بخشی از مقاله
-1مقدمه
مدل سازي بارش رواناب براي ارزیابی منابع آب، تخمین جریان هاي رودخانه، پیش بینی سیلاب و طراحی کارهاي مهندسی می تواند مفید باشد. محققین هر چه بیشتر به دستیابی به مدل هاي هیدرولوژیکی و بویژه نتایج مدل هاي شبیه سازي نیاز دارند. مدل WetSpa یک مدل پیوسته هیدرولوژیکی-فیزیکی است که قابلیت پیشبینی سیلاب و شبیهسازي بیلانآبی، فرسایش، انتقالرسوب، کیفیت آب و مدیریت آبخیز را در مقیاس حوزه، زیرحوزه و شبکه سلولی با گامهاي زمانی مختلف داراست.
هر سلول شامل چهار لایه تاجپوشش، زون ریشه، زون انتقال و زون اشباع در جهت عمودي میباشد، در هر شبکه سلولی با استفاده از مجموعهاي از روابط فیزیکی و تجربی کلیه فرآیندهاي هیدرولوژیکی از جمله بارش، روانابسطحی، ذخیره برگابی، ذخیره چالابی، نفوذ، آبگذري، جریان زیرسطحی، جریان آب زیرزمینی و بیلانآبی در زونهاي ریشه و اشباع شبیه سازي می شود.
ورودي هاي مدل شامل: نقشه بافت خاك، نقشه DEM، نقشه کاربري اراضی و داده هاي زمانی بارش، درجه حرارت و تبخیر و تعرق پتانسیل است. داده هاي مشاهداتی دبی جهت کالیبراسیون انتخابی است. مدل WetSpa اولین بار توسط Wang و همکاران - 1997 - ابداع و سپس توسط - 2000 - De Smedt، Liu و همکاران - - 2003 و - 2009 - Zeinivand توسعه یافته است ورودي هاي مدل شامل: تیپ خاك، داده رقومی ارتفاعی، داده کاربري و داده هاي زمانی بارش و تبخیر و تعرق پتانسیل است. داده هاي مشاهداتی دبی جهت کالیبراسیون انتخابی است.
زینی وند - 1389 - در مطالعه اي توزیع مکانی فرسایش خاك و رسوب را در مقیاس حوزه آبخیز هورناد در کشور اسلواکی شبیه سازي نمود، نتایج شبیه-سازي فرسایش و انتقال رسوب براي دو رگبار متفاوت در حوزه آبخیز هورناد و مقایسه آن با مقادیر دبی و رسوب اندازه گیري شده قابلیت نسبتا بالاي این مدل را جهت پیش بینی فرسایش خاك در حوزه آبخیز نشان داد. در مطالعه دیگري کبیر و همکاران - 1389 - با عنوان کاربرد مدل هیدرولوژیکی توزیعی-مکانی WetSpa براي شبیهسازي رواناب در حوزه آبخیز کچیک، استان گلستان نقشه هاي توزیعی چون، ضریب روانآب پتانسیل، تراول تایم تا خروجی حوزه را تهیه و نهایتاً در هر سلول و کل حوزه و دبی خروجی حوزه را محاسبه نمودند.
ونگ و همکاران - 1997 - مدل توزیعی WetSpa را در حوزه آبخیز ترکلپ-مولنبیک در بلژیک اجرا نمودند و نتایج بیانگر این بود که مدل به خوبی قابلیت پیش بینی رواناب سطحی را داراست. علاوه بر این نشان دادند ترکیب مدل سازي توزیعی و GIS بسیار سودمند میباشد.
بهرهمند و همکاران - 2007 - در تحقیقی با عنوان مدل سازي هیدرولوژیکی توزیعی و آنالیز حساسیت در حوزه توریسا اسلواکی تطابق خوبی بین هیدروگراف هاي مشاهداتی و محاسباتی در خروجی حوزه نشان داد. پیش بینی هاي دبی روزانه مدل با دقت خوب %73 براساس معیار ناش ساتکلیف صورت گرفت. نتایج نشان داد که فاکتور اصلاح تبخیر و تعرق واقعی و Kgm - مقدار تبخیر از آب زیر زمینی - به ترتیب داراي بیشترین و کمترین حساسیت نسبی می باشند. - 2009 - Zhou از مدل WetSpa براي شبیه سازي فرآیند هاي توزیعی هیدرولوژیکی با لحاظ توزیع مکانی نفوذ ناپذیري در حوزه Kleine Nete بلژیک استفاده نمود.
نتایج نشان دادند که مدل می تواند حجم جریان را در خروجی حوزه شبیه سازي کند و تاثیر سطح نفوذ ناپذیر روي رواناب سطحی در نواحی شهري آشکار است. کبیر و همکاران - 2010 - مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa را در حوزه گرگانرود با مساحت 6717 کیلومترمربع مورد بررسی قرار دادند. نتایج شبیه سازي نشان داد تطابق خوبی بین هیدروگراف هاي محاسبه شده و مشاهده اي وجود دارد و با توجه به معیار ناش- ساتکلیف مدل هیدروگراف هاي روزانه را با دقت 71 تا 77 درصد پیش بینی کرد.
-2مواد و روش ها
حوزه آبخیز جعفرآباد در محدوده جغرافیایی 14 //، 38/ ، 54 o الی32 //،45 / ، 54 o طول شرقی و 00//، 43/ ، 36 o الی34 // ،52 / ، 36 o عرض شمالی واقع شده است. طول رودخانه اصلی 21/19 کیلومتر و شیب متوسط حوزه 42 درصد و مقدار متوسط بارندگی منطقه مورد مطالعه 610 میلی متر و بر اساس روش آمبرژه جزو مناطق با اقلیم مرطوب معتدل، مرطوب سرد و نیمه مرطوب سرد می باشد
شکل - 1 - موقعیت جغرافیایی حوزه آبخیز جعفر آباد
در شکل شماره 2 شماتیک مدل WetSpa و فرآیندهاي اصلی آن ارائه شده است.
شکل شماره – 2 شماتیک مدل WetSpa
در راستاي اجراي مدل نقشه هاي مدل ارتفاعی رقومی منطقه با استفاده از نقشه هاي 1:25000 سازمان جغرافیایی کشور با خطوط تراز 20 متري با ابعاد سلولی 50 در 50 متر تهیه شد و نقشه بافت خاك که بر اساس آن خاك منطقه از بافت سیلتی رسی لومی با 89/69 درصد و بافت رسی لومی با 10/31 درصد از مساحت حوزه را شامل شده مورد استفاده قرار گرفت در ادامه نقشه کاربري حوزه با همان ابعاد سلولی تهیه شد که بر اساس مطالعات صورت گرفته منطقه مورد نظر از 4 نوع کاربري تشکیل شده که مناطق جنگلی انبوه با 41/80 درصد، مناطق جنگلی نیمه انبوه با 25 درصد، مناطق زراعی با 10 درصد و مناطق مسکونی با 5 درصد از اراضی حوزه را شامل می شوند.
داده هاي هیدرولوژیکی – هواشناسی منطقه شامل داده هاي باران، دما، تبخیر و دبی روزانه بوده که براي این منظور از سه ایستگاه هواشناسی و یک ایستگاه هیدرومتري استفاده شد. همچنین دوره مطالعه آماري با توجه به داده هاي آماري موجود از سال 1381 الی 1383 براي مرحله کالیبراسیون و سال 1384 الی 1385 براي مرحله ارزیابی استفاده شد. در شکل هاي 3 تا 6 نقشه هاي کاربري اراضی، بافت خاك و نقشه رقومی ارتفاعی نمایش داده شده است.
شکل شماره – 3 نقشه کاربري اراضی
شکل شماره – 4 نقشه بافت خاك
شکل شماره – 5 نقشه DEM
در مرحله بعد براي مقایسه کارآیی مدل براي دبی خروجی شبیه سازي شده و دبی مشاهداتی در مراحل واسنجی و ارزیابی از معیار ناش – ساتکلیف و ضریب همبستگی استفاده شد. معیار ناش – ساتکلیف نشان می دهد که دبی هاي جریان تا چه حد توسط مدل درست شبیه سازي شده اند و معادله آن بشرح ذیل می باشد :
:NS شاخص کارایی ناش – ساتکلیف بوده که براي ارزیابی توانایی شبیه سازي جریان آبراهه بکار می رود.
مقدار NS از یک مقدار منفی تا 1 در تغییر است و زمانی که میزان آن 1 باشد نمایانگر انطباق کامل بین هیدروگراف هاي مشاهده اي و مقدار جریان رودخانه اي شبیه سازي شده توسط مدل می باشد.
: Qoi جریان مشاهده شده شده، Qsi مقدار جریان مقدار شبیه سازي جریان و Qo متوسط جریان رودخانه اي مشاهده شده وn، تعداد گام هاي زمانی در طول دوره شبیه سازي می باشد.
-3نتایج
در این بخش هر دو گروه داده هاي ورودي شامل داده هاي مکان محور - نقشه هاي کاربري اراضی، بافت خاك و نقشه مدل ارتفاعی رقومی - و داده هاي هواشناسی و هیدرولوژي شامل داده هاي روزانه دما، بارش، تبخیر و دبی در طول سال هاي آماري مورد نظر به مدل معرفی گردید و سپس مدل اجرا گردید. در مرحله کالیبراسیون دوره آماري از سال 1381 تا 1383 بود. لازم به ذکر است مدل داراي 11 پارامتر کلی می باشد، که به منظور واسنجی، در نظر گرفته شده اند.
در این مرحله با تغییر پارامتر هاي موجود در فایل 11 - Input پارامتر - مدل کالیبره گردید. در مرحله بعد جهت اعتبار سنجی مدل دوره آماري 1384 تا 1385 به مدل معرفی گردید در نهایت مدل قادر بود به ترتیب با ضریب کارایی - ناش ساتکلیف - 55 و 48 درصد به ترتیب براي مراحل کالیبراسیون و واسنجی شبیه سازي را انجام دهد. مقدار ضریب همبستگی نیز براي این مراحل به ترتیب برابر با 0/74 و 0/7 برآورد گردید. شکل هاي 6، 7 ، 8 و 9 به ترتیب نقشه هاي شبیه سازي شده ضریب پتانسیل رواناب، ظرفیت ذخیره چالابی، نقشه سرعت جریان و ضریب زبري مانینیگ حاصل از اجراي مدل را بعنوان نمونه اي از نقشه هاي خروجی نمایش می دهند.
شکل شماره – 6 نقشه ضریب رواناب پتانسیل
شکل شماره –7 نقشه ظرفیت ذخیره چالابی
شکل شماره -8 نقشه سرعت جریان
