|
ارزیابی الگوریتمهای بارش ماهوارهای در شبیهسازی هیدرولوژیکی با استفاده از مدل IHACRES (مطالعه موردی حوضهآبریز رودخانه ششپیر استان فارس، ایران)
|
وحید شکری کوچک*  ، محمدرضا شریفی ، سعید شکری کوچک |
|
|
|
چکیده: (3157 مشاهده) |
مقدمه
مدلهای هیدرولوژیکی ابزارهای قدرتمندی برای فهم و تخمین پاسخهای هیدرولوژیکی حوضهآبریز هستند. آنها نقش حیاتی در مدیریت منابع آب، مهندسی رودخانه، کنترل و ذخیره سیلاب ایفا میکنند. ارزیابی جنبههای کمی و کیفی مدلهای هیدرولوژیکی با رویکرد سیستماتیک ضروری است. متغیرهای کلیدی مؤثر بر چرخه هیدرولوژیکی شامل بارش، دما، کاربری اراضی، بافت خاک، ارتفاع و تبخیروتعرق هستند. اندرکنش پیچیده بین این متغیرها، چرخه هیدرولوژیکی را به یک فرآیند نسبتاً پیچیده تبدیل میکند و استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی را برای ارزیابی ضرروی میسازد. مهمترین پارامتر ورودی در فرآیندهای شبیهسازی هیدرولوژیکی بارش است. قابل دسترس بودن داده بارش مناسب در زمانها و موقعیتهای مختلف بسیار مهم است. امروزه، اغلب دادههای بارش از ایستگاههای بارانسنجی زمین-مبنا یا رادارهای هواشناسی جمعآوری میشود. مانند هزینه بالا، کمبود ابزرهای پایش در مناطق صعب العبور، توزیع نامناسب، فقدان داده، عملکرد نادرست دستگاهها و خطاهای انسانی از جمله مشکلات همیشگی کاربران دادههای بارش هستند. از این رو، فقدان دادههای معتبر و کامل بارش یک چالش بزرگ در تحلیل و پیشبینی هیدرولوژیکی برای مدیریت منابع آب است. در نتیجه، پایش بارش در مقیاسهای زمانی کوتاه و مقیاسهای مکانی کوچک نقش مهمی در شبیهسازیهای هیدرولوژیکی و در نهایت مدیریت منابع آب دارد. در سالهای اخیر، استفاده از سنجش از دور و الگوریتم های تخمین بارش ماهواره ای توسعه یافته و به عنوان جایگزین پیشنهاد شده است. این فناوریها پتانسیل ارائه دادههای جامعتر و دقیقتر بارش را دارند که میتواند عملکرد مدلهای هیدرولوژیکی را به طور قابلتوجهی بهبود بخشد و سبب بهبود مدیریت منابع آب شود.
مواد و روشها
این مطالعه بر ارزیابی هیدرولوژیکی چهار محصول بارش ماهوارهای TMPA-3R42V7، TMPA-3B42RTV7، PERSIANN و PERSIANN-CDR در مدل سازی بارش-رواناب رودخانه ششپیر (5/954 کیلومتر مربع) متمرکز است. حداقل ارتفاع حوضه 1527 متر و حداکثر آن 3666 متر از سطح دریا است. ایستگاه هیدرومتری در طول جغرافیایی 51 درجه و 43 دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی 30 درجه و 01 دقیقه شمالی قرار دارد و داده های دبی روزانه مناسبی برای رودخانه دارد. برای دستیابی به اهداف تحقیق، مدل هیدرولوژیکی مفهومی و پیوسته IHACRES ابتدا با استفاده از اطلاعات بارش و دمای زمینی اندازه گیری شده در بازه زمانی 22 سپتامبر 2004 تا 31 دسامبر 2009 با استفاده از دادههای واسنجی شده ایستگاه هیدرومتری تلمبه حسنی و پارامترهای مدل استخراج شد. سپس مدل IHACRES برای بازه زمانی 1 ژانویه 2010 تا 31 دسامبر 2013 اعتبارسنجی شد. IHACRES یک مدل مفهومی-متریک یکپارچه برای شبیه سازی بارش-رواناب است که از طریق تلاشهای مشترک هیدرولوژیستها از مرکز ارزیابی و مدیریت حوضه آبریز (ICAM) در دانشگاه ملی استرالیا و مرکز اکولوژی و هیدرولوژی (CEH) شورای تحقیقات محیط زیست طبیعی بریتانیا توسعه یافته است. IHACRES یک مدل موثر و کارآمد است که در طیف وسیعی از مناطق آب و هوایی، از جمله مناطق خشک و نیمه خشک، کاربرد داشته است. شاخصهای ارزیابی مورد استفاده در این مطالعه شامل ضریب تعیین (R2)، کارایی ناش-ساتکلیف (NSE)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و کارایی ناش-ساتکلیف لگاریتمی (log NSE) است.
نتایج و بحث
نتایج واسنجی مدل برای حوضهآبریز شش پیر نشان داد که عملکرد قابل قبولی دارد، با شاخصهای آماری کارایی نش ساتکلیف (NSE) و ضریب تعیین (R2) به ترتیب 8/0 و 8/0، و نتایج اعتبارسنجی بر اساس شاخصهای آماری فوق به ترتیب 62/0 و 66/0، که نشاندهنده عملکرد قابلقبول مدل هیدرولوژیکی IHACRES است. سپس، محصولات بارش ماهوارهای که هدف این مطالعه معرفی آنها به عنوان جایگزین بارش میانگین ایستگاهی استفاده شدند، بر اساس شاخصهای آماری نتایج نشان میدهد که PERSIANN-CDR توانایی بالاتری در شبیه سازی بارش-رواناب نسبت به سایر الگوریتمها دارد. ضریب تعیین برای الگوریتم PERSIANN-CDR 79/0 و برای الگوریتمهای TMPA-3B42V7، TMPA-3B42RTV7، PERSIANN به ترتیب 67/0، 61/0، 1/0 است. همچنین، بر اساس شاخص آماری NSE، ارزیابی مدلهای هیدرولوژیکی برای شبیهسازی مدل بارش-رواناب با الگوریتم PERSIAN-CDR، در دوره کالیبراسیون 70/0 و در دوره اعتبارسنجی 69/0 است، که نشاندهنده عملکرد مناسب مدل بارش-رواناب IHACRES با الگوریتم بارش PERSIANN-CDR است. الگوریتم PERSIANN-CDR توانایی بالاتری نسبت به سایر الگوریتمها دارد؛ از طرف دیگر، عملیات اصلاح خطای مدل PERSIANN-CDR موفق است، اما استفاده از مدل با تأخیر زمانی TMPA-3B42V7 تأثیر قابلتوجهی بر نزدیک شدن مدل به زمان واقعی ندارد. به طور کلی، مدل IHACRES، همراه با محصول بارش ماهوارهای PERSIANN-CDR، نتایج امیدوارکنندهای در شبیهسازی فرآیندهای بارش-رواناب در حوضهآبریز شش پیر، که در منطقه آب و هوایی نیمه خشک قرار دارد، نشان داد. این مطالعه پتانسیل استفاده از دادههای بارش ماهوارهای به عنوان جایگزین قابلقبول برای مشاهدات زمینی در مدلسازی هیدرولوژیکی در مناطقی با داده کم را برجسته کرد.
نتیجهگیری
نتایج این تحقیق نشان میدهد که مدل IHACRES از توانایی بالایی در شبیهسازی هیدرولوژیکی حوزه آبخیز و برآورد جریان به صورت یکپارچه برخوردار است. این مطالعه همچنین پتانسیل الگوریتمهای بارش ماهوارهای برای جایگزینی دادههای مشاهداتی زمینی در مواردی که چنین دادههایی کم یا در دسترس نیستند را نشان میدهد. یکی از یافتههای کلیدی پژوهش حاضر، تأثیر عملیات اصلاح خطا بر عملکرد محصولات بارش ماهوارهای است. مطالعه نشان میدهد که اصلاح خطا در محصول PERSIANN-CDR منجر به بهبود قابلتوجهی در عملکرد آن شده است، در حالی که تنظیمات مشابه در محصول TMPA-3B42V7 چنین نتایج چشمگیری به دنبال نداشته است. ارزیابی چهار الگوریتم بارش ماهوارهای PERSIANN، PERSIANN-CDR، TMPA-3B42V7 و TMPA-3B42RT - در زمینه مدلسازی هیدرولوژیکی نشان میدهد که الگوریتم PERSIANN-CDR در میان الگوریتمهای مورد آزمایش، بیشترین قابلیت را دارد. برعکس، عملکرد الگوریتم PERSIANN بسیار ضعیف بوده و استفاده از آن در مدل سازی هیدرولوژیکی توصیه نمیشود. این یافتهها دارای پیامدهای مهمی برای مدیریت منابع آب و تصمیمگیری است. توانایی استفاده مؤثر از دادههای بارش ماهوارهای در مدلسازی هیدرولوژیکی میتواند به ویژه در مناطقی که دادههای مشاهداتی زمینی محدود هستند، ارزشمند باشد. همچنین، بینشهای به دست آمده از تحلیل مقایسهای الگوریتمهای بارش ماهوارهای می تواند در انتخاب و کاربرد مناسبترین محصول برای اهداف خاص مدلسازی هیدرولوژیکی راهنما باشد. به طور کلی، این تحقیق درک جامعی از عملکرد مدل IHACRES و الگوریتمهای بارش ماهوارهای در شبیهسازی هیدرولوژی حوزه آبخیز و برآورد جریان آب ارائه میدهد. |
شمارهی مقاله: 3 |
| واژههای کلیدی: : مدلسازی بارش-رواناب، الگوریتم بارش ماهوارهای، ارزیابی، حوضه ششپیر فارس |
|
|
متن کامل [PDF 3100 kb]
(882 دریافت)
|
نوع مطالعه: پژوهشي |
موضوع مقاله:
تخصصي
دریافت: 1400/4/30 | ویرایش نهایی: 1403/5/14 | پذیرش: 1400/9/8 | انتشار: 1403/3/17 | انتشار الکترونیک: 1403/3/17
|
|
|
|
|
|
