Evaluation of temporal-spatial variations of soil moisture balance by Thorenthwaite Matter method (Case study: Behesht Abad basin)

Subject Areas : Geospatial systems development

Elham Davoodi ¹ , Hoda Ghasemieh ² , Khodayar Abdollahi ³ , Okke Batelaan ⁴

1 - PhD. Student of Natural Resources and Earth Sciences, University of Kashan
2 - Assoc. Prof. College of Natural Resources and Earth Sciences, University of Kashan
3 - Assis. Prof. College of Natural Resources and Earth Sciences, University of Shahrekord
4 - Prof. College of Science and Engineering, Flinders University, Adelaide, Australia

Received: 2017-09-03 Accepted : 2018-03-19 Published : 2018-05-22

Keywords: Surface runoff, Surface infiltration, Soil moisture balance, evapotranspiration, Behesht Abad, Thorenthwaite-Matter,

Abstract :

For the sustainable management of water resources, it is necessary to determine the water balance and its components for the correct use of water. In this study, to obtain a general overview of the water balance and its components, the soil moisture balance was calculated using the Thorenthwaite Matter model in the Behesht Abad basin during 2003-2015. Distribution maps, including rainfall, temperature, actual and potential evapotranspiration, soil moisture, infiltration, surface runoff and leaf area index were prepared. The results showed that in spatial distribution, in spring and summer, the highest (8.98 mm) and the lowest runoff occurs at the altitudes and in the basin outlet, and in autumn and winter, the highest (46.72 mm) and the lowest runoff occurs at the outlet and in the altitudes, respectively. The correlation coefficient between observed and simulated surface runoff is 53%. The amount of infiltration decreases during dry months, the highest infiltration (range from 16 to 31 mm) has occurred in the range of sandy loam and clay loam textures and in agricultural areas and rangeland with good and medium coverage. In terms of spatial distribution, agriculture land and good and medium rangeland have more actual evapotranspiration, which often consistent with regions have the highest leaf area index. In general, the results of this research can be useful in identifying the soil moisture condition and various aspects of this complex system and also watershed management.

References:

1. برخورداری، ج. 1393. ارزیابی مدل توزیعی بیلان آبی ماهانه در برآورد رواناب حوزه در مناطق خشک با استفاده از GIS و RS (مطالعه موردی: حوزه آبخیز یزد اردکان). پژوهش‌های آبخیزداری (پژوهش و سازندگی)، 27(4): 16-26.


2. برخورداری، ج.، ت. وارتانیان و ح. خسروی. 1394. تهیه مدل توزیعی بیلان ماهانه آب خاک به روش تورنت وایت- ماتر (مطالعه موردی: حوزه آبخیز یزد اردکان). فصلنامه علمی پژوهشی تحقیقات مرتع و بیابان ایران، 22(3): 466 – 480.


3. رضایی مقدم، ح.، م. حسینعلی زاده، و. بردی شیخ و ر. جعفری. 1394. برآورد رطوبت خاک با استفاده از مدل رقومی پستی‌وبلندی زمین. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، 6(3): 61-72.


4. سعیدی‌نیا، م.، ح. صمدی بروجنی، ع. ملکی و ع. ایزدی. 1390. بررسی تأثیر خشک‌سالی هیدروژئولوژیکی بر منابع آب زیرزمینی و توسعه کشاورزی در حوزه بهشت‌آباد با استفاده از مدل ویپ. نشریه پژوهش‌های حفاظت آب‌وخاک (علوم کشاورزی و منابع طبیعی)، 18(3): 17-36.


5. شرکت مادر تخصصی مدیریت منابع آب ایران دفتر مطالعات پایه منابع آب. 1390. دستورالعمل نحوه تهیه گزارش بیلان، محدوده‌های مطالعاتی در سطح حوزه‌های آبریز درجه 2. 85 صفحه.  


6. عزیزی، ق. 1379. برآورد بارش مؤثر در رابطه با کشت گندم دیم (مورد: دشت خرم‌آباد). پژوهش‌های جغرافیایی، 39: 115-123.


7. علیزاده، ا. 1394. اصول هیدرولوژی کاربردی. انتشارات دانشگاه امام رضا (ع)، چاپ هجدهم، 816 صفحه.


8. علیزاده، ا. 1394. رابطه آب، خاک و گیاه. انتشارات دانشگاه امام رضا (ع)، 797 صفحه.


9. عظیمی، ع.، ک. رنگزن، م. کابلی زاده و م. خرمیان. 1394. برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از سنجش‌ازدور، شبکه‌های عصبی مصنوعی و مقایسه نتایج آن با روش پنمن- مانتیث- فائو در باغات مرکبات شمال خوزستان. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، 6(4): 61-75.


10. عظیمی نجارکلایی، ا.، ع. ا. جمالی و ز. حسینی. 1396. مقایسه دقت طبقه‌بندی سری زمانی تصاویر لندست در پایش تغییرات کاربری اراضی. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، 8(2): 33-47.


11. قلعه‌بان، م. 1391. مدل‌سازی مفهومی بیلان آب در مقیاس حوزه آبخیز. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده کشاورزی، گروه مهندسی آب، دانشگاه فردوسی مشهد. 110 صفحه.


12. گلشن، م.، پ. ابراهیمی و ا. اسمعلی عوری. 1394. انتخاب بهترین روش میانیابی برای پهنه‌بندی متوسط دمای سالانه ایران. جغرافیا و پایداری محیط، 5(14): 57-71.


13. گودرزی، م.، ج. عابدی‌کوپایی، م. حیدرپور و ح. ر. صفوی. 1394. آنالیز اثرات پارامترهای مختلف بر تغذیه آب‌های زیرزمینی با استفاده از یک روش هیبریدی. نشریه آب‌وخاک، 19(73): 287-299.


14. مرکز تحقیقات منابع آب. 1386. ضرورت بازنگری در سیمای طرح انتقال آب بین‌حوزه‌ای بهشت‌آباد با توجه به ملاحظات حوزه مبدأ (در استان چهارمحال و بختیاری). دانشگاه شهرکرد، 88 صفحه.


15. مرکز تحقیقات منابع آب. 1391. طرح احیا و مدیریت مرغزار شهرکرد، جلد اول: مطالعات هواشناسی. اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان چهارمحال و بختیاری. 32 صفحه.


16. مهندسین مشاور سامان آبراه. 1388. تلفیق مطالعات منابع آب و به هنگام سازی حوزه آبریز کارون بزرگ. جلد سوم: تجزیه‌وتحلیل آمار و اطلاعات بیلان آب، بخش اول: هواشناسی (درجه حرارت، رطوبت نسبی و باد). شرکت مدیریت منابع آب ایران. سازمان آب و برق استان خوزستان، معاونت مطالعات پایه و طرح‌های جامع منابع آب. 328 صفحه.


17. مهدوی، م. و م. آذرخشی. 1383. تعیین بیلان آبی مناسب ماهانه در حوزه‌های آبخیز کوچک کشور (مطالعه موردی: استان آذربایجان شرقی و خراسان شمالی). مجله منابع طبیعی ایران، 57(3): 415-427.


18. Abdollahi K. 2015. Basin scale water balance modeling for variable hydrological regimes and temporal scales. PhD Dissertation, Department of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium, 173 pp.


19. Allen RG, Pereira LS, Raes D, Smith M. 1998. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56. FAO, Rome 300(9):D05109.


20. Bakundukize C, Marc V, Walraevens K. 2011. Estimation of groundwater recharge in Bugesera region (Burundi) using soil moisture budget approach. Geologica belgica, 14(1-2): 85-102.


21. Barkhordari J, Semsar Yazdi AA. 2015. Assessment of the monthly water balance in an arid region using TM model and GIS (Case study: Pishkouh Watershed, Iran). Journal of Rangeland Science, 5(2):83-93.


22. De Groen MM, Savenije HH. 2006. A monthly interception equation based on the statistical characteristics of daily rainfall. Water Resources Research, 42(12): W12417- W12427.


23. Dourado-Neto D, Van Lier J, Metselaar K, Reichardt K, Nielsen DR. 2010. General procedure to initialize the cyclic soil water balance by the Thornthwaite and Mather method. Scientia Agricola, 67(1):87-95


24. Germer S, Kaiser K, Bens O, Hüttl RF. 2011. Water balance changes and responses of ecosystems and society in the Berlin-Brandenburg region-a review. DIE ERDE-Journal of the Geographical Society of Berlin, 142(1-2):65-95.


25. Giupponi C. 2007. Decision support systems for implementing the European water framework directive: the MULINO approach. Environmental Modelling & Software, 22(2):248-258.


26. Hayes G, Buell JH. 1955. Trees also need water at the right time and place. Yearbook of Agriculture, 219-228.


27. Jasrotia A, Majhi A, Singh S. 2009. Water balance approach for rainwater harvesting using remote sensing and GIS techniques, Jammu Himalaya, India. Water Resources Management, 23(14):3035-3055.


28. Jensen JR. 2005. Introductory Digital Image Processing, 3^rd Edition. Prentice Hall. PTR Upper Saddle River, NJ, USA, 544 pp.


29. MODIS Web. Available online: https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod15.php (accessed on 21 November 2017).


30. Sen PK. 2004. Diagnosing Irrigation Water Resources with Multi-Sensor Remote Sensing and GIS Techniques. Msc Thesis, International Institute for Geo-information Science and Earth Observation, Enschede, 112 pp.


31. Walton WC. 1970. Groundwater Resource Evaluation. McGraw Hill Book Co, New York, 664 pp.


32. Xu CY, Singh VP. 1998. A review on monthly water balance models for water resources investigations. Water Resources Management, 12(1):20-50.