بررسی اثر مقیاس مکانی بر مقادیر دبی ‌ویژه در حوضه کرخه

مقدمهاندازه گیری میزان رواناب و هدررفت خاک در واحد سطح به منظور ارزیابی وضعیت فرسایش در مناطق مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. رواناب ناشی از وضعیت حوزه‌های آبخیز بالادست است که در محدوده های مکانی و زمانی مختلف یک حوزه آبخیز پاسخ متفاوتی دارد. برخی پاسخ های هیدرولوژیکی ممکن است در مناطق بالادست یک حوضه قابل توجه باشند اما همین پاسخ‌ها در خروجی همان حوضه قابل شناسایی نیستند. این پاسخ‌های متفاوت بین مناطق مختلف، معمولاً اثر مقیاس نامیده می‌شود که شامل عدم تطابق بین پاسخ‌های رواناب در مقیاس‌های مختلف است. در این زمینه، نقش مقیاس مکانی، به عنوان عاملی که به طور مستقیم وقوع فرآیندهای مختلف تولید رواناب را تحت تاثیر قرار می دهد، مورد توجه است. بنابراین یکنواخت فرض نمودن تغییرات دبی در مقیاس های مختلف، سبب اعمال برنامه ریزی و مدیریت واحد برای کل حوزه آبخیز و عدم تحقق اهداف می شود. از سوی دیگر، برآورد دقیق وضعیت دبی حوزه های آبخیز نیز درک صحیحی از فرآیندهای هیدرولوژیکی را فراهم می سازد. همچنین درک صحیح اثر مقیاس مکانی بر رواناب، برای برآورد دقیق دبی در حوزه‌های آبخیز و پهنه‌بندی آن در سطوح مختلف مکانی ضروری است. این امر مبنای برنامه‌ریزی و مدیریت بهینه منابع آب و خاک، به‌ویژه در حوضه‌هایی که با چالش جدی فرسایش خاک مواجه هستند، خواهد بود. بنابراین، پژوهش حاضر با هدف بررسی تاثیر مقیاس مکانی بر دبی ویژه و پهنه بندی مقادیر دبی در سطح حوضه کرخه بر اساس اطلاعات تعداد 28 ایستگاه هیدرومتری انجام شد.مواد و روشدر این پژوهش داده‌های مورد استفاده شامل میانگین دبی سالانه آب (q) و مساحت حوضه و زیرحوضه ها (a) است. داده های مورد استفاده از سازمان مدیریت منابع آب دریافت شد. سپس به‌منظور انتخاب ایستگاه‌های مناسب ابتدا هرگونه اختلال در روند طبیعی فرایندهای حوضه بررسی شده و ایستگاه‌هایی که باعث تغییر در روند هستند شناسایی شد و حذف شدند. در نهایت 28 ایستگاه دارای طول دوره آماری مناسب و همچنین فاقد اختلال در حوضه بالادست، انتخاب شدند.همچنین به منظور محاسبه مساحت بالادست هر ایستگاه، ابتدا با استفاده از افزونه archydro و مدل رقومی ارتفاع، بر اساس موقعیت ایستگاه های هیدرومتری موجود، حوضه کرخه به تعداد 28 زیرحوضه تقسیم شد. علاوه بر این، با توجه به وضعیت توپوگرافی، ژئومورفولوژیکی و هیدرولوژیکی، حوضه کرخه به پنج ناحیه اصلی نیز منطقه‌بندی شد. در ادامه با توجه به مقادیر مساحت (a) و دبی ویژه (qs) در زیرحوضه های فرعی، روابط qs-a تحت مختصات log-log رسم شد تا با محاسبه یک معادله رگرسیون خطی یا غیر خطی بین q وa  تاثیر مقیاس بر میزان دبی در زیرحوضه های اصلی مشخص شود.در نهایت با استفاده از روش ارائه شده توسط چرچ و همکاران، مقادیر دبی ویژه تصحیح شده برای هر یک از زیرحوضه های اصلی محاسبه و از طریق درون یابی، نقشه‌ دبی ‌ویژه حوضه تولید شد.نتایج و بحثنتایج بررسی اثر مقیاس بر دبی ویژه، حاکی از آن بود که برای کل حوضه کرخه به عنوان یک حوضه واحد، رابطه رگرسیونی مناسبی بین qs و a وجود نداشته است (r2= 0.3). هرچند که برای زیرحوضه ها روابط رگرسیونی با ضرایب تبیین بین 0.7 تا 0.98 به‌دست آمد. با توجه به نتایج، ارتباط بین مساحت و دبی ویژه در بیشتر زیر حوضه ها نشان‌دهنده کاهش دبی ‌ویژه با افزایش مساحت است. اما درحوضه سیمره نتایج حاکی از آن بود که با افزایش مساحت دبی ویژه نیز افزایش می یابد. دلیل این افزایش می تواند ناشی از کاهش ارتفاع و بستر عریض رودخانه ‌باشد. با توجه به نتایج، در حوضه قره سو برخلاف دیگر حوضه ها دبی‌ویژه در ابتدا کم سپس افزایش و مجددا کاهش می یابد. این امر می تواند به دلیل واقع شدن این زیرحوضه در بالادست حوضه کرخه، شرایط توپوگرافیک و شیب بالای منطقه باشد. نتایج کلی حاکی از این است که در زیرحوضه های با مساحت های متفاوت یا به عبارت دیگر مقیاس های مختلف مکانی، میزان دبی ویژه نیز متفاوت است و به صورت کلی بیشترین میزان دبی ویژه مربوط به ایستگاه‌های نزدیک به خروجی حوضه است. که می‌توان علت را به شیب و شدت بارندگی زیاد در حوضه های بالادست و تفاوت آب و هوایی در پایین‌دست و بالادست، همچنین پوشش گیاهی ضعیف در پایین‌دست نسبت داد.نتیجه گیری درک جامع دبی رودخانه‌ها و اثر مقیاس مکانی بر آن، از اهمیت بسزایی در زمینه‌های مختلف برخوردار است. همچنین این امر، دیدگاهی عمیق نسبت به پیامدهای مرتبط با این پدیده را فراهم می‌کند. به‌طور خلاصه می توان بیان نمود که درک وضعیت دبی حوزه های آبخیز و تعیین اثرمقیاس مکانی بر تولید دبی از جنبه های مختلف از جمله مدیریت منابع آب، کاهش مخاطرات سیل، توسعه پایدار و حفاظت از محیط زیست دارای اهمیت است و درک صحیحی از پیامدهای ناشی از آن را فراهم می کند. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که  با افزایش مساحت میزان دبی ویژه کاهش می یابد. با توجه به نتایج می توان بیان نمود که مقیاس مکانی و مساحت حوزه آبخیز بالادست می تواند روی دبی تاثیرگذار باشد.  مطالعات متعددی نشان داده‌اند که مقیاس مکانی و وسعت حوزه آبخیز در بالادست، نقش تعیین‌کننده در میزان دبی رودخانه ایفا می‌کنند. با این وجود می‌توان به اثر عوامل متعددی مانند پوشش گیاهی، اقلیم، توپوگرافی، شیب زمین، نفوذپذیری خاک و شدت بارش و ... بر دبی ویژه در حوضه‌های مختلف اشاره نمود. بنابراین در بررسی وضعیت هیدرولوژیکی حوضه های با مساحت بالا ضروریست اثر مقیاس مکانی را به عنوان یک عامل کلیدی، مورد توجه ویژه قرار داد. لازم به ذکر است که شناخت این پدیده نیازمند مطالعات عمیق‌تر و جامع‌تر در سطوح مختلف مقیاس‌های مکانی است.

investigating the effect of spatial scale on specific discharge values in karkheh basin

introductionmeasuring the amount of runoff and soil loss per unit area is very important to evaluate the condition of erosion in different areas. the runoff is caused by the condition of the upstream watersheds, which has a different response in different time and space ranges of a watershed. some hydrological responses may be considerable in the upstream areas of a basin, but the same responses cannot be identified in the downstream. these different responses among different regions are referred to as the scale effect, including the mismatch among runoff responses at different scales. in this context, the role of spatial scale is considered as a factor that directly affects the occurrence of various processes of runoff production. therefore, assuming the uniformity of discharge changes on different scales leads to the application of a single plan and management strategy for the entire watershed area, which ultimately results in the failure to achieve the desired outcomes. on the other hand, an accurate estimation of the discharge status of watersheds provides a correct understanding of the underlying hydrological processes. comprehending the accurate influence of spatial scale on runoff is essential for precise streamflow estimation in watersheds and their zoning across various spatial extents. this forms the foundation for optimal water and soil resources planning and management, particularly in basins facing serious soil erosion challenges. therefore, the objective of the present study was to examine the effect of spatial scale on the specific discharge and zoning of discharge values within the karkheh basin, based on data of 28 hydrometric stations.materials and methods in this research, the data used includes the average annual water discharge (q) and the area of the basin and sub-basins (a). the data used was received from the iranian water resources management organization. subsequently, in order to identify the most suitable stations, any disturbances in the natural process of the basin processes were initially investigated. this process involved the identification and removal of stations that had the potential to alter the process. finally, a total of 28 stations with an appropriate statistical period length and no upstream basin disturbances were selected. also, in order to calculate the upstream area of each station, the karkheh basin was divided into 28 sub-basins based on the location of existing hydrometric stations. this was achieved using the arc hydro extension and the digital elevation model. in addition, according to the topographical, geomorphological and hydrological conditions, the karkheh basin was divided into five main areas.in the following, according to the values of area (a) and specific discharge (qs) in the sub-basins, qs-a relationships were drawn under log-log coordinates to calculate a linear or non-linear regression equation between q and a, the effect of the scale on the amount the discharge in the main sub-basins should be specified. finally, using the method provided by church et al., the corrected specific discharge values were calculated for each of the main sub-basins and through interpolation, the specific discharge map of the basin was produced.results and discussionthe results of investigating the effect of scale on specific discharge indicated that there was no proper regression relationship between qs and a for the entire karkheh basin as a single basin (r2=0.3). however, the regression relationships with a coefficient of determination ranging from 0.7 to 0.98 were obtained for the sub-basins.other results showed that in the majority of sub-basins, there is a negative relationship between area and specific discharge. that is, as area increases, specific discharge decreases. however, in the seimareh basin, the increase in area leads to an increase in specific discharge. the observed increase in discharge can be attributed to the reduction in the basin elevation and the broadness of the riverbed. in contrast to other sub-basins, the discharge in the qarasu sub-basin exhibits a low initial value, followed by an increase and subsequent decrease. this phenomenon can be attributed to the location of the qarasu sub-basin in the upstream region of the karkheh basin, the topographical conditions, and the high slope of the area. in general, the results indicated that the specific discharge varies across sub-basins with different areas and spatial scales. so that, the highest specific discharge was observed in the vicinity of the karkheh basin outlet. this can be attributed to a number of factors, including the high slope and rainfall intensity in the upstream areas, as well as the difference in climate conditions and vegetation cover between the downstream and upstream areas.conclusion a comprehensive understanding of river discharge and the impact of spatial scale on it is of paramount importance in various fields. it provides a profound insight into the consequences associated with this phenomenon. to sum up, it is critical to understand river discharge patterns and how spatial scale affects them in a variety of contexts, including water resource management, flood risk reduction, sustainable development, and environmental preservation. it gives us a thorough awareness of the resulting effects. the findings of this study indicate that as the area increases, the specific discharge tends to decrease. based on these results, it can be inferred that spatial scale and the upstream watershed area can exert an influence on discharge. a substantial body of research has demonstrated that spatial scale and the upstream watershed area play a pivotal role in determining river discharge. however, it is crucial to acknowledge the influence of a multitude of factors, including vegetation cover, climate, topography, slope, soil infiltration, and precipitation intensity, on specific discharge across diverse watersheds. therefore, when evaluating the hydrological conditions of large-scale watersheds, it is essential to pay particular attention to the impact of spatial scale as a crucial factor. it is noteworthy that recognition this phenomenon necessitates more in-depth and comprehensive investigations across various spatial scale levels.