پیش بینی خشکسالی جریان رودخانه با استفاده از شاخص SPI و زنجیره مارکف در حوزه آبریز کرخه

خشکسالی یکی از پیچیده ترین بلایای طبیعی در جهان است و زمانی رخ می دهد که آب قابل دسترس یک سامانه برای تامین نیازهای حداقل یکی از بخش های زیستی، اقتصادی و اجتماعی طی یک دوره زمانی قابل ملاحظه کافی نباشد. گرچه به طور کلی تعریفی جهانی از خشکسالی وجود ندارد، می توان خشکسالی را به انواع مختلفی تقسیم بندی نمود: خشکسالی هواشناسی، کشاورزی، هیدرولوژیکی و اقتصادی-اجتماعی. خشکسالی هیدرولوژیکی که در این مقاله به آن پرداخته می شود، در فاز زمینی چرخه هیدرولوژیکی به صورت کاهشی مشخص در میزان آب قابل دسترس در همه اشکال آن مانند جریان رودخانه، سطح آب مخازن و دریاچه ها و سطح آب زیرزمینی تعریف می شود. از جمله اثرات خشکسالی هیدرولوژیکی می توان به کاهش یا زوال ذخایر آبی، بدتر شدن کیفیت آب، عدم کفایت آب مورد نیاز برای آبیاری و در نتیجه افت محصول، کاهش قدرت تولید، برهم خوردن تعادل زیستگاه های ساحلی و تاثیر بر فعالیت های اقتصادی – اجتماعی اشاره کرد. هدف از این مقاله ارزیابی خشکسالی هیدرولوژیکی در حوزه ی آبریز کرخه با استفاده از شاخص SDI و پیش بینی این نوع خشکسالی با استفاده زنجیره مارکف ناایستا می باشد.
در این مطالعه، به منظور تعیین وضعیت خشکسالی هیدرولوژیکی، از شاخص خشکسالی جریان رودخانه ( SDI) که براساس حجم تجمعی جریان رودخانه است، برای دوره های مرجع 3، 6، 9 و 12 ماهه در 4 ایستگاه هیدرومتری واقع در حوزه ی آبریز کرخه (آفرینه، پلچهر، قورباغستان و پلزال) طی سالهای 1387-1354 (دوره آماری 33 ساله) استفاده شد. چهار دوره مرجع منتخب در هر سال هیدرولوژیکی که دارای همپوشانی هستند، عبارتند از: مهر-آذر، مهر-اسفند، مهر-خرداد، مهر-شهریور (یک سال کامل هیدرولوژیکی). پس از تعیین وضعیت های خشکسالی برای هر سری زمانی و دوره مرجع، با فرض این که فرآیند اصلی دارای ساختار زنجیره مارکف ناایستا است، احتمال انتقال وضعیت برای همه ایستگاه ها و در همه دوره های مرجع محاسبه شد.
در حالی که همبستگی بین دو شاخص SDI و SPI ضعیف بود، نتایج همبستگی و ارتباط بین مقادیر SDI در دوره های مرجع مختلف نشان داد که با اطمینان بسیار بالایی می توان در پیش بینی وضعیت خشکسالی هیدرولوژیکی کل سال از شاخص SDI شش ماهه (مهر-اسفند) استفاده نمود. از دیگر نتایج این مطالعه می توان به استفاده از داده های بارش به جای داده های جریان رودخانه به منظور پیش بینی خشکسالی هیدرولوژیکی در ایستگاه هایی که همبستگی بالایی بین شاخص SDI و SDI وجود دارد، اشاره کرد.
از ویژگی های عمده روش مورد استفاده در این مقاله می توان به استفاده از شاخصی ساده به نام شاخص خشکسالی جریان رودخانه (SDI)، که شدت خشکسالی هیدرولوژیکی را با استفاده از متوسط دبی جریان رودخانه برای دوره های دارای همپوشانی 3، 6، 9 و 12 ماهه (دوره های مرجع) در هرسال هیدرولوژیکی توصیف می کند، در نظر گرفتن 5 طبقه (وضعیت) خشکسالی، تولید ماتریس احتمال انتقال وضعیت برای دو دوره مرجع منتخب با فرض تبعیت فرآیند اصلی از زنجیره مارکف، امکان پیش بینی شدت خشکسالی دوره مرجع تجمعی بلندمدت تر با استفاده از شدت خشکسالی دوره های مرجع قبلی و استفاده از داده های بارش به جای داده های جریان رودخانه به منظور پیش بینی خشکسالی هیدرولوژیکی در ایستگاه هایی که همبستگی بالایی بین شاخص SDI و SPI وجود دارد، اشاره کرد.