مقاله ارزیابی مدل هیدرولوژیکیSWAT در شبیهسازی رواناب و بررسی اثر ابعاد سلولی و منابع مختلف تهیه مدلهای رقومی ارتفاعی (DEMs) بر عملکرد آن

word قابل ویرایش
14 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
8700 تومان

 

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ارزیابی مدل هیدرولوژیکیSWAT در شبیهسازی رواناب و بررسی اثر ابعاد سلولی و منابع مختلف تهیه مدلهای رقومی ارتفاعی (DEMs) بر عملکرد آن

چکیده

مدل های ارتفاعی رقومی به علت ایجاد بستری برای استخراج بسیاری از پارامترهای ژئومورفولوژیکی از اهمیت زیادی در مدلسازی بارش رواناب برخوردار میباشند. در این پژوهش تلاش شد تا اثر ابعاد سلولهای نقشه رقومی ارتفاعی بر مقادیر پارامترها و نتایج برآورد رواناب ماهانه در مقیاس حوضهای مورد ارزیابی قرار گیرد. به این منظور از سه منبع مختلف، شامل نقشههای توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ سازمان نقشهبرداری کشور و مدلهای رقومی ارتفاع ASTER، SRTM با اندازه ابعاد سلولی متفاوت برای شبیهسازی رواناب ماهانه در بخشی از حوضه آبریز زرینهرود استفاده شد. ابتدا رواناب حوضه طی سالهای آماری ۲۰۰۷-۱۹۸۸ بر مبنای استفاده از نقشه توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ تهیه شد و برای اطمینان از قابلیت مناسب شبیهسازی شرایط هیدرولوژیکی حوضه توسط مدل، واسنجی گردید. سپس بر اساس مقادیر بهینه پارامترهای بهدستآمده در واسنجی، شبیهسازی جریان رودخانه برای سایر (DEM) ها و همچنین ابعاد سلولی مختلف آنها موردبررسی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که در صورت استفاده از مدلهای رقومی ارتفاعی ASTER و SRTM، مقادیر پارامترهای ژئومورفولوژیکی نظیر شیب متوسط زیر حوضهها بیشتر و طول جریان در سطح الارض همواره کمتر از نقشههای توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ میباشند. بهنحویکه دبی اوج رواناب بهدستآمده از دادههای رقومی ارتفاعی کمتر از نقشههای توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ میباشد. همچنین با افزایش ابعاد سلولی، شیب متوسط زیر حوضهها و تعداد آبراههها کاهش و مساحت منتهی به هر آبراهه و نیز طول جریان دامنهای افزایش مییابد. درنتیجه، با افزایش ابعاد سلولی، میزان دبی ماهانه تولیدشده روند کاهشی خواهد داشت.

کلمات کلیدی: مدل هیدرولوژیکی، منابع مختلف تهیه نقشههای رقومی ارتفاع((DEMs، حوضه آبریز زرینهرود، اثر ابعاد سلولی

-۱مقدمه

مدیریت صحیح حوضه های آبریز کشور به عنوان یکی از مهمترین روش استفاده بهینه از منابع آب مطرح می شود. در این راستا شبیه سازی پدیده های هیدرولوژیکی در حوضه ها می تواند راه حل بهینه ای باشد. بنابراین استفاده از مدلی با جامعیت لازم در شبیهسازی حوضه از اهمیت بالایی برخوردار است.چالش بزرگ همه این مدلها تولید هیدروگراف در حوضههای فاقد آمار است که مدل را بهشدت بهدقت اطلاعات برداشتشده از حوضه وابسته مینماید. مدلهای ارتفاعی رقومی (DEMs) ابزاری مهم در مدلسازی حوضههای آبریز و نیز استخراج پارامترهای ژئومورفولوژی مرتبط با آن میباشند. در زمینه مطالعات هیدرولوژی و منابع آب،

کاربردهای DEM بیشتر بر روی مباحثی همچون استخراج خودکار پارامترهای ژئومورفولوژیکی حوضه، تعیین شبکه آبراههها و مرزهای حوضه متمرکزشده است.[۱]

مدل استفادهشده در این پژوهش، مدل Soil and Water ) SWAT (Assessment Tool میباشد که برای اولین بار در سال ۱۹۹۰ توسط دکتر جف آرنولد در سرویس تحقیقات کشاورزی آمریکا طراحی و پایهگذاری شد.. در این مطالعه از روش SUFI-2 در نرم افزار SWAT-CUP برای واسنجی و اعتبارسنجی استفاده شد.تحقیقات زیادی با اهداف مختلف از مدل SWAT استفادهشده است که بهعنوان نمونه به چند

١

مورداشاره میشود.تولسون و شومیکر (۲۰۰۷) گزارش کردند که مدل SWAT میتواند بهعنوان یک ابزار مناسب برای ارزیابی اثرات درازمدت روشهای مدیریتی متفاوت برای کاهش بار فسفر در مخزن کانونزویل شهر نیویورک استفاده شود. آنها مدل را برای تعیین فسفر محلول، جریان آب و رسوب با استفاده از تصحیح تعدادی از روابط مدل، واسنجی و اعتبار سنجی کردند.[۲]

چابی و همکاران (۲۰۰۵) در بررسی تأثیر دقت دادههای DEM روی خروجی نامعلوم SWAT به این نتایج رسیدند که دقت DEM بر شکل حوضه آبریز، مسیر جریان و طبقهبندی زیر حوضهها در مدل SWAT تأثیر میگذارد که کاهش دقت DEM در کاهش پیش بینی مسیر جریان و بار NO3-N تأثیر دارد؛ و همچنین در پژوهش دیگران دادند که اثر ابعاد سلول DEM مورداستفاده بر روی نحوه استخراج شبکه آبراههها، طبقهبندی زیر حوضهها و نیز نحوه شکلگیری واحدهای هیدرولوژیکی قابلتوجه میباشد، بهطوریکه کاهش ابعاد (افزایش توان تفکیک) DEM موجب کاهش جریان رودخانهای شبیهسازیشده، کاهش مساحت حوضهها و زیر حوضهها و نیز کاهش تعداد واحدهای هیدرولوژیکی خواهد گردید.[۳]
-۲مواد و روشها

-۱-۲منطقه موردمطالعه

حوضه آبریز رودخانه زرینهرود در شمال غرب کشور واقعشده و یکی از مهمترین زیر حوضههای موجود در حوضه دریاچه ارومیه میباشد که در محدودهای بین عرض ΄۴۰ ˚۳۵ تا ΄ ۳۷ ˚۳۸و طول جغرافیایی ΄۴۶˚۴۵ تا ΄۲۳ ˚۴۷ قرار دارد. بخشی از حوضه آبریز که دارای وسعت ۲۲۴۵۱۰/۷ کیلومترمربع میباشد، مورد بررسی قرار گرفت. (شکل (۱

-۲-۲اطلاعات ورودی و آمادهسازی مدل

اطلاعات ورودی و دادههای اساسی مدل شامل: نقشه مدلهای رقومی ارتفاعی ASTER (با دقت ۳۰ متر)، SRTM (با دقت ۹۰ متر)، نقشههای توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ تهیهشده از سازمان جغرافیای کشور، نقشه کاربری اراضی، نقشه خاک، دادههای هواشناسی از قبیل بارندگی و حداقل و حداکثر درجه حرارت روزانه و دبی رودخانه در ایستگاه هیدرومتری واقع در خروجی حوضه جهت انجام مراحل واسنجی میباشد. مدل پایه جهت

شبیهسازی در این تحقیق نقشه توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ تهیهشده از سازمان نقشهبرداری کشور است که ۵ طبقه کاربری اراضی در منطقه شناسایی گردید.برای واردکردن اطاعات خاک، نقشه جهانی فائو مورداستفاده قرار گرفت که بر اساس آن ۳ طبق کلاس بافت خاک در حوضه تشخیص داده شد. اطلاعات بارندگی منطقه از ۴ ایستگاه هیدرومتری آلاسقل، شاخه چپ آلاسقل، شاخه راست آلاسقل، پل ساروق چای و صفاخانه دریافت گردید؛ و کلیماتولوژی منطقه از ایستگاه سینوپتیک تکاب دریافت گردید. ازآنجاییکه برای واسنجی باید حداقل یک ایستگاه هیدرومتری در خروجی حوضه باشد، تنها ایستگاه هیدرومتری در خروجی ایستگاه صفاخانه بود.

شکل .۱ نقشه توپوگرافی حوضه آبریز موردمطالعه

پس از جمعآوری اطلاعات اولیه و تهیه فایلهای ورودی، مراحل اجرای مدل به ترتیب ارائهشده، انجام شد.-۱ در مرحله اول با واردکردن نقشههای مدل رقومی ارتفاعی ASTER، SRTM و نقشههای توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ با تغییر ابعاد سلولی مختلف (۵۰۰ -۳۰۰ -۲۰۰ -۱۵۰ -۱۰۰ -۵۰) در هر سه منبع و تعیین حداقل مساحت دلخواه توسط کاربر، حوضه به تعدادی زیر حوضه تقسیم میشود. -۲ واردکردن نقشه کاربری اراضی و خاک و اطلاعات شیب منجر به تولید واحدهای پاسخ هیدرولوژیکی میشود. حوضه موردمطالعه به سهطبقه شیب تقسیمشده که شامل ۰ تا ۱۰ درصد، ۱۰ تا ۲۵ درصد و بیش از ۲۵ در صد میباشند. -۳ همانطور که اشاره شد مدل برای اجرا نیاز به دادههای هواشناسی دارد که اطلاعات آن از ایستگاه سینوپتیک تکاب تهیه شد. -۴ برای محاسبه تبخیر و تعرق پتانسیل روشهارگریوز و روند یابی جریان از روش ماسکینگهام استفاده شد.

-۳آنالیز حساسیت، واسنجی و اعتبار سنجی مدل

شناسایی پارامترهایی که بر نتایج خروجی مدل مؤثر میباشند، ضروری است؛ که از آن تحت عنوان آنالیز حساسیت یاد میشود. انجام آنالیز

٢

حساسیت که منجر به شناخت پارامترهایی میشود که مدل نسبت بهدقت آنها حساسیت بیشتری نشان میدهد. بهمنظور صرفهجویی در زمان و بهبود کیفیت از نرمافزار SUFI2 جهت واسنجی مدل استفاده گردید. استفاده از یک برنامه واسط برای انجام خودکار مراحل کار ضروری است که بدین منظور برنامه واسط به نام SWAT-CUP تدارک دیدهشده است. هدف برنامه SUFI2 ایجاد کوچکترین طیف عدم قطعیت می باشدمنعکس میشوند. بنابراین در SUFI-2 هدف در برگرفتن بیشترین مقادیر مشاهدهشده با کمترین ضخامت باند میباشد. شرایط ایده آل در یک شبیهسازی زمانی است که مقدار P-factor، به یک و R-factor، به صفر نزدیک باشد.[۴]پس از پارامتر سازی و ورود دادهها، شبیهسازی برای یک دوره آماری ۲۰ ساله از سال ۱۹۸۶ تا ۲۰۰۷ بر اساس گام زمانی ماهانه صورت گرفت. بازه زمانی ۱۹۸۸-۱۹۸۶ بهعنوان Warm up در نظر گرفته شد تا مدل با شرایط محیطی متعادل شود.

-۴ارزیابی دبی شبیهسازیشده توسط مدل

با توجه به مطالب ذکرشده در تحلیل حساسیت پارامترهای مدل، میتوان به اهمیت پارامترهای مؤثر بر ارتباط جریان سطحی و رواناب در فرآیند شبیهسازی حوضه پی برد. به همین دلیل در این تحقیق سعی گردید که میزان انطباق شبیهسازی این فرآیند در مدل با دادههای مشاهداتی موردبررسی قرارگرفته و در صورت عدم ارائه نتایج مطلوب، مقادیر واسنجی پارامترها تغییر داده شوند. در این راستا از بین ۴۸ پارامتر که بر روی دبی خروجی از حوضه مؤثر، شناسایی شدند. پس از انجام آنالیز حساسیت نسبی، دبی خروجی منطقه به ۱۱ پارامتر حساسیت نشان داد. پارامترهایی که مدل به آنها حساسیت نشان داد به همراه توضیحات آنها در جدول (۱) آورده شدهاند.با استفاده از این ۱۱ پارامتر و مقادیر دبی اندازهگیری شده در ایستگاه تکاب، مقادیر دبی شبیهسازی توسط مدل برای دادههای حاصل از مدل توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰، در طول سالهای آماری -۱۹۸۸ ۲۰۰۱ واسنجی گردید.بدین منظور از مشخصه همبستگی دبی رواناب دادههای مشاهداتی و دادهای شبیهسازی توسط مدل SWAT استفاده گردید؛ که در شکل (۲) و (۳) ارائهشده است.

نتایج حاصل از دادههای شبیهسازی مدل توپوگرافی ۱:۲۵۰۰۰ با مقایسه دادههای مشاهداتی حاکی از آن است که مقادیر بهدستآمده در این ایستگاه دارای تطابق زیادی با دبی مشاهداتی میباشد و همچنین در شکل (۳) مشاهده میشود که دادههای مربوط به دبی ماهانه همبستگی مناسب %۷۹ رادارند. بهمنظور تحلیل کیفیت نتایج واسنجی مدل علاوه بر مقادیر p-factor ، R-factor از ۲ شاخص ضریب تعیین (R2) و ضریب نش-ساتکلیف (NS) نیز استفاده شد. ضریب نش- ساتکلیف نشان میدهد که خط رگرسیون بین مقادیر شبیهسازی و اندازهگیری شده تا چه مقدار به خط رگرسیون با شیب ۱ نزدیک است و مقدار آن از منفی بینهایت تا ۱ متغیر میباشد.روابط به این دو شاخص بهصورت زیر است:

در این رابطه . مقادیر دبی اندازهگیری شده، , مقادیر شبیهسازیشده توسط مدل متوسط مقادیر اندازهگیری شده و شبیهسازیشده میباشد. نتایج واسنجی مدل در بازه ۲۰۰۱-۱۹۸۸ در شکل (۴) نشان دادهشده است. مقادیر شاخصی که بهمنظور تحلیل کیفیت نتایج واسنجی به کار رفتند نیز در جدول (۲) آورده شدهاند.

نتایج واسنجی نشان میدهد که مدل همبستگی مناسبی با دادههای اندازهگیری شده شدتجریان رودخانه در محل ایستگاه تکاب نشان میدهد. شکل (۴) گویای این مسئله است که مدل در اکثر ماههای سال انطباق خوبی را با دادههای اندازهگیری نشان داده، از طرفی چون نقاط پیک برای مطالعات رودخانه نقاط حساسی هستند و مدل در شناسایی زمان رخ دادن این نقاطتقریباً خوب عمل کرده اما در اغلب موارد دبی را بالاتر از مقدار اندازهگیری شده نشان داده که این مسئله برای مدل ضعف محسوب نمیشود زیرا میتواند بهعنوان یک ضریب اطمینان در زمان به وقوع پیوستن سیلاب در نظر گرفته شود.در ادامه پژوهش شبیهسازی جریان رودخانه با استفاده از مدل SWAT برای سایر مدلهای رقومی ارتفاعی با ابعاد سلولی مختلف بر اساس مقادیر پارامترهای بهینه بهدستآمده از واسنجی، موردبررسی قرار خواهد گرفت. هدف از این بخش بررسی اثر منابع مختلف رقومی ارتفاعی با ابعاد سلولی مختلف بر پارامترهایی زئومورفولوژیکی و خروجی رواناب ماهانه میباشد.

اثر سه منبع مختلف مدلهای رقومی ارتفاعی در محاسبه دبی ماهانه (رواناب) برای یک سال بحرانی در شکل (۵) نشان دادهشده است

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 14 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد