بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از روابط بارش و رواناب جهت مدیریت صحیح منابع آب سطحی در یک حوضه آبریز از اهمیت زیادی برخوردار است. بدلیل تنوع مدلهای شبیهسازی انتخاب یک مدل مناسب جهت شبیهسازی رواناب و اتخاذ تصمیم مناسب در پیشبینی فرآیندهای هیدرولوژیکی با توجه به محدودیتها و قابلیتهای آن در مطالعه حوضه بایستی مدنظر قرار گیرد. در این مقاله کارایی مدل هیدرولوژیکی SWAT در شبیهسازی رواناب حوضه آبریز رودخانه کلیبرچای مورد ارزیابی قرار گرفت. دورههای مشترک بمنظور شبیهسازی از یک بازه 13 ساله انتخاب و نتایج در دورههای روزانه و ماهانه در قالب معیارهای ارزیابی شامل ضریب همبستگی پیرسون - r - ، ضریب نش - E - و یک معیار خطا - RMSE - ، با هم مقایسه گردید. نتایج بدست آمده نشان داد، مدل هیدرولوژیکی SWAT رواناب ماهانه حوضه را هم در دوره واسنجی و هم در دوره اعتبارسنجی ، در مقایسه با رواناب روزانه با دقت مطلوبتری شبیهسازی نموده است.
واژه های کلیدی:بارش رواناب، شبیه سازی رواناب، مدل هیدرولوژیکی SWAT، حوضه آبریز کلیبرچای.
مقدمه
مدل هیدرولوژیکی SWAT که در سال 1990 ابداع شده است[1] یک مدل مفهومی نیمه توزیع حوضه رودخانه است، که از اطلاعات هواشناسی، خاک، توپوگرافی و پوشش گیاهی در حوضه آبریز جهت توصیف رابطه بین متغیرهای ورودی و خروجی استفاه میکند. از این مدل در تحقیقات زیادی استفاده شده است. در یک تحقیق که نتایج آن در سال 2015 منتشر شده است، در یک مطالعه در حوضه آبریز Jinjiang در جنوب شرقی چین با آب و هوای نیمه گرمسیر و مرطوب برای تجزیه و تحلیل اثرات تغیی ر کاربر ی اراضی، از مدل SWAT برای شبیه سازی رواناب حوضه استفاده شد. در نتایج این مطالعه به رضایت بخش بودن شبیه سازی فرایند رواناب روزانه، ماهانه و سالانه حوضه توسط این مدل اشاره شده است .[2]
در یک تحقیق دیگر که در سال 2015 منتشر شده است، در حوضه رودخانه Xedone در جنوب لائوس برای پیش بینی جریان رودخانه و شبیه سازی روزانه و ماهانه جریان از مدل SWAT استفاده گردید. در این پروژه که از روش SUFI2 برای تجزیه و تحلیل شبیه سازی استفاده شد، نتایج مطلوبی در شبیه سازی روزانه R2 - و NSE بزرگتر از - 0/70 و شبیه سازی ماهانه R2 - و NSE بزرگتر از - 0/80 در دوره واسنجی و اعتبارسنجی بدست آمد.[3] در یک تحقیق دیگر که نتایج آن در سال 1392 منتشر شده است، از مدل SWAT برای شبیه سازی هیدرولوژیکی حوضه فیروز آباد فارس استفاده گردید. نتایج با استفاده از روش SUFI2 در نرم افزار SWAT-CUP مورد آنالیز حساسیت و واسنجی و اعتبارسنجی قرار گرفت.
نتایج ضریب تعیین - 0/77 - و ضریب نش - 0/7 - نشان داد که مدل SWAT ابزار مناسبی برای در رابطه با شبیهسازی جریان در این حوضه می باشد .[8] در یک پژوهش که نتایج آن در سال1393 منتشر شده است، از مدل SWAT برای شبیه سازی جریان آب سطحی درآبخوان دشت سیلابخور برای بررسی کارایی استفاده از نتایج شبیهسازی جریان آب سطحی در افزایش دقت آب زیرزمینی استفاده گردید. با توجه به نتایج شاخص ارزیابی r2 که در دوره واسنجی 0/83 و 0/54 برای دوره اعتبارسنجی بدست آمد، در شبیهسازی جریان آب زیرزمینی با ترکیب مدل MODFLOW در 20 چاه پیومتریک منطقه استفاده شد. در نتیجه این تحقیق آمده است استفاده از نتایج نرم افزار SWAT در مدل آب زیرزمینی این حوضه کارایی مناسبی در افزایش دقت شبیهسازی در ماههای با بارش زیاد دارد .[9]هدف از این تحقیق شبیه سازی رواناب روزانه و ماهانه حوضه کلیبرچای با استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT می باشد.
مواد و روشها
معرفی منطقه مورد مطالعه و داده های مورد استفاده حوضه آبریز کلیبر چای واقع در شمال استان آذربایجان شرقی به وسعت 144960 هکتار یکی از زیرحوضههای رودخانه ارس است، این حوضه بین مختصات 38 38 و 39 8 عرض شمالی و 45 46 و 47 15 طول شرقی واقع شده است. رودخانه کلیبرچای در جنوب حوضه از کوههای قرهداغ سرچشمه گرفته و تا رودخانه ارس امتداد دارد. منطقه ای کوهستانی که از 300 تا 3000 متر ارتفاع داشته و متوسط بارندگی سالیانه در آن 380 میلی متر است. ، در این پروژه مساحتی بالغ بر 570 کیلومتر مربع واقع در مختصات بین 38 38 و 38 51 عرض شمالی و 46 45 و 47 14 طول شرقی که دراین تحقیق حوضه رودخانه کلیبرچایی جنوبی نامیده میشود، مطالعه شده است.
در این تحقیق ابتدا ایستگاه سینوپتیک کلیبر انتخاب و داده های دورههای همگن بارش، دما وتابش روزانه در طی سالهای 2000 الی 2012 انتخاب و در نرم افزار ArcSWAT وارد گردید. بدلیل عدم وجود داده های سرعت باد و رطوبت نسبی روزانه، از سایت سازمان هواشناسی میانگین سرعت باد و رطوبت نسبی ماهانه این حوضه استخراج و در فایل مربوط به اطلاعات ایستگاه بارگزاری شد. پس از اجرا کردن نرم افزار، فایل اطلاعات بدست آمده برای برای تجزیه و تحلیل حساسیت، واسنجی، اعتبار سنجی و تحلیل عدم قطعیت به نرم افزار SWAT-CUP منتقل و برای دوره روزانه از دبی روزانه و برای شبیه سازی دوره ماهانه از دادههای دبی ماهانه استفاده شد.استخراج شد.
همچنین جهت دقیق بودن اطلاعات دادههای شیب زمین و شبکه آبراهه، نقشهی DEM حوضه با دقت بالا - سلولهای30 متری - ، با استفاده از نقشه های بزرگ 1/25000 سازمان نقشه برداری تهیه - شکل - 3 و در مدل استفاده گردید.به دلیل متفاوت بودن میزان بارندگی در نقاط مختلف حوضه جهت اجرای شبیه سازی، دادههای بارش روزانه و ماهانه میانگین منطقهای حوضه نیاز است. در این پروژه برای این منظور از روشهای مختلف میانیابی از جمله ، روش چند ضلعی تیسن ، روش کریجینگ با استفاده از نرم افزار Surfer و روش IDW با استفاده از نرم افزار ArcGis استفاده گردید که با توجه به نتایج بدست آمده و مقایسه با آمار میانگین سالیانه روش IDW انتخاب گردید.
برای دادههای دبی مشاهداتی روزانه و ماهانه در دوره های مختلف واسنجی و اعتبارسنجی از دادههای ایستگاه هیدرومتری کلیبر استفاده شد. برای اصلاح داده های پرت آزمون Grubbs test for outliers با استفاده از نرم افزار XLSTAT انجام شد. دادههای پرت در دبی ماهانه با استفاده از رگرسیون تغییرات میزان دبی ماهانه نسبت به میزان بارش ماهانه، اصلاح گردید. جهت حصول به نتایج بهتر نیاز به استفاده از داده های همگن است که برای آزمون همگنی دادهها، آزمونهای Pettitt، SNHT، Buishand، von Neumann توسط نرم افزار XLSTAT انجام گردید و سری زمانی دادههای دبی همگن در دورههای روزانه و ماهانه منتخب توسط نرم افزار تفکیک گردید و پس از اجرای مجدد آزمونهای فوق برای شبیه سازی در دورههای واسنجی و اعتبارسنجی از دادههای همگن استفاده شد.داده های پوشش گیاهی و کاربری زمین - شکل - 2 از نقشه کاربری و پوشش گیاهی طرح آمایش زمین سازمان مدیریت و برنامه ریزی اصول پایه مدل سازی هیدرولوژیکی در :SWAT
مدل SWAT یک مدل سری زمانی است که مبنای مفهومی - فیزیکی - و نیمه توزیعی دارد. یک تیم از مهندسان کشاورزیARS در Temple Texas به رهبری جف آرنولد ، در اوایل 1990 این مدل را توسعه دادهاند . [4] با گسترش قابلیتهای آن در چند سال اخیر و به دلیل نیاز این مدل به لایه های اطلاعاتی خاک و کاربری اراضی و برای سهولت کاربرد و افزایش دقت آن از سال 2012 این نرم افزار با یک ابزار الحاقی به ArcGIS و به نام ArcSWAT تغییر نام داده است. برای انجام شبیه سازی نیاز به داده های روزانه هواشناسی از قبیل بارش و دما، تابش آفتابی، سرعت باد، رطوبت نسبی و اطلاعات مکانی حوضه از قبیل مدل رقومی ارتفاعی حوضه، نقشه کاربری اراضی و پوشش گیاهی مورد نیاز می باشد.
از این نرم افزار برای مطالعه اثرات کیفیت آب، رسوب، اثرات سموم و کودهای کشاورزی و شیوه های مدیریت آب در فاضلاب شهری و سایر موارد نیز استفاده میگردد. [5]مدل SWAT یک مدل فیزیکی است که بجای ترکیب معادلات رگراسیون به توصیف رابطه بین متغیرهای ورودی و خروجی میپردازد و نیاز به خواص آب و هوا، خاک، توپوگرافی، پوشش گیاهیو شیوههای مدیریت زمین در حوضه دارد. فرآیندهای فیزیکی مرتبط با حرکت آب ، حرکت رسوب، رشد محصول، چرخه مواد غذایی با داده های ورودی به طور مستقیم با این مدل شبیهسازی میگردد.
از مزایای مدل می توان به موارد زیر اشاره کرد: -1 حوضه با دادههای غیرمشاهداتی را می توان شبیهسازی نمود. -2 تاثیرات نسبی از دادههای ورودی - به عنوان مثال تغییرات در شیوه های مدیریت، آب و هوا، پوشش گیاهی، و غیره - بر روی کیفیت آب را می توان اندازهگیری کرد. -3 استفاده از ورودی به آسانی در دسترس است. -4 برای مطالعه فرآیندهای تخصصی مانند حمل و نقل باکتریها، حداقل اطلاعات مورد نیاز است. -5 محاسباتش کارآمد است. شبیهسازی حوضه بسیار بزرگ و یا انواع استراتژیهای مدیریت را میتوان بدون انجام بیش از حد سرمایهگذاری از زمان و یا پول انجام داد. -6 کاربران قادر به مطالعه اثرات طولانی مدت هستند. به عنوان مثال بسیاری از مشکلات فعلی شامل تجمع تدریجی آلاینده ها و تاثیرات آن بر روی آب پایین دست نیاز به چندین دهه است. در حالت کلی مدل SWAT یک مدل زمانی پیوسته است یعنی یک مدل با عملکرد بلند مدت است در نتیجه برای شبیهسازی دقیق تنها مسیریابی سیل مدل طراحی نشده است .[4]
روش شبیه سازی مدلSWAT
در این مدل ابتدا حوضه آبریز به زیرحوضه هایی بر مبنای نقشه های ارتفاعی - DEM - منطقه تقسیم، سپس با توجه به نقشه های خاک و نقشه کاربری اراضی به واحدهای واکنش هیدرولوژیک - - HRU تقسیم بندی می گردد. خصوصیات فیزیکی از قبیل شیب و ابعاد آبراهه برای زیرحوضه ها براساس نقشه ارتفاعی توسط مدل شبیهسازی میشود. در ابتدا مقدار رطوبت خاک، رواناب سطحی، چرخه عناصر غذایی، رسوب، رشد گیاهان و روش های مدیریتی برای هر HRU شبیه سازی گردیده و سپس این خصوصیات برای هر زیرحوضه متوسط وزنی گرفته میشود. رواناب محاسبه شده از هر زیر حوضه از طریق شبکه جریان، به روش ذخیره متغیر به سمت خروجی اصلی حوضه روندیابی میگردد.
با محاسبه بیلان آب برای هر HRU به وسیله حجم های ذخیره شامل برف، رطوبت پروفیل خاک، آبخوان های کم عمق و آبخوان های عمیق، عوامل بارندگی ، تبخیر و تعرق، رواناب سطحی نفوذ عمقی و جریان زیرسطحی بررسی میشود. مؤلفه رشد گیاه قادر به محاسبه تناوب زراعی و همچنین شبیه سازی مراحل رشد گیاهان مرتعی و درختان می باشد.رشد گیاه از توسعه سطح برگ، جذب نور و تبدیل نور جذب شده به بیوماس با استفاده از فرضیه راندومان مصرف تابش مشخص در گونه های گیاهی تعیین میشود .[6] اساس چرخه هیدرولوژیکی شبیه سازی شده توسط SWAT بر روی معادله تعادل آب بنا شده است:[4]در نتیجه به جهت پیچیدگی معادله برای مدل سازی به مواردی از قبیل: پارامترهای موثر در رواناب سطحی، ذوب برف، مشخصات رودخانه ها، جریان آب زیرزمینی، تبخیر و تعرق، بارش و غیره نیاز دارد. جدول - 1 - برخی از پارامترهای موثر را در شبیه سازی این مدل نشان میدهد:
