مدلسازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز Aguibat Ezziar (مراکش)، مطالعه تطبیقی ​​دو مدل مختلف هیدرولوژیکی

این مطالعه با هدف مقایسه عملکرد دو مدل هیدرولوژیکی مفهومی (HEC-HMS) و فضایی (ATHYS) در حوزه آبخیز Aguibat Ezziar انجام شده است. تجزیه و تحلیل مقایسه ای بر اساس عملکرد شبیه سازی بر حسب نش-ساتکلیف و RSR است. این مطالعه مستلزم جمع‌آوری مجموعه‌ای از داده‌ها به عنوان مدل‌های ورودی، یعنی داده‌های بارندگی، کمیت آب، اشغال خاک، DTM است و همچنین به کالیبراسیون برای ارزیابی این مدل‌ها در مرحله اعتبارسنجی نیاز دارد. نتایج شبیه‌سازی از مرحله اعتبارسنجی با هدف تکرار عملیات حوضه آبخیز Aguibat Ezziar و ارائه یک چشم‌انداز تنظیم مناسب از هیدروگراف مشاهده شده به دست آمد.

کلید واژه ها

مدلسازی فضایی ، مدل پراکنده ، مدل مفهومی ، هیدرولوژی ، ATHYS ، HEC-HMS

1. مقدمه

سال‌های اخیر نشان داده است که بسیج منابع آب به حدی رسیده است، به همین دلیل اکنون ضروری است که این منبع حیاتی به شیوه‌ای کارآمد و پایدار مدیریت شود. مدل‌های هیدرولوژیکی ابزارهایی برای بازتولید عملکرد سیستم‌های آب، محاسبه دوره‌ای از داده‌های نرخ بازگشت برای طراحی یک سازه هیدرولیکی، تعیین سیل یک پروژه، پیش‌بینی جریان در زمان واقعی در جریان‌ها [ 1 ] هستند. مدیریت منابع آب بیشتر در مقیاس حوضه مورد نیاز است [ 2 ] با توجه به اینکه واحد اصلی هیدرولوژیکی است که در آن می توان ناهمگونی و پیچیدگی فرآیندها و فعل و انفعالات مرتبط با سطح زمین، عوامل اقلیمی و فعالیت های انسانی را مورد مطالعه قرار داد [ 3 ]] . هدف از این مطالعه بر روی حوضه آبخیز Aguibat Ezziar مقایسه و تحلیل پویایی عملکرد حوضه با بازسازی جریان رودخانه در خروجی (ایستگاه Aguibat Ezziar) است. شبیه‌سازی آب‌گیری در ایستگاه هیدرولوژیکی Aguibat Ezziar با استفاده از مدل هیدرولوژیکی ATHYS (Atelier Hydrologique Spatialisé) و HEC-HMS (سیستم مدل‌سازی هیدرولوژیکی) انجام شده است. با این حال، هدف، سازگاری آزمایش شده است و عملکرد خوب این مدل ها را تضمین می کند. در این کار، گام زمانی مدل‌سازی روزانه است که این انتخاب به دلیل مقایسه جریان‌های مدل‌سازی شده با اندازه‌گیری‌های گاه به گاه دبی در ایستگاه هیدرومتری اگیبات عزیار است.

2. منطقه مطالعه

حوضه آبخیز Aguibat Ezziar مساحتی معادل 3640 کیلومتر مربع و شکل کشیده دارد. در شمال غربی حوضه آبریز بورگرگ در شمال مرکزی مراکش واقع شده است ( شکل 1 ).

حوضه آبخیز Aguibat Ezziar بین ارتفاعی از 1615 متر تا 80 متر در پایین دست حوضه بورگرگ واقع شده است. بین سال های 1977-2004، حداقل بارندگی سالانه 336 میلی متر در سال در ایستگاه لالا چافیا، در حالی که حداکثر آن در ایستگاه تسلات 434 میلی متر در سال است. علاوه بر این، میانگین سالانه و ماهانه به ترتیب 394 میلی متر و 39 میلی متر است ( شکل 2 ).

3. ارائه مدل ها

ATHYS (ATelier Hydrologique Spatialisé) مدل تبدیل بارندگی-رواناب است که توسط موسسه تحقیقاتی توسعه (IRD) مونپلیه توسعه یافته است. اصول اولیه ATHYS یک محیط هیدرولوژیکی برای مدل‌سازی پراکنده شامل مجموعه‌ای از مدل‌ها، پردازش DEM، داده‌های هیدرولوژیکی و بارندگی و نمایش جغرافیایی، درونیابی داده‌های مکانی است. جریان تولید شده برای یک رویداد باران (تبدیل بارندگی-رواناب) برای هر سلول محاسبه می شود، مقدار باران توسط مدل تولید تخمین زده می شود که به رواناب کمک می کند. مدل انتقال، هیدروگراف تولید شده توسط هر خروجی حوضه را محاسبه می کند، این محاسبه انجام می شود

از نتیجه به دست آمده تحت تابع تولید. HEC-HMS یک مدل قابل اعتماد است که توسط سپاه مهندسین ارتش ایالات متحده توسعه یافته است که می تواند برای بسیاری از شبیه سازی های هیدرولوژیکی استفاده شود [ 4 ]. برای تسهیل مدلسازی هیدرولوژیکی پیوسته، یک مدل SMA حسابداری رطوبت خاک در HEC-HMS [ 5 ] گنجانده شده است. این مدل شامل بسیاری از روش‌های تحلیل هیدرولوژیکی سنتی مانند نفوذ رویداد، هیدروگراف‌های واحد [ 6 ] و مسیریابی هیدرولوژیکی است. هر دو مدل محدودیت های کاربردی دارند این است که از تعداد محدودی از توابع استفاده می کنند.

4. روش شناسی و پردازش داده ها

هر دو مدل برای شبیه‌سازی نرخ جریان روزانه در ایستگاه Aguibat Ezziar از سال 1996 تا 2003 استفاده می‌شوند. دوره کالیبراسیون و اعتبارسنجی به ترتیب 1996-1999 و 2000-2003 است. برای تخمین پارامترهای مدل‌های تولید و انتقال، از روش دستی با تحلیل حساسیت استفاده شده است. از داده های ورودی (DTM، بارش)، مدل هیدرولوژیکی ATHYS برای تعریف جریان رواناب روزانه برای هر سلول از حوضه آبخیز Aguibat Ezziar، و همچنین برای به دست آوردن شبکه زهکشی، کلاس های شیب و غیره استفاده می شود. از بارندگی موثر، توابع SCS و Top Model عمق رواناب را تعریف می کنند. علاوه بر این، تابع انتقال هیدروگراف واحد، جریان‌ها را برای هر خروجی زیرحوضه، که به‌عنوان محاسبه گره‌ها شناسایی شده‌اند (تسلات، لالا چافیا و آگیبات عزیار) محاسبه می‌کند. DEM مورد استفاده مجموعه ای از نقاط ارتفاعی (سه مختصات، x، y و z) است که در هر 90 متر قرار دارند.شکل 3 ). داده های زیر به تعریف کلاس های شیب ( شکل 4 )، جهت زهکشی ( شکل 5 )، شبکه زهکشی، زیر حوضه ها ( شکل 6 ) کمک کردند.

در این مطالعه، سه کلاس تولیدی مختلف از توپوگرافی (شیب‌ها)، به عنوان فایلی که بین 459 کلاس شیب طبیعی طبقه‌بندی شده است، شناسایی شده است. زون رواناب کم و متوسط ​​مربوط به دشت هایی با شیب از 0 تا 200 متر بر کیلومتر است، در حالی که ناحیه رواناب زیاد مربوط به شیب های زیاد عمدتاً بر روی نقش برجسته است.

اطلاعات اقلیمی در هر ایستگاه به طور دقیق شناخته شده است. این اطلاعات باید در حوزه حوضه فضایی باشد. از روش چند ضلعی تیسن برای تعریف ناحیه نفوذ برای هر ایستگاه استفاده شد ( جدول 1 ).

جدول 2 تفکیک مناطق حوضه آبخیز اگیبات عزیار بر اساس طبقات تولیدی را نشان می دهد.

مساحت رواناب بالا تنها 31/7 درصد از کل حوزه آبخیز را شامل می شود. این منطقه مربوط به نقش برجسته با خاک لخت (و/یا) با شیب زیاد است.

آماده سازی داده ها برای مدل HEC-HMS برای سه ایستگاه به صورت دستی انجام شد. تابع SCS Curve Number برای مدل سازی تلفات استفاده می شود و بر اساس دانش نوع و کاربری زمین است. مدل‌سازی رواناب توسط مدل هیدروگراف واحد SCS انجام می‌شود که ضریب زمان تأخیر را ادغام می‌کند که از نظر تئوری می‌تواند با فرمول «0.6 × زمان غلظت» تعیین شود. برای ارزیابی مدل های ما دو ضریب آماری اتخاذ شد: ضریب کارایی نش-ساتکلیف (NSE، معادله (1)) [ 7 ] نشان دهنده نسبت واریانس باقیمانده و واریانس جریان مشاهده شده [ 8 ] و نسبت انحراف استاندارد مشاهدات RMSE است. (RSR، معادله (2)) [ 9 ]. فرمول این ضرایب در معادلات زیر آورده شده است.

(1)

(2)

Y _i ^obs : ترشحات مشاهده شده. Y _i ^sim : تخلیه های شبیه سازی شده. منظورم _: ^{میانگین} ترشحات مشاهده شده.

5. نتایج و بحث

در این تحقیق توابع مورد استفاده مدل ATHYS SCS و واحد هیدروگراف برای تابع تولید و انتقال می باشد. تجزیه و تحلیل حساسیت اجازه می دهد تا بهترین مقادیر پارامتر S (SCS) یا STO (مدل برتر) را نشان دهد که عمدتاً بر جریان اوج تأثیر می گذارد. کاهش هیدروگراف توضیح داده شده توسط زمان تخلیه عموماً تحت تأثیر پارامتر DS است. ترجیحاً، ما پارامترهای تحت تأثیر را بر روی منحنی کلی هیدروگراف، یعنی ضریب انتشار (K0)، پارامترهای K1 و Alfa، و سرعت انتقال V0، که در تابع انتقال نشان می‌دهد، ثابت می‌کنیم ( جدول 3 ).

ارزیاب های آماری همبستگی خوبی بین دبی رودخانه مشاهده شده و شبیه سازی شده ماهانه با NSE ATHYS 0.74، NSE HEC-HMS 0.73 و RSR ATHYS 0.39 و RSR HEC-HMS 0.36 برای دوره کالیبراسیون نشان دادند. دوره اعتبارسنجی مقادیر خوبی را برای NSE 0.73 و RSR 0.32 نشان داد، این عملکرد مدل برای هر دو دوره کالیبراسیون و اعتبارسنجی به عنوان “رتبه عملکرد بسیار خوب” ارزیابی می شود که توسط محدوده های جریان تعریف می شود: 0 تا 0.5 برای RSR، 0.75 تا 1 برای NSE ( شکل 7 و شکل 8 ).

میانگین تفاوت بین دبی کل ماهانه مشاهده شده و شبیه سازی شده 4 درصد است که کالیبراسیون یک مدل خوب برای مرحله زمانی روزانه را تایید می کند.

مقایسه مدل‌های ATHYS و HEC-HMS در یک رویداد طولانی مدت (24 ساعت) نشان می‌دهد که رفتار مدل HEC-HMS با پیک‌های هیدروگراف تولیدمثلی در کالیبراسیون صحیح است، از سوی دیگر عملکرد ATHYS در ایستگاه Aguibat Ezziar بسیار مناسب است. برای پایداری مدل در حالت پیوسته خوب است.

6. نتیجه گیری

مقایسه عملکرد مدل‌ها (ATHYS و HEC-HMS) در حوضه آبخیز Aguibat Ezziar نشان می‌دهد که یک مدل پراکنده مانند ATHYS نقش موثری در بهبود کارایی دارد و مزیت بالایی در پیش‌بینی حجم رواناب دارد. در حالی که مدل HEC-HMS با پیک های برآوردی بسیار صحیح است و بنابراین می تواند مدل موثرتری برای پیش بینی سیل باشد. این مطالعه کاربرد مدل پراکنده را نشان داد و همچنین توانایی مدل ATHYS را برای شبیه سازی کمیت آب در مناطق نیمه خشک نشان داد [ 10 ].

منابع

[ 1 ]	Mathevet, T. (2005) Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ? توسعه تجربی و مقایسه مدل‌های موجود در سبک‌های بزرگ انحصاری باسن. پایان نامه، ENGREF (پاریس)، Cemagref (آنتونی)، فرانسه، 463 ص.
[ 2 ]	Sivapalan, M. (2003) پیچیدگی فرآیند در مقیاس تپه، سادگی فرآیند در مقیاس آبخیز: آیا ارتباطی وجود دارد؟ فرآیندهای هیدرولوژیکی، 17، 1037-1041. https://dx.doi.org/10.1002/hyp.5109
[ 3 ]	Fadil, A., Rhinane, H., Kaoukaya, A., Kharcaf, Y. and Bachir, O. (2011) مدلسازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز بورگرگ (مراکش) با استفاده از مدل GIS و SWAT. مجله نظام اطلاعات جغرافیایی، 3، 279-289. https://dx.doi.org/10.4236/jgis.2011.34024
[ 4 ]	Halwatura, D. and Najim, MMM (2013) کاربرد مدل HEC-HMS برای شبیه سازی رواناب در یک حوضه استوایی. مدلسازی و نرم افزار محیطی، 46، 155-162. https://dx.doi.org/10.1016/j.envsoft.2013.03.006
[ 5 ]	چو، ایکس و استینمن، ا. (2009) مدلسازی هیدرولوژیکی رویداد و پیوسته با HEC-HMS. مجله مهندسی آبیاری و زهکشی، 135، 119-124. https://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2009)135:1(119)
[ 6 ]	Feldman A. (2000) سیستم مدلسازی هیدرولوژیکی HEC-HMS: راهنمای مرجع فنی. 157.
[ 7 ]	Nash, JE and Sutcliffe, JV (1970) پیش‌بینی جریان رودخانه از طریق مدل‌های مفهومی، بحث در مورد اصول. مجله هیدرولوژی، 10، 282-290. https://dx.doi.org/10.1016/0022-1694(70)90255-6
[ 8 ]	ایادی، ام. و بارگاویی، ز. (1998) Modélisation des écoulements de l’oued Miliane par le modelèle CEQUeau. Journal des Sciences Hydrologiques, 43, 741-758. https://dx.doi.org/10.1080/02626669809492170
[ 9 ]	Singh, J., Knapp, HV and Demissie, M. (2004) مدلسازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز رودخانه Iroquois با استفاده از HSPF و SWAT. مجله انجمن منابع آب آمریکا، 41، 343-360. https://dx.doi.org/10.1111/j.1752-1688.2005.tb03740.x
[ 10 ]	Fadil, A., Rhinane, H., Kaoukaya, A., Kharcaf, Y. and Bachir, O. (2011) مدلسازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز بورگرگ (مراکش) با استفاده از مدل GIS و SWAT. مجله نظام اطلاعات جغرافیایی، 3، 288.