استفاده از مدل SWAT در شبیه‌سازی و آنالیز عدم قطعیت هیدرولوژیک حوزه آبخیز کسیلیان

جغرافیا و مخاطرات محیطی

مقاله 5، دوره 11، شماره 2 - شماره پیاپی 42، تیر 1401، صفحه 77-95   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/geoeh.2022.74253.1144

نویسندگان

نیلوفر رسول زاده درزی¹؛ حسن احمدی^{* 2}؛ ابوالفضل معینی³؛ بهارک معتمدوزیری³

¹دانشجوی دکتری گروه جنگل، مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقات، تهران، ایران

²استاد گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

³استادیار گروه جنگل، مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقات، تهران، ایران

چکیده

مدل SWAT، ابزاری جهت ارزیابی آب‌وخاک است که برای بهبود مدیریت حوزه آبخیز توصیه می‌شود. چرخه مورداستفاده در مدل SWAT کاملاً شبیه چرخه هیدرولوژیکی در طبیعت است. این ابزار، مدیریت مؤثر حوزه آبخیز و تصمیم‌گیری آگاهانه برای توسعه بهتر آن را حمایت می‌کند که از نظر زمانی یک مدل پیوسته است. در مطالعه حاضر، هدف تحلیل ارزیابی کارایی مدل نیمه توزیعی- فیزیکی SWAT در شبیه‌سازی رواناب روزانه و ماهانه، بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر بارش- رواناب و آنالیز عدم قطعیت هیدرولوژیک حوزه آبخیز کسیلیان است. در این تحقیق جهت شبیه‌سازی و آنالیز عدم قطعیت و واسنجی مدل از نرم‌افزار SWAT-CUP، روش­های SUFI-2 و PARASOL استفاده شد. در مرحله واسنجی و اعتبار سنجی رواناب از ضرایب R²، bR² و NS بین داده‌های مشاهده‌ای و شبیه‌سازی شده برای صحت سنجی استفاده شد. به‌طورکلی دقت شبیه‌سازی در دوره ماهانه بالاتر از دوره روزانه است. همچنین در دوره روزانه طی واسنجی و اعتبار سنجی دقت PARASOL بالاتر از SUFI-2 است، ولی در دوره زمانی ماهانه در واسنجی و اعتبارسنجی دقت SUFI-2 بالاتر است. در کل برحسب ضرورت برای به دست آوردن نتایج دقیق‌تر نیاز به تکرارهای بیشتری است. با توجه به نتایج ارزیابی، مدل در طی دوره‌های واسنجی و اعتبارسنجی با شاخص‌های آماری R²، bR²، MSE، RMSE و ضریب کارایی ENS حاکی از موفقیت‌آمیز بودن مدل در شبیه‌سازی دارد که با دقت نسبتاً خوبی فرآیندهای هیدرولوژیکی حوضه را شبیه‌سازی نموده است. این مدل می‌تواند برای آنالیزهای بعدی حوضه و زیر حوضه‌های مربوطه و برای بررسی مؤلفه‌های مختلف چرخه هیدرولوژیکی مورداستفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

مدل SWAT؛ حوزه آبخیز کسیلیان؛ واسنجی؛ عدم قطعیت

مراجع

اعلمی، محمدتقی؛ عباسی، حبیبه؛ نیک سخن، محمدحسین؛ 1397. مقایسه دو روش متفاوت واسنجی و تحلیل عدم قطعیت مدل SWAT در برآورد میزان رواناب و بار مواد معلق حوضه صوفی چای. نشریه دانش آب‌وخاک. جلد 28. شماره 3. 53-64. https://magiran.com/p1918470

رستمیان، رخساره؛ موسوی، سید فرهاد؛ حیدر پور، منوچهر؛ افیونی، مجید؛ عباسپور، کریم؛ 1385. کاربرد مدل SWAT2000 در تخمین رواناب و رسوب حوزه بهشت‌آباد از زیر حوضه‌های کارون شمالی. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. سال دوازدهم. شماره چهل و ششم(ب). 15ص.

https://www.magiran.com/paper/706791

رضائی مقدم، محمدحسین؛ حجازی، میراسدالله؛ بهبودی، عبداله؛ 1399. برآورد میزان رواناب حوضه آبریز لنبران چای استان آذربایجان شرقی: کاربرد مقایسه‌ای روش‌های واسنجی و تحلیل عدم قطعیت مدل SWAT. جغرافیا و مخاطرات محیطی. شماره 31. صص 75-59.

https://dx.doi.org/10.22067/geo.v8i3.81998

شفیعی، مجتبی؛ قراری، شروین؛ 1396)، مروری بر مفاهیم مدل‌سازی هیدرولوژی: بخش اول، معرفی فرآیند مدل‌سازی. نشریه آب و توسعه پایدار. 96(3):95-103. https://civilica.com/doc/995459

عمانی، نینا؛ تجریشی، مسعود؛ ابریشم چی، احمد؛ 1385. شبیه‌سازی جریان رودخانه با استفاده از مدل SWAT و GIS، هفتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه. دانشگاه شهید چمران اهواز. 8ص.

https://civilica.com/doc/12844/

فاتحی، زانیار؛ شاهویی، سید وحید؛ 1399. کاربرد مدل SWAT در شبیه‌سازی  رواناب ماهانه: حوزه آبخیز دریاچه ارومیه در استان کردستان، نشریه محیط‌زیست و مهندسی آب. شماره 3. صص 303-293.

https://doi.org/10.22034/JEWE.2020.218842.1346

ناصرآبادی، فؤاد؛ اسمعلی عوری، اباذر؛ اکبری، حسین؛ رستمیان، رخساره؛ 1395. شبیه‌سازی  جریان رودخانه با استفاده از مدل SWAT  (مطالعه موردی: رودخانه قره سو اردبیل. نشریه پژوهشنامه مدیریت حوضه آبخیز. سال هفتم. شماره 13. صص 59-50. http://dx.doi.org/10.18869/acadpub.jwmr.7.13.59

 

Abbaspour, KC., 2015. SWAT-CUP2: SWAT Calibration and Uncertainty Programs, A User Manual, Department of System Analysis, Integrated Assessment and Modeling(SIAM), Eawag, Swiss Federal, Institute of Aquatic Science and Technology, Duebendorf, Switzerland. 95pp. https://swat.tamu.edu/media/114860/usermanual_swatcup.pdf.

Abbaspour, KC., Rouholahnejad, E, Vaghefi,S. Srinivasan,R. Yang,H and Klove,B ., 2015. A continental-scale hydrology and water quality model for Europe: Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model, Journal of Hydrology.524:733-752. https:// doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.03.027

Ahmadi, A., and Nasseri, M., 2020. Do direct and inverse uncertainty assessment methods present the same results? Journal of Hydroinformatics 22(4):842–855. https://doi.org/ 10.2166/ hydro. 2020.190

Amini-Zad, A,. Galavi, H, and MohammadRezaPoor, OB., 2018. Hydrological modeling of Pishin dam watershed using SWAT. In: Proc. of the First National Conference on SWAT Applications in Iran, Water and Wastewater Research Institute, Isfahan University of Technology, Isfahan. https://civilica.com/doc/820016/

Bauwens W. and Nossent J., 2009. Modeling the Flows of the White Nile Basin using SWAT, Master dissertation in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Water Resources Engineering.122pp. https:// researchportal. vub. be/ en/ student Theses/ modelling - the- flows- of- the-white-nile-basin-using-swat

 Cao, Y. Zhang, J. Yang, M. Lei, X. Guo, B. Yang, L. ... & Qu, J. 2018. Application of SWAT model with CMADS data to estimate hydrological elements and parameter uncertainty based on SUFI-2 Algorithm in the Lijiang river basin, China. Water, 10(6), 742. https:// doi. org/ 10.3390/w10060742.

Cibin R., Sudheer KP. And Chaubey I., 2010. Sensitivity and identifiability of stream flow generation parameters of the SWAT model. Journal of Hydrological processes. 24: 1133-1148. https://doi.org/10.1002/hyp.7568

Duan, Q., Sorooshian, S. and Gupta, V., 1992. Effective and efficient global optimization for conceptual rainfall-runoff models, Water Resourc Research. 28, 1015-1031. https://doi.org/10.1029/91WR02985

Etienne L., Anctil F., Van Grienseven, A. and Beauchamp N.2008. Evaluation of streamflow simulation by SWAT model for two small watersheds under snowmelt and rainfall. Hydrological Sciences–Journal des Sciences Hydrologiques.53(5): 961-976. https:// doi. org/ 10. 1623/ hysj.53.5.961

Himesh S., Rao CVC. And Mahajan AU., 2000. Calibration and Validation of Water Quality Model, CSIR Centre for Mathematical Modelling and Computer Simulation, Technical Report CM 0002 Bangalore, India.10pp. https:// csir4pi. res. in/ cmmacs/ Publications/ tech _ rep/ trcm0002r.pdf

Hosseini, M. and Z. Mokarian., 2016. Estimation of groundwater runoff by SWAT model in Golgol Catchment. Watershed Engineering and Management, 8(1): 80-92 (in Persian). https://doi.org/ 10.22092/IJWMSE.2016.105976

 Liu, X. Yang, M. Meng, X. Wen, F. & Sun, G., 2019. Assessing the Impact of Reservoir Parameters on Runoff in the Yalong River Basin using the SWAT Model. Water, 11(4), 643. https://doi.org/10.3390/w11040643

Marahatta, S.; Devkota, L.P.; Aryal, D., 2021. Application of SWAT in Hydrological Simulation of Complex Mountainous River Basin (Part I: Model Development). Water 2021, 13,1546. https://doi.org/10.3390/w13111546

Memarian H., Tajbakhsh M. and Balasundram S.K. 2013b. Application of swat for impact assessment of land use/cover change and best management practices: a review. International Journal of Advancement in Earth and Environmental Sciences,1(1): pp 35-40. https:// agris. fao. org/ agris-search/search.do?recordID=MY2022001054

Mengistu A. G., Rensburg L. D. v. L. and Woyessa Y. E., 2019. Techniques for calibration and validation of SWAT model in data scarce arid and semi-arid catchments in South Africa. J. Hydrol. Region. Studies, 25, 100621. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2019.100621

Robert, S,A., Scott, w,w., Hans, R, Z., 2008. Hydrologic Calibration and Validation of SWAT in a snow dominated rocky mountain Watershed, Montana, U.S.A. Journal of the American Water Resources Assocation.44(6): pp 1411-1430.https:// doi.org/ 10.1111/ j.1752-1688. 2008. 00233.x

Setegn, SG., Dargahi, B., Srinivasan, R., Melesse, AM., 2010. Modeling of sediment yield from anjeni-gauged, watershed, Ethiopia using SWAT model. Journal of the American Water Resources, Association (JAWRA). 46(3): 514-526. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688. 2010. 00431.x.

Zhang, X., Liu, W., Li, Z., Zheng, F., 2009. Simulating site-specific impacts of climate change on soil erosion and surface hydrology in southern Loess Plateau of China, Catena. 79: 237-242. https://doi.org/ 10.1016/j.catena.2009.01.006.