محدود بودن توان منابع آب در کشورمان، حفاظت و بهره برداری بهینه از آن را به منظور تامین نیازهای آبی آینده گان طلب می کند و دستیابی به این اهداف جز با تهیه بیلان منابع آب و ارزیابی پتانسیل آن امکان پذیر نمی باشد. هدف این پژوهش، برآورد پارامترهای بیلان با استفاده از روش توزیعی می باشد. در این راستا پس از بررسی مدل ها و روش های توزیعی موجود، مدل شبه توزیعی  Qausi Distributed Water Balance model (QDWB)در محیط برنامه نویسی متلب توسعه داده شد. برای اجرای این مدل لازم است تا داده های مورد نیاز (بارندگی، تبخیر و تعرق پتانسیل، داده های کاربری و خاک و اطلاعات مرتبط، ضرایب تصحیح رواناب و نفوذ) به صورت توزیعی و در قالب سلول های 500 در 500 متر در سطح حوضه تهیه شده و به صورت لایه های جداگانه و به فرم ماتریسی به مدل وارد شود. مدل برای تخمین رواناب و نفوذ عمقی، معادله بیلان آب های سطحی را حل می کند و نیاز آبیاری را بر اساس تامین کمبود رطوبت خاک (شرایط مطلوب) تخمین می زند. محدوده مطالعاتی مورد نظر در این تحقیق حوضه آبریز نیشابور- رخ با مساحت 9157 کیلومترمربع است. بررسی روابط میان عوامل بیلان مانند مقایسه بارندگی- تبخیر و تعرق، بارندگی- رواناب، بارندگی- نفوذ حاکی از این مطلب است که مدل به خوبی فرایندهای هیدرولوژیکی حاکم بر حوضه را درک کرده است. نتایج تبخیر و تعرق مدل توسعه یافته حاضر با نتایج مدل SWAT مقایسه شد که نشان دهنده روند مشابه تغییرات  تبخیر و تعرق محاسبه شده توسط هر دو مدل می باشد. بخصوص در سال های آبی 82-1381، 84-1383، 86-1385 و88-1387 که بارش های سالانه بیشتر از 300 میلی متر بوده، تبخیر- تعرق برآورد شده در مدل QDWB بسیار نزدیک به مقادیر برآوردی SWAT است. بطوری که اختلاف مابین نتایج مدل QDWB و SWAT به ترتیب در سال های فوق الذکر، 3، 10، 13 و 21 میلی متر می باشد. این امر حاکی از آن است که در سال های پربارش، سهم بیشتری از نیاز آبی محصولات از بارش تامین شده و شرایط واقعی آبیاری مزارع (فواصل زمانی طولانی دو آبیاری) به شرایط اصولی مدیریت آبیاری نزدیک می شود.

در این پژوهش با استفاده از یک مدل هیدرولوژی ماهانه، به مقایسه سه سناریوی ذوب برف مختلف شامل یک سناریوی دما- مبنا، یک سناریوی مبتنی بر تشعشع­ خالص و سناریویی مبتنی بر بیلان انرژی در حوضه آبریز طالقان-الموت پرداخته­ شده و سعی شده با استفاده از داده­های دورسنجی بخشی از چالش­های مدل سازی ذوب برف در حوضه­ای با داده­های زمینی کم کاهش داده شود. فرایندهای واسنجی و اعتبارسنجی مدل به روشروش دو مرحله­ای انجام گرفته است. در یک مرحله به مدل سازی برف به صورت سلولی در سراسر حوضه پرداخته شده و پارامترهای مدل برف مورد واسنجی قرار گرفته­اند. در این مرحله با مقایسه درصد پوشش برف مشاهده شده توسط سنجنده MODIS و مقدار ذخیره برف محاسبه شده در هر سلول توسط مدل، مقدار خطای مدل در شبیه­سازی تجمع برف محاسبه شده­است. در مرحله بعد با شبیه­سازی فرایند هیدرولوژی به صورت یکپارچه در کل حوضه، بخش دیگری از متغیرهای تصمیم مورد واسنجی قرار گرفته و با استفاده از شاخص­های خطای مختلف، مورد ارزیابی و اعتبارسنجی واقع شده­اند. نتایج نشان­دهنده عملکرد بهتر مدل تشعشع ­خالص و بیلان انرژی نسبت به مدل دما-مبنا است، به­طوری که شاخص KGE در دوره اعتبارسنجی، برای مدل با ذوب برف دما-مبنا، 0/72 و برای مدل های تشعشع­ خالص و بیلان انرژی به ترتیب 0/78 و 0/86 بوده است. هم چنین مربع ضریب همبستگی بین داده­های پوشش برف سنجنده MODIS و داده­های ذخیره برف محاسبه شده در سه مدل، بین 0/62 برای مدل بیلان انرژی تا 0/72 برای مدل دما-مبنا بوده است. با توجه به نتایج، روش مدل تشعشع ­خالص و بیلان انرژی امکان برآورد و ارائه مناسبی از ذخیره برفی و هیدرلوژی وابسته به آن در مناطق کوهستانی با اطلاعات کم محیطی را فراهم می کند.

مدل سازی فرآیندهای هیدرولوژی اطلاعات مناسبی را برای مدیریت آبخیزها فراهم کرده، دید بهتر و جامع تری نسبت به آبخیزها ایجاد می نماید. در این تحقیق بیلان آب و جریان خروجی حوزه آبخیز چهل چای در محیط GIS و برنامه نویسی PCRaster مدل سازی گردید. عوامل و پارامترهای دخیل در بیلان آب شامل بارش، ذوب برف، تبخیر و تعرق، رطوبت خاک، رواناب سطحی ناشی از بارش، آب پایه و جریان زیرقشری در نظر گرفته شده و با استفاده از روابط موجود بیلان آب مدل سازی گردیده و دبی خروجی روزانه حوزه از مجموع دبی رواناب، جریان زیرقشری و آب پایه به دست آمد. فرآیند واسنجی مدل برای دوره آماری (87-1386) انجام گرفت. فرآیند اعتبارسنجی مدل با استفاده از یک دوره آماری سه ساله از 84-1383 تا 1386 انجام گردید. نتایج به دست آمده از مدل سازی با داده های دبی مشاهداتی ثبت شده در خروجی حوزه مورد ارزیابی قرار گرفتند. ضریب نش- ساتکلیف برای دوره واسنجی 0.7 و برای دوره اعتبارسنجی 0.5 به دست آمد. با توجه به اینکه مقدار ضریب نش - ساتکلیف هر دو دوره بالاتر از 0.36 می باشد، می توان گفت که مدل از کارایی مطلوب و قابل قبولی برخوردار است. با توجه به مناسب بودن شبیه سازی جریان خروجی، مولفه های بیلان آب حوزه به تفکیک محاسبه و ارائه گردید. مدل توسعه داده شده ضریب آبدهی کل سالانه حوزه را برای دوره واسنجی %19.1 به دست آورد در حالیکه مقدار مشاهده شده آن در این دوره 22 درصد می باشد.

مدل بیلان آبی، بررسی اجزاء چرخه هیدرولویکی و روش چگونگی تقسیم بارش به رواناب، تبخیر واقعی و ذخیره رطوبت خاک را مهیا می سازد. در بیلان آبی شبیه سازی تبخیر از خاک با استفاده از تابع استخراج رطوبت خاک انجام می شود. مقادیر رطوبت خاک و مقدار آب مازاد محاسبه شده از مدل، با مقادیر واقعی اندازه گیری شده، واسنجی می شود. حجم کنترل برای مدل آب و خاک عمق معادل ظرفیت آب قابل استخراج گیاه از خاک تا عمق ریشه می باشد. سیستم اطلاعات جغرافیایی به عنوان چارچوب کاری برای ذخیره، مدیریت داده های مکانی و امکانات مدل سازی برای حجم کنترل با اندازه و شکل های مختلف را تامین می کند و نقشه های عوامل بیلان آب بصورت رستری برای کل منطقه تهیه و عوامل بیلان آب و خاک را برای حوضه و محدوده مطالعاتی ارائه می دهد. در این تحقیق بیلان آبی ماهانه درازمدت حوضه یزد - اردکان با حدود مساحت 16000 کیلومتر مربع بر اساس روش تورنت وایت - ماتر اصلاح شده بصورت توزیعی در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی توسعه داده شده است. داده های ورودی مدل شامل نقشه های ماهانه دما، بارش و ظرفیت نگهداری آب در خاک در عمق ریشه با اندازه سلولی 60 متر می باشد و خروجی مدل، نقشه های ماهانه تبخیر و تعرق واقعی، نقشه ذخیره آب خاک، کمبود رطوبت و آب مازاد می باشد که در محیط نرم افزار الویس بصورت سلولی و توزیعی تهیه شده است. نتایج نشان داد که بیش از 80 درصد بارندگی حوضه بصورت تبخیر و تعرق، حدود 8 درصد بصورت رواناب سطحی و مابقی بصورت رواناب زیر سطحی از حوضه خارج می شود. البته میزان و مناطق تغذیه آب زیرزمینی حوضه در ماه های مختلف متغیر بوده که بین 20 تا 50 درصد از سطح حوضه تغییر می کند. تغذیه آب زیرزمینی تنها در ماه های آذر تا اسفند اتفاق می افتد که مقدار آن بین 8.5 میلی متر در آذرماه تا 17 میلی متر در دی ماه متغییر است. بنابراین استفاده از نقشه های توزیعی این امکان را به ما می دهد که در هر ماه در چه مناطقی رواناب اضافی و یا کمبود رطوبت داریم که امکان مدیریت بهتر آن وجود دارد.

مطالعات بیلان آب یکی از ارکان مدیریت و سیاست گذاری در مدیریت منابع آب و ابزاری برای ارزیابی کمی ذخایر منابع آب در حوضه و تغییرات این منابع در اثر فعالیت های انسانی است. در حال حاضر برای محاسبه بیلان در ایران مشکلاتی وجود دارد. پرهزینه و زمان بر بودن تأمین داده های موثق برای برآورد بسیاری از مولفه های بیلان (در سطح حوضه) و اتکا به روش های تجربی (تخمینی) برای برآورد این مولفه ها، و از طرفی نبود روش های تجربی واسنجی شده و بومی برای برآورد دقیق تر عوامل بیلان برخی از این مشکلات است. در بسیاری از کشورها از مدل هایی در برنامه ریزی منابع آب استفاده می شود که در کشورهای دیگر با شرایط اقلیمی متفاوت تولید شده اند. بنابراین قبل از استفاده از این مدل ها باید به ساختار مدل توجه شود. هدف از این مطالعه بررسی مدل ها و روش هایی است که در دنیا برای محاسبات بیلان آب، به کار گرفته می شود. با توجه به مزیت مدل های مفهومی در مقایسه با مدل های فرایند-محور و مدل های داده-محور در مدل سازی بیلان آب و همچنین با توجه به ضعف مدل های یکپارچه در شبیه سازی تغییرات پارامترها در سطح حوضه آبریز، تمرکز اصلی مقاله بر روی مدل های مفهومی در حالت های توزیعی و نیمه توزیعی است. این مدل ها متفاوت از مدل های کاملا توزیعی فرایند محور بوده و قابلیت کاربرد بیشتری را در حوضه های متوسط و بزرگ مقیاس (که داده های هیدروژئولوژیکی کافی وجود ندارد) دارند. سعی شده است با بررسی مدل های مختلف بیلان بتوان یک مدل اجرایی برای مناطق خشک و نیمه خشک ایران انتخاب کرد. با توجه به شرایط موجود، در مناطقی که هنوز اطلاعات دقیق و موثق هیدرولوژیکی برای واسنجی مدل ها وجود ندارد (مانند اکثر حوضه های آبریز در ایران) برای تولید، توسعه، واسنجی و بومی سازی یک مدل بیلان که هدف آن تخمین موجودیت آب در یک حوضه است، می بایست ابتدا مدل های ساده تر مد نظر قرار گیرد و نه مدل هایی که تحت عنوان مدل شبیه سازی هیدرولوژیکی شناخته می شوند. در این مطالعه تعدادی از مدل ها، براساس برخی از معیارها از جمله عدم پیچیدگی، دسترسی به داده ها و کد، دسته بندی و از نظر خروجی ها، مقیاس زمانی و مکانی و ساختار مدل بیلان مقایسه شده اند.

با توجه به اهمیت شناخت و آگاهی از وضعیت بیلان آبی حوزه های آبخیز و تحلیل رفتار هیدرولوژیکی حوضه ها، برای برنامه ریزی و اجرای طرح های مرتبط با آب، لزوم استفاده از فناوری های نوین در پیش بینی مولفه های بیلان آبی بیش از پیش مشهود است. بر این اساس در حوزه آبخیز کشکان با بکارگیری مدل هیدرولوژیکی TOPKAPI-X مولفه های بیلان آب حوضه بر اساس طراحی شبکه سلولی شبیه سازی گردید. نقشه های، کاربری اراضی، نقطه خروجی، بافت خاک، مدل ارتفاعی رقومی و سری های زمانی پیوسته دما، بارش و دبی در گام زمانی روزانه ورودی های اصلی مدل می باشند. مدل در هر شبکه سلولی با توجه به پارامترهای موثر در بیلان آبی، موازنه بیلان آبی کل دوره را برقرار می نماید. واسنجی مدل برای 15 سال ابتدایی دوره آماری (1999 تا 2014 میلادی) و اعتبارسنجی مدل برای دوره 6 ساله انتهایی (2014 تا 2020میلادی) لحاظ شده است. بر طبق نتایج شبیه سازی  02/27  و 28/43 درصد کل بارش حوضه کشکان بصورت رواناب کل از حوضه خارج شده (به ترتیب در دوره واسنجی و اعتبارسنحی) که با داده مشاهداتی در ایستگاه آبسنجی خروجی حوضه مطابقت دارد. در ادامه برای ارزیابی کارایی مدل، مقادیر شبیه سازی شده در هر دو دوره آماری با استفاده از داده های مشاهداتی بارش و دبی مورد مقایسه قرار گرفت. روشهای آماری همانند معیار ارزیابی ناش- ساتکلیف نشان داد مدل TOPKAPI-X با دقت نسبتا خوبی (ضریب بالای 60 درصد) مولفه های بیلان آبی نظیر تبخیر واقعی و پنانسیل، نفوذ و مقدار رواناب خصوصا رواناب کل را در این حوضه پیش بینی نمود.

تعریف دقیق بیلان آبی حوضههای آبریز کشور، از ضرورتهای برنامه ریزی مبتنی بر واقعیت و توسعه پایدار است. سوابق تحقیقاتی در مورد مدلهای بیلان ماهانه عمدتا معطوف به مدلهای بیلان هیدروکلیماتولوژی است که منابع آب زیرزمینی را به شکل بسیار محدود و تنها به صورت یکلایه یا دولایه از خاک در نظر میگیرند که قابلیت ذخیره آب را در فضای خالی بین ذرات خود دارند. از این رو، توسعه مدلهایی که اثر بیلان آب زیرزمینی را به طور همزمان با بیلان هیدروکلیماتولوژی در نظر بگیرند، میتواند در ارائه تصویر دقیقتری از منابع آب هر حوضه مفید باشد. در مدل پیشنهادی در این تحقیق سعی شده آبخوان توسط مدل بیلان تانک زیرزمینی مدل سازی شود که به مدل بیلان هیدروکلیماتولوژی متصل شده و پارامترهای دو مدل به طور همزمان بهینه سازی شوند. انتظار می رود با این رویکرد، تبادلات آب بین منابع آب سطحی و زیرزمینی نسبت به حالتی که دو مدل بیلان هیدروکلیماتولوژی و زیرزمینی به شکل جداگانه آموزش داده شوند، به شکل واقع بینانهتری برآورد شوند. در این تحقیق از الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی پارامترهای مدل توسعه داده شده پیشنهادی استفاده شده است. جهت ارزیابی کارایی مدل پیشنهادی، این مدل در محدوده مطالعاتی نیشابور واقع در حوضه ی آبریز کویر مرکزی برای 9 سال آبی مورد استفاده قرار گرفته و نتایج آن ارزیابی شده است. نتایج این تحقیق، نشان دهنده پتانسیل قابل توجه رویکرد پیشنهادی برای مدلسازی سریع بیلان عمومی محدوده های مطالعاتی کشور بوده است هر چند که برای برآوردهای دقیق تر، مدلسازی توزیعی توصیه می شود که در آن امکان درنظر گرفتن تبادلات آب بین منابع سطحی و زیرزمینی با درنظر گرفتن تغییرات گرادیان هیدرولیکی امکانپذیر است.