ارزیابی واکنش هیدرولوژیکی حوضه آبریز کیوی چای به تغییرات کاربری اراضی با استفاده از مدل SWAT

محورهای موضوعی : مدیریت بهینه منابع آب و خاک

شیرین مهدویان ¹ (دانشجوی دکتری اقلیم شناسی، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه محقق اردبیلی،اردبیل، ایران.)
بتول زینالی ² (دانشیار گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.)
برومند صلاحی ³ (استاد گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران)

تاریخ دریافت : 1401/06/21 تاریخ پذیرش : 1401/10/30 تاریخ انتشار : 1402/05/01

کلید واژه: حوضه آبریز کیوی چای, مدل‌سازی, تغییر کاربری اراضی, SWAT, سنجش‌ازدور,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: تغییر کاربری اراضی به‌صورت مستقیم بر روی مؤلفه‌های هیدرولوژیکی و منابع آبی تأثیرگذار است و نقش مهمی در تشدید خطرات احتمالی همچون خشکسالی و سیلاب دارد. لذا بررسی اثرات کاربری اراضی بر مؤلفه‌های آبی همچون رواناب امری ضروری است. ازاین‌رو در این مطالعه، وضعیت رواناب حوضه کیوی چای، یکی از مهم‌ترین حوضه‌های استان اردبیل، از نظر محیط زیستی در شرایط تغییر کاربری اراضی با استفاده از مدل SWAT مورد بررسی قرار گرفت.روش پژوهش: برای پردازش، طبقه‌بندی و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها از نرم‌افزارهای ArcGIS10.1،Envi5.1 و Ecognition استفاده شد. همچنین از روش مبتنی بر مدل‌های انتقال تابشی چون FLAASH به‌عنوان بهترین روش برای تصحیح اتمسفری استفاده شد. برای سگمنت سازی از الگوریتم Multiresolution و برای طبقه‌بندی از الگوریتم نزدیک‌ترین همسایگی استفاده شد. سپس نمونه‌های تعلیمی از سطح منطقه با استفاده از بازدیدهای میدانی و تصاویر ماهواره Google Earth جمع‌آوری شد و برای ارزیابی صحت و دقت طبقه‌بندی بکار رفت. در انتها از روش تشخیص تغییراتThematic) change dynamic (در Envi5 برای شناسایی تغییراتی که طی سال‌ها اتفاق افتاده بود، استفاده شد. برای بررسی تأثیر تغییرات کاربری اراضی روی رواناب حوضه نیز از مدل هیدرولوژیکیSWAT استفاده شد. بعد از استخراج پارامترهای مؤثر در حوضه خروجی مدل با نرم‌افزار SWAT-CUP و الگوریتم SUFI-2واسنجی و اعتبارسنجی شد. برای ارزیابی نتایج این مرحله از شاخص‌های نش - ساتکلیف و ضریب تعیین استفاده شد.یافته‌ها: در این پژوهش، پس از اعمال طبقه‌بندی اراضـی به روش شیءگرا، نقشه کاربری اراضی در هفت کـلاس؛ کشاورزی دیم، کشاورزی آبی، باغ، جنگل، مسکونی، مرتع و آب تهیه گردید. در نقشه کاربری اراضی حوضه، پوشش مرتع، طبقه غالب کاربری زمین است؛ بااین‌حال، کاهش قابل‌توجه از 18/1224 کیلومترمربع به 59/1046 کیلومترمربع بین سال‌های 1987 و 2019 مشاهده‌شده است. مقادیربدست آمده برای شاخص‌های R-Factor,P-Factor,R2,NS در دوره واسنجی به ترتیب برای ایستگاه آبگرم (69/0، 71/0، 47/0، 53/0) و برای ایستگاه فیروزآباد (64/0، 67/0، 3/0، 32/0) و در دوره اعتبارسنجی برای ایستگاه آبگرم به ترتیب (56/0، 62/0، 0، 09/0) و برای ایستگاه فیروزآباد (51/0، 53/0، 0، 13/0) است. براین‌اساس نتایج به‌دست‌آمده در مرحله واسنجی و اعتبارسنجی قابل‌قبول ارزیابی شد. ارزیابی پاسخ مدل SWAT به کاربری زمین نیز نشان داد در مقیاس سالانه نشان می دهد که میزان جریان در ایستگاه فیروزآباد از 08/3 به 81/2 مترمکعب بر ثانیه (77/8- درصد) و در ایستگاه آبگرم از 11/1 به 96/0 مترمکعب بر ثانیه (51/13-) کاهش‌یافته است که علت آن را می‌توان ناشی از تغییرات کاربری اراضی بخصوص تغییر در کاربری مراتع و تبدیل آن به زراعت دیم و باغات و جنگل‌ها دانست.نتایج: روند تغییرات کاربری اراضی حوضه بین سال‌های 1987 تا 2019 درکاربری های کشاورزی دیم، مرتع وپهنه های آبی با روند کاهشی و در کاربری‌های کشاورزی آبی، باغ، جنگل و مسکونی با روند افزایشی همراه بوده است. بالابودن مقدار برازش معیارهای بکار رفته در ارزیابی مدل بیانگر این است که مدل قابلیت خوبی در شبیه‌سازی رواناب حوضه دارد. همچنین مدل اجرا شده برای کاربری‌های مختلف زمین نشان داد که جریان حوضه در هر دو ایستگاه هیدرومتری با تغییر کاربری اراضی در اکثرماه‌ها در کوتاه مدت افزایش و در میانگین درازمدت کاهش می‌یابد. تداوم تغییر کاربری زمین در حال تبدیل‌شدن به یک تهدید جدی برای حوضه‌های آبریز است. تغییر کاربری اراضی باید در حوضه‌های آبریز کنترل شود و اقداماتی برای تثبیت تغییر کاربری زمین انجام شود.

چکیده انگلیسی:

Introduction: Land use change has a direct impact on hydrological components and water resources and plays an important role in aggravating possible risks such as drought and floods. Therefore, it is necessary to investigate the effects of land use on water components such as runoff. Thus, in this study, the runoff condition of the Kiwi Chai Basin, one of the most important basins in Ardabil province, from an environmental point of view in terms of land use change is investigated using the SWAT model.Methods: ArcGIS 10.1, Envi 5.1, and Ecognition software are used for data processing, classification, and analysis. Also, the method based on radiative transfer models, such as FLAASH, is used as the best method for atmospheric correction. Multiresolution algorithm is applied for segmentation and the nearest neighbor algorithm is used for classification. Then, educational samples are collected from the area using field visits and Google Earth satellite images and used to evaluate the accuracy and precision of the classification. At the end, the Thematic change dynamic detection method is applied in Envi5 to identify the changes that have happened over the years. The SWAT hydrological model is additionally used to investigate the effect of land use changes on the basin's runoff. After extracting the effective parameters in the basin’s outlet, the model is calibrated and validated with SWAT-CUP software and SUFI-2 algorithm. Nash-Sutcliffe indices and coefficient of determination are used to evaluate the results of this stage.Results: In this research, after applying object-oriented land classification, land use map in seven classes of Rainfed agriculture, irrigated agriculture, garden, forest, residential, pasture and water are provided. In the land use map of the basin, pasture cover is the dominant land use class; however, a significant decrease from 1224.18 square kilometers to 1046.59 square kilometers has been observed between 1987 and 2019. The values obtained for R-Factor, P-Factor, R2, NS indicators in the calibration period are, respectively, for Abgarm station (0.53, 0.47,0.71,0.69) and for Firozabad station (0.32,0.3,0.67,0.64) and in the validation period, for Abgram station (0.09,0,0.62,0.56) and for Firozabad station (0.13,0,0.53,0.51), respectively. Based on this, the results obtained in the calibration and validation stage are evaluated as acceptable. The evaluation of the SWAT model's response to land use also shows that, on an annual scale, the amount of flow in Firozabad station has decreases from 3.08 to 2.81 cubic meters per second -8,77percent) and in Abgarm station from 1.11 to 0.96 cubic meters per second (-13.51), which can be attributed to changes in land use, especially the change in the use of pastures and its conversion to rainfed agriculture, gardens, and forests.Conclusion: The trend of land use changes in the basin between 1987 and 2019 has been accompanied by a decreasing trend in rainfed, pasture and water uses and an increasing trend in irrigated agriculture, garden, forest, and residential uses. The high value of the fit of the indicators used in the evaluation of the model indicates that the model has a good capability in simulating the runoff of the basin. Moreover, the model implemented for different land uses illustrates that the flow of the basin in both hydrometric stations in most of the months increase in the short term and decrease in the long term average with the land use change. Continuous land use change is becoming a serious threat to watersheds. Land use change should be controlled in catchment areas, and measures should be taken to stabilize land use change. 

منابع و مأخذ:

Agarwal, C, Green, GM, Grove, J M, Evans, T P and Schweik, CM. (2000): A review and assessment of land‐use change models: dynamics of space, time, and human choice. US Department of Agriculture, Forest Service, Northeastern Research Station General Technical Report NE‐297.

Arnold, JG, Srinivasan, R, Muttiah, RS and Allen, PM. (1999): Continental scale simulation of the hydrologic balance. J. Am. Water Resource Association, 1037‐1051.

Bhatta B., Shrestha S., Shrestha PK., and Talchabhadel R. 2020. Modelling the impact of past and future climate scenarios on streamflow in a highly mountainous watershed: A case study in the West Seti River Basin, Nepal. Science of the Total Environment. Elsevier B.V 740: 140156. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140156.

doi: 10.22034/hyd.2021.44819.1578

‏ Chemura, A., Rwasoka, D., Mutanga, O., Dube, T., & Mushore, T. (2020). The impact of land-use/land cover changes on water balance of the heterogeneous Buzi sub-catchment, Zimbabwe. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 18, 100292.

Getachew H.E., and Melesse A.M. 2012. The Impact of Land Use Change on the Hydrology of the Angereb Watershed, Ethiopia. M. Melesse: The Impact of Land Use Change (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

‏ Kim, J., J. Choi, C. Choi, and S. Park. 2013. Impacts of changes in climate and land use/land cover under IPCC RCP scenarios on streamflow in the Hoeya River Basin, Korea. Sci. Total Environ. 2: 185-195

Haleem, K., Khan, A. U., Ahmad, S., Khan, M., Khan, F. A., Khan, W., & Khan, J. (2021). Hydrological impacts of climate and land-use change on flow regime variations in upper Indus basin. In Journal of Water and Climate Change (Vol. 13, Issue 2, pp. 758–770). IWA Publishing. https://doi.org/10.2166/wcc.2021.238

Haque M I, Basak R. 2017. Land cover change detection using GIS and remote sensing techniques: A spatio-temporal study on Tanguar Haor, Sunamganj, Bangladesh. The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Sciences 20 (2017) 251–263

Larbi, I., Obuobie, E., Verhoef, A., Julich, S., Feger, K. H., Bossa, A. Y., & Macdonald, D. (2020). Water balance components estimation under scenarios of land cover change in the Vea catchment, West Africa. Hydrological Sciences Journal, 65(13), 2196-2209.

Lerat, J.; Thyer, M.; McInerney, D.; Kavetski, D.; Woldemeskel, F.; Pickett-Heaps, C.; Shin, D.; Feikema, P. A robust approach for calibrating a daily rainfall-runoff model to monthly streamflow data. J. Hydrol. 2020, 591, 125129. [CrossRef]

Maddi, Agil; Kind, Behnam; Ismali, Abazar. (2012). Landslide risk assessment and its zoning using LIM model and GIS technique in Givi Chai watershed, Ardabil. Scientific Journal of Geography and Planning 17(43), 307-326.

Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R., and Williams, J. R. 2011. Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2009: Texas Wanter Resources institute.

Rajabi M , Feyzolahpour M . 2014. Zoning the Landslides of Givichay River Basin by Using Multi Layer Perceptron Model. Geography And Development Iranian Journal, 12(36), 161-180. doi: 10.22111/gdij.17160(In Persian).

Rashtbari, M., & TALEAI, M. (2020). Prediction of Land Use Change and its Hydrological Effects Using Markov Chain Model and SWAT Model. ENGINEERING JOURNAL OF GEOSPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY, 7(4), 41-59. https://www.sid.ir/en/journal/ ViewPaper.aspx?id=746055.[in Persian]

Rezaei Moghaddam, M., Mokhtari, D., Samandar, N. (2022). Detection of the effect of land use change trends on discharge and sediment Simulated with SWAT model in Ojan Chay watershed. Hydrogeomorphology, 9(30), 24-1. doi: 10.22034/hyd.2021.42595.1557.[in Persian]

Woyessa, Y. E., & Welderufael, W. A. (2021). Impact of land-use change on catchment water balance: a case study in the central region of South Africa. Geoscience Letters, 8(1), 1-10.

Zeiaei, K., esmali, A., Mostafazadeh, R., Golshan, M. (2021). Assessing the effects of various land use change scenarios on runoff using SWAT model in the Ahl Iman watershed. Hydrogeomorphology, 8(27), 138-123.