شبیه سازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز طالقان با استفاده از مدل SWAT

نوع مقاله: مستخرج از پایان نامه

نویسندگان

1 دکترای مدیریت محیط زیست، دانشکده محیط زیست و انرژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه برنامه‌ریزی، مدیریت و آموزش محیط زیست، دانشکده محیط زیست، پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران، *(مسوول مکاتبات)

3 استادیار، گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده محیط زیست و انرژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

10.22034/jest.2020.26325.3576

چکیده

زمینه و هدف: مدل­سازی هیدرولوژیکی حوضه­ های آبخیز نقش­ مهی در مطالعه، توسعه و مدیریـت منابع آب دارد. با توجه به اهمـیـت حوضه آبخیز طالقان به­عنوان تامین­کننده بخش مهمی از منابع آب استان­های البرز و تهران، در این پژوهش، شبیه­سازی هیدرولوژیک آب­های سطحی در این حوضه مورد مطالعه قرار گرفته است.
روش بررسی: شبیه­سازی هیدرولوژیکی با به­کارگیری مدل نیمه­توزیعی فیزیکی SWAT (Soil and Water Assessment Tool) انجام گرفت. هم­چنین واسنجی و آنالیز حساسیت مدل با استفاده از الگوریتم SUFI-2 صورت پذیرفت. کارایی مدل با استفاده از شاخص­های آماری نش- ساتکلیف (NS) و ضریب تعیین (R2) مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته­ها: آنالیز حساسیت نشان داد که مدل نسبت به پارامترهای شماره منحنی (CN)، ضریب تبخیرخاک و ظرفیت آب قابل دسترس خاک دارای بیش­ترین حساسیت می­باشد. ضرایب NS و R2 در ایستگاه گلینک (خروجی حوضه) پس از کالیبراسیون به­ترتیب برابر 84/0 و 87/0 و در صحت سنجی برابر 79/0 و 84/0 برآورد گردید.
بحث و نتیجه­گیری: نتـایج نشان­دهنده دقت مناسـب شـبیه­سازی حوضـه آبخیز مورد مطالعـه دارد. هم­چنین نشـان داده شد که مدل قابلیت بالایی برای پیش­بینی میزان رواناب ماهانه حوضه طالقان دارد. به­کارگیری این مدل به­دلیل کاهش هزینة عملیات میدانی بـه­منظور اندازه­گیری مولفه­های مورد نیاز و به­ویژه به­دلیل کاهش زمان مورد نیاز برای تحلیل مسایل، جهت ارتقای سطح مدیریت منابع آب و حفظ محیط زیست کارآمد می­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره نه، آذر ماه 98

                                        

 

شبیه­سازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز طالقان با استفاده از مدل  SWAT

 

مهسا آقاخانی[1]

تورج نصرآبادی[2] *

tnasrabadi@ut.ac.ir

علیرضا وفائی نژاد[3]

 

تاریخ دریافت:15/2/96

تاریخ پذیرش:25/5/96

 

چکیده

زمینه و هدف: مدل­سازی هیدرولوژیکی حوضه­ های آبخیز نقش­ مهی در مطالعه، توسعه و مدیریـت منابع آب دارد. با توجه به اهمـیـت حوضه آبخیز طالقان به­عنوان تامین­کننده بخش مهمی از منابع آب استان­های البرز و تهران، در این پژوهش، شبیه­سازی هیدرولوژیک آب­های سطحی در این حوضه مورد مطالعه قرار گرفته است.

روش بررسی: شبیه­سازی هیدرولوژیکی با به­کارگیری مدل نیمه­توزیعی فیزیکی SWAT (Soil and Water Assessment Tool) انجام گرفت. هم­چنین واسنجی و آنالیز حساسیت مدل با استفاده از الگوریتم SUFI-2 صورت پذیرفت. کارایی مدل با استفاده از شاخص­های آماری نش- ساتکلیف (NS) و ضریب تعیین (R2) مورد ارزیابی قرار گرفت.

یافته­ها: آنالیز حساسیت نشان داد که مدل نسبت به پارامترهای شماره منحنی (CN)، ضریب تبخیرخاک و ظرفیت آب قابل دسترس خاک دارای بیش­ترین حساسیت می­باشد. ضرایب NS و R2 در ایستگاه گلینک (خروجی حوضه) پس از کالیبراسیون به­ترتیب برابر 84/0 و 87/0 و در صحت سنجی برابر 79/0 و 84/0 برآورد گردید.

بحث و نتیجه­گیری: نتـایج نشان­دهنده دقت مناسـب شـبیه­سازی حوضـه آبخیز مورد مطالعـه دارد. هم­چنین نشـان داده شد که مدل قابلیت بالایی برای پیش­بینی میزان رواناب ماهانه حوضه طالقان دارد. به­کارگیری این مدل به­دلیل کاهش هزینة عملیات میدانی بـه­منظور اندازه­گیری مولفه­های مورد نیاز و به­ویژه به­دلیل کاهش زمان مورد نیاز برای تحلیل مسایل، جهت ارتقای سطح مدیریت منابع آب و حفظ محیط زیست کارآمد می­باشد.

 

واژه های کلیدی: مدل­سازی هیدرولوژیک، حوضه آبخیز، مدل SWAT، الگوریتم SUFI-2

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.9,November, 2019

 

 

 

 

 


Hydrological Simulation of Taleqan Watershed Using SWAT

 

 Mahsa Aghakhani[4]

Touraj Nasrabadi[5]*

tnasrabadi@ut.ac.ir

Alireza Vafaei Nejad[6]

 

Admission Date:August16, 2017

 

Date Received: May 5, 2017

 

Abstract

Background and Objective: Hydrological modeling of watersheds plays a significant role in study, development and management of water resources. Based on importance of Taleqan Watershed as a main supplier of Alborz and Tehran Provinces water resources, in this study, surface water hydrological simulations in this basin are investigated.

Method: Hydrological simulations were performed by applying physical semi-distributed SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model. Moreover, model calibration and sensitivity analysis were done using SUFI-2 algorithm. Model performance is evaluated by means of statistical indicators such as Nash-Sutcliffe (NS) and coefficient of determination (R2).

Findings: Sensitivity analysis showed that the parameters of the curve number (CN), soil evaporation compensation, and soil available water capacity are the most important factors to control the flow in the basin. At Gelinak station (watershed outlet), NS and R2 coefficients values after calibration are 0.84 and 0.87, respectively. These values in validation interval were obtained as 0.79 and 0.84.

Discussion and Conclusion: The results show good performance of the watershed simulations. Moreover, it was shown that the model has good capability for monthly surface runoff prediction of the Taleqan basin. Due to reducing field operations costs of required components measurements and especially due to reducing the time required to analyze issues, applying this model is efficient for improving water resource management and environmental protection.

 

Key words: Hydrological Modeling, SUFI-2 Algorithm, SWAT Model, Watershed.

 

 

مقدمه


رواناب ایجاد شده در یک حوضه از مهم­ترین موضوعات در مطالعات هیدرولوژیکی حوضه آبخیز می­باشد، چرا که اکثر فرآیندهای هیدرولوژیکی به­طور مستقیم و یا غیرمستقیم با آن در ارتباط هستند و به­نوعی متاثر از آن می باشند. شناخت فرآیندهای هیدرولوژیکی و شبیه­سازی آن­ها در مقیاس حوضه آبخیز و پیش­بینی تغییرات این فرآیندها در آینده همواره از چالش­های پیش­روی هیدرولوژیست­ها می­باشد.

از این­رو در سال­های اخیر مدل­های هیدرولوژیکی به­عنوان ابزاری برای شناخت فعالیت­های طبیعی و انسانی موثر بر سیستم هیدرولوژی حوضه و مدیریت و برنامه­ریزی آن­ها، به­طور گسترده توسط مدیران و هیدرولوژیست­ها به­کار گرفته می­شوند. مدل­هایی از قبیل HSPF،EPIC ،AGNPS ،  CREAMS و  SWRRB در زمینه آنالیز کیفیت آب و هیدرولوژی در مقیاس حوضه آبخیز توسعه یافته­اند. اگرچه این مدل­ها در بسیاری موارد مفید و کاربردی هستند ولی جهت مدل سازی حوضه آبخیز محدودیت­هایی نیز دارند. از آن­جا که حوضه های آبخیز بـزرگ از طیف وسیعی از پارامترهای اکولوژیکی، توپوگرافی، تنوع بالای خاک، پوشش زمین و تغییرات اقلیم در بازه­های زمانی و مکانی مختلف برخوردار هستند، که بر فرآیندهای بارش-رواناب تاثیرگذار می­باشد، استفاده از مدل­های هیدرولوژیکی توزیعی نسبت به مدل­های فشرده توصیه شده است (1).

در این مطالعه جهت مدل­سازی حوضه آبخیز، از ابزار ارزیابی آب و خاک (SWAT) استفاده می­گردد. عملکرد خوب این مدل برای ارزش­یابی اثرات عملیات مدیریت زمین بر آب، رسوب و محصولات کشاورزی در حوضه­های آبخیز پیچیده و بزرگ با خاک­های متغیر، کاربری اراضی، شرایط مدیریتی متغیر در طول دوره­های زمانی و شرایط توپوگرافی متفاوت اثبات شده است (2).

در کنار کاربردهای موفقیت ­آمیز مدل­ مذکور، به­ دلیل دارا بودن برخی نواقص، انجام برخی پردازش­های عددی مانند کالیبراسیون پارامتر و آنالیز حساسیت نیز ضروری می­باشد. با آنالیز حساسیت پارامترهای مدل، شناسایی پارامترهای حساس با توجه به اثرات­شان بر خروجی­های مدل امکان­پذیر می­باشد. شناسایی پارامترهای حساس، به کاهش عدم قطعیت و به شبیه­سازی بهتر منتهی می گردد (3).

Alansi  (2009) با استفاده از مدلSWAT اقدام به ­شبیه­سازی رواناب و بررسی تاثیر تغییرات کاربری اراضی بالادست حوضه برنام در کشور مالزی نمود (4). Fadil (2011) تحقیقی با هدف مدوله کردن هیدرولوژی در یک حوضه واقع در قسمت مرکزی- شمالی مراکش، Bouregreg، با استفاده ازSWAT به ­منظور آگاهی از فرایندهای هیدرولوژیکی حوضه آبخیز انجام داد (5). Ghoraba  )2015 (تحقیقی با هدف مدل سازی حوضه آبخیز سد Simly  پاکستان با استفاده از SWAT انجام داد. در این مطالعه با استفاده از نرم­افزار SWAT نسبت به تخمین حجم ماهانه جریان آب ورودی به سد و تعیین بیلان آبی اقدام نمودند (6).Akhavan  (2010) به­منظور بررسی تغییرات مکانی و زمانی در نیترات آب شویی شده در حوضه آبخیز همدان از مدل SWAT  براساس داده­های رواناب و عملکرد محصول استفاده کرد (7).

Park (2017) مطالعه­ای با هدف ارزیابی اثرات مدیریت چرای جایگزین بر کیفیت آب در مقیاس حوضه آبخیز و همچنین مقیاس مزرعه در حوضه  Clear Creekدر قسمت های شمالی و مرکزی تگزاس با استفاده از نرم­افزار SWAT انجام دادند و از طریق تدوین سناریوهای مختلف تاثیر روش های مختلف چرا را بر میزان فسفر و نیتروژن کل بررسی نمودند (8). همچنین Kundu (2017) مطالعه­ای با هدف ارزیابی اثرات تغییر کاربری اراضی بر بیلان آب بخشی از رودخانه Narmada هند انجام داد. شبیه سازی با SWAT نشان داد که تغییرات کاربری بر کاهش تبخیر و تعرق و افزایش رواناب در زیر حوضه های مختلف تاثیر گذار بوده است (9).

در این مطالعه، از نرم­افزار SWAT برای مدل­سازی حوضه آبخیز طـالقان واقع در شمال غرب کلان­شهر کرج که یکی از مهم ­ترین منابع تامین آب استان تهران می­باشد استفاده گردید. اهداف این مطالعه شبیه­سازی رواناب سطحی و شناسایی پارامترهای حساس هیدرولوژیکی مرتبط با آن و هم­چنین کالیبراسیون و صحت سنجی مدل برای رواناب می باشد. پارامترها نیز بر اساس بزرگی حساسیت پاسخ متغیر به هریک از پارامترهای مدل، به حساسیت­های بالا و پایین رتبه­بندی شد. سپس مدل SWAT براساس تغییرات مقادیر پارامترهای حساس درون مقادیر مجاز آن­ها کالیبره شد. کالیبراسیون و صحت سنجی مدل به کمک نرم­افزار SWAT-CUP و با استفاده از اطلاعات برداشت شده از ایستگاه­های هیدرومتری موجود در حوضه انجام شده است. در این تحقیق از الگوریتم SUFI2 استفاده شده است که قادر است عدم دقت در متغیرهای سریع (مثل بارش) و عدم دقت در مدل مفهومی، عدم دقت در تخمین پارامترها و در داده­های اندازه­گیری شده را در نظر گیرد. سپس نتایج حاصل از شبیه­سازی با مقادیر اندازه­گیری­ شده رواناب در خروجی حوضه آبخیز مقایسه گردید. شایان ذکر است که مدل­سازی این حوضه با دقت و حساسیت بسیار در فراهم نمودن داده­ها، نقشه­ها و اطلاعات ورودی به مدل و مقداردهی پارامترهای مدل­سازی با توجه به منطقه مورد مطالعه به انجام رسید که حاصل آن یک مدل قابل اعتماد جهت انجام مطالعات علمی و آزمودن سناریوهای مدیریتی می­باشد. بنابراین بدون هدررفت هزینه و وقت و بدون نگرانی از رخداد نتایج نامطلوب احتمالی محیط زیستی و اجتماعی می­توان تصمیمات اخذ شده را پیش از اجرا، ارزیابی نمود.

 

موادوروش­ها

- ویژگی­های منطقه مورد مطالعه

حوضه آبخیز طالقان در دامنه جنوبی رشته کوه­های البرز و در فاصله 120 کیلومتری شمال غربی تهران واقع است. در مجموع منطقه­ای کوهستانی با شیب­های تند در اطراف طالقان­رود قرار دارد. بیشینه و کمینه بارش متوسط سالیانه به ترتیب 814 و 454 میلی متر در ایستگاه­های گلینک و دیزان ثبت شده است، متوسط درجه حرارت سالانه 5/10 درجه سانتی­گراد، و اقلیم غالب منطقه سرد و نیمه مرطوب می­باشد.

بیش­ترین بارش در این منطقه به­شکل برف می باشد. هیدرولوژی غالب بر حوضه شامل حجم بالای رواناب در فصل بهار به­دلیل ذوب برف، با ماکزیمم رواناب ناشی از بارش­های بهاری می باشد (10). شکل 1 موقعیت منطقه مورد مطالعه واقع در بالادست سد طالقان، در حوضه آبخیز طالقان را نشان می­دهد که در´04º36 تا ´21 º36 عرض شمالی و ´38 º50 تا ´12 º51 درجه طول شرقی قراردارد. کاربری عمده از نوع مرتعی می­باشد. بخشی از اراضی نیز تحت پوشش کاربری کشاورزی آبی و دیم می­باشد. بافت خاک حوضه نیز عمدتاً لومی و سیلت لومی می­باشد. در این مطالعه ایستگاه پیمایش خروجی ایستگاه گلینک با مساحت حدود 800 کیلومتر مربع می‌باشد. دو ایستگاه پیمایش دیگر، به نام ایستگاه جوستان (میانه حوضه) و ایستگاه گته­ده (ابتدای حوضه)، جهت مقایسه نتایج با نتایج حاصل از گلینک انتخاب گردید.

 

- روشتحقیق

در این تحقیق جهت شبیه­سازی پاسخ هیدرولوژی حوضه آبخیز طالقان­ از مدل SWATکه قابلیت اتصال به نرم­افزار ArcView دارد، اسـتفاده گردید. در مدل SWAT ابتدا حـوضه ­آبـخیز اصـلی براسـاس نقشـه DEM به تعدادی زیر­حوضـه که از طـریق شـبکه آبـراهـه­ها به یکدیگر متصل شده­اند، تقسیم می­شود، سپس بر مبـنای نقشـه­های خاک و کاربری اراضی زیرحوضـه ها نیز به واحـدهای کوچـک­تری تحت عنوان "[7]HRU" تقسیم می­شوند. هرHRU دارای ویژگی­های خاک، توپوگرافی، پوشش و کاربری اراضی همگن می­باشد. برای هر واحد هیدرولوژیک، میزان آب و رسوب و چرخه عناصر و تلفات تعیین می­شود و برای هر زیرحوضه نیز متوسط وزنی محاسبه می­گردد. آن­گاه پس از جمع شدن این مقادیر در مسیر شبکه رودخانه تا محل خروجی حوضه با یکدیگر، مقدار نهایی برای حوضه تعیین می­شود (11).

این مدل ارایه سناریوهای متنوع براساس تغییرات ورودی­هایی از قبیل پوشش زمین، کاربری اراضی، اقلیم بر چرخه مواد مغذی، کیفیت و کمیت آب را برای کاربران ممکن می­سازد. در مدل SWAT چرخه هیدرولوژی بر اساس معادله بیلان آب شبیه­سازی می‌شود (رابطه 1).

(1)

 

که در آن: SWt مقدار نهایی آب موجود در خاک (میلی­متر)، SW0 مقدار اولیه آب موجود در خاک (میلی­متر)، t زمان برحسب روز، Rday مقدار بارش در روز i (میلی­متر)، Qsurf مقدار رواناب سطحی در روز i (میلی­متر)، Ea مقدار تبخیر و تعرق در روز  i (میلی متر)، Wseep مقدار آب نفوذی به لایه فوقانی خاک در روز i (میلی­متر) و Qgw مقدار آب زیرزمینی برداشت شده در روز i (میلی­متر) می باشد (12).

 

 

 


   

شکل 1- موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه

Figure 1. The watershed geographical location

 

 

- لایههایاطلاعاتیمورداستفادهدرمدل SWAT

داده های ورودی مورد نیاز مدل SWAT شامل نقشه مدل رقومی ارتفاع، داده­های خاک، داده های بارش، دما، هواشناسی، نقشه خاک و  نقشه کاربری اراضی می باشد.

الف- دادههایهواشناسی :در این تحقیق داده­های هواشناسی به شکل جداگانه ماهانه و روزانه در طول دوره 15 ساله آماری از سال 2000 تا 2014 به مدل معرفی گردید. داده­های روزانه شامل بارش و درجه­حرارت حداقل و حداکثر روزانه می­باشند. این اطلاعات از سازمان هواشناسی و شرکت مدیریت منابع آب ایران اخذ گردید. مشخصات ایستگاه­های سینوپتیک، کلیماتولوژی و  باران‌سنجی، مطابق جدول 1 می باشد.

ب- نقشهمدلارتفاعرقومی (DEM):جهت تهیه این نقشه، از نقشه­های توپوگرافی رقومی سال 2013 حوضه مطالعاتی با مقیاس 1:25000  مربوط به سازمان نقشه­برداری کل کشور استفاده گردید. مدل مورد نظر، از این نقشه جهت محاسبه خصوصیات مورفومتری حوضه، زیرحوضه­ها و آبراهه اصلی استفاده می­کند (13).

ج-  نقشه کاربریاراضی: به­منظور تهیه نقشه کاربری اراضی منطقه مورد مطالعه از نقشه­های کاربری اراضی رقومی به­روز شده توسط تصاویر ماهواره ای ETM (2013) مربوط به مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری استفاده گردید.

د-  نقشهخاک :جهت تهیه نقشه رقومی خاک و اطلاعات مربوط به خاک­ شناسی حوضه از نقشه­ها و گزارش­های خاک‌شناسی مربوط به حوضه طالقان استفاده شد. جهت تدقیق پارامترهای خاک، مهم­ترین پارامترهای خاک مؤثر بر خروجی های مدل، در مرحله واسنجی دخالت داده شدند و مقادیر بهینه آن­ها تعیین گردید.

 

 

 

 

جدول1-موقعیت جغرافیایی ایستگاه­های سنجش دما و بارش

Table 1. Location of rainfall and temperature stations

نام ایستگاه

Y (UTM)

X (UTM)

ارتفاع (m)

حسنجون

4009639

477266

1990

جوستان

4004551

490956

2220

نسا

3998736

490835

2310

دهدر

4004490

505796

2400

 

 

شکل 2 نقشه کاربری اراضی حوضه آبخیز

Figure 2. The watershed land use map

 

 

 

اجرایمدلواستخراجخروجی­هایمدل


اولین مرحله در مدل­سازی هیدرولوژیکی حوضه توسط SWAT، تقسیم حوضه به زیرحوضه­ها و تقسیم هر زیرحوضه به واحدهای پاسخ هیدرولوژی (HRU) می­باشد (14). از این رو جهت اجرای مدل، لایه­ های اطلاعاتی­ به مدل معرفی و حوضه به 35 زیرحوضه و هر زیرحوضه به تعدادی HRU تقسیم­بندی شد. در شکل 3 نقشه حوضه مورد مطالعه به­همراه زیرحوضه­ها، ایستگاه­های هواشناسی و هیدرومتری در مدل نشان داده شده است. با توجه به فیزیکی بودن این مدل، لازم است که پارامترها منطبق با شرایط منطقه تعریف شود. از پارامترهای به­کار رفته در مدل که قبل از انجام عمل واسنجی با توجه به گزارش­های موجود مقدار پیش فرض آن ها تغییر داده شد که عبارت از: تغییر دما با ارتفاع، دمای متوسط هوا برای بارش برف و ضریب مانینگ بستر رودخانه می باشند. جهت دست یابی به قطعیت بیش­تر در نتایج شبیه سازی هیدرولوژیکی حوضه توسط مدل این اطلاعات تهیه و به مدل معرفی گردید.

به­ منظور بررسی کیفی و کمی کارایی مدل، به مقایسه بصری پلات ­های سری زمانی و شاخص­های آماری هم­چون شاخص کارایی مدل یا معیار نش-ساتکلیف (NS) و ضریب تعیین (R2) پرداخته شد. مقدار معیار نش-ساتکلیف از منفی بی‌نهایت تا 1 متغیر است؛ و 1 یعنی برازش عالی؛ مقدار بزرگ­تر از 75/0 یعنی نتایج شبیه سازی خوب، و بین 36/0 -75/0 یعنی رضایت بخش و پذیرفتنی بودن نتایج است. شاخص کارایی نشان­دهنده عملکرد نسبی مدل است ( 15). R2بیان­گر واریانس تعیین شده بهوسیله مجموعه متغیرهاست، که ضریب تعیین نام دارد. هرچه مقدار آن به یک نزدیک­تر باشد کیفیت شبیه سازی بالاتر است (12).

 

 


 

شکل 3-حوضه آبخیز طالقان، رواناب سطحی، ایستگاه­های هواشناسی و هیدرومتری

Figure 3. Taleqan watershed,stream flow,weather stations and hydrometric stations


 


نتایج


نتایجآنالیزحساسیت،واسنجیوصحتسنجیمدل

اهمیت نسبی پارامترهای ورودی مدل با توجه به خروجی آن، به­طور معمول با استفاده از تحلیل حساسیت ارزیابی می­شود. پارامترهای زیادی در مدل SWAT برای شبیه سازی بارش-رواناب نقش دارند. قبل از کالیبراسیون با توجه به داده­­های در دسترس، داشتن درک درست از مشخصات حوضه آبخیز و فرآیندهای هیدرولوژیکی مورد نظر، اهمیت دارد. بنابراین کاهش تعداد پارامترها با حذف پارامترهای کم تاثیرتر ضروری است (7).  پس از انجام آنالیز حساسیت با نرم­افزار SWATCUP، 18 پارامتر به­عنوان پارامترهایی که مدل نسبت به آن­ها حساسیت بیش­تری دارند، تعیین گردید. با انجام تحلیل حساسیت، مشخص شد که پارامتر شماره منحنی (CN) مهم ترین فاکتور است؛ و پارامترهای ضریب تبخیر خاک (ESCO)[8] و ظرفیت آب قابل دسترس خاک (SOL_AWC)[9]، به ترتیب در زمره مهم ترین فاکتورهای کنترل کننده دبی جریان در حوضه طالقان اند. رتبه حساسیت پارامترهای مهم در این تحقیق، در جدول 2 نشان داده شده است.

 

کالیبراسیون و صحت سنجی

پس از تعیین حساس­ ترین پارامتـر­های مدل، واسـنجی مدل با اسـتفاده از الگـوریتم SUFI-2­ (16)­ برای سـال­ های آماری 2000 تا 2010 با استفاده از داده­های دبی مشاهداتی سه ایستگاه هیدرومتری که مشخصات آن­ها در شکل 3 آمده است، انجام پذیرفت. این سه ایستگاه به نام­های گته ده، جوستان و گلینک به­ترتیب در ابتدا، میانه و انتهای حوضه آبریز واقع می­باشند. داده­های رواناب روزانه از این سه ایستگاه توسط موسسه تحقیقات آب ایران جمع آوری شده است. مقدار بهینه پارامترها پس از واسنجی مدل در جدول 2 ارایه گردیده است.

نتایج واسنجی رواناب مدل در این سه ایستگاه در شکل 4 نشان داده شده است. همان­گونه که ملاحظه می­گردد مقادیر شبیه­ سازی، مقادیر مشاهده­ای را چه از لحاظ میزان رواناب و چه از لحاظ زمان وقوع اوج­ها (پیک­ها) به خوبی دنبال می­نمایند. مقادیر شاخص­های آماری شامل ضریب نش-ساتکلیف (NS) و ضریب تعیین R2 قبل و بعد از کالیبراسیون در جدول 3 نشان داده شده است. همان­گونه که ملاحظه می‌گردد مقادیر این ضرایب پس از کالیبراسیون در مقایسه با مقادیر آن­ها پیش از واسنجی بسیار متفاوت است. ضرایب NS در ایستگاه گته ده، جوستان و گلینک به ترتیب برابر 80/0، 78/0 و 84/0 و مقادیر ضریب تعیین R2  برای این سه ایستگاه به ترتیب برابر 86/0، 81/0و 87/0 برآورد گردیده است. مقادیر این ضرایب نشان­دهنده کیفیت مناسب شبیه سازی حوضه آبخیز مورد مطالعه دارد.


جدول 2- رتبه بندی حساسیت پارامترها

Table 2. Parameters sensitivity ranking

مقدار نهایی

پارامتر

حوزه

رتبه بر اساس حساسیت

291/0-

CN2

.mgt

1

965/0

ESCO

.hru

2

379/0

SOL_AWC

.sol

3

213/56

GW_DELAY

.gw

4

578/0

SNO50COV

.bsn

5

142/0

ALPHA_BF

.gw

6

116/446

SNOCOVMX

.bsn

7

297/6-

SMTMP

.bsn

8

040/96

SNO_SUB

.sub

9

902/2

SFTMP

.bsn

10

078/0

ALPHA_BNK

.rte

11

451/0

GWQMN

.gw

12

387/0

EPCO

.hru

13

160/13

SOL_CBN

.sol

14

062/16

SURLAG

.bsn

15

879/0

SOL_BD

.sol

16

317/0

GW_REVAP

.gw

17

376/0

SOL_K

.sol

18

 

جدول 3- شاخص­های آماری نش ساتکلیف و R2  قبل و بعد از واسنجی

Table 3. Nash–Sutcliffe and R2 statistical indexes before and after calibration interval

نام ایستگاه

پیش از واسنجی

پس از واسنجی

R2

NS

R2

NS

گته ده

25/0

13/0

86/0

80/0

جوستان

46/0

27/0

81/0

78/0

گلینک

54/0

46/0

87/0

84/0

 

 

(الف)

 

(ب)

 

(ج)

شکل 4- رواناب سطحی شبیه سازی و مشاهده شده در دوره واسنجی در الف)ایستگاه گته ده؛ ب)ایستگاه جوستان؛ ج) ایستگاه گلینک

Figure 4. Monthly observed and simulated surface runoff in calibration period in (a) Gatehdeh station; (b) Joestan station; (c) Gelinak station

 


در شکل 5 نمودار مقایسه مقادیر رواناب مشاهده­ای و شبیه سازی در ایستگاه گلینک نشان داده شده است. با توجه به این نمودار همبستگی بالایی میان مقادیر مشاهده ای و شبیه سازی ملاحظه می­گردد که مشخص کننده مدل سازی مناسب حوضه آبخیز مورد مطالعه می باشد.

پس از واسنجی مدل، لازم است جهت اطمینان از کیفیت مدل­سازی به صحت سنجی  مدل پرداخته گردد. صحت سنجی مدل با استفاده از داده های مشاهداتی سال­های 2011 تا 2014 و با استفاده از مقادیر پیشنهادی پارامترها در دوره واسنجی انجام می­پذیرد. نتایج صحت‌سنجی مدل در ایستگاه هیدرومتری گلینک (خروجی اصلی حوضه) در شکل 6 نشان داده شده است. هم­چنین مقادیر شاخص­های آماری ضرایب نش- ساتکلیف (NS) و ضریب تعیین R2 در این دوره در جدول 4 نشان داده شده است. با توجه به مقادیر شاخص­های آماری مشاهده می گردد که اگرچه در دوران صحت سنجی مقادیر پارامترها همان مقادیر حاصل از دوره واسنجی قرار داده شده و در شرایط جدید تنظیم نگردیده اند، اما ضرایب NS و R2مقـادیر بسـیار مناسـبی را نشان می­دهند. به عـنوان مثال در ایسـتگاه گـلینک که خروجی حوضـه می­باشد، این ضـرایب به ترتیب برابر 79/0 و 84/0 می باشد که نشان از کیفیت مدل­سازی و تنظیم مناسب پارامترها در دوره واسنجی دارد. در شکل 7 نمودار پراکنشی مقادیر رواناب مشاهده ای و شبیه سازی برای ایستگاه گلینک در دوره صحت سنجی نشان داده شده است که نشان­گر همبستگی مناسب میان مقادیر مشاهده ای و شبیه سازی می باشد.


 

شکل 5-رواناب مشاهده شده نسبت به رواناب شبیه سازی شده در دوره واسنجی در ایستگاه گلینک

Figure 5. Observed runoff due to simulated runoff values in calibration period ​​for Gelinak station

 

 

شکل 6- رواناب سطحی مشاهده و شبیه سازی شده  ماهانه در مرحله صحت سنجی در ایستگاه گلینک

Figure 6. Monthly observed and simulated surface runoff in validation period in Gelinak station

 

جدول 4- شاخص­های آماری نش-ساتکلیف وR2  در دوره صحت سنجی

Table 4. Nash–Sutcliffe and R2 statistical indexes for validation interval

نام ایستگاه

R2

NS

گته ده

85/0

76/0

جوستان

75/0

73/0

گلینک

84/0

79/0

 

شکل 7- نمودار پراکنشی  مقادیر رواناب مشاهده شده در دوره صحت سنجی در ایستگاه گلینک

Figure 7. Scatter chart of observed runoff due to simulated runoff values in validation period ​​in Gelinak station

 


نتیجه گیری


مدل­های بارش- روانـاب، ابزارهای مهـمی در مطالعات منابع آبی به شـمار می­آیند.کارایی مدل­های مذکور به انتخاب مناسـب پـارامترهای مدل بستگی دارد. در این مطالعه مدل­سازی حوضه آبخیز طالقان، با استفاده از  ابزار ارزیابی آب و خاک ( (SWATمورد مطالعه قرار گرفت. جهت انجام این کار، اطلاعات مختلفی از قبیل نقشه مدل رقومی ارتفاع، داده های خاک، داده های بارش، دما و هواشناسی و نقشه خاک و کاربری اراضی در فرمت استاندارد به عنوان ورودی به مدل داده شد. پس از انجام آنالیز حساسیت، تعداد 18 پارامتر به عنوان پارامترهایی که مدل نسبت به آن­ها حساسیت بیش­تری دارد، تعیین گردید. با انجام تحلیل حساسیت، مشخص شد که پارامتر شماره منحنی (CN) مهم ترین فاکتور است؛ و پارامترهای ضریب تبخیر خاک (ESCO) و پارامتر ظرفیت آب قابل دسترس خاک (SOL_AWC)، به ترتیب در زمره مهم ترین فاکتورهای کنترل کننده میزان رواناب در حوضه آبخیز می باشند. پس از تعیین حساس ترین پارامترهای مدل، واسنجی مدل با استفاده از الگوریتم SUFI-2 برای سال­های آماری 2000 تا 2010 با استفاده از داده های دبی مشاهداتی سه ایستگاه هیدرومتری در داخل حوضه انجام پذیرفت. ملاحظه گردید مقادیر شبیه سازی، مقادیر مشاهده ای را چه از لحاظ میزان رواناب و چه از لحاظ زمان وقوع پیک­ها به خوبی دنبال می نمایند. مقادیر شاخص­های آماری شامل ضریب نش-ساتکلیف (NS)  و ضریب تعیین R2 پس از کالیبراسیون در ایستگاه گته ده، جوستان و گلینک (خروجی حوضه) به ترتیب برابر 80/0، 78/0 و 84/0 و مقادیر ضریب تعیین R2  برای این سه ایستگاه به ترتیب برابر 86/0، 81/0 و 87/0 برآورد گردیده است. مقادیر این ضرایب نشان دهنده دقت مناسب شبیه سازی حوضه آبخیز مورد مطالعه دارد.

پس از واسنجی مدل، جهت اطمینان از کیفیت مدل­سازی به صحت سنجی مدل با استفاده از داده های مشاهداتی سال­های 2011 تا 2014 و با استفاده از مقادیر پیشنهادی پارامترها در دوره واسنجی پرداخته شد. نتایج صحت سنجی مدل نشان از کیفیت مدل­سازی و تنظیم مناسب پارامترها در دوره واسنجی دارد.  همچنین مقادیر شاخص­های آماری ضرایب نش- ساتکلیف (NS) و ضریب تعیین R2 مقادیر بسیار مناسبی را نشان می دهند. به عنوان مثال در ایستگاه گلینک که خروجی حوضه می باشد، این ضرایب به ترتیب برابر 79/0 و 84/0 می­باشد. هم­چنین نمودار پراکنشی مقادیر رواناب مشاهده ای و شبیه سازی برای این سه ایستگاه در دوره صحت سنجی نشان داده شده است که نشان­گر همبستگی مناسب میان مقادیر مشاهده ای و شبیه سازی می باشد.

به­کارگیری این مدل به دلیل کاهش هزینة عملیات میدانی بـه­منظور اندازه­گیری مولفه های مورد نیاز  و به­ویژه به­دلیل کاهش زمان موردنیاز برای تحلیل مسایل، جهت ارتقای سطح مدیریت منابع آب و حفظ محیط زیست  بسیار کارآمد می باشد. علاوه بر این، با استفاده از این ابزار این امکان برای پژوهش­گران و مدیران اجرایی به وجود می­آید تا برنامه­های مختلف مدیریتی را که امکان اجرای آن­ها در کوتاه مدت و با هزینه­های معقول وجود ندارد، را ارزیابی کرده و با تحلیل نتایج بهترین تصمیم را اتخاذ کنند.

 

Reference

  1. Khalighi Sigarudi, Sh.,ZinatiShoae, T.,Salajeghe, A.,Kohandel , A., Mortezaei Gh., 2009.Simulating runoff using semi-distributed method in watershed with limited data, case study: Latian watershed. Proceedings of 5th National Conference of Watershed Management Sciences and Engineering (Sustainable Management of Natural Hazard), Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, pp. 180-188.
  2. Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams J.R. & King, K.W., 2011. Soil and water assessment tool theoretical documentation—version 2009, Soil and Water Research Laboratory, Agricultural Research Service, Blackland Research Center-Texas AgriLife Research.
  3. Pisinaras, V., Petalas, C., Gikas, G.D., Gemitzi, A., Tsihrintzis, V.A., 2010. Hydrological and water quality modeling in a medium-sized basin using the soil and water assessment tool (SWAT). Desalination, vol. 250, pp. 274-286.
  4. Alansi, A.W., Amin, M.S.M., Abdul Halim, G., Sharif, H.Z.M., Aimrun, W., 2009. Validation of SWAT Model for stream flow simulation and forcasting in upper Bernam humid tropical river basin, Malaysia. Hydrology and Earth System Sciences, Discuss,Vol. 6, pp. 7581-7609.
  5. Fadil, A., Rhinane, H., Kaoukaya, A., Kharchaf, Y., Bachir O., 2011. Hydrologic Modeling of the Bouregreg Watershed (Morocco) Using GIS and SWAT Model. Journal of Geographic Information System, Vol. 4, pp. 279-289.
  6. Ghoraba, S.M., 2015. Hydrological modeling of the Simly Dam watershed using GIS and SWAT model. Alexandria Engineering Journal. Vol. 54, No. 3, pp. 583–594.
  7. Akhavan, S., Abedi-Koupai, J., Mousavi, S.F., Afyuni, M., Eslamian, S.S., Abbaspour, K.C., 2010. Appication of SWAT model to investigate nitrate leaching in Hamadan-Bahar watershed, Iran. Agriculture, Ecosystemes and Environment, Vol. 139, pp. 675-688.
  8. Park, J.Y., Ale, S., Teague, W.R., 2017. Simulated water quality effects of alternate grazing management practices at the ranch and watershed scales. Ecological Modelling, Vol. 360, No. 24, pp. 1-13.
  9. Kundu, S., Khare, D., Mondal, A., 2017. Past, present and future land use changes and their impact on water balance. Journal of Environmental Management, Vol.197, pp. 582-596.
  10. Rostami Kolour, M., Dahrazma, B., Rahimi, M., 2015. Water quality assessment of Taleghan river using NSFWQI index. First National Conference on New Developments in Biological and Agricultural Sciences, Tehran, Iran. (Persian)
  11. Santos, R.M., Sanches Fernandes, L.F., Moura, J.P., Pereira, M.G., Pacheco, F.A.L., 2014. The impact of climate change, human interference, scale and modeling uncertainties on the estimation of aquifer properties and river flow components. Journal of Hydrology, Vol. 519, pp. 1297-1314.
  12. Rahman, K., Maringantic, H., Beniston, M., Widmer, F., Abbaspour, K., Lehmann, A., 2013. Streamflow modeling in a highly managed mountainous glacier watershed using SWAT: The Upper Rhone River watershed case in Switzerland. Water Resources Management, Vol. 27, No. 2, pp. 323-339.
  13. Di Luzio, M., Srinivasan, R., Arnold, J.G., 2002. Integration of watershed tools and SWAT model into basins. Journal of the American Water Resources Association, Vol. 38, No. 4, pp.1127-1141.
  14. Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S., Williams, J.R., 2000. Large-area hydrologic modeling and assessment: Part I. Model development. Journal of American Water Resources Association, Vol. 34, No. 1, pp.73-89.
  15. Santhi, C., Arnold, J.G., Williams, J.R., Dugas, W.A., Srinivasan, R., Hauck, L.M., 2001. Validation of the SWAT model on a large river basin with point and nonpoint sources. Journal of American Water Resources Association, Vol. 37, No. 5, pp.1169–1188.
  16. Abbaspour, K.C., 2008. SWAT-CUP2: SWAT calibration and uncertainty programs—a user manual. Department of Systems Analysis, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology.

 

 


 



[1] - دکترای مدیریت محیط زیست، دانشکده محیط زیست و انرژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

[2] - دانشیار، گروه برنامه­ریزی، مدیریت و آموزش محیط زیست، دانشکده محیط زیست، پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران، *(مسوول مکاتبات)

[3] - استادیار، گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده محیط زیست و انرژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

[4]- PhD., Department of Environmental Management, Faculty of the Environment and Energy, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

[5]- Associate Professor, Department of Environmental Planning, Management, and Education, School of Environment, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran, *(Corresponding Author).

[6]- Assistant Professor, Faculty of the Environment and Energy, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

[7] -Hydrological Response Unit

[8] - Soil evaporation compensation factor

[9] - Available water capacity of the soil layer

  1. Khalighi Sigarudi, Sh.,ZinatiShoae, T.,Salajeghe, A.,Kohandel , A., Mortezaei Gh., 2009.Simulating runoff using semi-distributed method in watershed with limited data, case study: Latian watershed. Proceedings of 5th National Conference of Watershed Management Sciences and Engineering (Sustainable Management of Natural Hazard), Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, pp. 180-188.
  2. Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams J.R. & King, K.W., 2011. Soil and water assessment tool theoretical documentation—version 2009, Soil and Water Research Laboratory, Agricultural Research Service, Blackland Research Center-Texas AgriLife Research.
  3. Pisinaras, V., Petalas, C., Gikas, G.D., Gemitzi, A., Tsihrintzis, V.A., 2010. Hydrological and water quality modeling in a medium-sized basin using the soil and water assessment tool (SWAT). Desalination, vol. 250, pp. 274-286.
  4. Alansi, A.W., Amin, M.S.M., Abdul Halim, G., Sharif, H.Z.M., Aimrun, W., 2009. Validation of SWAT Model for stream flow simulation and forcasting in upper Bernam humid tropical river basin, Malaysia. Hydrology and Earth System Sciences, Discuss,Vol. 6, pp. 7581-7609.
  5. Fadil, A., Rhinane, H., Kaoukaya, A., Kharchaf, Y., Bachir O., 2011. Hydrologic Modeling of the Bouregreg Watershed (Morocco) Using GIS and SWAT Model. Journal of Geographic Information System, Vol. 4, pp. 279-289.
  6. Ghoraba, S.M., 2015. Hydrological modeling of the Simly Dam watershed using GIS and SWAT model. Alexandria Engineering Journal. Vol. 54, No. 3, pp. 583–594.
  7. Akhavan, S., Abedi-Koupai, J., Mousavi, S.F., Afyuni, M., Eslamian, S.S., Abbaspour, K.C., 2010. Appication of SWAT model to investigate nitrate leaching in Hamadan-Bahar watershed, Iran. Agriculture, Ecosystemes and Environment, Vol. 139, pp. 675-688.
  8. Park, J.Y., Ale, S., Teague, W.R., 2017. Simulated water quality effects of alternate grazing management practices at the ranch and watershed scales. Ecological Modelling, Vol. 360, No. 24, pp. 1-13.
  9. Kundu, S., Khare, D., Mondal, A., 2017. Past, present and future land use changes and their impact on water balance. Journal of Environmental Management, Vol.197, pp. 582-596.
  10. Rostami Kolour, M., Dahrazma, B., Rahimi, M., 2015. Water quality assessment of Taleghan river using NSFWQI index. First National Conference on New Developments in Biological and Agricultural Sciences, Tehran, Iran. (Persian)
  11. Santos, R.M., Sanches Fernandes, L.F., Moura, J.P., Pereira, M.G., Pacheco, F.A.L., 2014. The impact of climate change, human interference, scale and modeling uncertainties on the estimation of aquifer properties and river flow components. Journal of Hydrology, Vol. 519, pp. 1297-1314.
  12. Rahman, K., Maringantic, H., Beniston, M., Widmer, F., Abbaspour, K., Lehmann, A., 2013. Streamflow modeling in a highly managed mountainous glacier watershed using SWAT: The Upper Rhone River watershed case in Switzerland. Water Resources Management, Vol. 27, No. 2, pp. 323-339.
  13. Di Luzio, M., Srinivasan, R., Arnold, J.G., 2002. Integration of watershed tools and SWAT model into basins. Journal of the American Water Resources Association, Vol. 38, No. 4, pp.1127-1141.
  14. Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S., Williams, J.R., 2000. Large-area hydrologic modeling and assessment: Part I. Model development. Journal of American Water Resources Association, Vol. 34, No. 1, pp.73-89.
  15. Santhi, C., Arnold, J.G., Williams, J.R., Dugas, W.A., Srinivasan, R., Hauck, L.M., 2001. Validation of the SWAT model on a large river basin with point and nonpoint sources. Journal of American Water Resources Association, Vol. 37, No. 5, pp.1169–1188.
  16. Abbaspour, K.C., 2008. SWAT-CUP2: SWAT calibration and uncertainty programs—a user manual. Department of Systems Analysis, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology.