شبیه‌سازی هیدروگراف جریان رودخانه با مدل هیدرولوژیکی-توزیعی انعطاف‌پذیر WetSpa در حوزه خرم آباد

الموضوعات :

احسان فتاپور ¹ , علی افروس ² , بابک امین نژاد ³ , علی صارمی ⁴ , امیر خسروجردی ⁵

1 - دانشجوی دکتری سازه های آبی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران.
2 - دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دزفول، ایران
3 - دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد رودهن، تهران، ایران.
4 - دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران.
5 - دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران.

تاريخ الإرسال : 07 الخميس , جمادى الأولى, 1444 تاريخ التأكيد : 15 الخميس , رمضان, 1444 تاريخ الإصدار : 01 الجمعة , شوال, 1444

الکلمات المفتاحية: مدل‌سازی هیدرولوژیکی انعطاف‌پذیر, شبیه‌سازی, مدل WetSpa,

ملخص المقالة :

زمینه و هدف: کاربرد مدل‌های هیدرولوژیکی در حوزه‌های آبریز همواره مورد توجه محققین منابع آب بوده است. مدل‌های شبیه‌سازی هیدرولوژیکی ابزارهای ارزشمندی برای بررسی موضوعات چالش برانگیز مرتبط با مدیریت حوزه آبریز همچون اثر تغییر اقلیم بر منابع آب و تأثیر شهرسازی بر سیلاب ها و خشکسالی‌ها هستند. مدل هیدرولوژیکی توزیعی مکانی WetSpa برای شبیه‌سازی جریان رودخانه در مقیاس حوزه به‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کار برده می‌شود. این مدل جهت پیش‌بینی هیدروگراف‌ها و پارامترهای هیدرولوژیکی توزیعی- مکانی حوزه از نقشه‌های توپوگرافی، کاربری اراضی، نقشه خاک و سری زمانی روزانه هواشناسی (بارندگی، تبخیر و درجه حرارت) مشاهده شده استفاده می‌کند. در این مقاله از مدل شیءگرا، مدولار و فرآیندمحور WetSpa که بر اساس رویکرد مدل سازی انعطاف پذیر تهیه شده، جهت شبیه سازی هیدروگراف روزانه در حوزه خرم‌آباد استفاده شده است.روش پژوهش: ورودی‌ های مدل شامل نقشه‌های رقومی ارتفاع، تیپ خاک، کاربری اراضی و سری‌های زمانی بارش، دما و تبخیر و تعرق پتانسیل است که از آمار 6 ایستگاه هواشناسی در یک دوره ده ساله (سال آبی 85-84 تا 94-93) استفاده گردید. پس از آماده‌سازی ورودی های مدل، در ابتدا نقشه های پارامترهای توزیعی به وسیله مؤلفه پیش پردازش GIS مدل، به طور خودکار به قالب map تولید می‌شوند. پس از آن، واسنجی مدل با استفاده از یک دوره آماری 5 ساله (سال آبی 85-84 تا 89-88) از داده‌های بارش، دما و تبخیر و تعرق پتانسیل انجام شد. مدل جهت استفاده از داده های بارش، دما و تبخیر از پلیگون های تیسن استفاده می‌کند. بدین منظور از دبی های روزانه ایستگاه هیدرومتری چم‌انجیر واقع در خروجی حوزه آبریز مورد مطالعه استفاده گردید. واسنجی مدل با تعیین مقادیر 11 پارامتر عمومی (کلی) مدل به صورت دستی صورت گرفت، به‌نحوی که بهترین انطباق بین هیدروگراف شبیه سازی و مشاهده-ای به دست آید. در نهایت اعتبارسنجی مدل براساس یک دوره آماری 5 ساله (سال آبی 89-88 تا 94-93) و مقادیر پارمترهای عمومی (کلی) به دست آمده در مرحله واسنجی انجام شد.یافته‌ها: نقشه‌های پارامترهای توزیعی تولید شده که بعد از آماده‌سازی ورودی‌های مدل تولید می‌شدند نشان داد که متوسط ضریب رواناب پتانسیل حوزه 63 درصد و زمان تمرکز حوزه 17 ساعت می باشد. در ادامه طبق11پارامتر کلی که نماد و دامنه تغییرات آن ها در جدول (3) مشخص شده‌اند، مقادیر پارامترهای کلی مدل در مرحله واسنجی به دست آمد. مقایسه هیدروگراف شبیه سازی شده توسط مدل و هیدروگراف مشاهده ای در مرحله واسنجی نشان داد که بهترین انطباق بین داده های مشاهده ای و شبیه‌سازی شده با ضریب همبستگی 39/0 ایجاد شده است. اعتبارسنجی مدل نیز براساس دوره آماری 5 ساله (سال آبی 89-88 تا 94-93) و مقادیر پارامترهای کلی به دست آمد. فایل‌های خروجی مدل نشان داد که در دوره واسنجی 15/26 درصد از بارش تبدیل به رواناب می‌شود. در دوره اعتبارسنجی سهم کل رواناب از بارش برابر 42/26 درصد بدست آمد. همچنین نتایج شبیه‌سازی مدل، نسبت تبخیر به بارش را در دوره‌های واسنجی و اعتبارسنجی به ترتیب 18/57 و 20/69 درصد را نشان می‌دهد. نتایج ارزیابی مدل بر اساس شاخص کلینگ-گوپتا (KGE) نیز، مقدار 68/0 برای دوره واسنجی و 74/0 را برای دوره اعتبارسنجی نشان می دهد.نتایج: در این مقاله به بررسی کارایی مدل WetSpa بهمنظور شبیه سازی جریان روزانه رودخانه خرم‌آباد در محل ایستگاه هیدرومتری چم‌انجیر پرداخته شد. با توجه به نتایج به‌دست آمده از این تحقیق میتوان گفت که مدل توزیع مکانی Wetspa توانایی شبیه‌سازی رفتار هیدرولوژیکی حوزه را با دقت قابل قبولی دارد. مقایسه گرافیکی هیدروگراف‌های محاسبه‌ای و مشاهده‌ای برای دوره واسنجی و ارزیابی نیز نشان دهنده تطابق نسبتاً خوبی بین دو هیدروگراف می‌باشد. بررسی نتایج حاصل از محاسبه مؤلفه‌های بیلان آبی توسط مدل نشان می دهد که جریان خروجی در دوره واسنجی و اعتبارسنجی به ترتیب 15/26 و 42/26 درصد از کل بارش را به خود اختصاص داده است که با توجه به کاربری عمده کوهستان و مرتع در حوزه آبریز منطقی به نظر می‌رسد.

المصادر:

Bahremand, A. Corluy, J. Y.B. Liu, Y.B. De Smedt, F (2005). Stream flow simulation by WetSpa model in Hornad river basin, Slovakia. P415-422, In: J. van Alphen, E. van Beek, M. Taal (eds.) , Floods, from Defence to Management, Taylor and Francis Group, London.

Bahremand, A (2006) Simulating the effects of reforestation on floods using spatially distributed hydrologic modeling and GIS. Ph.D. Thesis, Department of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussel, Belgium,150p.

Bahremand, A. De Smedt, F. Corluy, J. Liu ,YB. Poorova, J. Velcicka L, and Kunikova , E (2007) WetSpa model application for assessing reforestation impacts on floods in Margecany–Hornad watershed, Slovakia. Water Resources Management 21 (8) :1373-139.

Bahremand, A and De Smedt, F (2008)  Distributed hydrological modeling and sensitivity analysis in Torysa Watershed, Slovakia. Water Resources Management 22 (3) :393-408.

Bahremand, A. Ahmadyousefi ,Sarhadi S. Sheikh, V and Komaki ,CB (2017) Comparison of WetSpa and WetSpa-Python hydrological models. 5^th International Conference on New Ideas in Agriculture, Environment and Tourism, Tehran. (In Persian)

Bagheri, M. Esmaeli ,A. Abedini ,M. Goli ,E (2016). simulation of river flow using the wetspa model of khiauchai watershed in mexaksan city.11 nasional conference on water shet managemaent sciences and engineering of iran. 2016.Bagheri, M. Esmaeli ,A. Abedini ,M. Goli ,E(2016) . simulation of river flow using the wetspa model of khiauchai watershed in mexaksan city.11 nasional conference on water shet managemaent sciences and engineering of iran. 2016

 

CHenari, S. Bahremand, K . And Salmani, h (2014). Simulation of daily river flow using the WetSpa hydrological-distribution model in the Arazkose watershed (Gorgan-Rood) , Golestan province. International Quarterly Journal of Analytical Research on Water Resources and Development, 3 (2) , 24-34. (In Persian)

Fenicia, F. Kavetski,D and Savenije HG (2011) Elements of a flexible approach for conceptual hydrological modeling: Motivation and theoretical development. Water Resources Research47:1-13

Gupta, HV. Kling, H. Yilmaz ,KK. and Martinez GF (2009) Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: Implications for improving hydrological modelling. Journal of Hydrology 377 (1) :80-91

Imani, R. GHasemie ,H (2019).Finding the potential of underground water resources using WETSPA hydrological model, GIS techniques and RS and hierarchical analysis (case study: Balkhlochai watershed, Ardabil). Danesh Ab and Khak Journal ,1-30.

Kabir, A. Mahdavi, M. Bahremand, A and Noora, N. 2011. Application of a geographical information system (GIS) based hydrological model for flow prediction in Gorganrood river basin, Iran, Afr. J Agr. Res., 6: 1, 35-45.

Jarosław, C and Batelaan ,O (2011) Application of the WetSpa distributed hydrological model for catchment with significant contribution of organic soil. Upper Biebrza case study. Annals of Warsaw University of Life Sciences-SGGW. Land Reclamation 43 (1) :25-35.

Imani, R. and Ghasemi, H. and Esmali Ouri, a (2014). Application and calibration of Wetspa hydrological model to simulate the daily runoff of Balkhlochai watershed. International Quarterly Journal of Analytical Research on Water Resources and Development,3 (4) , 140-152. (In Persian)

Liu ,YB. De Smedt, F. Hoffmann ,L and Pfister L (2005) Assessing land use impacts on flood processes in complex terrain by using GIS and modeling approach. Environmental Modeling and Assessment 9 (4) :227-235

Liu,YB and Smedt FD (2005) Flood modeling for complex terrain using GIS and remote sensed information. Water Resources Management 19 (5) :605-624

Liu, Y.B. Batelaan, O. Huong, N.T. Tam, V.T. and Smedt, F.D (2004). Flood prediction in the karstic Suoimuoi catchment, Vietnam. Proceeding of the international transdisciplinary conference on development and conservation of karst regions, Hanoi, Vietnam, pp.139-144.

Nash ,JE. Sutcliffe, JV (1970) River flow forecasting through conceptual model. Journal of Hydrology 10:282–290

Nurmohamed, R. Naipal, S and De Smedt, F. (2006). Hydrologic modeling of the Upper Suriname, J. Spatial Hydrol., 1: 6, 1-17

Salvadore, E. Bronders, J and Batelaan O (2012) Enhanced model flexibility and opportunities: The WetSpa model case. International Congress on Environment Modeling and Software: Managing Resources of a Limited Planet, Sixth Biennial Meeting, Leipzig, Germany, 8p

Salvadore, E. Bronders, J and Batelaan O (2015) Hydrological modelling of urbanized catchments: A review and future directions. Journal of hydrology 529:62-81

Vansteenkiste, T. Tavakoli ,M. Ntegeka, V. Willems, P. De Smedt, Fand Batelaan O (2013) Climate change impact on river flows and catchment hydrology: a comparison of two spatially distributed models. Hydrological Processes 27 (25) :3649-3662

Wang, Z.M. Batelaan, O. and De Smedt, F (1996). A distributed model for water and energy transfer between soil, plants and atmosphere (WetSpa). Physics and Chemistry of the Earth, 21 (3) , pp.189-193.

Younesifard, M. Paymozd, SH. Rahimi, M (2020).  Simulation of the effect of climate change on the runoff of the Shazand BasinUsing the WETSPA distribution model .iran-water resources.2-16

Zeinivand, H (2009) Development of spatially distributed hydrological WetSpa modules for snowmelt, soil erosion, and sediment transport. Ph.D. Thesis, Department of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussel (VUB). Brussels, Belgium, 238p

Wang, ZM. Batelaan, Oand De Smedt F (1996) A distributed model for water and energy transfer between soil, plants and atmosphere (WetSpa). Physics and Chemistry of the Earth 21 (3) :189-193