بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت رواناب و رسوب تولید شده در مدیریت جامع حوزههای آبخیز، در این پژوهش، مدل هیدروژیکی توزیعی WetSpa بهمنظور برآورد رواناب حوزهی آبخیز خیاوچای مشکین شهر مورد استفاده قرار گرفت. برای این منظور، ابتدا نقشههای مدل رقومی ارتفاع، کاربری اراضی و بافت خاک منطقهی مورد مطالعه تهیه شدند. همچنین سریهای روزانهی بارندگی، دما، تبخیروتعرق پتانسیل، دبی و رسوب از سازمان آب منطقهای و هواشناسی استان اردبیل بهدست آمدند. سپس دادههای سال آبی 2007 تا 2010 برای کالیبراسیون و 2010 تا 2013 برای اعتبارسنجی مدل WetSpa در نظر گرفته شدند.
بر اساس نتایج، مدل WetSpa دبی جریانهای پائین را بهخصوص در مرحلهی اعتبارسنجی با ضریب نش - ساتکلیف 0/16، 0/11 و -3/55 نسبت به دبی جریانهای بالا با ضریب نش - ساتکلیف -0/019 ، 0/03 و -1361/66 ، بهتر برآورد کرد. ولی در کل، نتایج این مدل برای شبیهسازی رواناب غیر قابلقبول بوده است. این امر میتواند ناشی از استفاده از دادههای روزانهی دبی بهجای دادههای ساعتی باشد.
نتایج آنالیز حساسیت پارامترهای مدل WetSpa، نشان میدهد که پارامترهای ضریب افت آب زیرزمینی - Kg - و فاکتور تصحیح تبخیروتعرق - Kep - بهترتیب با رتبههای 1 و 2 بهعنوان حساسترین پارامترهای عمومی و پارامترهای حداکثر ذخیرهی آب زیرزمینی - Gmax - و ذخیرهی آب زیرزمینی اولیه - G0 - بهترتیب با رتبههای 11 و 10 ، بهعنوان پارامترهایی با کمترین حساسیت در واسنجی و عملکرد مدل در منطقهی مورد مطالعه هستند.
مقدمه
حفظ منابع آبی و خاکی کشور از مهمترین سیاستهای بنیادی محسوب میگردد. در کشور ما آثار و علایم فرسایش به سهولت به چشم میخورد و اکثر زمین-های حاصلخیز کشور در معرض خطر فرسایش قرار دارند و به تدریج حاصلخیزی خود را از دست میدهند. لذا برآورد دقیق فرسایش آبی، رواناب و تهنشست رسوبات برای ارزیابی پتانسیل هدررفت خاک، ظرفیت ذخیرهی سدها، پیشبینی وقوع سیلاب و برای بهبود مدیریت زمین و منابع آب بسیار مهم و ضروری میباشد.
به منظور پیشبینی این فرایندها علاوه بر استفاده از رواب تجربی ساده، در سالهای اخیر استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. تاکنون مدلهای هیدرولوژیکی متعددی جهت شبیهسازی فرآیندهای مختلف هیدرولوژیکی موجود در چرخهی آب و بهویژه فرآیند بارش - رواناب توس سازمانها و دانشمندان مختلف ارایه شده است - مریت1 و همکاران . - 2003 که هر کدام نقاط ضعف و قوت خاص خود را داشته و یا این که برای یک منطقهی خاص با شرای خاص و متفاوت از شرای کشور ایران ساخته شدهاند.
مدل هیدرولوژیکی WetSpa یا همان مدل انتقال آب و انرژی بین خاک، گیاه و اتمسفر، یک مدل ریاضی فیزیکی، کاملاً توزیعی و زمان پیوسته برای پیشبینی انتقال آب و انرژی بین خاک، گیاهان و اتمسفر در مقیاس ناحیهای یا حوزهای و مبتنی بر گام زمانی است. این مدل قابلیت شبیهسازی را در مقیاس حوزه، زیرحوزه و شبکهی سلولی با گامهای زمانی مختلف دارا است - لیو و دی اسمیت، . - 2004
بهرهمند و دی اسمیت - 2008 - دبی روزانهی حوزهی آبخیز رودخانه توریسا 2از شاخههای رودخانه هورناد در کشور اسلواکی را با استفاده از مدل WetSpa شبیهسازی نمودند و حساسیت پارامترهای مدل را مورد آنالیز قرار دادند. در نهایت ایشان با مقایسهی مقادیر شبیهسازی شده و مشاهده شده، ضریب کارایی مدل را 73 درصد و دقت مدل را در شبیهسازی رواناب روزانه خوب اعلام کردند.
همچنین فاکتور تصحیح تبخیروتعرق پتانسیل - Kep - بهعنوان حساسترین و ضریب افت آب زیرزمینی - Kg - بهعنوان پارامتر با کمترین میزان حساسیت انتخاب شد. صفری و همکاران - 2009 - کاربرد مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa را برای پروژهای در آمریکا مورد بررسی قرار دادند. آنها در این پژوهش برای ارزیابی عملکرد مدل از معیار یکپارچگی که نشاندهندهی میزان اختلاف شکل، اندازه و حجم هیدروگراف مشاهدهای و شبیهسازی شده است، استفاده کردند.
نتایج برای کالیبراسیون پنج رودخانهی حوزه، به جز رودخانهی بلو3، عالی تا خیلی خوب و برای کل دورهی اعتبارسنجی، خوب تا خیلی خوب بود که نشان داد مدل قادر است فرآیندهای هیدرولوژیکی مربوطه را با دقت شبیهسازی کند - در نتایج کالیبراسیون مدل، شاخص آماری ناش- ساتکلیف 70 تا 90 و نتایج اعتبارسنجی آن، 55 تا 85 درصد محاسبه گردید - .
دهقانی و همکاران - 1392 - دبی روزانهی حوزهی آبخیز معرف کسیلیان از زیرحوزههای رودخانهی تالار در استان مازندران را با استفاده از مدل WetSpa شبیهسازی کردند و با مقایسهی مقادیر دبی شبیهسازی شده و مشاهده شده در خروجی حوزه به این نتیجه رسیدند که مدل، جریان پایه را با ضریب کارایی 35/64 درصد بهتر از جریانهای حداکثر شبیهسازی میکند. همچنین نتایج آنالیز حساسیت نشان داد ضریب افت آب زیرزمینی - Kg - بهعنوان حساسترین پارامتر و ضریب درجه - روزبارش - Krain - بهعنوان پارامتر با کمترین حساسیت است.
مطالعات متعدد صورت گرفته در داخل و خارج از کشور نشان دهندهی کاربرد گسترده و توانایی بالای مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa در بررسی تغییرات مکانی - زمانی پارامترهای مختلف هیدرولوژیکی دخیل در تولید رواناب و تخمین دبی روزانه در مقیاس حوزهای میباشد. از این رو، هدف اساسی این پژوهش، شبیهسازی فرآیند بارش - رواناب و تخمین دبی روزانه با استفاده از مدل هیدرولوژیکی WetSpa در حوزهی آبخیز خیاوچای که یک حوزهی آبخیز نسبتاً بزرگ کوهستانی و سیلخیز است، میباشد.
مواد و روش ها
موقعیت جغرافیایی و خصوصیات منطقهی مورد مطالعه: حوزهی آبخیز خیاوچای از دامنههای سبلان منشأ گرفته و در نقطهی خروجی به رودخانه قرهسو متصل میشود و از آنجا از طریق رودخانه بزرگ دره رود به ارس می- پیوندد. این حوزهی آبخیز در مختصات جغرافیایی 47o 38' تا 47o 48' طول شرقی و 38o 12' تا 38 o 24' عرض شمالی قرار دارد. مساحت آن در حدود 142/72 کیلومتر مربع و بیشتر مساحت حوزه شامل اراضی با پوشش کم و اراضی زراعی و طبیعی میباشد. ارتفاع حداکثر آن 4566 متر و ارتفاع حداقل 1377 متر میباشد.
متوس شیب منطقه در حدود 40 است. منطقهی مورد مطالعه بر اساس روش آمبرژه و دمارتن اصلاح شده، دارای اقلیم نیمه خشک سرد و ارتفاعات است و بهطور کلی بخش اعظم سنگهای منطقهی مورد مطالعه مربوط به دوران کواترنر است. شکل 1، موقعیت جغرافیایی حوزهی مورد مطالعه را نشان میدهد. مدل WetSpa فرآیندهای مختلف هیدرولوژیکی مانند بارش، ذوب برف، بارش مازاد، نفوذپذیری، ذخیرهی برگابی، ذخیرهی چالابی، رواناب سطحی، تبخیروتعرق، نفوذ عمقی، جریان زیرسطحی، جریان آب زیرزمینی، بیلان آب و فرسایش خاک را برمبنای اصول فیزیکی مانند قانون بقای جرم و مومنتم شبیهسازی میکند.
همچنین جریان آبراهه در یک مقطع از مسیر و جریان سطحی در سطح سلول توس مدل مذکور روندیابی میشوند و در نهایت بیلان آبی کل حوزهی آبخیز - در خروجی - از جمع بیلان آبی سلولها تعیین میشود. روندیابی جریان سطحی و جریان آبراهه در مدل WetSpa با استفاده از معادلات تقریب موج پخشی سنت و نانت انجام میشود.
