Quantitative simulation of surface and groundwater resources in Behshahr - Bandar-e-Gaz Plain Using SWAT model

Subject Areas : Farm water management with the aim of improving irrigation management indicators

behrouz  mohseni ¹ (scientific board)
kaka  shahedi ² (scientific borad)
mahmoud  habibnejhad ³ (scientific board)
Abdullah  Darzi-Naftchali ⁴ (scientific board)

Received: 2021-01-22 Accepted : 2021-07-03 Published : 2021-07-23

Keywords: Water balance, HRU, Sensitivity analysis, Infiltration,

Abstract :

Optimal management of water resources in a plain with land uses requires proper prediction of water resources response using efficient models. In this research, Soil and Water Assessment Tools (SWAT) model was used to simulate surface and groundwater resources in Behshahr - Bandar-e-Gaz Plain. After analysis the sensitivity, calibration and validation of the model was performed based on river flow data of 2007- 2013 and 2014- 2017, respectively. Groundwater table simulation was done by simulating the recharge rate per hydrological response unit (HRU). The results of sensitivity analysis showed that the parameters GW_REVAP, GW_DELAY, SHALLST, DEEPST, RCHRG_ DP, ALPHA_BF, SOL_AWC, CN, HRU_SLP, ESCO, USLE_P, OV_N, FILTERW and EPCO were the most sensitive parameters. In order to evaluate of the model, the performance criteria of Nash- Sutcliffe (NS) and Correlation coefficient (R2) were used. In the calibration stage, these coefficients ranged from 0.56 to 0.93 and 0.74 to 1.00, respectively, and in the validation process were in the range of 0.56 to 0.84 and 0.66 to 0.92, respectively, indicating the acceptable accuracy of the model in river flow simulation. Comparing the observed and simulated water table depths, NS (0.81) and R2 (0.91) coefficients indicated the capability of the model to simulate groundwater level. According to the results of the water balance analysis, the most of the total water input to the plain, it’s 60% was used for evapotranspiration and it’s small parts as 18% and 22% allocetaed to surface runoff and infiltration, respectively.

References:

ابراهیمی، پ.، سلیمی­کوچی، س. و محسنی­ساروی، م. 1397. واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT در شبیه­سازی رواناب (مطالعه موردی؛ آبخیز نکا). نشریه علمی- پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، 10 (3): 279-266. 
اکبری، ح. 1389. شبیه­سازی جریان روزانه چهل­چای استان گلستان با استفاده از مدل SWAT. پایان­نامه کارشناسی ارشد گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع­طبیعی گرگان، 120 ص.
امینی، م.ا.، ترکان، غ.، اسلامیان، س.س.، زارعیان، م.ج. و بسالت­پور، ع.ا. 1397. ارزیابی مدل هیدرولوژیک SWAT در شبیه‌سازی بیلان آب در حوضه‌های آبریز مناطق نیمه­خشک (مطالعه موردی: حوضه آبریز زاینده‌رود). نشریه علمی آب و خاک، 32 (5): 1029-849.
براتی ف.، حسینی، م.، صارمی، ع. و مختاری، 1. 1399. شبیه­سازی بیلان هیدرولوژیک آبخیز اسکندری با استفاده از مدل SWAT و الگوریتم SUFI2. نشریه علمی- پژوهشی علوم و مهندسی آبخیزدری ایران، 4 (48): 90-100.
ذهبیون، ب.، گودرزی، م.ر. و مساح­بوانی، ع. 1389. کاربرد مدل SWAT در تخمین رواناب حوضه در دوره­های آتی تحت تأثیر تغییر اقلیم. پژوهش­های اقلیم شناسی، 1 (3-4): 45-60.
رضاپور، آ. و حسینی، س.م. 1398. تعیین شاخص­های مرتبط با صفحه­های منابع مصارف و برداشت در چارچوب حسابداری آب با استفاده از مدل SWAT ( مطالعه موردی: حوضه آبریز فریزی). پایان­نامه کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد، 109 ص.
شرکت سهامی آب منطقه­ای استان مازندران. 1399. ارزیابی منابع آب، گزارش بیلان منابع آب دشت بهشهر- بندرگز، 95 ص.
صالح، ا.، کاویان، ع.، جعفریان، ز. و احمدی، ر. 1395. برآورد سرعت نفوذ نهایی خاک با استفاده از الگوریتم خوشه­بندی فازی، روش نرو- فازی و نظام استنتاج فازی (دشت بهشهر- گلوگاه). مجله تحقیقات کاربردی خاک، 4 (2): 47-59.
عارفی­اصل، ا.، نجفی­نژاد، ع.، کیانی، ف. و سلمان­ماهینی، ع. 1392. شبیه­سازی رواناب و رسوب با استفاده از مدل SWAT در آبخیز چهل­چای استان گلستان. نشریه مرتع و آبخیزداری، 66 (3): 433-446.
عثمانی، ه.، معتمدوزیری، ب. و معینی، ا. 1392. شبیه‌سازی دبی، واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT (مطالعه موردی: حوضه بالادست سد لتیان تهران). مهندسی و مدیریت آبخیز، 5 (2): 143-134.
علی­پور، ا.، حسنی، خ. و لگزیان، ر. 1395. بررسی طرح احیاء و تعادل­بخشی منابع آب زیرزمینی- دشت ممنوعه نیشابور. دومین کنگره ملی آبیاری و زهکشی ایران، 4-2 شهریور، دانشگاه صنعتی اصفهان، 11 ص.
فلاح، س.، قبادی­نیا، م.، شکرگزار دارابی، م. و قربانی جلگهکی، ش. 1391. بررسی پایداری منابع آب­ زیرزمینی جلگه داراب فارس. مجله پژوهش آب در کشاورزی، 26 (2): 161-172.
کاویان، ع.، بهرامی، م. و روحانی، ح. 1393. ارزیابی کارآیی مدل SWAT در تخمین رواناب سطحی آبخیز کچیک استان گلستان. پژوهش­های آبخیزداری، 27 (2): 22-32.
کریمی­راد، ا.، ابراهیمی، ک. و عراقی­نژاد، ش. 1398. ارزیابی پایداری توسعه آب زیرزمینی در سفره چندلایه (مطالعه موردی؛ آبخوان استان گلستان). نشریه علمی- پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، 36 (9): 146-133.
کوچک­زاده، م.ح. و نصیری­صالح، ف. 1392. ارزیابی کارایی مدل عددی SWAT در برآورد تغذیه منابع آب زیرزمینی (مطالعه موردی؛ آبخوان دشت سیلاخور استان لرستان). دوازدهمین همایش ملی آبیاری و کاهش تبخیر، دانشگاه شهید باهنر کرمان، 8 ص.
ناصری، ا.، عباسی، ف. و اکبری، م. 1396. برآورد آب مصرفی در بخش کشاورزی به روش بیلان آب. مجله تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی، 68 (18): 17-32.
نصیری، ش.، انصاری، ح. و ضیائی، ع.ن. 1399. شبیه­سازی جریان رودخانه حوضه آبریز سملقان با استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT. مجله مهندسی منابع آب، 13 (2): 39-56.
وزارت جهاد کشاورزی. 1392. آمارنامه زراعی و باغی سال 1387، انتشارات معاونت برنامه­ریزی و اقتصادی، مرکز فناوری اطلاعات و ارتباطات، جلد اول و سوم، 103 ص.

Abbaspour, K.C., Rouholahnejad, E., Vaghefi, S., Srinivasan, R., Yang, H. and Klove, B. 2015. Continental-scale hydrology and water quality model for Europe: Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model. Journal of Hydrology, 524: 33–752.
Abbaspour, K.C., Yang. J., Maximov, I., Siber, R., Bogner, K., Mieleitner, J., Zobrist, J. and Srinivasan, R. 2007. Modelling hydrology and water quality in the pre-alpine/alpine Thur watershed using SWAT. Journal of Hydrology, 333 (2-4): 413–430.
AQUASTAT, FAO. 2020. <http://www.fao.org/nr/water/aquastat/water_res/index.stm>.
Arnold, J.G., Moriasi, D.N., Gassman, P.W., Abbaspour, K.C., White, M.J., Srinivasan, R., Santhi, C., van Harmel, R.D., Van Griensven, A., Van Liew, M.W., Kannan, N. and Jha, M.K. 2012. SWAT: model use, calibration, and validation. Trans. ASABE, 55 (4): 1491–1508.
Bailey, R.T., Wible, T.C., Arabi, M., Records, R.M. and Ditty, J. 2016. Assessing regional-scale spatio-temporal patterns of groundwater–surface water interactions using a coupled SWAT-MODFLOW model. Hydrology. Process, 30: 4420–4433.
Barthel, R., Reichenau, T.G., Krimly, T.D., Schneider, K. and Mauser, W. 2012. Integrated modeling of global change impacts on agriculture and groundwater resources. Water Resour Manag, 26:1929–1951. Doi: 10.1007/s11269-012-0001-9.
Birhanu, B.Z., Traoré, K., Gumma, M.K., Badolo, F., Tabo, R. and Whitbread, A.M. 2019. A watershed approach to managing rainfed agriculture in the semiarid region of southern Mali: integrated research on water and land use. Environment, Development and Sustainability, 21: 2459–2485.
Damkjaer, S. and Taylor, R. 2017. The measurement of water scarcity: Defining a meaningful indicator. Ambio, 46: 513–531.
De Fraiture, C. and Wichelns, D. 2010. Satisfying future water demands for agriculture. Agricultural Water Management, 97: 502–511.
Delavar, M., Morid, S., Morid, R., Farokhnia, A., Babaeian, F., Srinivasan, R. and Karimi, P. 2020. Basin-wide water accounting based on modified SWAT model and WA+ framework for better policy making. Journal of Hydrology, 585: 124762, 16 pp.
Elangovan, K. and Selva kumar, P. 2018. Site Selection for Rainwater Harvesting Structures Using GIS for the Augmentation of Groundwater. Journal of Ecology & Natural Resources, 2: 1-5.
Finch, J.W. 1998. Estimating direct groundwater recharge using a simple water balance model—sensitivity to land surface parameters. J Hydrol, 211:112–125.
Ghoraba, S.M. 2015. Hydrological modeling of the Simly Dam watershed (Pakistan) using GIS and SWAT model. Alexandria Engineering Journal, 54(3): 583–594.
Githui, F., Selle, B. and Thayalakumaran, T. 2012. Recharge estimation using remotely sensed evapotranspiration in an irrigated catchment in southeast Australia. Hydrol Process, 26(9): 1379–1389.
Guzha, A.C. and Hardy, T.B. 2010. Application of the Distributed Hydrological Model, TOPNET, to the big darby Creek watershed, Ohio, USA, Water Resour Manage, 24: 979-1003.
Guzman, J.A., Moriasi, D.N., Gowda, P.H., Steiner, J.L., Starks, P.J., Arnold, J.G. and Srinivasan, R. 2015. A model integration framework for linking SWAT and MODFLOW. Environmental Modelling and Software, 73: 103-116.
Harbaug, A.W. 2005. MODFLOW-2005. The U.S. Geological Survey modular groundwater model-the ground-water flow process. USGS Techniques and Methods: 6-A16.
Hargreaves, G. and Samani, Z.A. 1985. Reference crop evapotranspiration from temperature. Appl Eng Agric, 1: 96–99.
Harmel, R.D., Van Griensven, A., Van Liew, M.W., Kannan, N. and Jha, M.K. 2012. SWAT: model use, calibration, and validation. Trans. ASABE, 55 (4): 1491–1508.
Himanshu, S.k., Pandey, A. and Shrestha, P. 2017. Application of SWAT in an Indian river basin for modeling runoff, sediment and water balance. Environmental Earth Sciences, 76(3): 1-18.
Immerzeel, W.W. and Droogers, P. 2008. Calibration of a distributed hydrological model based on satellite evapotranspiration. J Hydrol, 349:411–424.
Jasodani, K.P. and Lodha, P.P. 2020. SWAT Hydrological Model for Watershed Management in Watrak River Basin. GedragandOrganizateReview, 33(2): 1552-1558.
Jin, G., Shimizu, Y., Onodera, S., Saito, M. and Matsumori, K. 2015. Evaluation of drought impact on groundwater recharge rate using SWAT and Hydrus models on an agricultural island in western Japan. International Association of Hydrological Sciences, 371: 143–148.
Kim, N.W., Chung, I.M., Won, Y.S. and Arnold, J.G. 2008. Development and application of the integrated SWAT-MODFLOW model. J. Hydrol, 356: 1–16.
Markstrom, S.L., Niswonger, R.G., Regan, R.S., Prudi, D.E. and Barlow, P.M. 2008. GSFLOW-Coupled Ground-water and Surface-water FLOW Model Based on the Integration of the Precipitation-runoff Modeling System (PRMS) and the Modular Ground-water Flow Model (MODFLOW-2005). U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-D1, 240 pp.
Moriasi, D.N., Arnold, J.G., Van Liew, M.W., Bingner, R.L., Harmel, R.D. And Veith, T.L. 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE, 50 (3): 885-900.
Nash, J.E. and Sutcliffe, J.V. 1970. River flow forecasting though conceptual models. Part 1-A discussion of principles. Journal of hydrology, 10: 282-290.
Nasiri, Sh., Ansari, H. and Ziaei, A.N. 2020. Simulation of water balance equation components using SWAT model in Samalqan Watershed (Iran) Arabian Journal of Geosciences, 421 (13): 1-15.
Neitsch, S.L., Arnold J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R. and King, K.W. 2011. Soil and water assessment tool. Theoretical documentation. TWRI TR-191. Texas Water Resources Institute, College Station, Texas.
Oeurng, C., Sauvage, S. and Sanchez-Perez, J. 2011. Assessment of hydrology, sediment and particulate organic carbon yield in a large agricultural catchment using the SWAT model. J Hydrol, 401:145–153.
Qiu, L.J., Zheng. F.L. and Yin, R.S.2012. SWAT-based runoff and sediment simulation in a small watershed, the loessial hilly-gullied region of China: capabilities and challenges. Int J Sediment Res, 27(2):226–234.
Rafiei Emam, A., Kappas, M., Akhavan, S., Hosseini, S.Z. and Abbaspour, K.C. 2015. Estimation of groundwater recharge and its relation to land degradation: case study of a semi-arid river basin in Iran Environment Earth Science, 74: 6791–6803.
Sun, H. and Cornish, P.S. 2005. Estimating shallow groundwater recharge in the headwaters of the Liverpool Plains using SWAT. Hydrol Process, 19(3): 795–807.
Tibebe, D. and Bewket, W. 2010. Surface runoff and soil erosion estimation using the SWAT mode in the Kelata watershed, Ethiopia. Land Degradation and Development Wiley Library, 22(6): 551-564.
Velasco-Muñoz, J.F., Aznar-Sánchez, J.A., Batlles-delaFuente, A. and Fidelibus, M.D. 2019. Rainwater Harvesting for Agricultural Irrigation: An Analysis of Global Research. Water, 11(7): 1-18.
Wang, O., Ma, Z., Ma, Q., Liu, M., Yuan, X., Mu, R., Zuo, J., Zhang, J. and Wang, S.H. 2019. Comprehensive evaluation and optimization of agricultural system: An emergy approach. Ecological Indicators, 107: 1-8.
Wu, W. and Ma, B. 2015. Integrated nutrient management (INM) for sustaining crop productivity and reducing environmental impact: A review. Science of the Total Environment, 512: 415–427.