استخراج منحنی‌های شدت- مدت- فراوانی به‌کمک نظریه فرکتال و ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر آن (مطالعه موردی: بوشهر)

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج

2 گروه ریاضی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه یاسوج، یاسوج

چکیده

جهت جلوگیری از بروز مشکلات آینده در سامانه‌های زهکشی شهری، باید اثرات تغییر اقلیم بر هیدرولوژی و تشدید احتمالی چرخه هیدرولوژیکی در نظر گرفته شود. منحنی‌های شدت- مدت- فراوانی بارش، ابزاری استاندارد جهت تجزیه‌وتحلیل ریسک هیدرولوژیکی و طراحی هستند. هدف مطالعه حاضر، استخراج منحنی‌ها در شرایط تغییر اقلیم با استفاده از تئوری فرکتال (Fractal theory) در ایستگاه بوشهر است. با تبعیت کردن بیشینه شدت بارش از رفتار مونوفرکتالی (Mono-fractal)، منحنی‌ها برای گذشته (1982-2019) استخراج شدند. جهت به‌دست آوردن داده‌های بیشینه شدت بارش در آینده ابتدا عملکرد دو مدل ریزمقیاس نمایی آماری LARS-WG (Long Ashton Research Station - Weather Generator) و SDSM (Statistical DownScaling Model) در شبیه‌سازی بیشینه بارش روزانه با استفاده از شاخص‌های  (Coefficient of Determination)، RMSE (Root Mean Square Error)، MAE (Mean Absolute Error) و NSE (Nash-Sutcliffe) بررسی شد. نتایج نشان داد مدل LARS-WG از دقت بالاتری برخوردار است. سپس منحنی‌ها برای آینده (2021-2058) استخراج شدند. مقایسه منحنی‌های گذشته و آینده نشان داد که منحنی‌های مربوط به داده‌های آینده تحت سناریوی RCP4.5 (Reperesentative Concentration Pathway) در همه دوره بازگشت‌ها دارای افزایش بوده و تحت سناریوی RCP8.5، به­جز در دوره بازگشت دو سال، در باقی دوره بازگشت‌ها افزایش داشته است. درمجموع میانگین منحنی‌ها %20/26 تحت سناریوی RCP4.5 و %48/9 تحت سناریوی RCP8.5 افزایش داشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Extraction of Intensity-Duration-Frequency Curves Using Fractal Theory and Evaluation of Climate Change on it (Case Study: Bushehr)

نویسندگان [English]

  • Hoda Bolouki 1
  • Mehdi Fazeli 1
  • Mehdi Sharifzadeh 2
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Yasouj University, Yasouj, Iran
2 Department of Mathematics, Faculty of Science, Yasouj University, Yasouj, Iran
چکیده [English]

Climate change has caused changes in the frequency and magnitude of heavy rainfall, which affects the design standards of some hydrological structures (Yousef and Taha, 2015). Rainfall intensity-duration-frequency (IDF) curves are a standard tool for hydrological risk analysis and design (Mohymont, 2004; Veneziano, 2002). IDF curves show useful information about the occurrence of floods in an area and that in the future a certain amount of rainfall or a certain volume of flow will return again (Basumatary and Sil, 2018). Because the trend of severe rainfall events is expected to change in the future, this affects IDF curves, so these curves need to be updated (Srivastav et al. 2014). The need for such an understanding stems from the fact that existing drainage systems are designed to deal with past rainfall events and may not be sufficient to compensate for future rainfall characteristics (Shrestha et al. 2017). In developing countries such as Iran, the large country area as well as the shortage of rain gauge stations and/or the statistical period of the recorded data, makes it difficult to estimate IDF curves (Zamani Nouri, 2011).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Climate change
  • Global warming
  • Intensity-Duration-Frequency curves
  • IDF curves
  • Fractal theory
  • Mono-fractal

مراجع

اژدری­ مقدم م، هروی ز، "ارزیابی روش‌های استخراج منحنی IDF با رابطه مبتنی بر ماهیت فرکتالی بارش"، نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 1396، 24 (6)، 271-282.
بختیاری ب، پورموسوی ش، سیاری ن، "بررسی اثر تغییر اقلیم بر منحنی‌های شدت- مدت- فراوانی بارش در ایستگاه بابلسر طی دوره زمانی 2030-2011"، نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 1393، 8 (4)، 694-704.
بلوکی ه، "آشکارسازی تغییر اقلیم و استخراج منحنی‌های شدت- مدت- فراوانی با استفاده از تئوری فرکتال برای سه استان ساحلی جنوب ایران"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشگاه یاسوج، 1399.
بینش ن، نیک ­سخن م ح، سارنگ ا، "مطالعه رژیم بارش و دبی حداکثر رواناب شهری در شرایط اقلیمی آینده (مطالعه موردی: حوضه سیل برگردان غرب"، نشریه مهندسی عمران امیر کبیر، 1397، 50 (5)، 815-825.
جعفرزاده ا، خاشعی‌سیوکی ع، شهیدی ع، "ارزیابی دو روش ریزمقیاس نمایی آماری LARS-WG و SDSM در برآورد تغییرات مؤلفه‌های اقلیمی (مطالعه موردی: دشت بیرجند)"، نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 1395، 23 (4)، 309-322.
زمانی نوری ع ر، "استخراج منحنی‌های IDF از داده‌های روزانه بارش در ایستگاه هواشناسی ساوه"، مجله حفاظت منابع آب و خاک، 1390، 1 (2)، 61-69.
صفوی ح ر، دادجو ش، نعیمی گ، "استخراج منحنی‌های شدت- مدت- فراوانی (IDF) در شرایط تغییر اقلیم، مطالعه موردی: ایستگاه سینوپتیک اصفهان"، تحقیقات منابع آب ایران، 1398، 15 (2)، 217-227.
گودرزی م، صلاحی ب، حسینی س ا، "ارزیابی عملکرد مدل‌های ریزمقیاس گردانی LARS-WG و SDSM در شبیه‌سازی تغییرات اقلیمی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه"، نشریه علمی- پژوهشی، علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 1394، 9 (31)، 11-23.
لطیفی م، ذاکری نیری م، معظمی گودرزی ص، "بررسی آثار تغییر اقلیم بر پارامترهای اقلیمی ایستگاه‌های تکاب و سقز در حوضه‌ زرینه‌رود با استفاده از شبیه LARS-WG" مجله‌ مهندسی منابع آب، 1398، 12 (43)، 37-48.
مصطفی‌زاده ر، ذبیحی م، ادهمی م، "تحلیل زمانی و مکانی تغییرات بارش ماهانه در استان گلستان به ­کمک بعد فرکتالی"، نشریه علمی- پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، 1396، 9 (1)، 34-45.
نوری قیداری م ح، "استخراج منحنی‌های شدت- مدت- فراوانی از داده‌های روزانه بارش با استفاده از تئوری فرکتال"، نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 1391، 26 (3)، 718-726.
نوری قیداری م ح، "برآورد رگبار طرح با استفاده از تئوری مالتی‌فرکتال در ایستگاه سد گتوند"، نشریه دانش آب و خاک، 1391، 22 (1)، 145-154.
نوری قیداری م ح، "تعیین حداکثر شدت بارش طراحی با استفاده از روش تلفیقی تئوری فرکتال و توزیع احتمالاتی مقادیر حدی تعمیم یافته"، علوم و مهندسی آبیاری (مجله علمی کشاورزی)، 1391، 35 (2)، 90-83.
Agilan V, Umamahesh NV, “Is the covariate based non-stationary rainfall IDF curve capable of encompassing future rainfall changes?”, Journal of Hydrology, 2016, 541, 1441-1455.
Bara M, Gaál L, Kohnová S, Szolgay J, Hlavčová K, “On the use of the simple scaling of heavy rainfall in a regional estimation of IDF curves in Slovakia”, Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2010, 58 (1), 49-63.
Basumatary V, Sil BS, “Generation of rainfall intensity-duration-frequency curves for the Barak River Basin”, Meteorology Hydrology and Water Management, Research and Operational Applications, 2018, 6, 1-11.
Burlando P, Rosso R, “Scaling and muitiscaling models of depth-duration-frequency curves for storm precipitation”, Journal of Hydrology, 1996, 187 (1-2), 45-64.
Casas-Castillo MC, Rodríguez-Solà R, Navarro X, Russo B, Lastra A, González P, Redaño A, “On the consideration of scaling properties of extreme rainfall in Madrid (Spain) for developing a generalized intensity-duration-frequency equation and assessing probable maximum precipitation estimates”, Theoretical and applied climatology, 2018, 131 (1), 573-580.
Ceresetti D, “Space-time structure of heavy rainfall events: application to the Cévennes-Vivarais region”, Doctoral dissertation, Université Joseph-Fourier-Grenoble I, 2011.
Cheng KS, Hou JC, Liou JJ, Wu YC, Chiang JL, “Stochastic simulation of bivariate gamma distribution: a frequency-factor based approach. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment”, 25 (2), 107-122.
Choi J, Lee O, Kim S, “Analysis of the effect of climate change on IDF curves using scale-invariance technique: Focus on RCP 8.5”, Journal of Korea Water Resources Association, 2016, 49 (12), 995-1006.
Hassan Z, Shamsudin S, Harun S, “Application of SDSM and LARS-WG for simulating and downscaling of rainfall and temperature”, Theoretical and Applied Climatology, 2014, 116 (1), 243-257.
Huang Q, Chen Y, Xu S, Liu J, “A simple multifractal model for rainfall IDF analysis in China”, In 2012 9th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. IEEE. pp: 1461-1465, 2012.
Khelfi MEA, Touaibia B, Guastaldi E, “Regionalisation of the “intensity-duration-frequency”, curves in Northern Algeria”, Arabian Journal of Geosciences, 2017, 10 (20), 1-13.
Langousis A, Veneziano D, “Intensity‐duration‐frequency curves from scaling representations of rainfall”, Water Resources Research, 2007, 43 (2).
Llabrés Brustenga A, “Intensity-duration-frequency of rainfall in catalunya maximum expected precipitation and idf relationships at high temporal and spatial resolution”, Doctoral dissertation, Universitat de Barcelona, 2020.
Menabde M, Seed A, Pegram G, “A simple scaling model for extreme rainfall”, Water Resources Research, 1999, 35 (1), 335-339.
Mohymont B, Demarée GR, Faka DN, “Establishment of IDF-curves for precipitation in the tropical area of Central Africa-comparison of techniques and results”, Natural Hazards and Earth System Sciences, 2004, 4 (3), 375-387.
Nasidi NM, Wayayok A, Fikri Abdullah A, Saufi Mohd Kassim M, “Current and future intensity-duration-frequency curves based on weighted ensemble GCMs and temporal disaggregation”, Sains Malaysiana, 2020, 49 (10), 2359-2371.
Niemczynowicz J, “Areal intensity-duration-frequency curves for short term rainfall events in Lund”, Hydrology Research, 1982, 13 (4), 193-204.
Rodríguez R, Navarro X, Casas MC, Ribalaygua J, Russo B, Pouget L, Redaño A, “Influence of climate change on IDF curves for the metropolitan area of Barcelona (Spain)”, International Journal of Climatology, 2014, 34 (3), 643-654.
Rodríguez‐Solà R, Casas‐Castillo MC, Navarro X, Redaño Á, “A study of the scaling properties of rainfall in spain and its appropriateness to generate intensity‐duration‐frequency curves from daily records”, International Journal of Climatology, 2017, 37 (2), 770-780.
Shrestha A, Babel MS, Weesakul S, Vojinovic Z, "Developing Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves under climate change uncertainty: the case of Bangkok, Thailand”, Water, 2017, 9 (2), 145.
Singh VP, Eng D, “Handbook of applied hydrology”, McGraw-Hill, Inc, 2017.
Srivastav RK, Schardong A, Simonovic SP, “Equidistance quantile matching method for updating IDFCurves under climate change”, Water Resources Management, 2014, 28 (9), 2539-2562.
Tachikawa Y, Sayama T, Takara K, “Regional rainfall intensity-duration-frequency relationships for ungauged catchments based on scaling properties”, Disaster Prevention Research Institute Annuals B, 2007, 50 (B), 33-43.
Tien Thanh N, Dutto Aldo Remo L, “Projected changes of precipitation IDF curves for short duration under climate change in central Vietnam”, Hydrology, 2018, 5 (3).
Veneziano D, Furcolo P, “Multifractality of rainfall and scaling of intensity‐duration‐frequency curves”, Water resources research, 2002, 38 (12), 1-42.
Yousef LA, Taha BMJ, “Adaptation of water resources management to changing climate: the role of Intensity-Duration-Frequency curves”, International Journal of Environmental Science and Development, 2015, 6 (6), 478-483.
Yu PS, Yang TC, Lin CS, “Regional rainfall intensity formulas based on scaling property of rainfall”, Journal of Hydrology, 2004, 295 (1-4), 108-123.
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز
دوره 53.1، شماره 110 - شماره پیاپی 110
بهار 1402
خرداد 1402
صفحه 103-113

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار