تعیین همبستگی مکانی و الگوی تغییرات ارتفاع و حجم رواناب در زیرآبخیزهای منطقه شارقنج بیرجند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران

2 دانشیار گروه منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی

3 دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران

10.22034/gmpj.2023.408752.1448

چکیده

سیلاب یکی از مخرب‌ترین بلایای طبیعی و تأثیرگذار بر هدررفت خاک و آسیب به زیرساخت‌های انسانی است. هدف پژوهش حاضر، برآورد ارتفاع رواناب تولیدی حاصل از بارش مازاد و تحلیل تغییرات مکانی مقادیر ارتفاع رواناب و حجم رواناب در حوضه آبخیز شارقنج بیرجند است. در این پژوهش میزان رواناب تولیدی ناشی از حداکثر بارش 24 ساعته در دوره‌های بازگشت مختلف با استفاده از روش SCS برآورد شده است. برای این کار حداکثر بارش 24 ساعته ایستگاه‌های اطراف منطقه با روش عکس مجذور فاصله (IDW) میان‌یابی شد. در ادامه پس از تهیه نقشه شماره منحنی، برای تخمین رواناب نیز از روش SCS استفاده و حجم رواناب محاسبه شد. نتایج نشان داد از غرب به شرق شماره منحنی به‌دلیل وجود باغ‌های زرشک و اراضی زراعی آبی کاهش می‌یابد. براساس نقشه همبستگی مکانی مقادیر ارتفاع رواناب، خوشه‌های زیاد-زیاد (HL) در بخش‌های بالادست حوزه تشکیل شده است. هم‌چنین خوشه‌های کم-کم (LL) در بخش‌های پایین‌دست شکل گرفته که ناشی از مقادیر بالای بارش در بخش بالادست و شیب بالای زیرآبخیزها مرتبط دانست. مقادیر همبستگی مکانی حجم رواناب نشان داد که تجمع حجم رواناب در زیرآبخیزهای واقع در پایین دست منطقه موردمطالعه بیش‌تر است و تشکیل خوشه‌های زیاد-کم (HL) کم داده است. به‌عبارتی در زیرآبخیزهای پایین دست و مجاور خروجی منطقه میزان حجم سیلاب بیش‌تر شده است. براساس نتایج عوامل مختلف از جمله شیب، کاربری اراضی، شماره منحنی و گروه هیدرولوژیکی خاک بر آن تأثیرگذار است که بر تغییرات مکانی مولفه‌های ارتفاع و حجم رواناب موثر بوده و رفتار هیدرولوژیک سیلاب را تعیین می‌کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Determining the spatial correlation and pattern of changes in the height and volume of runoff in the sub-watersheds of Sharganj Birjand region

نویسندگان [English]

  • Reza Chamani 1
  • Raoof Mostafazadeh 2
  • Mahin Kalehhouei 3
  • Khadijeh Haji 3
1 Ph.D Student, Department of Watershed Management Sciences & Engineering, Faculty of Natural Resources and Marine Sciences. Tarbiat Modares University, Noor, Iran
2 Associate Professor, Department of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili
3 Ph.D, Department of Watershed Management Sciences & Engineering, Faculty of Natural Resources and Marine Sciences. Tarbiat Modares University, Noor, Iran
چکیده [English]

Extended Abstract

Statement of the Problem: Floods are a devastating natural disaster that can cause soil erosion, soil wastage, and damage to human infrastructure in flood-prone areas of watersheds. Therefore, it is crucial to predict and determine the amount of runoff production processes and its safe transfer to the outlet of the watershed. Various factors, including climatic and physiographic parameters, affect the conversion of precipitation into runoff. Climatic factors involve the intensity and duration of rainfall as well as the distribution of rainfall locations. Physiographic parameters include land use type, soil type, watershed area, basin shape, height, slope, direction, and type of drainage network. Therefore, several methods can be used to estimate the runoff generated by rainfall, and one of the commonly used methods in hydrology is the Soil Conservation Service (SCS) method. Furthermore, determining the spatial changes and correlation between the factors of runoff production and flooding can identify flood-prone areas. Therefore, this research utilized geographic information systems (GIS) to provide essential and fundamental information for obtaining direct runoff using the curve number (CN) method. The study aimed to estimate the height of excess rainfall runoff and analyze the spatial variations of runoff height and volume in the Sharganj watershed, Birjand. To achieve this goal, the SCS method was employed to estimate the amount of runoff generated by the maximum 24-hour rainfall in different return periods in the aforementioned watershed. Subsequently, the changes and spatial correlation of the values of the height and volume of the runoff were evaluated in the Sharganj watershed, Birjand.

Methodology:

This study estimated the amount of runoff produced from the maximum 24-hour rainfall in different return periods in the Sharganj watershed using the SCS method. To achieve this, the maximum 24-hour rainfall from surrounding stations was averaged using the IDW method. Next, the SCS method was utilized to estimate the runoff by combining land use maps and soil hydrological groups to prepare the curve number map. The basin runoff volume was then calculated for different return periods. Additionally, the spatial autocorrelation of the runoff height and volume in the 25-year return period was analyzed using the general Moran's index, and their clustering pattern was determined using Anselin Local Moran's Index.

Results and discussion: The Sharganj watershed is primarily used for pastures and agricultural lands, with the former being located in hydrological group C. Despite this, rainfed and irrigated garden lands, mainly located in hydrological group B, have better permeability. Using ArcGIS software, land use maps and soil hydrological groups were combined to prepare a curve number map of the watershed. The results showed that the curve numbers of the sub-watersheds ranged from 68 to 79, with sub-watershed number 9 having the lowest curve number value (68) and sub-watersheds 22, 25, and 29 having the highest (79). The Global Moran's index values presented in Table 3 and Figure 10 showed that the spatial correlation of runoff height and volume had values of 0.1828 and -0.2694, respectively. The curve number decreased from west to east due to the presence of barberry gardens and irrigated agricultural lands. The spatial correlation map of runoff height values showed high-high (HL) clusters forming in the upstream parts of the basin, while low-low clusters (LL) were present in the downstream areas. These patterns were related to the amount of precipitation in the upstream part and the high slope of the upstream sub-watersheds. Meanwhile, the spatial correlation values of runoff volume indicated that the accumulation of runoff volume was higher in the sub-watersheds located downstream of the study area, with low formation of high-low (HL) clusters. This increase in flood volume occurred in the downstream sub-watersheds and adjacent to the outlet of the area. In general, the difference in the cluster pattern of runoff height and volume did not follow the same pattern, which depended on various factors affecting runoff production, such as the amount of precipitation in different parts and the difference in topography. It should be noted that the analysis was based on height and volume values in the 25-year return period, and the results can be expected to be similar for other return periods based on the curve number method.

Conclusion: The research findings suggest that the spatial changes in runoff height and volume components, which impact watershed response and flood producing procedures, are determined by various factors such as slope, land use, curve number, and soil hydrological group. Areas with high amounts of runoff are more susceptible to damages caused by floods and can be prioritized for management measures. Furthermore, the results indicate that the type of surface runoff control measures or flood volume control required will vary, providing valuable guidance for determining the appropriate damage reduction operations. Further studies analyzing the spatial correlation of height and runoff volume variables with other basin features and climatic factors could enhance the understanding of spatial changes. The formation of surface runoff is influenced by various factors related to rainfall and ground conditions, which could be considered in future research.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Prioritization
  • Spatial changes
  • Surface runoff
  • Autocorrelation
  • Spatial pattern
احمدی ثانی، ن.، سلیمانی، ک.، رزاق‌نیا، ل.، مصطفی‌زاده، ر.، زندی، ج.، 1397. ارزیابی کارایی ابزار Arc-CN Runoff در برآورد میزان رواناب و مقایسه‌ی تغییرات آن در سال‌های 1375 و 1390 در آبخیز هراز استان مازندران. هیدروژئومورفولوژی، دوره 5، شماره 16، صص 158-139.
جعفری، م.، وفاخواه، م.، توسلی، ا.، 1394. تخمین ضریب رواناب رگبار با استفاده از سیستم استنباط فازی- عصبی تطبیقی (ANFIS) در حوزه آبخیز بار اریه نیشابور. علوم آب و خاک، دوره 19، شماره 73، صص 177-165.
جلالی، م.، کمریان، و.، 1397. تحلیل الگوهای فضایی توفان‌های تندری در شمال غرب ایران. فضای جغرافیایی، دوره 18، شماره 61، صص 81-63.
حجازی، ا.، مزبانی، م.، 1394. برآورد مقادیر ارتفاع و دبی حداکثر رواناب با استفاده از روش شماره‌ی منحنی (CN) مطالعه‌ی موردی: حوضه‌ی آبریز سراب دره‌شهر، هیدروژئومورفولوژی، دوره 2، شماره 5، صص 81-63.
حسن‌زاده، ر.، اسفندیاری درآباد، ف.، اصغری سراسکانرود، ص.، 1400. ارزیابی نتایج تغییرات کاربری اراضی بر دبی رودخانه دره رود در بازه زمانی سی ساله با استفاده از مدل HEC-HMS. پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، دوره 10، شماره 3، صص 174-157.
حسین‌زاده، م.، نصرتی، ک.، ایمنی، س.، 1397. تعیین شماره منحنی و برآورد پتانسیل تولید رواناب حوضه آبخیز حصارک. تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، دوره 18، شماره 51، صص 150-133.
خسروی، ر.، همامی، م.ر.، ملکیان، م. 1393. مقایسه روش‌های زمین آمار به‌منظور تعیین بهترین روش درون‌یابی داده‌های زیست اقلیمی در مدل‌سازی پراکنش گونه‌های جانوری در مرکز ایران. بوم‌شناسی کاربردی، شماره 3، جلد 8، صص ۵۵-۶۸.
روستایی، ش.، افتخار، ح.، کرمی، ف.، نگهبان، س. 1401. سیر سیبرنتیک ضریب سیل‌خیزی حوضه‌های آبخیز شهری با استفاده از مدل توزیع نرمال (مطالعه موردی: حوضه آبخیز شیراز). پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، دوره 11، شماره 3، صص 38-23.
روشان، س.ح.، حبیب‌نژاد روشن، م.، شاهدی، ک.، کُرمانسکی، ی.، 1401. تهیۀ نقشه شماره منحنی و برآورد ارتفاع رواناب با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور در حوضۀ کارون شمالی، سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، دوره 11، شماره 3، صص 37-22.
زالی، م.، سلیمانی، ک.، حبیب‌نژاد روشن م.، میریعقوب‌زاده، م.، 1401. مقایسه و اولویت‌بندی سیل‌خیزی زیر حوضه‌های نکارود با استفاده از روش مورفومتریک در سامانه اطلاعات جغرافیایی، سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، دوره 13، شماره 2، صص 40-20.
شاهدی، م.، نبی بیدهندی، غ.، 1402. نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز صفارود). سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، دوره 14، شماره 4، صص 20-17.
صیاد، د.، قضاوی، ر.، امیدوار، ا.، 1400. ارائه استراتژی‌های مناسب مدیریتی زیرساخت‌های شهری در برابر سیلاب از منظر پدافند غیرعامل با استفاده از SWOT و QSPM مطالعۀ موردی: شهر کاشان. مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، دوره 2، شماره 1، صص 52-45.
عبدی، م.، نهتانی، م.، دهقانی، م.، خاکسفیدی، ع.، 1402. تعیین تغییرات سیل‌خیزی‌ ناشی از دوره‌های خشکسالی در حوزه آبخیز دهک استان خراسان‌جنوبی. مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، دوره س، شماره 1، صص 164-149.
غفاری گیلانده، ع.، سبحانی، ب.، استادی باباکندی، ا.، 1395. برآورد شماره‌ی منحنی و ارتفاع رواناب در محیط Arc-GIS  (مطالعه‌ی موردی: شهرستان مشکین‌شهر). هیدروژئومورفولوژی، دوره 3، شماره 9، صص 175-159.
فاطمی‌قیری، س.، یزدان‌پناه، ح.، 1391. ارزیابی روش‌های مختلف میان‌یابی به‌منظور برآورد داده‌های بارش استان اصفهان، فضای جغرافیایی، سال 12، شماره 40، صص 63-46.
قنواتی، ع.، پارسابرومند، م.، احمدآبادی، ع.، 1401. تحلیل همبستگی فضایی تغییرات پوشش گیاهی با ارتفاع رواناب در حوضه آبریز گرگانرود، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی،  https://doi.org/10.22034/GMPJ.2023.368016.1391
قنواتی، ع.، صفاری، ا.، کرم، ا.، نجفی، ا.، جهاندار، غ. 1395. بررسی ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های آبریز کلان شهر تهران با تأکید بر سیل‌خیزی. هیدروژئومورفولوژی، شماره 3، جلد 6، صص 54-33.
کرمی، م.، کدخدا، ا.، 1399. مدل‌سازی روابط فضایی بارش- ارتفاع در شمال شرق کشور با استفاده از مدل GWR. علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره 22، شماره 6، صص 15-1.
گزارش فیزیوگرافی. 1392. مطالعات حوزه آبخیز شارقنج.
گزارش هواشناسی. 1392. مطالعات حوزه آبخیز شارقنج.
متکان، ع.، شکیبا، ع.، یزدانی، آ. 1386. ارزیابی روش‌های مختلف درون‌یابی به‌منظور تخمین بارندگی روزانه مطالعه موردی: استان فارس. جغرافیایی سرزمین، جلد 4، شماره 1، پایپی 13، صص 70-56.
مددی، ع.، اصغری، ص.، بادامکی، م.، قلعه، ا. 1399. پهنه‌بندی خطر سیلاب در حوضه آبریز قوری‌چای کورائیم در استان اردبیل، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، دوره 9، شماره 2، صص 97-81.
مصطفی‌زاده، ر.، شیخ، و.ب. 1390. بررسی تراکم شبکه باران‌سنجی استان گلستان با استفاده از روش همبستگی مکانی. پژوهش‌های آبخیزداری، شماره 93، صص 87-79.
مصطفی‌زاده، ر.، مرادزاده، و.، علائی، ن.، حزباوی، زینب.، 1400. کاربرد شاخص هرست در تعیین حافظه طولانی‌مدت سری‌های زمانی بارش و دبی ایستگاه‌های منتخب استان اردبیل. حفاظت منابع آب و خاک، دوره 11، شماره 2، صص 131-113.
مصطفی‌زاده، ر.، میرزایی، ش.، ندیری، پ.، 1396. تعیین شماره منحنی از رویدادهای بارش و رواناب و تغییرات آن با مؤلفه‌های بارش در یک حوضه آبخیز جنگلی. علوم آب و خاک، دوره 21، شماره 4، صص 28-15.
Al-Ghobari H., Dewidar A., Alataway, A. Estimation of surface water runoff for a semi-arid area using RS and GIS-based SCS-CN method. Water, 2020; 12(7): 1-16.
Anselin L, Syabri I, Smirnov O. 2002. Visualizing multivariate spatial correlation with dynamically linked windows. New Tools for Spatial Data Analysis: Proceedings of the Specialist Meeting, Santa Barbara.
Banasik K., Krajewski A., Sikorska A., Hejduk L. Curve Number estimation for a small urban catchment from recorded rainfall-runoff events. Archives of Environmental Protection, 2014; 40(3): 75-86.‏
Dai X, Guo Z, Zhang L, Li D. 2010. Spatio-temporal exploratory analysis of urban surface temperature field in Shanghai, Environ Risk Assess, 24, 247–257. http://dx.doi.org/10.1007/s00477-009-0314-2
Gail M, Krickeberg K, Samet J, Tsiatis A, Wong W. 2007. Statistics for Biology and Health, USA Springer, 402.
Haining R. 2004. Spatial Data Analysis: Theory and Practice. UK: Cambridge University Press.
Im S., Park S., Jang T. Application of SCS curve number method for irrigated paddy field. KSCE Journal of Civil Engineering, 2007; 11(1): 51-56.‏
Inci Tekel Y., Akguül S., Dengiz O., Aküzüm T. Estimation of flood discharge for small watershed using scs curve number and geographic information system, River Basin Flood Management Journal, 2006; 2(1): 527-538.
Lee H.K., Lee K.H. Impact of representative SCS-CN on simulated rainfall runoff. Journal of Environmental Science International, 2020; 29(1): 25-32.‏
McCuen R.H. A Guide to Hydrologic Analysis Using SCS Methods; Prentice-Hall, Inc: Englewood Cliffs, NJ, USA, 1982; 145pp.
Mishra S.K., Chaudhary A., Shrestha R.K., Pandey A., Lal M. 2014. Experimental verification of the effect of slope and land use on SCS runoff curve number. Water Resources Management, 28(11): 3407-3416.‏
Mishra S.K., Tyagi J.V., Singh V.P., Singh R. 2006. SCS-CN-based modeling of sediment yield. Journal of Hydrology, 324(1-4): 301-322.‏
NRCS U. 2004. Estimation of direct runoff from storm rainfall. National Engineering Handbook Part, 630.‏
Satheeshkumar S., Venkateswaran S., Kannan R. Rainfall–runoff estimation using SCS–CN and GIS approach in the Pappiredipatti Watershed of the Vaniyar sub basin, South India. Modeling Earth Systems and Environment, 2017; 3(24): 1-8.
Singh A.K., Singh V. (2022) Estimation of surface runoff using USDA SCS-CN method. The Pharma Innovation Journal, SP-11(10): 1321-1324.
Vafakhah M., Karamizad F., Sadeghi S.H.R., Noor H. Spatial variations of runoff generation at watershed scale. International Journal of Environmental Science and Technology, 2018; 1-16.