تحلیل روند و ایستایی جریان رودخانه به منظور مدلسازی سریهای زمانی هیدرولوژیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز

چکیده

بسیاری از سریهای زمانی هیدرولوژیکی دارای روند بوده و ناایستا هستند. از طرفی یکی از مسائل مهم در مدلسازی
سریهای زمانی هیدرولوژیکی بررسی وجود روند و رسیدن به یک سری زمانی ایستاست. بنابراین ارائه روشهایی که
بتواند روند و ایستایی را بررسی کرده و قبل از مدلسازی در تشخیصوجود یا عدم وجود ایستایی به ما کمک کند،
بسیار مفید خواهد بود. از طرف دیگر بررسی روند میتواند در تفسیر رابطه بین فرآیندهای هیدرولوژیکی و تغییرات
محیطی در مناطق مورد مطالعه کمک مؤثری باشد. هدف از این مطالعه بررسی روند و ایستایی دادههای روزانه، ده
روزه، ماهانه و سالانه دبی جریان رودخانه شهرچای ارومیه واقع در استان آذربایجانغربی است که در طول 31 سال
آماری ثبت شده است. ابتدا روند، که یکی از عوامل مهم ناایستایی سری زمانی است با استفاده از آزمونهای من –
کندال و کندال فصلی بررسی گردید. در سریهای سالانه جریان روند مشخصی مشاهده نگردید ولی سریهای ماهانه
دارای روند نزولی در ماههای مشخصی بودند. ایستایی سریهای زمانی پس از حذف روند با استفاده از آزمونهای
بررسی گردید که در بیشتر حالتها سریهای سالانه و ماهانه ایستا بوده و در تمام حالتها سریهای ده KPSS و ADF
روزه و روزانه ایستا بودند. نتایج نشان داد که هر چه مقیاس زمانی کوتاهتر میشود، روند کاهشی در دادهها مشهودتر
بوده و میتوان انتظار داشت با حذف روند از این دادهها به سری ایستاتری دست یافت. با حذف روند از داده های
ماهانه، ده روزه و روزانه، سری به ایستایی بیشتری دست پیدا کرده اما سری سالانه جریان به دلیل عدم وجود روند از
ایستایی قابل قبولی برخوردار میباشد. ناایستایی میتواند به علل دیگری نظیر تناوب یا فصلی بودن باشد که در این
حالت تنها با حذف روند نمیتوان به سری زمانی ایستا دست پیدا کرد و لازم است از روشها و مدلهای مختلف ریاضی
جهت رسیدن به سری ایستا استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Trend and Stationarity Analysis of Streamflow for the Purpose of Hydrological Time Series Modeling

نویسندگان [English]

  • K Khalili
  • A Fakheri Fard
  • Y Dinpazhoh
  • MA Gorbani
چکیده [English]

Many hydrological time series exhibit trending behavior or nonstationarity. An important task of
hydrological time series is to determine if there exists any trend in the data, and how to achieve
stationarity. Therefore, presenting any method to analyze trend and stationarity will be useful. On
the other hand, detecting trend and stationarity in hydrological time series may help us to
understand the possible links between hydrological processes and global environmental changes.
Data of Shaharchai river in Urmia of West Azarbaijan province of Iran with records from 1973-
2008 (31 years) consisting of daily, 10-day, monthly and yearly stramflow rates were employed.
Trend analyses with Mann-Kendall and seasonal Kendall test show that there is no trend in annual
mean discharge but monthly flow series exhibit significant downward trend in specific months.
Stationarity of time series after deseasonalizing were investing at using ADF and KPSS tests. All
daily and 10-day steamflow series appear to be significantly stationary and most monthly and
annual series are stationary. The results imply that in smaller time scales such as daily and 10-day,
trend is more obvious and detrending can help series to be stationary. Nonstationarity may be
because of existing seasonality or periodic behavior in streamflow time series. For removing
seasonality in order to reach statationarity mathematical models can be used.

کارآموز م و عراقینژاد ش، 1384 . هیدرولوژی پیشرفته، چاپ اول، انتشارات دانشگاه صنعتی امیر کبیر (پلی تکنیک
تهران).
Bartlett MS, 1950. Periodogram analysis and continuous spectra. Biometrika, 37: 1-16.
Brisan M, Molnar P, Burlando P and Pfaundler M, 2004. Streamflow trends in Switzerland,.
Geophysical Research Abstracts 6: 05810.
Brisan M, Zaharia L, Branescu E and Chendes V, 2008. Trends in Romanian stream flow over the
second half of the 20th Century, Geophysical Research Abstracts 10: EGU 2008–A–10880: 1607
– 7962.
Burn DH and Hag Elnur MA, 2002. Detection of hydrologic trends and variability. Journal of
hydrology 255: 107-122.
De Wit MJM, 2001. Effect of climate change on the hydrology of the river meuse Report 104,
Wageningen University Environmental Sciences, The Netherland.
Dickey DA and Fuller WA, 1979. Distribution of the estimators for autoregressive time series with
a unit root, Journal of American Statistical Association, 74,427-431.
تحلیل روند و ایستایی فرآیند جریان رودخانه به منظور مدل سازی سری های زمانی هیدرولوژیکی 71
Gimeno R, Manchado B and Mingues R, 1999. Stationarity tests for financial time series. Physica
A, 269: 72-78.
Hamilton JD, 1994. Time series analysis. Princeton University Press, Princeton, U.S.A.
Hirsch RM, Slack JR and Smith RA, 1982. Techniques of trend analysis for monthly water quality
data. Water Resources Research, 18: 107-121.
Hirsch RM and Slack JR, 1984. A nonparametric trend test for seasonal data with serial
dependence. Water Resources Research, 20: 727-732.
Kahya E and Kalayci S, 2004. Trend analysis of streamflow in Turkey. Journal of hydrology
289: 128-144.
Karla A, Piechota TC, Davies R and Tootle GA, 2008. Changes in US streamflow and western U.S.
Snowpack. Journal of Hydrologic Engineering ASCE, 13:156-163.
Kendall MG, 1938. A new measure of rank correlation. Biometrika 36: 81-93.
Kwiatkowski D, Phillips PCB, Schmidt P and Shin Y, 1992. Testing the null of stationarity against
the alternative of a unit root: How sure are we the economic time series have a unit root?
Journal Economics 54: 159-178.
Lettenmaier DP, Wood AW, Palmer RN, Wood EF and Stakhiv EZ, 1999. Water resources
implications of global warming. A U.S. regional prespective. Climate Change 43: 537-579.
Lins HF and Slack JR, 1999. Streamflow trends in United States. Geophysical Research Letters 26:
227-230.
Mann HB, 1945. Nonparametric test against trend. Econometrica 13: 245-259.
MCCabe GJ and Wolock DM, 2002. A Step increase in streamflow in the conterminous United
States. Geopysical Reasearch Letters, 29: 2185.
Pfister L, Humbert J and Hoffmann L, 2000. Recent trends in rainfall – runoff characteristics in
Alzette river basin, Luxembourg. Climate Change 45: 323-337.
Robson AJ, Jones TK, Read DW and Bayliss AC, 1998. A Study of national trend and variations in
UK floods. International Journal of Climatology 18: 165-182.
Said SE and Dicky D, 1984. Testing for unit roots in autoregressive moving average models with
unknown order. Biometrika 71: 599-607.
Salas JD, Delleur JW, Yevjevich V and Lane WL, 1980. Applied modeling of hydrologic time
series. Water Resources Publications, Littleton, Colorado.
Shin Y and Schmidt P, 1992. The KPSS stationarity test as a unit root test. Economic Letters 38:
387-392.
Shwert GW, 1989. Test for unit roots: a Monte Carlo investigation. Journal of Business and
Economics Statistics 7: 147-159.
20 شماره 1/ سال 1389 / 72 خلیلی، فاخری فرد و ... مجله دانش آب و خاک/ جلد 1
Turkes M, 1996. Spatial and temporal analysis of annual rainfall variations in Turkey. International
Journal of Climatology 16: 1057-1076.
Turkes, M, Utku MS and Kolic G, 1995. Variations and trends in annual mean air temperature in
Turkey with respect to climatic variability. International Journal of Climatology 15: 557-569.
Van Belle G and Hughes JP, 1984. Nonparametric tests for trend in water quality. Water Resources
Research 20: 127-136.
Van Gelber P, Kuzmin V and Visser P, 2000. Analysis and statistical forcasting of trends of
hydrological processes in climate change. PP D13-D22. Proceedings of the International
Symposium on Flood Defence. Vol. 1 Kassel, Germany.
Von Storch H, 1995. Misuses of statictical analysis in climate research, pp. 11-26. In: Storch HV
and Navarra A (eds). Analysis of climate variability: Applications of statistical techniques,
Springer Verlag, New York,
Wang W, Van Gelder PHAJM and Vrijling JK, 2005. Trend and stationary analysis for streamflow
processes of rivers in western Europe in 20th century, IWA International conference on water
economics, statictics and finance. Rethymno, Greece.
YU YS, Zou S and Whittemore D, 1993. Non-parametric trend analysis of water quality data of
rivers in Kansas. Journal of Hydrology, 150: 61-80.
Zhang X, Harvey KD, Hogg WD and Yuzyk R, 2001. Trends in Canadian streamflow. Water
Resources Research 37: 987-998.