برآورد حجم رواناب و رسوب در زیر حوضه سد گراتی با استفاده از مدل SWAT

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره

2 شرکت خصوصی

3 پژوهشگر / وزارت نیرو

4 باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی

چکیده

سابقه و هدف: از مسائل مطرح در مدیریت آب در حوضه‌های آبریز، برآورد میزان تولید رسوب هر یک از زیرحوضه‌ها است. تعیین حجم ماهانه و سالانة جریان و رسوب رودخانه‌های بالادست سد‌های مخزنی، در مراحل طراحی و بهره‌برداری این مخازن، اهمیت قابل توجهی دارند. پیشرفت تکنولوژی نرم افزارهای رایانه ای و شناخت فرآیندهای فرسایش و رسوب و تشخیص نسبی عوامل موثر بر آن، امکان استفاده از انواع مدل‌های ریاضی را فراهم نموده است. از آنجا که نتایج حاصل از بعضی از مدل ها با مقادیر واقعی تطبیق داشته، از اینرو استفاده از مدل‌های فرسایش و رسوب در مطالعات حوزه آبخیز افزایش یافته است. به منظور برآورد حجم ماهانه و سالانة جریان و رسوب در زیرحوضه سد گراتی، مدل SWAT بکار گرفته شد. مدل SWAT یک مدل جامع و کامل در مقیاس حوضه‌ای می‌باشد که برای پیش‌بینی تأثیر روش‌های مدیریتی متفاوت بر جریان، رسوب، عناصر غذایی و بیلان مواد شیمیایی در حوضه‌هایی با خاک، کاربری اراضی و شرایط مدیریتی متفاوت برای دوره‌های زمانی طولانی ارائه شده‌است.
مواد و روش: جهت مدلسازی حوضه مطالعاتی از داده های و نقشه های مختلفی استفاده می گردد اطلاعات و داده‌های ورودی مدل شامل نقشه مدل رقومی ارتفاع (DEM)، نقشه کاربری اراضی، نقشه خاک و داده‌های هواشناسی شامل بارندگی، حداقل و حداکثر درجه حرارت روزانه ، سرعت باد و رطوبت هوا می‌باشد. جهت واسنجی و صحت سنجی مدل از نرم افزار SWAT-CUP استفاده شد که دارای روش‌های متنوعی از جمله الگوریتم SUFI2 برای واسنجی پارامترها می‌باشد. در تحقیق حاضر با استفاده از آمار مشاهده شده ماهانه دبی و رسوب در حوضه مورد مطالعه و با استفاده از پارامترهای فیزیکی، ارقام برآورد شده توسط مدل SWAT کالیبره گردید، سپس اقدام به ارزیابی مدل SWAT شد. برای واسنجی مدل دربرآورد رواناب آمار سال‌های 2001-1986 (16 سال) از ایستگاه بیدواز اسفراین و سال‌های 2009-2004 (6 سال) از ایستگاه قلعه سفید و برای مرحلة صحت‌سنجی از آمار سال‌های 2005-2002 (4 سال) در ایستگاه بیدواز اسفراین و سال‌های 2011-2010 (2 سال) در ایستگاه قلعه سفید استفاده شده است. همچنین داده‌های بار رسوب در سال‌های 2011-2009 (3 سال) در ایستگاه قلعه سفید اندازه‌گیری شده‌اند. بار رسوبی اندازه‌گیری شده حداقل در یک روز از هر ماه سال اندازه‌گیری شده است. به عبارتی برای هر ماه از سال حداقل یک داده اندازه‌گیری رسوب اندازه‌گیری و در مدل استفاده شده است.
یافته‌ها: نتایج مرحلة واسنجی مدل شبیه‌سازی با دقت قابل قبولی را برای دبی ماهانه در ایستگاه‌های بیدواز اسفراین و قلعه سفید نشان داد به طوریکه مقادیر پارامتر‌های میانگین مجذور خطا(MSE)، ضریب همبستگی(R2) و پارامتر ناش- ساتکلیف ( (NS برای دبی ماهانه در ایستگاه بیدواز اسفراین به ترتیب برابر 516/0، 87/0 و 64/0، برای دبی در ایستگاه قلعه سفید به ترتیب برابر 55/0، 89/0 و 71/0، و برای رسوب در ایستگاه قلعه سفید به ترتیب برابر 42/0، 72/0 و 59/0 بدست آمد. نتایج نشان داد که مجموع عمق رواناب سالانه در زیرحوضه گراتی حدود 39/22 میلی‌متر و مجموع بار رسوب سالانه حدود 773 تن در سال در کیلومتر مربع می‌باشد که با احتساب مساحت 109/747 کیلومترمربع برای این زیرحوضه، مجموع حجم دراز مدت سالانه رواناب برابر 71/16 میلیون مترمکعب برآورد میگردد و همچنین سالانه حدود 576983 تن رسوب از حوضه گراتی خارج خواهد شد. حداکثر بار رسوب و رواناب در ماه‌های اردیبهشت و خرداد رخ می‌دهد.
نتیجه‌گیری: با بررسی مقادیر به دست آمده در مورد شبیه سازی رسوب با مدل SWAT می توان نتیجه گرفت که علیرغم عدم قطعیتهای بسیار در تعیین رسوب، مدل SWAT توانسته است در دوره کالیبراسیون و دوره صحت سنجی به خوبی زمان وقوع حداکثر آورد رسوب را شبیه سازی نماید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The estimated volume of runoff and sediment in the Gerahty dam basin using the SWAT model

نویسنده [English]

  • Behnam Ababaei 4

چکیده [English]

Background and Objectives: Estimation of sediment values in sub-basins is an important Issue in watershed water management. Determination of the monthly and annual river flow volume and sediment from upstream are very important in the design and operation of dams. The possibility of using mathematic models has been provided by expansion of computer software technologies and knowledge about factors effecting erosion and sedimentation. The use of erosion and sedimentation models in the watershed studies has increased due to good fitness between the results of some models and the observed values. In order to evaluation of the SWAT capabilities in runoff and sediment simulation, this research was carried out in Geraty sub basin. The SWAT model is a comprehensive model that can be applied for assessment of various management strategies effect on runoff, sediment, chemical and nutrient material transport in the basin level.
Materials and Methods: Different data and maps were used for preparation of required basic files for delineating the basin into sub-basins and HRUs. These basic file include: Digital Elevation Model (DEM), soil map, and Land Use/Land Cover (LULC) map. The weather input data was including maximum and minimum daily air temperature, solar radiation, wind speed and relative humidity. SWAT-CUP software was used to sensitivity analysis, calibration and validation of the model parameters. The SUFI-2 algorithm was used for parameter optimization. In this study, the SWAT model was calibrated with the monthly observed discharge and sediment rates and physical parameters. Then, the model was assessed. The model was calibrated using monthly discharge data from Bidouaz Esfaraien station for the period 1986-2001 (16 years) and GhaleSefid station for the period 2004-2009 (6 years). Also, the model was validated using monthly discharge data from Bidouaz Esfaraien station for the period 2002-2005 (4 years) and GhaleSefid station for the period 2010-2011 (2 years). The sediment load data for the years 2011-2009 (3 years) were measured in GhaleSefid station.
Results: Results showed an acceptable accuracy of the model. MSE, R2 and NS parameters for monthly discharge in Bidouaz Esfaraien station was obtained 0.516, 0.87 and 0.64, respectively. In simulation of discharge in GhaleSefid station these statistic parameters were 0.55, 0.89 and 0.71, respectively. These statistic parameters in sediment simulation 0.42, 0.72 and 0.59, respectively. The results showed that the total annual runoff depth at Geraty basin is about 22.39 mm and total annual sediment is about 773 ton/year/km2. Considering the area of 747.109 km2 for this basin, the total volume of long-term annual runoff is estimated to 16.71 million cubic meters and also about 576983.31 tons of sediment will be drained out from the Geraty basin. The maximum sediment load and runoff occurs in April and May.
Conclusion: Analysis of the SWAT model results in sediment simulation shows that the model capability in sediment simulation is good. Regarding to high uncertainty in sediment prediction, the model was able to simulate the maximum amount of sediment in the calibration and validation phases successfully.

کلیدواژه‌ها [English]

  • sediment
  • Runoff
  • SUFI2
  • SWAT 2012