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

محورهای موضوعی : هیدرولوژی، هیدرولیک و ساختمان های انتقال آب

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.

تاریخ دریافت : 1401/09/10 تاریخ پذیرش : 1402/01/17 تاریخ انتشار : 1402/02/01

کلید واژه: مدل‌سازی هیدرولوژیکی انعطاف‌پذیر, شبیه‌سازی, مدل WetSpa,

چکیده مقاله :

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.

چکیده انگلیسی:

Background and Purpose: The use of hydrological models in watersheds has always been of interest to water resources researchers. Hydrological simulation models are valuable tools for investigating challenging issues related to watershed management, such as the effect of climate change on water resources and the effect of urbanization on floods and droughts. Spatial distribution hydrological model WetSpa is used to simulate river flow at basin scale. The model uses the observed topography, land use, soil map, and daily meteorological time series (rainfall, evaporation and temperature) to predict hydrographs and distributional-spatial hydrological parameters of the basin. In this article, the object-oriented, modular and process-oriented model of WetSpa, which is prepared based on the flexible modeling approach, is applied to simulate the daily hydrograph in Khorramabad basin.Method: The inputs of the model include digital elevation maps, soil type, land use, and time series of precipitation, temperature, and potential evaporation and transpiration, which are from the statistics of 6 meteorological stations in a ten-year period (water year 84-85 until 93-94) is used. After preparing the inputs of the model, at first the maps of the distribution parameters are automatically generated in the map format by the GIS pre-processing component of the model. After that, the model is calibrated using a 5-year statistical period (water year 84-85 to 89-88) of precipitation, temperature, and potential evaporation and transpiration data. The model uses Thiessen polygons to apply precipitation, temperature, and evaporation data. For this purpose, the daily discharges of Jam Anjir hydrometric station located at the outlet of the studied watershed are used. Model calibration is done manually by determining the values of 11 global (general) parameters of the model, so that the best match between simulation and observational hydrograph is obtained. And finally, the validation of the model is carried out based on a 5-year statistical period (water year 89-88 to 94-93) and the values of the global parameters obtained in the calibration stage.Findings: The maps of distributed parameters are produced, which after preparing the inputs of Mashdand's production model showed that the average potential runoff coefficient of the area is 63% and the concentration time of the area is 17 hours. In the following, according to the 11 global parameters, which symbol and range of changes are specified in table (3), the model global (general) parameters values  are obtained in the calibration stage. Comparing the simulated hydrograph by the model and the observed hydrograph in the calibration stage shows that the best match between the observed and simulated data is established with a correlation coefficient of 0.39. Validation of the model is also based on a 5-year statistical period (water year 89-88 to 94-93) and the values of global parameters. The output files of the model illustrate that 26.15% of the precipitation becomes runoff during the calibration period. During the validation period, the share of total runoff from precipitation is 26.42%. Moreover, the simulation results of the model demonstrate the ratio of evaporation to precipitation in the calibration and validation periods is 57.18 and 69.20%, respectively. Additionally, the results of the evaluation of the model based on the Kling-Gupta index (KGE) present the value of 0.68 for the calibration period and 0.74 for the validation period.Results: In this article, the effectiveness of WetSpa model is investigated in order to simulate the daily flow of Khorram Abad River at Cham Anjir hydrometric station. According to the results obtained from this research, it can be said that the Wetspa spatial distribution model has the ability to simulate the hydrological behavior of the basin with acceptable accuracy. The graphical comparison of the calculated and observed hydrographs for the calibration and evaluation period also shows a relatively good match between the two hydrographs. Examining the results of calculating of the water balance components by the model demonstrates that the outflow in the calibration and validation period accounted for 26.15 and 26.42% of the total precipitation respectively, seems logical considering the major land use of mountains and pastures in the irrigation basin.

منابع و مأخذ:

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