بررسی تاثیر تغییر کاربری اراضی بر پتانسیل تولید رواناب‌های سطحی با استفاده از سنجش از دور و مدل SWAT

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه کاشان

2 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه کاشان

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: یکی از موضوعات مهم در مدل‌سازی هیدرولوژیکی، ارزیابی اثرات تغییر کاربری اراضی در منابع آب است . کاربری اراضی یک خصوصیت مهم در فرایند تولید رواناب است که بر روی نفوذ آب، فرسایش خاک، تبخیر و تعرق اثر می‌گذارد. امروزه برای تهیه نقشه‌های کاربری اراضی، استفاده از داده‌های ماهواره‌ای و روش‌های کمی در علم سنجش از دور بسیار معمول است و محققان و دانشمندان این علم در دو دهه‌ی گذشته به صورت گسترده آن را به کار برده‌اند. هدف از این پژوهش بررسی تاثیر تغییرات کاربری اراضی بر روی پتانسیل تولید روانابهای سطحی با استفاده از مدل SWAT است.
مواد و روش ها: منطقه مورد مطالعه زیر حوزه بهشت آباد واقع در شمال و شمال شرقی حوضه آبخیز کارون شمالی استان چهارمحال بختیاری شهرستان اردل میباشد. در این پژوهش ابتدا با استفاده از داده‌های سنجنده ETM ماهواره لندست ۷ و داده های سنجنده OLI ماهواره لندست 8 نقشه کاربری اراضی سال‌های 1987 و 2013 تهیه شد و سپس بر اساس این نقشه‌ها و با استفاده از مدل SWAT برای دوره آماری 1989-1984بر اساس کاربری اراضی سال 1987 رواناب سطحی شبیه‌سازی شد. سپس واسنجی و اعتبارسنجی مدل با استفاده از الگوریتم SUFI-2 موجود در نرم‌افزار SWAT-CUP انجام گرفت.
یافته ها : نتایج آماری حاصل از واسنجی و اعتبارسنجی مدل در دوره 1989-1984 نشان از دقت قابل قبولی در شبیه‌سازی رواناب دارد. برای استخراج نقشه کاربری اراضی سال 1987 و 2013 از روش نظارت شده و برنامه طبقه‌بندی‌کننده بیشترین شباهت با دقت کلی 80٪ و85٪ استفاده شد. سپس جهت بررسی تاثیر تغییر کاربری اراضی بر پتانسیل تولید رواناب، یک بار از نقشه کاربری اراضی سال 1987 و بار دیگر از نقشه کاربری اراضی سال 2013 برای دوره 2011-1999 استفاده گردید. نتایج نشان داد که به دلیل اینکه رواناب مشاهداتی خارج از محدوده باند عدم قطغیت قرار گرفته است و نقشه سال 1987 نسبت به نقشه 2013 دارای دقت مکانی و هندسی کمتری می باشد استفاده از نقشه کاربری اراضی سال 1987 برای دوره جدید از دقت قابل قبولی برخوردار نمی‌باشد و رواناب مشاهداتی خارج از محدوده باند عدم قطعیت با سطح اطمینان PPU% 95 قرار گرفته است. ولی شبیه‌سازی رواناب با استفاده از نقشه کاربری اراضی سال 2013 برای دوره آماری 2011-1999 افزایش دقت واسنجی و اعتبار‌سنجی را به دنبال داشته است. همچنین رواناب مشاهداتی نیز در محدوده باند عدم قطعیت PPU%95 مدل SWAT قرار گرفته است و میزان رواناب سطحی نیز در دوره آماری جدید نسبت به قدیم روند افزایشی داشته است.
نتیجه گیری :مطالعه همه عوامل تاثیر‌گذار بر میزان رواناب، کاری مشکل و بسیار پیچیده است و نیاز است که بتوان با استفاده از تکنیک‌های جدید و مدل‌ها تاثیر عوامل مختلف مورد بررسی قرار گیرد. نتایج این مطالعه نشان داد که چنانچه دادهای ورودی مدل SWAT بطور صحیح تهیه شود، این مدل دارای کارایی قابل قبولی در برآورد دبی رواناب است. در این بین، تهیه نقشه کاربری اراضی مطابق با شرایط واقعی منطقه بیشترین تاثیر را می تواند داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation the effects of land use change on surface runoff using Remote sensing and SWAT model

نویسندگان [English]

  • Reza Ghazavi 1
  • Arash Fazeli 2
1
2
چکیده [English]

Land-use and land-cover change, especially when caused by human activities, is one of the most important components of global environmental change. Land use is one of the most important issues in hydrological modeling to assess the effects of land use changes on water resources. Study all factors that souled affect the runoff can be difficult and is very complex and requires the use of new techniques and models to examine the effect of different factors. Land use change is an important characteristic that should influence erosion, evaporation, transpiration and runoff. Nowadays, preparing land use maps via satellite data and quantitative methods are very common in remote sensing science researchers. These techniques were widely used by scientists in the past two decades. The main aim of this study was to investigate the potential effects of land use change on surface runoff production using SWAT model.

Material and Methods

The study area named BeheshtAbad, located in the North and North East of Karoon watershed. For this study, 8 land use maps were created for the period of 1987-2013 using Landsat satellite image. In this study, runoff was simulated for 1984-1989 based on 1987 land use by SWAT model. For calibration and validation of the model, SUFI-2 algorithm was used in SWAT-CUP software.

Results

Statistical results of the model calibration and validation showed an acceptable accuracy in runoff simulating. In order to evaluate the effect of land use change on runoff potential, two type of land use were applied. Runoff for 1999 to 2011 period was simulated based on 1987 and 2013 land use maps. For 1999 to2011 period, no acceptable accuracy for estimated runoff was obtained when land use maps of 1987 was applied, whereas accuracy of the calibration and validation was increase when 2013 land use was applied. When 2013 land use was applied, the observation runoff was in the range of the uncertainty band PPU95 % of SWAT model. According to results, the amount of surface runoff has been increased in the recent years.

Conclusion
It is difficult to study all factors that should affect the runoff. Using new techniques and models was required to examine the effect of different factors on runoff amount. The results of this study indicated that if the input data is properly prepared for SWAT model, this model should have a good performance to estimate of runoff. Land use mapping in accordance with the actual conditions of the region can have the greatest impact in the accuracy of the model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Remote sensing"
  • "Land use change"
  • " Surface runoff"
  • " Landsat"
  • "SWAT model"

مراجع

1.Alizadeh, A., Makhdoom, M., and Mahdavi, M. 2011. Effect of land use change on flood flows using remote sensing and GIS: A Case Study Madarsoo River Basin. J. Environ. 1: 2. 78-92. (In Persian)2.Abbaspour, K. 2009. SWAT-CUP2; SWAT Calibration and Uncertainty Programs user manual.
3.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 thepre-alpine/alpine Thur watershed using SWAT, J. Hydrol. 333: 2. 413-430.
4.Alansi, A.W., Amin, M.S.M., Abdul Halim, G., Shafri, H.Z.M., and Aimrun, W. 2009. Validation of SWAT model for stream flow simulation and forecasting in Upper Bernam humid tropical river basin, Malaysia. Hydrology and Earth System Sciences Discussions. 6: 6. 7581-7609.
5.Alizadeh, A. 2013. Applied Principles of Hydrology. Publication of Astan Quds Razavi. University of Imam Reza (AS). 928p. (In Persian)
6.Ekhwan Momeni, S., Ali Nia, H., and Vazifeh Dost, M. 2012. Determination of runoff curve number using remote sensing. National conference of Geomatics. Survey Organization of the country. Pp: 1200-1209. (In Persian)
7.Gary, W., and Vega, C.C. 2007. Impacts of changes in land use on the generation of surface runoff for the East Branch of the Brandywine Creek Watershed using a GIS-based hydrologic model. Middle States Geographer. 40: 142-149.
8.Ghafari, G., Ghodousi, J., and Ahmadi, H. 2010. The effect of land use change on hydrologic responses in the watershed: A case study of watershed Zanjanroud. Research of Soil and Water Conservation, 16: 1. 163-180. (In Persian)
9.Guzha, A.C., and Hardy, T.B. 2010. Application of the distributed hydrological model, TOPNET, to the Big Darby Creek Watershed, Ohio, USA. Water resources management. 24: 5. 979-1003.
10.Kazemi, M., Mahdavi, Y., Nohegar, A., and Rezaie, P. 2012. Estimated changes in land use and land cover with remote sensing techniques and GIS (Case study: Watershed Tang Bostanak Shiraz). Application of Remote Sensing and GIS for Natural Resource s=Sciences. 2: 1. 101-111. (In Persian)
11.Li, K.Y., Coe, M.T., Ramankutty, N., and Jong, R.D. 2007. Modeling the hydrological impact of land-use change in West Africa. J. Hydrol. 337: 3. 258-268.
12.Li, Z., Liu, W.Z., Zhang, X.C., and Zheng, F.L. 2009. Impacts of land use change and climate variability on hydrology in an agricultural catchment on the Loess Plateau of China. J. Hydrol. 377: 1. 35-42.
13.Li, Q., Cai, T., Yu, M., Lu, G., Xie, W., and Bai, X. 2011. Investigation into the impacts of land-use change on runoff generation characteristics in the upper Huaihe River Basin, China. J. Hydrol. Engin. 18: 11. 1464-1470.
14.Liu, Y.B., 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 & assessment. 9: 4. 227-235.
15.Sardashti, M., Ghanavati, E., Rezayian, P., and Morshedi, J. 2011.Land use of change detection Taleghan watershed from year 1987-2002 using Landsat satellite imagery and remote sensing, National conference of Geomatics, Tehran, Geological Survey Iran. Pp: 1312-1319. (In Persian)
16.Melesse, A.M., and Shih, S.F. 2002. Spatially distributed storm runoff depth estimation using Landsat images and GIS. Computers and Electronics in Agriculture, 37: 1. 173-183.
17.Nazari, S., Ghorbani, M., and Kohbanani, H. 2011. Assessment trend of land use changes Taleghan Watershed, J. Range Manage. Iran. 4: 3. 442-451. (In Persian)
18.Olivera, F., and Maidment, D. 1999. Geographic information systems (GIS)-based spatially distributed model for runoff routing. Water Resources Research. 4: 35. 1155-1164.
19.Ramazani, N., Jafari, R., and Aizanlo, I. 2013. Monitoring urban land use changes in the past four decades Esferayen region using remote sensing technology. National conference of Geomatics. Survey Organization of the country. 1869p. (In Persian)
20.Salmani, H., Mohseni Saravi, M., Rouhani, H., and Salajeghe, A. 2013. Assessment of land use changes and impact on the hydrological regim in the watershed Qzaqly province of Golestan. Water. Manage. J. 6: 22. 1-14. (In Persian)
21.Sun, H., and Cornish, P.S. 2005. Estimating shallow groundwater recharge in the headwaters of the Liverpool Plains using SWAT. Hydrological Processes, 19: 3. 795-807. (In Persian)
22.Wang, G., Yang, H., Wang, L., Xu, Z., and Xue, B. 2014. Using the SWAT model to assess impacts of land use changes on runoff generation in headwaters. Hydrological Processes, 28: 3. 1032-1042.
23.Zahedi, E., Mohammadi, M., and Bardi, S. 2012. Evaluation of urban land use change and impact on watershed hydrology Ziarat. Proceedings of the Seventh National Conference on Science and Watershed Engineering. Pp: 134-141. (In Persian)
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 25، شماره 6
بهمن و اسفند 1397
صفحه 191-206

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار