ارزیابی عملکرد مدل های هیدرولوژی FLEX-L و FLEX-Topo در شبیه سازی رواناب سطحی حوزه آبخیز لسی تمر

سابقه و هدف: شبیه سازی دقیق رواناب سطحی در نهشته های لسی، به ویژه در مقیاس حوزه های آبخیز مانند حوزه آبخیز لسی تمر، نقش مهمی در مدیریت منابع آب، کاهش خطر سیلاب، کنترل فرسایش، حفاظت از خاک و بهبود برنامه ریزی محیطی دارد و مبنای تصمیم گیری های علمی، اجرایی و مدیریتی محسوب می شود. در سال های اخیر، استفاده از مدل های هیدرولوژی مفهومی و نیمه توزیعی به عنوان رویکردی کارآمد برای درک بهتر پاسخ هیدرولوژی این گونه حوزه های آبخیز و تحلیل تعامل پیچیده عوامل اقلیمی، زمین شناسی و توپوگرافی مورد توجه ویژه پژوهشگران قرار گرفته است. در این راستا، ارزیابی عملکرد مدل های FLEX-L و FLEX-Topo که به ترتیب نماینده یک ساختار یکپارچه و یک ساختار مبتنی بر ناهمگنی های توپوگرافی هستند، از اهمیت بالایی برخوردار است. بر این اساس، پژوهش حاضر با هدف ارزیابی عملکرد مدل های هیدرولوژی FLEX-L و FLEX-Topo در شبیه سازی رواناب سطحی حوزه آبخیز لسی تمر انجام شد تا ضمن مقایسه توانایی این دو مدل، میزان کارایی آن ها در بازنمایی فرآیندهای حاکم بر رواناب، انتقال آب، نفوذ و ذخیره رواناب در محیط های لسی مشخص شود. همچنین، هر دو مدل با استفاده از ساختار مفهومی ویژه خود برای شبیه سازی پاسخ هیدرولوژی حوزه و تحلیل دقیق رفتار جریان های سطحی و زیرسطحی به کار گرفته شدند، به گونه ای که نقش ناهمگنی های فضایی، ویژگی های توپوگرافی و تفاوت های هیدرودینامیکی خاک ها به صورت موثر و واقع بینانه در نظر گرفته شده است.مواد و روش ها: مواد و روش ها: برای شبیه سازی فرآیند بارش–رواناب در حوزه آبخیز لسی تمر، داده های اقلیمی و هیدرومتری شامل بارش، دما و دبی روزانه گردآوری شد تا رفتار هیدرولوژی حوضه به صورت دقیق تحلیل شود و مبنایی مناسب برای مدل سازی فراهم گردد. همچنین، لایه های مکانی شامل مدل رقومی ارتفاع (DEM)، شیب، شبکه آبراهه ها، کاربری اراضی و شاخص HAND برای تفکیک چشم اندازها و آماده سازی ورودی های مدل مورداستفاده قرار گرفتند. در این مطالعه از دو مدل مفهومی خانواده FLEX شامل FLEX-L و FLEX-Topo بهره گرفته شد. مدل های خانواده FLEX به دلیل ساختار انعطاف پذیر و مفهومی خود، امکان شبیه سازی و تحلیل رفتارهای مختلف هیدرولوژی را در مقیاس های مکانی و زمانی متفاوت فراهم می کنند و قابلیت مدل سازی فرآیندهای پیچیده بارش–رواناب در حوزه های متنوع را دارند. مدل FLEX-L یک مدل یکپارچه است که کل حوضه را به عنوان یک واحد در نظر می گیرد و از داده های ارتفاعی استفاده نمی کند، درحالی که مدل FLEX-Topo نیمه توزیعی بوده و به صورت صریح از اطلاعات توپوگرافی بهره می برد و شامل چهار جزء موازی برای بازنمایی عملکرد هیدرولوژی عناصر مختلف چشم انداز است. شبیه سازی رواناب روزانه خروجی حوضه برای یک دوره ده ساله (۲۰۱۳–۲۰۲۳) با هر دو مدل انجام شد. هر دو مدل ترکیبی از مخازن (reservoirs)، توابع تاخیری (lag functions) و عناصر ارتباطی (connection elements) هستند که به گونه ای انعطاف پذیر به یکدیگر متصل شده اند تا فرآیندهای مختلف هیدرولوژی، شامل جریان سطحی و زیرسطحی، نفوذ و ذخیره رواناب را شبیه سازی کنند. ساختار این مدل ها با استفاده از چارچوب مدل سازی SUPERFLEX توسعه یافت و کدنویسی و اجرای آن ها در محیط Python انجام شد تا امکان تحلیل دقیق تر و کنترل بیشتر بر اجزای مدل فراهم شود. برای ارزیابی دقت شبیه سازی رواناب خروجی، از دو شاخص آماری معتبر ضریب نش–ساتکلیف (NSE) و شاخص کلینگ–گوپتا (KGE) استفاده گردید. این شاخص ها میزان انطباق شبیه سازی ها با داده های مشاهداتی را مشخص کرده و معیار جامعی برای مقایسه عملکرد دو مدل و تحلیل قابلیت اطمینان آن ها در بازتولید فرآیندهای هیدرولوژی حوزه ارائه کردند.یافته ها: مقایسه شاخص های ارزیابی عملکرد دو مدل نشان داد که مدل FLEX-Topo نسبت به FLEX-L دقت بالاتری در شبیه سازی رواناب دارد. مقدار NSE برای FLEX-L برابر ۶۲/۰ و برای FLEX-Topo برابر ۶۹/۰، KGE مقدار به ترتیب ۶۷/۰ و ۷۲/۰ و RMSE به ترتیب ۹/۲ و ۸/۱ به دست آمد که همگی حاکی از برتری مدل FLEX-Topo در بازتولید جریان و کاهش خطا نسبت به داده های مشاهداتی هستند. از منظر رفتاری، مدل FLEX-L اگرچه توانسته است روند کلی تغییرات جریان را به خوبی شبیه سازی کند، اما در برخی روزهای اوج رواناب، مقدار جریان شبیه سازی شده کمتر از مقادیر مشاهده شده بوده است. در مقابل، مدل FLEX-Topo با بهره گیری از اطلاعات توپوگرافی و تقسیم بندی حوزه به واحدهای چشم انداز هیدرولوژی، توانست الگوهای مکانی تولید رواناب و ناهمگنی های فضایی فرآیندهای هیدرولوژی را با دقت بیشتری بازنمایی کند. این مدل در اغلب روزهای با بارش زیاد، روانابی نزدیک تر به مقادیر واقعی شبیه سازی کرده و عملکرد دقیق تری از خود نشان داده است. همچنین، تحلیل پراکنش یک به یک جریان مشاهده شده و شبیه سازی شده نشان می دهد که در مدل FLEX-Topo، نقاط داده تمرکز بیشتری پیرامون خط برابری (۱:۱) دارند؛ به گونه ای که تطابق بین جریان های مشاهده شده و شبیه سازی شده در این مدل بیشتر است. در مدل FLEX-L پراکندگی نقاط، بیشتر و نقاط داده، تمرکز کم تری پیرامون خط برابری (۱:۱) دارند که بیانگر حساسیت کمتر این مدل به ناهمگنی های مکانی است. این نتایج تایید می کنند که در نظر گرفتن ویژگی های توپوگرافی و ساختار چشم انداز در مدل FLEX-Topo نقش مهمی در بهبود شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز لسی تمر دارد.نتیجه گیری: نتایج این پژوهش بیانگر آن است که هر دو مدل FLEX-L و FLEX-Topo از کارایی قابل قبول در شبیه سازی رواناب سطحی حوزه آبخیز لسی تمر برخوردار بوده و قادرند الگوی کلی جریان و تغییرات زمانی آن را با دقت قابل قبول بازنمایی کنند. با این وجود، مدل FLEX-Topo به دلیل تفکیک حوزه به واحدهای همگن هیدرولوژی و لحاظ ناهمگنی های فضایی، عملکردی دقیق تر و قابل اطمینان تر نسبت به مدل FLEX-L از خود نشان داد. درحالی که FLEX-L روند کلی جریان را بازنمایی می کند، اما به دلیل ساختار ساده و عدم توجه کافی به ناهمگنی های مکانی در شبیه سازی دبی های اوج محدودیت دارد. در مدل FLEX-Topo، چشم اندازهای مختلف بر اساس فرآیندهای غالب هیدرولوژی، مانند رواناب سطحی در دامنه های شیب دار، جریان زیرسطحی در دشت های جنگلی و مرتعی و رواناب اشباع شده در مناطق پست، شناسایی و شبیه سازی شدند. به طورکلی، مدل FLEX-Topo به عنوان گزینه ای مناسب تر و قابل اعتمادتر برای تحلیل های هیدرولوژی در حوزه آبخیز لسی تمر معرفی می شود؛ با این حال، بهینه سازی پارامترها در هر دو مدل همچنان می تواند نقش مهمی در ارتقاء دقت و کاهش عدم قطعیت شبیه سازی ها ایفا کند.

کلیدواژه ها:

بارش ، رواناب ، لس ، مدل مفهومی ، توپوگرافی