و یا انهدام آنها در اثر جنگ، باعث می¬گردند تا پس از انتخاب پایه زمانی مشترک اپتیمم، آمارهای ناقص بازسازی شوند (مهدوی 1380). بنابراین برای بازسازی نواقص آماری، از روش همبستگی بین ایستگاهها با انتخاب یک ایستگاه شاهد که دارای ضریب همبستگی بالاتر می¬باشد اقدام به بازسازی و تکمیل آمار ایستگاههای ناقص گردید. لازم به ذکر است که هنگام برقراری همبستگی بین دو متغیر، اشتباه به وجود آمده از همبستگی در تطویل آمار باید کمتر از اشتباه موجود درنمونه¬های کوتاه مدت باشد. بدین منظور, از رابطه1 برای تعیین مدت زمان قابل گسترش آمار برای ایستگاههایی که دارای آمار ناقص هستند استفاده شد:
رابطه 1:
که درآن : Ne طول مناسب آمار برای ایستگاه ناقص پس از تطویل، n تعداد سالهای آماری مربوط به آمارهای کوتاه مدت، N تعداد سالهای آماری مربوط به ایستگاه شاهد یا مبنا، و r ضریب همبستگی بین دو متغیر قبل از تطویل آمار است. همچنین برای تکمیل آمار ایستگاههای ناقص که از روش همبستگی بدلیل ضریب همبستگی پایین، امکان تکمیل آمار نبود؛ از روش نسبت نرمال استفاده شد (جعفرزاده 1378). دراین روش، مقدار متغیر هیدرولوژیکی در ایستگاه ناقص متناسب با نسبت بین میانگین متغیر هیدرولوژیکی در آن، به میانگین متغیر هیدرولوژیکی در ایستگاههای شاهد ضرب در مقدار متغیر هیدرولوژیکی همزمان ایستگاه شاهد می¬باشد که ازطریق رابطه 2 بدست می¬آید:
رابطه 2:
که در آن: متغیر هیدرولوژیکی ایستگاه ناقص در سال یا ماه مورد نظر، n تعداد ایستگاههای شاهد، متوسط متغیر هیدرولوژیکی در ایستگاه ناقص با آمارهای موجود، و متوسط متغیر هیدرولوژیکی در ایستگاههای شاهد و همزمان با آمار ایستگاه ناقص، و و متغیر هیدرولوژیکی در ایستگاه شاهد A و B درسال یا ماه مورد نظر برای تکمیل آمار ایستگاه ناقص می¬باشند.