تحلیل حساسیت پارامترهای موثر بر رواناب با استفاده از مدل HEC-HMS در حوضه زوجی گنبد همدان

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: مدیریت منابع آب در مناطق نیمه خشک با چالش های متعددی به دلیل شرایط محیطی خاص، از جمله وقوع سیلاب های ناگهانی و رواناب های سطحی، روبه رو است. این مناطق به دلیل ویژگی های اقلیمی و جغرافیایی مانند بارش های رگباری شدید، توزیع نامنظم زمانی و مکانی بارش، تبخیر و تعرق بالا، پوشش گیاهی کم تراکم و خاک های شکننده، مستعد تولید رواناب و وقوع سیلاب های مخرب هستند. مدل سازی دقیق فرآیندهای هیدرولوژیکی، به ویژه پیش بینی دبی اوج و حجم رواناب برای طراحی و اجرای اقدامات مدیریتی موثر مانند کنترل سیلاب، تنظیم رواناب و احیای پوشش گیاهی اهمیت زیادی دارد. مدل های هیدرولوژیکی ابزارهایی موثر برای شبیه سازی این فرآیندها هستند و در میان آن ها، مدل HEC-HMS به دلیل توانایی ترکیب داده های اقلیمی، هیدرومتری و ویژگی های حوزه آبخیز برای شبیه سازی دقیق فرآیند بارش–رواناب کاربرد گسترده ای دارد. تحلیل حساسیت پارامترها نیز روشی کارآمد برای بررسی تاثیر تغییرات پارامترهای ورودی بر خروجی مدل و شناسایی عوامل موثر است که به کاهش عدم قطعیت و افزایش دقت پیش بینی ها کمک می کند. در مناطق نیمه خشک ایران، سیلاب های ناگهانی خسارات قابل توجهی را به زیرساخت ها و منابع طبیعی وارد کرده اند. این پژوهش به بررسی تاثیر احیای پوشش گیاهی بر حساسیت پارامترهای مدل HEC-HMS در دو حوزه آبخیز مجاور در حوضه زوجی گنبد همدان می پردازد؛ یکی به عنوان حوضه شاهد (فاقد عملیات احیا) و دیگری به عنوان حوضه تیمار شده (دارای عملیات احیای پوشش گیاهی). هدف اصلی پژوهش، تحلیل حساسیت پارامترهای موثر بر دبی اوج و حجم رواناب با استفاده از مدل HEC-HMS است. در این مطالعه، فرآیند بارش–رواناب در هر دو حوضه شبیه سازی، مدل با داده های مشاهداتی واسنجی و اعتبارسنجی شد و تحلیل حساسیت بر پارامترهای کلیدی از جمله شماره منحنی (CN)، حداکثر نگهداشت (S)، زمان تاخیر، شیب آبراهه و ضریب زبری مانینگ انجام گرفت. نتایج دو حوضه برای ارزیابی اثر احیای پوشش گیاهی بر عملکرد مدل و حساسیت پارامترها مقایسه شدند. در نهایت، این پژوهش نتایجی کاربردی برای بهبود مدیریت منابع آب و کاهش اثرات سیلاب در مناطق نیمه خشک ارائه می دهد. مواد و روش ها: این تحقیق در حوضه زوجی گنبد همدان انجام شده است. دو حوزه آبخیز همجوار با ویژگی های مشابه، یکی به‎ عنوان حوضه شاهد و دیگری به‎ عنوان حوضه احیاشده انتخاب شدند. عملیات احیای پوشش گیاهی در حوضه احیاشده شامل کاشت گونه های گیاهی مقاوم به خشکی و اجرای عملیات آبخیزداری بود. برای شبیه سازی فرآیند بارش-رواناب، از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS استفاده شد. داده های مورد نیاز برای مدل شامل داده های هواشناسی، هیدرومتری، ویژگی های خاک و ویژگی های حوزه آبخیز بودند. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل، از داده های ۱۰ ساله بارش و دبی استفاده شد و از معیارهای آماری مختلف از جمله ضریب نش-ساتکلیف(NSE)  و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) استفاده شد. برای تحلیل حساسیت پارامترها، از روش تغییرات درصدی (±۳۰ درصد) برای پارامترهایی مانند شماره منحنی (CN)، حداکثر نگهداشت (S)، زمان تاخیر، شیب آبراهه و ضریب زبری مانینگ استفاده شد. یافته ها: عملیات احیای پوشش گیاهی تاثیر قابل توجهی بر ویژگی های خاک، شبیه سازی رواناب و حساسیت پارامترها داشتند. تغییرات ویژگی های خاک: اندازه گیری ها نشان دادند که نفوذپذیری اولیه و نهایی خاک در حوضه احیاشده در مقایسه با مقادیر متناظر در حوضه شاهد به طور قابل توجهی افزایش یافت؛ به طوری که نفوذپذیری اولیه از بازه ۸۲/۳ تا ۷۶/۴ میلی متر بر ساعت در حوضه شاهد، به بازه ۱۳۰/۲ تا ۱۴۴/۴ میلی متر بر ساعت در حوضه احیاشده افزایش یافت. همچنین، نفوذپذیری نهایی از ۴/۲ تا ۶/۸۶ در حوضه شاهد، به ۱۰/۸ تا ۱۵/۴ میلی متر بر ساعت در حوضه احیاشده رسید. علاوه بر این، در مقایسه با حوضه شاهد، درصد سیلت حدود ۲۰ درصد بیشتر، چگالی ظاهری به طور میانگین ۲۰ درصد کمتر و تخلخل خاک حدود ۳۵ درصد بیشتر اندازه گیری شد. رطوبت اشباع و ظرفیت زراعی خاک نیز در حوضه احیاشده افزایش نشان دادند (رطوبت اشباع حدود ۳۰ درصد و ظرفیت زراعی بیش از ۱۰ درصد). این تغییرات نشان دهنده بهبود کیفیت خاک در اثر عملیات احیا هستند. نتایج شبیه سازی مدل: مدل HEC-HMS توانست جریان خروجی حوضه ها را با دقت قابل قبولی شبیه سازی کند (NSE>۰.۶ و RMSE<۰.۵). تطابق بین داده های شبیه سازی شده و مشاهداتی در حوضه احیاشده، به ‎ویژه در بخش اوج جریان، بیشتر بود. دقت شبیه سازی در حوضه احیاشده نسبت به حوضه شاهد بیشتر بود که با یافته های مطالعات پیشین هم خوانی دارد. انحرافات هیدروگراف در حوضه شاهد، به ‎ویژه در بخش اوج جریان و نزولی، بیشتر بودند که می تواند ناشی از کمبود پوشش گیاهی و افزایش جریان سطحی باشد. نتایج تحلیل حساسیت نشان دادند که پارامترهای حداکثر نگهداشت و شماره منحنی (CN) بیشترین تاثیر را بر دبی اوج داشتند. به طور مشخص، افزایش ۳۰ درصدی CN در حوضه شاهد منجر به افزایش دبی اوج به ‎میزان حدود ۲۵ درصد شد، در حالی ‎که در حوضه احیاشده این افزایش حدود ۱۵ درصد بود. همچنین، افزایش ۳۰ درصدی حداکثر نگهداشت در حوضه شاهد باعث کاهش حجم رواناب تا حدود ۳۵ درصد گردید، در حالی‎که در حوضه احیاشده این کاهش به حدود ۲۰ درصد محدود بود. این نتایج نشان می دهند که حساسیت مدل به این پارامترها در حوضه احیاشده کمتر است که می تواند ناشی از بهبود نفوذپذیری خاک، افزایش ظرفیت ذخیره سازی و ارتقای تاب آوری هیدرولوژیکی باشد. سایر پارامترها نظیر شیب آبراهه، زمان تاخیر و ضریب زبری مانینگ نیز بر دبی اوج موثر بودند، اما اثر آن ها به ویژه در درصدهای بالای تغییر، کاهش می یافت؛ به عنوان مثال، افزایش ۳۰ درصدی ضریب مانینگ در حوضه شاهد تنها باعث کاهش حدود ۵ درصدی دبی اوج شد. نتیجه گیری: نتایج این تحقیق نشان می دهند که عملیات احیای پوشش گیاهی می تواند تاثیر قابل توجهی بر بهبود ویژگی های خاک، افزایش دقت شبیه سازی رواناب و کاهش حساسیت مدل های هیدرولوژیکی به تغییرات پارامترها داشته باشد. بهبود نفوذپذیری و ظرفیت ذخیره سازی آب در حوضه احیاشده نقش مهمی در کاهش رواناب و افزایش دقت پیش بینی ها ایفا می کند. این یافته ها می توانند در طراحی و اجرای برنامه های مدیریت منابع آب و احیای حوزه های آبخیز در مناطق مشابه مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه ها:

Curve Number (CN) ، Hydrological modeling ، Peak discharge ، Runoff volume ، Watershed restoration ، احیای حوزه آبخیز ، حجم رواناب ، دبی اوج ، شماره منحنی ، مدل سازی هیدرولوژیکی