مقاله برآورد بده رواناب و بار رسوب در حوضه آبریز بافت با اجرای مدل SWAT از طریق ابزار AGWA

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

برآورد بده رواناب و بار رسوب در حوضه آبریز بافت با اجرای مدل SWAT از

طریق ابزار AGWA

چکیده

SWAT یک مدل هیدرولوژیکی برای شبیه سازی و برآورد بده جریان و بار رسوب و میزان تبخیر و تعرق در سطح حوضه آبریز است. در این مطالعه با استفاده از ابزار AGWA و سیستم اطلاعات جغرافیایی، GIS و نرم افزار Arc view 3.2، مدل SWAT در حوضه آبریز بافت کرمان اجرا شد و مقادیر متوسط سالانه رواناب، رسوب و تبخیر وتعرق و..هر یک از زیر حوضه ها و کانالها در این مدل، تعیین گردید. مقادیر محاسباتی بده جریان خروجی با مقادیر مشاهداتی ایستگاه هیدرومتری پل بافت، به صورت روزانه و ماهیانه در دوره آماری ده ساله مقایسه شد و مقادیر ضریب R2N جهت بررسی میزان دقت مدل محاسبه گردید.

واژه های کلیدی: AGWA ,SWAT، GIS، Arc view 3.2، مدل هیدرولوژیکی، رواناب، رسوب، حوضـه آبریـز بافت کرمان، ضریب .R2N

مقدمه

ابزار 3AGWA یک سیستم آنالیز هیدروژلیکی چند منظوره جهت ایجاد یک روش ساده، صریح و قابل تکرار به منظور اجرا و پارامتریزه کردن مدلهای هیدرولوژیکی است. این ابزار یک Extension برای انجمن سیستم تحقیقات جهانی4 است که بر روی یکی از نرم افزارهای کاربردی و قابل دسترس سیستم اطلاعات جغرافیایی5، نرم افزار Arc view 3.2، قابل نصب می باشد. AGWA، با ارزیابی حوضه آبریز در مقیاس چند گانه زمانی و مکانی، و با استفاده از داده های جغرافیایی پایه و قابل دسترس، و اجرای مدلها، بده رواناب سطحی و بار رسوب را در حوضه های آبریز برآورد می نماید. این ابزار در واقع تابعی برای

هدایت همه مراحل ارزیابی، طراحی و شبیه سازی حوضه آبریز به وسیله مدل های هیدرولوژیکی از جمله مدل SWAT می باشد. [1]

معرفی مدل SWAT

مدل) SWAT آرنولد 1994 )، یک مدل تحلیلی، کیفی و با پیوستگی زمانی است که توسط سرویس تحقیقات کشاورزی آمریکا طراحی و پایه گذاری شده است. این مدل برای پیش بینی اثر روشهای مدیریتی متفاوت زمـین بـر روی جریـان، رسـوب، عناصـر غذایی و بیلان مواد شیمیایی در حوضه های زراعتی بزرگ با خاکها و کاربری اراضی متغیر برای بازه های زمانی طـولانی تهیـه و توسعه یافته است.SWAT یک مدل پیوسته برای شبیه سازی حوضه های آبریز بسیار بزرگ با داده های طولانی مـدت اسـت.

در این مدل ترکیبات اصلی بر اساس معادلات فیزیکی و تجربی بوده و پارامترهای ورودی آن مقـادیر متوسـط روزانـه بارنـدگی و دمای هوا می باشد.[1] سیکل هیدرولوژی که توسط مدل SWAT شبیه سازی شده بر طبق رابطه بیلان آبی است:

(1)

که در آن =SWtمقدار نهایی آب در خاک ( میلی متر)، =Rday مقدار بارندگی در روز i ام (میلی متر)، =Qsurf مقدار رواناب سطحی در روز i ام (میلی متر)، = Ea مقدار تبخیر و تعرق درروز i ام (میلی متر)، =Wseep مقدار آبی که به پروفیل خاک در روز i ام وارد می شود (میلی متر)، =Qgw مقدار جریان برگشتی در روز i ام (میلی متر).

برای تخمین رواناب سطحی وبرآورد بده رواناب خروجی به صورت روزانه، ماهانه ویا سالانه از دو روش شماره منحنی و فرمول نفوذ گرین و امپت،در این مدل استفاده شده است.[2]

روش شماره منحنی

رابطه شماره منحنی، یک مدل تجربی است که از سال 1950 برا ی تخمین مقدار رواناب سطحی در حوزه های با کاربری اراضی و خاک های مختلف توسعه یافته است. رابطه SCSکه رابطه اصلی این روش می باشد، به شرح زیر است:

(2)

که :Qsurf ارتفاع رواناب سطحی (میلی متر)، :Rday عمق بارش روزانه، :S ضریب نگهداست رطوبت که از رابطه زیر محاسبه می شود، که در CN مقدار شماره منحنی است که با توجه به نوع خاک وپوشش گیاهی منطقه معیین می گردد.[2]

(3)

روش گرین – امپت

این روش نفوذ را تابعی از پتانسیل ماتریک و هدایت هیدرولیکی محاسبه می کند در این رابطه فرض براین است که پروفیل خاک همگن و رطوبت به طور یکنواخت در خاک توزیع شده است.

برای محاسبه تبخیر و تعرق در این مدل سه روش در نظر گرفته شده است که شامل : روش پنمن _ مانتیس ، پریستلی _

تیلور و هارگریوزمی باشد. پارامترهای مورد نیاز روش پنمن _ مانتیس شامل دمای هوا، تشعشع خورشیدی، سرعت بـاد و رطوبـت نسبی می باشد. روش پریستلی _ تیلور به دمای هوا، تشعشع خورشیدی و رطوبت نسبی و روش هارگریوز تنها به دمای هوا نیاز دارد.جریان آب در سطوح جریان و کانالها جریان با سطح آزاد است و از رابطه مانینگ محاسبه می شود. جریان در شبکه کانالها بـا استفاده از روش ماسکینگهام و یا ضریب ذخیره متغیر ولیامز رونـدیابی مـی شـود. رونـدیابی فرسـایش نیـز از رابطـه MUSLE
محاسبه می شود که توسط ویشمایر و اسمیت ارائه شده است:

(4)

که در آن== sedمیزان رسوب در یک روز (تن)، =Qsurfرواناب سطحی (میلیمتر در هکتار)،
=Areahru مساحت واحـدهای هیـدرولوژیکی همگـن (هکتـار)، = Kusle فـاکتور فرسـایش USLE خـاک، = Cusle فـاکتور مدیریتی، = Pusle فاکتور روش های حفاظتی، = LSusleفاکتور توپوگرافی، = CRFG فاکتور ذرات درشت دانه.[2]
روندیابی رسوب نیز از رابطه زیر محاسبه می شود:

(5)

که در آن = sedchرسوب معلق در مسیر (تن)، = sedch,Iرسوب معلق در مسیر در آغاز جریان (تن)، = seddep رسوب ترکیب شده در مسیر (تن)، = seddeg رسوب تجزیه شده در مسیر (تن). در نهایت مقدار رسوبی که از مسیر خارج می شود از رابطه زیر محاسبه می شود:

(6)

=Sedout مقدار رسوبی که از مسیر خارج می شود (تن)، = Voutحجم جریان خروجی در فاصله های زمانی (متر مکعب)، = Vch حجم آب در هر مسیر ( متر مکعب).[2]

مواد و روشها

مطالعه موردی
منطقه مورد مطاله، حوضه رودخانه بافت در محدوده طول جغرافیاییَ عرض جغرافیاییَ در بالادست سد مخزنی بافت واقع در استان کرمان می باشد. رودخانه بافت از سرشاخه های رودخانه دهوچ است کـه از دامنـه هـای کوه شاه در شمال شرقی حوضه سرچشمه گرفته و پس از پیوستن چنـد شـاخه هلیـل رود نامیـده مـی شـود. اطلاعـات ایـستگاه بارانسنجی کیسکان و ایستگاه هیدرومتری پل بافت در این مطالعه استفاده شده است. شکل [3](1)

ایستگاه بارانسنجی کیسکان

استان کرمان

شکل (1) موقعیت حوضه آبریز بافت و ایستگاه بارانسنجی کیسکان و ایستگاه هیدرومتری پل بافت در استان کرمان

به منظور برآورد دبی متوسط روزانه خروجی از حوضه آبریز بافت، با اجرای مدل SWAT به وسیله ابزار AGWA و به واسـطه نرم افزار Arc view3.2، اطلاعات و نقشه های دیجیتالی از منطقه نیاز می باشد. هریک از مراحل اجرایی ایـن ابـزار ، بـه یـک سری از این نقشه ها احتیاج دارند. [1] به منظور طراحی حوضه آبریز1و تعیین حدود مرزهای آن مدل ارتفـاعی دیجیتـالی2 حوضـه بافت، و همچنین برای تعیین محل خروجی حوضه، موقعیت ایستگاه هیدرومتری پل بافت در خروجـی حوضـه و بـرای پـارامتریزه کردن خاک و پوشش گیاهی3 نیز نقشه های دیجیتالی خاک و پوشش گیاهی این حوضه در مقیاس 1/250000 تهیه شـده اسـت.
شکل((2

شکل((2 نقشه های دیجیتالی مدل ارتفاعی، خاک و پوشش گیاهی حوضه بافت (به ترتیب از سمت چپ)

اجرای مدل، با طراحی حوضه و تعیین حدود مرزها و تقسیمات آن به زیر حوضه ها و سطوح جریان سـطحی و کانالهـا بـر اسـاس مدل ارتفاعی دیجیتالی منطقه و همچنین نقشه جهات شیب و تراکم جریان آغاز شده و در این مرحله مقدار مساحت آستانه شرکت کننده در تقسیم حوضه آبریز به اجزای مدل مشخص شده است. شکل (3) پـس از آن مرحلـه پـارامتریزه کـردن خـاک و پوشـش گیاهی حوضه آبریز، جهت تعیین مقادیر شماره منحنی انواع پوشش گیاهی با توجه به گروه های هیدرولوژیکی خاکهـا ، و تخمـین میزان نفوذ پذیری و سایر پارامترها و ضرایب مورد نیاز مدل، از نقشه ها و جداول پشتیبان تعبیه شده است. در مرحلـه بعـد مقـادیر متوسط بارندگی روزانه ایستگاه بارانسنجی کیسکان و مقادیر متوسط دمای روزانه ایستگاه بافت سلطانی در طول سالهای 1360تـا 1370 که به صورت جداول پشتیبان تهیه شده، به وسیله پنجره های این مرحله از ابزار AGWA ، برای اجـرای مـدل دریافـت شده است.