تعیین ارتباط و تغییرات مکانی مقادیر دبی و رسوب معلق در حوضه‌های استان اردبیل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیز، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 استادیار گروه مرتع و آبخیزداری، دانشگاه یزد، یزد، ایران

3 دانشیار گروه منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

درک وضعیت دبی و رسوب آبخیزها درک صحیحی از فرآیندهای آب‌شناسی را فراهم می‌سازد. یکنواخت فرض نمودن تغییرات دبی و رسوب در یک آبخیز سبب اعمال برنامه‌ریزی و مدیریت واحد برای کل حوزه آبخیز شده و سبب عدم تحقق اهداف می‌شود. پژوهش حاضر با هدف بررسی تغییرات مکانی و پهنه‌بندی مقادیر دبی و رسوب در سطح استان اردبیل در بازه زمانی 10 ساله (1384-1393) در 37 ایستگاه هیدرومتری دارای آمار در استان اردبیل انجام شد. روش‌های درون‌یابیIDW، کریجینگ ساده، کریجینگ معمولی و کوکریجینگ به‌منظور تعیین بهترین روش جهت مطالعه تغییرات مکانی متغیرهای دبی و رسوب مورد بررسی قرار گرفتند. بر اساس نتایج و مقادیر قابل قبول خطا در شاخص‌های ارزیابی مجموع مربعات خطا، میانگین خطای مطلق، متوسط اریبی خطا و متوسط استاندارد خطا، روش‌های درون‌یابی وزن‌دهی عکس فاصله و کوکریجینگ، به‌ترتیب به‌عنوان روش‌های برتر معرفی شدند. نتایج آزمون همبستگی مقادیر اندازه‌گیری شده و تخمینی با روش‌های IDW (429/0r=) و کوکریجینگ (554/0r =)، به‌ترتیب به‌عنوان بهترین روش برای تخمین متغیرهای دبی و رسوب انتخاب شدند. بر اساس نتایج روش IDW مقادیر دبی در بخش‌های غربی استان اردبیل بیش‌تر (8/5-84/4 مترمکعب برثانیه) و در بخش‌های مرکزی مقدار این مولفه کم‌تر (1-04/0 مترمکعب برثانیه) است. با توجه به نتایج حاصل از درون‌یابی متغیر رسوب با روش کوکریجینگ بخش‌های غربی و جنوبی استان اردبیل دارای مقادیر رسوب بیش‌تر (19/16-0/0 تن در هکتار در سال) و در بخش‌های مرکزی مقادیر رسوب کم‌تر (04/01-0/0 تن در هکتار در سال) است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Determination of the Relationship and Spatial Variations of Discharge and Suspended Sediment Values in Watersheds of Ardabil Province

نویسندگان [English]

  • ebrahim asgari 1
  • Seyed Zeynalabedin Hosseini 2
  • raoof mostafazadeh 3
2 Faculty of Natural Resources & Desert Studies, Yazd University
چکیده [English]

Understanding the status of discharge and sediment of watersheds area provides an understanding of the hydrological processes. Uniform assuming of discharge and sediment in a watershed leads to the application of unit planning and management for the entire watershed and leads to a failure to achieve the goals. The present study was conducted with the aim of studying spatial variations and zoning of discharge and sediment values in Ardabil province during 10 years (2005-2014) at 37 stations with hydrometry in Ardabil province. IDW interpolation methods, simple kriging, ordinary kriging and cokrigring were investigated to determine the best method for studying spatial variaions, discharge and sediment variables. Based on the results of the evaluation indices of IDW (RMSE=1.172, MAE=0.644, MBE=-0.2, MSE=1.373) and cokriging (RMSE=0.107, MAE=0.08, MBE=-0.001, MSE=0.011) and the correlation coefficient between measured and estimated values by IDW (r=0.429) and cokriging (r=0.554) respectively, as the best method for evaluating the discharge and sediment variables were chosen. Based on the results of the IDW method, the amount of digestion in the Western parts of Ardabil province is greater (4.84-5.8 m3/s), and in the central section, this amount is the lowest (0.04-1 m3/s). According to the results of the interpolation of the sediment variable with the cokrigring method in the Western and Southern parts of Ardabil province with a higher amount of sediment (0.16-0.19 ton/ha/year) and in the central parts of the sediment deposition (0.01-0.04 ton/ha/year).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spatial Variation
  • Kriging
  • Sediment rating curve
  • Variogram
  • Ardabil Province
اسمعلی‌عوری،اباذر؛ خدایار عبداللهی (1390). آبخیزداری و حفاظت خاک، انتشارات محقق اردبیلی. چاپ دوم. 612 ص.
پیری، عبدالسلام؛ میرخالق ضیاء‌ تباراحمدی؛ محمود حبیب‌نژادروشن؛ ابوالفضل مساعدی و کریم سلیمانی (1383). بهینه‌سازی رابطۀ دبی آب و رسوب در حوضۀ معرف امامه، فصل‌نامۀ جنگل و مرتع. 65. 40-30.
ترابی‌آزاد، مسعود؛ امیر سیه‌سرانی؛ رحیم افتخاری (1395). آموزش جامع تحلیل‌گر زمین‌آماری نرم‌افزار ArcGIS، انتشارات سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح. چاپ دوم. 476 ص.
تلوری، عبدالرسول؛ نادر بیرودیان؛ اسماعیل منوچهری (1386). مدل‌سازی تغییرات زمانی رسوب، مطالعۀ موردی: حوزۀ آبخیز گاران در استان کردستان، نشریۀ پژوهش و سازندگی. 75. 70-64.
جعفریان‌جلودار،زینب (1388).توزیع مکانی خصوصیات خاک با روش‌های زمین‌آماری در مراتع رینه، نشریۀ مرتع. 13/ 120- 107.
جوادی، محمدرضا؛ شعبانعلی غلامی؛ جعفر دستورانی (1393).مقایسۀ‌رواناب و غلظت رسوب‌معلق در‌ واحدهای کاری‌مختلف درحوزۀ آبخیز لاویج،فصل‌نامۀ‌اکوسیستم‌های طبیعی ایران. 5(1). 96-85.
حسنی‌پاک،علی‌اصغر(1394).زمین‌آمار(ژئواستاتیستیک)چاپ پنجم. انتشارات دانشگاه تهران. 314 ص.
خزایی‌موغانی، سولماز؛ علی نجفی‌نژاد؛ مجیدعظیم محسنی؛ واحد بردی‌شیخ (1392). تغییرات مکانی و فصلی رسوب‌معلق در ایستگاه‌های واقع درطول رودخانۀ گرگانرود، استان گلستان، نشریۀ پژوهشنامه مدیریت حوزۀ آبخیز. 4(7). 1-15.
خسروی، یونس؛ اسماعیل عباسی (1395). تحلیل فضایی‌داده‌های محیطی با زمین‌آمار،انتشارات آذرکلک. چاپ اول. 280 ص.
سازمان آب منطقه‌ای استان اردبیل (1397). داده‌های دبی و رسوب اندازه‌گیری‌شده ایستگاه‌های هیدرومتری استان اردبیل.
سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی استان اردبیل (1396). سالنامۀ آماری استان اردبیل 1395، انتشارات سازمان بودجه و برنامه‌ریزی کشور. 646 ص.
سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی استان اردبیل (1396). مطالعات طرح آمایش استان اردبیل جلد اول: تحلیل وضعیت و ساختار، فصل اول: تحلیل وضعیت استان، بخش اول: تحلیل وضعیت منابع طبیعی و محیط زیست، پیوست 5: منابع آب سطحی و زیرزمینی، انتشارات سازمان بودجه و برنامه‌ریزی کشور. 195 ص.
صادقی، سیدحمیدرضا؛ سهیلا آقابیگی‌امین؛ بنفشه یثربی؛ مهدی وفاخواه؛ عباس اسماعیلی‌ساروی (1384). تغییرات زمانی و مکانی تولید رسوب معلق زیرحوزه‌های آبخیز هراز، نشریۀ پژوهشنامۀ علوم کشاورزی و منابع طبیعی خزر. 3. 29- 15.
طولابی، سوسن؛ موسی عابدینی؛ اباذر اسمعلی‌عوری (1394). ارزیابی کارایی مدل WEEP در برآورد رسوب حوزۀ آبخیز سولاچای- اردبیل، نشریۀ پژوهشنامۀ مدیریت حوزۀ آبخیز. 6(12). 192-184.
عسگری، ابراهیم (1396). تعیین اثرات فرسایش‌پذیری و پایداری خاکدانه‌ها بر تولید رواناب و رسوب در سازندهای مختلف زمین‌شناسی در حوزۀ آبخیز قره‌شیران اردبیل، پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد آبخیزداری. دانشگاه محقق اردبیلی. 73 ص.
عسگری، ابراهیم؛اباذر اسمعلی‌عوری؛ رئوف مصطفی‌زاده؛ غلامرضا احمدزاده (1397). تغییرات مکانی رواناب، رسوب و آستانه شروع رواناب در حوزۀ آبخیز قره‌شیران اردبیل، فیزیک زمین و فضا. 44(3). 713-697.
فرج‌زاده، منوچهر؛ مرتضی قره‌چورلو (1390). تحلیل مکانی و زمانی رسوب معلق در حوزۀ آبریز قره‌سو، مجلۀ پژوهش‌های فرسایش محیطی. 3. 84-61.
 
کاکه‌ممی، آزاد (1395). بررسی تغییرات کاربری اراضی استان اردبیل در دو دهۀ اخیر به دو صورت تفسیر چشمی و رقومی با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای، پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد مرتع‌داری. دانشگاه محقق اردبیلی. 112 ص.
کالوندی، سیدمحمد؛ سیدرضا خداشناس؛ بیژن قهرمان؛ رمضان طهماسبی (1389). آنالیز روش‌های مختلف منحنی سنجه در برآورد رسوب ورودی به سدها (مطالعۀ موردی: سد دوستی)، مهندسی آبیاری و آب. 1(1). 20-10.
گل‌محمدی، گلمر؛ صفر معروفی؛ کوروش محمدی (1387). منطقه‌ای‌کردن ضریب رواناب در استان همدان با استفاده از روش‌های زمین‌آماری و GIS، نشریۀ علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی). 12(46). 514-501.
محمدی، امین؛ ابوالفضل مساعدی؛ علی حشمت‌پور (1386). تعیین مناسب‌ترین روش برآورد رسوب معلق در ایستگاه هیدرومتری قزاقلی رودخانۀ گرگانرود، مجلۀ علوم‌کشاورزی و منابع‌طبیعی ‌گرگان.14(4).240-232.
محمدی، جهانگرد (1380). مروری بر مبانی ‌ژئواستاتیستیک و کاربرد آن در خاک‌شناسی، نشریۀ علوم خاک و آب. 1. 121-99.
محمدی، جهانگرد (1385). پدومتری آمار مکانی، انتشارات پلک. جلد دوم. 453 ص.
محمدی، محمدایوب؛ عطاالله کاویان (1390). بررسی تغییرات زمانی رواناب و رسوب‌دهی در مقیاس کرت (مطالعۀ موردی:حوزۀ آبخیز معرف خامسان)،دوازدهمین کنگرۀ علوم خاک ایران، تبریز. 12 تا 14 شهریور. دانشگاه تبریز. ##
مددی، عقیل؛ شهرام نیک‌پور (1392). برآورد فرسایش خاک و تولید رسوب در حوضۀ آبخیز رودخانۀ زال با استفاده از روش‌های پسیاک، پسیاک اصلاح‌شده و GIS، مجلۀ پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی2(1).154-133.
مدنی، حسن (1393). مبانی زمین‌آمار، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر. چاپ دوم. 660 ص.
ملک‌نژاد، حسن (1394). بررسی حساسیت سازندهای زمین‌شناسی روستای‌اندبیل شهرستان خلخال نسبت‌به فرسایش، سومین همایش ملی انجمن‌های علمی-دانشجویی رشته‌های کشاورزی و منابع طبیعی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران. کرج. 16 و 17 اردیبهشت 1394. 7-1.
مهری، سونیا؛ رئوف مصطفی‌زاده؛ اباذر اسمعلی‌عوری؛ اردوان قربانی (1396). تغییرات زمانی و مکانی شاخص جریان پایه در رودخانه‌های استان اردبیل، مجلۀ فیزیک زمین و فضا. 43(3). 634-623.
نورزاده‌حداد، مهدی؛ محمدحسین مهدیان؛ محمدجعفر ملکوتی (1392). مقایسۀ کارایی برخی روش‌های زمین‌آماری به‌منظور بررسی پراکنش مکانی عناصر ریزمغذی در اراضی کشاورزی، مطالعۀ موردی: استان همدان، نشریۀ دانش آب و خاک. 23(1).81- 71.
واعظی، علیرضا.؛ حسینعلی بهرامی؛ سیدحمیدرضا صادقی؛ محمدحسین مهدیان (1387). تغییرات مکانی رواناب در بخشی از خاک‌های آهکی ناحیۀ نیمه‌خشک در شمال‌غربی ایران، مجلۀ علوم کشاورزی و منابع طبیعی. 15(5). 14-1.
وروانی، جواد؛ سادات فیض‌نیا؛ حسن احمدی؛ محمد جعفری (1386). ارزیابی کارایی مدل‌های تجربی برآورد رسوب حوزه‌های آبخیز در زمان سیلاب‌های منفرد و ارائۀ ضرائب اصلاحی، مجلۀ منابع طبیعی ایران. 60(4). 1239-1225.
Altunkaynak, A. & Wang, K (2010). Triple diagram models for prediction of suspended solid concentration in Lake Okeechobee, Florida. Journal of Hydrology, 387: 165-175.
Asselman, N. E. M. (2000). Fitting and interpretation of sediment rating curves. Journal of Hydrology, 234: 228-248.
Barua, S. & Perera, B. J. C. (2012). Artificial neural network-based drought forecasting using a nonlinear aggregated drought index. Journal of Hydrologic Engineering, ASCE 17: 1408-1413.
Blume, T., Zehe, E. & Bronstert, A. (2007). Rainfall-runoff response, event-based runoff coefficients and hydrograph separation. Hydrological Sciences Journal, 52(5): 843-862.
Cambardella, C. A., Moorman, T. B., Novak, J. M., Parkin, T. B., Karlen, D. L., Turco, R. F. & Konopka, A. E. (1994). Field-Scale variability of soil properties in Central lowa soils. Soil Science Society of America Journal,58:1501-1511.
Chen, S. H., Lin, Y. H., Chang, L. C. & Chang, F. J. (2006). The strategy of building a flood forecast model by neuro-fuzzy network. Hydrological Processes, 20(7): 1525-1540.
Coote, G. G. & Cornish, E. A (1958). The correlation of monthly rainfall with position and altitude of observing stations,Technical Paper,4: 33p.
Coppus, R., Imeson, A. C. & Serink, J. (2003). Identification, distribution and characteristics of erosion sensitive areas in three different central Andean ecosystems, Catena, 51(3): 315-328.
D’Haen, K., Verstraeten, G. & Degryse, P. (2012). Fingerprinting historical fluvial sediment fluxes. Progress in Physical Geography, 36(2): 154-186.
Davis, B. M. (1987). Uses and abuses of cross-validation in geostatistics. Mathematical Geology, 19(3): 241- 248.
Duckstein, L., Fogel, M. M. & Thames, J. L. (1973). Elevation effects on rainfall: A stochastic model. Journal of Hydrology, 18: 21-35.
Elliot, R. D. & Hovind, E. L. (1964). The water balance of Orographic clouds. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 3: 235-239.
Gamma Design Software. (2008). GS+ user’s guide. Gamma Design Software, LLC Plainwell, Michigan 49080, 179p.
Gellis, A. C. (2013). Factors influencing storm-generated suspended-sediment concentrations and loads in four basins of contrasting land use, humid-tropical Puerto Rico. Catena, 104: 39-57.
Gracia-Sanchez, J. (1996). Generation of synthetic sediment graphs. Hydrological Processes, 10(9): 1181-1191.
Green, I. R. A. & Stephenson, D. (1986). Criteria for comparison of single event models. Hydrological Sciences Journal, 31(3): 395-411.
Harrison, C. G. A. (2000). What factor control mechanical erosion rates. International Journal of Earth Sciences, (531): 78-92.
Horowitz, A. J. (2003). An evaluation of sediment rating curves for estimating suspended sediment concentrations for subsequent flux calculations. Hydrological Processes, 17(17): 3387-3409.
Hosseini, S. Z., Kappas, M., Bagheri Bodaghabadi, M., ZareChahouki, M. A. & RanjinehKhojasteh, E. (2014). Comparison of different geostatistical methods for soil mapping using remote sensing and environmental variables in rangelands. Polish Journal of Environmental Studies, 23(3): 737-751.
Houlding, S. W. (2000). Practical geostatistics: Modeling and spatial analysis. Springer-Verlag, New York, 159p.
Hu, B., Wang, T. H., Yang, Z. & Sun, X. (2011). Temporal and spatial variations of sediment rating curves in the Changjiang (Yangtze River) basin and their implications. Quaternary International, 320: 34-43.
Issak, H. E. & Srinivasta, R. M. (1989). Applied geostatistics, Oxford University Press: Oxford. 561p.
Johnston, K., M. VerHoef, J., Krivoruchko, K. & Lucas, L (2004). ArcGIS 9: Using ArcGIS Geostatistical Analyst. ESRI, 300p.
Jordan, J. P. (1994). Spatial and temporal variability of streamflow generation processes on a Swiss catchment, Journal of Hydrology, 153: 357-382.
Journel, A. G. & Huijbregts, C. J. (1978). Mining geostatistics. The Blackburn Press, 600p.
Kitanidis, P. K. (1997). Introduction to geostatistics: Applications in hydrogeology. Cambridge University Press, 249p.
Lu, X. X. (2005). Spatial variability and temporal change of water discharge and sediment flux in the Lower Jinsha tributary: Impact of environmental changes. River Research and Applications, 21(2-3): 229-243. 
Ma, Y., Hung, H. G., Xu, J., Brierly, G. J. &Yao, Z. (2010). Variability of effective discharge for suspended sediment transport in a large semi-arid river basin. Journal of Hydrology, 388: 357-369.
Matheron, G. (1971). The theory of regionalized variables and its applications (Les Cahiers du Centre de morphologie matheÌmatique de Fontainebleau). EÌcole National SupeÌrieure des Mines, 5: 211p.
McBratney, A. B. & Webster, R. (1986). Choosing functions for semivariogram of soil properties and fitting then to sampling estimates. Journal of Soil Science, 37(4): 617-639.
MohamadRezaPour, O., Shui, L. T. & Dehghani, A. A. (2012). Comparison of ant colony optimization and genetic algorithm models for identifying the relation between flow discharge and suspended sediment load (Gorgan River - Iran). Scientific Research and Essays, 7(42): 3584-3604.
Norbiato, D., Borga, M., Merz, R., Blöschl, G. & Carton, A. (2008). A control on event runoff coefficients in the Eastern Italian Alps. Journal of Hydrology, 375: 312-325.
Oliver, M. A. & Webster, R. (1991). How geostatistics can help you. Soil Use and Management, 7: 206-217.
Prathapar, S. A. & Abdulla, A. B. (2014). Impact of sedimentation on groundwater recharge at Sahalanowt Dam, Salalah, Oman. Water International, 39(3): 381-393.
Sadeghi S. H. R. & Singh J. K. (2005). Development of a synthetic sediment graph using hydrological data. Journal of Agricultural Science and Technology (JAST), 7: 69-77.
Schmidt, K-H. & Morche, D. (2006). Sediment output and effective discharge in two small high mountain catchments in the Bavarian Alps, Germany. Geomorphology, 80: 131-145.
Seeger, M. (2007). Uncertainty of factors determining runoff and erosion processes as quantified by rainfall simulations. Catena, 71: 56-67.
Sun, Y., Kang, S., Li, F. & Zhang, L. (2009). Comparison of interpolation methods for depth to groundwater and its temporal and spatial variations in the Minqin oasis of NorthWest China. Environmental Modelling & Software, 10: 1163-1170.
Tatsumi, K. & Yamashiki, Y. (2015). Effect of irrigation water withdrawals on water and energy balance in the Mekong River Basin using an improved VIC land surface model with fewer calibration parameters. Agricultural Water Management, 159: 92-106.
Vaezi, A. R., Bahrami, H. A., Sadeghi, S. H. R. & Mahdian, M. H. (2010). Modeling relationship between runoff and soil properties in dry farming lands, NW Iran. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 7: 2577-2607.
Verstraeten, G. & Poesen, J. (2001). Factors controlling sediment yield from small intensively cultivated catchments inatemperate humid climate. Geomorphology, 40: 123-144.
Wang, S., Yan, Y. & Li. Y. (2012). Spatial and temporal variations of suspended sediment deposition in the alluvial reach of the upper Yellow River from 1952 to2007.Catena,92:30-37.
Wilson, R. C., Freeland, R. S., Wilkerson, J. B. & Hart, W. E (2005). Interpolation and data collection error sources for electromagnetic induction-soil electrical conductivity mapping. Applied Engineering in Agriculture, 21(2): 277-283.
Wosten, J. H. M., Pachepsky, Y. A. & Rawls, W. J. (2001). Pedotransfer functions: bridging the gap between available basic soil data and missing soil hydraulic characteristics. Journal of Hydrology, 251:123-150.
Zehe, E. & Sivapalan, M. (2009). Threshold behavior in hydrological systems at (human) geoecosystems: Manifestations, controls, implications. Hydrology and Earth System Sciences, 13: 1273-1297.
Zhai, H. J., Hub, B., Luoa, X. Y., Qiua, L., Tangb, W. J. & Jiangb, M. (2016). Spatial and temporal changes in runoff and sediment loads of the Lancang River over the last 50 years. Agricultural Water Management, 174: 74-81.
Zhang, S. R., Lu, X. X., Higgitt, D. L., Chen, Ch. T. A., Han, J. & Sun, H. (2008). Recent changes of water discharge and sediment load in the Zhujiang (Pearl River) Basin, China. Global Planet Change, 60: 365-380.