ارزیابی کارایی مدلهای بارش رواناب AWBM، Sacramento، SimHyd و Tank در حوزه آبخیز پل فسا
فاطمه فروتن
1
,
بهارک معتمدوزیری
2
*
,
هادی کیادلیری
3
,
مهدی سرائی تبریزی
4
1 - دانشجوی دکتری، گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، تهران، ایران
2 - دانشیار گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، تهران، ایران
3 - دانشیار ، گروه علوم محیط زیست و جنگل، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، تهران، ایران
4 - استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ایران.
کلید واژه: مدل بارش رواناب, حوزه آبخیز پل فسا, کالیبراسیون, اعتبارسنجی,
چکیده مقاله :
مدل¬های هیدرولوژی ابزار موثری برای مدیریت منابع آب و تغییر اقلیم در چرخه آب و مشخصه های جریان می باشند. هدف از این تحقیق، ارزیابی عملکرد نسبی مدلهای بارش- رواناب یکپارچه و مفهومیAWBM ، Sacramento، SimHyd و Tank در بسته نرم افزاری RRLدر شبیه سازی رواناب روزانه حوزه آبخیز پل فسا از زیرحوضه های دریاچه مهارلو در استان فارس می¬باشد.. تاریخ 23/9/1380 تا 31/12/1381 برای دوره گرم کردن مدل، از تاریخ 01/01/1382 تا 31/12/1392 برای دوره کالیبراسیون و از تاریخ 01/01/1393 تا 22/9/1399 برای دوره اعتبارسنجی استفاده گردید. پس از اجرای مدل ها، ارزیابی کمی مقادیر جریان ماهانه شبیه سازی شده برای مرحله کالیبراسیون و اعتبارسنجی ارائه گردید. از روش آزمون و خطا بر اساس خصوصیات حوزه آبخیز، برای تعیین مقادیر بهینه پارامترهای مدل در دوره کالیبراسیون استفاده گردید. مقایسه شاخص¬های آماری در دوره کالیبراسیون برای مدل های AWBM، Sacramento، SimHyd و Tank به ترتیب ضریب کارایی 79/0، 02/0-، 6/0، 41/0و ضریب تبیین 82/0، 59/0، 79/0 ،41/0و برای دوره اعتبارسنجی بترتیب ضریب کارایی 53/0 ، 19/0-،44/0- ، و ضریب تبیین 65/0، 61/0، 65/0-، -بدست آمد. نتایج حاصل از کالیبراسیون برای مدلهای AWBM و مدل SimHyd نشان از کارایی خوب مدل در شبیه سازی دبی است. نتایج حاصل از اعتبارسنجی برای این دو مدل نسبت به دوره کالیبراسیون نتایج ضعیفتر، ولی قابل قبولی ارائه داده که شاید علت آن خشکسالی های اخیر دوره اعتبارسنجی نسبت به دوره کالیبراسیون باشد. نتایج حاصل از کالیبراسیون و اعتبارسنجی برای مدلهای Tank و Sacramento بیانگر عملکرد ضعیف مدل در شبیه سازی رواناب می باشد.
Hydrological models are an effective tool for managing water resources as well as understanding the impact of land use changes and climate change on the water cycle and flow characteristics. The aim of this research is to evaluate the relative performance of integrated and conceptual rainfall-runoff models AWBM, Sacramento, SimHyd and Tank in the RRL software package in simulating the daily runoff of the Fasa Bridge watershed from the sub-basins of Maharlu Lake in Fars province. 23/9/2002 to 31/12/2003 for the model warming period, from 01/01/2004 to 31/12/2014 for the calibration period and from 01/01/2015 to 22/9/2021 for the period Validation was used. After the implementation of the models, a quantitative evaluation of the simulated monthly flow values was presented for the calibration and validation stage. Then, by trial and error method and based on the characteristics of the watershed, the optimal values of the model parameters were determined in the calibration period . Comparison of statistical indicators in the calibration period for AWBM, Sacramento, SimHyd and Tank models, efficiency coefficient 0.79, -0.02, 0.6, 0.41 and determination coefficient 0.82, 0.59, 0.79, 0.41, respectively and efficiency coefficient 0.53, -0.19, -0.44, 0.002 and determination coefficient 0.65, 0.61, -0.65, -0.36 were obtained for the validation period. The calibration results for AWBM and SimHyd models show the good performance of the model in simulation of discharge. Although the results of validation for AWBM and SimHyd models have provided weaker results compared to the calibration period, they have provided acceptable results, which may be due to the recent droughts of the validation period compared to the calibration period. The results of calibration and validation for Tank and Sacramento models indicate the poor performance of the model in simulating runoff. Also, the models have a lot of error in peak discharges.
پرواز، م.، و شاهویی، و. (1401). بررسی دقت شبیه سازی رواناب ماهانه حوضه دریاچه ارومیه با استفاده از مدل یکپارچهAWBM در استان کردستان در ایستگاه سنته. مطالعات علوم محیط زیست، 3(7): 5359-5347.
ثانی خانی، ه.، نیازی، ف.، خسروی نیا، پ. و دین پژوه، ی. (1391) مقایسه عملکرد مدل های TANK و SMAR در شبیه سازی رواناب خروجی از حوضه ها،سومین همایش ملی مدیریت جامع منابع آب،ساری. 448-335.
چوبین، م. و بشیرگنبد، م. (1402). ارزیابی کارایی مدل هیدرولوژیکی IHACRES و شبکه عصبی مصنوعی بهمنظور پیش‌بینی جریان در رودخانه بختیاری پ‍‍ژوهشنامه مديريت حوزه آبخيز ، ۱۴ (۲۷) :۱۲۲-۱۱۵
روحانی، ح. و فراهی مقدم، م. (1392). واسنجی خودکار دو مدل بارش - رواناب تانک و SIMHYD با استفاده از الگوریتم ژنتیک. مرتع و آبخیزداری، منابع طبیعی ایران. 66(4):521-533.
عباسی زاده، م. ونام درست، ج. (1387). شبیه سازی رواناب خروجی در حوزه های آبخیز فاقد آمار با استفاده از مدل. کشاورزی پویا؛ (علوم زراعی) 5(3):257-267.
قربانی فرد، م. (1400). ،مقایسه و ارزیابی مدل های AWBM و IHACRES در مدلسازی بارش- رواناب (مطالعه موردی: حوضه آبریز کن)، دهمین کنفرانس بین المللی سامانه های سطوح آبگیر باران،
کلبعلی، ا. (1394). ارزیابی کارایی مدلهای بارش-رواناب SimHyd ، Sacramento ،AWBM و Tank در شبیه سازی رواناب ایستگاه هیدرومتری ارازکوسه حوضه آبخیز گرگانرود استان گلستان. پایان نامة کارشناسی ارشد، دانشگاه زابل.
گودرزی، م.، ذهبیون، ب.، مساح بوانی، ع. و کمال، ع. (1391). مقایسه عملکرد سه مدل هیدرولوژی SWAT، IHACRES و SIMHYD در شبیه سازی رواناب حوضه قره‌سو". مدیریت آب و آبیاری, 2(1): 40-25.
محمدیوند، م.، عراقی نژاد، ش.، ابراهیمی، ک.، و مدرسی، ف. (1398). ارزیابی عملکرد مدلهای AWBM ،Sacramento و SimHyd در شبیه سازی رواناب حوضه امامه با استفاده از بهینه ساز واسنجی خودکار الگوریتم ژنتیک. تحقیقات آب و خاک ایران 7(50): 1759-1769.
مردانی، م. (1396). مقايسه کبارايی مبدل¬های مفهومی بارش -رواناب IHACRES ،SIMHYD و TANK در شبیهسازی جريان رودخانه، پايان¬نامه کارشناسی ارشد رشته منابع طبیعی گرايش مهندسی آبخیزداری ، دانشگاه شهرکرد.
Me W., J. Abell M. & Hamilton D. P.)2015). Effects of hydrologic conditions on SWAT model performance and parameter sensitivity for a small, mixed land use catchment in New Zealand,; Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 4127–4147. Mohammadi, B., Safari, M.J.S. & Vazifehkhah, S. (2022). IHACRES, GR4J and MISD-based multi conceptual-machine learning approach for rainfall-runoff modeling. Sci Rep, 12, 12096
Paul Pranesh K., Zhang, Y., Ma, N., Mishra, A., Panigrahy, N., Singh, R. (2021). Selecting hydrological models for developing countries: Perspective of global, continental, and country scale models over catchment scale models, Journal of Hydrology, 600: 123-167.
Podger, G. (2004). Rain Runoff Library user guide, CRC for Catchment Hydrology, 110p.
Ramezani, M. R., Helfer, F. and Yu, B. (2023). Individual and combined impacts of urbanization and climate change on catchment runoff in Southeast Queensland, Australia, Science of The Total Environment, 861: 861-880.
Reddy, N.M., Saravanan, S., Singh, L. and Abijith, D. (2023). Comparative Analysis of TANK and SimHyd Rainfall-Runoff Models in the Hemavathi Watershed, Cauvery Basin, India. In: Pal, I., Kolathayar, S., Tawhidul Islam, S., Mukhopadhyay, A., Ahmed, I. (eds) Proceedings of the 2nd International Symposium on Disaster Resilience and Sustainable Development. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 294. Springer, Singapore, pp. 23-76.
Sharifi, F., Namdorost j. & Zarin, H.A. (2006). Evaluation of AWBM model in a number of sub-basins of Karun watershed, 1st Conference on Optimum Utilization of Water Resources, Shahrekord, Iran Sugawara, M. (1974). Tank model and its application to Bird Creek, Wollombi Brook, Bikin Rive, Kitsu River, Sanaga River and Namr Mune. Research Note of the National Research Center for Disaster Prevention 11: 1–64.
Trivedii, A., Pyasi S.K. and Galkate, R.V. (2018). Assessment of Impact of Climate Change Using RRL AWBM Model, National Institute of Hydrology, Walmi Campus, Bhopal, Water and Energy International,: 6(9): 51-59.
Vaze, J., Post, D.A., Chiew, F.H.S., Perraud, J.-M., Viney, N.R.. and Teng, J. (2010). Climate non-stationarity – Validity of calibrated rainfall–runoff models for use in climate change studies, Journal of Hydrology 394: 447–457.
Vidyarthi Vikas K. & Jain, A. (2023). Development of simple semi-distributed approaches for modelling complex rainfall-runoff process, Hydrological Sciences Journal, 68(7), 998-1015.
Yang, W., Xia, R., Chen, H., Wang, M. and Xu, C. Y. (2022). The impact of calibration conditions on the transferability of conceptual hydrological models under stationary and nonstationary climatic conditions, Journal of Hydrology, 613, Part, A128310,
مجله تحقیقات منابع طبیعی تجدیدشونده، سال پانزدهم، شماره1بهار وتابستان1403(پیاپیچهل و یک)، ص 155-141، نوع مقاله: علمی پژوهشی/1
ارزیابی کارآیی مدلهای بارش رواناب AWBM، Sacramento،SimHyd و Tank
در حوزه آبخیز پل فسا
فاطمه فروتن1، بهارک معتمدوزیری2*، هادی کیادلیری3 و مهدی سراییتبریزی4
1) دانشجوی دکتری رشته علوم و مهندسی آبخیزداری گرایش حفاظت آب و خاک، گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ایران.
2) دانشیار گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ایران.
*رایانامه نویسنده مسئول مکاتبات: bmvaziri@gmail.com
3) دانشیار گروه علوم محیط زیست و جنگل، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ایران.
4) استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ایران.
https:/doi.org/10.71916/jrnr.2024.20645
تاریخ دریافت: 04/03/1403 تاریخ پذیرش: 21/05/1403
چکیده
مدلهای هیدرولوژی ابزار موثری برای مدیریت منابع آب و تغییر اقلیم در چرخه آب و مشخصههای جریان میباشند. هدف از این پژوهش، ارزیابی عملکرد نسبی مدلهای بارش- رواناب یکپارچه و مفهومیAWBM ، Sacramento، SimHyd و Tankدر بسته نرمافزاری RRLدر شبیهسازی رواناب ماهانه حوزه آبخیز پل فسا از زیرحوضههای دریاچه مهارلو در استان فارس میباشد. تاریخ 23/9/1380 تا 31/12/1381 جهت دوره گرم کردن مدل، از تاریخ 01/01/1382 تا 31/12/1392 برای دوره واسنجی و از تاریخ 01/01/1393 تا 22/9/1399 برای دوره اعتبارسنجی استفاده گردید. پس از اجرای مدلها، ارزیابی کمی مقادیر جریان ماهانه شبیهسازیشده برای مرحله واسنجی و اعتبارسنجی ارایه گردید. از روش آزمون و خطا بر اساس خصوصیات حوزه آبخیز برای تعیین مقادیر بهینه پارامترهای مدل در دوره واسنجی استفاده گردید. مقایسه شاخصهای آماری (ضریب کارآیی و تبیین) در دوره واسنجی برای مدلهای AWBM، Sacramento، SimHyd و Tank بهترتیب ضریب کارآیی 79/0، 02/0-، 6/0، 41/0 و ضریب تبیین 82/0، 59/0، 79/0، 41/0 و برای دوره اعتبارسنجی بهترتیب ضریب کارآیی 53/0، 19/0-، 44/0- ، 002/0 و ضریب تبیین 65/0، 61/0، 65/0-، 36/0- بهدست آمد. نتایج حاصل از واسنجی برای مدلهای AWBM و مدل SimHyd نشان از کارآیی خوب مدل در شبیهسازی دبی است. نتایج حاصل از اعتبارسنجی برای این دو مدل نسبت به دوره واسنجی نتایج ضعیفتر، ولی قابل قبولی ارایه داد که شاید علت آن خشکسالیهای اخیر دوره اعتبارسنجی نسبت به دوره واسنجی باشد. نتایج حاصل از واسنجی و اعتبارسنجی برای مدلهای Tank و Sacramento بیانگر عملکرد ضعیف مدل در شبیهسازی رواناب میباشد. همچنین مدلها در دبیهای اوج خطای زیادی داشت.
واژه‌های کلیدی: حوزه آبخیز پل فسا، شبیهسازی جریان، کارآیی مدل، مدل بارش رواناب.
توسعه و استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی در مقیاس جهانی، قاره‌ای و کشوری در دو دهه اخیر توجه فزآینده‌ای را به خود جلب کرده است. اگرچه کشورهای توسعه‌یافته در توسعه و ارزیابی این مدلها پیشتاز هستند، اما اکثر کشورهای در حال توسعه، اگر گفته نشود همه، حتی مدلهای مخصوص منطقه خود را ندارند. بنابراین، فرآیند انتخاب مدل مناسب برای این مناطق جهت بهبود مهارت در مدلسازی هیدرولوژیکی و پیش‌بینی در مقیاس محلی تا جهانی ضروری است (et al., 2021 Paul Pranesh). در سالهای اخیر پیش‌بینی جریان در رودخانه یکی از مسایل مهم و مورد توجه برای مدیریت منابع آب در ایران است. این پیش‌بینی نیازمند آمار و اطلاعات است که متاسفانه اغلب حوضه‌های کشور فاقد دادههای با کمیت و کیفیت مورد نظر میباشند. مدلسازی هیدرولوژیکی از نمونه راهکارهایی است که برای برطرف کردن چالش عدم‌کفایت و عدم وجود دادههای باکیفیت مناسب در هیدرولوژی مورد استفاده قرار میگیرد. معیار انتخاب مدل مناسب برای این فرآیند، ارزیابی عملکرد مدلها با توجه به شرایط هیدرولوژیکی هر منطقه است (چوبین و بشیرگنبد، 1402). باتوجه به دامنه متنوع مدلهاي هیدرولوژي در دسترس، انتخاب مناسبترین مدل براي هر کار مخصوصی بهدلیل افزایش بهرهوري دشوار است. بنابراین، نیاز به ارزیابی مقایسهای براي تشخیص قابلیت و محدودیت مدلهای حوضه در منطقه مطالعاتی دارد (گودرزی و همکاران، 1391). محمدیوند و همکاران (1398) عملکرد مدلهای AWBM، Sacramento و SimHyd در شبیهسازی رواناب حوضه امامه را با استفاده از بهینهساز واسنجی خودکار الگوریتم ژنتیک ارزیابی کردند. نتايج حاکي از عملکرد بهتر مدل SimHyd نسبت به دو مدل ديگر است. همچنين مدلهاي AWBM و Sacramento نيز نتايج آماري و گرافيکي رضايتبخش و مطلوب در حوضه منتخب داشتند. قربانیفرد (1400) مدلهای AWBM و IHACRES را در حوزه آبخیز کن مقایسه و ارزیابی کرد. بر اساس نتایج بهدست آمده ضریب نشساتکلیف و ضریب همبستگی برای مدل AWBM بهترتیب برابر با 81/0 و 87/0 و برای مدلIHACRES بهترتیب برابر با 82/0 و 84/0 میباشد. در نهایت، نتایج نشان داد مدلها، تطبیق قابل قبولی با شرایط منطقه مورد مطالعه دارند. پرواز و شاهویی (1401) دقت مدل یکپارچه AWBM را در شبیهسازی رواناب حوضه دریاچه ارومیه در استان کردستان ارزیابی کردند. نتایج بهدست آمده نشان داد مدل میتواند شبیهسازی قابل اعتمادی در شرایط کشور داشته باشد. Vidyarthi و Jain (2023) چهار مدل نیمه توزیع بارش- رواناب را با استفاده از یک مدل یکپارچه ساده با توزیع مکانی از نظر ویژگیهای آب وهواشناسی و فیزیوگرافی در یک حوضه بهکار بستند. نتایج نشان داد مدلهای نیمه توزیعی بهتر از مدل یکپارچه عمل میکنند. Reddy و همکاران (2023) مقایسه ای از مدلهای بارش- رواناب TANK و SimHyd را در حوزه آبخیز هماواتی، حوضه کووری1 در هند انجام دادند. مدل TANK از نظر NSE و CC در مقایسه با مدل SimHyd عملکرد رضایتبخشی را نشان دادند. همانگونه که تحقیقات گذشته نشان میدهد مدلهای مذکور در ایران و سایر کشورهای جهان مورد استفاده قرار گرفته است و در هر یک از زیرحوزهها یک یا دو مورد از مدلها، عملکرد رضایتبخشی داشتهاند. مدلهای مختلفی بهعنوان بهترین مدل هدف از این تحقیق، ارزیابی عملکرد نسبی مدلهای بارش- رواناب یکپارچه و مفهومی AWBM، Sacramento، SimHyd و Tank در بسته نرمافزاری RRLدر شبیهسازی رواناب ماهانه حوزه آبخیز پل فسا از زیرحوضههای دریاچه مهارلو در استان فارس میباشد. همچنین این پژوهش برای اولین بار در منطقه مورد مطالعه انجام گشته است.
مواد و روشها
حوزه آبخیز پل فسا، یکی از زیرحوزههای آبخیز مهارلو در جنوبشرقی شهرستان شیراز با طول جغرافیایی 619911 تا 674235 و عرض جغرافیایی 3228499 تا 328987 است که دارای ایستگاه هیدرومتری است. شکل (1) موقعیت حوزه آبخیز پل فسا را در حوضه مورد مطالعه نشان میدهد. منطقه مورد مطالعه در سالهای اخیر، بهدلیل افزایش جمعیت و فعالیتهای اقتصادی در اطرف رودخانه و واقع بودن در حوزه آبخیز شهری شیراز و یکی از زیرحوزههای آبخیز اصلی ورودی به دریاچه مهارلو از اهمیت بالایی برخوردار میباشد که اهمیت تحقیق در مورد بارش- رواناب را افزایش می دهد. جدول (1) لیست ایستگاههای مورد استفاده در این تحقیق را نشان میدهد. نقشه حوزه آبخیز پل فسا نیز در شکل (1) نشان داده شده است.
[1] . Cauvery
جدول 1. ایستگاههای موجود در داخل و اطراف حوزه آبخیز پل فسا
نوع ایستگاه | ارتفاع (متر) | عرض جغرافیایی | طول جغرافیایی | نام ایستگاه | کد ایستگاه |
تبخیرسنجی | 1597 | 3232309 | 652991 | بند بهمن | 00124 |
باران‌سنجی | 1966 | 3282937 | 611340 | خاننیان | 03324 |
باران‌سنجی | 2056 | 3315382 | 619736 | خلار | 18043 |
تبخیرسنجی | 2029 | 3281409 | 595548 | دشت ارژن | 01223 |
تبخیرسنجی | 1489 | 3255733 | 672898 | دوبنه | 04743 |
سینوپتیک | 1596 | 3296012 | 665939 | زرقان | 1 |
باران‌سنجی | 1620 | 3291799 | 674876 | شول بند امير | 06643 |
باران‌سنجی | 1522 | 3278763 | 648443 | شيراز اداره مركزي | 04443 |
سینوپتیک | 1484 | 3268144 | 655043 | شیراز | 2 |
تبخیرسنجی | 1881 | 3301316 | 629936
| قلات شيراز | 03843 |
باران‌سنجی | 1140 | 3264836
| 629936
| گشنگان | 16443 |
تبخیرسنجی | 2137 | 3292080 | 6812112
| مارون | 77343 |
شکل 1. موقعیت حوزه آبخیز پل فسا و ایستگاههای هیدرومتری و هواشناسی موجود در آن
در این پژوهش عملکرد چهار مدل هیدرولوژیکی یکپارچه و مفهومی بارش- رواناب AWBM، Sacramento،SimHyd و Tank در بسته نرمافزاری RRLدر شبیهسازی متوسط دبی ماهانه جریان مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. از این رو در این مطالعه، وضعیت رواناب حوضه پل فسا بهعنوان یکی از مهمترین حوزههای آبخیز مهارلو از نظر زیست‌محیطی با استفاده از مدلها بارش رواناب مورد بررسی قرار میگیرد. در این پژوهش ابتدا نسبت به جمع‌آوری اطلاعات ازجمله دادههای اقلیمی بارش، دما، تبخیر و تعرق، دادههای دبی روزانه در دوره آماری 1380 تا 1399 اقدام گردید. نقشه‌های مرز حوضه، آبراههها در حوزه آبخیز پل فسا اقدام شد. مهمترین دادههای ورودی RRL عبارتند از: 1. بارندگی: سری زمانی پیوسته از دادههای بارندگی روزانه به صورت میلیمتر در روز؛ 2. تبخیر: سری زمانی پیوسته از تبخیر تعرق پتانسیل (PET) با استفاده از روش فائو پنمن مانتیث که نشاندهنده تبخیر تعرق حوضه بهصورت میلیمتر در روز است؛ 3. جریان اندازهگیریشده: مقادیر رواناب روزانه در ایستگاههای اندازهگیری شده است. این دادهها برای واسنجی مدلها مورد استفاده قرار میگیرند. واحد مورد قبول برای جریان میلیمتر در روز یا مترمکعب بر ثانیه است و 4. مساحت حوزه: این داده برای تبدیل ورودیها و خروجیهای جریان به عمق رواناب استفاده میشود.
مدل AWBM
مدل AWBMیک مدل بیلان آب آبخیز است که رواناب را با بارش در مقیاس ساعتی و روزانه مرتبط میکند و برای مدل کردن هیدروگراف سیل، تلفات را از بارش محاسبه میکند. این مدل سه سطح ذخیره را برای شبیهسازی سطوح جزیی رواناب مورد استفاده قرار میدهد. بیلان آب با هر سطح ذخیره جزیی مستقل از سایرین محاسبه میشود. این مدل بیلان رطوبت هر سطح جزیی را در مراحل زمانی ساعتی یا روزانه محاسبه میکند. در هر مرحله زمانی، بارش به هر سه ذخیره رطوبت سطحی اضافه میشود و تبخیر از هر ذخیره کم میشود. معادله بیلان آب بدین صورت است (, 2004 Podger):
(1) | (....,3,2, 1n=) |
در اين معادله اگر ميزان رطوبت ذخيره، منفي شود، صفر در نظر گرفته ميشود، بهطوریکه میزان تبخیر از رطوبت موجود بیشتر است. اگر رطوبت ذخيره بيش از ظرفيت مخزن شود، رطوبت مازاد به رواناب تبديل شده و رطوبت ذخيره، معادل ظرفيت در اين مخزن باقي ميماند (, 2004 Podger). وقتي باران ميبارد، اول ظرفيت ذخيره C1، بعد ظرفيت ذخيره C2، بعد ظرفيت ذخيره C3 پر میشود. وقتی C1 پر شود، سرریز میکند و رواناب آغاز میشود.C1 مناطق با كمترين ظرفيت ذخيره، كمترين قابليت نفوذ و بيشترين توليد رواناب در هر حوزه مثل مناطق با بزرگترين ظرفيت ذخيره سطحي، حداكثر نفوذ، حداكثر ذخيره و حداقل رواناب در يك حوزه است (Boughton, 2002).
مدل Sacramento
این مدل یک مدل پیوسته بارش رواناب است که برای تولید جریان روزانه از بارندگی و تبخیر ثبت شده استفاده میکند. مطالعات شبیهسازیشده جریان در مقیاس حوضه مانند مدل IQQM به جریان پیوسته ثبت شده طولانیمدت نیاز دارد، درحالیکه عمدتا این اطلاعات در دسترس نیستند. اگرچه دادههای ثبت شده طولانیمدت بارش در دسترس باشد، میتواند با اطلاعات تبخیر برای واسنجی مدلSacramento ترکیب شده در مقابل دادههای کوتاهمدت جریان رودخانه ممکن است مانند هر مدلسازی دیگری موجب ایجاد دادههای گمشده یا ناقص شود. صحت و دقت نتایج حاصل از مدل Sacramento توسط خصوصیات مدل و همچنین توسط کیفیت دادههای بارش، تبخیر و جریان استفاده شده تعیین میشود. بهخصوص برای مدل Sacramento به این دلیل که این مدل از نوع مدلهای بارش رواناب یکپارچه1 است. مدل Sacramento از رطوبت برای شبیهسازی بیلان آب در حوضه استفاده میکند. رطوبت خاک با افزایش بارندگی افزایش مییابد و توسط تبخیر و جریان آب به خارج از مخزن کاهش مییابد. اندازه و رطوبت نسبی مخزن عمق بارش جذب شده، تبخیر و تعرق واقعی و مقدار آب خارج شده از مخزن را تعیین میکند. بارش مازاد بر مقدار جذب شده تبدیل به رواناب میشود و از طریق یک هیدروگراف واحد تجربی و یا دستگاههای مشابه تبدیل میشود. حرکت جانبی آب از ذخایر رطوبت خاک تبدیل به رواناب میشود و وارد جریان آبراهه میگردد. مدل Sacramento بهطور کلی از 16 پارامتر برای شبیهسازی بیلان آبی استفاده میکند که عبارتند از: 5 پارامتر مشخصکننده اندازه رطوبت ذخیره شده در خاک؛ 3 پارامتر برای میزان جریان جانبی؛ 3 پارامتر نفوذ آب از لایههای بالایی به لایه پایینی ذخیره خاک؛ 2 پارامتر رواناب مستقیم؛ و 3 پارامتر تلفات سیستم را محاسبه میکنند.
مدل SimHyd
مدل بارش- رواناب SIMHYDیک مدل بارش- رواناب مفهومی است که جریان روزانه آبراهه را از بارش روزانه و دادههای تبخیر تعرق پتانسیل محاسبه مینماید. تعداد پارامترهای مدل 7 پارامتر است. بارش روزانه ابتدا ذخیره برگاب را پر میکند که هر روز توسط تبخیر خالی میشود. بارش مازاد سپس وارد تابع نفوذ میشود که ظرفیت نفوذ را تعیین مینماید. بارش مازادی که از ظرفیت نفوذ تجاوز میکند به رواناب مازاد نفوذ تبدیل میشود. رطوبتی که نفوذ میکند وارد تابع رطوبت خاک میشود و از آنجا آب را به آبراهه (جریان داخلی)، ذخیره آب زیرزمینی و ذخیره رطوبت خاک هدایت میکند. جریان داخلی در ابتدا به صورت تابعی خطی از رطوبت خاک تخمین زده میشود. معادلهای که برای شبیهسازی جریان داخلی استفاده میشود تلاش میکند تا هر دو فرآیند جریان داخلی و رواناب مازاد بر اشباع را شبیهسازی نماید. بنابراین مدل تولید رواناب را از سه منبع بررسی کرده و تخمین میزند. این منابع شامل رواناب مازاد بر میزان نفوذ، جریان داخلی و رواناب مازاد بر اشباع و جریان پایه است. تغذیه آبهای زیرزمینی نیز تخمین زده میشود که این مورد هم تابعی خطی از رطوبت خاک در نظر گرفته میشود و رطوبت باقیمانده به ذخیره رطوبتی خاک اضافه میشود (2004 Podger,).
[1] 1. Lumped
جدول 2. پارامترهای مدل Sacramento (کلبعلی، 1394)
پارامتر | واحد | توضیحات |
UZTWM | Mm | حداکثر کشش آب زون بالایی، حداکثر مقدار نگهداشت آب توسط زون بالایی بین ظرفیت طبیعی و نقطه پژمردگی که میتواند با تبخیر مستقیم و تبخیر و تعرق از سطح خاک از دست رود. این مخزن قبل از هر گونه انتقال آب از منطقه بالا به مخازن دیگر پر شده است. |
UZFWM | Mm | حداکثر آب آزاد منطقه فوقانی، این مخزن منبع آب برای جریان زیرقشری و نیروی محرکه انتقال آب به عمقهای پایینتر است. |
LZTWM | Mm | حداکثر کشش آب زون پایینی، حداکثر ظرفیت کشش آب منطقه پایینی است. آب در این مخزن تنها توسط تبخیر و تعرق از دست میرود. |
LZFSM | M | حداکثر آب مازاد منطقه پایینی، حداکثر حجم جریان پایه مازاد که میتوان استخراج کرد. |
LZFPM | Mm | حداکثر آب آزاد منطقه پایینی، حداکثر ظرفیتی که از جریان پایه اولیه میتوان استخراج کرد. |
UZK | l/day | نسبتی از آب در UZFWM که بهعنوان جریان زیرقشری روزانه تخلیه میشود. |
LZSK | l/day | نسبتی از آب در LZFSMکه بهعنوان جریان پایه روزانه تخلیه میشود. |
LZPK | l/day | نسبتی از آب در LZFPM که بهعنوان جریان پایه روزانه تخلیه میشود. |
PFREE | - | حداقل سهم نفوذ از منطقه بالایی به منطقه پایینی بهطور مستقیم که برای تغذیه مخزنهای آب آزاد منطقه پایینی در دسترس است. |
REXP | - | توان تعیینکننده نرخ تغییرات نفوذ با تغییر ذخیرهسازی آب منطقه پایینی |
ZPERC | - | فاکتوری که برای PBASE که بهمنظور تعریف حداکثر نرخ نفوذ بهکار میرود. |
SIDE | - | کسر اعشاری از جریان پایه مشاهده شدهای که حوزه را بهعنوان جریان آبهای زیرزمینی ترک میکند. |
SSOUT | M3/s/km2 | حجم جریانی که میتواند توسط مواد متخلخل در بستر جریان مستقیم میشود. |
PCTIM | - | بخش غیرقابل نفوذ حوزه که منجر به تولید رواناب مستقیم میشود. |
ADIMP | - | بخشهای اضافی منطقه قبلی که ویژگیهای منطقه غیرقابل نفوذ را تحت شرایط اشباع خاک توسعه میدهد. |
SARVA | - | کسر اعشاری که نماینده بخشی از حوزه است که بهطور معمول توسط آبراههها، دریاچهها و پوشش گیاهی پوشیده شده است که میتواند جریان آبراهه را توسط تبخیر و تعرق تهی کند. |
مدل Tank
مدل TANK یک مدل ساده است که شامل 4 تانک (مخزن) میباشد که به صورت سری و عمودی قرار گرفتهاند. این مدل اولین بار توسط (Sugawara, 1974) اریه گردید و از مدلهای مفهومی گردهای (یکپارچه)1 در هیدرولوژی میباشد. با توجه به اینکه این مدل در مقایسه با سایر مدلهای بارش رواناب چه به لحاظ مفهومی و چه به لحاظ محاسباتی ساده میباشد، بیشتر مورد توجه محققین بوده است. در این مدل، حوضه به شکل مجموعهای از مخازن که به صورت سری و عمودی پشت سر هم قرار گرفتهاند، در نظر گرفته میشود. دادههای مورد نیاز جهت بهکارگیری و واسنجی این مدل شامل دادههای بارش، تبخیر و رواناب مشاهداتی میباشند. مشکل اصلی در بهکارگیری این مدل، تعیین پارامترهای مدل میباشد که معمولا به روش آزمون و خطا تعیین میشوند. مقدار کل رواناب شامل مجموع رواناب هر یک از مخازن است که مقدار رواناب هر یک از مخازن از رابطه زیر بهدست میآید (ثانیخانی و همکاران، 1391):
(2) |
|
در این رابطه qمقدار عمق رواناب (میلیمتر)، Cx ارتفاع آب در مخزن x، Hxyارتفاع در نقطه خروجی و axy ضریب رواناب خروجی از مخزن مربوطه میباشد.
(3) |
|
در این رابطه ETA مقدار تبخیر و تعرق (میلیمیتر)، ETP تبخیر و تعرق پتانسیل (میلیمیتر) و α ضریب تبخیر و تعرق میباشد. همچنین مقدار نفوذ در هر مخزن از رابطه (4) محاسبه می شود:
(4) |
|
در این رابطه Ix مقدار نفوذ (میلیمتر) وx ضریب نفوذ برای مخزن میباشد (2004 Podger,).
ارزیابی مدل
بهمنظور ارزیابی کارآیی مدل در تولید هیدروگراف مشاهدهای یکسری شاخصهای آماری مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر مقایسه چشمی بهمنظور ارزیابی بهترین برازش بین هیدروگراف مشاهدهای و محاسبه شده، شاخصهای ارزیابی مورد استفاده قرار میگیرد. بعد از آنالیز نتایج حاصل از مدلها بهترین مدل با توجه به خطای ایجاد شده به وسیله هر مدل انتخاب میشود. جهت ارزیابی کارآیی مدل از معیارهای آماری ضریب کارآیی ناش- شاتکلیف2 و ضرب تبیین3 استفاده گردید (جدول3).
[1] 1. Lump
[2] 2. Nash–Sutcliffe efficiency (NSE)
[3] 3. R2
جدول 3. معیارهای کارآیی مدل (Me et al., 2015)
آماره | رتبه کارآیی | |||
خیلیخوب | خوب | رضایتبخش | نامناسب | |
| 1-7/0 | 7/0-6/0 | 6/0-5/0 | <5/0 |
| 1-75/0 | 75/0-65/0 | 65/0-5/0 | <5/0 |
On دبی مشاهداتی، Sn دبی شبیهسازیشده، 
متوسط دبی مشاهداتی، 
متوسط دبی شبیهسازیشده، N تعداد دادههای مشاهداتی، NSE ضریب کارآیی ناش- شاتکلیف و R2 ضرب تبیین.
نتایج
عملکرد هر کدام از مدلها در منطقه مورد مطالعه بررسی شد و نتایج حاصل از واسنجی و اعتبارسنجی مدلها در جداول و شکلها آورده شد. برای اجرای هر 4 مدل مورد استفاده در این تحقیق در حوزه آبخیز پل فسا از تاریخ 23/09/1380 تا 31/12/1381 برای دوره گرم کردن مدل، از تاریخ 01/01/1382 تا 31/12/1392 برای دوره واسنجی و از تاریخ 01/01/1393 تا 22/9/1399 برای دوره اعتبارسنجی استفاده گردید. پس از اجرای مدلها، ارزیابی کمی مقادیر جریان ماهانه شبیهسازیشده برای مرحله واسنجی و اعتبارسنجی در زیر ارایه شد. سپس به روش آزمون و خطا و بر اساس خصوصیات حوزه آبخیز، مقادیر بهینه پارامترهای مدل در دوره واسنجی تعیین گردید.
نتایج حاصل از مدل AWBM
جدول (4) مقادیر بهینه پارامترهای مدل AWBM را در حوزه آبخیز پل فسا نشان میدهد. مقایسه گرافیکی دبی مشاهداتی و شبیهسازی ماهانه در مرحله واسنجی بیانگر توانایی مدل در شبیهسازی رواناب در منطقه میباشد و نشاندهنده عملکرد نسبی مدل مذکور در شبیهسازی رواناب منطقه است (شکل 2). نتایج مقایسه شاخصهای آماری در دوره واسنجی (ضریب کارآیی 79/0 و تبیین 82/0) هم نشان از کارآیی خوب مدل در شبیهسازی دبی میباشد. نتایج حاصل از مرحله اعتبارسنجی نیز اگر چه نسبت به دوره واسنجی نتایج ضعیفتری ارایه داده است (ضریب کارآیی 53/0 و تبیین 65/0)، ولی نتایج قابل قبولی ارایه داده که شاید علت آن خشکسالیهای اخیر دوره اعتبارسنجی نسبت به دوره واسنجی باشد (شکلهای 2 و 3). این مقادیر پایینتر از خط یک به یک میباشد و مدل تمایل به کمتر برآورد کردن دبی دارد. همچنین نمودارهای مربوطه نیز نشان میدهد که همبستگی بالایی بین دبی مشاهداتی، برآوردی و بارندگی وجود دارد (شکلهای 2 و 3).
جدول 4. پارامترهای مدل AWBM، مقادیر قراردادی و محدوده آنها (2004 Podger,)
پارامتر | توصیف | واحد | مقدار قراردادی | مقدار حداقل | مقدار حداکثر | مقدار بهینه |
A1 | سطح جزیی مخزن سطحی اول | بدون بعد | 134/0 | 0 | 1 | 173/0 |
A2 | سطح جزیی مخزن سطحی دوم | بدون بعد | 433/0 | 0 | 1 | 26/0 |
BFI | شاخص جریان پایه | بدون بعد | 350/0 | 0 | 1 | 57/0 |
C1 | ظرفیت مخزن سطحی اول | میلیمتر | 7 | 0 | 50 | 58/0 |
C2 | ظرفیت مخزن سطحی دوم | میلیمتر | 70 | 0 | 200 | 56/81 |
C3 | ظرفیت مخزن سطحی سوم | میلیمتر | 150 | 000/0 | 500 | 376/311 |
KBASE | خشکیدگی جریان پایه | بر روز | 950/0 | 000/0 | 000/1 | 98/0 |
KSURF | خشکیدگی جریان سطحی | بر روز | 350/0 | 000/0 | 000/1 | 89/0 |
نتایج حاصل از مدل Sacramento
جدول (5) مقادیر بهینه پارامترهای مدل Sacramento را در حوزه آبخیز پل فسا نشان میدهد. مقایسه گرافیکی دبی مشاهداتی و شبیهسازی در مرحله واسنجی بیانگر عدمتوانایی مدل در شبیهسازی رواناب در منطقه میباشد (شکلهای 4 و 5). نتایج مقایسه شاخصهای آماری در دوره واسنجی (ضریب کارآیی 02/0- و تبیین 59/0) هم نشان از کارآیی نامناسب مدل در شبیهسازی دبی است. نتایج حاصل از مرحله اعتبارسنجی نسبت به دوره واسنجی نتایج ضعیفتری ارایه داده (ضریب کارآیی 19/0- و تبیین 61/0) و نتایج قابل قابلی ارایه نداده است. این مقادیر بالاتر از خط یک به یک میباشد و مدل تمایل به بیش برآورد کردن دبی دارد (شکلهای 4 و 5). علت شبیهسازی ضعیف میتواند مربوط به خطای مربوط به ساختار خود مدل که برای منطقه خاصی ضرایب کالیبره شدهاند، باشد. علت دیگر آن است که در این پژوهش دبیهای مشاهداتی در دوره کالیبراسیون نسبت به دوره اعتبارسنجی بیشتر است. با توجه به اینکه پارامترها برای دورههای با دبی بالاتر کالیبره شدهاند، برای دوره اعتبارسنجی از دقت کمتری برخوردار میباشند.
شکل 2. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل AWBMدر دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
شکل 3. مقایسه هیدروگراف مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل AWBM در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
جدول 5. پارامترهای مدل Sacramento، مقادیر قراردادی و مقدار بهینهشده
مقدار برازشیافته | مقدار قراردادی | مقدار حداکثر | مقدار حداقل | واحد | پارامتر |
24/0 | 01/0 | 1 | 0 | - | ADIMP |
15/39 | 40 | 50 | 0 | Mm | LZFPM |
2/3 | 23 | 50 | 0 | M | LZFSM |
69/0 | 009/0 | 1 | 0 | l/day | LZPK |
69/0 | 043/0 | 1 | 0 | l/day | LZSK |
32/98 | 130 | 400 | 0 | Mm | LZTWM |
1 | 01/0 | 1 | 0 | - | PCTIM |
59/0 | 063/0 | 1 | 0 | - | PFREE |
85/1 | 1 | 3 | 0 | - | REXP |
81/0 | 3/0 | 1 | 0 |
| Reserv |
0 | 01/0 | 1 | 0 | - | SARVA |
18/0 | 0 | 1 | 0 | - | SIDE |
0 | 001/0 | 1 | 0 | M3/s/km2 | SSOUT |
126/12 | 40 | 80 | 0 | Mm | UZFWM |
0 | 245/0 | 1 | 0 | l/day | UZK |
9/7 | 50 | 1 | 0 | Mm | UZTWM |
19/18 | 40 | 80 | 0 | - | ZPERC |
شکل 4. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل Sacramentoدر واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
شکل 5. مقایسه هیدروگراف مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل Sacramento در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
نتایج حاصل از مدل SimHyd
جدول (6) مقادیر بهینه پارامترهای مدل Simhyd را در حوزه آبخیز پل فسا نشان میدهد. مقایسه گرافیکی دبی مشاهداتی و شبیهسازی در مرحله واسنجی بیانگر توانایی نسبی مدل در شبیهسازی رواناب در منطقه میباشد که نشاندهنده عملکرد نسبی مدل مذکور در شبیهسازی رواناب منطقه است و فقط مقادیر دبیهای پایه را کم برآورد کرده است (شکلهای 6 و 7). نتایج مقایسه شاخصهای آماری در دوره واسنجی (ضریب کارآیی 6/0 و تبیین 79/0) هم نشان از کارآیی خوب مدل در شبیهسازی دبی میباشد. نتایج حاصل از مرحله اعتبارسنجی نیز اگرچه نسبت به دوره واسنجی نتایج ضعیفتری ارایه داده است (ضریب کارآیی 44/0 و تبیین 65/0)، ولی نتایج نسبتا قابل قبولی ارایه داده که شاید علت آن خشکسالیهای اخیر دوره اعتبارسنجی نسبت به دوره واسنجی باشد. در دوره اعتبارسنجی نیز مقادیر جریان پایه نسبت به دوره مشاهداتی کم برآورد شده است (شکلهای 6 و 7). این مقادیر پایینتر از خط یک به یک میباشد و مدل تمایل به کمتر برآورد کردن دبی دارد. همچنین نمودار(7) نشان میدهد که همبستگی بالایی بین دبی مشاهداتی، برآوردی و بارندگی وجود دارد.
جدول 6. پارامترهای مدل SIMHYD، مقادیر قراردادی و محدوده آنها (Podger, 2004)
پارامتر | توصیف | قراردادی | حداقل | حداکثر | بهینه |
Baseflow coefficient | شاخص جریان پایه | 3/0 | 0 | 1 | 09/0 |
Impervious threshold | آستانه نفوذناپدیری | 1 | 0 | 5 | 6/2 |
Infiltration coefficient | ضریب نفوذ | 200 | 0 | 400 | 4/285 |
Infiltration shape | شکل نفوذ | 3 | 0 | 10 | 84/1 |
Interflow coefficient | ضریب جریان ورودی | 1/0 | 0 | 1 | 12/0 |
Pervious fraction | سهم نفوذ | 9/0 | 0 | 1 | 99/0 |
Rainfall Interception Store Capacity | ظرفیت ذخیره برگاب بارش | 5/1 | 0 | 5 | 13/0 |
Recharge Coefficient | ضریب تغذیه | 2/0 | 0 | 1 | 47/0 |
Soil moisture Store Capacity | ظرفیت ذخیره رطوبتی خاک | 320 | 1 | 500 | 6/425 |
شکل 6. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآودری مدل Simhyd در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
شکل 7. مقایسه هیدروگراف مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل Simhyd در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
نتایج حاصل از مدل Tank
جدول (7) مقادیر بهینه پارامترهای مدل Tank را در حوزه آبخیز پل فسا نشان میدهد. مقایسه گرافیکی دبی مشاهداتی و شبیهسازی در مرحله واسنجی بیانگر عملکرد ضعیف مدل در شبیهسازی رواناب در منطقه میباشد (شکلهای 8 و 9). نتایج مقایسه شاخصهای آماری در دوره واسنجی (ضریب کارآیی 41/0 و تبیین 41/0) هم نشان از کارآیی ضعیف مدل در شبیهسازی دبی میباشد. نتایج حاصل از مرحله اعتبارسنجی نیز بیانگر ضعف این مدل در شبیهسازی دبی میباشد (شکلهای 8 و 9). همچنین نمودارهای مربوطه نشان میدهد که در زمانهایی با بارش بالا مقادیر دبی نیز از خود افزایش نشان میدهد. برای مدل مذکور در دوره واسنجی و صحت‌سنجی نشان میدهد که در برخی رخدادها اگر چه مدل سعی در مدلسازی کل نقاط هیدروگراف دارد، اما تابع مورد نظر تمامی نقاط پیک را به خوبی شبیهسازی نمیکند.
جدول 7. مقادیر پیش فرض پارامترها برای مدل TANK( کلبعلی، 1394)
پارامتر | مقدار پیشفرض | کمینه پیشفرض | بیشینه پیشفرض | مقدار بهینه |
H11 (ارتفاع رواناب سطحی تانک اول خروجی اول) | 0 | 0 | 500 | 419 |
a11 (ضریب رواناب اول سطحی تانک اول) | 2/0 | 0/0 | 1 | 79/09 |
A12 (ضریب رواناب دوم سطحی تانک اول) | 2/0 | 0/0 | 1 | 015/0 |
A21 (ضریب رواناب میانی دوم) | 2/0 | 0/0 | 1 | 49/0 |
A31 (ضریب رواناب زیرپایه (زیرین) تانک سوم) | 2/0 | 0/0 | 1 | 44/0 |
A41 (ضریب رواناب پایه تانک چهارم) | 2/0 | 0/0 | 1 | 035/0 |
Alpha (ضریب رواناب مربوط به خروجی هر تانک) | 1/0 | 0/0 | 0/1 | 37/3 |
b1 (ضریب نفوذ تانک اول به تانک دوم) | 2/0 | 0/0 | 0/1 | 011/0 |
b2 (ضریب نفوذ تانک دوم به تانک سوم) | 2/0 | 0/0 | 0/1 | 019/0 |
b3 (ضریب نفوذ تانک سوم به تانک چهارم) | 2/0 | 0/0 | 0/1 | 86/0 |
c1 (سطح آب مخزن در تانک اول) | 20 | 0 | 100 | 3/53 |
c2 (سطح آب مخزن در تانک دوم) | 20 | 0 | 100 | 41/89 |
c3 (سطح آب مخزن در تانک سوم) | 20 | 0 | 100 | 0 |
c4 (سطح آب مخزن در تانک چهارم) | 20 | 0 | 100 | 61 |
H12 (ارتفاع سطحی تانک اول (خروجی دوم)) | 0 | 0 | 300 | 113 |
H21 (ارتفاع رواناب سطحی تانک دوم) | 0 | 0 | 100 | 47 |
H31 (ارتفاع رواناب سطحی تانک سوم) | 0 | 0 | 100 | 8/69 |
H41 (ارتفاع رواناب سطحی تانک چهارم) | 0 | 0 | 100 | 47/16 |
شکل 8. مقایسه هیدروگراف مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل Tank در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
شکل 9. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل Tank در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)
بحث و نتیجهگیری
روشهاي متعددي جهت برآورد رواناب حاصل از بارندگي در حوزه‌هاي آبخيز وجود دارد. يكي از اين روشها استفاده از مدلهاي هيدرولوژيكي است. مدلهاي هيدرولوژيكي اين امكان را مي‌دهند با شبيه‌سازي فرآيند رواناب- بارش، رواناب حاصل از بارندگي در حوضه‌هایي كه جريان رودخانه اندازه‌گيري شده است با حداقل زمان ممكن و كمترين هزينه ارزيابي شود (شریفی و همکاران، 1385). در این پژوهش عملکرد چهار مدل هیدرولوژیکی یکپارچه و مفهومی بارش- رواناب AWBM، Sacramento،SimHyd و Tank در بسته نرمافزاری RRLدر شبیهسازی متوسط دبی ماهانه جریان حوزه پل فسا بهعنوان یکی از مهمترین حوزههای آبخیز مهارلو از نظر زیست‌محیطی با استفاده از مدلها بارش رواناب مورد بررسی قرار گرفت. تاریخ 23/09/1380 تا 31/12/1381 برای دوره گرم کردن مدل، از تاریخ 01/01/1382 تا 31/12/1392 برای دوره واسنجی و از تاریخ 01/01/1393 تا 22/9/1399 برای دوره اعتبارسنجی استفاده گردید. پس از اجرای مدلها، ارزیابی کمی مقادیر جریان ماهانه شبیهسازیشده برای مرحله واسنجی و اعتبارسنجی ارایه گردید. سپس به روش آزمون و خطا و بر اساس خصوصیات حوزه آبخیز، مقادیر بهینه پارامترهای مدل در دوره واسنجی تعیین گردید. نتایج مقایسه شاخصهای آماری در دوره واسنجی برای مدلهای AWBM، Sacramento،SimHyd و Tank در جدول (8) نشان داده شد. همانگونه که ملاحظه میگردد در مقیاس ماهانه، مقادیر ضریب تبیین با توجه به Moriasi و همکاران (2007) و Me و همکاران (2015) که بین 1-7/0 را خیلیخوب و 7/0-6/0 را خوب و کمتر از 5/0 را نامناسب ارزیابی نموده، در هر دو دوره کالیبراسیون و اعتبارسنجی، مدل تانک نامناسب میباشد. در دوره کالیبراسیون، مدل Simhyd وAWBM در طبقه خیلیخوب و مدل ساکرامنتو در طبقه خوب، در دوره اعتبارسنجی هر سه مدل Simhyd،AWBM و ساکرامنتو در طبقه خوب موقعیت دارند. مقادیر ضریب کارآیی با توجه به Moriasi و همکاران (2007) و Me و همکاران (2015) که از 1-75/0 را خیلیخوب و 65/0-5/0 را رضایتبخش و کمتر از 5/0 را نامناسب ارزیابی نمودند، در هر دو دوره کالیبراسیون و اعتبارسنجی، مدل تانک و ساکرامنتو، همچنین در دوره اعتبارسنجی نیز مدل Simhyd نامناسب بودند، در دوره کالیبراسیون مدل SimHyd رضایتبخش و مدل AWBM خیلیخوب و در دوره اعتبارسنجی مدل AWBM رضایتبخش بودند. نتایج حاصل از واسنجی برای مدلهای AWBM و مدل SimHyd نشان از کارآیی خوب مدل در شبیهسازی دبی بود، اما در مدل SimHyd مقادیر دبیهای پایه کم برآورد شد. بهطور کلی تطابق بالایی بین مقادیر اوج بارندگی با رواناب شبیهسازیشده و رواناب خروجی از حوضه در این دو مدل وجود دارد. به عبارتی دیگر اوج بارندگی مربوط به روزها و ماههای پرباران سال میباشد و در ایام فاقد بارندگی مقادیر شبیهسازیشده دبی کاهش میباید. توجه شود که بین ضریب ناش و ضریب تبیین در این دو مدل نتایج مطلوبی ارایه داده است که ممکن است دلیل این موضوع باشد و این مدلها از نوع مفهومی و یکپارچه میباشند، بنابراین انتظار میرود مقادیر ضریب کارآیی مدلها نزدیک به هم باشد و تقریبا نتایج شبیهسازی در این مدلها مشابه هم باشند. Yang و همکاران (2022) بیان کردند که برای حوزههای آبخیز با روابط غیر ثابت بارندگی- رواناب برای دستیابی به شبیه‌سازی‌های پایدار، یک دوره واسنجی طولانی‌تری مورد نیاز است. نتایج حاصل از تحقیق کلبعلی (1394) نیز با توجه به مطالب ذکر شده مطابقت دارد و کارآیی این دو مدل را در شبیهسازی رواناب ایستگاه هیدرومتری ارازکوسه حوزه آبخیز گرگانرود استان گلستان تایید نموده است. Ramezani و همکاران (2023) نیز در جنوبشرقی کوئینزلند، استرالیا با مدل SIMHYD نتایج رضایتبخشی بهدست آورند. نتايج تحقیق محمدیوند و همکاران (1398) نیز حاکي از عملکرد خوب مدلSimHyd و سپس مدلAWBM در شبیهسازی رواناب حوضه امامه بود. همچنین شریفی و همکاران (1385) در تعدادي از زيرحوضههاي حوزه آبخيز كارون، عباسيزاده و نامدرست (1387) در تعدادی از زیرحوضههای مهارلو، مندکل و زهره، قربانیفرد (1400) در حوزه آبخیز کن و پرواز و شاهویی (1401) در حوضه دریاچه ارومیه در استان کردستان نشان دادند که مدل AWBM، تطبیق قابل قبولی با شرایط منطقه دارد.
نتایج حاصل از واسنجی برای مدلهای Tank و Sacramento بیانگر عملکرد ضعیف مدل در شبیهسازی رواناب میباشد. نتایج حاصل از اعتبارسنجی برای مدلهای AWBM و SimHyd نیز اگرچه نسبت به دوره واسنجی نتایج ضعیفتری ارایه داد، ولی نتایج قابل قبول بودند که شاید علت آن خشکسالیهای اخیر دوره اعتبارسنجی نسبت به دوره واسنجی باشد. این مقادیر پایینتر از خط یک به یک میباشد و مدل تمایل به کمتر برآورد کردن دبی دارد و همبستگی بالایی بین دبی مشاهداتی، برآوردی و بارندگی وجود دارد. نتایج حاصل از اعتبارسنجی برای مدلهایTank و Sacramento بیانگر ضعف این مدل در شبیهسازی دبی میباشد. در مدلTank در زمانهایی با بارش بالا مقادیر دبی نیز از خود افزایش نشان میدهد. در مدل Sacramento این مقادیر بالاتر از خط یک به یک میباشد و مدل تمایل به بیشبرآورد کردن دبی دارد. Trivedii و همکاران (2018) نیز با بررسی مدل AWBM درحوضه شیپرا به این نتیجه رسیدند که اگر بارندگی افزایش یابد رواناب نیز افزایش مییابد و اگر بارندگی کاهش یابد رواناب نیز کاهش مییابد.Vaze و همکاران (2010) نیز با تحقیق بر مدلهای (Simhyd-Sacramento-Ihacres-SMARG) بیان نمودند که عموما مشکل است مدلی که در یک دوره مرطوب کالیبره شده، برای دوره خشک و یا مدل کالیبره شده در دوره خشک برای پیش بینی رواناب دوره مرطوب مورد استفاده قرار گیرد. روحانی و فراهیمقدم (1392) در حوزه آبخیز چهل‌چای، نشان دادند کارآیی مدل SIMHYD از مدل تانک بهتر است. نتایج حاصل از تحقیق مردانی (1396) نیز نشان از واسنجی ضعیف و پایین بودن ضرایب ناشی از مدل TANK بود. همچنین با توجه به در نظر نگرفتن پارامترهاي مربوط به خصوصیات رودخانه اصلي، ضریب زبري، کاربري اراضي حوزه آبخیز، خصوصیات زمینشناسي و دیگر مشخصات فیزیکي حوضه از این مدلها نميتوان براي مطالعه و بررسي سیل در حوضه منتخب تحقیق استفاده نمود، بلکه تنها براي برآورد مقادیر کمینه و متوسط رواناب در زمینه مدیریت منابع آب استفاده کرد. بهعنوان یک مشکل پیچیده هیدرولوژیکی، مدلسازی بارش- رواناب (RR) در مطالعات رواناب، تامین آب، مسایل آبیاری و مدیریت زیست‌محیطی اهمیت دارند (Mohammadi et al., 2022). باید توجه داشت که کاربرد مدلهاي مختلف بارش- رواناب در حوضههاي با اقلیم متفاوت و مقایسه عملکرد آنها، میتواند در تعیین مناسبترین مدل تاثیرگذار باشد که میبایست طی تحقیقهاي دیگر مورد مطالعه قرار گیرند.
جدول 8. نتایج معیارهای آماری در دوره اعتبارسنجی و کالیبراسیون
Tank | SimHyd | Sacramento | AWBM | معیار آماری | دوره |
41/0 | 6/0 | 02/0- | 79/0 | ضریب کارآیی | کالیبراسیون |
41/0 | 79/0 | 59/0 | 82/0 | ضریب تبیین | |
002/0 | 44/0 | 19/0- | 53/0 | ضریب کارآیی | اعتبارسنجی |
36/0- | 65/0 | 61/0 | 65/0 | ضریب تبیین |
منابع
پرواز، م. و شاهویی، و. (1401) بررسی دقت شبیهسازی رواناب ماهانه حوضه دریاچه ارومیه با استفاده از مدل یکپارچهAWBM در استان کردستان در ایستگاه سنته. نشریه مطالعات علوم محیط زیست، 3(7): 5347-5359.
ثانیخانی، ه.، نیازی، ف.، خسروینیا، پ. و دینپژوه، ی. (1391) مقایسه عملکرد مدلهای TANK و SMAR در شبیهسازی رواناب خروجی از حوضهها، سومین همایش ملی مدیریت جامع منابع آب، ساری، صفحات 335-448.
چوبین، م. و بشیرگنبد، م. (1402) ارزیابی کارآیی مدل هیدرولوژیکی IHACRES و شبکه عصبی مصنوعی بهمنظور پیش‌بینی جریان در رودخانه بختیاری. پ‍‍ژوهشنامه مديريت حوزه آبخيز، ۱۴(۲۷): ۱۲۲-۱۱۵.
روحانی، ح. و فراهیمقدم، م. (1392) واسنجی خودکار دو مدل بارش- رواناب تانک و SIMHYD با استفاده از الگوریتم ژنتیک. نشریه مرتع و آبخیزداری، منابع طبیعی ایران، 66(4): 521-533.
شریفی، ف.، نامدرست، ج. و زرین، ه.ا. (1385) ارزیابی مدل AWBM در تعدادی از زیرحوزههای، حوزه آبخیز کارون، اولین همایش منطقه‌ای بهره‌برداری از منابع آب حوضه‌های کارون و زاینده‌رود (فرصت‌ها و چالش‌ها)، شهرکرد، 8 صفحه.
عباسیزاده، م. و نامدرست، ج. (1387) شبیهسازی رواناب خروجی در حوزههای آبخیز فاقد آمار با استفاده از مدل. کشاورزی پویا (علوم زراعی): 5(3): 257-267.
قربانیفرد، م. (1400) مقایسه و ارزیابی مدلهای AWBM و IHACRES در مدلسازی بارش- رواناب، مطالعه موردی حوضه آبریز کن، دهمین کنفرانس بینالمللی سامانههای سطوح آبگیر باران، دانشگاه کردستان، 8 صفحه.
کلبعلی، ا. (1394) ارزیابی کارآیی مدلهای بارش- روانابSimHyd ،Sacramento ،AWBM و Tank در شبیهسازی رواناب ایستگاه هیدرومتری ارازکوسه حوضه آبخیز گرگانرود استان گلستان. پایان نامه کارشناسیارشد رشته آبخیزداری، دانشگاه زابل، 86 صفحه.
گودرزی، م.، ذهبیون، ب.، مساحبوانی، ع. و کمال، ع. (1391) مقایسه عملکرد سه مدل هیدرولوژی SWAT،IHACRES و SIMHYD در شبیهسازی رواناب حوضه قره‌سو. نشریه مدیریت آب و آبیاری، 2(1): 25-40.
محمدیوند، م.، عراقینژاد، ش.، ابراهیمی، ک. و مدرسی، ف. (1398) ارزیابی عملکرد مدلهای AWBM ،Sacramento و SimHyd در شبیهسازی رواناب حوضه امامه با استفاده از بهینهساز واسنجی خودکار الگوریتم ژنتیک. نشریه تحقیقات آب و خاک ایران، 7(50): 1769-1759.
مردانی، م. (1396) مقايسه کارآيی مدلهای مفهومی بارش-روانابIHACRES ،SIMHYD و TANK در شبیهسازی جريان رودخانه. پاياننامه کارشناسیارشد رشته منابع طبیعی گرايش مهندسی آبخیزداری، دانشگاه شهرکرد، 71 صفحه.
Boughton, W. (2002) AWBM catchment water balance model, Calibration and Operation Manual, 30p.
Me, W., Abell, J.M. and Hamilton, D.P. )2015) Effects of hydrologic conditions on SWAT model performance and parameter sensitivity for a small, mixed land use catchment in New Zealand, Hydrology and Earth System Sciences, 19(10): 4127–4147.
Mohammadi, B., Safari, M.J.S. and Vazifehkhah, S. (2022) IHACRES, GR4J and MISD-based multi conceptual-machine learning approach for rainfall-runoff modeling. Scientific Reports, 12(1): 12096.
Moriasi, D.N., Arnold, A.G., Van Liew, M.W., Bingner, R.L., Harm1el, R.D. and Veith, T.L. )2007( Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE American Society of Agricultural and Biological Engineers, 50(3): 885.900.
Paul Pranesh, K., Zhang, Y., Ma, N., Mishra, A., Panigrahy, N. and Singh, R. (2021) Selecting hydrological models for developing countries: Perspective of global, continental, and country scale models over catchment scale models. Journal of Hydrology, 600(1): 123-167.
Podger, G. (2004) Rain Runoff Library user guide, CRC for Catchment Hydrology, 110p.
Ramezani, M.R., Helfer, F. and Yu, B. (2023) Individual and combined impacts of urbanization and climate change on catchment runoff in Southeast Queensland, Australia. Science of the Total Environment, 861(25): 861-880.
Reddy, N.M., Saravanan, S., Singh, L. and Abijith, D. (2023) Comparative Analysis of TANK and SimHyd Rainfall-Runoff Models in the Hemavathi Watershed, Cauvery Basin, India. In: I. Pal, S. Kolathayar, S. Tawhidul Islam, A. Mukhopadhyay, and I. Ahmed (Eds.), Proceedings of the 2nd International Symposium on Disaster Resilience and Sustainable Development. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 294. Springer, Singapore, pp. 23-76.
Sugawara, M. (1974) Tank model and its application to Bird Creek, Wollombi Brook, Bikin Rive, Kitsu River, Sanaga River and Namr Mune. Research Note of the National Research Center for Disaster Prevention, 11: 1–64.
Trivedii, A., Pyasi S.K. and Galkate, R.V. (2018) Assessment of impact of climate change using RRL AWBM model, National Institute of Hydrology, Walmi Campus, Bhopal. Water and Energy International, 6(9): 51-59.
Vaze, J., Post, D.A., Chiew, F.H.S., Perraud, J.-M., Viney, N.R. and Teng, J. (2010) Climate non-stationarity – Validity of calibrated rainfall–runoff models for use in climate change studies. Journal of Hydrology, 394(3-4): 447–457.
Vidyarthi Vikas K. and Jain, A. (2023) Development of simple semi-distributed approaches for modelling complex rainfall-runoff process. Hydrological Sciences Journal, 68(7): 998-1015.
Yang, W., Xia, R., Chen, H., Wang, M. and Xu, C.Y. (2022) The impact of calibration conditions on the transferability of conceptual hydrological models under stationary and nonstationary climatic conditions. Journal of Hydrology, 613)Part A): 128310.
Evaluating the performance of AWBM, Sacramento, SimHyd and Tank rainfall models in the Fasa Bridge watershed
Fateme Frotan1, Baharak Motamedvaziri2*, Hadi Kiadaliri3, and Mehdi Saraei Tabrizi4
1) Ph.D. Candidate of Watershed Management Science and Engineering tendency in water and soil protection, Department of Nature Engineering, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2) Associate Professor, Department of Nature Engineering, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran. *Corresponding Author Email Address: bmvaziri@gmail.com
3) Associate Professor, Department of Environment and Forest Sciences, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
4) Assistant Professor, Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agricultural science and food industry, University of Islamic Azad University, Tehran, Iran.
Date of Submission: 2024/06/23 Date of Acceptance: 2024/08/11
Abstract
Hydrological models are an effective tool for managing water resources as well as understanding the impact of land use changes and climate change on the water cycle and flow characteristics. The aim of this research is to evaluate the relative performance of integrated and conceptual rainfall-runoff models AWBM, Sacramento, SimHyd and Tank in the RRL software package in simulating the daily runoff of the Fasa Bridge watershed from the sub-basins of Maharlu Lake in Fars province. 23/9/2002 to 31/12/2003 for the model warming period, from 01/01/2004 to 31/12/2014 for the calibration period and from 01/01/2015 to 22/9/2021 for the period Validation was used. After the implementation of the models, a quantitative evaluation of the simulated monthly flow values was presented for the calibration and validation stage. Then, by trial and error method and based on the characteristics of the watershed, the optimal values of the model parameters were determined in the calibration period . Comparison of statistical indicators in the calibration period for AWBM, Sacramento, SimHyd and Tank models, efficiency coefficient 0.79, -0.02, 0.6, 0.41 and determination coefficient 0.82, 0.59, 0.79, 0.41, respectively and efficiency coefficient 0.53, -0.19, -0.44, 0.002 and determination coefficient 0.65, 0.61, -0.65, -0.36 were obtained for the validation period. The calibration results for AWBM and SimHyd models show the good performance of the model in simulation of discharge. Although the results of validation for AWBM and SimHyd models have provided weaker results compared to the calibration period, they have provided acceptable results, which may be due to the recent droughts of the validation period compared to the calibration period. The results of calibration and validation for Tank and Sacramento models indicate the poor performance of the model in simulating runoff. Also, the models have a lot of error in peak discharges.
Keywords: Calibration, Fasa Bridge watershed, Rain runoff model, Validation.