مدیریت آب در مراکش در هر دو سطح کیفی و کمی با چالش‌های قابل توجهی مواجه است که برای رفع این چالش‌ها و تضمین مدیریت منطقی و کارآمد منابع آب، باید سعی کرد تا مسائل مختلف مربوط به چرخه آب را درک کرد! تعداد زیادی از مطالعات هیدرولوژیکی و تکنیک‌های مورد استفاده در حوزه آبخیز سبو به کیفیت آب و استفاده از مدلهای تجربی ساده‌تر محدود می‌شود که اجازه در نظر گرفتن تمام عوامل مؤثر بر جریان و چرخه آب را نمی‌دهد. با هدف استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT برای بررسی عملکرد هیدرولوژیکی حوزه آبخیز سبو (مراکش) که مانند سایر حوضه های آبخیز کشورمان از نظر مدیریت منابع آبی خود با مشکلات زیادی مواجه است، این مطالعه بر ایجاد سازماندهی و تولید داده های ورودی (خاک، اشغال خاک، اقلیم…) با استفاده از GIS (ARCGIS) سپس پیکربندی و کالیبراسیون مدل و پس از آن، ارزیابی نتایج. دلیل اصلی این کار اندازه گیری سازگاری این مدل با منطقه انتخابی به منظور تعمیم مدل به کل حوزه آبخیز سبو است. نتایج رضایت بخش است. آنها نشان می دهند که این مدل می تواند رژیم کلی هیدرولوژیکی حوضه پایلوت باب-مرزوکا را نشان دهد. این مدل می‌تواند دیدگاه‌های جدیدی را در رابطه با تأثیرات تغییر اقلیم و تغییرات ناشی از انسان بر منابع آب از نظر کمی و کیفی باز کند. دلیل اصلی این کار اندازه گیری سازگاری این مدل با منطقه انتخابی به منظور تعمیم مدل به کل حوزه آبخیز سبو است. نتایج رضایت بخش است. آنها نشان می دهند که این مدل می تواند رژیم کلی هیدرولوژیکی حوضه پایلوت باب-مرزوکا را نشان دهد. این مدل می‌تواند دیدگاه‌های جدیدی را در رابطه با تأثیرات تغییر اقلیم و تغییرات ناشی از انسان بر منابع آب از نظر کمی و کیفی باز کند. دلیل اصلی این کار اندازه گیری سازگاری این مدل با منطقه انتخابی به منظور تعمیم مدل به کل حوزه آبخیز سبو است. نتایج رضایت بخش است. آنها نشان می دهند که این مدل می تواند رژیم کلی هیدرولوژیکی حوضه پایلوت باب-مرزوکا را نشان دهد. این مدل می‌تواند دیدگاه‌های جدیدی را در رابطه با تأثیرات تغییر اقلیم و تغییرات ناشی از انسان بر منابع آب از نظر کمی و کیفی باز کند.
کلید واژه ها
عملکرد هیدرولوژیکی ، SWAT ، GIS ، Sebou (مراکش)
1. مقدمه
حوضه سبو بزرگترین مازاد منابع آبی است. این نشان دهنده 28 درصد از آب های سطحی بالقوه ملی و 20 درصد از پتانسیل آب های زیرزمینی است، با تراکم جمعیت بالا (19 درصد از جمعیت ملی) [ 1 ].
بنابراین، برای مطالعه رفتار هیدرولوژیکی و مبارزه با آلودگی منابع آبی در حوضه، شناخت و کمیت این منابع مهم است، اما مهمتر از همه، کمک به مدیران و تصمیم گیران در اتخاذ تکنیک های مناسب آمایش سرزمین است. استفاده از یک مدل برای شبیه سازی آبراه ها یک ابزار تصمیم گیری اصلی خواهد بود [ 2 ].
در ادبیات، مدلهای هیدرولوژیکی حوضه‌های آبخیز زیادی وجود دارد که هر کدام با ویژگی‌ها و دامنه‌ی خود، مطالعات متعددی در حوضه آبریز Sebou در طول سال‌ها توسعه یافته است، اما همه بر مدلهای تجربی ساده‌ای تمرکز می‌کنند که طیفی از عوامل مؤثر بر آن را در نظر نمی‌گیرند. جریان و چرخه آب [ 3 ].
این مولفه را می توان تنها با استفاده از مدل های هیدرولوژیکی با مولفه فضایی تجزیه و تحلیل کرد [ 4 ].
این کار به مدلسازی هیدرولوژیکی همان حوضه با استفاده از مدل SWAT (ابزار ارزیابی خاک و آب) توسعه یافته توسط وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA) می پردازد که یک مدل مفهومی، قطعی و نیمه فضایی است که در نظر گرفته شده است. چندین پارامتر (نوع خاک، کاربری زمین، توپوگرافی…).
مدلسازی هیدرولوژیکی مبتنی بر فیزیکی نیمه توزیع‌شده برای تحلیل اثرات تغییرپذیری بارندگی بر ذخایر و جریان‌های آب در بخش‌های مختلف چرخه آب در مقیاس حوضه استفاده می‌شود. همچنین وزن و تنوع مکانی عوامل دیگر مانند پوشش گیاهی یا خاک را در نظر می گیرد.
مدل هیدرولوژیکی SWAT در حال حاضر در سه منطقه در مراکش آزمایش شده است (Bouregreg [ 3 ]، Oum ErRbiaa [ 5 ]، Rhéraya [ 6 ])، در این کار، ما سعی می‌کنیم این مدل را در حوزه آبخیز Sebou اعمال کنیم.
استفاده از مدلی مانند SWAT به داده های مکانی-زمانی بسیار بزرگی از انواع و منابع مختلف نیاز دارد که استفاده از این مدل ها را دشوار می کند [ 3 ]، و به ویژه در مناطقی که سطح بیش از صدها کیلومتر مربع است، مورد حوضه آزمایشی است. باب مرزوکا که مساحتی در حدود 1370 کیلومتر مربع دارد.
هدف اصلی این مطالعه آزمایش ظرفیت و عملکرد مدل هیدرولوژیکی پراکنده مبتنی بر فیزیکی، برای نشان دادن رفتار هیدرولوژیکی و درک جریان در حوضه باب-مزروکا برای تعمیم در سراسر حوضه آبخیز سبو است.
بخش اول به ارائه روش شناسی کار ما و توصیف منطقه مورد مطالعه، مدل مورد استفاده و داده های مورد استفاده در تهیه پایگاه داده ما اختصاص دارد. بخش دوم دامنه نتایج به‌دست‌آمده در مرحله کالیبراسیون/ اعتبارسنجی را مورد بحث قرار می‌دهد و امکان کار با مدل (SWAT) برای حل مشکلات مدیریت منابع آب در حوزه آبخیز سبو را تایید می‌کند.
2. مواد و روش
2.1. ارائه منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه حوضه فرعی باب-مرزوکا در بالادست حوضه آبخیز سبو با مساحت 1370 کیلومتر مربع و ارتفاعات بین 359 متر و 1777 متر را پوشش می دهد. آب و هوای سبوی میانی از نوع مدیترانه ای با میانگین دمایی بین 11 درجه سانتیگراد در زمستان و 28 درجه سانتیگراد در تابستان است. میزان بارندگی سالانه 560 میلی متر است که به طور قابل توجهی بالاتر از میانگین کشوری (300 میلی متر) است. این منطقه بادهای غالب شمال شرق و شمال غرب را می شناسد.
2.2. ارائه SWAT
SWAT در یک مرحله زمانی روزانه عمل می‌کند و برای پیش‌بینی تأثیر کاربری و مدیریت زمین بر روی آب، رسوبات و بازده شیمیایی کشاورزی در حوزه‌های آبخیز اندازه‌گیری نشده طراحی شده است. این مدل مبتنی بر فرآیند، از نظر محاسباتی کارآمد و قادر به شبیه‌سازی مداوم در دوره‌های طولانی است. اجزای اصلی مدل شامل آب و هوا، هیدرولوژی، دما و خواص خاک، رشد گیاه، مواد مغذی، آفت‌کش‌ها، باکتری‌ها و پاتوژن‌ها و مدیریت زمین است. در SWAT، یک حوضه به چندین زیرحوضه تقسیم می‌شود که سپس به واحدهای پاسخ هیدرولوژیکی (HRUs) که شامل کاربری زمین، مدیریت، توپوگرافی و ویژگی‌های خاک همگن هستند، تقسیم می‌شوند. HRUها به عنوان درصدی از مساحت زیرحوضه نشان داده می شوند و ممکن است در یک شبیه سازی SWAT به هم پیوسته یا از نظر فضایی شناسایی نشوند. متناوبا، از سوی دیگر،7 ] .
2.3. جمع آوری و آماده سازی داده ها
استفاده از یک مدل بسیار پارامتری به عنوان SWAT نیاز به آماده سازی اولیه یک پایگاه داده بسیار بزرگ و چند رشته ای دارد. این داده‌ها برای استفاده از این مدل ضروری هستند، بنابراین استفاده از این مدل در کشورهای در حال توسعه یا کشورهایی که پایگاه‌های اطلاعاتی ساختارمندی ندارند کمی دشوار است.
• تسکین
نمایش زمین حوضه آبریز سبو و استخراج پارامترهای مورفولوژیکی مختلف (سطح، مرز حوضه، شبکه رودخانه…) مستلزم استفاده از مدل های رقومی زمین و نقشه های توپوگرافی است که در این پروژه از مدل رقومی زمین استفاده شده است. GDEM-ASTER با وضوح فضایی 30 متر.
• کاربری زمین
نقشه کاربری زمین از نقشه پوشش جهانی استخراج شده است، که یک طرح ESA است که در سال 2005 با مشارکت JRC، EEA، FAO، UNEP، IGBP و GOFC-GOLD آغاز شد.
هدف این پروژه توسعه سرویسی بود که بتواند نقشه های مرکب، جهانی و استفاده از کیس ورودی 300 متری MERIS را روی ماهواره ENVISAT ارائه دهد. ESA نقشه هایی از پوشش زمین ارائه می دهد که شامل دو دوره می شود: دسامبر 2004 تا ژوئن 2006 و از ژانویه تا دسامبر 2009، نسخه مورد استفاده در این پروژه است.
• نوع خاک
نقشه خاک اساساً از پایگاه داده هماهنگ شده جهانی خاک (HWSD v1.1) که توسط سازمان غذا و کشاورزی سازمان ملل متحد (FAO-UN) تهیه شده است، بدست آمده است [ 8 ]. این پایگاه داده برای 16000 واحد نقشه حاوی دو لایه مختلف خاک (0 – 30 سانتی متر و 30 – 100 سانتی متر عمق) ارائه می دهد.
• داده های آب و هوایی
تمام داده های مورد استفاده در این پروژه توسط DRWP (اداره تحقیقات و برنامه ریزی آب)، با یک گام زمانی روزانه از سپتامبر 2000 تا اوت 2011 توسعه یافته است.
حوضه آبخیز سبو دارای 49 ایستگاه برای اندازه گیری بارندگی و منطقه مورد مطالعه (حوضه پایلوت باب-مرزوقه) دارای دو ایستگاه با یک ایستگاه برای اندازه گیری دما می باشد. سه ایستگاه برای اندازه گیری جریان (بنی هیتم، باب چحوب و باب مرزوکا) در منطقه مورد مطالعه قرار دارند. در پروژه ما، کالیبراسیون در ایستگاه Bab-Mezouka است، نقشه A ( شکل 1 ) می تواند ایده ای در مورد موقعیت ایستگاه های اندازه گیری مختلف ارائه دهد.
جدول 1 زیر اطلاعات ایستگاه های هواشناسی در حوضه رودخانه سبو و منطقه مورد مطالعه را خلاصه می کند.
• سایر پارامترهای اقلیمی
تابش خورشیدی روزانه، میانگین رطوبت نسبی روزانه و سرعت متوسط روزانه باد از NCARCFSR (تجزیه و تحلیل مجدد سیستم پیش بینی آب و هوا) دانلود می شود، این پارامترها به ما کمک می کنند تا به یک سیستم تولید داده های هواشناسی WGN (داده های تولید کننده آب و هوا) دست یابیم.
آماده سازی داده ها
• نقشه های پروژه با استفاده از SIG (Arcgis) تکمیل و پردازش می شوند، همه لایه ها دارای مختصات و سیستم های طرح ریزی یکسان هستند.
• آرایه های ورودی برای SWAT با استفاده از برنامه Open Office (داده های بارش، دما، جدول اتصال خاک و نقشه استفاده) ایجاد می شوند.
• متغیرهای آماری سامانه تولید داده های هواشناسی (داده های مولد آب و هوا) با استفاده از Excel، pcpstat و شبنم 02 محاسبه شده است.
2.4. مدلسازی تعادل آب
مدلسازی بیلان آب در هر مدل هیدرولوژیکی این حق را دارد که با پیروی از یک روش دقیق در پایان کار نتایج حاصل شود، مراحل انجام شده در هنگام استفاده از مدل SWAT در شکل 2 خلاصه شده است.
جفت شدن مدل SWAT با سایر SIG (Arcgis) کار مدل ساز را تسهیل می کند، زیرا امکان استفاده از رابط arcgis را برای پردازش و مدیریت تمام نقشه ها و داده های لازم فراهم می کند.
• مرحله اول مدل سازی بر روی SWAT بر اساس MNT و نقطه خروجی برای ترسیم حوضه و زیرحوضه های آن است.
مرحله دوم ادغام کاربری زمین و نوع خاک با جداول همبستگی بین انواع مختلف خاک و اشغال آن و پایگاه داده SWAT برای تعریف کل حوضه HRU ما است.
• داده های اقلیمی مورد استفاده در این پروژه میزان بارندگی و دما با حداقل و حداکثر زمان روزانه می باشد.
• جریان ها با زمان ماهانه شبیه سازی می شوند، زیرا مجموعه داده های یکپارچه بسیار گسترده است، در یک دوره 10 ساله گسترش می یابد.
(الف) (ب)
(ج) (د)
شکل 1 . ورودی داده های مکانی و آب و هوای پایه (الف) موقعیت ایستگاه های هواشناسی؛ (ب) نقشه خاک؛ (ج) مدل رقومی ارتفاع (DEM). د) نقشه کاربری اراضی.
جدول 1 . ایستگاه های هواشناسی در حوضه رودخانه سبو و منطقه مورد مطالعه.
• خواندن نتایج و محاسبه ضریب ارزیابی بر روی یک برنامه ساده تجزیه و تحلیل داده ها، Excel انجام می شود.
• تجزیه و تحلیل حساسیت می تواند تعداد پارامترهای آزمایش شده برای استفاده موثر از مدل را کاهش دهد [ 9 ].
تجزیه و تحلیل حساسیت و کالیبراسیون مدل با استفاده از برنامه SWAT-CUP انجام می شود.
2.5. روش کالیبراسیون/ اعتبارسنجی
روش کالیبراسیون – اعتبارسنجی مستلزم انتخاب یک دوره کالیبراسیون و یک یا چند دوره اعتبار سنجی است.
– دوره کالیبراسیون پنج سال طول می کشد، از 2004 تا 2008. کالیبراسیون شامل تنظیم پارامترهای مدل برای به حداقل رساندن تفاوت بین نرخ جریان مشاهده شده و شبیه سازی شده است. برای انجام این کار، ما
شکل 2 . اجرای شماتیک SWAT.
غالب ترین پارامترها را برای به دست آوردن شبیه سازی دقیق هم در سطح هیدرولوژیکی از نظر فیزیکی و هم از نظر فیزیکی تغییر دهید.
– دوره اعتبارسنجی اجازه می دهد تا با استفاده از یک یا چند دوره که شرایط آب و هوایی متفاوت از دوره کالیبراسیون است، ارزیابی شود که آیا مدل به درستی قرار گرفته است یا خیر. در واقع، یک مدل هیدرولوژیکی قوی قادر است فرآیندهای جریان را در هر شرایط آب و هوایی ارائه دهد. در مطالعه ما، اعتبارسنجی تک معیاری است: از همان نوع متغیرها و معیارها برای کالیبراسیون و اعتبار سنجی استفاده می شود. نتایج کالیبراسیون بر روی یک متغیر منفرد [ 10 ] اعتبار می‌یابد، در اینجا جریان به این دلیل است که متداول‌ترین متغیری است که اندازه‌گیری می‌شود و تمام فرآیندهای درگیر در یک حوضه آبریز را ادغام می‌کند [ 11 ].
– دوره اعتبار سنجی انتخاب شده 2 سال طول می کشد، از 2008 تا 2010.
– سال اول (2003) به عنوان گرم کردن برای به حداقل رساندن اثرات شرایط اولیه نامعلوم، اما به ویژه برای مقداردهی اولیه ذخایر (ذخایر خاک، آب های زیرزمینی و غیره) مورد استفاده قرار گرفت و از تجزیه و تحلیل حذف شد. کالیبراسیون هنرهای جنگلی در آنجا از سال 2004 ( شکل 3 ).
2.6. ارزیابی عملکرد مدل
کفایت منحنی‌های دبی‌های مشاهده‌شده و دبی‌های شبیه‌سازی‌شده با معیار Nash-Sutcliffe ارزیابی شد. با استفاده از فرمول [ 12 ] محاسبه می شود:
با:
NS = ضریب Nash-Sutcliffe
Qot = دبی مشاهده شده در زمان t
Qst = تخلیه شبیه سازی شده در زمان t
قموی = متوسط ترشحات مشاهده شده
به گفته موریاسی [ 13 ]، می توان عملکرد مدل را بر اساس معیارهای آماری مانند NSE ارزیابی کرد. جدول 2 نمای کلی از آنچه را که می توان در هنگام ارزیابی مدل به دست آورد، ارائه می دهد.
3. نتایج و بحث
برای کاهش تعداد تکرارها و زمان کالیبراسیون، یک تحلیل حساسیت بر روی تمام پارامترهای مدل SWAT انجام شد که از 31 پارامتر در نظر گرفته شده، 7 پارامتر تأثیرگذار بودند.
هفت پارامتر تاثیرگذار اول مربوط به رواناب سطحی (CN2)، کف (SOL-AWC) و ضریب جبران تبخیر خاک ESCO است. این تنظیمات عمدتاً بر بخشی از جریان مؤثر در رواناب سطحی تأثیر می گذارد و نشان می دهد که حتی پس از تنظیم رواناب سطحی قبل از کالیبراسیون. هنوز هم می تواند به طور قابل توجهی در طول توقف نوسان داشته باشد. اکثر پارامترهای مربوط به جریان آب زیرزمینی (ALPHA_BF، GW_DELAY، GW-REVAP) پس از آن می آیند، که اهمیت کالیبراسیون رواناب سطحی را بیشتر تایید می کند.
پارامترهای فیزیکی کانال ها (شیب، هدایت هیدرولیکی و ضریب مانینگ) نباید باشد.
شکل 3 . دوره راه اندازی، کالیبراسیون و اعتبارسنجی.
جدول 2 . معیارهای ارزیابی عملکرد SWAT [ 13 ].
بیش از حد به نظر می رسد زیرا آنها رواناب سطحی را نیز کنترل می کنند. تنظیم انتخاب شده (CH-k2) نفوذپذیری بانک های کانال های اصلی است.
جدول 3 پارامترهایی را که انتخاب کرده ایم همراه با معانی و مقادیر آنها پس از کالیبراسیون و روش ریاضی مورد استفاده را نشان می دهد.
شکل 4 و شکل 5 که مقایسه دبی های شبیه سازی شده توسط SWAT را با دبی های مشاهده شده در دوره های یدک کش (کالیبراسیون و اعتبارسنجی) نشان می دهد، نشان می دهد که این مدل با در نظر گرفتن تقریب های مختلف، دبی ها را در دوره های مورد مطالعه به صورت جهانی نشان می دهد. به دلیل در دسترس نبودن داده‌های مکانی دقیق‌تر و مکانی مانند خاک‌شناسی، باران، دما و تبخیر و تعرق بخشی از این کار محسوب می‌شود.
برای ارزیابی عملکرد مدل ها، ضریب نش-سوتکلیف [ 11 ] به عنوان معیاری برای تعیین کمیت دقت شبیه سازی ها استفاده می شود ( جدول 4 ).
با توجه به نتایج مدلسازی، می‌توان نتیجه‌گیری برای این مطالعه داشت، یعنی مدل SWAT دبی‌های اندازه‌گیری‌شده روی باب مرزوکا برای سال‌های 2004-2008 و همچنین دبی‌های اندازه‌گیری‌شده برای سال‌های 2008-2010، ضرایب آماری را به طور رضایت‌بخشی بازتولید می‌کند. -Sutcliffe) شاهد برازش مدل های مناسب برای دوره کالیبراسیون و اعتبار سنجی در Bab-Merzouka (0.63 در کالیبراسیون و 0.74 در اعتبارسنجی) است.
ما باید تمام مشکلات مربوط به ایجاد پایگاه داده را در نظر بگیریم، زیرا به دست آوردن یک عملکرد شبیه سازی خوب در درجه اول مشروط به داده های با کیفیت خوب است که امکان کاهش منابع عدم قطعیت را فراهم می کند.
کاهش عملکرد مدل در بخش کالیبراسیون را می‌توان با آب و هوای خشکی که منطقه در سال‌های 2005-2007 می‌شناخت، توضیح داد، که دلالت بر دبی‌های بسیار کم دارد که بنابراین برای محاسبه ضریب Nash-Sutcliffe حساس‌تر هستند [ 3 ].
4. نتیجه گیری
در چارچوب این مطالعه، آزمایش مدل هیدرولوژیکی (SWAT) بر روی یک منطقه پایلوت (حوضه باب مزروکا) حوضه سبو برای تصمیم‌گیری درباره امکان تعمیم در کل حوضه است.
جدول 3 . پارامترهای مورد استفاده برای کالیبراسیون با مقادیر بهینه.
شکل 4 . نمودار جریان مقایسه جریان مشاهده شده و شبیه سازی شده برای کالیبراسیون (2004-2008).
شکل 5 . نمودار جریان مقایسه جریان مشاهده شده و شبیه سازی شده برای اعتبارسنجی (2008-2010).
جدول 4 . نتیجه ضریب نش برای دوره کالیبراسیون و اعتبارسنجی.
پیاده‌سازی این مدل هیدرولوژیکی کار خسته‌کننده‌ای است، زیرا مستلزم مجموعه‌ای از پایگاه داده مکانی-زمانی چند منبعی و چند رشته‌ای است. این مشاهدات زمانی نگران‌کننده‌تر می‌شود که نوبت به مدلسازی مداوم روزانه می‌شود که به مجموعه‌ای از داده‌ها در طول چندین سال نیاز دارد و منطقه‌ای به وسعت هزاران کیلومتر مربع را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
بنابراین موضوع تهیه و پردازش مجموعه ای از داده ها در ابزارهای مناسب و جفت شده با GIS ArcGIS برای استنباط نمودار حاصل از مدل و مقایسه آن با نمودار مشاهده است.
نتایج به‌دست‌آمده برای دو دوره (کالیبراسیون و اعتبارسنجی) نشان می‌دهد که این مدل به طور موفقیت‌آمیز و به طور کلی، دبی‌ها را در دوره‌های مورد مطالعه با در نظر گرفتن مشکلات مختلف نشان می‌دهد.
با این وجود، شبیه سازی را می توان با ترکیب داده های اضافی، آب و هوا، خاک و غیره بهبود بخشید.
استفاده از این مدل همچنین چشم اندازهای جدیدی را در مورد مطالعه اثرات تغییر اقلیم و تغییرات ناشی از فعالیت های انسانی بر منابع آب، از نظر کمی و کیفی، باز می کند.
بدون دیدگاه