ارزیابی توزیع مکانی پهنه‌های خطر سیلخیزی‌ در حوضه آبخیز قورچای رامیان با استفاده از مدل KINEROS2

شیخ, واحدبردی; احمدی, علی; کمکی, چوقی بایرام

doi:10.22111/jneh.2020.31902.1572

ارزیابی توزیع مکانی پهنه‌های خطر سیلخیزی‌ در حوضه آبخیز قورچای رامیان با استفاده از مدل KINEROS2

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشیار، گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

² دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

³ استادیار، گروه مدیریت مناطق بیابانی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

10.22111/jneh.2020.31902.1572

چکیده

مدل‌‌سازی توزیعی مکانی فرآیند بارش – رواناب در حوضه‌‌های آبخیز با توجه به کمی سازی مقادیر مولفه های گوناگون هیدرولوژیکی در هر نقطه از حوضه آبخیز ابزار مناسبی را برای مدیریت منابع آب، مهندسی رودخانه، طراحی سازه‌‌های کنترل سیل و شبیه سازی سناریوهای مختلف مدیریت حوضه آبخیز اهمیت ویژه‌‌ای دارد. در این پژوهش، از مدل KINEROS2، برای ارزیابی توزیع مکانی مقادیر مولفه های فرآیند بارش - رواناب جهت شناسایی پتانسیل تولید رواناب سطحی و پهنه‌‌های سیل‌‌خیز در حوضه آبخیز قورچای رامیان در شرق استان گلستان با مساحتی بالغ بر 254 کیلومترمربع استفاده شده است. برای ارزیابی کارایی مدل، تعداد شش واقعه سیلاب و بارش متناظر حوضه آبخیز که دارای داده های ثبت شده بودند انتخاب و به دو دسته سه‌تایی تقسیم شد. از دسته اول جهت اجرا و واسنجی و از دسته دوم جهت اعتبارسنجی مدل استفاده گردید. کاربری غالب آین آبخیز جنگل های هیرکانی و اراضی زراعی شیبدار می باشد. شبیه‌سازی فرآیند بارش - رواناب با گام زمانی ساعتی انجام شد. نتایج ارزیابی کارآیی مدل در حوضه آبخیز قورچای رامیان نشان داد که مدل KINEROS2 از بین مؤلفه‌های هیدرولوژیکی، دبی اوج و زمان تا اوج هیدروگراف سیل را به‌خوبی شبیه‌سازی می‌‌کند ولی در برآورد حجم سیل کارآیی خوبی ندارد. نقشه خروجی عمق رواناب شبیه سازی شده نشان می دهد که مناطق مختلف حوضه آبخیز دارای پتانسیل متفاوت سیلخیزی می باشند. بطوریکه بخش های میانی حوضه که دچار تغییرات کاربری اراضی گسترده ای از جنگل به اراضی زراعی شیبدار شده اند دارای خطر سیلخیزی بالا می باشند و بخش بالادست حوضه آبخیز علیرغم شیب زیاد پتانسیل سیلخیزی کمی دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Assessment of spatial distribution of flood generation hotspots in the Ramian’s Ghoorchay watershed using KINEROS2 model

نویسندگان [English]

Vahedberdi Sheikh ¹
Ali Ahmadi ²
Chooghi Bayram Komaki ³

¹ Associate Professor., Watershed Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran.

² MSc Student, Watershed Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran.

³ Assistant Professor, Arid Zone Management Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran.

چکیده [English]

Considering the ability for spatial quantification of various hydrological components, the distributed modeling of rainfall-runoff processes across the watersheds plays a key role in terms of water resources management, river engineering, flood control, and storage facilities as well as simulation of different watershed management scenarios. To this end, the Kinematic Runoff and erosion model, KINEROS2, has been used to assess the spatial distribution of rainfall-runoff processes components for the identification of surface runoff and flood generation hotspots across the Ramian’s Goorchay watershed with an area of about 254 km2 in the east of the Golestan Province. For evaluation of the model performance, 6 recorded rainfall-runoff events in the watershed were selected and divided into two sets of 3 events. The first set was used to run and calibrate the model and the second set was used to validate the model results. The mainland use types of the watershed are the Hyrcanian lush forest and rainfed agriculture on sloping lands. The rainfall-runoff simulations were carried out on an hourly basis. The results of the performance evaluation of the model indicated that the KINEROS2 model is good enough at simulating the hydrological components of peak discharge and time to peak of flood hydrographs. However, it rarely performs well at simulating flood volume. The spatially distributed simulated map of surface runoff depth shows that various locations of the watershed have different flood generation potential. Whereas, the middle section of the watershed, where extensive land use change from forest to agriculture has occurred, shows high flood generation hazard potential, while the upstream section of the watershed displays lower flood generation potential despite having steep slopes.

کلیدواژه‌ها [English]

Flood generation hazard zonation
Rainfall – runoff simulation
Hydrological model
Flood hydrograph
Land use

مراجع

آقایی دانشور فرنوش، خانجانی محمدجواد (1384)، ساختار مدل KINEROS2 در برآورد مقدار رواناب و رسوب در حوضه آبریز، مجموعه مقالات دومین کنفرانس سراسری آبخیزداری و مدیریت آب و خاک، اسفند 1384، کرمان، ص 86.

آقایی دانشور فرنوش، خانجانی محمدجواد (1386)، پیش‌بینی و برآورد دبی سیلاب خروجی و بار رسوب در سطح حوزه آبریز چشمه عروس کرمان با اجرای مدل KINEROS2، از طریق ابزار AGWA. مجموعه مقالات نهمین سمینار سراسری آبیاری و کاهش تبخیر، بهمن 1386، کرمان، ص 143.

اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان (1389)، مطالعات تفصیلی و اجرایی حوزه آبخیز رامیان، گزارش هیدرلوژی حوزه آبخیز رامیان، صفحه 21-40.

ایزدی سعیده، جعفرپور زین العابدین، قادری، حیدر (1390)، تجزیه و تحلیل ژئومورفولوژیکی سیل در حوضه انتهایی رود کر با تاکید بر مدیریت سیل، فصلنامه جغرافیا، دوره 5، شماره 16، صص 96 – 83 .

جاویدان نرگس، بهره مند عبدالرضا (1394)، تفکیک مؤلفه های جریان سیل توسط مدل هیدرولوژیکی- توزیعی WetSpa در حوزه آبخیز زیارت- گرگان، نشریه پژوهش های حفاظت آب و خاک، جلد 22، شماره 5، صص 246 – 233.

سلمانی حسین، محسنی ساروی محسن، روحانی حامد، سلاجقه علی (1391)، ارزیابی تغییر کاربری و تأثیر آن روی رژیم هیدرولوژیکی در حوزه آبخیز قزاقلی استان گلستان، پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، دوره 3، شماره 6، صص 60 – 43.

رضازاده محمدسهیل، گنجعلی خانی معین، ذونعمت کرمانی محمد (1394)، مقایسه عملکرد مدل هیدرولوزیکی نیمه توزیعی SWAT و مدل یکپارچه HEC-HMS در شبیه‌سازی دبی جریان (مطالعه موردی: حوضه آب بخشا)، اکوهیدرولوژی، دوره 2، شماره 4، صص 479-467.

کمانگر خسرو (1391)، اثر سناریوهای رگبار بر روی هیدروگراف سیل با استفاده از هیدروگراف واحد لحظه ای ژئومورفولوژیک (مطالعه موردی: جعفرآباد گرگان استان گلستان)، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، 91 ص.

ملائی فر عیسی (1392)، ارزیابی کارایی مدل KINEROS2، برای شبیه‌سازی هیدرو گراف سیلاب حوزه آبخیز زیارت. پایان‌نامه کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی استان گلستان، 80 صفحه.

ملائی فر عیسی، شیخ واحدبردی، بهره مند عبدالرضا، فرامرزی حسن (1397)، ارزیابی کارآیی مدل KINEROS2 برای شبیه سازی هیدروگراف سیلاب (مطالعه موردی حوزه آبخیز زیارت)، فصلنامه اکوسیستم های طبیعی ایران، سال نهم، شماره 3، صص 54 – 33

مزیدی احمد، کوشکی سمیرا (1394)، شبیهسازی بارش – رواناب و تخمین سیل در حوزه آبریز خرم آباد با مدل HEC-HMC، فصلنامه جغرافیا و توسعه، دوره 13، شماره 41، صص 10-1.

معماریان هادی، پوررضا بلندی محسن، کومه، زینت (1397)، بهینه سازی پارامترهای مدل KINEROS2 با استفاده از الگوریتم PSO برای شبیه سازی رخداد سیل (مطالعه موردی: حوزه تمر استان گلستان)، پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز. دوره 9، شماره 18، صص 110 - 91 .

مهندسین مشاور ساز آب استان گلستان (1395)، مطالعات بازبینی و بررسی اثرات طرح جامع سیل و توسعه و تدوین برنامه بلند مدت سیل در استان گلستان، 102 ص.

میرزایی شهناز، اسمعلی عوری اباذر، مصطفی زاده رئوف، قربانی اردوان، میرزایی سجاد (1397)، مدل سازی جریان و تعیین سهم مشارکت زیر حوزه ها در هیدروگراف سیل در حوزه آبخیز عموقین، استان اردبیل، مخاطرات محیط طبیعی، دوره 7، شماره 18، صص 108 – 89.

ناصرآبادی فواد، اسمعلی عوری اباذر، اکبری حسین، رستمیان، رخساره (1392)، تحلیل حساسیت مدل SWAT در حوزه آبخیز قره‌سو اردبیل، مهندسی و مدیریت آبخیز، جلد 5، شماره 4، صص 265 – 255.

نام‌آور بهاره (1390)، پیش‌بینی رواناب در حوضه آبریز کامه با اجرای مدل KINEROS2، از طریق ابزار AGWA-GIS، پایان‌نامه کارشناسی ارشد آبیاری زهکشی، دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد، 85 ص.

Al-Qurashi, A., McIntyre, N., Wheater, H., & Unrich, C., (2008), Application of the KINEROS2 rainfall-runoff model to an arid catchment in Oman. Journal of Hydrology. 355, 91-105.

An, M., Han, Y., Xu, L., Wang, X., & Pang, D., (2019). KINEROS2-based simulation of total nitrogen loss on slopes under rainfall events. CATENA, 17, 13-21. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.01.039.

Feyereisen, G.W., Strickland, T.C., Bosch, D.D., & Sullivan, D.G., (2007), Evaluation of SWAT manual calibration and input parameter sensitivity in the little river watershed. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 50(3), 843-855.

Hantush, M., & Kalin, L., (2005), Uncertainty and sensitivity analysis of runoff and sediment yield in a small agricultural watershed with KINEROS2. Journal – des Science Hydrologiques, 50(6), 1151.

Jha, M.K., Gassman, P.W., & Arnold, J.G., (2007), Water quality modeling for the Raccoon River watershed, using SWAT. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 50(2), 479−49.

Korgaonkar, Y., Guertin, D. P., Goodrich, D. C., Unkrich, C., Kepner, W. G., & Burns, I. S., (2018). Modeling urban hydrology and green infrastructure using the AGWA urban tool and the KINEROS2 model. Frontiers in Built Environment, 4. Doi:10.3389/fbuil.2018.00058

Memarian, H., Balasundram, S.K., Talib, J.B., Sung, C.T.B., Sood, M.A., & Abbaspour, K.C., (2013), KINEROS2 application for land-use cover change impact analysis at the Hulu Langat Basin, Malaysia. Water and Environment Journal, 27, 549-560. https://doi.org/10.1111/wej.12002.

Parlange, J.Y., Lisle, I., Braddock, R.D., & Smith, R.E., (1982), The three-parameters infiltration equation. Soil Science. 133(6), 337-41.

Rawls, W.J., Brakensiek, D.L., & Saxton, K.E., (1982), Estimation of soil water properties. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 25(5), 1316-1320.

Safari, A.R., Smedt, F., & Moreda, F., (2012), WetSpa model application in the Distributed Model Intercomparison Project (DMIP2). Journal of Hydrology, 418, 78-89.

Semmens, D.J., Goodrich, D.C., Unkrich, C.L., & Smith, R.E., (2004), KINEROS2 modeling framework, Agricultural Research Service, ARS-77, U.S. Dept. of Agriculture, Tucson, Arizona.

Sheikh, V., van Loon, E.E., Hessel, R., & Jetten, V., (2010), Sensitivity of LISEM predicted catchment discharge to initial soil moisture content of soil profile, Journal of Hydrology, 393,174 - 185

Smith, R.E., Goodrich, D.C., & Quinton, J., (1995), Dynamic, distributed simulation of watershed erosion: the KINEROS2 and EUROSEM models. Journal of Soil and Water Conservation. 50(5), 517-20.

Smith, R.E., Goodrich, D.C., & Unkrich, C. L., (1999), Simulation of selected events on the Clatsop catchment by KINEROS2. A report for the GCTE conference on catchment-scale erosion models. Catena, 37, 457-574.

White, K.L., & Chaubey, I., (2005), Sensitivity analysis, calibration, and validation for a malt sit and multivariable SWAT model. Journal of the American Water Resources Association, 41(5), 1077- 1089.

Woolhiser, D.A., Hanson, C.L., & Kuhlman, A.R., (1970), Overland flow on rangeland watersheds. Journal of Hydrology. 9(2), 336-56.

Zhang, X., Liao, C., Li, J., & Sun, Q., (2013), Fractional vegetation cover estimation in arid and semi-arid environments using HJ-1 satellite hyperspectral data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 21, 506 – 512. DOI:10.1016/j.jag.2012.07.003c

Ziegler, A.D., Giambelluca, T.W., & Sutherland, R. A., (2001), Erosion prediction on unpaved mountain roads in northern Thailand. Validation of dynamic erodibility modeling using KINEROS2. Hydrological Processes, 15, 337-358.

Zouheira, I.A., Lajili, L., & Zairi, M., (2015), Rainfall-runoff modeling for predictive infiltration and recharge areas for water management in the semi-arid basin: a case study from Saadine watershed, Tunisia. Arabian Journal of Geosciences, 9(1), pp. 19. DOI:10.1007/s12517-015-2049-3.