ارزﯾﺎﺑﯽ ﻣﺆﻟﻔﻪ ﻫﺎي ﻫﯿﺪروﻟﻮژﯾﮑﯽ ﺣﻮﺿﻪ ﺑﺎ ﮐﻤﮏ ﻣﺪل ﻣﻔﻬﻮﻣﯽ ﭘﯿﻮﺳﺘﻪ ﺑﺎرش - رواﻧﺎب ﺷﻤﺎره ﻣﻨﺤﻨﯽ اﺻﻼح ﺷﺪه

Assessment of basin hydrological components by modified conceptual continuous rainfall-runoff SCS-CN

سابقه و هدف: مدل هاي شبيه سازي هيدرولوژيكي پيوسته و روزانه يكي از بهترين ابزارهاي برآورد رواناب حاصل از بارندگي مي باشند. اين مدل ها با شبيه سازي فرايند تبديل بارش به رواناب قادر به تخمين ميزان رواناب حوضه هاي آب ريز فاقد ايستگاه اندازه گيري با كمترين زمان و هزينه ممكن مي باشند. هدف اين مقاله معرفي يك روش مدلسازي پيوسته، مفهومي و روزانه بارش-رواناب بر مبناي روش شماره منحني تغيير يافته است كه با استفاده از آن بتوان علاوه بر رواناب خروجي حوضه ، غالب يا مغلوب بودن فرآيند هاي هيدرولوژيكي مدل را نيز مشخص كرد. مواد و روش ها: درتحقيق حاضر مدل بارش-رواناب بر اساس مدل شماره منحني اصلاح شده ،به صورت يكپارچه، مفهومي و در مقياس روزانه در محيط برنامه نويسي متلب كدنويسي شد و با استفاده ازالگوريتم بهينه سازيPSO و تابع هدف ناش-ساتكليف (NSE) واسنجي گرديد. واسنجي مدل توسط الگور يتم PSO (كدنويسي شده در زبان برنامه نويسي متلب) و با تكرار نه هزار مرتبه اجراي مدل، انجام شد. بدين ترتيب كه ، ابتدا متغيرهاي تصميم (پارامترهاي مدل )در محدوده مشخص شده به صورت تصادفي مقداردهي اوليه شده و سپس الگوريتم PSOاجرا اشده و سري پارامتر بهينه محاسبه گرديد. ضمن آنكه در مرحله شبيه سازي مدل ذكر شده با استفاده از داده هاي ايستگاه معرف جهاني براي حوضه ليف واقع در شمال شهركالينز در ايالت مي سي سي پي آمريكا و همچنين يكي از زيرحوضه هاي كرخه در داخل كشور واسنجي و صحت سنجي شده است. يافته ها : مقايسه مقادير رواناب مشاهده شده و شبيه سازي شده در حوضه ليف با كمك آماره هاي ريشه ميانگين مربعات خطا (RMSE) ، ضريب ناش-ساتكليف (NSE) و معيار كلينگ گوپتا (KGE) به ترتيب در دوره ي واسنجي 4/1 ، 81/0و 87/0 و در دوره ي صحت سنجي 53/2، 83/0 و 86/0 نشان از عملكرد مناسب و قابل قبول مدل داشت. نتايج معيارهاي مذكور در زير حوضه قره سو نيز قابل قبول برآورد گرديد ولي به دليل كيفيت بالاتر داده هاي حوضه ليف نتايج آن نسبتاً بهتر ارزيابي مي گردد. نتايج مدل حاضر با خروجي هاي مشابه از مدل مفهومي بارش– رواناب روزانه Hymod (و با حيث ورودي هاي يكسان) مقايسه گرديد. به طور كلي برتري نسبي مدل Hymod در مقايسه نتايج در هر دو حوضه به چشم مي خورد كه دليل آن را شايد بتوان در عدم قطعيت كمتر ناشي از تعداد كمتر پارامترها و روابط ساده تر مدل Hymod جستجو كرد. ضمن آنكه مدل ارائه شده مبتني بر شماره منحني علي رغم دارا بودن معيارهاي كمتر از مدل hymod به دليل محاسبه مولفه هاي مختلف هيدرولوژيكي شامل جريان مياني، جريان پايه، تلفات اوليه، نفوذ زيرسطحي، زهكشي و رواناب سطحي از اهميت ويژه اي برخوردار بوده و اطلاعات دقيق تري از فرآيند هاي غالب موثر در رژيم هيدرولوژيكي زيرحوضه ها را در اختيار قرار مي دهد. نتيجه گيري: مدل (SCS–CN)اصلاح شده مدلي مفهومي بوده كه رواناب را با استفاده از داده هاي بارش و تبخير- تعرق پتانسيل روزانه و با دقت مناسب محاسبه مي نمايد. مزيت اصلي اين مدل نسبت به ساير مدل هاي مفهومي (به عنوان مثال hymod در اين تحقيق) برآورد اجزاي هيدرولوژيكي مدل و تعيين پروسه غالب حوضه آبريز مورد مطالعه مي باشد. در اين تحقيق مي توان سه جز اصلي نفوذ، تبخير و رواناب سطحي را به ترتيب فرآيندهاي غالب در حوضه آبريز ليف و همان فرآيندها ولي با ترتيب از آخر به اول را فرآيندهاي غالب در زير حوضه قره سو دانست. بنابراين مديريت حوضه آبريز با كمك خروجي هاي خاص ناشي از اين نوع مدل ها (درصد مقادير اجزاء مختلف رابطه بيلان هيدرولوژيكي) به نحو بسيار موثرتري قابل حصول مي باشد.

Background and Objectives: Since the problem of predicting and runoff estimating play a key role in integrated water resources management, therefore hydrological modeling especially continuous rainfall-runoff modeling may be most important part of water resource planning which is released from reservoir dams. Thus continuous daily hydrological models are useful tools for estimating runoff from rainfall. These models are able to estimate the runoff in ungagged basin. The purpose of this paper is to provide a continuous simulation model for Hydrologic forecasting so that investigate dominancy or dormancy of the processes. Materials and Methods: In this study rainfall-runoff processes involved in modified SCS-CN model calibrated in Leaf River Watershed located in US and Qarasou subbasin located in west of Iran through PSO optimization algorithm developed in MATLAB programming language with 9000 simulation numbers. Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) is used as objective function and the decision variables (14 parameters) within the specified range are randomly initialized. Optimum parameters were extracted through PSO. This model is calibrated and validated with two periods 1957-1961 and 1953 for Leaf River Watershed and two periods 1381-1384 and 1387 for Qarasou subbasin respectively. Results: Model parameters were calibrated and Validation for two case studies. Comparison of the observed and simulated runoff carried out based on three performance criteria: Nash-Sutcliffe (NSE) and Kling-Gupta Efficiency (KGE) and Root Mean Square Error (RMSE). Proposed model performed these three statistics respectively for leaf River Watershed 0.81,0.87,1.40 as calibration period and 0.83, 0.86, 2.53 as validation period. Reasonable values for these criteria is also attained in Qarasou subbasin but due to more reliable data, better results is expected in Leaf River watershed. A result comparison of the SCS-CN model with Hymod as a simple conceptual model, both with the same inputs revealed latter model can simulate hydrology behavior of Leaf River Watershed and Qareso River Watershed slightly better. This may be originated due to fewer model complexities and thus less parameter uncertainty of Hydmod. In spite of this superior skill in runoff simulation of Hymod, special capabilities of modified SCS-CN model which calculate hydrological components (baseflow, percolation, throughflow, surface runoff and initial abstraction) may prove usefulness and efficiency of this new model easily. Conclusion: Modified SCS-CN model as a conceptual model calculates daily runoff using rainfall and potential evapotranspiration dataset. This model may be used to assess annual hydrologic components as well as total runoff values. Based on the results, the dominancy of the infiltration, evaporation and surface runoff processes were approved in Leaf River Watershed. These three processes but in reverse order is ranked in Qarasou subbasin as main hydrological components.