شکل. 1 چرخه hidrologyc

تعادل آب به عنوان تعادل آب ورودی به سیستم و آبی که در مدت زمان مشخص خارج می شود شناخته شده است. اما برای درک بهتر آن باید متوجه بود که: آبخیز چیست؟ در کل، یک کل، به عنوان یک سیستم، غیرمستقیم است، به عنوان فضای محدود شده توسط مجموعه همه سرصفحه هایی که رودخانه اصلی را از طریق قلمرو تخلیه شده توسط یک سیستم زهکشی طبیعی واحد تشکیل می دهند.

علاوه بر این، INE-SEMARNAT Pladeyra در سال 2003، در یک مطالعه مشخص کردند که منابع آب در یک حوضه آبخیز نیاز به یک تعادل دقیق آب دارد (شکل 1)، درک چرخه در مراحل مختلف، چگونگی دریافت آب توسط بارش و گسترش آن در فرایند تبخیر و تعرق، رواناب. و نفوذ.

هدف کلی از ایجاد یک توازن آب یکپارچه و پویا در حوضه تعیین وضعیت فعلی و پیش بینی های آینده منابع آب از نظر کمیت و کیفیت، ایجاد فشار بر آن هنگام توجه به توزیع مکانی و زمانی توزیع و عرضه و در دسترس بودن و تقاضای آنها می باشد. ابزاری برای تدوین دستورالعمل های مربوط به حمایت از منابع، استفاده از مدیریت، استفاده از اراضی، بهبود کیفیت زندگی مردم و سرمایه گذاری ایمن.

 

روش شناسی و ملاحظات نظری برای تعادل آب

برای توسعه تعادل آب با در نظر گرفتن روش کلی، بر اساس ارزیابی و متعادل سازی ورودی ها و خروجی ها در هر نقطه یا منطقه (شکل 2) و در زیر شرح داده شده است:

1. بارندگی

نقطه شروع اکثر مطالعات مربوط به تعادل آب، تعیین یک سری مناسب برای بارش است. داده های بارش شکل گسترده تری نسبت به داده های جریان دارد و کمتر تحت تأثیر تغییرات کاربری زمین قرار می گیرند.

اندازه گیری بارش

بارش ورودی اصلی عنصر زمینی چرخه هیدرولوژیکی است. محاسبه دقیق بارش یک منبع اساسی برای تعادل آب است و باید به طور ویژه به دو حوزه توجه شود:

• دقت اندازه گیری نقطه بارش و
• دقت تبدیل اندازه گیری نقطه به اندازه گیری های حوزه در حوضه آبخیزداری

روش های جمع آوری و ارزیابی داده ها در چندین مرجع توصیف شده است (گری، 1970؛ لینسلی، 1982).

2. تبخیر و تبخیر و تعرق

تبخیر / تبخیر و تعرق اصطلاح جمعی برای کلیه فرآیندی است که با استفاده از آن آب در فاز مایع یا جامد، در یا در نزدیکی سطح زمین، به بخار آب جوی تبدیل می شود. این اصطلاح شامل تبخیر آب مایع از رودخانه ها و دریاچه ها، خاک لخت و سطوح رویشی است.

تبخیر و تعرق از بین رفتن آب از سطح خاک و گیاه است. مورد دوم یکی از کم درک ترین جنبه های چرخه هیدرولوژیکی است.

به طور کلی، روش های تخمین تبخیر یا تبخیر و تعرق بر اساس حوضه آبریز، اولاً به برآورد E و ET بالقوه (PE و PET)، براساس فاکتورهای هواشناسی و سپس تبدیل پتانسیل به یک مقدار واقعی برای آبخیزداری تکیه دارند.

مقادیر PE و PET معمولاً فقط با حداقل خطا می توانند مسافتی را انتقال دهند. برای کاربرد هیدرولوژیکی، انتقال با استفاده از اطلاعات منطقه ای یا داده های کالیبره شده از حوضه های مجاور اغلب ضروری است زیرا داده های مربوطه غالباً برای حوزه آبخیز مورد بررسی در دسترس نیست (سینگ، 1982).

E و ET واقعی با استفاده از PE و PET با توجه به تأمین رطوبت موجود برای هر یک از اجزای یک حوضه آبریز (نوع سطح، پوشش گیاهی، خاک، در دسترس بودن منبع تغذیه آب و غیره) تخمین زده می شود.

جدول 1 نشان می دهد که چگونه انواع روش های تخمین تبخیر و تعرق با توجه به شرایط فوق متمایز می شوند.

جدول 1. طبقه بندی انواع تبخیر و تعرق

 

رویکرد تعادل آب شامل استفاده از معادله تعادل آب به یک منبع آب معین در طی یک دوره زمانی Dt و حل آن معادله برای تبخیر E، به شرح زیر است: (واحدها دارای عمق یا حجم در هر Dt هستند):

ET = P + Q_in + G_in – Q_out - G_out ± DS (شکل 3)

که در آن:

P = بارش؛

Q_in = ورودی سطح؛

Q_out = خروجی سطح؛

G_in = جریان آب زیرزمینی؛

G_out = خروج آب زیرزمینی؛ و

DS = تغییر در ذخیره سازی بیش از Dt.

شکل 3: طرح توازن آب.

3. جذب خالص

جریان خالص حاصل از تفریق کل جذب منفی ETP است، این مقدار با آب تقسیم شده مطابق مدل تقسیم می شود.

4- نفوذ

آیا حجم آب حاصل از بارندگی از طریق سطح زمین و منافذ خاک و زیر خاک را به طور کامل یا جزئی اشغال می کند.

پس از تفریق ناخالص جذب تبخیر و تعرق، وزن متغیرهای محیطی مؤثر بر ظرفیت نفوذ یا نرخ انتشار موجود در حوضه بسته به نوع خاک ها و سنگ ها، استحکام شیب ها و نوع پوشش گیاهی و کاربری اراضی این محاسبه می شود.

5- رواناب یا جریان سطح

آب باران که به صورت تبخیر نشده یا رواناب سطحی نفوذ نمی کند به شکل زیر است:

آب رواناب در مدت زمان کوتاهی پس از بارش مستقیماً به کانال های سطحی تحویل داده می شود و این شامل رواناب و زیرسطحی سطح نیز می باشد.

رواناب پایه ای است که کانال های کم عمق را در فصل خشک تغذیه می کند.

 

مدل سازی  - مدل SWAT

SWAT (ابزار ارزیابی آب و خاک) یک حوضه رودخانه یا مدل آبخیزداری است که توسط دکتر جف آرنولد (1998) برای خدمات تحقیقات کشاورزی USDA ARS تهیه شده است. مدل اصلاح مدل SWRRB برای کاربرد در حوضه های بزرگ است (آرنولد و همکاران، 1990). این مدل با موفقیت در چندین حوضه در سراسر جهان، در درجه اول در ایالات متحده و کشورهای اروپایی مانند حوضه Motueka  به مساحت 2075 km² در نیوزلند (Cao و همکاران ، 2003)، حوضه آلبان هیلز (1000 کیلومتر مربع) استفاده شد. این در مطالعات (Benedini و همکاران، 2003) ، حوضه Celone Creek به مساحت 24072 km² در ایتالیا (Papagello و همکاران ، 2003) و دیگر تحقیقات یافت می شود.

ابزار شبیه سازی SWAT برای شبیه سازی تأثیر تصمیمات مدیریت جایگزین بر روی آب، رسوب و بازده شیمیایی با دقت مناسب برای حوضه های غیرمجاز تهیه شده است. این کاملترین و پرکاربردترین مدل است (آرنولد و همکاران، 1998؛ نیتس و همکاران، 1999؛ نیتس و همکاران، 2001؛ نیتش و همکاران، 2002).

این مدل آگروهیدولوژی برای اولین بار در سال 1994 توسط آرنولد مورد استفاده قرار گرفت (آرنولد و همکاران، 1998) و در توسعه و تقویت مداوم است. از این رو چندین نسخه در دسترس SWAT مانند SWAT992 در نسخه ویندوز وجود دارد.

SWAT یک الگوی جامع است که برای اجرای آن به تنوع اطلاعاتی نیاز دارد. این اطلاعات که به بانک اطلاعاتی سازماندهی شده است، مربوط به هیدرولوژی، آب و هوا، رسوب گذاری، دمای خاک، رشد محصول، مواد مغذی، سموم دفع آفات، آبهای زیرزمینی و جریان جانبی و مدیریت کشاورزی است.

چرخه هیدرولوژی شبیه سازی شده توسط مدل SWAT بر اساس معادله تعادل آب بنا شده است (Neitsch et al.، 2002):

که در آن، SWt  SW0 به ترتیب ، محتوای نهایی خاک و خاک نهایی (میلی متر در روز) است. t زمان (روز) است؛ R_day میزان بارش (میلی متر در روز) است. Q_surf رواناب (میلی متر در روز) است. Ea تبخیر و تعرق (میلی متر در روز) است. W_perc نفوذ (میلی متر در روز) است. Qgw جریان برگشت (میلی متر در روز) است.

SWAT در یک مرحله زمانی روزانه عمل می کند و نیاز به استفاده از داده های بارندگی روزانه و حداکثر و حداقل دمای هوا دارد. اگر داده در دسترس نیست، آنها توسط مدل تولید می شوند. مدل شبیه سازی بارش توسعه یافته توسط نیکس (1974) یک مدل زنجیره مارکوف مرتبه اول است. تابش خورشیدی، سرعت باد و رطوبت نسبی همیشه شبیه سازی می شوند. مدل SWAT با استفاده از روش شماره منحنی SCS، رواناب سطح را شبیه سازی می کند (USDA-SCS،  1972).

برای تخمین تبخیر و تعرق احتمالی مدل از سه روش استفاده شده است: پنمن-مونتیت (مونتیت، 1965)، هارگریوز و سامانی (1985)، و پریستلی-تیلور (1972). روش Penman-Monteith به ورودی، تابش خورشیدی، دمای هوا و رطوبت نسبی نیاز دارد. روش Priestley-Taylor به تابش خورشیدی و دمای هوا نیاز دارد، در حالی که روش Hargreaves فقط به دمای هوا نیاز دارد.

ادغام سازه های هیدرولیک در سیستم هیدروسیستم، مانند مخازن، توسط معادله تعادل روزانه آب مخزن انجام می شود (نیتس و همکاران، 2002):

جایی که V حجم آب مخزن در پایان روز بر حسب متر مکعب است، V_stored حجم آب ذخیره شده در مخزن در ابتدای روز بر حسب متر مکعب است، V_flowin حجم روزانه آب است که وارد مخزن می شود. بر حسب متر مکعب، V_flowout حجم روزانه آب در جریان از مخزن است بر حسب متر مکعب، V_pcp حجم روزانه بارش در حال سقوط در مخزن است بر حسب متر مکعب، V_evap حجم روزانه آب خارج شده از مخزن با تبخیر بر حسب متر مکعب است. و V_seep حجم روزانه آب از دست رفته از مخزن توسط نشت بر حسب متر مکعب است.

حجم جاری، تأمین کننده آب، از جمله نیاز داخلی، صنعت و نیازهای آبیاری است.

منابع

• Arnold, J.G., Williams, J.R., Nicks, A.D. & Sammons, N.B., SWRRB-A basin scale simulation model for soil and water resources management, Texas A&M Press. College Station, TX., 1990, 255 p.
• Arnold, J. G., Williams, J. R., Srinivason R. & King, K. W., SWAT : Soil and Water Assessment Tools, USDA, ARS 1998, 92p.
• Benedini, E., Commellozzi, F.& Martinelli, A., “ Model SWAT application in the Alban Hills (central Italy)”, 2ème conférence internationale de SWAT à Bari (Italie) 1-4 juillet 2003.
• Cao, W., Boaden, W. B., Davie, T.& Fenemor, A., “Application of SWAT in large mountainous catchment with high spatial variability”, 2ème conference internationale de SWAT à Bari (Italie) 1-4 juillet 2003.
• Garcia, I; Martinez, A &Vidriales, G.,  Delimitación De Zonas Prioritarias Y Evaluación De Los Mecanismos Existentes Para Pago De Servicios Ambientales Hidrológicos En La Cuenca Del Río Pixquiac, Veracruz, México.
• Hargreaves, G.H., Samani, Z.A., “Reference crop evapotranspiration from temperature” Applied Engr. Agric. 1, 1985, pp. 96-99.
• Nicks, A. D., “Stochastic generation of the occurrence, pattern, and location of maximum amount of daily rainfall” In Proc. Symp. Statistical Hydrology, Tucson, AZ, USDA Misc. Pub. No. 1275, US Gov. Print. Office, Washington, DC, 1974, pp.154-171.
• Neitsch, S. L., Arnold, J. G. & Williams, J. R., Soil and Water Assessment Tools : user’s manual version 99.2 , Grassland, Soil and Water Reasearch Laboratory, ARS, octobre 1999, 185 p.
• Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R., Williams, J. R.& King, K. W., Soil and Water Assessment Tools : theoretical documentation version 2000, Grassland, Soil and Water Reasearch Laboratory, ARS, 2002, 91p.
• Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R. & Williams, J. R., Soil and Water Assessment Tools : user’s manual version 2000, Grassland, Soil and Water Reasearch Laboratory, ARS, 2001, 781p.
• Papagallo, G., Lo Porto, A. & Leone, A., “Use of the SWAT model for evaluation of anthropic impacts on water resource quality and availability in the Celone Creek basin (Aupilia Italy)”, 2ème conférence internationale de SWAT à Bari (Italie) 1-4 juillet 2003.
• Priestley, C.H.B. & Taylor, R.J., “On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters” Mon. Weather Rev., 100, 1972, pp. 81-92.
• Sokolov, A & Chapman, T., Métodos de cálculo del balance hídrico. Guia internacional de investigación y métodos. Instituto de Hidrologia de España. 1981.
• Torrico, M., Determinación de Balances Hídricos en Microcuencas y Subcuencas. Agencia Sueca de Cooperación Internacional para el Desarrollo. 2011.
• US Department of Agriculture, Soil Conservation Service (USDA-SCS), National Engineering Handbook, Hydrology section, 1972, Chapters 4-10.

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح