تخمین و مقایسه میزان آب آبی و سبز با استفاده از مدل های SWAT وSWAT-MODFLOW در حوضه آبریز نیشابور

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آبیاری و زهکشی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 محقق، مرکز تحقیقات آب دانشگاه سلطان قابوس، مسقط، عمان

چکیده

پیشرفت‌های اقتصادی و اجتماعی یک منطقه متأثر از مقدار کل منابع آب آن حوضه می‌باشد بطوریکه دانستن مقدار دقیق منابع آب به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک حیاتی است. تخمین سنتی منابع آب، تنها بر مقدار کمی آب آبی تمرکز داشته و اهمیت آب سبز مورد توجه قرار نگرفته است. بنابراین در این مطالعه، منابع آب آبی و آب سبز در حوضه آبریز نیشابور توسط دو مدل SWAT و SWAT-MODFLOW مورد ارزیابی قرار گرفتند. همچنین از الگوریتم SUFI-2، در بسته نرم افزاری SWAT-CUP برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل هیدرولوژیک نیشابور بر اساس دبی ماهانه رودخانه استفاده گردید. شاخص‌هایp-factor، r-factor، R2و نش-ساتکلیف (NS) به منظور ارزیابی توانایی مدل SWAT در شبیه سازی رواناب به کار برده شد. آمار رواناب چهار ایستگاه هیدرومتری در سال‌های 2001-2011 برای واسنجی و اعتبارسنجی این حوضه به کار برده شد. نتایج نشان دادکه در مرحله واسنجی رواناب ماهانه، ضرایب p-factor، r-factor، R2 و NS در خروجی حوضه به ترتیب حدود 37/0، 55/0، 86/0 و 85/0 و در مرحله اعتبارسنجی به ترتیب حدود 29/0، 83/0، 7/0 و 65/0 بوده است. بررسی نتایج دو مدل نشان می‌دهد که مؤلفه‌های منابع آب به جز آب آبی، که مدل SWAT-MODFLOW مقدار بیشتری را تخمین زده، در سایر موارد تقریباً مشابه بدست آمده است. لذا با بررسی تغییرات مکانی آب آبی دو مدل مشاهده گردید که بیشترین تفاوت در محدوده آبخوان نیشابور می‌باشد که می‌تواند به دلیل قابلیت بهتر مدل تلفیقی در شبیه‌سازی فرایندهای مختلف از جمله تغذیه آب‌های زیرزمینی و نفوذ منطقه غیراشباع باشد. همچنین روند تغییرات مکانی آب سبز نشان می‌دهد که میزان آب سبز به سمت دشت نیشابور افزایش می‌یابد. تغییرات ماهانه آب آبی و سبز حاصل از شبیه سازی دو مدل گویای این مطلب است که روند تغییرات بارندگی، آب آبی و سبز تقریباً مشابه بوده است و در فصل زمستان با کاهش دما، اختلاف بین آب آبی و آب سبز بیشتر می‌شود. همچنین شیب تغییرات آب آبی و سبز در مدل تلفیقی ملایم تر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Estimation and Comparison of Blue and Green Water Using SWAT and SWAT-MODFLOW Models in the Neishabour Watershed.

نویسندگان [English]

  • Alieh Saadatpour 1
  • Amin Alizadeh 2
  • Ali Naghi Ziaei 2
  • Azizallah Izady 3
1 Ph.D Student of Irrigation and Drainage, College of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad., Mashhad., Iran
2 Professor of Department of water science and engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Research Scientist, Water Research Center, Sultan Qaboos University, Muscat, Oman
چکیده [English]

The total amount of water resources severely affects socioeconomic development of a region or watershed, which means that accurate quantification of the total amount of water resources is vital for the area, especially for the arid and semi-arid regions. Traditional evaluation of water resources only focused on the qualification of blue water, while the importance of green water was not fully considered. Therefore, the blue and green water resources in the Neishabour basin were evaluated evaluated by the SWAT and SWAT-MODFLOW models in this study. Furthermore, the Sequential Uncertainty Fitting program (SUFI2) which is one of the programs interfaced with SWAT, in the package SWAT-CUP (SWAT Calibration Uncertainty Programs), was used to calibrate and validate Neishabour hydrologic model based on river discharges. R-factor, P-factor, R2 and Nash-Sutcliff (NS) parameters were used in order to evaluate the ability of the SWAT model to be used in runoff simulation. In this paper, results of calibration and validation are given for the river monthly discharge. Runoff data for four hydrometric stations in 2001-2011 were used to calibrate and validate this basin. The results show that p-factor, r-factor, R2 and NS for calibration are about 0.37, 0.55, 0.86 and 0.85 and for validation are about 0.29, 0.83, 0.7 and 0.65 respectedly. The results show that the components of water resources, except for blue water, which SWAT-MODFLOW model estimates more, are similar in other cases. Therefore, two models were used to investigate the spatial variations of blue water in the watershed. The main difference was within the Neishabour plain, which could be due to the integrated ability of the model to simulate different processes, such as groundwater recharge and infiltration of the non-saturated zone. Moreover, the spatial distribution of the green water indicates that the amount of green water increases gradually towards Neishabur plain. The study of interannual variability of the blue and green water shows that the trends in precipitation, blue and green water have a relatively similar characteristic during the same period and in the winter, the lower temperature, the greater difference between the blue and green water. Also, the trend of the blue and green water changes is milder in the integrated model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Blue water
  • Green water
  • Neishabour basin
  • SWAT-MODFLOW model
  • Water budget
اخوان، س.، عابدی کوپایی، ج.، موسوی، س. ف.، عباسپور، ک.، افیونی، م و اسلامیان، س. 1389. تخمین آب آبی و آب سبز با استفاده از مدل SWAT در حوضه آبریز همدان- بهار. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. علوم آب و خاک. 14. 53: 9-23.

رستمیان، ر.، موسوی، س. ف.، حیدرپور، م.، افیونی، م. و عباسپور، ک. 1387. کاربرد مدل SWAT2000 در تخمین رواناب و رسوب حوضه بهشت آباد از زیرحوضه­های کارون شمالی. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. 12. 46: 517-531.

شفیعی، م.، انصاری، ح.، داوری، ک. و قهرمان، ب. 1392. واسنجی و تحلیل عدم قطعیت یک مدل نیمه توزیعی در یک منطقه نیمه خشک، مطالعه موردی حوضه آبریز نیشابور. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. علوم آب و خاک. 17. 64: 137-148.

علیزاده، ا.، ایزدی، ع.، داوری، ک.، ضیایی، ع. ن.،اخوان، س و حمیدی، ز. 1392. برآورد تبخیر-تعرق واقعی در مقیاس سال-حوضه با استفاده از SWAT. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 7 .2: 258-243.

وزارت‌نیرو, 1389, گزارش نهایی تمدید ممنوعیت: خراسان رضوی شرکت سهامی آب منطقه ای خراسان رضوی دفتر مطالعات پایه منابع آب. P.69.

ولایتی، س. و توسلی، س.(1370). منابع و مسائل آب خراسان. مؤسسه چاپ و انتشارات آستان قدس رضوی، مشهد.

Abrishamchi, A., Tajrishi, M. 2005. Interbasin water transfer in Iran. In Water conservation, reuse, and recycling: proceeding of an Iranian American workshop, The National Academies Press: Washingon, D.C.; 252–271.

Alizadeh, A., Keshavarz, A. 2005. Status of agricultural water use in Iran. In Water conservation, reuse, and recycling: proceeding of an Iranian American workshop, The National Academies Press: Washingon, D.C.; 94–105.

Ardakanian, R. 2005. Overview of water management in Iran. In Water conservation, reuse, and recycling: proceeding of an Iranian American workshop, The National Academies Press: Washingon, D.C.; 18–33.

Arnold, J. G., Srinivasan, R., Muttiah, R. S., and Williams, J. R. 1998: Large area hydrologic modeling and assessment part I: Model development, J. Am. Water Resour. Assoc., 34, 73–89

Bailey, R.T., Wible, T.C., Arabi, M., Records, R. M., and Ditty, J. 2016. Assessing regional-scale spatio-temporal patterns of groundwater–surface water interactions using a coupled SWAT-MODFLOW model. Hydrol. Process. 30: 4420–4433.

Falkenmark, M. 1995. Coping with water scarcity under rapid population growth, Conference of SADC Ministers, Pretoria.

Falkenmark, M. and J. Rockstrom. 2006. The new blue and green water paradigm: Breaking new ground for water resources planning and management. ASCE, J. Water Resour. Plan. Manag. 132(3): 129–132.

Faramarzi, M., Abbaspour, K. C., Schulin, R., and Yang, H. 2009. Modelling blue and green water resources availability in Iran. Hydrological. Processes. 23: 486-501.

Gerten, D., et al. 2005. Contemporary “green” water flows: Simulations with a dynamic global vegetation and water balance model. Physics and Chemistry of the Earth 30(6–7), 334–338.

Hargreaves, G.H., and Samani, Z.A. 1985, Estimating Potential Evapotranspiration. Journal of the Irrigation and Drainage Division, 108(3)225-230.

Izady, A., Davary, K., Alizadeh, A., Ziaei, A., Akhavan, S., Alipoor, A., Joodavi, A., Brusseau, M. 2015. Groundwater conceptualization and modeling using distributed SWAT-based recharge for the semi-arid agricultural Neishaboor plain, Iran. Hydrogeol J 23(1):47–68.

Izady, A., Davary, K., Alizadeh, A., Ziaei, A., Alipoor, A., Joodavi, A., Brusseau, M. 2014. A framework toward developing a groundwater conceptual model. Arabian Journal of Geosciences 7(9):3611–3631.

Keshavarz, A., Ashrafi, SH., Hydari, N., Pouran, M., Farzaneh, EA. 2005. Water allocation and pricing in agriculture of Iran. In Water conservation, reuse, and recycling: proceeding of an Iranian American workshop, The National Academies Press: Washingon, D.C.; 153–172.

Liu, X., et al. 2009. Quantifying the effect of land use and land cover changes on green water and blue water in northern part of China. Hydrology and Earth System Sciences 13(6), 735–747.

Maidment, D.R. 1992. Handbook of Hydrology. McGraw-Hill, Co., New York.

Neitsch, S. L., J. G. Arnold, J. R. Kiniry, J. R. Williams and K. W. King. 2002. Soil and water assessment tool: Theoretical documentation. Blackland Research Center, Texas Agricultural Experiment Station.

Rost, S., et al. 2008 Agricultural green and blue water consumption and its influence on the global water system. Water Resources Research 44, W09405.

Rostamian, R., A. Jaleh, M. Afyuni, S. F. Mousavi, M. Heidarpour, A. Jalalian and K. C. Abbaspour. 2008. Application of a SWAT model for estimating runoff and sediment in two mountainous basins in central Iran. Hydrol. Sci. J. 53(5): 977-988.

Schuol, J., Abbaspour, K. C., Yang, H., Srinivasan R., and Zehnder. A. J. B. 2008. Modelling blue and green water availability in Africa. Water Resources. Research. 44: 1-18.

Xu, Z. and Zuo, D. 2014. Simulation of blue and green water resources in Wei River basin, China. Evolving Water Resources Systems: Understanding, Predicting and Managing Water–Society Interactions Proceedings of ICWRS2014, Bologna, Italy, June 2014 (IAHS Publ. 364, 2014). 486-491

Zang, C. F., et al. 2012. Assessment of spatial and temporal patterns of green and blue water flows under natural conditions in inland river basins in Northwest China. Hydrology and Earth System Sciences 16(8), 2859–2870