بررسي روش‌هاي مختلف استخراج جريان پايه با استفاده از شاخص منحني تداوم جريان (مطالعه موردي: ناحيه خزري)

Investigation of different base flow separation methods using flow duration indices (Case study: Khazar region)

سابقه و هدف: استخراج جريان ‌پايه و شاخص مربوطه، همواره يكي از موضوعات مهم در هيدرولوژي بوده و اطلاع از ميزان آن نقش مهمي در مديريت بهينه منابع آب دارد. توسعه روش‌هاي آناليز جريان ‌پايه از هيدروگراف جريان، يك تاريخچه طولاني‌مدت دارد كه به پژوهش‌هاي تيوري و تجربي هورتون، برمي‌گردد. در اين خصوص، مرور منابع متعدد و مفيدي براي نشان دادن روند پيشرفت ارايه شده است. روش‌هاي مختلف آناليز جريان با استفاده از روش همبستگي، توسط ناتان و مك‌ماهون مورد بررسي قرار گرفت، آن ها روش ساده فيلتر رقومي يك‌پارامتره با ضريب پارامتر 925/0 را پيشنهاد دادند روش‌هاي مختلف گرافيكي، رقومي و روش‌هاي مبتني بر ردياب‌ها توسط گونزالس و همكاران در حوزه‌هاي واقع در زمين‌هاي پست كشور هلند، مورد پژوهش قرار گرفت. نتايج نشان داد كه روش‌هاي مبتني بر ردياب‌ها، مطابقت مناسبي با مشاهدات و برداشت‌هاي صحرايي دارد، آن‌ها نتيجه گرفتند كه روش اكهارد روش مناسبي براي حوزه‌هاي واقع در زمين‌هاي پست مي‌باشد. با بررسي‌هاي انجام شده، مشخص شد كه در رابطه با مقايسه روش‌هاي مختلف استخراج جريان ‌پايه در اقاليم مختلف در سطح كشور پژوهش كافي انجام نشده است. هدف از اين پژوهش، بررسي روش‌هاي مختلف استخراج جريان ‌پايه با استفاده از شاخص منحني تداوم جريان، به‌منظور انتخاب مناسب‌ترين روش است. مواد و روش‌ها: در اين پژوهش، جريان ‌پايه و شاخص آن با استفاده از جريان روزانه بيست ايستگاه هيدرومتري واقع در ناحيه خزري و الگوريتم هاي حداقل محلي، فواصل ثابت، فواصل متحرك، فيلتر رقومي برگشتي يك پارامتره، فيلتر رقومي برگشتي دو پارامتره، فيلتر رقومي برگشتي B-Flow و فيلتر رقومي برگشتي چاپمن استخراج شد. ضرايب فيلترهاي استفاده شده در محدوده مورد نياز هر روش و با توجه به بهترين پاسخ داده شده به تغييرات ضرايب و با استفاده از قابليت نمايش گرافيكي نرم‌افزار Hydro Office و مقايسه چشمي انتخاب شد. منحني تداوم جريان همه ايستگاه‌ها ترسيم و شاخص‌هايQ90,Q50 و نسبت هيدرولوژيكي Q90/Q50 استخراج شد. مقادير شاخص جريان پايه به‌دست آمده با استفاده از معيارهاي ميانگين مطلق خطا، انحراف معيار، خطاي برآورد استاندارد و ضريب تعيين و روابط همبستگي با نسبت هيدرولوژيكي Q90/Q50تحليل شد. با توجه به اين‌كه شاخص‌هاي مستخرج از منحني تداوم جريان با استفاده از داده‌هاي اندازه‌گيري و مشاهده‌اي محاسبه مي‌گردد و اين شاخص به‌عنوان شاخص مربوط به مشاركت منابع آب‌هاي زيرزميني در جريان رودخانه شناخته شده است، بنابراين به‌عنوان نماينده جريان واقعي براي بررسي و مقايسه مدل‌هاي استخراج آب پايه از هيدروگراف جريان رودخانه استفاده شد. يافته‌ها: نتايج نشان داد، ميانگين ساليانه شاخص مربوطه در كل دوره، بين حداقل 56/0 و حداكثر 91/0 نوسان مي‌كند كه به‌ترتيب متعلق به روش فيلتر رقومي برگشتي يك‌پارامتره و فيلتر رقومي برگشتي B-Flow مي‌باشد. اين مقدار نشان‌دهنده مشاركت بالاي آب‌هاي زيرسطحي در تامين جريان رودخانه در منطقه پژوهش است. ماتريس همبستگي بين ميانگين ساليانه طولاني‌مدت حاصل از تمام روش‌ها در منطقه مورد پژوهش با شاخص حاصل از منحني تداوم‌ جريان نشان داد كه بالاترين ضريب تعيين، بين روش‌هاي مختلف با شاخص منحني تداوم جريان به‌ميزان 82/0 بين روش‌هاي B-Flowو Q90/Q50 بود و كم‌ترين آن به روش چاپمن و فواصل ثابت تعلق گرفت. مقايسه انحراف معيار روش‌ها، نشان داد كه روش B-Flow كم‌ترين انحراف معيار را دارد. در ضمن اين روش، بالاترين همبستگي را با شاخص منحني تداوم جريان دارد، بنابراين با توجه به اين دو شاخص، روش فيلتر رقومي برگشتي B-Flowنسبت به روش‌هاي ديگر، گزينه مناسب‌تري تشخيص داده شد. با توجه به معيار ميانگين مطلق خطا و خطاي برآورد استاندارد، روش يك‌پارامتره بهترين برآورد را دارد. نتيجه‌گيري: در جمع‌بندي كلي نتايج تحليل آماري، روش فيلتر رقومي برگشتي يك‌پارامتره به‌دليل حداقل ميانگين مطلق خطا، كم‌ترين ميزان خطاي برآورد استاندارد و همبستگي مناسب با ضريب تعيين 71/0 با شاخص تداوم جريان، مناسب‌ترين روش براي استخراج جريان پايه و شاخص آن به دست آمد. اين روش در غياب روش‌هاي مبتني بر ردياب‌ها، به‌عنوان مناسب‌ترين روش در منطقه مورد پژوهش، تشخيص داده شد.

Background and Objectives: Extraction of the base flow index (BFI) has been one of the most important issues in hydrology and plays a key role in the optimal water resources management. Development of the base flow analysis from the hydrograph has a long-term history which date back to the theoretical and experimental research of Horton. In this regard, numerous and useful literature review is presented to show progress. Different methods of hydrograph separation were examined using correlation analysis by Nathan and McMahon. They suggested a simple one parameter digital filter with 0.925 coefficients. Different graphical, digital and tracing methods were studied in the catchments of the lowlands of the Netherlands by Gonzalez. Results showed that Eckhart algorithm is a good method in the lowlands. Literature review showed that In relation to the comparison of different base flow separation methods on the basis of different climates, enough research has not been done in the country. The aim of this study is investigation of different base flow separation methods using flow duration curve indices In order to select the most appropriate method. Materials and Methods: In this research, the base flow and BFI were extracted using daily flows of twenty gauging station located in the Khazar region. Seven algorithms were selected, four based on recursive digital filter (One-parameter algorithm, Boughton two parameter algorithm, B-Flow and Chapman algorithm) and the others on simple smoothing (Local minimum, Fixed interval, Sliding interval).Filter coefficients selected in the range required for each method according to the best response to changes in the coefficients and using the graphical display of Hydro Office software. Flow duration curve of all the stations traced and their indices were extracted. Results were evaluated using different statistical methods (Mean absolute error, Standard deviation and Standard error of estimate, Coefficient of determination and Correlation Matrix) with respect to flow duration indices. Since the parameters extracted from the flow duration curve is calculated using the measured and observational data and this index known as an indicator of the groundwater contribution to the steam flow. Therefore, as representative of the actual flow were used for comparison of hydrograph separation models. Results: The results showed that the average annual of BFI, fluctuate between 0.56 and 0.91, which related to one parameter recursive digital filter and B-Flow algorithms. This value represents a high ground water contribution in stream flow in the study area. Correlation matrix between different set of BFI values and flow duration curve indices showed high value of coefficient of determination between B-Flow method and Q90/Q50 and the lowest were identified between Chapman and Fixed intervals. Comparison of Standard division of different methods showed that B-Flow has the lowest standard deviation. In addition, this method has the highest correlation with the flow duration curve index. On the basis of these two criteria’s, B-Flow recursive digital filter compared to other, was diagnosed as a better option. According to the Mean absolute error and Standard error of estimate, one parameter method had the best estimate. Conclusions: The overall conclusion obtained using different statistical tests were found to yield suitable estimation of base flow index by one parameter algorithm because of low Mean absolute error, the lowest Standard error of estimate and 0.71 coefficient of determination with flow duration curve index. This method in the absence of tracing methods, were diagnosed as the most appropriate method in the study area.