تحلیل تغییرات رژیم جریان آب رودخانه‌ای با استفاده از شاخص‌های تغییرات هیدرولوژیکی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز حبله‌رود)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری/گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 دانشیار/ گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استاد/ گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

4 استادیار/ گروه مدیریت مناطق بیابانی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

5 دانشیار/ گروه جغرافیا، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران

چکیده

رژیم‌های هیدرولوژیکی، نقش عمده‌ای در تغییر ساختار و عملکرد فرآیندهای بوم‌شناختی و بوم‌سازگان رودخانه‌ای ایفا می‌کنند. تغییرات قابل ملاحظه‌ای در رژیم‌های هیدرولوژیکی جریان رودخانه‌ها، باعث ایجاد ناهمگونی مکانی و زمانی سامانه‌های رودخانه‌ای و تخریب خدمات طبیعی بوم‌سازگان و تهدید تنوع زیستی می‌شود. تحلیل روند و شناسایی نقطه تغییر، یک مسأله مهم در تحلیل سری‌های زمانی هیدرولوژیکی است. در این پژوهش با استفاده از آزمون من-کندال دنباله‌ای، آزمون پتیت، آزمون دامنه بویژاند، آزمون U بویژاند، آزمون همگنی استاندارد نرمال و آزمون جرم مضاعف نقطه تغییر معنادار در داده‌های مربوط به دبی ایستگاه هیدرومتری بنکوه واقع در خروجی حوزه آبخیز حبله‌رود در طول دوره آماری 1980 تا 2017 تعیین شد. سپس با استفاده از نرم‌افزار شاخص‌های تغییرات هیدرولوژیکی (IHA)، تغییرات شاخص‌های گوناگون هیدرولوژیکی در دورة آماری قبل و بعد از نقطه تغییر معنادار در سری زمانی دبی سالیانه در حوزه آبخیز حبله‌رود بررسی شد. مطابق نتایج به‌دست آمده، در اواسط دهه 1990 یک نقطه تغییر معنادار در سری داده‌‌های دبی سالانه ایستگاه هیدرومتری بنکوه اتفاق افتاده است و بعد از آن مقطع زمانی اکثر شاخص‌های هیدرولوژیکی کاهش در وضعیت جریان رودخانه حبله‌رود را نشان می‌دهند. به‌طوری‌که متوسط آبدهی در تمام ماه‌های سال و مقدار جریان پایه حوضه کاهش یافته است. هم فراوانی و هم طول دوره پالس‌های جریان کمینه افزایش یافته است. برعکس، هم فراوانی و هم طول دوره پالس‌های جریان بیشینه کاهش یافته است. به همین‌دلیل فراوانی و بزرگی وقایع حدی بالا مثل سیل‌های متوسط و بزرگ کاهش یافته است. تحلیل روند طولانی‌مدت نشان می‌دهد که 25 شاخص از بین 33 شاخص تغییرات هیدرولوژیکی دارای روند نزولی معنادار از نظر آماری هستند. به‌طوری‌که میزان دبی متوسط حوضه در ایستگاه هیدرومتری بنکوه از 43/8 مترمکعب در ثانیه در دورة قبل از تغییر به 47/5 مترمکعب در ثانیه در دوره بعد از تغییر کاهش یافته است که معادل 35 درصد کاهش در آبدهی حوضه حبله‌رود است. پیامد این تغییرات هیدرولوژیکی شدید در حوزه آبخیز حبله‌رود، علاوه بر بروز تعارض و تنش‌های اجتماعی میان بهره‌برداران، ایجاد تنش و تهدید جوامع گیاهی و جانوری رودکناری خواهد بود که در سیلاب‌دشت‌های رودخانه‌ها زندگی می‌کنند و خدمات بوم‌سازگانی متعددی را فراهم می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


اسفندیاری درآباد، ف.، مصطفی‌زاده، ر.، شاهمرادی، ر.، و نصیری خیاوی، ع. (1398). تحلیل تغییرات شاخص‌های هیدرولوژیک جریان تحت تأثیر احداث سد در رودخانه‌های زرینه‌رود و ساروق چای (استان آذربایجان غربی). هیدروژئومورفولوژی، 5(18)، 57-77.
خسروی، غ.، سعدالدین، ا.، اونق، م.، بهره­مند، ع.، و مصطفوی، ح. (1398). طبقه‌بندی و تعیین تغییرات رژیم جریان آب رودخانه‌ای با استفاده از شاخص‌های هیدرولوژیکی IHA (مطالعه‌ موردی: رودخانه خرمارود-استان گلستان). اکوهیدرولوژی، 6(3)، 651-671.
شیخ، و.، بابایی، ع.، و موشاخیان، ی. (1388). بررسی روند تغییرات رژیم بارش حوضة آبریز گرگانرود. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 3(8)، 29-38.
شیخ، و.، حزبی، ع.ج.، و بهره‌مند، ع. (1394). مدل­سازی توزیعی و دینامیک بیلان آب حوزة آبخیز چهل‌چای در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی. پژوهشنامه مدیریت حوزة آبخیز، 12، 29-42.
شیخ، و.، زارع گاریزی، آ.، الوندی، ا.، اسدی نلیوان، ا.، خسروی، غ.، سعدالدین، ا.، و اونق، م. (1398). مکان‌یابی مشارکتی راهکارهای پیشنهادشده برای مدیریت کردن آبخیز حبله‌رود. پژوهشهای آبخیزداری، 32(4)، 2-18.
عسگری، ا.، مصطفی‌زاده، ر.، و حاجی، خ. (1398). تحلیل نقاط تغییر در سری زمانی دبی برخی ایستگاه‌های هیدرومتری استان گلستان. علوم و تکنولوژی محیط زیست، 21(5)، 81-93.
کاظم‌زاده، م. (1394). ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر خصوصیات هیدرولوژیکی حوضه، مطالعه موردی: حوزه آبخیز آجی‌چای. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، علوم و مهندسی آبخیز، دانشگاه تهران، 177 صفحه.
نادری، م.، ذاکری‌نیا، م.، و سالاری جزی، م. (1398). بررسی تأثیر شاخص‌های اکوهیدرولیکی در تحلیل رژیم جریان زیست‌محیطی و شبیه‌سازی مطلوبیت زیستگاه با کاربرد River2D با تکیه بر باز زنده‌سازی بوم‌شناختی رودخانه زرین گل. اکوهیدرولوژی، 6(1)، 205-222.
نصیری خیاوی، ع.، مصطفی‌زاده، ر.، اسمعلی‌عوری، ا.، غفارزاده، ا.، و گلشن، م. (1398). تغییر شاخص‌های هیدرولوژیک جریان رودخانه بالخلوچای ناشی از تأثیر ترکیبی تغییر مؤلفه‌های اقلیمی و احداث سد یامچی اردبیل با استفاده از رویکرد دامنه تغییرپذیری.  مهندسی و مدیریت آبخیز، 11(4)، 851-865.
Alexandersson, H. (1986). A homogeneity test applied to precipitation data. Journal of climatology, 6(6), 661-675.
Alexandersson, H., & Moberg, A. (1997). Homogenization of Swedish temperature data. Part I: Homogeneity test for linear trends. International Journal of Climatology, 17(1), 25-34.
Arif, S.N.A.M., Mohsin, M.F.M., Bakar, A.A., Hamdan, A.R., & Abdullah, S.M.S. (2017). Change point analysis: a statistical approach to detect potential abrupt change. Jurnal Teknologi, 79(5).
Asgari, E., Mostafazadeh, R., & Haji, K. (2019). Change point analysis of discharge time series in some hydrometric stations in Golestan Province. Journal of Environmental Science and Technology, 21(5), 81-93 (in Persian).
Beaulieu, C., Chen, J., & Sarmiento, J.L. (2012). Change-point analysis as a tool to detect abrupt climate variations. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 370(1962), 1228-1249.
Chapman, D. (1996). Water quality assessments - a guide to use of biota, sediments and water in environmental monitoring. Second Edition, Great Britain at the University Press, Cambridge, 609 pages.
Chauluka, F., Singh, S., & Kumar, R. (2021). Rainfall and streamflow trends of Thuchila River, Southern Malawi. Materials Today: Proceedings, 34, 846-855.
Croitoru, A.E., Drignei, D., Holobaca, I.H., & Dragota, C.S. (2012). Change-point analysis for serially correlated summit temperatures in the Romanian Carpathians. Theoretical and Applied Climatology, 108(1), 9-18.
Dingman, S. L. (2002). Water in soils: infiltration and redistribution. In: Physical Hydrology (Second ed.), Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall, Inc.
Esfandyari Darabad, F., Mostafazadeh, R., Shahmoradi, R., & Nasiri Khiavi, A. (2019). The Analysis of the changes of the hydrological flow indices affected by dam construction in Zarrinehrood and Saruqchai Rivers of West Azerbaijan Province. Hydrogeomorphology, 5(18), 57-77 (in Persian).
Fang Sang, Y., Wang, Z., & Liu, C. (2014). Comparison of the MK test and EMD method for trend identification in hydrological time Series. Journal of Hydrology, 510, 293-298.
Fantin-Cruz, I., Pedrollo, O., Girard, P., Zeilhofer, P., & Hamilton, S.K. (2015). Effects of a diversion hydropower facility on the hydrological regime of the Correntes River, a tributary to the Pantanal floodplain, Brazil. Journal of Hydrology, 531, 810-820.
Fernández, J.A., Martínez, C., & Magdaleno, F. (2012). Application of indicators of hydrologic alterations in the designation of heavily modified water bodies in Spain. Environmental Science & Policy, 16, 31-43.
Gao, P., Mu, X.M., Wang, F., & Li, R. (2011). Changes in streamflow and sediment discharge and the response to human activities in the middle reaches of the Yellow River. Hydrology and Earth System Sciences, 15, 1–10.
Hamed, K.H. (2007). Trend detection in hydrologic data: the Mann–Kendall trend test under the scaling hypothesis. Journal of Hydrology, 349(3-4), 350-363.
Huo, Z., Feng, S., Kang, S., Li, W., & Chen, S. (2008). Effect of climate changes and water-related human activities on annual stream flows of the Shiyang river basin in arid north-west China. Hydrological Processes: An International Journal, 22(16), 3155-3167.
IPCC, (2007). Fourth assessment report climate change. Paris. Journal of the American Statistical Association, 74, 365-367.
Kazemzadeh, M. (2015). Evaluation of climate change impacts on the hydrological characteristics of watershed, case study: Aji chai Watershed. M.Sc. Thesis, University of Tehran, 177 pages (in Persian).
Kendall, M. G. (1948). Rank correlation methods. 4th Edition, Griffin, London.
Khapalova, E.A., Jandhyala, V.K., & Fotopoulos, S.B. (2013). Change-point Analysis of Annual Mean Precipitation for Northern Tropical and Southern Latitudes of the Globe in the Past Century. Journal of Environmental Statistics, 4(3), 1-21.
Khosravi, G., Sadodin, A., Ownegh, M., Bahremand, A., & Mostafavi, H. (2019). Classification and identification of changes in river flow regime using the Indicators of Hydrologic Alteration (IHA) Case study: (The Khormarud River-Tilabad Watershed-Golestan Province). Iranian Journal of  Ecohydrology, 6(3), 651-671 (in Persian).
Killick, R., Eckley, I.A., Ewans, K., & Jonathan, P. (2010). Detection of changes in variance of oceanographic time-series using changepoint analysis. Ocean Engineering, 37(13), 1120-1126.
Liu, W., Shi, C., & Zhou, Y. (2021). Trends and attribution of runoff changes in the upper and middle reaches of the Yellow River in China. Journal of Hydro-environment Research, 37, 57-66.
Mann, H.B. (1945). Nonparametric tests against trend. Econometrica: Journal of the Econometric society, 245-259.
Mo, K., Guerrero, P., Yi, L., Su, H., Wonka, P., Mitra, N., & Guibas, L.J. (2019). Structurenet: Hierarchical graph networks for 3d shape generation. arXiv preprint arXiv:1908.00575.
Mwedzi, T., Katiyo, L., Mugabe, F.T., Bere, T., Bangira, C., Mangadze, T., & Kupika, O. L. (2016). A spatial assessment of stream-flow characteristics and hydrologic alterations, post dam construction in the Manyame catchment, Zimbabwe. Water SA, 42(2), 194-202.
Naderi, M.H., Zakerinia, M., & Salarijazi, M. (2019). Investigation of ecohydraulic indices in environmental flow regime and Habitat suitability simulation analysis using River2D Model with relying on the restoration ecological in zarrin-gol river. Iranian Journal of Ecohydrology, 6(1), 205-222 (in Persian).
Nasiri Khiavi, A., Mostafazadeh, R., Esmali Ouri, A., Ghafarzadeh, O., & Golshan, M. (2019). Alteration of hydrologic flow indicators in Ardabil Balikhlouchai River under combined effects of change in climatic variables and Yamchi Dam construction using Range of Variability Approach. Watershed Engineering and Management, 11(4), 851-865 (in Persian).
Papadaki, C., Soulis, K., Muñoz-Mas, R., Martinez-Capel, F., Zogaris, S., Ntoanidis, L., & Dimitriou, E. (2016). Potential impacts of climate change on flow regime and fish habitat in mountain rivers of the south-western Balkans. Science of the Total Environment, 540, 418-428.
Pettitt, A. N. (1979). A non-parametric approach to the change‐point problem. Journal of the Royal Statistical Society: Series C (Applied Statistics), 28(2), 126-135.
Richter, B.D., Baumgartner, J.V., Powell, J., & Braun, D.P. (1996). A method for assessing hydrologic alteration within ecosystems. Conservation Biology, 10(4), 1163-1174.
Richter, B., Baumgartner, J., Wigington, R., & Braun, D. (1997). How much water does a river need?. Freshwater Biology, 37(1), 231-249.
Salehi, S., Dehghani, M., Mortazavi, S.M., & Singh, V.P. (2020). Trend analysis and change point detection of seasonal and annual precipitation in Iran. International Journal of Climatology, 40(1), 308-323.
Sheikh, V., Babaei, A., & Mooshakhian, Y. (2009). Trend analysis of precipitation regime in the Gorganroud basin. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering3(8), 29-38 (in Persian).
Sheikh, V., Hezbi, A.J., & Bahremand, A.R. (2014). Distributed and dynamic modeling of the water balance of ChelChai watershed in the geographic information system environment. Watershed Management Research, 12, 29-42 (in Persian).
Sheikh, V., Zare Garizi, A., Alvandi, E., Asadi Nelivan, O., Khosravi, G., Saaduddin, A., & Ong, M. (2018). Collaborative location of proposed solutions to manage the Hablehroud watershed. Watershed Research, 32(4), 2-18 (in Persian).
Shirvani, A. (2017). Change point detection of the Persian Gulf sea surface temperature. Theoretical and Applied Climatology, 127(1), 123-127.
Sneyres, R. (1990). Technical note no. 143 on the statistical Analysis of Time Series of Observation. World Meteorological Organisation, Geneva, Switzerland.
Su, L., Miao, C., Kong, D., Duan, Q., Lei, X., Hou, Q., & Li, H. (2018). Long-term trends in global river flow and the causal relationships between river flow and ocean signals. Journal of hydrology, 563, 818-833.
Wang, S., McVicar, T. R., Zhang, Z., Brunner, T., & Strauss, P. (2020). Globally partitioning the simultaneous impacts of climate-induced and human-induced changes on catchment streamflow: A review and meta-analysis. Journal of Hydrology, 590, 125387.
Wei, X., & Zhang, M. (2010). Quantifying streamflow change caused by forest disturbance at a large spatial scale: A single watershed study. Water Resources Research, 46(12).
Wong, H., Hu, B.Q., Ip, W.C., & Xia, J. (2006). Change-point analysis of hydrological time series using grey relational method. Journal of Hydrology, 324(1-4), 323-338.
Xiong, L., & Guo, S. (2004). Trend test and change-point detection for the annual discharge series of the Yangtze River at the Yichang hydrological station/Test de tendance et détection de rupture appliqués aux séries de débit annuel du fleuve Yangtze à la station hydrologique de Yichang. Hydrological Sciences Journal, 49(1), 99-112.
Xu, M., Wang, G., Wang, Z., Hu, H., Singh, D.K., & Tian, S. (2022). Temporal and spatial hydrological variations of the Yellow River in the past 60 years. Journal of Hydrology, 609, 127750.
Yang, T., Zhang, Q., Chen, Y.D., Tao, X., Xu, C. Y., & Chen, X. (2008). A spatial assessment of hydrologic alteration caused by dam construction in the middle and lower Yellow River, China. Hydrological Processes: An International Journal, 22(18), 3829-3843.