برآورد شدت بارش و توزیع مکانی آن مبتنی بر تئوری فراکتال (مطالعه موردی: حوزه آبخیز تیره-بروجرد)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد/ گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران

2 استادیار/ گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران

3 دانشیار/ گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران

چکیده

برآورد شدت بارش و توزیع مکانی آن در دوره‌های بازگشت برای مدل‌های هیدرولوژیکی تخمین سیلاب ضروری است. لذا در این پژوهش برآورد متغیرهای شدت بارش در حوزة آبخیز تیره-بروجرد با استفاده از 12 ایستگاه در هفت دوره بازگشت با روش فراکتال انجام شد. تحلیل گشتاورهای آماری نشان داد که ‌داده‌های حداکثر شدت ‌بارش دارای ماهیت تک‌فراکتالی است. بررسی آماری نتایج برآورد شدت بارش در دوره بازگشت و تداوم‌های مختلف با این روش نسبت به روش قهرمان نشان داد که در اغلب ایستگاه‌ها رابطه معنادار با ضریب همبستگی بالای 99 درصد در سطح اطمینان 99 درصد وجود دارد. در این پژوهش نتایج خطای توزیع مکانی شدت بارش به روش کوکریجینگ در دوره بازگشت‌های 2، 25، 100 و 200 ساله نشان داد که این روش با اضافه کردن داده‌های کمکی مختلف می‌تواند خطای ناشی از درون‌یابی را به طرز قابل‌قبولی کاهش دهد و مشکل خطای زیاد تخمین بارش با روش‌های قدیمی نظیر استفاده از روش گرادیان بارش-ارتفاع را کاهش دهد. در مجموع استفاده از متغیرهای کمکی شامل مقدار بارش به روش فراکتال، میانگین بارش سالانه و میانگین حداکثر شدت بارش یک‌روزه داده‌های اصلی در دوره بازگشت‌های 50 سال به بالا باعث تقلیل میزان خطا به کم‌تر از یک پنجم آن نسبت به حالتی که تنها از یک متغیر کمکی استفاده شده، است. بر این اساس میانگین مربعات خطای درون‌یابی حداکثر شدت بارش در دوره بازگشت 50 ساله با در نظر گرفتن متغیر کمکی مقدار بارش، برابر 1.40 بود. سپس با اعمال داده‌های کمکی میانگین بارش سالانه، مقادیر خطا معادل 0.19 به‌دست آمد. هم‌چنین، میزان خطا در این دوره بازگشت، با اضافه نمودن مقدار میانگین حداکثر شدت بارش یک‌روزه داده‌های اصلی به متغیرهای فوق، برابر 0.18 به‌دست آمد. بررسی نتایج پهنه‌بندی مبتنی بر روش فراکتال در دوره بازگشت‌های مختلف نشان داد که بیش‌ترین و کم‌ترین شدت بارش به‌ترتیب متعلق به جنوب و شمال حوزه آبخیز است. در حالی‌که نتایج پهنه‌بندی روش قهرمان نشان‌دهنده تغییرات کم مقادیر شدت بارش در قیاس با روش فراکتال در حوزه آبخیز مورد مطالعه است. علاوه بر آن، این روش توانایی مدل کردن پهنه‌بندی مکانی بارش در دوره بازگشت‌های ‌بزرگ‌تر یا مساوی 200 سال را ندارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 اژدری مقدم، مهدی، و هروی، زهرا (1396). ارزیابی روش‌های استخراج منحنی IDF با رابطه مبتنی بر ماهیت فراکتالی بارش. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 24(6)، 271-282. doi:10.22069/JWSC.2018.11418.2582.
بلوکی، هدا، فاضلی، مهدی، و شریف‌زاده، مهدی (1400). بررسی تاثیر اقلیم تحت سناریوهای انتشار بر منحنی‌های شدت-مدت-فراوانی بارش در ایستگاه همدید زاهدان با استفاده از تئوری فراکتال. اکوهیدرولوژی، 8(3)، 735-747. doi:10.22059/IJE.2021.323710.1505
ثقفیان، بهرام، رزم‌خواه، هما، و قرمزچشمه، باقر (1390). بررسی تغییرات منطقه‌ای بارش سالانه باکاربرد روش‌های زمین‌آمار (مطالعة موردی: استان فارس). مهندسی منابع آب، 4(9)، 29-38. dor:20.1001.1.20086377.1390.4.9.3.1
زارع چاهوکی، اصغر، و زارع چاهوکی، محمدعلی (1390). برآورد بارندگی فصل و سالانه با استفاده از روش‌های درون‌یابی چندمتغیره (بررسی موردی دامنه جنوبی البرز در استان سمنان). منابع طبیعی ایران، 64(1)، 39-51.
ساری صراف، بهروز، و آزرم، کامل (1395). برآورد تغییرات مکانی بارش در زاگرس میانی با روش‌های میان‌یابی. اندیشه جغرافیایی، 8(15)، 74-93.
سنگاب زاگرس، (1391). گزارش توجیهی تخصیص منابع آب محدوده مطالعاتی دورود-بروجرد، 81 صفحه.
صدق‌آمیز، عباس (1400). تخمین عمق آب زیرزمینی بر اساس داده‌های بارش با استفاده از روش‌های زمین‌آماری. سامانه‌های سطوح آبگیر باران، 9(2)، 71-83. dor:20.1001.1.24235970.1400.9.2.6.0
صفوی، حمیدرضا، دادجو، شهاب­الدین، و نعیمی، گلنار (1398). استخراج منحنی‌های شدت-مدت-فراوانی در شرایط تغییر اقلیم، مطالعه موردی ایستگاه سینوپتیک اصفهان. تحقیقات منابع آب ایران، 15(2)، 217-227. dor:20.1001.1.17352347.1398.15.2.17.6
علیزاده، امین (1385). هیدرولوژی کاربردی، چاپ بیست و ششم، انتشارات دانشگاه امام رضا (ع) مشهد، 872 صفحه.
عیوضی، معصومه، و مساعدی، ابوالفضل (1391). بررسی الگوی گسترش مکانی بارش در سطح استان گلستان با استفاده از مدل‌های قطعی و زمین آماری. آب و خاک، 26(1)، 51-64. doi:10.22067/JSW.V0I0.13629
مصطفی‌زاده، رئوف، ذبیحی، محسن، و ادهمی، مریم (1396). تحلیل زمانی و مکانی تغییرات بارش ماهانه در استان گلستان به کمک بُعد فراکتالی. مهندسی و مدیریت آبخیز، 9(1)، 34 -45. doi:10.22092/ijwmse.2017.108757
میثاقی، فرهاد، و محمدی، کوروش (1385). پهنه‌بندی اطلاعات بارندگی با استفاده از روش‌های آماری کلاسیک و زمین‌آمار و مقایسه با شبکه‌های عصبی مصنوعی. کشاورزی، 29(4)، 1- 13.
نبی‌‌پور، یوسف، و وفاخواه، مهدی (1395). مقایسه روش‌های مختلف زمین‌آمار برای برآورد بارندگی در حوزه آبخیز حاجی قوشان. منابع طبیعی ایران، 69(2)، 487-502. doi:10.22059/jrwm.2016.61698
نوری قیداری، محمدحسین (1390). برآورد رگبار طرح با استفاده از تئوری مالتی فراکتال در ایستگاه سد گتوند. دانش آب و خاک، 22(1)، 154-145.
نوری قیداری، محمدحسین (1391). تعیین حداکثر شدت بارش طراحی با استفاده از روش تلفیقی تئوری فراکتال و توزیع احتمالاتی مقادیر حدی تعمیم یافته. علوم و مهندسی آبیاری، 35(2)، 83 -90.
ویس‌کرمی، ایرج، پیامنی، کیانفر، و جعفر‌زاده، مریم سادات (1401). کاربرد روش‌های زمین‌آمار در تعیین منحنی‌های عمق-مدت-مساحت بارندگی (استان لرستان). مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 2(3)، 17-26. doi: 10.22098/mmws.2022.9843.1067
یوسفی کبریا، علیرضا.، نادی، مهدی.، و جامعی، مژده. (1400). بررسی روش های آماری و زمین آماری در تهیه نقشه هم‌بارش استان مازندران. پژوهشنامه مدیریت حوضه آبخیز، 12(23)، 223-212.  doi:10.52547/jwmr.12.23.212
 
References
Agbazo, M., Koton'Gobi, G., Kounouhewa, B., Alamou, E., & Afouda, A. (2016). Estimation of IDF curves of extreme rainfall by simple scaling in northern Oueme Valley, Benin Republic (West Africa). Earth Sciences Research Journal20(1), 1-7. doi:10.15446/esrj.v20n1.49405
Alizadeh, A. (2006). Principles of Applied Hydrology. 26th Edition: Imam Reza University of Mashhad, 872 pages. [In Persian]
Azhdary Moghaddam, M., & Heravi, Z. (2018). Evaluation of IDF curve production methods by relationship based on nature of combination of fractal of precipitation. Journal of Water and Soil Conservation24(6), 271-282. doi: 10.22069/JWSC.2018.11418.2582 [In Persian]
Bara, M. (2009). Scaling properties of extreme rainfall in Slovakia. In Proceedings of the 11th international science conference of PhD Students, Juniorstav.
Beuchat, X., Schaefli, B., Soutter, M., & Mermoud, A. (2011). Toward a robust method for subdaily rainfall downscaling from daily data. Water Resources Research47(9). doi:10.1029/2010WR010342
Bogaert, P., Mahau, P., & Beckers, F. (1995). The spatial interpolation of agro-climatic data. FAO Agrometeorology Series (No. 12). Working Paper.
Bolouki, H., Fazeli, M., & Sharifzadeh, M. (2021). Investigation of the effect of climate change under emission scenarios on intensity-duration-frequency curves of precipitation in Zahedan Synoptic Station using Fractal theory. Iranian Journal of Ecohydrology8(3), 735-74 doi: 10.22059/IJE.2021.323710.15057 [In Persian].
Bougadis, J., & Adamowski, K. (2006). Scaling model of a rainfall intensity‐duration‐frequency relationship. Hydrological Processes20(17), 3747-3757. doi:10.1002/hyp.6386
Cheng, K.S., Huter, I., Hsu, E.C. & Yeh, H.C. (2001). A scale‐invariant gauss‐markov model for design storm hyetographs. Journal of the American water Resources Association, 37(3), 723-736. doi:10.1111/j.1752-1688.2001.tb05506.x
Chow, V.T., Maidment, D.R., Mays, L.W. (1998). Applied Hydrology. International Edition: McGraw-Hill-Inc, New York, USA,
Diodato, N., & Ceccarelli, M. (2005). Interpolation processes using multivariate geostatistics for mapping of climatological precipitation mean in the Sannio Mountains (southern Italy). The Journal of the British Geomorphological Research Group30(3), 259-268. doi:10.1002/esp.1126
Eivazi, M., & Mosaedi, A. (2012). An Investigation on spatial pattern of annual precipitation in Golestan Province by using deterministic and geostatistics models. Water and Soil, 26(1), 53-64. doi:10.22067/JSW.V0I0.13629 [In Persian]
Emmanouil, S., langousis, A., Nikolopoulos, E.I., & Anagnostou, E.N. (2022). The effects of Climata change on intensity-duration-frequency curves: past and future trends based on multifractal scaling arguments. STAHY2022 - 12th International Workshop on Statistical Hydrology, Chia, Sardinia (Italy).
García-Marín, A.P., Morbidelli, R., Saltalippi, C., Cifrodelli, M., Estévez, J., & Flammini, A. (2019). On the choice of the optimal frequency analysis of annual extreme rainfall by multifractal approach. Journal of Hydrology575, 1267-1279. doi:10.1016/j.jhydrol.2019.06.013
Gupta, V.K., & Waymire, E. (1990). Multiscaling properties of spatial rainfall and river flow distributions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres95(3), 1999-2009. doi:10.1029/JD095iD03p01999
Misaghi, F., & Mohammadi, K. (2006). Rainfall information zoning using classical statistical methods and geostatistics and comparison with artificial neural networks. Scientific Journal of Agriculture, 29(4), 1- 13. [In Persian]
Mostafazadeh, R., Zabihi, M., & Adhami, M. (2017). Spatial and temporal analysis of monthly precipitation variations ‎in Golestan Province using fractal dimension. Watershed Engineering and Management9(1), 34-45. doi:10.22092/ijwmse.2017.108757 [In Persian]
Nabipour, U., & Vafahkhah, M. (2016). Comparison of different geostatistical methods to estimate rainfall in Haji Qochan watershed. Iran Natural Resources, 69(2), 487-502. doi:10.22059/jrwm.2016.61698 [In Persian]
Nhat, L.M., Tachikawa, Y., Sayama, T., & Takara, K. (2007). Regional rainfall intensity-duration-frequency relationships for ungauged catchments based on scaling properties. Disaster Prevention Research Institute Kyoto University50, 33-43.
Noorigheidari, M.H. (2012a). Estimation of design storm using multifractal theory in ghotvan Dam site. Water and Soil Science, 22(1), 145- 154. [In Persian]
Noorigheidari, M.H. (2012b). Determine of design maximum intensity of precipitation by combined fractal theory and generalized extreme value distribution. Irrigation Sciences and Engineering35(2), 83-90. [In Persian]
Pardo‐Igúzquiza, E. (1998). Comparison of geostatistical methods for estimating the areal average climatological rainfall mean using data on precipitation and topography. International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society18(9), 1031-1047. doi:10.1002/(SICI)1097-0088(199807)18:9<1031::AID-JOC303>3.0.CO;2-U
Safavi, H.R., Dadjou, S., & Naeimi, G. (2019). Extraction of intensity-duration-frequency (IDF) curves under climate change, Case study: Isfahan Synoptic Station. Iran-Water Resources Research15(2), 217-227. dor:20.1001.1.17352347.1398.15.2.17.6 [In Persian]
Saghafian, B., Razmkhah H., & Ghermez Cheshmeh., B. (2011). Assessing regional changes of annual precipitation using geostatistical methods, Case Study, Fars Province. Water Resources Engineering, 4(9), 29-39. dor:20.1001.1.20086377.1390.4.9.3.1 [In Persian]
Sangab Zagros, (2012). Explanatory report on the allocation of water resources in the study area of Durud-Broujerd, 81 pages.
Sari Sarraf, B., & Azarm, K. (2017). Estimating spatial variation of precipitation in the central Zagros using interpolation methods. Geographic Thought8(15), 74-93. [In Persian]
Schertzer, D., & Lovejoy, S. (1987). Physical modeling and analysis of rain and clouds by anisotropic scaling multiplicative processes. Journal of Geophysical Research: Atmospheres92(8), 9693-9714. doi:10.1029/JD092iD08p09693
Sedghamiz A. (2021). Estimation of groundwater depth based on precipitation data using geostatistical methods. Journal of Rainwater Catchment Systems, 9(2), 71-83. dor:20.1001.1.24235970.1400.9.2.6.0 [In Persian]
Vayskarami, I., Kianfar, P., & Jafarzadeh, M.S. (2022). Application of geostatistical methods in determination of depth-area-duration rainfall curves (Lorestan province). Water and Soil Management and Modeling, 2(3), 17-26. doi: 10.22098/MMWS.2022.9843.1067 [In Persian]
Yousefi kebria, A., Nadi, M., & Jamei, M. (2021). Investigation of Statistical and Geostatistical Methods in Preparing the Rainfall Map of Mazandaran Province. Journal of Watershed Management Research,12(23), 212-223. doi:10.52547/jwmr.12.23.212 [In Persian]
Zare Chahouki, A.Z., & Chahouki, M.A.Z. (2011). Estimation of seasonal and annual precipitation using geostatistical methods (case study: Southern Alborz of Semnan Province). Journal of Range and Watershed Management64(1), 39-51. [In Persian]