بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی مدل هیدرولوژیکیSWAT در شبیهسازي رواناب و بررسی اثر ابعاد سلولی و منابع مختلف تهیه مدلهاي رقومی ارتفاعی (DEMs) بر عملکرد آن
چکیده
مدل هاي ارتفاعی رقومی به علت ایجاد بستري براي استخراج بسیاري از پارامترهاي ژئومورفولوژیکی از اهمیت زیادي در مدلسازي بارش رواناب برخوردار میباشند. در این پژوهش تلاش شد تا اثر ابعاد سلولهاي نقشه رقومی ارتفاعی بر مقادیر پارامترها و نتایج برآورد رواناب ماهانه در مقیاس حوضهاي مورد ارزیابی قرار گیرد. به این منظور از سه منبع مختلف، شامل نقشههاي توپوگرافی 1:25000 سازمان نقشهبرداري کشور و مدلهاي رقومی ارتفاع ASTER، SRTM با اندازه ابعاد سلولی متفاوت براي شبیهسازي رواناب ماهانه در بخشی از حوضه آبریز زرینهرود استفاده شد. ابتدا رواناب حوضه طی سالهاي آماري 2007-1988 بر مبناي استفاده از نقشه توپوگرافی 1:25000 تهیه شد و براي اطمینان از قابلیت مناسب شبیهسازي شرایط هیدرولوژیکی حوضه توسط مدل، واسنجی گردید. سپس بر اساس مقادیر بهینه پارامترهاي بهدستآمده در واسنجی، شبیهسازي جریان رودخانه براي سایر (DEM) ها و همچنین ابعاد سلولی مختلف آنها موردبررسی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که در صورت استفاده از مدلهاي رقومی ارتفاعی ASTER و SRTM، مقادیر پارامترهاي ژئومورفولوژیکی نظیر شیب متوسط زیر حوضهها بیشتر و طول جریان در سطح الارض همواره کمتر از نقشههاي توپوگرافی 1:25000 میباشند. بهنحويکه دبی اوج رواناب بهدستآمده از دادههاي رقومی ارتفاعی کمتر از نقشههاي توپوگرافی 1:25000 میباشد. همچنین با افزایش ابعاد سلولی، شیب متوسط زیر حوضهها و تعداد آبراههها کاهش و مساحت منتهی به هر آبراهه و نیز طول جریان دامنهاي افزایش مییابد. درنتیجه، با افزایش ابعاد سلولی، میزان دبی ماهانه تولیدشده روند کاهشی خواهد داشت.
کلمات کلیدي: مدل هیدرولوژیکی، منابع مختلف تهیه نقشههاي رقومی ارتفاع((DEMs، حوضه آبریز زرینهرود، اثر ابعاد سلولی
-1مقدمه
مدیریت صحیح حوضه هاي آبریز کشور به عنوان یکی از مهمترین روش استفاده بهینه از منابع آب مطرح می شود. در این راستا شبیه سازي پدیده هاي هیدرولوژیکی در حوضه ها می تواند راه حل بهینه اي باشد. بنابراین استفاده از مدلی با جامعیت لازم در شبیهسازي حوضه از اهمیت بالایی برخوردار است.چالش بزرگ همه این مدلها تولید هیدروگراف در حوضههاي فاقد آمار است که مدل را بهشدت بهدقت اطلاعات برداشتشده از حوضه وابسته مینماید. مدلهاي ارتفاعی رقومی (DEMs) ابزاري مهم در مدلسازي حوضههاي آبریز و نیز استخراج پارامترهاي ژئومورفولوژي مرتبط با آن میباشند. در زمینه مطالعات هیدرولوژي و منابع آب،
کاربردهاي DEM بیشتر بر روي مباحثی همچون استخراج خودکار پارامترهاي ژئومورفولوژیکی حوضه، تعیین شبکه آبراههها و مرزهاي حوضه متمرکزشده است.[1]
مدل استفادهشده در این پژوهش، مدل Soil and Water ) SWAT (Assessment Tool میباشد که براي اولین بار در سال 1990 توسط دکتر جف آرنولد در سرویس تحقیقات کشاورزي آمریکا طراحی و پایهگذاري شد.. در این مطالعه از روش SUFI-2 در نرم افزار SWAT-CUP براي واسنجی و اعتبارسنجی استفاده شد.تحقیقات زیادي با اهداف مختلف از مدل SWAT استفادهشده است که بهعنوان نمونه به چند
١
مورداشاره میشود.تولسون و شومیکر (2007) گزارش کردند که مدل SWAT میتواند بهعنوان یک ابزار مناسب براي ارزیابی اثرات درازمدت روشهاي مدیریتی متفاوت براي کاهش بار فسفر در مخزن کانونزویل شهر نیویورك استفاده شود. آنها مدل را براي تعیین فسفر محلول، جریان آب و رسوب با استفاده از تصحیح تعدادي از روابط مدل، واسنجی و اعتبار سنجی کردند.[2]
چابی و همکاران (2005) در بررسی تأثیر دقت دادههاي DEM روي خروجی نامعلوم SWAT به این نتایج رسیدند که دقت DEM بر شکل حوضه آبریز، مسیر جریان و طبقهبندي 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 روي نحوه استخراج شبکه آبراههها، طبقهبندي زیر حوضهها و نیز نحوه شکلگیري واحدهاي هیدرولوژیکی قابلتوجه میباشد، بهطوريکه کاهش ابعاد (افزایش توان تفکیک) DEM موجب کاهش جریان رودخانهاي شبیهسازيشده، کاهش مساحت حوضهها و زیر حوضهها و نیز کاهش تعداد واحدهاي هیدرولوژیکی خواهد گردید.[3]
-2مواد و روشها
-1-2منطقه موردمطالعه
حوضه آبریز رودخانه زرینهرود در شمال غرب کشور واقعشده و یکی از مهمترین زیر حوضههاي موجود در حوضه دریاچه ارومیه میباشد که در محدودهاي بین عرض ΄40 ˚35 تا ΄ 37 ˚38و طول جغرافیایی ΄46˚45 تا ΄23 ˚47 قرار دارد. بخشی از حوضه آبریز که داراي وسعت 224510/7 کیلومترمربع میباشد، مورد بررسی قرار گرفت. (شکل (1
-2-2اطلاعات ورودي و آمادهسازي مدل
اطلاعات ورودي و دادههاي اساسی مدل شامل: نقشه مدلهاي رقومی ارتفاعی ASTER (با دقت 30 متر)، SRTM (با دقت 90 متر)، نقشههاي توپوگرافی 1:25000 تهیهشده از سازمان جغرافیاي کشور، نقشه کاربري اراضی، نقشه خاك، دادههاي هواشناسی از قبیل بارندگی و حداقل و حداکثر درجه حرارت روزانه و دبی رودخانه در ایستگاه هیدرومتري واقع در خروجی حوضه جهت انجام مراحل واسنجی میباشد. مدل پایه جهت
شبیهسازي در این تحقیق نقشه توپوگرافی 1:25000 تهیهشده از سازمان نقشهبرداري کشور است که 5 طبقه کاربري اراضی در منطقه شناسایی گردید.براي واردکردن اطاعات خاك، نقشه جهانی فائو مورداستفاده قرار گرفت که بر اساس آن 3 طبق کلاس بافت خاك در حوضه تشخیص داده شد. اطلاعات بارندگی منطقه از 4 ایستگاه هیدرومتري آلاسقل، شاخه چپ آلاسقل، شاخه راست آلاسقل، پل ساروق چاي و صفاخانه دریافت گردید؛ و کلیماتولوژي منطقه از ایستگاه سینوپتیک تکاب دریافت گردید. ازآنجاییکه براي واسنجی باید حداقل یک ایستگاه هیدرومتري در خروجی حوضه باشد، تنها ایستگاه هیدرومتري در خروجی ایستگاه صفاخانه بود.
شکل .1 نقشه توپوگرافی حوضه آبریز موردمطالعه
پس از جمعآوري اطلاعات اولیه و تهیه فایلهاي ورودي، مراحل اجراي مدل به ترتیب ارائهشده، انجام شد.-1 در مرحله اول با واردکردن نقشههاي مدل رقومی ارتفاعی ASTER، SRTM و نقشههاي توپوگرافی 1:25000 با تغییر ابعاد سلولی مختلف (500 -300 -200 -150 -100 -50) در هر سه منبع و تعیین حداقل مساحت دلخواه توسط کاربر، حوضه به تعدادي زیر حوضه تقسیم میشود. -2 واردکردن نقشه کاربري اراضی و خاك و اطلاعات شیب منجر به تولید واحدهاي پاسخ هیدرولوژیکی میشود. حوضه موردمطالعه به سهطبقه شیب تقسیمشده که شامل 0 تا 10 درصد، 10 تا 25 درصد و بیش از 25 در صد میباشند. -3 همانطور که اشاره شد مدل براي اجرا نیاز به دادههاي هواشناسی دارد که اطلاعات آن از ایستگاه سینوپتیک تکاب تهیه شد. -4 براي محاسبه تبخیر و تعرق پتانسیل روشهارگریوز و روند یابی جریان از روش ماسکینگهام استفاده شد.
-3آنالیز حساسیت، واسنجی و اعتبار سنجی مدل
شناسایی پارامترهایی که بر نتایج خروجی مدل مؤثر میباشند، ضروري 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 بیشتري نشان میدهد. بهمنظور صرفهجویی در زمان و بهبود کیفیت از نرمافزار SUFI2 جهت واسنجی مدل استفاده گردید. استفاده از یک برنامه واسط براي انجام خودکار مراحل کار ضروري است که بدین منظور برنامه واسط به نام SWAT-CUP تدارك 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 شبیهسازي زمانی است که مقدار P-factor، به یک و R-factor، به صفر نزدیک باشد.[4]پس از پارامتر سازي و ورود دادهها، شبیهسازي براي یک دوره آماري 20 ساله از سال 1986 تا 2007 بر اساس گام زمانی ماهانه صورت گرفت. بازه زمانی 1988-1986 بهعنوان Warm up در نظر گرفته شد تا مدل با شرایط محیطی متعادل شود.
-4ارزیابی دبی شبیهسازيشده توسط مدل
با توجه به مطالب ذکرشده در تحلیل حساسیت پارامترهاي مدل، میتوان به اهمیت پارامترهاي مؤثر بر ارتباط جریان سطحی و رواناب در فرآیند شبیهسازي حوضه پی برد. به همین دلیل در این تحقیق سعی گردید که میزان انطباق شبیهسازي این فرآیند در مدل با دادههاي مشاهداتی موردبررسی قرارگرفته و در صورت عدم ارائه نتایج مطلوب، مقادیر واسنجی پارامترها تغییر داده شوند. در این راستا از بین 48 پارامتر که بر روي دبی خروجی از حوضه مؤثر، شناسایی شدند. پس از انجام آنالیز حساسیت نسبی، دبی خروجی منطقه به 11 پارامتر حساسیت نشان داد. پارامترهایی که مدل به آنها حساسیت نشان داد به همراه توضیحات آنها در جدول (1) آورده شدهاند.با استفاده از این 11 پارامتر و مقادیر دبی اندازهگیري شده در ایستگاه تکاب، مقادیر دبی شبیهسازي توسط مدل براي دادههاي حاصل از مدل توپوگرافی 1:25000، در طول سالهاي آماري -1988 2001 واسنجی گردید.بدین منظور از مشخصه همبستگی دبی رواناب دادههاي مشاهداتی و دادهاي شبیهسازي توسط مدل SWAT استفاده گردید؛ که در شکل (2) و (3) ارائهشده است.
نتایج حاصل از دادههاي شبیهسازي مدل توپوگرافی 1:25000 با مقایسه دادههاي مشاهداتی حاکی از آن است که مقادیر بهدستآمده در این ایستگاه داراي تطابق زیادي با دبی مشاهداتی میباشد و همچنین در شکل (3) مشاهده میشود که دادههاي مربوط به دبی ماهانه همبستگی مناسب %79 رادارند. بهمنظور تحلیل کیفیت نتایج واسنجی مدل علاوه بر مقادیر p-factor ، R-factor از 2 شاخص ضریب تعیین (R2) و ضریب نش-ساتکلیف (NS) نیز استفاده شد. ضریب نش- ساتکلیف نشان میدهد که خط رگرسیون بین مقادیر شبیهسازي و اندازهگیري شده تا چه مقدار به خط رگرسیون با شیب 1 نزدیک است و مقدار آن از منفی بینهایت تا 1 متغیر میباشد.روابط به این دو شاخص بهصورت زیر است:
در این رابطه . مقادیر دبی اندازهگیري شده، , مقادیر شبیهسازيشده توسط مدل متوسط مقادیر اندازهگیري شده و شبیهسازيشده میباشد. نتایج واسنجی مدل در بازه 2001-1988 در شکل (4) نشان دادهشده است. مقادیر شاخصی که بهمنظور تحلیل کیفیت نتایج واسنجی به کار رفتند نیز در جدول (2) آورده شدهاند.
نتایج واسنجی نشان میدهد که مدل همبستگی مناسبی با دادههاي اندازهگیري شده شدتجریان رودخانه در محل ایستگاه تکاب نشان میدهد. شکل (4) گویاي این مسئله است که مدل در اکثر ماههاي سال انطباق خوبی را با دادههاي اندازهگیري نشان داده، از طرفی چون نقاط پیک براي 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 اندازهگیري شده نشان داده که این مسئله براي مدل ضعف محسوب نمیشود زیرا میتواند بهعنوان یک ضریب اطمینان در زمان به وقوع پیوستن سیلاب در نظر گرفته شود.در ادامه پژوهش شبیهسازي جریان رودخانه با استفاده از مدل SWAT براي سایر مدلهاي رقومی ارتفاعی با ابعاد سلولی مختلف بر اساس مقادیر پارامترهاي 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 مدلهاي رقومی ارتفاعی در محاسبه دبی ماهانه (رواناب) براي یک سال بحرانی در شکل (5) نشان دادهشده است
