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.

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.

شبیه سازی آبشناسی یک ابزار اصلی برای پیش بینی وقایع سیلابی و عکس العمل آبشناسی حوضه های آبخیز برای سناریوهای مختلف مدیریتی می باشد. در این مط العه شبه (GIS-based Flood Hydrograph Modeling) GFHM برای شبیه سازی آبنمای سیل حوضه جعفرآباد با استفاده از زبان شبیه سازی محیط زیستی PCRaster تهیه و توسعه داده شد. شبه GFHM یک شبه آبشناسی توزیعی مکانی و زمانی می باشد. نقشه های کاربری اراضی، نوع خاک، همچنین آمار بارش حوضه آبخیز، داده های اصلی مورد نیاز شبیه می باشند. این شبیه قابلیت شبیه سازی آبنمای های سیلاب را با گامهای زمانی در حد ثانیه و دقیقه داشته، و با توجه به هدف محقق قابل تنظیم می باشد. برای توسعه این شبیه، ابتدا شبیه مفهومی، روشها و روابط مورد استفاده جهت شبیه سازی فرایندهای آبشناسی، فرضیات و محدودیتهای روابط مورد استفاده تدوین گردیدند. این شبیه جهت محاسبه بارش مازاد از روش شماره منحنی سازمان حفاظت منابع ملی، و جهت روند یابی از روش موج جنبشی بهره برد. جهت انجام واسنجی از روش واسنجی دستی استفاده گردید، و دو فراسنج شماره منحنی و ضریب مانینگ واسنجی شدند. از روش یک «فراسنج در هر بار» که یکی از ساده ترین و متعارفترین روشهای تحلیل حساسیت می باشد جهت بررسی تحلیل حساسیت فراسنجها استفاده گردید. به منظور ارزیابی کارایی شبیه در دو مرحله واسنجی و اعتبارسنجی از شاخصهای ارزیابی متعددی بهره وری شد. برای دوره واسنجی متوسط ضریب ناش- ساتکلیف 0.718، و برای دوره اعتبارسنجی 0.777 به دست آمد. اختلاف مرحله زمانی میان آبنمای های شبیه سازی شده و آبنمای های مشاهداتی دلیل اصلی پایین بودن نسبی شاخصهای ارزیابی می باشد.

رودخانه حله واقع در جنوب کشور در سال های اخیر با چالش های متعددی در زمینه مدیریت آب و بطور خاص شوری مواجه بوده است. یکی از دلایل عمده شور شدن آب این رودخانه با حرکت از بالادست به پایین دست، شوری اولیه تحت تاثیر وجود سازندهای زمین شناختی شور و گنبدهای نمکی در سطح حوضه است. با این توجه در این تحقیق یک ابزار تحلیلی برای مدل سازی شوری منابع آب در سطح حوضه آبریز رودخانه توسعه داده می شود و برای مدلسازی شوری اولیه در یکی از زیرحوضه های رودخانه حله بکار می رود. مدل مذکور از دو جزء بهم مرتبط بیلان آب و بیلان نمک تشکیل شده که برای بیلان آب از مدل شبیه سازی SWAT، که نسخه اصلی آن قادر به مدل سازی شوری منابع آب نیست، بهره برده و جزء بیلان نمک آن با استفاده از یک محیط برنامه نویسی خارجیتوسعه می یابد. سپس برای واسنجی مدل توسعه یافته، الگوریتم SUFI2 مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج واسنجی مدل بیلان آب- نمک بر اساس مشاهدات مربوط به سال های 1995 تا 2000 از کمیت های آبدهی و شوری (TDS) رودخانه در ایستگاه هیدرومتری شکستیان واقع بر رودخانه شور به صورت مقادیر R2 و NS به ترتیب برابر 0.76و 0.73 برای آبدهی و 0.063 و 0.56 برای TDS به دست آمده است. همچنین نتایج اعتبارسنجی مبتنی بر مشاهدات مربوط به دوره 2001 تا 2003 به صورت مقادیر R2 و NS به ترتیب برابر با 0.81 و 0.71 برای آبدهی و 0.81 و 0.65 برای TDS، عملکرد مناسب مدل بیلان آب- نمک در شبیه سازی توامان آبدهی و شوری رودخانه را نشان می دهد.

رواناب ناشی از ریزش نزولات جوی در اقلیم های نیمه خشک سیلاب های خطرناکی ایجاد می نماید. امروزه از روش های متعددی برای پیش بینی جریان آب ناشی از سیل برای مدیریت بحران استفاده می شود. جامع ترین مدل پیوسته و نیمه توزیعی در سطح حوزه آبخیز استفاده از مدل ارزیابی خاک و آب (SWAT) می¬باشد. این مدل توانایی شبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی در مقیاسهای زمانی مختلف روزانه، ماهانه و سالانه با استفاده از طیف وسیعی از اطلاعات فیزیکی حوضه ها (خاک، کاربری اراضی و شیب) و هم چنین اطلاعات هواشناسی (بارندگی، درجه حرارت، باد، رطوبت نسبی و تابش خورشیدی) با قابلیت اتصال به سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) را دارد. در این پژوهش با استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT اقدام به شبیه سازی رواناب در مقیاس زمانی ماهانه در حوضه حبله رود استان سمنان با مساحت 3200 کیلومتر مربع شد. برای شبیه سازی رواناب پس از بازدید میدانی و تهیه اطلاعات پایه اقدام به شبیه سازی رواناب با استفاده از مدل SWAT برای یک دوره سی ساله (2011-1981) شد. سپس در محیط SWAT-CUP اقدام به واسنجی مدل برای یک دوره هفت ساله و صحت سنجی چهار ساله (2011-1998) شد. برای ارزیابی مدل نیز از معیارهای آماری ضریب تعیین، ضریب کارایی ناش ساتکلیف استفاده شد. شاخص ناش ساتکلیف برای تخمین دبی رواناب در مرحله واسنجی 74/0 و صحت سنجی 63/0 بوده که نشان از دقّت قابل پذیرش مدل بین داده های شبیه سازی و مشاهداتی است. رتبه بندی پارامترهای حساس از بین 32 پارامتر با انجام تحلیل حساسیت در محیط برنامه SWAT-CUP با روش T-Stat وP-Value مشخص شد. نتایج نشان داد که پارامترهایSFTMP،SMTMP، GW_DELAY، ESCO بیشترین حساسیت را در سطح حوضه حبله رود دارند.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

با وجود قابلیت بالای مدل های زراعی-هیدرولوژیکی مزرعه مقیاس در شبیه سازی اندرکنش رشد گیاه با انتقال آب و املاح در سیستم های زراعی، کاربرد آن ها در شرایط واقعی مزارع وسیع کشت نیشکر استان خوزستان به دلیل ناهمگنی مکانی برنامه ریزی آبیاری در سطح مزارع، تعدد پارامترهای مجهول مدل، دشواری مشخص سازی شرایط اولیه و مرزی و نیز نیاز مبرم به داده های واسنجی متعدد با چالش های عدیده ای مواجه است. هدف از این پژوهش، عملی ساختن کاربرد مدل سازی زراعی-هیدرولوژیکی در شرایط واقعی بهره برداری از مزارع وسیع مجهز به سیستم (های) زهکش سطحی/زیرزمینی است. به این منظور، از طریق کاربرد نسخه تصحیح شده ای از مدل SWAP و گونه یکپارچه سازی شده الگوریتم بهینه سازی رفتار جمعی اجزا (UPSO)، یک طرح مدل سازی زراعی-هیدورولوژیکی ریچاردزبنیان به شیوه توزیعی با قابلیت واسنجی زیرروزانه توسعه یافت. مدل توسعه یافته در یکی از مزارع کشت و صنعت نیشکر امام خمینی (ره) (شعیبیه) با زهکشی زیرزمینی و کشت نیشکر (رقم CP48-103) طی بازه زمانی 28/4/1389 تا 20/9/1390 (به مدت 481 روز) مورد کاربرد قرار گرفت. نتایج حاکی از عملکرد قابل قبول مدل در شبیه سازی رطوبت خاک، عمق سطح ایستابی و جریان زه آب خروجی (با آماره ضریب راندمان، EF، مدل به ترتیب، برابر با 901/0، 827/0 و 877/0 طی مرحله واسنجی و آماره EF به ترتیب، برابر با 514/0، 798/0 و 672/0 طی مرحله صحت سنجی)، شبیه سازی نیم رخ غلظت املاح آب خاک و شوری زه آب خروجی از سیستم زهکش زیرزمینی)با آماره ریشه میانگین خطای نرمال شده، NRMSE، به ترتیب، برابر با 039/0 و 096/0 در مرحله واسنجی و آماره NRMSE به ترتیب، برابر با 154/0 و 046/0 طی مرحله صحت سنجی) و شبیه سازی شاخص سطح برگ، عملکرد نی و عملکرد ساکارز (با آماره EF به ترتیب، برابر با 995/0، 999/0 و 972/0 در مرحله واسنجی) بود.

هدف از پژوهش حاضر ارائه رویکردی برای مدل سازی تغییرات مکانی–زمانی بارش است که می تواند به عنوان ورودی مدل های بارش – رواناب مورد استفاده قرار گیرد. برای این منظور از داده های رگبار چهار ایستگاه پایش باران در حوزه آبخیز پسکوهک، واقع در 27 کیلومتری غرب شیراز، استفاده شد. پنج پارامتر ارتفاع از سطح دریا، درجه شیب، جهت شیب، طول و عرض جغرافیایی به عنوان عوامل موثر در تغییرات مکانی بارش انتخاب شد. ترکیبات مختلف این پنج پارامتر، با استفاده از آزمون گاما در نرم افزار WinGammaTM ، اولویت بندی شد. مدل سازی رگرسیونی و تعیین ضرایب عددی معادلات، با استفاده از الگوریتم بهینه سازی لونبرگ–مارکوارت در محیط MATLAB انجام شد. سپس با استفاده از معیارهای ارزیابی ضریب تعیین (R^2)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و دیاگرام تیلور(Taylor Diagram)، بهترین مدل انتخاب و نقشه رستری یک رگبار انتخابی در محیط Arc GIS ترسیم شد. در انتها با استفاده از رویکرد پیشنهادی استفاده از روش نسبت معادلات، مدل تغییرات مکانی–زمانی بارش نهایی شد. نتایج نشان داد که با استفاده از مدل غیرخطی درجه دو و پارامترهای ارتفاع از سطح دریا و عرض جغرافیایی، می توان با دقت بالایی، توزیع مکانی بارش را به صورت یک شبکه منظم پیکسلی (100 متر مربعی) بدست آورد (917/0 =.R^2 و 2277/0=RMSE). با توجه به اینکه در رگبارهای مختلف حوزه های کوچک، نسبت تغییرات بارش هر پیکسل به پیکسل های دیگر (از جمله پیکسل ایستگاه پایش باران) تقریبا ثابت است، بنابراین با استفاده از رویکرد پیشنهادی در این پژوهش می توان تغییرات مکانی و زمانی هر رگبار را به صورت یک ماتریس سه بعدی در منطقه مدل سازی کرد.