مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

کاربرد روش‌های فیلتر دیجیتال در ارزیابی آب‌پایه و تغذیه آب زیرزمینی در حوضه کشکان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران
چکیده
چکیده مبسوط
 
مقدمه: مدیریت منابع طبیعی به‌عنوان پایه و اساس توسعه پایدار در نظر گرفته می‌شود. لذا در کشوری همچون ایران که در منطقه پرتنش و کم آب خاورمیانه قرار دارد، مدیریت منابع آب بسیار حائز اهمیت است‌. به‌منظور مدیریت موثر منابع آب، درک تغییرات زمانی در آب‌پایه بسیار مهم است. شناخت مناسب‌ترین و بهینه‌ترین روش جداسازی جریان هیدورگراف و برآورد دبی پایه امکان محاسبه‌ دقیق شاخص دبی پایه را فراهم می‌کند.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش به‌منظور برآورد آب‌پایه از 9 الگوریتم فیلتر برگشتی استفاده شد. این الگوریتم‌ها شاملLocal Minimum، Sliding Interval، Fixed Interval، Eckhardt، Chapman، Chapman & Maxwell، Lyne & Holick، Furey & Gupta و Boughton می‌باشند. با استفاده از این الگوریتم‌ها مقدار آب‌پایه به‌صورت روزانه، با استفاده از داده‌های دبی جریان و بارش روزانه و برای دوره آماری 1400-1389، برای حوزه آبخیز کشکان محاسبه گردید. در مطالعه حاضر به‌منظور تفکیک آب‌پایه در حوزه آبخیز کشکان، ایستگاه‌های کاکارضا، سراب صیدعلی، چم انجیر، افرینه و پلدختر موردبررسی قرار گرفتند. ارزیابی عملکرد روش‌های تفکیک آب‌پایه هیدورگراف حوزه آبخیز کشکان توسط ضریب کارایی NSE و ضریب R2 انجام شد و مناسبترین روش فیلتری انتخاب گردید.
 
نتایج: از میان الگوریتم‌های برگشتی موردبررسی، برای هر 5 زیرحوضه موردبررسی، کمترین میزان برآورد آب‌پایه مربوط به روش Furey & Gupta آب‌پایهبود. در زیرحوضه افرینه، روش‌های Lyne و Hollick، Fixed Interval و Sliding Interval به­ترتیب آب‌پایه را 41/36، 11/30 و 7/29 مترمکعب بر ثانیه برآورد کردند. این روش‌ها ۸۵٪، ۸۲٪ و ۸۱٪ از کل جریان را به مشارکت‌های آب‌های زیرزمینی اختصاص دادند. در زیرحوضه چم انجیر بیشترین مقادیر میانگین ​​سالانه آب‌پایه به روش‌های Lyne و  Holicو Local Minimum است و مقادیر آن‌ها به­ترتیب برابر با 22/7 و 24/6 مترمکعب بر ثانیه بود.   تغییرات در میانگین آب‌پایه بین روش‌های مختلف در زیرحوضه چم انجیر از ۱۷٪ تا ۹۴٪ متغیر بود .برای زیرحوضه کاکارضا بیشترین مقادیر متوسط ​​سالانه آب‌پایه با استفاده از روش‌هایLyne  وHolic  و Sliding Interval مشاهده شد که مقادیر آن‌ها بهترتیب برابر با 70/9 و 72/9 مترمکعب بر ثانیه بودند. تغییرات در میانگین آب‌پایه بین روش‌های مختلف در زیرحوضه کاکارضا از 17 تا 95 درصد متغیر بود. به طور مشابه، در زیرحوضه پلدختر بیشترین مقادیر با استفاده از روش‌های Lyne و Holic، Fixed Interval و Sliding Interval به دست آمد که بهترتیب برابر با 10/36، 40/34 و 40/34 مترمکعب بر ثانیه بودند و دامنه تغییرات از 17% تا 99% متغیر بود. در زیرحوضه سراب صیدعلی روش‌هایLyne  وHolic ، Fixed Interval و Sliding Interval به ترتیب بیشترین مقادیر میانگین ​​سالانه آب‌پایه را به میزان 97/5، 95/5 و 94/5 مترمکعب بر ثانیه به دست آوردند، و تغیرات آن‌ها از 17‌% تا 92‌% متغیر بود. بر اساس یافته‌ها و معیارهای ارزیابی، روش‌های Local Minimum، Lyne و Hollick، Sliding Interval و Fixed Interval به‌عنوان روش‌های مناسب برای جداسازی آب‌پایه تعیین شدند.
 
بحث: آب‌پایه در حوزه آبخیز کشکان لرستان بخش زیادی از جریان را تشکیل می‌دهد. در اکثریت روش‌های موردبررسی در این پژوهش نیز نشان داده شد که شاخص آب‌پایه بیش از 50  درصد از جریان رود را در طول سال تشکیل می‌دهد. در تمامی زیرحوضه‌های موردمطالعه، الگوریتمLyne  و ‌Holick دارای مقدار ضریب NSE و مقدار R2 مناسبی بود؛ بنابراین می‌توان این الگوریتم را به‌عنوان یک روش مناسب برای برآورد مقدار آب‌پایه در حوضه کشکان دانست. باتوجه به ویژگی‌های هیدرولوژیکی حوضه، این روش می‌تواند نوسانات طبیعی آب‌پایه را بهتر شبیه‌سازی کند.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش می‌تواند به برآوردهای مربوط به سهم جریان پایه کمک کند و در انتخاب روش‌های مناسب برای تفکیک جریان در مدل‌سازی هیدرولوژیکی رودخانه‌ها با دامنه‌های مختلف جریان در حوضه کشکان مؤثر باشد. پژوهش حاضر بر تفکیک منابع آبی در حوضه کشکان با استفاده از روش‌های فیلترینگ دیجیتال متمرکز شده است. توصیه می‌شود در مطالعات آتی، سایر رویکردها مانند روش‌های شیمیایی و ردیاب‌ها برای تمایز منابع آبی در حوضه کشکان بررسی شود و دقت این روش‌ها با تکنیک‌های فیلترینگ دیجیتال مقایسه گردد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Aboelnour, M. A., Engel, B. A., Frisbee, M. D., Gitau, M. W., & Flanagan, D. C. (2021). Impacts of watershed physical properties and land use on baseflow at regional scales. J. Hydrol.: Reg. Stud. 35, 100810.  https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2021.100810
Azarinvand, F., Tavakoli, M., & Karimi, H. (2022). Efficiency assessment of baseflow separation methods in Gol-Gol Catchment, Ilam. Environment and Water Engineering. 8(2), 379-394. https://doi.org/10.22034/jewe.2021.297503.1602  (In Persian)
Biagi, K. M., Ross, C. A., Oswald, C. J., Sorichetti, R. J., Thomas, J. L., & Wellen, C. C. (2022). Novel predictors related to hysteresis and baseflow improve predictions of watershed nutrient loads: an example from ontario’s lower great lakes basin. Sci. Total Environ. 826, 154023. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154023
Boughton, W. C. (1993). A hydrograph-based model for estimating water yield of ungauged catchments. Institute of Engineers Australia National Conference. Publ. 93/14, pp. 317-324.
Chapman, T. (1991) - Comment on evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses, by RJ Nathan and TA McMahon. Water Resources Research, 27(7), pp. 1783-1784. https://doi.org/10.1029/91WR01007
Chapman, T. G., & Maxwell, A. I. (1996) - Baseflow separation - comparison of numerical methods with tracer experiments, in Hydrol. and Water Resour. Symp., Institution of Engineers Australia, Hobart. pp. 539-545.
Chen, H., Huang, S., Xu, Y. P., Teegavarapu, R. S., Guo, Y., Nie, H., & Xie, H. (2024). Using baseflow ensembles for hydrologic hysteresis characterization in humid basins of Southeastern China. Water Resources Research60(4), e2023WR036195. https://doi.org/10.1029/2023wr036195
Cheng, S.Y., Tong, X., &Illman, W.A. (2022). Evaluation of baseflow separation methods with real and synthetic streamflow data from a watershed. J. Hydrol, 613, 128279. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128279
Cronshey, R. (1986). Urban hydrology for small watersheds. Technical Release 55, United States Department of Agriculture.
Danielescu, S., MacQuarrie, K. T. B., & Popa, A. (2018). SEPHYDRO: A customizable online tool for hydrograph separation. Groundwater, 56, 589-593. https://doi.org/10.1111/gwat.12792
Dolatabadi, N., Faridhosseini, A., Davari, K., & Mosaedi, A. (2012). Baseflow estimation using recursive digital filter nethods and BFI_0.3 software (Case Study of Part of Maharlu-Bakhtegan Basin), The Third National Conference on Comprehensive Water Resources Management.
Duan, H., Li, L., Kong, Z., & Ye, X. (2024). Combining the digital filtering method with the SWAT model to simulate spatiotemporal variations of baseflow in a mountainous river basin. Journal of Hydrology: Regional Studies, 56, 101972. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2024.101972
Eckhardt, K. (2005) How to construct recursive digital filters for baseflow separation. Hydrol. Process, 19, 507–515. https://doi.org/10.1002/hyp.5675
Eckhardt, K. (2023). How physically based is hydrograph separation by recursive digital filtering? Hydrology and Earth System Sciences, 27(2), 495-499. https://doi.org/10.5194/hess-27-495-2023
Furey, P. R., & Gupta, V. K. (2001). A physically based filter for separating base flow from streamflow time series. Water Resource Research, 37 (11), 2709–2722. https://doi.org/10.1029/2001WR00024
  Gharechaei, H., Moghaddamnia, A., Malekian, A., & Ahmadi, A. (2015). Response of streamflow to climate variability and human activity in‏ ‏Kashkan river basin. Watershed Engineering and Management7(3), 255-264. https://doi.org/10.22092/ijwmse.2015.101632
He, S.J., Yu, K., Tang, Z.X., Yan, Y., & Zhang, F. F. (2022). Impacts of parameter uncertainty on baseflow separation by a two-parameter recursive digital filter. Hydrol. Process, 36 (3), e14512. https://doi.org/10.1002/hyp.14512
Kazemi, R., Porhemmat, J., & Ghermezcheshmeh, B. (2022). Investigation of the hydrological response to meteorological drought in kashkan sub-catchments. Environment and Water Engineering, 8(3), 682-697. https://doi.org/10.22034/jewe.2022.317026.1683
Kazemi, R., & Porhemmat, J. (2020). Calibration of recursive digital filters to separate the base flow, case study: Karkheh Basin. Watershed Engineering and Management, 12(1), 30-43. https://doi.org/10.22092/ijwmse.2018.122117.1490 (In Persian)
Kaviani, M., Hematifard, H & kardan moghaddam, H. (2022). The impact of conflict of interests of activists on the emergence of hydro-political challenges (case study: influencers and stakeholders of Gaushmar dam in Lorestan province). Political Spatial Plannin, 4 (4), 303-320. (In Persian)
Khourshid Doust, A. M., Rezaei Banafsheh, M., Mir Hashemi, H., & Kakolvand, Y. (2016). studying the trend of changes in precipitation - discharge the karkhe rive sub-basin using non-parametric methods, case study: kashkan basin. Irrigation Sciences and Engineering38(4), 177-188. https://doi.org/10.22055/jise.2016.11804
Latuamury, B., Osok, R. M., Puturuhu, F., & Imlabla, W. N. (2022). Baseflow separation using graphic method of recursive digital filter on wae batu gajah watershed, ambon city, maluku. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 989, 012028. https://doi.org/10.1088/1755-1315/989/1/012028
Lott, D. A., & Stewart, M. T. (2013). A power function method for estimating base flow. Ground Water, 51 (3), 442–451. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2012.00980
Lyne, V., & Hollick, M. (1979). Stochastic time-variable rainfall-runoff modeling. hydrology and water resources symposium. Institution of Engineers, Australia, Perth, pp. 89–92.
Mehdinasab, M. (2020). Survey of1 april flood in kashkan catchment in lorestan province and presenting solutions.  Environment and Interdisciplinary Development, 67, 17-30. https://doi.org/10.22034/envj.2020.181143
Mehri, S., Mostafazadeh, R., Esmali-Ouri, A., & Ghorbani, A. (2019). Graphical and recursive digital filter techniques in the separation of base flow, A comparison in Ardabil Province rivers. Journal of Water and Soil Conservation, 26(4), pp.95-113. https://doi.org/10.22069/JWSC.2019.10737.2514 (In Persian)
Mohammadi, S., & Kashefipour, M. (2011). Numerical modeling of flow using an improved dynamic roughness coefficient (Case study: Karun River). Irrigation and Water Engineering, 2(1), 99-110. (In Persian)
Motovilov, Y.G., Gottschalk, L., Engeland, K., & Rohde, A. (1999). Validation of a distributed hydrological model against spatial observations. Agriculture and Forest Meteorology, 98-99, 257-277. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(99)00102-1
Murray, J., Ayers, J., & Brookfield, A. (2023). The impact of climate change on monthly baseflow trends across Canada. Journal of Hydrology, 618, 129254. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129254
Nathan, R. J& McMahon, T. A. (1990). Evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses. Water Resour. Res, 26 (7), 1465–1473. https://doi.org/10.1029/WR026i007p01465
Negaresh, H., tavousi, T., & mehdi nasab, M. (2012). Modeling production runoff in the of basin river kashkan by statistical models. Journal of Urban Ecology Researches, 3(6), 81-92. https://doi.org/20.1001.1.25383930.1391.3.6.6.4  (In Persian)
Nejadhashemi, A. P., Shirmohammadi, A., Sheridan, J. M., Montas, H.J., & Mankin, K. R. (2009). Case study: evaluation of streamflow partitioning methods. J. Irrig. Drain. Eng, 135 (6), 791–801. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000093
Pettyjohn W.A., & Henning R. (1979). Preliminary estimate of ground-water recharge rates, related streamflow and water quality in Ohio: Ohio State University Water Resources Center Project Completion Report Number, 552, p. 323.
Riazi, M., Khosravi, Kh., Riahi Samani, M., Han, Sh., Eslamian, S., (2024). Assessing groundwater drought vulnerability through baseflow separation and index-based analysis under climate change projections. Groundwater for Sustainable Development, 25, 101179. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2024.101179
Schaefli, B., & Gupta, H. V. (2007). Do Nash values have value? Hydrological Processes, 21(15), 2075-2080. https://doi.org/10.1002/hyp.6825
Shao, G., Zhang, D., Guan, Y., Sadat, M. A., & Huang, F. (2021). Application of different separation methods to investigate the baseflow characteristics of a semi-arid sandy area, Northwestern China. Water, 12(2), 2, 434. https://doi.org/10.3390/w12020434
Solgi A, Zarei H, & Marofi S. (2024). Using different methods baseflow separation of karst springs based on isotope content (case study: Kahman Karst Spring). jgs; 24‌(72), 15 .https://doi.org/10.52547/jgs.24.72.269 (In Persian)
Stadnyk, T. A., Gibson, J. J., & Longstaffe, F.J. (2015). Basin-scale assessment of operational base flow separation methods. J. Hydrol. Eng, 20 (5). https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001089
Stewart, M., Cimino, J., & Ross, M. (2007). Calibration of base flow separation methods with streamflow conductivity. Ground Water, 45 (1), 17–27. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2006.00263.x
Szilagyi, J. (2004). Heuristic continuous base flow separation. J. Hydrol. Eng, 9 (4), 311–318. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:4(311)
Waterman, B. R., Alcantar, G., Thomas, S. G., & Kirk, M. F. (2022). Spatiotemporal variation in runoff and baseflow in watersheds located across a regional precipitation gradient. J. Hydrol.: Reg. Stud, 41, 101071. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2022.101071
Xie, H., Hu, H., Xie, D., Xu, B., Chen, Y., Zhou, Z., Zhang, F., & Nie, H. (2024). Spatial and temporal assessment of baseflow based on monthly water balance modeling and baseflow separation. Water, 16(10), 1437. https://doi.org/10.3390/w16101437
Zare Bidaki, R., Gharahi, N., & Mahdianfard, M. (2019). Comparison of separation methods for baseflow from direct runoff in Doroud Basin, Lorestan, Iran. Environment and Water Engineering, 5(3), pp.200-212. https://doi.org/10.22034/jewe.2019.187507.1321 (In Persian)
Zarei, M., Boroughani, M., & Alavinia, S. H. (2020). Estimating base-flow to assess environmental flow in the rivers of arid and semi-arid regions (Case study: Shamkan river, Sabzevar). Water Resources Engineering, 13(44), 37-51. https://doi.org/20.1001.1.20086377.1399.13.44.4.5 (In Persian)
Zheng, M. (2015). Estimation of baseflow using flow-sediment relationships in the chinese loess plateau. Catena 125, 129–134. https://doi.org/10.1016/j. catena.2014.10.02

  • تاریخ دریافت 15 مهر 1403
  • تاریخ بازنگری 07 دی 1403
  • تاریخ پذیرش 28 دی 1403