توسعه مدل SWAT-LU برای بررسی و شبیه‌سازی علل افت تراز دریاچه ارومیه و ارزیابی اثربخشی راه‌کارهای مطرح در احیای آن بخش اول: توسعه، واسنجی و صحت‌سنجی مدل SWAT-LU

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی، گروه فرآیندها و پیش‌بینی‌های هیدرولوژیکی، پژوهشکده منابع آب، موسسه تحقیقات آب

2 استاد گروه مهندسی منابع آب، دانشگاه تربیت مدرس

3 دانشیار گروه تحلیل سیستم‌ها، ارزیابی و مدل‌سازی یکپارچه، موسسه فدرال تحقیقات علوم و تکنولوژی سوئیس

4 استادیار گروه مهندسی منابع آب- دانشکده کشاورزی- دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

افت سریع تراز آب دریاچه ارومیه در دو دهه گذشته، نگرانی‌های جدی در خصوص آینده این دریاچه و تبعات منفی از بین رفتن آن بر حوزه‌های مختلف محیط زیستی‏، اقتصادی و اجتماعی را به دنبال داشته است. تخفیف مشکلات موجود و احیای دریاچه نیازمند پیاده‌سازی رویکرد جامعی است که بدون شناخت ریشه‌های وقوع وضعیت فعلی و ارزیابی صحیح از اثربخشی اقدامات مطرح در این زمینه، قابل دست­یابی نخواهد بود. در تحقیق حاضر، تهیه یک نسخه اختصاصی از مدل‌ جامع هیدرولوژیکیSWAT که با توجه به شرایط و فرآیندهای مهم حوضه آبریز دریاچه ارومیه اصلاح یافته (ویرایش SWAT-LU)، برای ارزیابی موارد مذکور هدف قرار داده شد. در مقاله حاضر (به عنوان نخستین مقاله از سه مقاله‌ای که به منظور ارایه نتایج تحقیق تهیه شده)، رویکرد‌های بکارگرفته شده در فرآیند توسعه، واسنجی و صحت‌سنجی مدل مذکور ارایه می‌گردد. نتایج نشان داد که مدل SWAT-LU توانایی و قابلیت‌های مناسبی برای شبیه‌سازی چرخه هیدرولوژیکی حوضه آبریز دریاچه ارومیه و پیکره آبی دریاچه دارد و اصلاحات انجام شده به خوبی توانسته این فرآیندها را تدقیق نماید. به نحوی که مقدار شاخص‌های واسنجی مدل برای حدود 80 درصد از ایستگاه‌های هیدرومتری در سطح حوضه در محدوده قابل قبول قرار گرفته و نتایج شبیه‌سازی حجم آب دریاچه ارومیه نیز بسیار رضایت‌بخش است. هم­چنین کنترل نتایج مدل برای سایر مولفه‌های هیدرولوژیکی نیز نشان دهنده دقت مناسب مدل در شبیه‌سازی آن‌ها بود. در مجموع نتایج این تحلیل‌ها نشان داد که مدل توسعه داده شده اجزای چرخه هیدرولوژیکی حوضه آبریز دریاچه ارومیه را با دقت قابل­قبولی شبیه‌سازی نموده و ابزار مناسبی برای تحلیل شرایط و ارزیابی اثر اقدامات مختلف بر مقدار مولفه‌های مختلف هیدرولوژیکی و اندرکنش بین آن‌ها می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Development of SWAT-LU model for simulation of Lake Urmia water level decreaseand assessment of the proposed actions for its restoration; Part 1: Development, calibration and validation of SWAT-LU model

نویسندگان [English]

  • Ashkan Farokhnia 1
  • Saeid Morid 2
  • Karim Abbaspour 3
  • Majid Delavar 4
1 Assistant Professor, Department of Water Resources Research, Water Research Institute
2 Prof. of Water Resources Engineering Dept., Tarbiat Modares University
3 Associate Professor, Department Systems Analysis, Integrated Assessment and Modelling, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology
4 Assistant Professor, Department of Water Resources Engineering, Agriculture Faculty, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

The rapid drop of Urmia Lake water level in the past two decades has led to serious concerns about the future of this lake and the environmental, economic and social negative effects of its elimination. Mitigation of the current problem and restoration of the lake requires a comprehensive approach, which cannot be achieved without detail understanding about the causes of the current situation and the proper assessment of the effectiveness of the proposed measures. In the present study, a custom edition of the SWAT hydrological model, modified according to the conditions and processes of the Urmia Lake watershed (SWAT-LU version), has been developed to evaluate the above-mentioned issues. This paper (as the first of three papers to provide the results of the research), the approaches used in the development, calibration and validation of the model are presented. The results showed that the SWAT-LU model has appropriate capabilities to simulate the hydrological cycle in Urmia Lake watershed and the modifications that have been carried out can well explain the nature of these processes. The calibration indices of the model for about 80% of the hydrometric stations was within acceptable limits and the results of the simulation of Lake Urmia water volume was also very satisfactory. Furthermore, controlling the model outputs for other hydrological components showed the model's accuracy in their simulation. In summary, the results of these analyzes showed that the developed model simulates the components of the hydrological cycle of the Lake Urmia Lake with acceptable accuracy and is a suitable tool for analyzing and evaluating the effect of different measures on the amount of various hydrological components and their interaction.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrologic simulation
  • SWAT model
  • Urmia Lake
  • Water balance
احمد‌زاده،ح. 1391. ارزیابی بهره‌وری آب کشاورزی با استفاده از مدل SWAT در حوضه آبریز زرینه‌رود. پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب. دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس.

بی‌نام. 1391. مطالعات بهنگام‌سازی طرح جامع آب کشور. وزارت نیرو.

بی‌نام.1392. مطالعه بررسی روند تغییرات محیطی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه. گزارش فنی. موسسه تحقیقات آب.

بی‌نام. 1393. برآورد میزان واقعی آب ورودی به پیکره اصلی (آبی) دریاچه ارومیه از رودخانه­های منتهی به دریاچه. گزارش فنی. ستاد احیای دریاچه ارومیه.

رضایی،ح. 1393. نقش بافرزون و هیدروگرافی در تعیین عوامل بیلان آب دریاچه ارومیه. گزارش فنی. دانشگاه ارومیه.

شکری،ا و مرید،س. 1393. بررسی پارامترهای بیلان آب در محدوده ایستگاه‌های آب­سنجی انتهایی حوضه دریاچه ارومیه تا پیکره آبی آن. گزارش فنی. دانشگاه تربیت مدرس.

فرخ‌نیا،الف. 1394. نقش تغییرات کاربری اراضی و روند در متغیرهای اقلیمی بر هیدرولوژی حوضه آبریز دریاچه ارومیه. رساله دکتری مهندسی سازه‌های آبی. دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس.

Abbaspour,K. 2011. User Manual for SWAT-CUP: SWAT Calibration and Uncertainty Analysis Programs. Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology. Duebendorf, Switzerland, 103 pp.

Abbaspour,M and Nazaridoust,A. 2007. Determination of environmental water requirements of Lake Urmia, Iran: an ecological approach. International Journal of Environmental Studies. 64:161-169.

Ahmadzadeh,H., Morid,S., Delavar,M and Srinivasan,R. 2016. Using the SWAT model to assess the impacts of changing irrigation from surface to pressurized systems on water productivity and water saving in the Zarrineh Rud catchment. Agricultural Water Management. 175:15-28.

Ahmadzadeh Kokya,B and Ahmadzadeh Kokya,T. 2008. Proposing a formula for evaporation measurement from salt water resources. Hydrological processes. 22:2005-2012.

Arnold,J.G., Moriasi,D.N., Gassman,P.W., Abbaspour,K.C., White,M.J., Srinivasan,R., Santhi,C., Harmel,R., Van Griensven,A and Van Liew,M.W. 2012. SWAT: Model use, calibration, and validation. Transactions of the ASABE. 55:1491-1508.

Beven,K.J. 2011. Rainfall-runoff modelling: the primer. John Wiley and Sons.

CIWP,2008. Integrated Management Plan for Lake Uromiyeh. Department of Environment, Islamic Republic of Iran and UNDP/GEF.

Dhami,B.S and Pandey,A. 2013.Comparative review of recently developed hydrologic models. Journal of Indian Water Resources Society. 33.3:34-42.

Eckhardt,K., Haverkamp,S., Fohrer,N., Frede,H.-G. 2002. SWAT-G, a version of SWAT99. 2 modified for application to low mountain range catchments. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C 27: 641-644.

Fan,J., Tian,F., Yang,Y., Han,S and Qiu,G. 2010. Quantifying the magnitude of the impact of climate change and human activity on runoff decline in Mian River Basin, China.Water Science and Technology. 62:783-791.

FAO,2012. Harmonized World Soil Database (version 1.2). Rome, Italy.

Galván,L., Olías,M., Izquierdo,T., Cerón,J and De Villarán,R.F. 2014. Rainfall estimation in SWAT: An alternative method to simulate orographic precipitation. Journal of hydrology. 509:257-265.

Gassman,P.W., Reyes,M.R., Green,C.H and Arnold,J.G. 2007. The soil and water assessment tool: historical development, applications, and future research directions. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers. 50:1211-1250.

Gül,G.O., Rosbjerg,D.,Gül,A., Ondracek,M and Dikgola,K. 2010.Assessing climate change impacts on river flows and environmental flow requirements at catchment scale. Ecohydrology. 3:28-40.

Jain,S.K., Tyagi,J and Singh,V. 2010. Simulation of runoff and sediment yield for a Himalayan watershed using SWAT model. Journal of Water Resource and Protection. 2:267-281.

Kim,N.W., Lee,J.E., Chung,I.M and Kim,D.P. 2008. Hydrologic component analysis of the Seolma-Cheon watershed by using SWAT-K model. Journal of Environmental Science International. 17:1363-1372.

Koch,F.J. 2011. SWAT Optimization for Land Use Dynamics. Technical University of Cottbus.

Krysanova,V and Arnold,J.G. 2008. Advances in ecohydrological modelling with SWAT - a review.Hydrological Sciences Journal. 53:939-947.

Lankford,B. 2012. Fictions, fractions, factorials and fractures; on the framing of irrigation efficiency. Agricultural Water Management. 108:27-38.

Leaney,F and Christen,E.W. 2000. Evaluating basin leakage rate, disposal capacity and plume development. CRC for catchment hydrology.

Li,B., Su,H., Chen,F., Li,H., Zhang,R., Tian,J., Chen,S., Yang,Y and Rong,Y. 2014. Separation of the impact of climate change and human activity on streamflow in the upper and middle reaches of the Taoer River, northeastern China. Theoretical and applied climatology. 118:271-283.

Moriasi,D.N., Arnold,J.G., Van Liew,M.W., Bingner,R.L., Harmel,R.D and Veith,T.L. 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE. 50:885-900.

Neitsch,S.L., Arnold,J.G., Kiniry,J.R and Williams,J.R. 2011. Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2009. Texas Water Resources Institute.

Rodell,M., Velicogna,I. and Famiglietti,J.S. 2009.Satellite-based estimates of groundwater depletion in India. Nature. 460:999-1002.

Scott,C., Vicuña,S., Blanco-Gutiérrez,I., Meza,F and Varela-Ortega,C. 2014. Irrigation efficiency and water-policy implications for river basin resilience. Hydrology and Earth System Sciences. 18:1339-1348.

Snyder,R.L. 1992. Equation for evaporation pan to evapotranspiration conversions. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 118:977-980.

Van Griensven,A and Bauwens,W. 2005. Application and evaluation of ESWAT on the Dender basin and the Wister Lake basin. Hydrological processes. 19:827-838.

Wahr,J., Swenson,S., Zlotnicki,V andVelicogna,I. 2004. Timevariable gravity from GRACE: First results. Geophysical Research Letters. 31:L11501.

Yang,J., Reichert,P., Abbaspour,K., Xia,J and Yang,H. 2008.Comparing uncertainty analysis techniques for a SWAT application to the Chaohe Basin in China. Journal of Hydrology. 358:1-23.

Zang,C., Liu,J., Jiang,L and Gerten,D. 2013. Impacts of human activities and climate variability on green and blue water flows in the Heihe River Basin in Northwest China.Hydrology and Earth System Sciences Discussions. 10:9477-95048