نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استاد گروه ژئومورفولوژی، دانشکده جغرافیا و برنامه ریزی، دانشگاه تبریز

2 دانشجوی دکتری، گروه ژئومورفولوژی، دانشکده برنامه ریزی و علوم محیطی، دانشگاه تبریز

10.22034/gp.2020.40775.2656

چکیده

برای شبیه سازی رواناب و رسوب در حوضه های آبریز از مدل های مختلفی می توان استفاده کرد که هر یک برای شرایطی خاصی ارایه شده است. در این پژوهش، بیلان آبی و رسوب حوضه آبریز شهرچای با استفاده از مدل SWAT شبیه سازی شد. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT از روش SUFI-2 استفاده گردید. نتایج حاصل با استفاده از چهار معیار ارزیابی مدل ها شامل معیار نش ساتکلیف، ضریب تبیین، نسبت باقیمانده میانگین مربعات خطا به انحراف از معیار داده های مشاهداتی و دو فاکتور p-factor و r-factor مقایسه شدند. نتایج نشان داد که روش SUFI-2 دارای الگوریتم موترتری برای واسنجی و اعتبار سنجی مدل در این حوضه می باشد همچنین مقادیر بدست آمده از مدل برای رواناب و رسوب در این حوضه در حد قابل قبول می باشد. ولی این مدل رواناب را بهتر از رسوب در این حوضه شبیه سازی می کند از مهمترین علل ضعف مدل در شبیه سازی می توان به به تعداد کم داده ها، غیر قابل اعتماد بودن داده ها، شبیه سازی ضعیف جریان، عدم پیوستگی اطلاعات و نبود یا کمبود داده های کامل روزانه رسوب اشاره نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Calibration and validation the SWAT model in the simulation of runoff and sediment in Shahr Chai of Miyaneh

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hossein Rezaei Moghaddam 1
  • Davod Mokhtari 1
  • Majid shafieimehr 2

1 Professor Department of geomorphology, Faculty of geography and Planning, University of Tabriz

2 PhD student, Department of geomorphology, Faculty of planning and Environmental Sciences, University of Tabriz

چکیده [English]

Introduction
Proper management of catchments is one of the most important ways to make optimal use of water and soil resources. In our country, most of the catchments, especially the mountainous catchments, do not have enough hydrometric and sedimentation stations. This fact makes any development and management plans difficult. Hydrologists and water resources researchers have come up with various solutions but none of them have been completely successful (Roustamiyan et al., 1999; 588 & Shaygan et al., 2011; 2). On the other hand, the limited methods of measurement in hydrology and the need to have a method to generalize the available statistics to areas without statistics or places where measurement is not possible. Also, simulating future hydrological changes is one of the main reasons for hydrological simulation (Beven & Binley, 2001; 46). The ability of the SWAT model to simulate the complex hydrological processes of watersheds in the GIS environment distinguishes this model from integrated models in which larger user units are the basis of operation. 
Data and Method
The study area is part of the Qizil Üzan River. Shahar Chai basin along with other rivers such as Zanjan Chai, Aydughmush, and Qaranquchay is one of the sub-branches of Qizil Üzan that flows northwest and north of the basin and joins near the Myaneh city. The data used in this study include a digital elevation model of 1: 10000 of mapping organization, land use, soil, precipitation, minimum and maximum temperature, wind speed, solar radiation, relative daily humidity of synoptic stations, Sarab, Heris, Bostan Abad, Charoymaq and Runoff and the sediment of Shahar Chai station. In the watershed of Shahar Chai, a soil map prepared by natural resources of East Azerbaijan province has been used. Based on these maps, 21 soil texture classes can be distinguished in the whole basin. Also, based on the land use map, six land use classes in the area were identified.
Results and Discussion
After parameterization and data entry, the simulation was performed for 20 years from January 1, 2000, to December 31, 2019, based on a monthly time step. To determine the degree of sensitivity of flow parameters in the SWAT model, sensitivity analysis was performed using the SUFI-2 method for 25 selected runoff parameters and 15 selected sedimentation parameters. Using validation results to remove parameters that are less sensitive from the calibration process, it is decided that finally the parameters with lower sensitivity were removed and 13 parameters for runoff and 7 parameters for sediment were selected that were more sensitive. The calibration model for runoff and sediment was done in one step with 1500 simulations in three replications. The calibration process ends when, based on the objective function, the coefficients required for evaluation are acceptable. According to the obtained results, all the evaluation criteria of the model in the simulation of runoff and sediment are allowed.
Conclusion
Examination of the results of the SUFI-2 method in the Shahar Chai basin showed that, based on the evaluation criteria of the coefficients of determination and Nash-Sutcliffe, both in the calibration and validation stages, it has good results in this basin. But they can't predict peak discharge and sediments well. To better determine the performance of the model, first of all, it is recommended that the statistics of stations and numerous and daily runoff and sedimentation measurements should be used instead of monthly, if any, in a basin, to compare their results. Secondly, to achieve the desired results, this model should be used in comparison with other simulation models in this basin and adjacent basins.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shahr chai
  • SUFI-2 method
  • Calibration
  • SWAT model
-         اخوان، سمیرا، عابدی کوپایی، جهانگیر، موسوی، سید فرهاد، عباس پور، کریم، افیونی، مجید و اسلامیان، سید سعید، 1390؛ تخمین «آب آبی» و «آب سبز» با استفاده از مدل SWAT در حوضه آبریز همدان- بهار، نشریه علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب‌وخاک، سال چهاردهم، شماره 53، صص 23-9.
-         اسمعلی، اباذر و عبدالهی، خدایار، 1390؛ آبخیزداری و حفاظت خاک، چاپ دوم، اردبیل، انتشارات دانشگاه محقق اردبیلی.
-         انصاری، محمدرضا، گرجی، منوچهر، صیاد، غلام عباس، شرفا، مهدی و حمادی کاظم؛ 1393. شبیه سازی رواناب حوضه آبخیز رود زرد با استفاده از مدل SWAT. نشریه علوم و مهندسی آبیاری، جلد 38، شماره 4، صص 107-97.
-         خورشید دوست، علی محمد، اسفندیاری درآباد، فریبا، حسینی، سید اسعد و دولتخواه، پروانه، 1397؛ برآورد میزان رسوب حوضه رود ارس با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی (مطالعه موردی: زیر حوضه دره رود)، نشریه علمی پژوهشی جغرافیا و برنامه ریزی، سال 22، شماره 65، صص 22-1.
-         رحمتی، حسین، امامقلی زاده، صمد و انصاری، حسین، 1396؛ برآورد رواناب حوضه بار اریه با استفاده از مدل های WetSpa و شبکه عصبی مصنوعی، نشریه علمی - پژوهشی جغرافیا و برنامه ریزی، سال 21، شماره 62، صص 137-117.
-         دولت آبادی، سپیده و سید محمد علی زمردیان، 1392؛ شبیه سازی هیدرولوژیکی حوضه فیروزآباد با استفاده از مدل SWAT، فصلنامه مهندسی آبیاری و آب، سال چهارم، شماره چهاردهم، صص 48-38.
-         رستمیان، رخساره، موسوی، سید فرهاد، حیدرپور، منوچهر، افیونی، مجید و عباسپور، کریم، 1387؛ کاربرد مدل SWAT 2000 در تخمین رواناب و رسوب حوضه بهشت آباد از زیر حوضه های کارون شمالی، علوم فنون کشاورزی و منابع طبیعی، سال دوازدهم، شماره چهل و ششم، صص 532-517.
-         رضایی مقدم، محمد حسین، حجازی، میر اسدالله، بهبودی، عبداله، 1399؛ برآورد میزان رواناب حوضه آبریز لنبران چای استان آذربایجان شرقی: کاربرد مقایسه ای روش های واسنجی و تحلیل عدم قطعیت مدل SWAT، جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره سی و یک، صص 75-59.
-         شفیعی مطلق، خسرو، پر همت، جهانگیر؛ صدقی، حسین و حسینی، مجید؛ 1397. بررسی تغییر کاربری بر رواناب رودخانه مارون در ایستگاه ایدنک با استفاده از داده های سنجش از دور و مدل SWAT؛ حفاظت منابع آّب و خاک، سال هفتم، شماره سوم، صص 87-71.
-         شایگان، مهران، علیمحمدی، عباس و روحانی، حامد، 1390؛ مدل سازی هیدرولوزیک حوضه طالقان در محیط GIS با استفاده از مدل SWAT، نشریه سنجش از دور و GIS ایران، سال سوم، شماره دوم، صص 18-1.
-         غلامی، عباس؛ شاهدی، کاکا؛ حبیب نژاد روشن، محمود؛ وفاخواه، مهدی و سلیمانی، کریم؛ 1396. ارزیابی کارایی مدل نیمه توزیعی SWAT در شبیه سازی جریان رودخانه ای (مطالعه موردی: حوضه آبخیز تالار استان مازندران)؛ نشریه تحقیقات آب و خاک ایران، دوره 48، شماره 3، صص 476-463.
-         صادقی، سید حمید رضا و یثربی، بنفشه، 1378؛ حفاظت خاک و آب در آبخیز های جنگلی، انتشارات دانشگاه تهران، 107 ص.
-         قضاوی، رضا، ندیمی، میثم، امیدوار، ابراهیم و ایمانی، رسول، 1397؛ بررسی تاثیر تغییرات اقلیمی آینده بر تغییرات دبی رودخانه هروچای اردبیل با استفاده از مدل های SWAT و LARS-WG، نشریه هیدروژئومورفولوژی، شماره 15، صص 74-55.
-         کرمی، فریبا و بیاتی خطیبی مریم؛ 1398. مدل سازی فرسایش خاک و اولویت بندی تولید رسوب در حوضه ی سد ستارخان اهر با استفاده از مدل های MUSLE و SWAT. نشریه هیدروژئومورفولوژی، شماره ی 18، سال 5، صص 137-115.
-         کاویان، عطاالله، گلشن، روحانی، حامد، اسمعلی عوری‌, & اباذر. (2015). شبیه‌سازی رواناب و بار رسوب حوزه آبخیز رودخانه هراز مازندران با بهره‌گیری از الگوی SWAT. پژوهش­های جغرافیای طبیعی، دوره 47، شماره 2, 197-211.‎
-         مرادی، ایوب، نجفی نژاد، علی، اونق، مجید و چوقی بایرام، کمکی، 1395؛ بررسی اثر انواع مدل های رقومی ارتفاعی در برآورد دبی و بار معلق با استفاده از مدل SWAT، مطالعه موردی: آبخیز گالیکش استان گلستان، نشریه علمی پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، جلد 11، شماره 1، صص 75-62.
-         ناصر آبادی، فواد؛ اسمعلی عوری، اباذر؛ اکبری، حسین و رستمیان، رخساره، 1395؛ شبیه سازی جریان رودخانه با استفاده از مدل SWAT (مطالعه موردی: رودخانه قره سو اردبیل). نشریه پژوهشنامه مدیریت حوضه آبخیز، سال هفتم، شماره 13، صص 59-50.
-         ولی نژاد، فاطمه، خلیل قربانی، مهدی ذاکری نیا،  امیراحمد دهقانی و بهنام آبابایی ، 1392؛ ارزیابی عملکرد مدل SWAT در بر آورد رطوبت خاک (مطالعه موردی حوضه آبریز نومل )، نشریه آب و توسعه پایدار، سال اول، شماره 1، صص 64-57.
-        Abbaspour, K. C. J. Yang, I. Maximov, R. Siber, K. Bogner, J. Mieleitner, J. Zobrist, and R. Srinivasan. 2007. Modeling hydrology and water quality in the pre-alpine/alpine Thur watershed using SWAT. J. Hydrol. 333: 413-430.
-        Arnold, J. G. Srinivasan, R. Muttiah, R. S. & Williams, J. R. (1998). Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development 1. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 34(1), 73-89.
-        Arnell, N. W. (1999). A simple water balance model for the simulation of streamflow over a large geographic domain. Journal of Hydrology, 217(3-4), 314-335.
-        Ayele, G.T. Teshale, E.Z. Yu, B. Rutherfurd, I.D. Jeong, J. (2017). Streamflow and Sediment Yield Prediction for Watershed Prioritization in the Upper Blue Nile River Basin, Ethiopia: Water, 9(782), 1-29.soc. 34 (1): 73-89.
-        Beven, K. and A. Binley. 1992. The future of distributed models: Model calibration and uncertainty prediction. Hydrol Proc. 6: 279-298.
-        Cao, Y. Zhang, J. Yang, M. Lei, X. Guo, B. Yang, L. ... & Qu, J. (2018). Application of SWAT model with CMADS data to estimate hydrological elements and parameter uncertainty based on SUFI-2 Algorithm in the Lijiang river basin, China. Water, 10(6), 742.
-        Chu, T. W. and A. Shirmohammadi. 2004. Evaluation of the SWAT model’s hydrology component in the piedmont physiographic region of Maryland. Trans. ASAE. 47(4): 1057-1073.
-        Eagleson, P. S. (1986). The emergence of global‐scale hydrology. Water Resources Research, 22(9S), 6S-14S.
-        Himanshu, S. K. Pandey, A. & Shrestha, P. (2017). Application of SWAT in an Indian river basin for modeling runoff, sediment and water balance. Environmental Earth Sciences, 76(1), 3.
-        Liu, X. Yang, M. Meng, X. Wen, F. & Sun, G. (2019). Assessing the Impact of Reservoir Parameters on Runoff in the Yalong River Basin using the SWAT Model. Water, 11(4), 643
-        Moriasi, D.N. Arnold, J.G. Van Liew, M.W. Bingner, R.L. Harmel, R.D. Veith, T.L. (2007), Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations: ASABE, 50, 885–900.
-        Qingyun Li, Xinxiao Yu, Zhongbao Xin, Yanwei Sun 2013. Modeling the Effects of Climate Change and Human Activities on the Hydrological Processes in a Semiarid Watershed of Loess Plateau. Journal of Hydrology Engineering, 18(4): 401-412.
-        Setegn, S. G. Dargahi, B. Srinivasan, R. and Melesse, A. M. 2010. Modeling of Sediment Yield from Anjeni-Gauged Watershed, Ethiopia Using SWAT Model, JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 46(3), 514–526.
-        Tolson, B. A. and B. Shoemaker. 2004. Watershed modelling of the Cannonsville basin using SWAT 2000: model development, calibration and validation for the prediction of flow, sediment and phosphorus transport to Cannonsville reservoir. Technical report, School of civil and environmental engineering, Cornell University, Ithaca, New York.
-        Yang Q. F. R. Meng, Z. Zhao, T. L. Chow, G. Benoy, H. W. Rees, and C. P. A. Bourque. 2009. Assessing the impacts of flow diversion terraces on stream water and sediment yields at a watershed level using SWAT model. Agr. Ecosyst. Environ. 132: 23-31.
-        Yapo, P. O. Gupta, H. V. & Sorooshian, S. (1996). Automatic calibration of conceptual rainfall-runoff models: sensitivity to calibration data. Journal of Hydrology, 181(1-4), 23-48.