محاسبه اجزای بیلان آب در حوضه‌های فاقد آمار با استفاده از مدل مفهومی بیلان آب توماس و محصولات ماهواره‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، ایران

2 استادیار گروه مهندسی آب و محیط زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

از مهم‌ترین مسائلی که در بحث مدیریت منابع آب و در نتیجه تصمیم‌گیری‌ها و برنامه‌ریزی‌ها برای مصرف آب در بخش‌های مختلف باید به آن توجه ویژه‌ای داشت، بیلان آب می‌باشد. در این مقاله با بهره‌گیری از محصولات سنجش‌ازدور به محاسبه و ارزیابی مدل مفهومی بیلان آب توماس (abcd) در حوضه‌ای با شرایط اقلیمی نیمه‌خشک پرداخته شد. ابتدا محصولات ماهانه بارش ماهواره‌ای IMERG و دمای بازتحلیل شده ERA5 در مقایسه با داده‌های ایستگاه‌های زمینی مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج ارزیابی این محصولات با استفاده از پنج شاخص آماری ضریب همبستگی پیرسون (R)، خطای مجذور میانگین مربعات (RMSE)، میانگین قدر مطلق خطا (MAE)، ضریب کارایی نش-ساتکلیف (NS) و ضریب انحراف (BIAS) در زیرحوضه زرنده واقع در منطقه نیشابور، حاکی از دقت و همبستگی بالای آن‌ها با داده‌های ایستگاه‌های زمینی دارد. در ادامه با استفاده از این محصولات و سامانه اطلاعات جغرافیایی، مدل مفهومی بیلان آب توماس برای این زیرحوضه در محیط نرم‌افزار MATLAB توسعه داده شد و عملکرد آن در شبیه‌سازی رواناب حوضه مورد بررسی قرار گرفت. همچنین به منظور کاهش عدم قطعیت‌ها در پارامترهای مدل و برآورد آن‌ها، از اعداد فازی و روش مونت‌کارلو استفاده شد. بهینه‌سازی این مدل با دو تابع هدف مختلف ضریب کارایی نش-ساتکلیف و ضریب تعیین صورت گرفت. نتایج نشان از دقت بالای مدل بیلان آب abcd با استفاده از محصولات سنجش‌ازدور در منطقه مورد مطالعه دارد و به خوبی رفتار دبی خروجی از زیرحوضه زرنده را شبیه‌سازی کرده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Calculation of Water Balance Components in Ungauged Watersheds Using the Conceptual Model of Thomas Water Balance and Satellite Products

نویسندگان [English]

  • Masoud Baseri 1
  • Emad Mahjoobi 2
1 M.sc. in Water Resource Management and Engineering, Shahrood University of Technology, Iran
2 Assistant Professor, Department of Water and Environmental Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

Water balance is one of the most important issues that should be paid special attention in the discussion of water resources management and as a result of decisions and plans for water consumption in different sectors. In this paper, using remote sensing products, the conceptual model of Thomas water balance (abcd) in a basin with semi-arid climatic conditions was calculated and evaluated. First, the monthly output of IMERG satellites and the re-analysed temperature of ERA5 were compared with ground-based measurements. Evaluation results of these products using five statistical indicators including Pearson correlation coefficient (R), root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (NS) and deviation coefficient (BIAS) in the Zarandeh sub-basin located in Neishabour region shows their high accuracy and correlation with observations. Then, using these products and GIS, the conceptual model of Thomas for this sub-basin was developed in MATLAB software and its performance in basin runoff simulation was investigated. Fuzzy numbers and the Monte Carlo method were also used to reduce uncertainties in model parameters. This model was optimized with two different objective functions of Nash-Sutcliffe efficiency coefficient and determination coefficient. The results show the high accuracy of the abcd water balance model using remote sensing products in the study area and well simulation of the discharge behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • ERA5
  • Fuzzy Numbers
  • IMERG
  • Monte Carlo
  • Thomas Water Balance Model

مراجع

امینی، م.، ترکان، غ.، اسلامیان، س.، زارعیان، م. و بسالت‌پور، ع. 1397. ارزیابی مدل هیدرولوژیک SWAT در شبیه‌سازی بیلان آب در حوضه‌های آبریز مناطق نیمه‌خشک (مطالعه موردی: حوضه آبریز زاینده‌رود). نشریه آب و خاک. 32 (5): 863-849.
پورمحمدی، س.، دستورانی، م.، مساح بوانی، ع.، جعفری، ه. و رحیمیان، م. 1394. مدلی برای تعیین اجزای بیلان آب سطحی و زیرزمینی دشت تویسرکان. نشریه دانش آب و خاک. 25 (3): 296-281.
رضوی کهنمویی، س.س.، داوری، ک.، قهرمان، ب. و جودوی، ع. 1398. مروری بر مدل‌های بیلان آب: بررسی مدل‌های ریاضی مفهومی برای حوضه آبریز. مجله پژوهش آب ایران. 13 (4): 136-125.‎
شفیعی، م. و قراری، ش. 1396. مروری بر مفاهیم مدل‌سازی هیدرولوژی: بخش اول، معرفی فرآیند مدل‌سازی. نشریه آب و توسعه پایدار. 4 (2): 102-95.
علیزاده، ا. 1396. اصول هیدرولوژی کاربردی. چاپ چهل و دوم، انتشارات آستان قدس رضوی، مشهد.
فرجی، ز. و کاویانی، ع. 1398. ارزیابی اجزای بیلان آب حاصل از مدل سطح زمین GLDAS-2 و GLDAS-2.1 در استان قزوین. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 13 (2): 474-462.
Al-Lafta, H. S., Al-Tawash, B. S. and Al-Baldawi, B. A. 2013. Applying the “abcd” monthly water balance model for some regions in the United States. Advances in Physics Theories and Applications. 25(1): 36-47.
Fernandez, W., Vogel, R. M. and Sankarasubramanian, A. 2000. Regional calibration of a watershed model. Hydrological sciences journal. 45(5): 689-707.
Gleixner, S., Demissie, T. and Diro, G. T. 2020. Did ERA5 improve temperature and precipitation reanalysis over East Africa?. Atmosphere. 11(9): 996.
Hosseini-Moghari, S. M. and Tang, Q. 2020. Validation of GPM Imerg v05 and v06 precipitation products over Iran. J. of. Hydrometeorol. 21(5): 1011–1037.
http://wrs.wrm.ir/amar/
Khazaei, B. and Hosseini, S. M. 2015. Improving the performance of water balance equation using fuzzy logic approach. Journal of Hydrology. 524: 538-548.
Marinou, P. G., Feloni, E. G., Tzoraki, O. and Baltas, E. A. 2017. An implementation of a water balance model in the Evrotas basin. Eur. Water. 57: 147-154.
Martinez, G. F. and Gupta, H. V. 2010. Toward improved identification of hydrological models: A diagnostic evaluation of the “abcd” monthly water balance model for the conterminous United States. Water Resources Research. 46(8).
Nasseri, M., Zahraie, B., Ansari, A. and Solomatine, D. P. 2013. Uncertainty assessment of monthly water balance models based on Incremental Modified Fuzzy Extension Principle method. Journal of Hydroinformatics. 15(4): 1340-1360.
Tayefeh Neskili, N., Zahraie, B. and Saghafian, B. 2017. Coupling snow accumulation and melt rate modules of monthly water balance models with the Jazim monthly water balance model. Hydrological Sciences Journal. 62(14): 2348-2368.
Thomas, H. A. 1981. Improved methods for national water assessment: Final report. US Geol. Surv. Water Resour. Contract WR. 44.
Thornthwaite, C. W. 1948. An approach toward a rational classification of climate. Geographical review. 38(1): 55-94.
Wang, X., Gao, B. and Wang, X. 2020. A Modified ABCD Model with Temperature-Dependent Parameters for Cold Regions: Application to Reconstruct the Changing Runoff in the Headwater Catchment of the Golmud River, China. Water. 12(6): 1812.
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 16، شماره 2 - شماره پیاپی 92
خرداد و تیر 1401
صفحه 344-356

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار