بخشی از مقاله
کاربرد مدل SWAT و کنترل بهینه حوزه آبخیز
چکیده
مدل SWAT، ابزاری جهت ارزیابی آب و خاک است که در مقیاس محلی برای بهبود مدیریت حوزه آبخیز توصیه میشود. این مدل، در سطح بین المللی به عنوان یک ابزار قوی پذیرفته شده و در حال حاضر در جهان به عنوان یک مدل قابل تطبیق که توانایی پشتیبانی از فرآیندهای چند منظوره محیطی را دارد، مورد استفاده قرار میگیرد، این ابزار مدیریت مؤثر حوزه آبخیز و تصمیم گیری آگاهانه برای توسعه بهتر آنرا حمایت میکند. دادههای ورودی شامل بارش،درجه حرارت، تابش خورشیدی، باد و رطوبت است که امکان ویرایش مجدد دادهها در نرم افزار به تعداد دفعات زیاد وجود دارد. در این مدل، ابتدا دادههای آب و هوایی یک دوره آماری حوزه آبخیز گرد آوری میشوند، سپس پارامترهای زمینی،شامل پوشش زمین و خاک در سامانه اطلاعات جغرافیایی )GIS( تعریف میشوند و محاسبات در ادامه به کمک روش سازمان حفاظت خاک )SCS( و شماره منحنی))CN انجام و جریان مسیریابی شده و بارش و رواناب حوزه برای یک دوره طولانی مدت شبیه سازی میشود. این روش برای ایالت متحده امریکا توسعه یافته و جهت استفاده در هر حوزه نیاز به کالیبره شدن دارد. این ابزار به صورت بالقوه قابلیت ارزیابی حوزههای کوهستانی را داراست. آنچه این مدل را از سایر مدلهای فیزیکی متمایز میکند، توانایی تقسیم حوزه به واحدهای کوچکتر میباشد. در این تحقیق، به معرفی و کاربرد مدل SWAT پرداخته شده است و تأثیر این ابزار در کنترل بهینه حوزه آبخیز مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: حوزههای کوهستانی، سامانه اطلاعات جغرافیایی ، شبیه سازی، مدیریت مؤثر حوزه آبخیز،. SWAT
-1 مقدمه
در سراسر جهان، فرسایش خاک یک نگرانی عمده برای پایداری سیستمهای کشاورزی و تهدیدی برای اکوسیستم-های آبی است. شیوههای مدیریت حفاظت خاک، به طور گسترده به منظور کاهش هدر رفت خاک از زمینهای زراعی و به حداقل رساندن تخریب و افزایش کیفیت آب مورد استفاده قرار میگیرند (بیرهانو و همکاران، .1(7002 مدل سازی یکی از چندین مجموعه ابزار قابل استفاده برای مدیریت منابع آب میباشد. مدلسازی کامپیوتری در چهار دهه گذشته، به طور فزایندهای توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است که دلیل اصلی آن را میتوان ظاهر شدن مدلها و روشهای جدید توسط مؤسسات تحقیقاتی و افزایش تقاضا برای ابزار توسعه یافته، در کنار افزایش فشار بر منابع آب داشت(رفسگارد، .2(2007 مقداری از مدلهای هیدرولوژی برای ارزیابی زمین، برای ارزیابی زمین، برایکیفیت آب مناسبند که از جمله آن ها1SWAT (ابزار ارزیابی آب و خاک)، میباشد. به عنوان مثال SWAT، به عنوان یک مدل هیدرولوژیکی در پروژه ایالت متحده )HUMUS( مورد استفاده قرار گرفت و نتایج نشان داد که شیوههای مناسب خاکورزی میتواند به میزان 20 درصد میزان رسوب رودخانه راک )ROCK(، را کاهش دهد (واچه و همکاران، کریس و همکاران، .2(7007 عدم قطعیت در هیدرولوژی حوزه آبخیز را میتوان با استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی حل کرد. مدل SWAT در مقیاس محلی میتواند مدیریت حوزه آبخیز را بهبود بخشد. در سالهای اخیر، مدل SWAT توسعه یافته توسط آرنولد3 و همکارانش در سال 1991 به عنوان یک مدل آبخیز پذیرش جهانی یافته و در سطوح وسیعی به اجرا در میآید (بیرهانو و همکاران، .(2007 این مدل برای پیش بینی اثرات شیوههای مدیریت زمین بر منابع آب، رسوب، کشاورزی در حوزههای بزرگ و پیچیده با خاک و کاربری اراضی مختلف استفاده میشود (چو و شیر محمدی، .7002 روسنتال و همکاران، .1991 بینگر، SWAT .4(1991 یک مدل چند منظوره است که برای یکپارچه کردن فرآیندهای زیست محیطی میتواند مورد استفاده قرار گیرد. فرآیندهایی که مدیریت حوزه آبخیز را حمایت می-کنند و به توسعه آن کمک میکنند و ما را در گرفتن یک تصمیم آگاهانه یاری میرسانند( گاسمان).5 این مدل با حوزههای گرمسیری به خصوص شرق آفریقا و نیل مطابقت دارد، بطوریکه در حوزههای دیگر تحقیقات محدودی بر روی آن صورت گرفته است (بیرهانو، .2005 ندومبا، .6(2005 در این مطالعه ابتدا مدل معرفی میشود و در ادامه کاربرد مدل در حوزههای آبخیز کوهستانی و غیر کوهستانی مقایسه میشود و تأثیری که این مدل در کنترل بهینه مدیریت حوزه آبخیز دارد مورد بررسی قرار میگیرد.
-2 کلیات مدل SWAT
SWAT مدلی مبتنی بر هیدرولوژی است و نیاز به دادههای فیزیکی دارد کسب اطلاعات فیزیکی برای مدلی بر پایه هیدرولوژی اغلب دشوار است، حتی در کشورهای توسعه یافته که دادهها با کیفیت بالا جمع آوری و تجزیه و تحلیل میشوند(سرینواسان و جاکوبس، .7 (7001 روشهای استفاده شده توسط سایر پژوهشگران (بیرهانو و همکاران، 8(7002، (والیو و همکاران، .2005 ندومبا، 9(7002 شامل روش شماره منحنی))CN برای محاسبه رواناب سطحی SCS(، )1927، از اولین زنجیره مارکوف اریب نرمال تا تعیین توزیع بارندگی، محاسبه تبخیر و تعرق بالقوه با استفاده از روش پنمن، استفاده از روش ماسکینگام10 برای مسیر یابی جریان کانال، تمامی این موارد برای جدا کردن اجزای جریان در این مدل میتواند استفاده شود. این تکنیک توسط آرنولد و آلن ) 11)1991 برای جریان پایه و جریان سطحی مورد استفاده قرار گرفت. در مدل))SWAT، که تکامل یافته بیش از 40 مدل میباشد. مدلهای GLEAMS (لئونارد و همکاران، 12(1987 و پس از آن مدل EPIC )ویلیامز و همکاران، 13)1992، از جمله مدلهایی بودند که نقش ویژهای در توسعه و تکامل مدل SWAT، ایفا کردند )غلامی، .)1329 این مدل قابلیت کالیبره شدن با هر حوزهای را داراست .(21) مدل SWAT میتواند یک ابزار برای مدیریت آبخیزداری در حوزههای کوهستانی مناطق تروپیک باشد )بیرهانو و همکاران، SWAT .14(7002 از سه قسمت اصلی زیر حوزه، مخزن و کانال مسیریابی تشکیل یافته است که هرکدامشامل اجزایی میباشند. به عنوان مثال بخش زیر حوزه، شامل هشت جزء هیدرولوژی، آب و هوا، رسوب، رطوبت، خاک، رشد محصول، مدیریت کشاورزی و آفت کشها میباشد. جزء هیدرولوژی به نوبه خود شامل، رواناب سطحی، جریان زیر سطحی، نفوذ، جریان آبهای زیر زمینی، برف، تبخیر و تعرق، تلفات انتقال و حوضچه میباشد. شرح روشهای استفاده شده در مدل سازی این اجزا و زیر اجزا را میتوان در روش آرنولد و همکاران ) )1999، نیتش1و همکاران )7007( یافت SWAT ابزاری با اجرای آسان است، در صورتی که تمام دادههای ورودی مدل آماده و قابل دسترس باشند.SWAT ، یک مدل شبیه سازی شده برای دبی روزانه رودخانه، برآورد رسوب روزانه کیفیت آب با ملاحظه بر تغییرات Land use، به حساب میآید. شکل 1 فلوچارت مدل را نشان میدهد، SWAT یک ابزار مفید برای تولید سابقه تاریخی جریان و شبیه سازی دادههایی که قابل دسترسی نسیتند میباشد. از معایب اصلی آن، نیاز به پارامترهای ورودی متعدد است که هر پارامتر بر دیگری تأثیر میگذارد، به طوری که ممکن است برای به دست آوردن نتایج مشابه به ترکیبات متعددی از این پارامترها نیاز داشته باشیم، در نتیجه کالیبراسیون در برخی نقاط و حوزههایی با ویژگیهای مشابه برای دست یابی به نتایج قابل اعتماد نیاز است )گالوان، .2)7009 شکل 2 فرآیند کالیبراسیون جریان و بار رسوب را در مدل نشان میدهد.
خروجیهای مدل، تحت تأثیر مدیریتهای مختلف حوزه و یا تحت استفادههای مختلف از زمین )Land Use(، قابل حصول میباشد و از همه مهمتر در حوزههای بدون آمار قابلیت کاربرد دارد. مدل SWAT، حاوی 9 پارامتر محوری(اصلی) و حدود 22 پارامتر فرعی میباشد که 6 پدیده هیدرولوژی و بیولوژیکی را شبیه سازی میکند.
-1 دبی روزانه رودخانه))Daily stream flow
-2 رسوب روزانه))Daily sediment yield
-3 بیلان آبی ماهانه و سالانه))Water Balance
-4 کیفیت آب))Water Pollutant
-5 تولید محصولات زراعی -6 برآورد تولید پوشش گیاهی مرتعی با اعمال مدیریت سیستمهای چرایی دام)آرنولد و همکاران، .1991 غلامی،1329 سیکل هیدرولوژی که به وسیله SWAT شبیه سازی میشود، بر پایه رابطه بیلان آبی است)نیتش و همکاران،.7)7007
که در آن :SWt مقدار نمایی آب در اک(میلیمتر) Rday مقدار بارندگی در روز i ام(میلیمتر)
:Qsurf مقدار رواناب سطحی در روز i ام(میلیمتر) :Ea مقدار تبخیر و تعرق در روز i ام(میلیمتر)
:Wsurf مقدار آبی که به پروفیل خاک در روز i ام وارد میشود(میلیمتر) :Qgw مقدار جریان برگشتی در روز i ام(میلیمتر)
مدل از ابزار GIS، برای پیش پردازش و پس پردازش استفاده میکند و اساس مدل HRU، واحدهای بیولوژیکی است که به عنوان شبکهای از مناطق هیدرولوژیکی اساسی است. هر مدل دارای یک پایگاه داده است. این پایگاه داده شامل الف) دادههای مربوط به ایستگاههای هواشناسی باشد. دادههایی مانند بارش، درجه حرارت، تابش خورشیدی، باد
و رطوبت. دادها مسلماً پیش از ورود به مدل به دفعات نیاز به ویرایش و بررسی دارند.ب) رواناب، شماره منحنی رواناب )CN( یک پارامتر تجربی مورد استفاده برای پیش بینی راواناب مستقیم یا نفوذ از طریق بارش مازاد میباشد.ج) توزیع بارندگی، مربوط به مقادیر بارش روزانه است. د) جریان ترک (شکاف)، این یکی از ویژگیهای جدید مدل SWAT است
و تا کنون آزمایشات محدودی بر روی آن انجام گرفته و تنها در خاکهای ورتی سولز1 نتیجه میدهد. (روش مسیر یابی کانالی) ابعاد کانال: یکی از ویژگیهای جدید SWAT است. ابعاد کانال نتیجه یک تخریب به روز شده است، این ویژگی برای ثابت نگهداشتن ابعاد کانال توصیه میشود. و کیفیت آب، روشن است که استفاده از آفت کشها برای بهبود کیفیت آب لازم است. تمام موارد ذکر شده در بالا، جزء فایلهای ورودی SWAT میباشد، لازم است هنگامیکه تمام گزینهها پیکربندی شدند، فایل ورودی نوشته شود )برایلی، .7 (7010
-3مطالعات انجام گرفته
(آلانسی، 3)7009، برای اعتبار سنجی مدل SWAT، برای شبیهسازی و پیش بینی جریان در مالزی مطالعهای انجام داد، که در آن نتایج شبیه سازی در مرحله واسنجی برای پایه زمانی ماهانه با استفاده از ضرایب کارایی R2 و نش- ساتکلیف به ترتیب 0/65 و 0/62 و در مرحله اعتبار سنجی 0/93 و 0/92 بدست آورند. در این مطالعه پنج سناریو برای مشخص کردن اثرات تغییر کاربری اراضی برای دبی جریان، طراحی و نتایج سناریو بررسی شدند.
)وانکیم و همکاران، 4)7009 در مطالعه تحت عنوان توسعه و کاربرد یکپارچه مدل SWAT-MODFLOW نشان دادند که SWAT به علت این که یک مدل نیمه توزیع شده است پارامترهای توزیع شده آب های زیرزمینی مانند مزیت هدایت هیدرولیکی و ذخیرهسازی را در نظر نمیگیرد. برای رفع این مشکل پیشنهاد شد که ویژگیهای واحدهای پاسخ هیدرولوژیکی )HRUs( در مدل SWAT با روشهایی در مدل MODFLOW ردوبدل شود. با استفاده از این روش تغذیه آبهای زیرزمینی و تبخیر و تعرق آن را به به طور موثری میتوان شبیه سازی کرد.
( گزا و مکاری، 5(2007 در مطالعهای تحت عنوان اثرات قدرت تفکیک دادههای خاک بر جریان مدل SWAT و پیش بینی کیفیت آب به بررسی دو بانک اطلاعاتی خاک با قدرت تفکیک متفاوت پرداختند. به نامهای((STATSGO 6 (پایگاه داده جغرافیایی خاک کشور (ایالات متحده) و 7 )SSURGO ( (پایگاه داده جغرافیایی بررسی خاک)).
در 51SSURGO نوع خاک در1031 واحد هیدرولوژیکی توزیع شده بودند و در حالی که 3 STATSGO نوع خاک در 261 واحد هیدرولوژیکی توزیع شده بود به عنوان یک نتیجه به علت اختلاف در نوع خاک و تعداد واحدهای هیدرولوژیکی پیش بینی جریان در SSURGO با دقت بالاتری انجام شد و پس از کالیبراسیون SSURGO نتایج بهتری نسبت به STATSGO با ضریب همبستگی 0/74 در مقایسه با 0/61 نشان داد. در نتیجه استفاده از پایگاه دادهای مناسب وابسته به اندازه حوزه آبخیز میزان دقت مورد نیاز است.
)طالبیزاده و همکاران، 1)7009 در مطالعهای تحت عنوان تجزیه و تحلیل عدم اطمینان بار رسوب با استفاده از مدل SWAT و ANN به این نتیجه رسیدند که SWAT در برآورد بار رسوب دارای عملکرد بالاتری نسبت به 2ANN میباشد. اما در مقابل خروجی ANN دارای دقت بیشتر و عدم قطعیت کمتری است.
)زانگ و همکاران، 3)7011 در بررسی تحت عنوان کیفیت آب و بهینه سازی مدل سازی عملیات بر پایه مدل SWAT در حوزه آبخیز رودخانه منیو چین ) )MENYU نشان دادند که SWAT روند جریان آب و کیفیت آب را به حدی شبیه سازی میکند. همچنین نتایج حاصل از مدلسازی نشان داد که کیفیت آب رودخانه منیو پس از اجرای عملیات بهینه سازی سد اصلی بهبود خواهد یافت.
)بیرهانو و همکاران، 4)7002، در مطالعه ای تحت عنوان استفاده از مدل SWAT برای حوزه آبخیز کوهستانی، حوزه آبخیز Weru را مورد بررسی قرار داد. فایلهای آماری آب و مدل به مدت 10 سال برای تولید دادههای هواشناسی مورد استفاده قرار گرفت. فایلهای مهمی شامل: شرح حوزه، نقشه حوزه، جریان، تعریف پارامترهای زمینی، پوشش، خاک و رواناب سطحی بودند. محاسبات با استفاده از روش))CN-SCS، انجام شد و از روش مسیریابی
