ارزیابی اثرات اجرای سناریوهای مدیریت کشاورزی بر کمیت و کیفیت منابع آب سطحی با استفاده از مدل نیمه‌توزیعی و بررسی آسیب‌پذیری آبخوان (مطالعه موردی: دشت هشتگرد)

محورهای موضوعی : مدیریت منابع آب

محمودرضا نورعلی نژاد اسلاملو ¹ , مجتبی شوریان ² , سید سجاد مهدی زاده محلی ³

1 - دانشجوی دکتری مهندسی عمران، گروه عمران آب ، دانشکده عمران،معماری و هنر ، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران.
2 - دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.
3 - استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران و منابع زمین، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکزي، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/05/28 تاریخ پذیرش : 1402/08/10 تاریخ انتشار : 1402/09/01

کلید واژه: آبخوان هشتگرد, آسیب‌پذیری, DRASTIC, آب سطحی, SWAT,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: منشاء بسیاری از مشکلات کیفی و کمی منابع آب، فعالیت‌هایی است که در یک حوضه آبریز انجام می‌شود. بنابراین بازنگری استراتژی‌های برنامه ریزی حوضه آبریز می‌تواند منجر به کاهش این چالش‌ها گردد، لذا ضروری است اثرات اجرای استراتژی‌ها پیش از اجرا، ارزیابی شود. روش پژوهش: در پژوهش حاضر که بر روی حوضه آبریز هشتگرد واقع در قسمت مرکزی استان البرز انجام گردیده است، پس از ساخت مدل هیدرولوژیکی نیمه توزیعی SWAT به منظور تبدیل کمی و کیفی منابع آب سطحی این مدل توسعه داده شده است. به این منظور از آمار ایستگاه‌‌های هیدرومتری فشند، ده صومعه و نجم آباد و داده کیفی نیترات ایستگاه شاخص به‌عنوان نقطه کنترل مورد واسنجی و اعتبار‌سنجی قرار گرفتند، بعد از آنالیز حساسیت مدل، فرایند واسنجی توسط نرم افزار SWAT-CUP با الگوریتم SUFI2 با تعداد 500 تکرار انجام گرفت و بهترین مقادیر پارامترهای انتخابی بدست آمد. سپس اثر اجرای سناریوهای مدیریتی همچون اصلاح الگوی کشت و ارتقاء روش آبیاری برای افزایش راندمان کشاورزی در جهت بهبود وضعیت کشاورزی و کاهش میزان آلایندگی انجام گردید. در نهایت آسیب‌پذیری آبخوان هشتگرد با استفاده از هفت پارامتر DRASTIC و با تلفیق لایه‌ها با وزن‌دهی و رتبه‌بندی ارزیابی گردید. یافته‌ها: نتایج شبیه‌سازی رواناب سطحی در مقیاس ماهانه توسط شاخص‌های آماری نش- ساتکلیف و ضریب تبیین نشان داد که شبیه‌سازی با دقت خوبی انجام گردیده است (نتایج بالای 7/0)، نتایج حاصل از ضریب NS برای دوره واسنجی و صحت سنجی به‌ترتیب برابر 83/0 و 7/0 شد و ضریب R2 به‌ترتیب برابر 87/0 و 89/0 برآورد شد که بیانگر عملکرد مناسب مدل و همبستگی بالای داده‌های مشاهداتی و شبیه‌سازی شده می‌باشد. بعد از مشخص کردن نقشه آسیب‌پذیری آبخوان دشت به همراه تراکم چاه‌ها پس از اصلاح اوزان لایه‌های مدل، بخش مرکزی دشت بیشترین آسیب‌پذیری را داراست. نتایج: با مدل سازی دو سناریوی مدیریتی تغییر الگوی کشت و ارتقای راندمان آبیاری به منظورارزیابی تغییرات کیفی و کمی در منابع آب سطحی، نتایج حاکی از آن است که در این حوضه با اصلاح الگوی کشت و کاهش برداشت، میزان رواناب سطحی افزایش یافت.با این وجود غلظت نیترات در ماه های مختلف از 5 تا 20 درصد کاهش می‌یابد. با اعمال سناریوها، مقدار مصرف آب در بخش کشاورزی از 3/85 میلیون مترمکعب به 8/59 میلیون مترمکعب کاهش خواهد یافت. شاخص نهایی آسیب‌پذیری آبخوان با استفاده از روش DRASTIC بین 44 تا 90 متغیر شد.

چکیده انگلیسی:

Background and Aim: The source of many qualitative and quantitative problems of water resources is the activities that are done in a watershed. Therefore, reviewing the planning strategies of watershed can lead to the reduction of these challenges therefore it is necessary to assess the effects of operating of these strategies before implementing them. Method: This research is carried out in the Hashtgerd basin is located in the central part of Alborz province. After making the semi distributed hydrological model (SWAT), this model has been developed to convert quantity and quality of surface water resources. For this purpose, the statistics of hydrometric stations Fashand, Dehsomeh and Najmabad and qualitative data of nitrate of the index station were calibrated and validated as control points. After model sensitivity analysis, its calibration process was conducted using SWAT-CUP software with SUFI2 algorithm and 500 iteration and the best values of selected parameters were obtained. Then, impact of implementing management scenarios are required such as modifying cropping pattern and improving irrigation methods to enhance the agricultural efficiency for improving agricultural state and reducing the contaminations. At last assessing the vulnerability of the Hastgerd aquifer using seven DRASTIC parameters by overlaying layers, ranking and weighing was assessed. Results: The results of the monthly surface runoff simulation were tested by Nash-Sutcliffe indicators and coefficient of determination. The results above 0.7 which showed that the simulation was done with good precision showed that simulation was done with proper precision(results over 0.7). The results of the Nitrate calibration and validation show that the NS was 0.83 and 0.7 and the R2 was estimated .87 and 0.89. These values indicate the proper performance of the model and approve high correlation between the observed and simulated data. After determining the vulnerability map of the Hashtgerd aquifer along the density of wells correcting the weights of the model layers, the central part of the plain is the most vulnerable. Conclusion: Two management scenarios were modeled including the change in the cropping pattern and improvement of the irrigation efficiency to assess the quality and quantity variation in surface resource. It was indicated, by modifying the cropping pattern and reducing water exploitation, the amount of surface runoff was increased. However, the density of Nitrate was reduced by 5 to 20 percent in different months. With implementation of scenarios, the water consumption in the agriculture sector will be reduced from the 85.3 MCM to 59.8 MCM. The final vulnerability index of the aquifer varied between 44 to 90 by using DRASTIC method.

منابع و مأخذ:

Aller, L., Bennett, T., Lehr, J.H., Petty, R.J. and Hackett, G. (1987). DRASTIC: A Standardised System for Evaluating Groundwater Pollution Potential using Hydrogeologic Settings, US Environment Protection Agency, Ada, Oklahoma, EPA/60012-87/035

Ahirwar, S. and Shukla, J.P. (2018). Assessment of Groundwater Vulnerability in Upper Betwa River Watershed using GIS based DRASTIC Model. Journal of the Geological Society of India, 91(3), pp. 334-340.

Baalousha, H.M. (2016). Groundwater vulnerability mapping of Qatar aquifers. Journal of African Earth Sciences, 124, pp. 75-93.

Chitsazan, M. and Akhtari, Y. (2007). Assessment of contamination potential of zevircheri and kharan plains using DRASTIC and GIS models, Journal of water and wastewater. 17, 39-51. [In Persian]

Engebretsen, A., Vogt, R.D. and Bechmann, M. (2019). SWAT model uncertainties and cumulative probability for decreased phosphorus loading by agricultural Best Management Practices. Catena, 175, pp. 154-166.

Ficklin, D.L., Luo, Y. and Zhang, M. (2012). Watershed modelling of hydrology and water quality in the Sacramento River watershed, California. Hydrological Processes, in press.

Hussainzada, W. and Lee, H.S. (2022). Effect of an improved agricultural irrigation scheme with a hydraulic structure for crop cultivation in arid northern Afghanistan using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Sci Rep 12, 5186. https://doi.org/10.1038/s41598-022-09318-2

Lathamani, R., Janardhana, M.R., Mahalingam, B. and Suresha, S. (2015). Evaluation of aquifer vulnerability using drastic model and GIS: a case study of Mysore city, Karnataka, India. Aquatic Procedia, 4, pp. 1031-1038.

Misaghi, F., Nasrabadi, M., Nouri, M. (2020). Application of SWAT Model to Simulate Nitrate and Phosphate Leaching from Agricultural Lands to Rivers. Advances in Environmental Technology, 6(1), 1-17. doi: 10.22104/aet.2020.4298.1214

Neitsch, S., Arnold, J., Kiniry, J., Williams, J. and K. King. (2005). Soil and water assessment tool: Theoretical documentation, version 2005. Texas, USA.

Nepal, D. and Parajuli, P.B. (2022). Assessment of Best Management Practices on Hydrology and Sediment Yield at Watershed Scale in Mississippi Using SWAT. Agriculture. 12(4):518. https:// doi.org/ 10.3390/ agriculture 12040518

Novinpoor, E. and Masoudi, S. (2018). Assessment the vulnerability of nazloochai urmia plain using DRASTIC, 2 chapters of new findings of applied geology, 12 (23). [In Persian]

Qiu, Z. and Wang, L. (2014). Hydrological and water quality assessment in a suburban watershed with mixed land uses using the SWAT model. Journal of Hydrologic Engineering, 19(4), 816 -27. https:// doi.org/ 10.1061/ (ASCE) HE.1943-5584.0000858

Shekhar, S., Pandey, A.C. and Tirkey, A.S. (2015). A GIS-based DRASTIC model for assessing groundwater vulnerability in hard rock granitic aquifer. Arabian Journal of Geosciences, 8(3), pp.1385-1401.

Wei, X. and Bailey, R. (2021). Evaluating nitrate and phosphorus remediation in intensively irrigated stream-aquifer systems using a coupled flow and reactive transport model. Journal of Hydrology, 598, 126-304, https://doi.org/10,1016/j.jhydrol.2021,126304