بررسي تغييرات زماني و مكاني مؤلفه‌هاي بيلان آب و هيدروگراف تفكيك شده حوزه آبخيز ارازكوسه از طريق مدلسازي تغذيه آب زيرزميني با مدل WetSpass

Investigation of Temporal and Spatial Variations of Water Balance Components and Hydrograph Separation of Arazkouse Watershed through Groundwater Recharge Modeling using WetSpass Model

سابقه و هدف: يكي از فاكتورهاي مهم و اساسي در توسعه و مديريت پايدار منابع آب زيرزميني، تغذيه آب زيرزميني است. البته با توجه به ارتباط مؤلفه‌هاي بيلان آب ساير عوامل هيدرولوژيكي را نيز بايد در نظر گرفت. برآورد ميزان تغذيه يك فرآيند پيچيده و چالش برانگيز است. به اين دليل كه تغذيه به متغيرهايي محيطي ديگر از قبيل كاربري اراضي، توپوگرافي، خاك، شرايط اقليمي و ديگر ويژگي هاي هيدرولوژيكي وابسته است. در پژوهش حاضر، به كمي‌سازي مؤلفه‌هاي بيلان آب در مقياس زماني ماهانه با رويكرد توزيعي با استفاده از مدل WetSpass پرداخته شده است. مواد و روش ها: با استفاده از مدل WetSpass و داده هاي بارش، دما، تبخير، سرعت باد، عمق آب زيرزميني و نقشه هاي بافت خاك، توپوگرافي و كاربري اراضي حوزه آبخيز ارازكوسه مؤلفه‌هاي بيلان آبي شامل تبخيروتعرق، رواناب، برگاب و تغذيه آب زيرزميني طي سال هاي آماري 2015 -2001 در مقياس ماهانه با قدرت تفكيك مكاني 100 متر در 100 متر شبيه سازي شد. يافته ها: نتايج حاصل از تحقيق با توجه به معيارهاي ارزيابي مورداستفاده در دوره هاي واسنجي و اعتبارسنجي اجزاي هيدروگراف جريان شامل رواناب مستقيم، جريان پايه و جريان كل شبيه سازي توسط مدل و هيدروگراف هاي تفكيك‌شده با استفاده از نرم افزار WHAT نشان دهنده كارايي خوب مدل WetSpass براي شبيه سازي تغذيه آب زيرزميني و ساير مؤلفه‌هاي بيلان آبي حوزه آبخيز ارازكوسه مي باشد. لازم به ذكر است كه مقادير ضريب نش- ساتكليف به عنوان معيار ارزيابي رايج در شبيه سازي هاي هيدرولوژيكي براي رواناب مستقيم براي دوره واسنجي و اعتبارسنجي به ترتيب برابر با 0/6 و 0/54، براي جريان پايه براي دوره واسنجي و اعتبارسنجي به ترتيب برابر 0/55 و 0/53 و براي رواناب كل براي دوره واسنجي و اعتبارسنجي به ترتيب برابر 0/63 و 0/56 به دست آمد. بررسي توزيع زماني- مكاني مؤلفه‌هاي بيلان آب در ماه هاي مختلف در انواع كاربري اراضي و طبقات شيب مختلف نشان داد كه ميزان تغييرپذيري مؤلفه‌ها به طور قابل‌توجهي تحت تأثير فاكتورهاي اقليمي به ويژه بارش، تغييرات فصلي، ويژگي هاي فيزيوگرافي، پوشش گياهي و كاربري منطقه مي باشد. به نحوي كه در مناطق جنگلي حجم سالانه تغذيه و رواناب با توجه به سطح زيرپوشش اين كاربري به ترتيب برابر با 23115791 مترمكعب و 1776217 مترمكعب مي باشد كه بيشترين سهم تغذيه آب زيرزمين در اراضي جنگلي مربوط به طبقه شيب صفر تا 10 درصد مي باشد و بيشترين سهم رواناب در اين كاربري متعلق به شيب هاي بالاتر از 30 درصد مي باشد. بيشترين حجم رواناب سالانه در حوزه آبخيز ارازكوسه به اراضي مسكوني در شيب هاي متوسط و بالا با توجه به درصد سطح تحت پوشش و برابر با 156300 مترمكعب مي باشد. نتيجه گيري: با توجه به ارزيابي مؤلفه‌هاي بيلان آب مي‌توان بيان كرد تغذيه به عنوان عامل مهم بررسي برهمكنش آب سطحي و زيرزميني شناخته شده است. از طرفي مؤلفه مذكور تحت تأثير فاكتورهاي مختلف اقليمي و فيزيوگرافي و پوشش گياهي و كاربري اراضي حوزه آبخيز مي باشد، به همين دليل تخمين صحيح ميزان آن مي تواند نقش مهمي در مديريت و توسعه پايدار منابع آب سطحي و زيرزميني داشته باشد.

Background and aims: Groundwater recharge is one of the most important factors in sustainable development and management of groundwater resources. Obviously, other hydrological, social and economic factors should also be considered. Estimation of recharge is a complex and challenging process. This is due to this fact that recharge is dependent on variables such as land use, topography, soil, climatic conditions, as well as on other hydrological factors. In this research, the monthly water balance components were estimated using distributed WetSpass model. Materials and methods: In this research, water balance components including evapotranspiration, interception, runoff, and groundwater recharge for the Arazkouse Watershed during the years 2001–2015 on a monthly basis at spatial resolution of 100 m * 100 m were simulated using WetSpass model and rainfall, temperature, evaporation, wind velocity, groundwater depth data and soil texture, topography and land use maps of the area. Results: The findings in this research are based on evaluation criteria used in calibration and validation periods of flow hydrograph components including direct runoff, base flow, and total flow simulated by WetSpass model and hydrographs separated by WHAT software. The WetSpass model had a relatively satisfactory performance for simulating groundwater recharge and other hydrologic components of the Arazakouse watershed. It should be noted that the Nash-Sutcliffe coefficient values for the calibration and validation periods ​​as standard criteria of evaluation in the hydrological simulations for direct runoff are 0.6 and 0.51, respectively. In addition, considering the base flow, Nash-Sutcliffe coefficients for the calibration and validation periods were 0.55 and 0.50, respectively. The values for total runoff for calibration and validation periods were 0.63 and 0.53, respectively. After investigating the efficiency of the model, the temporal-spatial distribution of water balance components for different land use types and slope classes was investigated. The analysis shows that the variability of the hydrologic components is significantly affected by climate and its seasonal changes and also by characteristics of physiography, vegetation and land use. The annual volume of recharge and runoff in the forest areas are 23115791 m3 and 1776217 m3 respectively. The highest proportion of runoff in this land use belongs to slopes above 30%. The highest volume of annual runoff in the Arazkoush watershed is in the residential areas in medium and high slopes with 156300 m3. Conclusions: According to the research, it can be stated that the amount of water balance components, especially the amount of recharge as an important factor in the investigation of surface and groundwater interaction are influenced by climatic, physiographic, and land use/land cover factors . Therefore proper estimation of water balance components can play an important role in sustainable management and development of surface and groundwater resources.