بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه کاربرد مدلهای بارش رواناب برای تحلیل حوضههای آبریز بسیار گسترش یافته است و یکی از مهمترین و پرکاربردترین آنها در دنیا مدل SWAT میباشد. این مدل که یک مدل مفهومی نیمه توزیعی است برای استفاده از دادههای هواشناسی که مهمترین آن بارش میباشد از نزدیکترین ایستگاه هواشناسی به مرکز هر زیرحوضه استفاده میکند که دقت این روش پایین است. تعداد کم ایستگاههای اندازهگیری در بعضی مناطق و یا نقص در دادههای اندازهگیری و همچنین اهمیت استفاده از دادههای بارش در مدل SWAT نیاز به استفاده از منابع مختلف دادههای بارش و همچنین دادههایی با عدم قطعیت کمتر را نشان میدهد. برای بررسی این موضوع با استفاده از 36 سال داده روزانه بارش - 2012-1979 - ، چهار مجموعه دادهای مختلف در حوضه مهاباد به کارگرفته شد: -1 دادههای اندازهگیری شده وزارت نیرو و سازمان هواشناسی -2 دادههای -3 CFSR1 مجموع دادههای اندازهگیری شده و -4 CFSR دادههای به دست آمده از ماژول طراحی شده محاسبه روش درون یابی IDW به صورت روزانه. نتایج حاصله از به کارگیری این مجموعهها در مدل SWAT با استفاده از الگوریتم SUFI-2 واسنجی و نتایج آن با استفاده از تابع هدف نش ساتکلیف - - NS مورد بررسی قرار گرفت.
در ابتدا نتایج به کارگیری دادههای اندازهگیری زمینی و CFSR با هم مقایسه شد سپس خروجی مدل در حالت استفاده از مجموع دادههای اندازهگیری و CFSR با دادههای به دست آمده از روش IDW مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که استفاده از دادههای CFSRخصوصاً برای حوضههای با ایستگاههای کم، میتواند موجب بهبود خروجی مدل SWAT گردد. همچنین مقایسه مجموع دادههای بارش اندازه گیری شده و CFSR با دادههای بارش به دست آمده از روش IDW نشان میدهد که استفاده از دادههای به دست آمده از روش IDW نتایج بهتری را در خروجی حوضه بالادستی مخزن سد مهاباد نتیجه میدهد به طوریکه NS با استفاده از روش IDW در دوره کالیبراسیون و اعتبار سنجی به ترتیب 0/79 و 0/78 به دست آمده است این درحالی است که NS به دست آمده با استفاده از کل ایستگاهها به ترتیب برابر 0/56 و 0/71 میباشد. بهبود نتایجخصوصاً در ایستگاه کوتر که تراکم ایستگاهها در زیر حوضههای بالا دستی آن بسیار کمتر از زیر حوضههای دیگر میباشد به وضوح دیده میشود و NS در دوره کالیبراسیون و اعتبار سنجی به ترتیب برابر 0/7 و 0/6 به دست آمده است که در حالت استفاده از کل ایستگاهها 0/35 و 0/53 بوده است.
1. مقدمه
مدل SWAT یک مدل جامع و کامل در مقیاس حوضه آبریز میباشد که توسط سرویس پژوهش کشاورزی آمریکا برای پیش بینی تاثیر استراتژیهای مدیریتی مختلف بر جریان آب، رسوب، عناصر غذایی و تعادل شیمیایی در حوضه های آبخیز بزرگ و پیچیده با کاربری اراضی، خاک و شرایط مدیریتیِ گوناگون برای دورههای زمانی طولانی مدت، تهیه و ارائه گردیده است. واسنجی و حساسیت سنجی مدل با استفاده از بسته نرم افزاری SWAT-CUP انجام میگردد. این بستهی نرمافزاری حاوی پنج الگوریتم بهینه سازی شامل SUFI-2، PSO، GLUE، ParaSol و MCMC است. مدل SWAT برای شبیه سازی بارش-رواناب نیازمند دادههای هواشناسی روزانه شامل بارش، دما، رطوبت نسبی، سرعت باد و تابش است. این دادههای روزانه میتواند با بکارگیری مشاهدات و اندازهگیریهای روزانه مربوط به ایستگاههای هواشناسی به مدل معرفی شود. همچنین در مورد دادههای مفقودی، تولید دادههای اقلیمی و یا پرکردن گپها در اندازهگیریهای ثبت شده، از یک ماجول تصادفی به نام WXGEN موجود درون مدل SWAT که ورودی آن خصوصیات آماری بلند مدت سریهای زمانی کمیتهای هواشناسی است، استفاده میشود. مشاهدات مربوط به ایستگاههای هواشناسی در مقیاس مکانی نقطهایاند و قبل از بکارگیری توسط معادلات بیلان آب سطحی درون مدل باید به گستره واحدهای هیدرولوژیکی نرم افزار توسعه یابند. تبدیل نمودن دادههای نقطهای به دادههای گسترهای در زمینه مطالعات هواشناسی اصولا مبتنی بر روشهای درونیابی و زمین آمار انجام میگیرد و در این رابطه روشهای بسیار زیادی توسعه یافتهاند. این در حالیست که مدل SWAT در این زمینه از یک روش ساده تحت عنوان نزدیکترین همسایگی استفاده مینماید، به این صورت که دادههای هواشناسی هر زیرحوضه - و نه هر واحد هیدرولوژیکی پاسخ یا HRU با این توضیح که در SWAT هر زیرحوضه از چندین HRU تشکیل میشود - با استفاده از نزدیکترین ایستگاه هواشناسی معرفی میگردد. این روش میتواند منشا عدم قطعیت و خطای قابل ملاحظه گردد. شایان ذکر است که ماجول WGEN نیز مبتنیبر همین روش است.
برای رفع این مشکل درسالهای اخیر تحقیقاتی انجام شده است. Zhang و همکاران - 2015 - برای توزیع بارش فضایی - پهنهای مشاهدات نقطهای بارش است. - ، روشهای درونیابی قطعی مانند IDW و زمینآماری مانند کریجینگ را پیشنهاد کردند. Masih و همکاران - 2011 - روشهای مختلف برای به دست آوردن دادههای بارش فضایی مانند IDW و کریجینگ را مورد ارزیابی قرار دادند و نتایج خروجی مدل SWAT را با دادههای اندازهگیری شده در ایستگاههای هیدرومتری مقایسه کردند که نشان از افزایش عملکرد مدل، خصوصا در حوضههای کوچک دارد. همچنین 6]F]H QLDN و همکاران - 2014 - نشان دادند که روشهای پلیگون تیسن، روش معکوس فاصله - - IDW و کریجینگ معمولی - - OK نتایج بهتری نسبت به حالت استاندارد SWAT در به کارگیری دادههای ورودی بارش در این مدل دارد. درخصوص دادههای بارش گم شده نیز با استفاده از تخمین کرنال2 از 5 روش مختلف کرنال درونیابی صورت گرفت و در مدل هیدرولوژیکی SWAT به کارگرفته شد. [4]
تحقیقات دیگری که در دو دهه اخیر در خصوص دادههای ورودی هواشناسی برای شبیه سازی فرآیند بارش-رواناب با استفاده از مدل SWAT مورد توجه قرار گرفت، استفاده از منابع مختلف دادههای هواشناسی است. Vu و همکاران - 2011 - برای شبیهسازی رواناب با استفاده از مدل SWAT از 5 مجموعه داده بارشِ مشاهداتیِ شبکهبندی شده شامل: GPCP -4 PERSIANN-3 TRMM-2 APHRODITE-1 و -5نسخه ویرایش شده GHCN2 و دادههای بازتحلیل شده NCEP/NCAR استفاده نمودند و در نهایت نتیجه گرفتند که مجموعه دادهای APHRODITE نسبت به سایر دادهها در شبیهسازی رواناب در مقیاس روزانه عملکرد بهتری را از خود نشان داد. YU و همکاران - 2011 - با مقایسه دادههای بارانسنجی و دادههای TRMM ترکیب شده با دادههای اندازهگیری شده بارش در شبیه سازی هیدروگرافهای رودخانه با استفاده از مدل SWAT، نشان دادند که استفاده از دادههای TRMM ترکیب شده با دادههای اندازهگیری شده بارش عملکرد بهتری نسبت به دادهای اندازهگیری شده دارد. همچنین Yang و همکاران - - 2014 برای استفاده در مدل SWAT از 3 دسته داده بارش شبکه بندی شدهی NCEP-CFSR، APHRODITE3 و دادههای بازآنالیز روند-سطح چین استفاده کردند. آنها نشان دادند که هر چند این سه دسته داده با در نظر گرفتن شرایط توپوگرافی نتایج ضعیفی را ارائه میدهند اما دادههای APHRODITE و روند-سطح در حوضههای نسبتا مسطح، عملکرد مطلوبی دارند. Tuo و همکاران - 2016 - با به کارگیری منابع مختلف دادهها TRMM - و - CHIRPS، روشهای زمین آماری - IDW - و دادههای مشاهداتی در مدل SWAT تلاش کردند تا ورودیهای بهتری را به مدل بدهند، خصوصا که یک رکن اصلی در مدل SWAT، بارش بوده و دقت این داده ورودی میتواند تاثیر بسیار زیادی در رواناب خروجی حاصله از مدل داشته باشد. در این تحقیق نتایج نشان داد که روش IDW عملکرد بهتری نسبت به سایر روشها دارد.
در این مقاله استفاده از منابع مختلف دادههای بارش شامل اندازه گیریهای زمینی وزارت نیرو و سازمان هواشناسی برای شبیهسازی هیدرولوژیکی رودخانه مهابادچای واقع در حوضه دریاچه ارومیه به عنوان ورودی مدل SWAT مورد توجه است. همچنین روشهای مختلف درونیابی مکانی شامل نزدیکترین همسایگی و IDW بکار گرفته می شود. هدف این تحقیق بکارگیری منابع مختلف دادهای بارش در ترکیب با روشهای درونیابی در یک مطالعه موردی درون کشور، رودخانه مهابادچای، میباشد تا از این طریق بتوان ارزیابی نمود که بهترین ترکیب به نتیجه رسید. در این راستا یک ماجول محاسباتی در محیط نرم افزار Arc GIS 10.2 توسعه یافت.
2. مواد و روشها
1-2 منطقه مورد مطالعه
حوضه مهاباد با 1516 کیلومتر مربع مساحت در جنوب غربی دریاچه ارومیه واقع شده است. این حوضه دارای ارتفاع متوسط 1634 متر میباشد. رودخانهی مهاباد چای که در زبان محلی چومی سابلاغی نیز خوانده میشود، در جنوب غربی دریاچه ارومیه جریان دارد. این رودخانه به طول 26 کیلومتر، از دو شاخه اصلی به نامهای چمغوره و داغه و نیز تعدادی شاخه فرعی تشکیل شده است .دو شاخه اصلی رودخانهی مهاباد چای از کوههای واقع در 45 کیلومتری جنوب غربی شهر مهاباد سرچشمه گرفته و با طی مسیری، به دریاچه سد مهاباد وارد شده و رودخانه مهاباد را تشکیل میدهند. ایستگاههای آبسنجی بیطاس، کوتر و گردیعقوب سه ایستگاه فعال در زیرحوضهی رودخانهی مهاباد چای هستند. در این مطالعه از بخش بالایی دریاچه سد مهایاد چای استفاده شده است و نقطه خروجی حوضه مدنظر ورودی دریاچه سد میباشد. مساحت قسمت حوضه بالایی دریاچه سد مهاباد 812 کیلومتر مربع است. شکل 1 نمای کلی از موقعیت حوضه مهاباد چای است. شکل :1 نمایی از حوضه آبریز مهاباد و زیر حوضه تحت مطالعه در بالادست سد مهاباد. ایستگاههای هیدرومتری و دادههای اندازهگیری شده دبی در زیر حوضههای مشخص شده موجود میباشند. زیر حوضه شماره :1 زیر حوضه ورود به سد، زیرحوضه شماره :11 زیر حوضه ایستگاه هیدرومتری بیطاس و زیر حوضه شماره :14 زیر حوضه ایستگاه هیدرومتری کوتر. در مدل SWAT استفاده شده، حوضه آبریز به 27 زیر حوضه و 88 واحد واکنش هیدرولوژیکی - HRU - 4 تقسیم شد، که در شکل 1 زیر حوضه ها کاملا مشخص شدهاند. همچنین در منطقه تحت مطالعه از دادههای سه ایستگاه هیدرومتری بیطاس، کوتر و ورودی سد استفاده شد که به ترتیب در زیر حوضههای شماره 11 شماره 14 و شماره 1 قرار گرفته اند. مشخصات این دادهها در جدول شماره 1 موجود میباشد.
2-2 دادهها
مدلسازی با استفاده از مدل SWAT نیازمند نقشه خاک، نقشه کاربری اراضی، مدل رقومی ارتفاع - DEM - و دادههای هواشناسی میباشد. در این تحقیق برای نقشه خاک از نقشه جهانی خاکشناسی FAO، برای مدل رقومی ارتفاع از نقشه با قدرت تفکیک مکانی 30 متر استفاده شد. برای دادههای
