شبیه ‏سازی بیلان آب زیرزمینی با استفاده از مدل تلفیقی و جامع آب سطحی و زیرزمینی SWAT-MODFLOW-NWT (مطالعه موردی: دشت مهاباد)

آب و خاک

مقاله 3، دوره 36، شماره 1 - شماره پیاپی 81، فروردین و اردیبهشت 1401، صفحه 31-52   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2022.74890.1138

نویسندگان

امید رجا¹؛ مسعود پارسی نژاد^{* 2}؛ مسعود تجریشی³

¹دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

²دانشیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

³استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

آب‏های سطحی و زیرزمینی در مقیاس‏های مختلف مکانی یا زمانی باهم در ارتباط می‏باشند. از طرفی منابع آب سطحی و زیرزمینی به‌صورت تلفیقی در کشاورزی استفاده می‏شود؛ بنابراین مؤلفه‏های بیلان آب زیرزمینی و سطحی باید با دقت مناسبی تعیین گردند. در این مطالعه، تأثیر مقادیر تغذیه حاصل از مدل SWAT به‏عنوان یکی از مهم‏ترین مؤلفه‏های ورودی مدل‏‏های آب‏ زیرزمینی در شبیه‏سازی تراز سطح ایستابی و مؤلفه‌های بیلان آب زیرزمینی با استفاده از مدل MODFLOW-NWT به‏عنوان یک مدل جامع و یکپارچه منابع آب سطحی و زیرزمینی در دشت مهاباد بررسی شد. با استفاده از مقادیر یکنواخت تغذیه و به‏صورت درصدی از بارندگی و کل آب آبیاری در سطح آبخوان بدون توجه به تأثیر تفاوت برداشت و نفوذ عمقی در سطح کاربری اراضی در موقعیت‏های مختلف نمی‏توان به‏درستی نوسانات سطح آب ‏زیرزمینی در سطح آبخوان را شبیه‏سازی کرد؛ لذا یکی از مراحل مهم، تعیین مقادیر آبیاری با توجه به تفاوت کاربری اراضی و تغذیه ناشی از نفوذ عمقی بارندگی و آب آبیاری از منابع آب سطحی و زیرزمینی بود. این مهم توسط مدل SWAT انجام و به‏عنوان شرایط مرزی به مدل MODFLOW-NWT تعریف شد. واسنجی و اعتبارسنجی مدل آب زیرزمینی نیز به‏ روش‏های سعی و خطا و روش خودکار PEST انجام شد. دوره شبیه‏سازی به مدت 10 سال از سال آبی 89-1388 تا 98-1397 انجام شد که به ترتیب 6 و 4 سال آبی از 89-1388 تا 94-1393 و 95-1394 تا 98-1397 به‏عنوان دوره واسنجی و اعتبارسنجی در نظر گرفته شدند. با توجه به این‌که الگوی تشکیل مؤلفه‌های بیلان آب زیرزمینی برای سال‏های آبی مختلف متفاوت است؛ لذا مؤلفه‌های بیلان آب زیرزمینی برای سه سال معرف خشک‌سالی، ترسالی و نرمال نیز بررسی شد. هدایت هیدرولیکی و ضریب ذخیره آبخوان پارامترهای ورودی و واسنجی در مدل MODFLOW-NWT بودند. نتایج واسنجی نشان داد بیش‏ترین میزان هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه در نواحی جنوبی، مرکزی و شمال شرقی دشت است و در حاشیه شمالی و در نزدیکی خروجی دشت به کمترین میزان خود می‏رسد. پس از فرآیند واسنجی، نتایج نشان داد به‌طور متوسط حدود 9 درصد از آب بارندگی و 36 درصد از مصارف آب در بخش کشاورزی به آبخوان نفوذ می‏کند. نتایج حاکی از برآورد رضایت‏بخش و قابل‌قبول تراز سطح ایستابی مدل برای هر دو دوره‏ واسنجی و اعتبارسنجی بود. به‌طوری‌که نتایج معیار RMSE برای تراز سطح ایستابی در دوره‏های واسنجی و اعتبارسنجی به ترتیب مقدار خطای 35/0 و 34/0 متر به دست آمد. همچنین، نتایج معیار‏های R² و NSE نیز برای دوره واسنجی 94/0 و 91/0 و برای دوره اعتبارسنجی 93/0 و 89/0 برآورد شد که مؤید آن است که مدل به‌خوبی واسنجی شده و قادر بوده‏ نوسانات سطح آب زیرزمینی را با دقت مناسبی شبیه‏سازی کند. بررسی نتایج اجزای اصلی بیلان آب زیرزمینی برای سه سال آبی 96-1395 (سال خشک)، 97-1396 (سال نرمال) و 98-1397 (سال‌تر) نشان داد میزان تغذیه ناشی از نفوذ آب بارندگی و جریانات برگشتی آب کشاورزی در هر سه سال متفاوت است. همچنین، فعل‌وانفعالات بین منابع آب سطحی و زیرزمینی بین سال‏های آبی از حدود 30 تا 50 میلیون متر مکعب متغیر است که نشان‏دهنده اندرکنش قابل‌توجه بین این منابع است. به‌طور کلی نتایج این مطالعه نشان می‏دهد اعمال تغذیه تخمینی مدل SWAT همراه با واسنجی هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه می‏تواند در بهبود برآورد نوسانات سطح آب زیرزمینی توسط MODFLOW-NWT کمک شایانی نماید. نهایتا از مدل تلفیقی می‏توان به‏عنوان یک ابزار کاربردی در تبیین الگوی بهره‌برداری مناسب از منابع آب تلفیقی سطحی و زیرزمینی تحت تأثیر سناریوهای مختلف مدیریتی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

تراز سطح ایستابی؛ دشت مهاباد؛ مؤلفه تغذیه؛ SWAT؛ MODFLOW-NWT

مراجع

1. Abedi Koupai J., and Golabchian M. 2015. Estimation of Hydrodynamic Parameters of Groundwater Resources in Kouhpayeh- Segzi Watershed Using MODFLOW. Water and Soil Science19(2): 281-293. (In Persian with English abstract) DOI: 18869/acadpub.jstnar.19.72.24.
2. Abiye T., Masindi K., Mengistu H., and Demlie M. 2018. Understanding the groundwater level fluctuations for better management of groundwater resource: a case in the Johannesburg region. Groundwater for Sustainable Development 7: 1–7. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2018.02.004.
3. Aliyari F., Bailey R.T., Tasdighi A., Dozier A., Arabi M., and Zeiler K. 2019. Coupled SWAT-MODFLOW model for large-scale mixed agro-urban river basins. Environmental Modelling and Software 115: 200-210. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2019.02.014.
4. Arumí J.L., Rivera D., Holzapfel E., Boochs P., Billib M., and Fernald A. 2009. Effect of the irrigation canal network on surface and groundwater interactions in the lower valley of the Cachapoal river, Chile [Efecto de la red de canales de riego en las interacciones de agua superficial y subterránea en la parte baja del valle del Río Cachapoal, Chile]. Chilean Journal of Agricultural Research 69(1): 12-20. http://dx.doi.org/10.4067/S0718-58392009000100002.
5. Bailey R.T., Wible T.C., Arabi M., Records R.M., and Ditty J. 2016. Assessing regional-scale spatio-temporal patterns of groundwater–surface water interactions using a coupled SWAT-MODFLOW model. Hydrological Processes 30: 4420–4433. https://doi.org/10.1002/hyp.10933.
6. Barazzuoli P., Nocchi M., Rigati R., and Salleolini M. 2008. A conceptual and numerical model for groundwater management: a case study on a coastal aquifer in southern Tuscany, Italy. Hydrogeology Journal 16: 1557–1576. DOI: 1007/s10040-008-0324-z.
7. Bedekar V., Niswonger R.G., Kipp K., Panday S., and Tonkin M. 2012. Approaches to the simulation of unconfined flow and perched groundwater flow in MODFLOW. Ground Water 187–198. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2011.00829.x.
8. Bejranonda W., Koontanakulvong S., and Koch M. 2007. Surface and Groundwater Dynamic Interactions in the Upper Great Chao Phraya Plain of Thailand: Semi-Coupling of SWAT and MODFLOW; Groundwater and Ecosystems, IAH Selected Papers on Hydrogeolgy; International Association of Hydrology: Goring, UK: 17–21.
9. Chitsazan M., and Kashkuli H.A. 2002. Groundwater modeling and solving hydrogeological problems. translation, Shahid Chamran University Press, Ahvaz. (In Persian)
10. Chitsazan M., Nozarparvar L., Nedri A., and Farhadimanesh M. 2016. Evaluation of hydraulic relationship between Lore Andimeshk plain aquifer and Dez river using MODFLOW model. Journal of Advanced Applied Geology 17: 36-23. (In Persian with English abstract) DOI: 22055/AAG.2015.11822
11. Chu J., Zhang C., and Zhou H. 2010. Study on interface and frame structure of SWAT and MODFLOW models coupling. Geophysical Research Abstracts, V12, EGU2010-4559. DOI: 11820/dlkxjz.2011.03.012
12. Chunn D., Faramarzi M., Smerdon B., and Alessi D.S. 2019. Application of an integrated SWAT–MODFLOW Model to evaluate potential impacts of climate change and water withdrawals on groundwater–surface water interactions in West-Central Alberta. Water 11(1): https://doi.org/10.3390/w11010110.
13. Davis S.N., and De Wiest R.J.M. 1996. Hydrogeology. New York, Wiley.
14. Doherty J., Brebber L., and Whyte P. 1994. PEST: Model-independent parameter estimation. Watermark Computing, Corinda, Australia 122: 336.
15. Dowlatabadi S., and Zomorodian S.A. 2016. Conjunctive simulation of surface water and groundwater using SWAT and MODFLOW in Firoozabad watershed. KSCE Journal of Civil Engineering 20(1): 485-496. DOI: 1007/s12205-015-0354-8.
16. Dowlatabadi S., and Zomorodian  S.M.A. 2015. Utilization of recharge values derived from SWAT model in mathematical model of MODFLOW to simulate groundwater flow of Firoozabad plain. Water and Soil Science 19(1): 337-348. (In Persian with English abstract). DOI: 18869/acadpub.jstnar.19.71.337.
17. Hamzehkhani H. 2015. Groundwater modeling to investigate the effectiveness of aquifer on surface flows by applying different exploitation policies using remote sensing technology (case study: Miandoab plain). M.Sc. Thesis, Sharif University of Technology, 175 p. (In Persian)
18. Izady A., Davary K., Alizadeh A., Ghahraman B., Sadeghi M., and Moghaddamnia A. 2012. Application of "panel-data" modeling to predict groundwater levels in the Neishaboor plain, Iran. Hydrogeology Journal 20(3): 435-447. https://doi.org/10.1007/s10040-011-0814-2.
19. Kardan Moghaddam H., Banihabib M.E., and Javadi S. 2018. Quantitative sustainability analysis of the aquifer system (case study: south Khorasan-birjand aquifer). Journal of Water and Soil 31(6): 1587-1601. (In Persian with English abstract) DOI: 22067/JSW.V31I6.66959.
20. Kim N.W., Chung I.M., Won Y.S., and Arnold J.G. 2008. Development and application of the integrated SWAT–MODFLOW model. Journal of Hydrology 356(1-2): 1-16. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.02.024.
21. Koohestani N., Meftah halaghi M., and Dehghani A. 2013. Numerical simulation of groundwater level using MODFLOW software (a case study: Narmab watershed, Golestan province). International Journal of Advanced Biological and Biomedical Research 1(8): 858-873.
22. Kouchakzadeh M.H., and Nasiri F.  2015. Evaluation of the efficiency of using surface water simulation results to improve the accuracy of groundwater simulation in Silakhor shallow aquifer located in Lorestan province (Iran). Modares Civil Engineering Journal14(3): 129-138. (In Persian with English abstract). http://mcej.modares.ac.ir/article-16-865-en.html.
23. McDonald M.G., and Harbaugh A.W. 1988. A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model. Techniques of Water Resources Investigations, Book 6. Reston, Virginia: U.S. Geological Survey. https://doi.org/10.3133/twri06A1.
24. McKee T.B., Doesken N.J., and Kleist J. 1995. Drought monitoring with Multiple Time scales. In: Proceeding of the 9th Conference on Applied Climatology. Dallas, TX: American Meteorological Society 233-236.
25. Mojtahedi A., Almasi R., and Dadashzadeh M. 2018. The evaluation of the impact of the anthropogenic factors on Lake Urmia crisis using remote sensing and GIS. Journal of Civil and Environmental Engineering University of Tabriz48(2): 59-70. (In Persian with English abstract)
26. Mosase E., Ahiablame L., Park S., and Bailey R. 2019. Modelling potential groundwater recharge in the Limpopo River basin with SWAT-MODFLOW. Groundwater for Sustainable Development 9: 100260. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2019.100260.
27. Nair S.S., King K.W., Witter J.D., Sohngen B.L., and Fausey N.R. 2011. Importance of crop yield in calibrating watershed water quality simulation tools. Journal American Water Resource Associate (JAWRA) 47(6): 1285–1297. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.2011.00570.x.
28. Nalbantis I., and Tsakiris G. 2009. Assessment of hydrological drought revisited. Water Resource Management 23: 881-897. https://doi.org/10.1007/s11269-008-9305-1.
29. Nasseri A. 2019. Comparison of fourteen methods of time series to analyze and predict ground water changes in Marand plain (north of Urmia Lake). Iranian Journal of Irrigation and Drainage13(1): 58-68. (In Persian with English abstract)
30. Nasseri H.R., and Adinehvand R., and Salavitabar A. 2014. The use of system dynamics in behavioral prediction and safe yield determination of Tabriz plain, Quarterly Journal of Science Kharazmi University13(4): 937. (In Persian) URL: http://jsci.khu.ac.ir/article-1-1644-fa.html
31. Nayyeri H. 2015. Morphological analysis of Mahabad river channeled the impact of dam construction, Journal of Applied Researches in Geographical Sciences15(37): 155-178. (In Persian with English abstract) DOI: 1001.1.22287736.1394.15.37.8.6
32. Niswonger R.G., Panday S., and Ibaraki M. 2011. MODFLOW-NWT, A newton formulation for MODFLOW-2005: USGS Survey Techniques and Methods 6–A37. https://doi.org/10.3133/tm6A37.
33. Palma H.C., and Bentley L.R. 2007. A regional-scale groundwater flow model for the Leon-Chinandega aquifer, Nicaragua. Hydrogeology Journal 15: 1457–1472. https://doi.org/10.1007/s10040-007-0197-6.
34. Park S., and Bailey R.T. 2017. SWAT-MODFLOW Tutorial—Documentation for Preparing Model Simulations; Department of Civil and Environmental Engineering, Colorado State University: Fort Collins, CO, USA; 56p. https://doi.org/10.1111/1752-1688.12502.
35. Raja O., Parsinejad M., and Tajrishi M. 2021. Multipurpose calibration of SWAT model in estimating runoff, evapotranspiration, and crop yield (a case study: Mahabad plain). Iran-Water Resources Research 17(4): 11-34. (In Persian with English abstract) DOI:  1001.1.17352347.1400.17.4.1.8.
36. Karimipour A.R., and RakhshandehrooR. 2011. Sensitivity analysis for hydraulic behavior of Shiraz plain aquifer using PMWIN, Journal of Water and Wastewater22(78): 102. (In Persian with English abstract)
37. Rezaei Moghaddam M.H., Rahimpour T., and Nakhostinrouhi M. 2016. Potential Detection of the Groundwater Resources Using Analytic Network Process in Geographic Information System (Case Study: Basins Leading to Tabriz Plain). Iranian Journal of Eco Hydrology3(3): 379-389. (In Persian with English abstract). DOI: 22059/IJE.2016.60026.
38. Saadatpour A., Alizadeh A., Ziaei A.N., and Izady A. 2019. Integrated Surface and Groundwater Flow Modeling in Neishaboor Watershed with SWAT-MODFLOW. Journal of Water and Soil33(4): 521-536. (In Persian with English abstract) DOI: 22067/JSW.V0I0.74658.
39. Saberimehr S., Asghari Moghaddam A., and Nadiri A. 2017. Modeling Groundwater Flow and Salinity Intrusion at Shabestar Plain Aquifer Using GMS Software Model, Quaternery Journal of Iran 3(9): 41-50. (In Persian). https://dx.doi.org/10.22059/ijswr.2021.331850.669093.
40. Sadat Hamraz B., Akbarpour A., and Pourreza Bilondi M.  2016. Assessment of parameter uncertainty of MODFLOW model using GLUE method (Case study: Birjand plain). Water and Soil Conservation22(6): 61-79. (In Persian with English abstract). DOI: 1001.1.23222069.1394.22.6.4.6.
41. Scanlon B.R., Keese K.E., Flint A.L., Flint L.E., Gaye C.B., Edmunds W.M., and Simmers I. .2006. Global synthesis of groundwater recharge in semiarid and arid regions. An International Journal 20(15): 3335–3370. https://doi.org/10.1002/hyp.6335.
42. Semiromi M.T., and Koch M. 2019. Analysis of spatio-temporal variability of surface–groundwater interactions in the Gharehsoo river basin, Iran, using a coupled SWAT-MODFLOW model. Environmental Earth Sciences 78(6): 201. https://doi.org/10.1007/s12665-019-8206-3.
43. Sibanda T., Nonner J.C., and Uhlenbrook S. 2009. Comparison of groundwater recharge estimation methods for the semi-arid Nyamandhlovu area, Zimbabwe. Hydrogeology Journal 17: 1427–1441. https://doi.org/10.1007/s10040-009-0445-z.
44. Sophocleous M., and PerkinsP. 2000. Methodology and application of combined watershed and ground water models in Kansas. Journal of Hydrology 236(3–4): 185–201. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(00)00293-6.
45. SophocleousA. 2005. Groundwater recharge and sustainability in the High Plains aquifer in Kansas, USA. Hydrogeology Journal 13(2): 351–365. https://doi.org/10.1007/s10040-004-0385-6.
46. Sun H., and Cornish P.S. 2005. Estimating shallow groundwater recharge in the headwaters of the Liverpool Plains using SWAT. Hydrological Processes 19(3): 795–807. https://doi.org/10.1002/hyp.5617.
47. Taheri Tizro A., and Kamali M.  2019. Groundwater modeling by MODFLOW model in Toyerkan aquifer and evaluation of hydrogeological state under present and future conditions. Water Engineering 12(40): 89-104. (In Persian with English abstract) DOI: 1001.1.20086377.1398.12.40.8.4.
48. Tigkas D., Vangelis H., and Tsakiris G. 2015. DrinC: a software for drought analysis based on drought indices. Earth Science Informatics 8(3): 697-709. https://doi.org/10.1007/s12145-014-0178-y.
49. Valizadegan E., and Yazdanpanah S. 2018. Quantitative model of optimal conjunctive use of Mahabad plain's surface and underground water resources, Amirkabir Journal of Civil Engineering50(4): 631-640. (In Persian with English abstract) DOI: 22060/CEEJ.2017.12739.5266.
50. Vicente-Serrano S.M., López-Moreno J.I., Drummond A., Gimeno L., Nieto R., Morán-Tejeda E., Lorenzo-Lacruz J., Beguería S., and Zabalza J. 2011. Effects of warming processes on droughts and water resources in the NW Iberian Peninsula (1930-2006). Climate Research 48: 203–212. https://doi.org/10.3354/cr01002.
51. Water Consulting Engineers and Sustainable Development. 2014. Update studies of water resources balance of study areas of Urmia Lake catchment area, report of water resources balance of Mahabad study area, 81 p. (In Persian)
52. Wei X., and Bailey R.T. 2019. Assessment of system responses in intensively irrigated stream–aquifer systems using SWAT-MODFLOW. Water 11(8): 1576. https://doi.org/10.3390/w11081576.
53. Wei X., Bailey R.T., Records R.M., Wible T.C., and Arabi M. 2018. Comprehensive simulation of nitrate transport in coupled surface-subsurface hydrologic systems using the linked SWAT-MODFLOW-RT3D model. Environmental Modelling and Software 122: 1-10. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2018.06.012.
54. Wheater H.S. 2010. Hydrological processes, groundwater recharge and surface-water/groundwater interactions in arid and semi-arid areas. Groundwater Modeling in Arid and Semi-Arid Areas, 1st ed. Howard S. Wheater, Simon A. Mathias and Xin Li. Published by Cambridge University Press, 5-37. https://doi.org/10.1017/CBO9780511760280.003.
55. Xu Y., and Beekman H.E. 2003. Groundwater recharge estimation in southern Africa. UNESCO IHP UNESCO Paris, 92-9220-000-3. https://doi.org/10.1007/s10040-018-1898-8.