بخشی از مقاله
چکیده
توانایی سطح در تولید روانآب یک فاکتور کلیدی در کمیت و کیفیت استحصال آب در سامانه های سطوح آبگیر باران است. مدلهای مختلفی برای شبیه سازی کمیت روانآب تولیدی در استحصال آب باران و برای سطوح مختلف جمع آوری قابل استفاده می باشند که برمبنای خصوصیات هندسی و فیزیکی سطح جمع آوری کننده می توانند تخمینی از مقادیر روانآب استحصال یافته ارائه دهند. تحقیق حاضر به منظور بررسی کارائی نسخه دامنه مدل فرآیندی WEPP در شبیه سازی و تخمین تولید روانآب در سه شیب مرتعی 25 - ، 35 و 45 درصد و در پوشش های مختلف طرح ریزی و اجراء شد. نتایج تحقیق نشان داد که بیشترین دقت مدل در شیب 45 درصد بود.
میزان خطای برآورد مدل، عمدتا به صورت کم برآورد بود. رابطه ریاضی حاکم بین مقادیر مشاهده ای و برآوردی در بیشتر موارد به صورت غیرخطی است. در مجموع کارائی مدل در برآورد تولید روانآب در هر سه شیب نسبتا بالا است. بیشترین تعداد وقایع روانآب، مربوط به شیب 25 درص د و کمترین آنها مربوط به شیب 35 درصد بود، که عامل اصلی آن وضعیت پوشش و مدیریت بوده است. این امر مبین آن است که مدل به خوبی به وضعیت پوشش و مدیریت در بخش شبیهسازی روانآب حساس میباشد
واژه های کلیدی: تولید روانآب، مدل WEPP، شیب، تیپ پوششی مرتعی
مقدمه
امروزه واژه فنآوری محیطی که دربردارنده سه مرحله مدلسازی ریاضی، شبیه سازی و تحلیل سیستمهاست در طراحی محیط و مطالعه فرآیندهای محیطی کاربرد وسیعی دارد. اصولاً تعیین روابط و عوامل دخیل در بروز یک فرآیند و نمایش آن به صورت مجموعه قوانین ریاضی منتهی به یک مدل یا لگو میگردد. مدلها به صورت آنالوگ یا فیزیکی و یا مدل ریاضی میباشند . مدل WEPP ازدسته مدلها ی ریاضی است که به شکل پیوسته و با استفاده ازمفاهیم فیزیکی، متغیرهای وابسته روانآب و فرسایش را با استفاده ازشبیه سازی دینامیک متغیرهای مستقل که ازنظرتئوریک با تولید روانآب و فرسایش خاک مرتبط هستند، روندیابی وپیش بینی می کندبا هدف توسعه نسل جدید فن آوری پیش بینی روانآب و فرسایش، پروژه WEPP توسط سرویس تحقیقات کشاورزی آمریکا - -USDA . - ARS لابراتوار تحقیقات فرسایش خاک آمریکا - . - NSERL
سرویس حفاظت منابع طبیعی آمریک ا - - USDA-NRCS سرویس جنگل . - USDA-FS - دفتر مدیریت اراضی آمریکا - - LMB و سرویس سازمان زمین شناسی آمریکا ابداع و توسعه یافت. این فن آوری مبتنی بر علوم جدید هیدرولوژی پایه و مکانیک فرسایش است. این مدل پراکندگی مکانی و زمانی از روانآب و تلفات خاک و ته نشست رسوب، رشد گیاه و تجزیه بقایا را شبیه سازی می کند. این مدل فیزیکی و دینامیک است و توالی محاسباتی آن شامل توزیع و مرتب سازی پارامترهای ورودی، شبیه سازی پیوسته و در نهایت پیش بینی متغیرهای فرسایش است. در ادامه به منظور فهم جزئیات کارکردی مدل به ذکر کلیات ومفاهیم ریاضی حاکم برمدل WEPP می پردازیم.
مدل WEPP در سه نسخه اصلی دامنه، آبخیز و شبکه در دسترس می باشد.نسخه دامنه یا پایه دارای نه جزء بوده که اطلاعات آنها در چهار فایل ورودی اصلی - اقلیم، خاک، مدیریت و پوشش گیاهی و همچنین فایل توپوگرافی - به مدل وارد میشود. این نه جزء عبارتند از مولد اقلیم، جزء هیدرولوژی دامنه، هیدرولوژی زمستان، جزء خاک، جزء رشد گیاه، جزء مدیریت و تجزیه بقایا، جزء هیدرولیک جریانسطحی، جزء فرسایش و جزء آبیاری می باشند.هر دامنه به واحدهای کوچکتری به نام عناصر جریان سطحی 1F0 - OFE - تقسیم میشود که به طور تیپیک هر OFE ناحیه ای از دامنه است که از نظر خاک، کشت و مدیریت همگن ولی در پستی و بلندی متغیر باشد. هر دامنه حداقل یک OFE میتواند داشته باشد .[3]
روانآب محاسبه شده در جزء هیدرولوژی به زبری سطح بسیار حساس است. در مدل WEPP زبری با تفکیک به سطوح شیار و بین شیارﻭکانال و لحاظ نمودن اثر فاکتورهای پوشش سطح و بقایا، رشد گیاه و زبری تصادفی در آن با استفاده از معادلات ریاضی که در مدل توسعه یافته اند محاسبه میشود .[11]مطالعات گسترده ای روی این پروژه در آمریکا و سایر نقاط جهان انجام و یا در حال انجام است. اینو مدل دائماً در حال تکمیل و تحول است ویلکاکس و همکاران [9] کارائی نسخه پایه مدل WEPP را در پیش بینی رواناب در 90 نقطه در پلاتهای آزمایشی بزرگ به ابعاد 3/05*10/67 متر در اراضی مرتعی با مدیریتهای رایج در 6 ناحیه مرتعی آمریکا ارزیابی کردند.
آنها همبستگی معنی داری بین نوع مدیریت مرتع و پیش بینی فرسایش توسط مدل WEPP بدست آوردند ولی بین مقادیر رواناب پیش بینی شده و اندازه گیری شده همبستگی ضعیفی وجود داشت که این امر را ناشی از ضرایب اعمال شده در معادله گرین-امپت در نسخه پایه مدل دانستند.باون و همکاران [2] کارائی نسخه پایه مدل WEPP را در پلاتهای آزمایشی به ابعاد 10*4 متر با شیب های 30، 35، 40، 45، 50 و 60 درصد به بوته آزمایش گذاشتند. نتایج آنها نشان داد که مدل WEPP در مقادیر رواناب بالاتر از یک میلیمتر عمق به خوبی و با دقت بسیار بالائی رواناب را تخمین میزند بطوریکه در 62 بار شبیه سازی باران در شدتهای متفاوت، در اکثریت موارد انطباق بین رواناب محاسبه شدهﻭاندازهگیری شده وجود داشت و فقط در چهار واقعه از 62 واقعه بارندگی تفاوت معنی دار بود.
ویلکاکس و سیمانتون [10] نسخه دامنه مدل WEPP را در پیش بینی رواناب در 90 پلات 32 متر مربعی مرتعی در یک ناحیه نیمه خشک آمریکا ارزیابی کردند. این مدل با دقت بالائی رواناب را در پلاتهای دست خورده پیش بینی نمود ولی در پلاتهای دست نخورده باید اعداد حاصل را در ضریب تصحیح ضرب نمود.گیدی و آلبرت [4] کارائی مدل WEPP را در بر آورد رواناب و تولید رسوب در شیوه ها مدیریتی رایج در آمریکا مورد ارزیابی قرار دادند برای این کار آنها از اطلاعات 11 ساله 28 پلات آزمایشی باران طبیعی که در آنها 7 شیوه مدیریت حاکم در منطقه اعمال شده بود استفاده کرد و به این نتیجه رسید که بجز در بارندگیهای با مقادیر رواناب پائین که این مدل رواناب و فرسایش را بیش از مقدار واقعی تخمین میزدنسخه پایه مدل WEPP با دقت بالائی مقادیر رواناب را تخمین میزد.
گیدی و همکاران [5] نیز با روش مشابهی کارائی نسخه آبخیز مدل WEPP را در یک حوزه آبخیز کوچک 5/6 هکتاری که حاوی 8 دامنه و 3 کانال بود برای ده رگبارش تند ارزیابی کردند و به این نتیجه رسیدند که این مدل مقادیر رواناب و تلفات خاک را بین 10/4 تا 44/9 درصد بیش از مقدار واقعی برآورد میکرد . همچنین نشان دادند که این خطا در مقادیر کم رواناب بیشتر بود ولی در 9 واقعه از 10 واقعه رگبارش تلفات خاک محاسبه شده با مقادیر اندازه گیری شده همبستگی بسیار نزدیکی داشت. در این تحقیق سعی شده است ضمن شناخت روند حاکم بر فرآیند تولید روانآب، کارائی و نقاط ضعف وقوت مدل WEPP که ازآن به فنآوری تعبیر میشود در پیش بینی تولید روانآب در یک دامنه واحد، بررسی شود. هدف اصلی این تحقیق تعیین قابلیت مدلWEPP در تخمین تولید رواناب در دامنه واحد و در شیبهای مختلف و ترکیب پوشش گیاهی متفاوت بود.
مواد و روشها
این طرح در محدوده حوزه آبخیز رودخانه قره سو که یکی از سر شاخه های اصلی کرخه میباشد انجام شد. محل نصب پلاتها، دامنه شمالی کوه سفید در هفت کیلومتری جنوب شرقی شهر کرمانشاه بود. متوسط بارندگی سالانه 470 میلی متر - متوسط دوره آماری 30 ساله - ، دارای اقلیم سرد خشک، جهت شیب عمدتاً در جهتهای شرقی، غربی، شمالی و جنوب غربی، ارتفاع از سطح دریا 1550 متر است . خاک دامنه ها مهنی عمیق همراه با واریزه های ریز ، بافت خاک نسبتاً سنگین ، سنگ مادری منطقه سنگ آهک است . براساس نقشه رژیم رطوبتی و حرارتی خاکها و براساس آمار هواشناسی خاکهای محدوده مورد مطالعه دارای رژیم حرارتی مزیک هستند و مشتمل بر خاکهایی هستند. عمده رده خاک شناسائی شده در منطقه دو رده Entisols که دارای دو زیر گروه بزرگLithic Xerorthents در اراضی مرتعی و Typic xerorthents در اراضی دیم و Mollisol که دارای زیرگروه بزرگ Typic calcixerolls بود. مشخصات خاکشناسی پلاتها در هر شیب درجدول 1 ارائه گردیده است .
سازندهای این ناحیه عمدتا از سازندهای زاگرس منظم شامل سازند کرمانشاه ، سازند سروک و سازند ایلام است همچنین سازند زاگرس رو رانده که حاوی رادیولاریت است در این منطقه یافت می شود. اقلیم منطقه از روش آمبرژه نیمه خشک سرد تا نیمه مرطوب سرد است .[1] حال پلاتهای آزمایشی جمع آوری رواناب و رسوب با 3 تکرار در شیبهای 25 ، 35 و 45 درصد مرتعی نصب گردید پلاتها در محلهای تعیین شده نصب گردید. رواناب جمع آوری و در پایان هر بارندگی اندازه گیری شد. ابعاد پلاتها با بررسی منابع مطالعاتی معادل 10×3 مترمربع در نظر گرفته شد .همزمان در داخل ایستگاه وسائل ثبت داده های اقلیمیاز قبیل باران نگار ثبات با دیتا لاگر و دماسنج دماسنج معمولی و ماکزیمم و مینیمم ثبات نصب گردید تا اطلاعات اقلیمی منطقه را در طول دو سال بصورت روزانه ثبت کند.
سایر اطلاعات اقلیمیاز جمله سرعت و جهت باد و تشعشع خورشیدی و درجه حرارت نقطه شبنم از ایستگاه سینوپتیک کرمانشاه که به فاصله 5 کیلومتری محل قرار دارد تهیه میگردد. در طول دو سال جمع آوری روانآب و رسوب در مجموع 16 واقعه بارندگی روانآب ساز بوقوع پیوست.جهت داده برداری و ثبت اطلاعات مدیریتی زمان ورود و خروج دام به مرتع ثبت گردید و نیز درصد پوشش بقایای گیاهی و نیز پوشش زنده و نوع پوشش در شروع دوره جهت ثبت در فایل شرایط اولیه اندازه گیری و ثبت شد. در مرحله بعد با استفاده از نسخه اشاره شده از مدل WEPP و با فرض هر یک از پلاتها به عنوان یک دامنه - Hillslope - و با جمع آوری و تهیه چهار فایل مورد نیاز مدل، میزان رواناب، در هر بارندگی موثر به صورت پیوسته - سالانه - و در هر پلات توسط مدل برآورد میگردد. فایل های ورودی و داده های مورد نیاز آنها و طرز اندازه گیری به قرار زیر میباشد:
پارامترهای فایل شیب شامل داده های هر پلات به عنوان یک دامنه واحد شامل طول و عرض و درصد شیب هر پلات، شکل دامنه و جهت آن ثبت شد و در این فایل به مدل وارد گردید. پس از تعریف پروژه برای هر کاربری و شیب ، مختصات هندس ی هر پلات و در مجموع 9 پلات در فایل های جداگانه ای تحت عنوان فایل شیب با پسوند *.slp به مدل وارد گردید.پارامترهای فایل خاک در بردارنده پارامترهائی از خصوصیات فیزیکی خاک سطحی و زیر سطحی برای ارائه در مدل می باشد. این پارامترها شامل هدایت هیدرولیکی مؤثر ke، فرسایش پذیر ی بین شیاری Ki، فرسایش پذیری شیاری Kr ، تنش برشی بحرانی U میباشد. مدل به مقادیر این پارامترها حساس می باشد . مدل این پارامترها را با وارد نمودن اطلاعات شامل: ظرفیت تبادل کاتیونی 1CEC1F، درصد شن، رس، ماده آلی و سنگ و سنگریزه برای هر لایه خاک - حد اکثر در 8 لایه و تا عمق حد اکثر 1 /8 متری - ، بافت خاک و درصد اشباع رطوبتی اولیه خاک محاسبه میکند . همچنین آلبیدو خاک سطحی خشک نیز در این فایل وارد میشود. اطلاعات مربوط به خاک برای هر پلات، در فایلهای جداگانه ای ثبت و با پسوند *.sol ذخیره گردید. نمونه فایل مربوط به کاربری پلات شماره در شکل 2 نشان داده شده است.
