مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

بررسی تغییرات زمانی و مکانی پاسخ هیدرولوژیک در سیل‌خیزی حوزه آبخیز بالیخلوچای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
چکیده
چکیده مبسوط
مقدمه: سیلاب یکی از رایج‌ترین و مخرب‌ترین بلایای طبیعی در سراسر جهان است که پیامدهای اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی فراوانی دارد. در واقع، یک‌سوم هزینه‌های مرتبط با بلایای طبیعی به سیلاب‌ها مربوط می‌شود. سیلاب‌ها زمانی رخ می‌دهند که جریان رودخانه از ظرفیت حمل آن فراتر رود، که می‌تواند ناشی از عواملی مانند بارش شدید یا طولانی‌مدت، یخ‌زدگی زمین هنگام بارندگی، ذوب ناگهانی برف، جنگل‌زدایی، انسداد رودخانه و شکست سد باشد. در ایران، شرایط نامناسب اقتصادی و ناتوانی دامداران در تأمین علوفه کافی، منجر به چرای بیش ‌ازحد شده است که این موضوع فرسایش خاک را تشدید کرده و خطر سیلاب را افزایش می‌دهد. بارش، عامل کلیدی در وقوع سیلاب است و تغییرات مکانی و زمانی قابل‌توجهی دارد که تحت‌تأثیر ارتفاع، شیب، ویژگی‌های خاک، کاربری اراضی و زمین‌شناسی است. مفهوم واحد پاسخ هیدرولوژیکی (HRU) یک رویکرد رایج در مدل‌سازی‌های هیدرولوژیکی است. بنابراین، تعریف و اندازه‌گیری شاخص‌های کلیدی پاسخ هیدرولوژیکی در مقیاس حوزه آبخیز برای مدیریت مؤثر منابع آب و خاک و کاهش خطر سیلاب ضروری است.
مواد و روش‌ها: این مطالعه داده‌های هیدرولوژیکی حوزه آبخیز بالیخلوچای را مورد بررسی قرار داده است. فرایند پژوهش شامل گردآوری، پردازش و تحلیل داده‌های جریان رودخانه می‌باشد. پنج ایستگاه هیدرومتری با دوره آماری مشترک ۲۰ ساله (۲۰۰۳۲۰۲۳) انتخاب شد. شاخص‌های کلیدی پاسخ هیدرولوژیکی شامل شاخص جریان پایه، دبی اوج، عمق رواناب، تراکم زهکشی و ضریب فروکش محاسبه شدند. جریان پایه با استفاده از روش فیلتر دیجیتال تک‌پارامتری استخراج و شاخص آن به‌صورت نسبت جریان پایه به کل جریان رودخانه محاسبه گردید. ضریب فروکش از یک مدل نمایی فروکش استخراج شد. تغییرات مکانی شاخص‌ها با استفاده از تکنیک‌های درون‌یابی مبتنی بر GIS تحلیل شد. همچنین برای بررسی روندهای زمانی تغییرات جریان رودخانه، آزمون من-کندال با استفاده از نرم‌افزار Pro UCL به کار گرفته شد.
یافته‌ها و بحث: تحلیل شاخص‌های پاسخ هیدرولوژیکی در حوزه آبخیز بالیخلوچای نشان داد که شرایط زمین‌شناسی، توپوگرافی و ویژگی‌های فیزیکی حوضه تأثیر چشمگیری بر رفتار سیلاب و پایداری جریان رودخانه دارند. به‌ویژه، مقادیر بالای شاخص جریان پایه در ایستگاه نیر، نشان‌دهنده تأثیر ساختارهای زمین‌شناسی نفوذپذیر و تغذیه مؤثر سفره‌های آب زیرزمینی است. در مقابل، تراکم زهکشی بالا در ایستگاه پل‌الماس، پاسخ سریع حوضه به بارندگی و وقوع سیلاب‌های ناگهانی را نشان می‌دهد. این نتایج با یافته‌های مطالعات مشابه در سایر حوزه‌های آبخیز ایران سازگار بوده و نقش حیاتی شرایط زمین‌شناسی و ساختارهای ژئومورفولوژیکی در شکل‌گیری الگوی هیدروگراف سیلاب را تأیید می‌کند.
نتیجه‌گیری: تحلیل شاخص‌های پاسخ هیدرولوژیکی در حوزه آبخیز بالیخلوچای تأثیر قابل توجه ویژگی‌های زمین‌شناسی، توپوگرافی و سطح زمین را بر رفتار سیلاب و رژیم جریان رودخانه برجسته می‌سازد. توزیع مکانی شاخص جریان پایه، تراکم زهکشی و عمق رواناب در سراسر حوضه نشان‌دهنده تغییرپذیری چشمگیری است که ناشی از تفاوت در نفوذپذیری، پوشش سطحی و ساختار ژئومورفولوژیکی می‌باشد. به‌عنوان مثال، مقادیر بالاتر شاخص جریان پایه در ایستگاه نیر، بر اهمیت لایه‌های زمین‌شناسی نفوذپذیر و مشارکت پایدار آب زیرزمینی تأکید دارد، در حالی که مناطق با تراکم زهکشی بالا مانند ایستگاه پل‌الماس، پاسخ هیدرولوژیکی سریع و آسیب‌پذیری بیش‌تری در برابر سیلاب ناگهانی نشان می‌دهند. این تغییرات، عملکرد پیچیده هیدرولوژیکی حوضه را منعکس کرده و ضرورت تدوین راهبردهای مدیریتی خاص‌مکان را برای مقابله با سیلاب‌ها نشان می‌دهد. استفاده از تحلیل‌های مکانی مبتنی بر GIS و آزمون روند من-کندال، بینشی ارزشمند نسبت به پویایی‌های زمانی شاخص‌های کلیدی هیدرولوژیکی فراهم کرد. روندهای مشاهده‌شده در جریان رودخانه حاکی از آن است که تغییرات کاربری اراضی، شرایط خاک و نوسانات اقلیمی ممکن است به افزایش خطر سیلاب در برخی زیرحوضه‌ها منجر شوند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

Abghari, H., Tabari, H., & Hosseinzadeh Talaee, P. (2013). River flow trends in the west of Iran during the past 40 years: Impact of precipitation variability. Global and Planetary Change, 101, 52–60. http://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2012.12.003
Ahmadi, F., Zamani, O., Mirzaei, H., & Azadi, H. (2024). Exploring the impact of dust storms on pastoralists’ livelihoods in West Iran: Social, economic, and environmental consequences. Environmental Quality Management, 33(2), 821–833. http://doi.org/10.1002/tqem.22158
Bacchi, B., & Kottegoda, N.T. (1995). Identification and calibration of spatial correlation patterns of rainfall. Journal of Hydrology, 165(1–4), 311–348. https://doi.org/10.1016/00221694(94)02590-8
Blöschl, G., Sivapalan, M., Wagener, T., Viglione, A., & Savenije, H. (Eds.). (2013). Runoff prediction in ungauged basins: Synthesis across processes, places and scales. Cambridge University Press. http://doi.org/10.1017/CBO9781139235761.006
Brandt, W. T., Haleakala, K., Hatchett, B. J., & Pan, M. (2022). A review of the hydrologic response mechanisms during mountain rain-on-snow. Frontiers in Earth Science, 10, 791760. http://doi.org/10.3389/feart.2022.791760
Carey, W. C. (1969). Formation of floodplain lands. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers, 95, 981–994.
Chow, V. T., Maidment, D. R., & Mays, L. W. (1988). Applied hydrology. McGraw-Hill
Cristiano, E., ten Veldhuis, M. C., & Van De Giesen, N. (2017). Spatial and temporal variability of rainfall and their effects on hydrological response in urban areas–a review. Hydrology and Earth System Sciences, 21(7), 3859–3878. http://dx.doi.org/10.5194/hess-21-3859-2017
D’Odorico, P., & Rigon, R. (2003). Hillslope and channel contributions to the hydrologic response. Water Resources Research, 39(5), 1125–1135. https://doi.org/10.1029/2002WR001708
Dingman, S. L. (2015). Physical hydrology. Waveland Press. pp 643.
Dos Santos, V., Laurent, F., Abe, C., & Messner, F. (2018). Hydrologic response to land use change in a large basin in eastern Amazon. Water, 10(4), 429. http://doi.org/10.3390/w10040429.
Daneshi, A., Brouwer, R., Najafinejad, A., Panahi, M., Zarandian, A., & Maghsood, F. F. (2021). Modelling the impacts of climate and land use change on water security in a semi-arid forested watershed using InVEST. Journal of Hydrology, 593, 125621. http://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125621
Ebel, B. A., Shephard, Z. M., Walvoord, M. A., Murphy, S. F., Partridge, T. F., & Perkins, K. S. (2023). Modeling post‐wildfire hydrologic response: Review and future directions for applications of physically based distributed simulation. Earth’s Future, 11(2), e2022EF003038. https://doi.org/10.1029/2022EF003038
Eckhardt, K. (2008). A comparison of baseflow indices, which were calculated with seven different baseflow separation methods. Journal of Hydrology, 352(1–2), 168–173. http://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.01.005
Eckhardt, K. (2005). How to construct recursive digital filters for baseflow separation. Hydrological Processes, 19(2), 507–515. https://doi.org/10.1002/hyp.5675
Farrokhzadeh, B., Choobeh, S., Nouri, H., & Goodarzi, M. (2018). Study of climate change and land use changes impacts on surface runoff: BalighloChai Watershed in Ardebil. Watershed Engineering and Management, 10(3), 318–331. http://doi.org/10.22092/ijwmse.2017.107110.1165
Fohrer, N., Haverkamp, S., Eckhardt, K., & Frede, H. G. (2001). Hydrologic Response to Land Use Changes on the Catchment Scale. Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans and Atmosphere, 26(7–8), 577–582. http://doi.org/10.1016/S14641909(01)00052-1
Garrote, J., Alvarenga, F. M., & Díez-Herrero, A. (2016). Quantification of flash flood economic risk using ultra‑detailed stage–damage functions and 2‑D hydraulic models. Journal of Hydrology, 541, 611–625. http://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.02.006
Guhathakurta, P., Sreejith, O. P., & Menon, P. A. (2011). Impact of climate change on extreme rainfall events and flood risk in India. Journal of Earth System Science, 120(3), 359–373. http://doi.org/10.1007/s12040-011-0082-5
Gupta, V. K., & Mesa, O. J. (1988). Runoff generation and hydrologic response via channel network. Journal of Hydrology, 102(1–4), 3–28. https://doi.org/10.1016/00221694(88)90089-3
Gustard, A., Bullock, A., & Dixon, J. M. (1992). Low flow estimation in the United Kingdom. Institute of Hydrology.
Johnstone, J. F., Chapin, F. S., Foote, J., Kemmett, S., Price, K., & Viereck, L. (2004). Fire, climate change, and forest resilience in interior Alaska. Science, 305(5685), 1234–1236. https://doi.org/10.1126/science.1098941
Kendall, M. G. (1975). Rank correlation methods. Charles Griffin.
McMillan, H. (2020). Linking hydrologic signatures to hydrologic processes: A review. Hydrological Processes, 34(6), 1393–1409.  https://doi.org/10.1002/hyp.13632
Neilson, B. T., Tennant, H., Barnes, M., Stout, T., Miller, M. P., Gabor, R. S. (2018). Stream-Centric Methods for Determining Groundwater Contributions in Karst Mountain Watersheds. Water Resources Research, 54(9), 6708–6724. https://doi.org/10.1029/2018WR022664.
Negese, A. (2021). Impacts of land use and land cover change on soil erosion and sediment yield in the Upper Blue Nile Basin, Ethiopia. Applied and Environmental Soil Science, 2021, Article ID 6669438.
Ni, J., Liu, S., Huang, Y., & Gao, Y. (2024). Temperature and plant root effects on soil hydrological response and slope stability. Computers and Geotechnics, 174, 106663. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106663
Nicótina, L., Alessi Celegon, E., Rinaldo, A., & Marani, M. (2008). On the impact of rainfall patterns on the hydrologic response. Water Resources Research, 44(12), W12401. https://doi.org/10.1029/2007WR006654
Nippgen, F., McGlynn, B. L., Marshall, L. A., & Emanuel, R. E. (2011). Landscape structure and climate influences on hydrologic response. Water Resources Research, 47(12), W12533. http://doi.org/10.1029/2011wr011161
Oudin, L., Andréassian, V., Perrin, C., Michel, C., & Le Moine, N. (2008). Spatial proximity, physical similarity, regression and ungaged catchments: A comparison of regionalization approaches based on 913 French catchments. Water Resources Research, 44(3), W03413.
Poblete, D., Arévalo, J., Nicolis, O., & Figueroa, F. (2020). Optimization of Hydrologic Response Units (HRUs) using gridded meteorological data and spatially varying parameters. Water, 12(12), 3558. https://doi.org/10.3390/w12123558
Posavec, K., Bačani, A., & Nakić, Z. (2006). A Visual Basic spreadsheet macro for estimating groundwater recharge. Ground Water, 44(5), 764–767. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2006.00226.x.
Samela, C., Albano, R., Sole, A., & Manfreda, S. (2018). A GIS tool for cost-effective delineation of flood-prone areas. Computers, Environment and Urban Systems, 70, 43–52. https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2018.01.013
Sarah, S., Shah, W., Somers, L., Deshpande, R. D., & Ahmed, S. (2024). Saturated hydraulic conductivity (Ksat) and topographic controls on base flow contribution in high-altitude aquifers with complex geology. Journal of Hydrology, 647, Article 131763. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131763
Smakhtin, V. U. (2001). Estimating continuous monthly base flow and groundwater recharge from streamflow records: A comparison of techniques. Water SA, 27(2), 183–191. http://doi.org/10.4314/wsa.v27i2.4995
Strahler, A.N. (1964). Quantitative geomorphology of drainage basins and channel networks. In Handbook of applied hydrology.
 Talaksen, L. M. (1995). A review of base flow recession analysis. Journal of Hydrology, 165(1–4), 349–370. https://doi.org/10.1016/00221694(94)02540-R
Trenberth, K. E. (2005). The impact of climate change and variability on the hydrological cycle and water resources. Encyclopedia of Hydrological Sciences, 17, 1–11. http://doi.org/10.1002/0470848944.hsa211
Voesenek, L. A., & Bailey‐Serres, J. (2015). Flood adaptive traits and processes: An overview. New Phytologist, 206(1), 57–73. https://doi.org/10.1111/nph.13209
Wang, C. Y., & Manga, M. (2010). Hydrologic responses to earthquakes and a general metric. Geofluids, 10(1–2), 206–216. http://doi.org/10.1111/j.14688123.2009.00270.x

  • تاریخ دریافت 18 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 07 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 25 خرداد 1404