SUPERVISOR
Kayvan Asghari
کیوان اصغری (استاد راهنما)
STUDENT
Ahmad Barezaei
احمد برضائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Drought Characteristics Assessment by Hydrological and Meteorological Indices using Satellite Data-Case Study: Chelgerd Watershed
Drought is a natural threat to human societies that is not restricted to specific areas and affects many people around the world. Drought is a gradual threat that roots from a shortage of rainfall that is expected, and when the water shortage lasts more than a season, meeting the human and environmental demands become a challenging issue. Given the importance of drought as well as its spatial and temporal range, drought characteristics (start, end, duration and intensity) can be evaluated. In this study, the Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks-Climate Data Record (PERSIANN-CDR) is used and compared with measured data to derive drought indices. Two single variable indicators, including standardized precipitation index, (SPI) standard runoff index (SRI) and a combined multivariate index (NMSDI), were developed in order to propose the most effective indices according to their performance. PERSIANN-CDR precipitation satellite data were used to develop the SPI index. The SRI Index was also developed from the runoff resulted from the rainfall-runoff model (input for the PERSIANN-CDR precipitation data model). To study and consider the various hydrological characteristics, rainfall and generated runoff variables were integrated to generate a combined multivariate drought index (NMSDI). In this research, the standardization procedure is recommended with the help of non-parametric functions to introduce a new compatible index. The semi-distributed model of SWAT in this study was used to simulate the outflow runoff from Cheljord sub-basin in Zayanderoud basin, Iran. The studied area has a high-altitude difference at low distances. This difference caused a variety of simultaneous precipitation quantity in different parts of the basin. In this situation, due to scatter and unevenly distributed rain gauge stations, satellite data was used for runoff production. The coefficient of NS = 0.78 obtained from comparison of simulated and measured runoff which represents the well-behaved performance of the model. The performance of the single-variable and multivariate indices was studied and evaluated. The results showed that the SPI index developed using PERSIANN-CDR data accurately detected meteorological droughts with an average probability of 75% at the threshold of -0.5. The NMSDI's multivariate index also showed a threshold of -0.5 drought with an average probability of 84%. The comparison of probabilities of SPI standardized rainfall indices, SRI standardized runoff and NMSDI combined index, indicated that for the diagnosis of the drought by using satellite data PERSIANN-CDR, the combination of the precipitation and runoff modeling had a significant impact on drought detection in comparison to the single-variable index for drought analysis alone. SPI and NMSDI in the early detection of drought compared to the SRI index which i an index of hydrological drought is assessed and the results showed that the SPI and NMSDI indices could determine the beginning of the drought with a probability of 27.27% and 42.85% ahead of the SRI index, respectively. Keywords : Rainfall-runoff simulation, SWAT Hydrological Model, Evaluation of drought characteristics, Early Drought Analysis, Multivariate Index NMSDI, SPI, SRI, PERSIANN-CDR
خشکسالی از جمله مخاطرات طبیعی تهدیدکننده جوامع بشری میباشد که به مناطق مشخصی محدود نشده و در سرتاسر جهان تعداد بسیار زیادی از مردم را تحت تأثیر قرار میدهد. خشکسالی یک خطر تدریجی است که از کمبود بارش نسبت به مقدار مورد انتظار یا نرمال نتیجه میشود و هنگامی که این کمبود به مدت یک فصل یا بیشتر به طول میانجامد، تأمین نیازهای انسانی و محیط زیستی با مشکل رو به رو میشود. با توجه به اهمیت خشکسالی و همچنین وسعت مکانی و زمانی آن، در این پژوهش مشخصات خشکسالی (آغاز، پایان، شدت و مدت) با استفاده از دادههای ماهوارهای PERSIANN-CDR در دوره آماری 1994 تا 2015 میلادی، از طریق دو شاخص تک متغیره شامل شاخص استاندارد شده بارش(SPI) وشاخص استاندارد شده رواناب (SRI) و یک شاخص چند متغیره ترکیبی NMSDI مورد ارزیابی قرار گرفته و براساس عملکردشان شاخص برتر از میان شاخصهای مورد مطالعه انتخاب شده است. برای توسعه شاخص SPI از دادههای بارش ماهوارهایPERSIANN-CDR استفاده شده و همچنین شاخص SRI، از رواناب حاصل شده از مدل بارش-رواناب(ورودی مدل دادههای بارش PERSIANN-CDR) توسعه داده شد. به منظور بررسی و ملحوظ داشتن مشخصات متنوع هیدرولوژیکی، متغیرهای بارش و رواناب با هم ادغام شده و شاخص چند متغیره خشکسالی هواشناسی-هیدرولوژیکی NMSDI تولید شده است. در این تحقیق روند استاندارد سازی به کمک توابع غیر پارامتریک پیشنهاد شده تا معایب گذشته رفع و شاخصسازگاری بدست آید. مدل نیمه توزیعی SWAT در این پژوهش جهت شبیهسازی رواناب خروجی از زیرحوضه چلگرد استفاده شده است. منطقه مورد مطالعه دارای اختلاف ارتفاع زیاد در فاصلههای مسافتی کم میباشد. این مسئله باعث وجود تنوع بارش همزمان در نقاط مختلف حوضه بوده است. در این شرایط به دلیل وجود پراکندگی کم ایستگاههای باران سنجی، از دادههای ماهوارهای برای تولید رواناب استفاده شد. ضریب 0.78=NS بدست آمده از شبیهسازی با استفاده از دادههای ماهوارهای نشان دهنده عملکرد خوب مدل میباشد. عملکرد شاخصهای تک متغیره و چند متغیره، ارزیابی و بررسی شد نتایج نشان دادند که شاخص SPI توسعه داده شده با استفاده از دادههای PERSIANN-CDR خشکسالی هواشناسی را با میانگین احتمال 75 درصد در حد آستانه 0.5- درست تشخیص داده است. این میانگین احتمال در شاخص SRI بدست آمده با استفاده از دادههای PERSIANN-CDR ، 78 درصد در حد آستانه 0.5- بوده است. شاخص چند متغیره NMSDI نیز در حد آستانه 0.5- خشکسالی را با میانگین احتمال 84 درصد درست تشخیص داده است. مقایسه احتمالات شاخصهای بارش استاندارد شده SPI، رواناب استاندارد شده SRI و شاخص ترکیبی NMSDI، نشان میدهد برای تشخیص درست خشکسالی با استفاده از دادههای ماهوارهای PERSIANN-CDR، ترکیب کردن بارش و رواناب مدلسازی شده در تشخیص درست خشکسالی تأثیر قابل ملاحظهای نسبت به بررسی خشکسالی به وسیله شاخصهای تک متغیره به تنهایی را دارد. عملکرد شاخص SPI و NMSDI در تشخیص زود هنگام خشکسالی نسبت به شاخص SRI که یک شاخص خشکسالی هیدرولوژیکی میباشد، ارزیابی و بررسی شد و نتایج نشان داد که شاخص SPI توانسته آغاز خشکسالی را با احتمال 27.27 درصد وشاخص NMSDI با احتمال 42.85 درصد زودتر از شاخص SRI تشخیص دهند. کلمات کلیدی: شبیهسازی بارش-رواناب، مدل هیدرولوژیکی SWAT، ارزیابی مشخصات خشکسالی، تحلیل زودهنگام خشکسالی، شاخص چند متغیره NMSDI، شاخص SPI، شاخص SRI، بارش PERSIANN-CDR