بخشی از مقاله
معرفي مدل نيمه فيزيکي SWAT در شبيه سازي فرآيندهاي هيدرولوژيکي
چکيده :
مطالعه چگونگي کاربرد مدل هاي مفهومي هيدرولوژي در حوضه هاي آبريز امروزه از مهم ترين مسائل مورد توجه محققان ميباشد. مدل هاي متعددي جهت مدل سازي هيدرولوژي حوضه هاي آبريز وجود دارد که با توجه به قابليت هاي اين گونه مدل ها و شرايط توپوگرافي و آب و هوايي و وسعت منطقه موردنظر، مدل مناسب انتخاب مي شود.
مدل SWAT مدلي مفهومي و نيمه توزيعي در مقياس حوضه آبريز بوده و داراي مبناي فيزيکي ميباشد و بيش تر از آن که نياز به برقراري معادلات رگرسيون براي توضيح روابط بين متغيرهاي ورودي و خروجي باشد، به اطلاعات ويژه اي درباره آب و هوا، خصوصيات خاک، توپوگرافي، کاربري اراضي و پوشش گياهي در حوضه آبريز نياز دارد و فرآيندهاي هيدرولوژيکي، کيفيت آب ، فرسايش خاک، مديريت مرتع و اثرات تغيير اقليم را شبيه سازي ميکند که دقت شبيه سازيها بر اساس خصوصيات منطقه و داده هاي موجود از ضعيف تا عالي متغير بوده است . از اين مدل ميتوان در مدل سازي هيدرولوژيکي حوضه هاي وسيع و پيچيده استفاده نمود. آنچه اين مدل را از ساير مدل هاي فيزيکي متمايز ميکند، توانايي تقسيم حوضه به واحدهاي کوچک تر ميباشد. در اين تحقيق ، به معرفي و کاربرد مدل SWAT پرداخته شده است .
کلمات کليدي: شبيه سازي SWAT مدل هيدرولوژيکي حوضه آبخيزRUs
مقدمه :
گستردگي مديريت نامطلوب منابع آب روند رو به ازدياد جمعيت توسعه فعاليت هاي کشاورزي و صنعتي از يک سو و نوسانات آب وهوا و تغييرات شرايط اقليمي از طرف ديگر شناخت پتانسيل هاي آبي هر منطقه را جهت تصميم گيري در حفاظت و استفاده بهينه از منابع آب ضروري ساخته است .
نگرش سيستميک به پاسخ حوضه و شبيه سازي فرآيندها از دستاوردهاي مهم پيشرفت علوم زمين در قرن
گذشته بوده است . با گسترش استفاده از کامپيوتر شبيه سازي سيستم هاي طبيعي رشد قابل ملاحظه اي يافته است .
معمولا شبيه سازي با پيش بيني وضعيت هيدرولوژيکي و برآورد مقادير عوامل معادله بيلان آبي و پارامترهاي سيکل هيدرولوژي را بررسي و تجزيه و تحليل مي کند. روش هاي متعددي براي تخمين مقادير پارامترهاي فيزيکي موثر در معادله بيلان آبي مثل بارندگي درجه حرارت باد و غيره وجود دارد. با وجود ارزش بسيار زياد داده هاي مشاهده اي دستيابي به آن ها مستلزم صرف زمان طولاني اندازه گيري با دستگاه هاي گران قيمت است و از طرف ديگر داده هاي مشاهده اي همواره در معرض تغييرات ايجاد شده توسط انسان در طبيعت هستند.
مدل نمادي از واقعيت است که مهم ترين ويژگيهاي دنياي واقعي را به صورتي ساده و کلي بيان ميکند. مدل ها ابزاري عملي هستند که ميتوان به کمک آن ها به درکي از واقعيت البته نه کل واقعيت بلکه بخش مفيد و قابل فهم آن دست يافت (رفاهي، ١٣٨٦). بدين ترتيب مدل در يک حوضه آبريز، بيانگر تقريبي کليه فرآيندهايي است که در حوضه حادث ميگردد( تلوري، ١٣٧٥).
مدل هاي هيدرولوژيک با دو هدف اساسي طراحي ميشوند. هدف اول درک بهتر از رفتارهاي هيدرولوژيکي و نحوه تغيير رفتارها و اثرات آن و هدف دوم سنتز داده هاي هيدرولوژيکي به منظور طراحي منابع آب ، کنترل سيل ، تعديل جريان آب و در کل ، برنامه ريزي و پيش بيني جريان ميباشد (خليقي سيگارودي و همکاران ، ١٣٨٨).
مديريت صحيح حوضه هاي آبخيز يکي از مهم ترين روش هاي استفاده بهينه از منابع آب و خاک ميباشد. براي اين کار، نياز به اطلاعات جامع و کاملي از روش هاي مديريتي و اجرايي متفاوت است . در کشور ما اکثر حوضه هاي آبخيز، به ويژه حوضه هاي آبخيز کوهستاني، فاقد ايستگاه هاي هيدرومتري به تعداد کافي ميباشند و هرگونه برنامه ريزي عمراني و مديريتي را با مشکل مواجه ميسازند. براي مقابله با اين معضل ، متخصصين علم آبخيزداري، هيدرولوژيست ها و محققين منابع آب راه حل هاي مختلفي مانند فرمول هاي تجربي و مدل هاي رياضي و کامپيوتري عرضه کرده اند که تاکنون هيچ يک نتوانسته اند راه حل مطلوبي ارائه دهند. عقيده بر اين است که شبيه سازي پديده هاي هيدرولوژي در حوضه هاي آبخيز ميتواند راه حل بهينه اي براي آن ها باشد.
باپيشرفت وگسترش علم هيدرولوژي دانشمندان اين علم بر اين باورند که اثرات متقابل فرآيندهاي هيدرولوژيکي به کمک مدل سازي پيوسته و فيزيکي قابل تجزيه و تحليل و بررسي است . اگرچه پيش نياز اين گونه مدل ها اطلاعات کامل و دقيقي از خصوصيات خاک وضعيت کاربري اراضي و اطلاعات هيدروکليماتولوژي منطقه است ليکن خروجي هاي مطلوبي از کميت و کيفيت مولفه هاي جريان را به همراه دارد. تاريخچه اي از م هاي هيدرولوژيکي حاکي از آن است که هدف مدل هاي هيدرولوژيکي ساده سازي جنب هاي مهارتي سيستم ها در برآورد جزئي اتفاقات مي باشد(Andeson ١٩٨٥).
پيش بيني رواناب خروجي از يک حوضه آبخيز براي برنامه ريزي و مديريت منابع آب از اهميت بسياري برخوردار است
يکي از روش هاي انجام اين پيش بيني استفاده از مدل هاي هيدرولوژيکي مي باشد. براي شبي سازي در مقياس حوضه هاي آبخيز مدل هاي هيدرولوژيکي عموما به دو دسته يکپارچه و توزيعي تقسيم مي شوند. مدل هاي يکپارچه قادر به بررسي تغييرات مکاني پارامترها در حوضه نميباشند در حاليکه مدل هاي توزيعي قادرند تغييرات مکاني پارامترها در مقياس حوضه آبخيز را لحاظ کنند با اين حال اجراي آن ها با صرف زمان بيشتري همراه است . در سال هاي اخير مدل هايي ارائه گرديده اند که ماهيت نيمه توزيعي داشته و در شبيه سازي حوضه هاي وسيع عملکرد موفقي ارائه کرده اند.
از جمله اين مدل ها که اخيرا در نقاط مختلف دنيا به صورت گسترده اي به منظور بررسي عوامل هيدرولوژيکي در حوضه هاي آبخيز چه از نظر کمي چه از نظر کيفي مورد استفاده قرار گرفته است مدل هيدرولوژيکي Soil and Water Assessment Tools(SWAT) ميباشد که توسط سرويس تحقيقات کشاورزي آمريکا تهيه شده است و از زماني که در اوايل سال ١٩٨٠ ايجاد شده ، قابليت هاي آن بطور پيوسته در حال توسعه بود است .استفاده هاي گسترده اي هم از اين مدل در سطح دنيا انجام شده که به مواردي ازن ها اشاره ميشود.
ارزيابي قابليت ها و کارايي مدل هاي هيدرولوژيک براي مناطقي با شرايط متنوع خاک و توپوگرافي با کاربري اراضي و جز اين ها در مقياس هاي مکاني متفاوت به منظور استفاده از اين مدل ها به عنوان ابزارهايي براي مديريت منابع آب امري لازم و ضروري است (٠٢٠٢ ;Guzha et al)
رستميان و همکاران در سال ٢٠٠٩ از مدل SWAT براي تخمين رواناب و رسوب حوضه بهشت آباد استفاده کردند. نتايج به دست آمده نشان دادند که SWAT در مجموع دبي رواناب را بهتر از غلظت رسوب شبيه سازي ميکند. آنان علت هاي ضعف مدل در شبيه سازي رواناب را ضعف شبيه سازي ذوب برف فرضيات مدل در انتقال جريان و تعداد کم داده ها برشمردند و کاستي هاي مدل را در شبيه سازي غلطت رسوب در واقع در شبيه سازي ضعيف جريان تعداد اندک داده ها و هم چنين عدم پيوستگي اطلاعات رسوب دانستند.
Jha و همکاران (٠٢٢٢) تحقيقي با عنوان مدل سازي کيفيت آب در آبخيز رودخانه راکون در آمريکا انجام دادند و توليد رسوب و نيترات را با استفاده از مدل SWAT شبيه سازي کردند. در اين تحقيق از داده هاي ٠٠ سال براي دوره واسنجي و ٠٠ سال براي اعتبارسنجي استفاده شد، و يک مرحله اعتبارسنجي براي توليد نيتروژن و فسفر آلي و فسفر معدني براي سه سال انجام شد. در بيش تر موارد ضريب کارايي مدل R٢ نش ساتکليف بيشتر از ٠.٧ بدست آمدند.
مطالعه اي در مالزي توسط Alansi (٠٢٢٢)، براي اعتبارسنجي مدل SWAT براي شبيه سازي و پيش بيني جريان آبراهه اي انجام شد که در آن نتايج شبيه سازي در مرحله واسنجي براي پايه زماني ماهانه با استفاده از ضرايب کارايي R٢ و نش ساتکليف به ترتيب ٠.٣٢ و ٠.٣٠ و در مرحله اعتبارسنجي ٢٩٢٠ و ٢٩٢٠ به دست آمدند. در اين مطالعه پنج سناريو براي مشخص کردن اثرات تغيير کاربري اراضي بر دبي جريان طراحي و نتايج سناريوها بررسي شدند.
Feyereisenو همکاران (٠٢٢٢) ، در تحقيقي در منطقه Georgia کشور آمريکا يک واسنجي براي آب پايه و يک آناليز حساسيت پارامترها را براي مدل SWAT انجام دادند. امتياز مدل نش ساتکليف براي شبيه سازي مجموع توليد آب ماهانه براي ١٠ سال ٠.٧٩ و براي توليد روزانه ٠.٤٢ بود.
الانسي و همکاران در سال ٢٠٠٩ از مدل SWAT براي شبيه سازي رواناب و بررسي تاثير تغييرات کاربري اراضي بر رواناب در بالادست حوضه برنام در کشور مالزي استفاده کردند وبه منظور ارزيابي مدل شبيه سازي شده نيز ضريب R٢ و ضريب تاثير نش ساتکليف به کار رفت . نتايج تحقيق حاکي از قابليت بالاي مدل SWAT در شبيه سازي و پيش بيني جريان رواناب در شرايط مرطوب گرمسيري است .
حسيني و همکاران در سال ٢٠١٠ تحقيقي با عنوان واسنجي و اعتبارسنجي مدل SWAT در منطقه طالقان انجام دادند. نتايج حاصل از واسنجي و اعتبارسنجي سالانه مشخص کرد که مقادير مشاهداتي و محاسباتي در دوره هاي واسنجي و اعتبارسنجي داراي همبستگي بيشتر و خطاي کمتري در قياس با دوره هاي زماني ماهانه و روزانه است و مقادير آن ها با احتمال ٩٥ درصد اختلاف معني داري را نشان نميدهد.
Chung و همکاران در سال ٢٠١٠ اقدام به برآورد نرخ تغذيه آب زيرزميني با استفاده از مدل ترکيبي SWAT و MODFLOW در حوضه اي در جنوب کره نمودند. آنان در تحقيق خود ماژول آب زيرزميني مدل SWAT را از طريق جايگزيني آن با مدل MODFLOW اصلاح کردند٩ Lou و همکاران در سال ٢٠١٠ اقدام به بررسي اندرکنش جريان اشباع -غيراشباع در حوضه اي در شرق چين با استفاده از ترکيب نتايج حاصل از شبيه سازي با استفاده از مدل SWAT و MODFLOW نمودند. نتايج حاصل از اين تحقيق بيانگر اهميت اين اندرکنش در مناطق با سطح ايستابي کم عمق مي باشد.
طالبيزاده و همکاران (٠٢٢٢) نتايج برآورد رسوب توسط مدل SWAT را با استفاده از نرم افزار -SWAT CUP و روش SUFI بررسي و پارامترهاي حساس در واسنجي را تعيين نمودند و مشاهده کردند که عدم قطعيت نتايج در داخل باندهاي اطمينان ٢٢ درصد تطابق خوبي با مقادير مشاهده اي داشته است .
١. معرفي مدل SWAT
SWAT مخفف Soil and Water Assessment Tool بوده که توسط سرويس تحقيقاتي کشاورزي آمريکا (Agricultural Research Service) ارائه شده و معرف مدلي در مقياس حوضۀ آبخيز ميباشد. مدل SWAT يک مدل سري زماني است که براي مدل سازي حوضه هاي بزرگ و پيچيده بکار ميرود.
