بخشی از مقاله
چکیده
امروزه حفظ کیفیت و کمیت آب رودخانه ها اهمیت فراوانی یافته است. در این راستا ، اولین قدم بر اي اتخاذ شیوه هاي صحیح و پایدار مدیریت منابع آب رودخانه ها، کسب آگاهی مستمر از وضعیت کمی و کیفی آب، تغییرات زمانی و مکانی آن و بالاخره بررسی راهکارهاي مختلف در جهت بهبود رودخانه ها می باشد. SWAT یکی از مدل هایی است که در این زمینه توسعه بسیاري داشته و در سطح بین المللی مورد استفاده گسترده قرار گرفته است.
این مدل داراي توان شبیه سازي پدیده هاي هیدرولوژیکی و بیولوژیکی شامل دبی رودخانه، رسوب ، بیلان آبی، کیفیت آب، تولید محصولات زراعی، برآورد تولید پوشش گیاهی مرتعی با اعمال مدیریت درحوضه هاي فاقد آمار است. در این مطالعه مدل SWAT2009 در رودخانه کردان مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده ي کارایی این مدل در شبیه سازي رودخانه و همچنین کاربرد فراوان این مدل در شناخت حوضه می باشد.
مقدمه
روند صعودي رشد جمعیت جهان، پیشرفت صنعت، آلودگی محیط زیست و ارتقاي سطح بهداشت باعث مصرف روز افزون آب شده است. با توجه به ثابت بودن نسبی منابع آب تجدید شونده، باید جایگاه این منابع بخوبی شناخته شود و امکان بررسی دقیق کمی و کیفی آنها براي کارایی بیشتر مصرف مشخص گردد.
به علت تغییرات زمانی و مکانی عوامل موثر در چرخه آب حوضه هاي آبخیز طبیعی، شناخت همه ي اجزاي چرخه آب آنها را از طریق تحلیلی یا تئوري، وقت گیر و اغلب غیر ممکن است. مدل هاي هیدرولوژي براي غلبه بر این مشکل به وجود آمده و در سطح حوضه هاي آبخیز دنیا به کار گرفته شده اند. با استفاده از این مدل ها تغییرات مولفه هاي گوناگونی از چرخه پیچیده آب بررسی شده است و همچنین مدل هاي مختلفی در مورد ایجاد جریان هاي رودخانه اي ارائه و بکار گرفته شده است.
تحقیق حاضر از یک مدل نیمه توزیعی در ارزیابی آب و خاك بنام SWAT2009 استفاده شده است. این مدل قابلیت اتصال به سامانه اطلاعات جغرافیایی - GIS - را دارا بوده و محدودیتی از نظر ورود حجم اطلاعات زیاد ندارد و براي استفاده در حوضه هاي پیچیده و با وسعت زیاد گسترش یافته است. این مدل کارآمدي مناسبی در شبیه سازي رفتارهاي هیدرولوژیکی و مدیریت حوضه هاي آبخیز را داراست.
در چندین سال گذشته محققان بسیاري از مدل SWAT در مطالعات خود استفاده وکارایی این مدل را مورد بررسی قرار داده اند. شفرد و همکاران - 1999 - ، توانایی مدل SWAT را در شبیهسازي شرایط هیدرولوژیک و کیفیت آب در یک حوضه کشاورزي در ناحیهاي از مریلند مورد بررسی قرار دادند. آنها بزرگ مقیاس بودن، توزیعی بودن و لینک بودن با سامانه اطلاعات جغرافیایی - GIS - را از مزیتهاي این مدل معرفی کردند.
عباسپور و همکاران - 2006 - ، با استفاده از مدل SWAT براي شبیه سازي تمام فرایندهاي مؤثر بر کیفیت آب، رسوب و چرخه غذایی در حوضه تور کشور سوئیس نتایج بسیار خوبی براي شبیه سازي رواناب و نیترات و نتایج به نسبت خوبی براي شبیه سازي 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 سازي دبی هاي اوج رودخانه موفقیتی نداشته است. همچنین توانایی مدل در برآورد بار رسوب را در حد متوسط ارزیابی نمود
فرامرزي و همکاران - 2009 - ، در مطالعهاي با استفاده از مدل SWAT در کنار SUFI2 برخی اجزاي بیلان آب را در کل ایران شبیه-سازي کرده و ارتباط آنها را با تولید گندم، با درنظر گرفتن عملکرد سدها و اقدامات آبیاري اراضی کشاورزي بررسی کردند. این محققین عنوان کردند که این مطالعه میتواند یک پایه قوي براي مطالعات بیشتر در مورد آب و امنیت غذایی، و رویکردهاي مدیریت منابع آبی در کشور، و یک روش یکپارچه براي ارزیابی آب سبز و آب آبی در سایر کشورهاي خشک و نیمه خشک ایجاد کند
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 حدودي ابزار مناسبی در رابطه با شبیه سازي شدت جریان رودخانه باشد.
در این تحقیق کارایی مدل SWAT2009 در حوضه آبخیز رودخانه کردان مورد ارزیابی قرار گرفت و بیلان آبی و برخی مشخصات کیفی آب این رودخانه محاسبه گردید.
مواد و روشها
مشخصات حوضه مورد مطالعه
حوضه آبخیز کردان در قسمت جنوب رشته کوه البرز قرار گرفته است. این حوضه از نظر جغرافیایی در قسمت مرکزي استان البرز و شمال غربی شهر کرج قرار گرفته دارداین، حوضه از سمت شمال به حوضه آبخیز رودخانه طالقان و از سمت جنوب به دشت هشتگرد که نهایتاً به ارتفاعات حلقه در منطقه اشتهارد، از سمت شرق به رودخانه کرج و از سمت غرب به دشت قزوین محدود می گردد. حوضه آبخیز کردان در کوه سیکزو در بالاترین ارتفاع حداکثر 4100 متر و در ده صومعه حداقل ارتفاع 1450 متر از سطح دریا می باشد. منطقه مورد مطالعه داراي مساحتی برابر 360 کیلومتر مربع می باشد.
شکل - 1 - موقعیت قرارگیري حوضه آبخیز رودخانه کردان
رودخانه کردان مهمترین رودخانه منطقه است که همیشه داراي آب می باشد و همچنین در این حوضه رودخانه هاي فرعی مثل ولیان، هیو، فشند نیز جاري هشتند. در بالادست رودخانه کردان روستاهاي محرومی همچون سنج ، سیبان دره ، دوروان، بدلیل نبود خاك مناسب بیشتر به دامداري مشغول هستند ولی روستاهاي پایین دست که در دشت هشتگرد واقع هستند بیشتر به کشاورزي مشغول می باشند. ایستگاه آبسنجی صومعه در خروجی این حوضه قرار گرفته است که از آن براي واسنجی مدل SWAT استفاده خواهد شد.
معرفی مدل SWAT
مدل SWAT یک مدل جامع و کامل در مقیاس حوضه اي می باشد که توسط دکتر جف آرنولد از سرویس تحقیقاتی کشاورزي آمریکا ، براي پیش بینی تأثیر روش هاي مدیریتی متفاوت بر جریان، رسوب، عناصر غذایی و بیلان مواد شیمیایی در حوضه هایی با خاك وکاربري اراضی متفاوت براي دوره هاي زمانی طولانی ارائه شده است . مزایاي این مدل این است که حوضه هایی که فاقد داده هاي برداشت شده می باشند نیز قابل شبیه سازي هستند و همچنین شبیه سازي حوضه هاي بزرگ و پیچیده و با راهکارهاي مختلف مدیریتی بدون صرف زمان زیادي قابل اجراست.
مدل SWAT2009 داراي یک رابط گرافیکی با عنوان ArcSwat2009 می باشد که به عنوان یک Extension در محیط ArcMap از سري نرم افزارهاي GIS کار می کنددر. واقع اطلاعات ورودي به مدل و مراحل مدلسازي تماماً در محیط گرافیکی ArcMap صورت می پذیرد. ابتدا براي 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 خاك، کاربري اراضی و کلاسه بندي شیب حوضه، مدل زیر حوضه ها را به قسمت هاي کوچکتر به نام HRU تقسیم خواهد کرد. HRU ها واحدهاي واکنش هیدرولوژیکی می باشند که داراي خاك، پوشش گیاهی، شیب و مدیریت تقریبا یکسانی می باشند.
مدل هیدرولوژیکی SWAT براي شبیه سازي روي معادله بیلان آبی پایه ریزي شده است. فرمول - 1 - این معادله را نشان می دهد.
در مدل SWAT روندیابی جریان از دو روش ماسکینگهام و ذخیره متغییر انجام می شود. شبکه جریان حوضه آبخیز در طول مدلسازي توسط مدل ایجاد می شود. در این مدل با استفاده از دو روش شماره منحنی CN و رابطه نفوذ گرین-آمپ می توان رواناب سطحی را شبیه سازي کرد.
معرفی ابزارهاي واسنجی و حساسیت سنجی
نرم افزار SWAT-CUP بمنظور واسنجی و حساسیت سنجی مدل SWAT طراحی شده و داراي قابلیت ها و الگوریتم هاي متفاوت براي این کار می باشد. از بین پنج الگوریتم PSO , SUFI2 , GLUE , MCMC , ParaSol که براي واسنجی در نرم افزار SWAT-CUP در نظر گرفته شده است از الگوریتم SUFI2 براي حساسیت سنجی و واسنجی استفاده خواهد شد.
SUFI2 قادر است عدم دقت ناشی از متغییرهاي سریع - مثل بارش و ... - ، مدل سازي مفهومی پدیده ها، تخمین پارامترها و داده هاي اندازه گیري شده را در نظر بگیرد. این عمل توسط دو فاکتور P و r انجام می گیرد. فاکتور P ، درصد اندازه گیري شده موجود در داخل 95 درصد پیش بینی عدم قطعیت - 95PPU - و فاکتور r ، فاصله بین حد بالا و پایین محدوده عدم قطعیت می باشد. طبق الگوریتم SUFI2 هر مقدار از یک پارامتر تنها یک پاسخ خواهد داشت، در صورتی که انتشار خطا در پارامتر، منجر به محدوده اي می شود که با 95PPU بیان می گردد.
