بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از روشهای مختلف برآورد سیلاب در حوضه های آبریز کوچک، آبراهه ها و خشکه رودهای فاقد آمار به دلیل عدم وجود ایستگاه هایآبسنجی و بعضاُ کوتاه بودن دوره آماری آنها اجتناب ناپذیر می باشد. پیچیدگی پدیده های هیدرولوژیکی و کمبود آمار و داده، تحلیل و پیش بینی وقایع هیدرولوژیکی را با مشکل مواجه می کند. امروزه برای دقت بیشتر، سرعت و سادگی در انجام محاسبات پیچیده هیدرولوژیکی، بطور گسترده از مدل های هیدرولوژیکی با مبنای فیزیکی سازگار در محیط GIS استفاده می شود.
در این مطالعه از مدل SWAT2009 بمنظور شبیه سازی رواناب خروجی زیر حوضه های بالادست شهر کرج استفاده شده است. دو حوضه کرج و کردان در مجاورت یکدیگر قرار گرفته اند و از نظر ویژگی های حوضه ای تاثیر گذار بر پاسخ هیدرولوژیکی، تشابه قابل قبولی دارند. در این تحقیق به منظور شبیه سازی رواناب در حوضه فاقد آمار کرج از مقادیر بهینه پارامتر های رواناب حاصل از واسنجی و اعتبار سنجی در حوضه دارای آمار کردان با بکار گیری مدل SWAT2009 استفاده شد.
نتایج حاصل از شبیه سازی آماری حاکی از آن است که مقادیر NS ، R2 در دوره واسنجی و اعتبار سنجی بترتیب معادل . /64 ، . /70 و . /61 ، . /66 می باشد. بنابر این با توجه به کارایی موثر مدل در حوضه دارای آمار کردان و تشابه کاربری اراضی، خاک و هیدروکلیماتولوژی دو حوضه مجاور قابلیت تعمیم پارامتر های جریان در حوضه های فاقد آمار بالا دست کرج وجود دارد.
مقدمه
درصد زیادی از حجم بارندگی در مناطق مختلف کشور، تحت تأثیر عواملی همچون سازند زمین شناسی، پوشش گیاهی، کاربری اراضی، شیب زمین و شکل حوضه آبخیز، به رواناب سطحی تبدیل می شود، لذا در طرح های جمع آوری و مهار آبهای سطحی، برآورد حجم رواناب حاصل از بارندگی اهمیت زیادی دارد. در بسیاری از حوضه های آبخیز که نیازمند برنامه ریزی منابع آب هستند، آمار ایستگاه های اندازه گیری ناقص است و یا ایستگاه های هیدرومتری برای اندازه گیری وجود ندارد و به نظر نمی رسد که در آینده نزدیک این مناطق دارای ایستگاه اندازه گیری شوند.
بنابراین، روش یا روش هایی که به کمک آن ها بتوان میزان رواناب حاصل از بارندگی در حوضه های فاقد آمار یا دارای آمار ناقص را تخمین زد، از اهمیت قابل توجهی برخوردار می باشند. یکی از این روشها استفاده از مدل های هیدرولوژیکی است که این امکان را می دهند تا با شبیه سازی فرایند بارش - رواناب ، رواناب حاصل از بارندگی در حوضه های فاقد آمار یا دارای آمار ناقص با کمترین هزینه و حداقل زمان، ارزیابی شود.
چون در حوضه های آبخیز امکان اندازه گیری تمام کمیت های مورد نیاز جهت تحلیل رواناب وجود ندارد، انتخاب مدلی که بتواند در عین سادگی ساختار و با استفاده از حداقل عوامل، رواناب حاصل از بارندگی را به طور دقیق پیش بینی کند، امری ضروری به نظر می رسد. تحقیق حاضر از یک مدل نیمه توزیعی در ارزیابی آب و خاک بنام SWAT استفاده شده است.
این مدل قابلیت اتصال به نرم افزار های GIS را دارا بوده و محدودیتی از نظر ورود حجم اطلاعات زیاد ندارد و برای استفاده در حوضه های پیچیده و با وسعت زیاد گسترش یافته است. این مدل کارآمدی مناسبی در شبیه سازی رفتارهای هیدرولوژیکی و مدیریت حوضه های آبخیز را داراست. در چندین سال گذشته محققان بسیاری از مدل SWAT در مطالعات خود استفاده نموده اند و کارایی این مدل را مورد بررسی قرار داده اند.
آرنولد و همکاران - 1999 - مدل SWAT را با نرم افزار GIS تلفیق کردند تا شدت جریان و جابه جایی رسوب را در ایالت تگزاس آمریکا - حوضه گولف - شبیه سازی نمایند متوسط شدت جریان های ماهانه پیش بینی شده توسط مدل در این تحقیق 5 درصد بیش از مقادیر اندازه گیری شده بود و همچنین در سال 2002 از مدل SWAT برای شبیه سازی هیدرولوژیکی در نواحی کوهستانی غیر کشاورزی با ذوب برف استفاده کردند.
عباسپور و همکاران - 2006 - با استفاده از مدل SWAT برای شبیه سازی تمام فرایندهای مؤثر بر کیفیت آب، رسوب و چرخه غذایی در حوضه تور کشور سوئیس نتایج بسیار خوبی برای شبیه سازی رواناب و نیترات و نتایج به نسبت خوبی برای شبیه سازی دو هفته یک بار رسوب و کل فسفر به دست آوردند. رستمیان - 1387 - در حوضه بهشت آباد - واقع در کارون شمالی - با استفاده از مدل SWAT اقدام به برآورد مقادیر دبی و بار رسوب کرده و دریافت که مدل SWAT برآورد دبی رودخانه عملکرد مناسبی داشته، اما در شبیه سازی دبی های اوج رودخانه موفقیتی نداشته است. همچنین توانایی مدل در برآورد بار رسوب را در حد متوسط ارزیابی نمود.
حسین سعادتی و همکاران - 1381 - با استفاده از مدل SWAT اثر تغییر کاربری اراضی بر روی دبی روزانه در حوضه آبریز کسیلیان را مطالعه کرد. نتایج حاصل از اجرای مدل نشان می دهد که دبی روزانه شبیه سازی شده با ضریب تبیین 69 درصد بوسیله مدل برآورد شده است که رضایت بخش بوده ولی در شبیه سازی رواناب های حداقل دارای دقت مناسبی نمی باشد.
بهنام آبابایی و تیمور سهرابی - 1388 - در پژوهشی عملکرد مدل SWAT در حوضه زاینده رود را مورد بررسی قرار دادند، نتایج واسنجی نشان داد که مدل SWAT می تواند تا حدودی ابزار مناسبی در رابطه با شبیه سازی شدت جریان رودخانه باشد. در این مطالعه برای محاسبه مقدار رواناب تولیدی از حوضه های بالادست شهر کرج و تاثیر آن بر شبکه جمع آوری آبهای سطحی شهر از مدل SWAT2009 استفاده گردیدو مقدار رواناب محاسبه شد.
غالباً مدل های هیدرولوژیکی را واسنجی و اعتبار سنجی می نمایند تا صحت عملکرد آنها تایید شود، ولی در بسیار از حوضه ها این امکان بدلیل عدم وجود ایستگاه های اندازه گیری وجود ندارد. بدین منظور از روش پارامترهای منطقه ای برای شبیه سازی استفاده شد و حوضه آبخیز کردان که در همسایگی حوضه کرج قرار دارد مبنای بدست آوردن پارامترهای منطقه ای در مدل SWAT قرار گرفت.
مواد و روش ها
مشخصات حوضه آبخیز مورد مطالعه :
در این مطالعه از دو حوضه ی بالادست شهر کرج و رودخانه کردان که در مجاورت یکدیگر قرار دارند استفاده شده است. محل قرار گیری این دو حوضه در شکل - 1 - نشان داده شده است. این دو حوضه در جنوب رشته کوه البرز و در استان تازه تاسیس البرز قرار گرفته اند. استان البرز از نظر موقعیت جغرافیایی از شمال به استان مازندران، جنوب به استان مرکزی و از غرب و شرق به استان قزوین و تهران محدود است.
حوضه شهر کرج در شرق و حوضه کردان در قسمت میانی استان البرز در همسایگی یکدیگر قرار دارند. این نواحی به علت قرار گرفتن در ناحیه شمالی کوه های البرز مرکزی، میان دره های پرپیچ وخم رشته کوه البرز، دره چالوس و رودخانه کرج در فصول سرد سال تحت تاثیر سیستم های شمالی، شمال غربی، غربی، به ویژه جنوب غربی بوده و دارای هوای مرطوب و خنک است.
در شرق شهر کرج، رودخانه کرج و در قسمت شمال غربی حوضه کرج، رودخانه کردان جریان دارد. این رودها از قلل مرتفع البرز سرچشمه گرفته و در پایاب خود به رود شور در شرق منطقه تبخیری اشتهارد وارد شده و سرانجام به حوضه سلطان قم می ریزند. در خروجی حوضه رودخانه کردان ایستگاه آبسنجی صومعه وجود دارد که میزان رواناب تولیدی از این حوضه را اندازه گیری و ثبت می کند.
معرفی مدل : SWAT
مدل SWAT یک مدل جامع و کامل در مقیاس حوضه ای می باشد که توسط دکتر جف آرنولد از سرویس تحقیقاتی کشاورزی آمریکا - Agricultural Research Service - ، برای پیش بینی تأثیر روش های مدیریتی متفاوت بر جریان، رسوب، عناصر غذایی و بیلان مواد شیمیایی در حوضه هایی با خاک وکاربری اراضی متفاوت برای دوره های زمانی طولانی ارائه شده است . مزایای این مدل این است که حوضه هایی که فاقد داده های برداشت شده می باشند نیز قابل شبیه سازی هستند و همچنین شبیه سازی حوضه های بزرگ و پیچیده و با راهکارهای مختلف مدیریتی بدون صرف زمان زیادی قابل اجراست.
مدل SWAT2009 دارای یک رابط گرافیکی با عنوان ArcSwat2009 می باشد که به عنوان یک Extension در محیط Arc Map از سری نرم افزارهای GIS کار می کند. در واقع اطلاعات ورودی به مدل و مراحل مدلسازی تماما در محیط گرافیکی ArcMap صورت می پذیرد. ابتدا برای معرفی حوضه، نقشه توپوگرافی به شکل DEM در خواهد آمد و به مدل معرفی می گردد، سپس مدل با آنالیز این نقشه مسیر جریان در حوضه مشخص خواهد کرد و تعداد زیر حوضه ها و مرز حوضه مشخص خواهد شد.
بعد از معرفی نقشه رقومی خاک، کاربری اراضی و کلاسه بندی شیب حوضه، مدل زیر حوضه ها را به قسمت های کوچکتر به نام HRU تقسیم خواهد کرد. HRU ها واحدهای واکنش هیدرولوژیکی می باشند که دارای خاک، پوشش گیاهی، شیب و مدیریت تقریبا یکسانی می باشند. مدل هیدرولوژیکی SWAT برای شبیه سازی روی معادله بیلان آبی پایه ریزی شده است. فرمول 1 این معادله را نشان می دهد.
