• الصفحة الرئيسية
  • ارزیابی کارایی مدلهای بارش رواناب AWBM، Sacramento، SimHyd و Tank در حوزه آبخیز پل فسا

شارک

عنوان URL للمقالة


رقم المقالة : 140303041120645 زيارة : 35 الصفحة: -

نوع المخطوط: ابحاث

ارزیابی کارایی مدلهای بارش رواناب AWBM، Sacramento، SimHyd و Tank در حوزه آبخیز پل فسا

 

 

الموضوعات :

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.

تاريخ الإرسال : 16 الجمعة , ذو القعدة, 1445 تاريخ التأكيد : 07 الأحد , صفر, 1446 تاريخ الإصدار : 12 الأحد , ربيع الأول, 1446

الکلمات المفتاحية: مدل بارش رواناب, حوزه آبخیز پل فسا, کالیبراسیون, اعتبارسنجی,

ملخص المقالة :

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.

 

Graphical Abstract:

 

 

highlight:

 

 

المصادر:

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,
نص كامل:
CLEI 2002

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.

 

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.

 

 

 

 

 

مقدمه

 

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=)img0

 

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)

img0 

 

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)

img0 

 

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)

img0 

 

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

img0 

1-7/0

7/0-6/0

6/0-5/0

<5/0

img0 

1-75/0

75/0-65/0

65/0-5/0

<5/0

On دبی مشاهداتی، Sn دبی شبیه‌سازی‌شده، img0متوسط دبی مشاهداتی، img0متوسط 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.

 

img0img0 

شکل 2. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل  AWBMدر دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)

 

img0img0 

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

 

img0 img0

شکل 4. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل  Sacramentoدر واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)

 

img0img0 

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

 

 

 

 

 img0img0

شکل 6. مقایسه پراکنش مقادیر دبی مشاهداتی و برآودری مدل Simhyd در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)

 

 

img0img0 

 

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

 

 

img0img0 

شکل 8. مقایسه هیدروگراف مقادیر دبی مشاهداتی و برآوردی مدل Tank در دوره واسنجی (راست) و اعتبارسنجی (چپ)

 

img0img0 

 

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.

 

 

 

        


سند

Sanad is a platform for managing Azad University publications

الروابط

المراكز ذات الصلة

دعامة

الصفحات الرسمية

حقوق هذا الموقع الإلكتروني مملوكة لنظام SANAD Press Management. © 1442-1446

الصفحة الرئيسية| دخول| معلومات عنا| اتصل بنا|
[English] [فارسی] [en] [fa]