برآورد دبی حداکثر جریان و تحلیل تغییرات هیدرولوژیکی رودخانه مطالعه موردی: بخش کوهستانی رودخانه قرانقوچای

نوع مقاله : مقاله کامل

نویسندگان

گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

10.22059/jphgr.2024.367818.1007793

چکیده

اطّلاع از مقدار دبی حداکثر، لازمه مقابله با سیلاب می‌باشد و از مشکلات اساسی در برنامه‌ریزی‌های آبخیزداری، کمبود یا عدم وجود آمار لازم، بخصوص آمار هیدرولوژیکی است. لذا، عدم وجود و یا کمبود اطلاعات هیدرومتری در حوضه‌های آبخیز، کـاربرد روش‌هـای تجربـی مناسـب جهت برآورد دبی حداکثر را الزامی می‌نماید. لذا، هدف این پژوهش برآورد دبی حداکثر در بخش کوهستانی قرانقوچای و تحلیل تغییرات هیدرولوژیکی رودخانه می‌باشد. این پژوهش بر کارهای میدانی، استفاده از تصاویر ماهواره‌ای، نقشه‌های توپوگرافی و زمین‌شناسی متکی می‌باشد. در این تحقیق ابتـدا سـرعت آب بـا اسـتفاده از روش کاستا و جارت اندازه‌گیری شده و سپس بر اساس آن، میزان دبی سیلابی برآورد شده است. شرایط هیدرولوژیکی رودخانه نیز با توجه به داده‌های ایستگاه‌های بالادست و پایین‌دست محدوده و با استفاده از 18 شاخص، محاسبه شد. نتایج تحقیـق نشـان مـی‌دهـد، حـداکثر سیلاب برآورد شده از روش کاستا (60/89 m3/s) به مقادیر مشاهده‌ای نزدیک‌تر است که این موضوع بیانگر کارایی این روش می‌باشد. بر اساس یافته‌های پژوهش؛ الحاق شاخه‌های سراسکندچای، شورچای و خاتون‌آباد چای، شیب زیاد و سازندهای نفوذناپذیر، مقطع عرضی کم و کانالیزه شدن جریان، سد شدگی محلی ناشی از سقوط قطعات سنگی بزرگ و پرشدگی مقطع را می‌توان، علّت بالا بودن مقادیر سیلاب حداکثر در بخش کوهستانی قرانقوچای دانست. به‌علاوه؛ نتایج مطالعه نشان داد که احداث سد سهند، در رژیم جریانی پایین‌دست، تغییر اساسی ایجاد کرده است و این تغییرات بر ویژگی‌های هیدرولوژیکی تأثیر گذاشته است

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Estimating the Peak Discharge and Analyzing the Hydrological Changes of the River Case Study: The Mountainous Section of the Qaranqoo Chay River

نویسندگان [English]

  • sayyad asghari saraskanroud
  • Elnaz Piroozi
Department of Natural Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

ABSTRACT
Knowing the maximum flow rate is necessary to deal with floods, and one of the main problems in watershed planning is the lack or absence of necessary statistics, especially hydrological statistics. Therefore, the absence or lack of hydrometric information in watersheds requires appropriate experimental methods to estimate the maximum discharge. Thus, this research aims to estimate the maximum discharge in the mountainous part of Qaranqoo Chay and analyze the hydrological changes of the river. This research relies on fieldwork, using satellite images and topographic and geological maps. In this research, the water velocity was first measured using the Costa and Jarrett method, and then the flood discharge was estimated based on that. The hydrological conditions of the river were also calculated according to the data of the upstream and downstream stations of the range and using 18 indicators. The research results show that the maximum flood estimated by the Costa method (89.60 m3/s) is closer to the observed values, which indicates the efficiency of this method. Based on the research findings, the connection of Saraskandchay, Shorchay, and Khatonabadchay branches, high slope and impervious formations, low cross-section and channelization of the flow, local blockage due to the fall of large stone fragments and the filling of the section can be considered as the reason for the high maximum flood values in the mountainous part of Qaranqoo Chay. In addition, the results of the study showed that the construction of the Sahand dam caused a fundamental change in the downstream flow regime, and these changes affected the hydrological characteristics.
Extended abstract
Introduction
One of the most vital topics in hydrology studies is the topic of flood and flooding, after which the necessity of investigating the maximum discharge of the river regime is raised. The absence or lack of hydrometric information in watersheds requires appropriate experimental methods to estimate the maximum discharge. Considering that there is no hydrometric station along the mountainous part of the Qaranqoo Chay River and considering the importance of the subject, the purpose of this research is to use the morphometric characteristics of the channel and the size of the rubble of the river bed to estimate the amount of flood discharge in this area.
 
Methodology
This research is based on fieldwork, using satellite images, hydrometric data, and topographical and geological maps, and it is descriptive-analytical in terms of its purpose and method. ENVI, Ecognition, Arc GIS, and Excel software have been used for image processing and data analysis. First, to estimate the maximum output flood, the data related to the morphometry of the channel, including the cross-sectional area, wet environment, hydraulic radius, and channel slope, were calculated according to field surveys and existing information layers. In the next step, the water speed was calculated. In this research, two Costa methods (based on particle diameter) and Jarrett method (based on the characteristics and morphometric conditions of the flow channel) were used to estimate the water flow speed. Then, the instantaneous peak discharge rate was calculated according to the obtained speed values. It has been obtained considering the area of the cross-sections, and finally, by comparing the discharge values obtained from the application of the method used in the current research with the observed and recorded discharge values from the studied area, the accuracy of the results has been verified. To investigate the hydrological changes in the study area, the data from Chapini and Mianeh stations have been analyzed using 18 hydrological indicators.
 
Results and Discussion
Using the Costa method, the maximum flow rate was calculated at 89.60 (m3/s), and based on the results of the Jarrett method, the flow rate was estimated at 137.87 (m3/s). Considering the flow return periods in the studied stations, it can be stated that the flow rate calculated by the Costa method at the Chapini station and the Haft-Mianeh tunnel has a return period of 10 and 5 years. However, the amount of discharge estimated by Jarrett's method at Chapini station and Haft-Mianeh tunnel, respectively, Flowhas 25 and 10-year returns. The comparison of the results generally shows that the data calculated by the Casta method is closer to the observed data. The results show that the main course of the river in the study area passes through Eocene rhyolitic, basaltic, and trachyandesite rocks. Due to the proper strength of the rocks in this part of the river path, the valley-river is full of twists and turns, and the eroded slopes are often rocks that have turned into bedrock due to alteration caused by igneous intrusions. Therefore, the areas of the study route with geologically and lithologically resistant surface formations and their permeability coefficient are very low, vegetation cover is insignificant, and they have a high peak flow rate and a more significant potential for flooding. In addition, many ravines overlook the valleys in the study area, and the valleys are V-shaped and deep. The rivers excavate and deepen their bed to achieve balance, which indicates that the topography of the basin is young. Therefore, erosion and transport of alluvial and sedimentary materials is very high in this basin.
 
Conclusion
Based on the sample of stone pieces taken from the river bed and its effect on the flood speed, it was determined that the strength and speed of the flood depended on the size of these stone pieces. The larger average of the b-axis of the rubble in the river bed indicates the high power and speed of the water. Therefore, the results of this research show that the maximum flood estimated by the Costa method is closer to the observed value. According to the research findings, geological formation conditions or rock types are related to the production of runoff and floods in the studied area of Qaranqoo Chay. In addition, due to the joining of Saraskandchay, Shorchay, and Khatonabadchay branches, the slope is high, the cross-section is low, and the channelization of the flow, the local blockage due to the fall of large stone pieces and the filling of the section, the speed and power of the river are high in this area. Also, the investigation of hydrological indicators shows that with the construction of Sahand Dam, the annual flood discharge of the river and the peak point of the flow downstream have decreased.
 
Funding
This article is derived from a research project funded by the Research and Technology Vice-Chancellor of University of Mohaghegh Ardabili.
 
Authors’ Contribution
All of the authors approved the content of the manuscript and agreed on all aspects of the work.
 
Conflict of Interest
Authors declared no conflict of interest.
 
Acknowledgments
This article is derived from a research project funded by the Research and Technology Vice-Chancellor of University of Mohaghegh Ardabili. Therefore, we express our gratitude.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrological Parameters
  • Peak Discharge
  • Experimental Methods
  • Flood
  • Qaranqoo Chay
  1. اسماعیلی، رضا؛ لرستانی، قاسم و بازیار، غفور. (1396). اثرات احداث سد بر ویژگی‌های پیچان رودی قسمت‌های میانی گرگان‌رود. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 49 (4)، 657-666. doi:10.22059/JPHGR.2018.226482.1007002
  2. اصغری‌سراسکانرود، صیاد و پیروزی، الناز. (1400)، بررسی اثرات احداث سد سهند بر شرایط هیدرولوژیکی رودخانه و تحلیل تغییرات شکل هندسی مجرای قرانقوچای (از بازه پایین‌دست سد سهند تا روستای خراسانک). پژوهش‌های فرسایش محیطی، 11(3)، 122-99.  
  3. اصغری‌سراسکانرود، صیاد؛ زینالی، بتول و اصغری‌سراسکانرود، صالح. (1395)، بررسی نحوه توزیع قدرت رودخانه و تنش برشی و اثرات مخاطره‌آمیز آن در محدوده شهری سراسکانرودچای. تحقیقات علوم جغرافیایی، 31 (1)، 56-45.
  4. بشیرگنبد، محمد؛ مقدم‌نیا، علیرضا؛ خلیقی سیگارودی، شهرام؛ مهدوی، محمد؛ پاکه، امانوئل و لانگ، میشل. (1397). بررسی مقایسه‌ای روش‌های تحلیل فراوانی و هیدرو اقلیمی برای برآورد دبی حداکثر سیل (مطالعه موردی: حوزه آبخیز بختیاری). مرتع و آبخیزداری، 71 (3)، 612-595. doi: /10.22059/jrwm.2018.260184.1274
  5. خان‌بابایی، زهرا؛ مقیمی، ابراهیم؛ مقصودی، مهران؛ یمانی، مجتبی؛ و علوی پناه، کاظم. (1398). بررسی عوامل کنترل‌کننده پاسخ رودخانه‌های کوهستانی به واقعه سیلاب شدید (مطالعه موردی: حوضه آبخیز سد ایلام). پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 1 (51)، 1-15. doi:10.22059/JPHGR.2019.242256.1007119
  6. شعبانی‌نیا، حسن؛ متولی، صدرالدین؛ جانباز قبادی، غلامرضا و خالدی، شهریار. (1399). برآورد مقادیر ارتفاع رواناب و دبی حداکثر سیلاب با استفاده از تلفیق مدل‌های اتومات سلولی و SCS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز لاویج‌رود). مخاطرات محیط طبیعی، 9 (24)، 98-79. doi:10.22111/JNEH.2020.29704.1515
  7. روستایی، شهرام؛ افتخار، حسن؛ کرمی، فریبا و نگهبان، سعید. (1402). بررسی حداکثر دبی مقادیر رواناب حوضه هیدروژئومورفیک شیراز با استفاده از مدل توزیع گمبل. جغرافیا و مخاطرات محیطی، 12 (4)، 117-137.  doi:10.22067/GEOEH.2022.77273.1245
  8. رمضانی، محمدابراهیم؛ خداپناه، کیومرث و مجنونی توتاخانه، علی. (1400). بررسی و تحلیل عوامل انسانی و محیطی مؤثر بر آسیب‌پذیری روستاها در برابر سیل سال ۱۳۹۶ شهرستان عجب‌شیر. پژوهش‌های فرسایش محیطی، ۱۱ (۴)، ۵۲-۷۰.  
  9. خسروی، غلامرضا؛ سعدالدین، امیر؛ اونق، مجید؛ بهره‌مند، عبدالرضا و مصطفوی، حسین. (1398). طبقه‌بندی و تعیین تغییرات رژیم جریان آب رودخانه‌ای با استفاده از شاخص‌های هیدرولوژیکی IHA مطالعه موردی: (رودخانه خرمارود - استان گلستان). اکوهیدرولوژی، 6 (3)، 671-651. doi:10.22059/IJE.2019.269287.982
  10. ضیغمی، بهاره و بهرامی، شهرام. (1392). برآورد دبی حداکثر با استفاده از اندازه قلوه‌سنگ‌های بستر رودخانه در حوضه‌های زیرابه و قوردانلو. جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، 24 (4)، 60-47.  DOR:20.1001.1.20085362.1392.24.4.6.7
  11. فتح‌زاده، علی و جایدری، اعظم. (1392). اصلاح ضریب کریگر براساس دوره‌های بازگشت مختلف به‌منظور برآورد دبی حداکثر سیل (مطالعه موردی: حوضه آبریز ایران مرکزی). جغرافیا و مخاطرات محیطی، 2 (3)، 121-105.  doi:10.22067/GEO.V0I0.23976
  12. قنواتی، عزت‌اله؛ صفاری، امیر؛ احمدآبادی، علی‌احمد و وارسته، شهرام. (1401). تحلیل و مدیریت خطر سیلاب‌های شهری با رویکرد ژئومورفولوژی (کلان‌شهر کرج)، پژوهش‌های فرسایش محیطی. ۱۲ (۴)، ۲۶-۵3.  
  13. میرزاده، گرسیوز. (1394). بررسی ریخت‌شناسی (مورفولوژیکی) رودخانه در پایین‌دست سد کرخه با استفاده از روش‌های تجربی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد آب، گروه عمران، استاد راهنما: آرش ادیب، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز.
  14. Alexander, J., & Cooker, M.J. (2016). Moving boulders in flash floods and estimating flow conditions using boulders in ancient deposits. Sedimentology, 63 (6), 1582-1595. doi:10.1111/sed.12274
  15. Asghari Saraskanrood, S., & Piroozi, E. (2021). Investigation of the effects of construction of Sahand dam on the hydrological conditions of the river and analysis of changes in the geometric shape of Qaranqoochay canal (from the lower reaches of Sahand dam to Khorasanak village), Environmental Erosion Research Journal,11 (3), 99-122. [In Persian].  
  16. Asghari Saraskanroud, S., Zeinali, B., & Asghari Saraskanroud, S. (2016). Evaluation of River Power Distribution, Shear Stress and Their Hazard Effects on the Urban Range of Saraskand Chay River. Geographical research, 31 (1), 46-58. [In Persian].
  17. Bashirgonbad, M., Moghaddam-Nia, A., Khalighi Sigaroodi, S., Mahdavi, M., Paquet, E., & Lang, M. (2018). Comparative Study of Frequency Analysis and Hydro-climatic Methods for Estimating Maximum Flood Discharge (Case Study: Bakhtiary Watershed). Journal of Range and Watershed Managment71(3), 595-612. doi: /10.22059/jrwm.2018.260184.1274 [In Persian].
  18. Costa, E.J. (1983). Paleohydrolik reconstruction of flash flood peaks from boulder deposits in the Colorado front range. Geological society of America bulletin, 94, 986- 1004. doi:10.1130/0016-7606
  19. De Waele, J., Martina, M.L.V., Sanna, L., Cabras. S., & Cossu, Q.A. (2010). Flash flood hydrology in karstic terrain: Fluumineddu canyon, central- east Sardinia. Geomorphology, 120, 162-173. doi:10.1016/j.geomorph.2010.03.021
  20. Esmaili, R., Lorestani, G., & Baziar, G. (2017). Effects of dam Reservoir on characteristics of meandering river in Gorgan River. Physical Geography Research49(4), 657-666. doi:10.22059/JPHGR.2018.226482.1007002 [In Persian].
  21. Fathzadeh, A., & Jaydari, A. (2013). Creager’s coefficient modification base on the common return periods in order to peak flood estimation (Case study: Central part of Iran). Journal of Geography and Environmental Hazards2(3), 105-121. doi:10.22067/GEO.V0I0.23976 [In Persian].
  22. Fisher, T.G. (2004). River Warren boulders, Minnesota, USA: catastrophic paleoflow indicators in the southern spillway of glacial Lake Agassiz. BOREAS, 33, 349–358. doi:10.1111/j.1502-3885.2004.tb01245.x
  23. Fookes, P.G., Mark Lee, E., & Griffiths, J.S. (2007). Engineering Geomorphology. whittles Publishing, England, 312 P.
  24. Ghanavati, E., Saffari, A., & Ahmadabadi, A. (2022). Varasteh S. Risk Analysis and Management of Urban Floods with Geomorphological Approach (Karaj Metropolis). Environmental erosion research, 12 (4), 26-53.  [In Persian].
  25. Huber, M.L., Lupker, M., Gallen, S.F., Christ, M., & Gajurel, A.P. (2020). Timing of exotic, far-traveled boulder emplacement and paleo-outburst flooding in the central Himalayas. Earth Surface Dynamics, 8, 769–787. doi:10.5194/esurf-8-769-2020
  26. Khanbabaee, Z., Moghimi, E., Maghsoudi, M., Yamani, M., & Alavipanah, S. K. (2019). Investigation on the Factors Controlling the Response of Mountain Rivers to Extreme Flood Event (Case Study: Upstream Ilam Dam). Physical Geography Research51(1), 1-15. doi:10.22059/JPHGR.2019.242256.1007119 [In Persian].
  27. Kehew, A.E., Milewski, A., & Soliman, F. (2010). Reconstructing an extreme flood from boulder transport and rainfall–runoff modelling: Wadi Isla, South Sinai, Egypt. Global and Planetary Change, 70 (1-4), 64-75. doi:10.1016/j.gloplacha.2009.11.008
  28. Jarrett, R.D. (1990). Hydrologic and hydraulic research in mountain riwers'. Water resoures bulletin, 26 (3), 419–429. doi:10.1111/j.1752-1688.1990.tb01381.x
  29. Khaddor, I., Achab, M., Ben jbara, A., & Hafidi Alaoui, A. (2019). Estimation of Peak Discharge in a Poorly Gauged Catchment Based on a Specified Hyetograph Model and Geomorphological Parameters: Case Study for the 23–24 October 2008 Flood, KALAYA Basin, Tangier, Morocco. Hydrology, 6(1),1-10. doi:10.3390/hydrology6010010
  30. Liu, S., Wu, Y., Zhang, G., Lin, N., & Liu, Z. (2023). Comparing Water Indices for Landsat Data for Automated Surface Water Body Extraction under Complex Ground Background: A Case Study in Jilin Province. Remote Sensing, 15(6), 1-31. doi:10.3390/rs15061678
  31. Mirzadeh, G. (2014). Morphological investigation of the river downstream of Karkheh dam using experimental methods, Master's thesis on water, Department of Civil Engineering, supervisor: Arash Adib, Faculty of Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz. [In Persian].
  32. Piroozi, E., Madadi, A., Asghari Saraskanrood, S., & Sihag, P. (2022). Morphological Analysis and Evaluation of Givi-chay River Conduit Form (Northwest of Iran). Water Supply, 22 (10), 7851–7872. doi:10.2166/ws.2022.279
  33. Ramazani, M E., Khodapanah, K., & Majnouni-Toutakhaneh, A. (2021). Investigation and Analysis of Human and Environmental Factors Affecting the Vulnerability of Rural Settlements to Floods in 2017 in Ajabshir County. Environmental erosion research, 11 (4), 52-70. [In Persian].
  34. Roostaei, S., eftekhar, H., Karami, F., & Neghahban, S. (2023). Investigation of maximum discharge of runoff values in Shiraz hydro geomorphic basin using Gamble distribution model. Journal of Geography and Environmental Hazards, 12(4),117-137. doi:10.22067/GEOEH.2022.77273.1245 [In Persian].
  35. khosravi, G., Sadodin, A., Ownegh, M., Bahremand, A., & Mostafavi, H. (2019). Classification and identification of changes in river flow regime using the Indicators of Hydrologic Alteration (IHA) Case study: (The Khormarud River- Tilabad Watershed- Golestan Province). Iranian journal of Ecohydrology6(3), 651-671. doi:10.22059/IJE.2019.269287.982 [In Persian].
  36. Shabaniniah, H., Motevalli, S., Janbaz Ghobadi, G., & Khaledi, S. (2020). Estimating of runoff height and flood maximum discharge using Cellular Automata and SCS models, (Case Study: Lavijrood watershed). Journal of Natural Environmental Hazards9(24), 79-98. doi:10.22111/JNEH.2020.29704.1515 [In Persian].
  37. Xu, H. (2006). Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery. International Journal of Remote Sensing, 27(14), 3025-3033. doi:10.1080/01431160600589179
  38. Zaighami, B., & Bahrami, S., (2014). Estimating the peak discharge by means of boulder size of river beds of Zirabe and Qoordanloo catchments. Geography and Environmental Planning24(4), 47-60. DOR:20.1001.1.20085362.1392.24.4.6.7 [In Persian].