بخشی از مقاله
چکیده
بیلانآبی حوزه جهت ثبت تغییرات آب در سیستم هیدرولوژیکی و سنجش کارایی مدل با مقایسه نتایج شبیهسازي و مشاهدات میدانی کاربرد دارد. در این تحقیق با استفاده از مدل هیدرولوژیکی- توزیعی WetSpa روشی نوین جهت برآورد بیلانآبی با گام زمانی روزانه در حوزه آبخیز طالقان ارائه میشود. مدل با در نظر گرفتن حوزه بهصورت شبکه- هاي سلولی85x85 متر و با استفاده از نقشههاي مدل ارتفاع رقومی، کاربري اراضی و بافت خاك و دادههاي ورودي بارش، تبخیر و تعرق، دما و دبی روزانه یک دوره آماري 10 ساله - 1375-1384 - اجرا و کالیبراسیون مدل براي بازه زمانی 1375-1379 انجام شد. مدل بر اساس معیار ارزیابی کارایی نش- ساتکلیف با دقت 84/85 درصد مؤلفههاي هیدرولوژیکی سیستم آبخیز را برآورد میکند.
نتایج، رواناب محاسبه شده کل حوزه را 77/81 درصد در مقایسه با میزان رواناب مشاهداتی 75/35 درصد نشان میدهد. این مدل از معدود مدلهایی است که تأثیر ذخیره برگاب و ذوب برف در ایجاد رواناب را در نظر میگیرد. از کل بارش ورودي - 2118/48 میلیمتر - به سیستم آبخیز طالقان در طول دوره 5 ساله شبیهسازي، 5/42 درصد به صورت برگاب و تلفات برگاب از دسترس خارج میشود. میزان نفوذ از سطح خاك به عمق، معادل 87/18 درصد و رواناب سطحی 6/39 درصد بارش برآورد شده و میزان 23/35 درصد از بارش به صورت تبخیر و تعرق به اتمسفر برمیگردد. نتایج بیانگر قابلیت بالاي مدل در برآورد مؤلفههاي هیدرولوژیکی و به تبع آن شبیهسازي دقیقتر بیلان آبی میباشد.
مقدمه
ارزیابی و مدیریت کیفیت و کمیت منابع آب به صورت مکانی و زمانی در راستاي بهرهبرداري بهینه از این منابع ضرورت دارد. اولین گام در بهرهبرداري و مدیریت مناسب منابع آب، آگاهی از میزان ورودي و خروجی سیستم آبخیز به عبارتی منبع، مصرف و ذخیره آب میباشد. سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدلهاي هیدرولوژیکی- توزیعی در شبیه- سازي دینامیکی مسائل هیدرولوژیکی از جمله بیلانآبی، کمک به فرآیندهاي تصمیمگیري و ارائه راهکارهاي مدیریتی کاربرد فراوان دارند.
مقدار و شدت رواناب در مقیاس حوزه با توزیع مکانی سطوح نفوذناپذیر- پوشش غالب سطح زمین در آبخیزهاي شهري- در ارتباط نزدیک است و میتواند با مدلهاي هیدرولوژیکی- توزیعی برآورد شود Batelaan - و وضعیت سلامت آبخیز در حوزههاي آبخیز شهري تلقی میشود Dams - و همکاران، . - 2009 از طرفی از بین رفتن پوششگیاهی، توسعه شهرها، کاهش تغذیه آبهاي زیرزمینی و افزایش سیلابهاي شدید در حوزهها خسارات غیرقابل جبرانی را به بار میآورد.
جهت تجزیه و تحلیل این مشکل، برنامهریزي و پایش مدیریت منابع آبهاي شهري به آگاهی و اطلاع دقیق و کافی در رابطه با محیط زیست آبخیز شهري نیاز میباشد Dams - و همکاران، . - 2009 مدلهاي بیلان آب زیادي وجود دارد که در پیچیدگی، دقت، نوع کاربرد و محاسبه هر یک از مؤلفههاي بیلانآب تفاوت دارند. با استفاده از مدلهاي هیدرولوژیکی- فیزیکی بر پایه GIS مانند WetSpa میتوان روشی با دقت و کارایی بالا جهت برآورد دبی، نفوذ و تبخیر در حوزههاي آبخیز داراي کمبود آمار و ایستگاههاي آبسنجی ارائه داد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
آبخیز طالقان از زیرحوزههاي حوزه آبخیز سفیدرود در 90کیلومتري شمالغرب تهران با مختصات جغرافیایی 31 ' 5" 36º و 36º 23' 37" عرض شمالی و 50º 21' و 51º 1' 16" طول شرقی و مساحت 804/475 کیلومترمربع واقع شده است. متوسط بارندگی در سال 591 میلیمتر و متوسط دماي سالانه 4/48 درجه سانتیگراد میباشد. با ارتفاع متوسط معادل 2750 متر و شیب متوسط % 40/48 از حوزههاي کوهستانی محسوب میشود. خروجی حوزه به ایستگاه هیدرومتري گلینک منتهی میشود. شکل1 موقعیت جغرافیایی آبخیز طالقان را در استان تهران نشان میدهد.
روش تحقیق
مدل WetSpa1
WetSpa ك مدل پیوسته هیدرولوژیکی- فیزیکی است که قابلیت پیشبینی سیلاب و شبیهسازي بیلانآبی، فرسایش و انتقالرسوب Zeinivand - ، - 2009، یک مدل پیوسته هیدرولوژیکی- فیزیکی است که قابلیت پیشبینی سیلاب و شبیهسازي بیلانآبی، فرسایش و انتقالرسوب، کیفیت آب و مدیریت آبخیز را در مقیاس حوزه، زیرحوزه و شبکهسلولی با گامهاي زمانی مختلف داراست. مدل WetSpa اولین بار توسط Wang و همکاران - 1996 - ابداع و سپس توسطDe Smedt و همکاران - - 2000، Liu و همکاران - - 2003 و - 2009 - Zeinivand توسعه یافته است.
بر اساس شبکهسلولی طراحی شده مدل، هر سلول شامل چهار لایه تاجپوشش، زون ریشه، زون انتقال و زون اشباع در جهت عمودي میباشد Liu - وDe Smedt، . - 2004 در هر شبکهسلولی با استفاده از مجموعهاي از روابط فیزیکی و تجربی و با توجه به میزان بارندگی، تبخیر و تعرق و دما کلیه فرآیندهاي هیدرولوژیکی از جمله مقدار بارش، روانابسطحی، ذخیره برگابی، ذخیره چالابی، نفوذ، آبگذري، جریان زیرسطحی، جریان آب زیرزمینی و بیلانآبی در زونهاي ریشه و اشباع شبیهسازي می- شود.
ورودي مدل
نقشههاي مدل ارتفاع رقومی و کاربري اراضی - پوشش اراضی - حوزه تهیه شده از عکسهاي هوایی 1:20000 و 1:40000 و تصاویر ماهوارهاي لندست مربوط به سالهاي 1366 و 1380 پردازششده در محیط نرمافزاري ILWIS از مرکز تحقیقات حفاظتخاك و آبخیزداري کشور تهیه شد. به دلیل مشاهده پلیگونهاي تعریف نشده در نقشه کاربري اراضی حوزه با توجه به نقشه کاربري اراضی 1387 و تعریف رابطه توپولوژي براي پلیگونهاي نقشه در محیط GIS، نقشه نهایی پوششاراضی سال 1380 در قالب رستر با پیکسل سایز 85 متر با 6 کلاس پوشش اراضی شامل سطوح آب، جنگل پهنبرگان، اراضی دیم و آبی، مرتع و رخنمون سنگی استخراج شد.
به علت موجود نبودن نقشه بافت خاك طالقان، با توجه به گزارش مطالعات خاكشناسی آبخیز طالقان، نقشه واحدهاي اراضی و پروفیلهاي شاهد و نظر کارشناس مرکز تحقیقات حفاظت خاك و آبخیزداري، نقشه بافت خاك حوزه در محیط GIS در قالب رستر با10 کلاس بافت پردازش و تجزیه و تحلیل شد. بیشترین مساحت به کلاس شنیلومی، لومی و رسیلومی اختصاص یافته است. آمار و اطلاعات بارش، تبخیر و تعرق، دما و دبی روزانه از تماب تهیه شد.
بیلانآب در زون ریشه
ذخیره رطوبت خاك در واقع مقدار واقعی آب نگهداشت شده در واحد زمان در لایه خاك حاوي ریشه میباشد که با نفوذ آب از سطح خاك افزایش و با تبخیر و تعرق از زون ریشه و جریان زیرسطحی جانبی و نفوذ عمقی به سفره آب زیرزمینی کاهش مییابد. مدل WetSpa بیلان آبی را در زون ریشه براي هر سلول رستري محاسبه میکند. شکل2 بیلان آبی در مقیاس سلولی را به صورت شماتیک نشان میدهد.
