ارزیابی مقایسه‏ ای مدل‌های Sacramento، SMAR و SimHyd در شبیه‌سازی رواناب روزانه بلندمدت

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموختۀ کارشناسی ارشد/ گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 دانشیار/ گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 دانشجوی دکتری/ گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

4 دانشجوی دکتری/ گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

با توجه به تأثیر قابل‌توجه میزان رواناب در مدیریت پایدار منابع آب و عملیات مهندسی، پیش‌بینی و برآورد دقیق این متغیر از اهمیت بالایی برخوردار است. بنابراین، هدف از پژوهش حاضر ارزیابی عملکرد تعدادی از مدل‌های هیدرولوژیکی در شبیه‌سازی رواناب و نیز تحلیل حساسیت پارامترهای این مدل‏ها جهت تعیین پارامترهای تأثیرگذار بر شبیه‎سازی است. به این‌منظور در پژوهش حاضر پس از تهیه داده‏ های مورد نیاز در دوره آماری 1397-1367 به شبیه‌سازی رواناب حوزه آبخیز گالیکش استان گلستان با استفاده از سه مدل هیدرولوژیکی یکپارچه Sacramento، SimHyd و SMAR پرداخته شد. پس از برآورد رواناب حوزه آبخیز، عملکرد هر یک از این مدل‏ها در شبیه‌سازی رواناب خروجی از حوزه آبخیز با استفاده از چهار معیار ارزیابی ضریب نش-ساتکلیف (NSE)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، ضریب تبیین (R2) و میانگین درصد قدر مطلق خطا (MAPE) در دو دوره واسنجی و صحت‏ سنجی بررسی شده و در نهایت حساسیت پارامترهای هر یک از مدل‏ ها در برآورد رواناب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه‌سازی رواناب حاکی از عملکرد بهتر مدل بارش-رواناب Sacramento با ضریب نش-ساتکلیف 82/0 و 70/0 در دوره واسنجی و صحت‏ سنجی نسبت به دیگر مدل‌های هیدرولوژیکی است. پس از آن، مدل SimHyd با ضریب نش-ساتکلیف 71/0 و 76/0 برای دو دوره واسنجی و صحت‏ سنجی عملکرد مطلوبی را نشان داده است، اما مدل SMAR در شبیه‎سازی رواناب حوزه آبخیز موفق نبوده و عملکرد پایینی داشته است. یافته‌های تحلیل حساسیت پارامترهای مدل‏ها نیز نشان می‌دهد که پارامترهایی مانند LZTWM و Zperc در مدل Sacramento، پارامترهای نسبت نفوذناپذیری و ضریب نفوذ در مدل SimHyd و پارامتر ظرفیت ذخیره برگابی در مدل SMAR بیش‏ترین حساسیت را به کاهش مقدار خود داشته‏ اند. هم‏چنین، افزایش مقدار پارامترهای Rexp و نسبت رواناب مستقیم در مدل‌های Sacramento و SMAR بیش‏ترین تأثیر را نسبت به دیگر پارامترها بر شبیه‌سازی رواناب داشته‏ اند. یافته‏ ها حکایت از عملکرد بهتر مدل Sacramento و پس از آن مدل SimHyd در شبیه‌سازی رواناب حوزه آبخیز دارد و مدل SMAR ضعیف‌ترین عملکرد را در بین مدل‌ها داشته است. هم‏چنین، نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که تغییر پارامترهای مدل تأثیر متفاوتی بر روند شبیه‌سازی رواناب داشته و بهینه‏ سازی صحیح این پارامترها موجب افزایش دقت شبیه‌سازی‏ ها خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


احمدپور، ع.، میرهاشمی، س.ح.، و حقیقت‏جو، پ. (1398). بررسی دقت مدل مفهومی HMS-SMA و مدل دو خطی سری زمانی در پیش‏بینی رواناب روزانه مطالعه موردی: (حوضه مارون ایستگاه هیدرومتری ایدنک). پژوهش‏های حفاظت آب و خاک، 26(3)، 176-161.
احمدی، م.، داداشی رودباری، ع.، و دیرمجائی، آ. (1399). برآورد رواناب با استفاده از مدل IHACRES بر اساس‌ داده‌های ماهواره‌ای CHIRPS و مدل‌های CMIP5 (مطالعه موردی: حوضه آبخیز گرگانرود-منطقه آق‌قلا). تحقیقات آب و خاک ایران، 51(3)، 659-671.
پرواز، م.، و شاهویی، و. (1401). بررسی دقت شبیه‌سازی رواناب ماهانه حوضه دریاچه ارومیه با استفاده از مدل یکپارچهAWBM در استان کردستان در ایستگاه سنته. مطالعات علوم محیط زیست، 7(3)، 5347-5359.
پوررضا بیلندی، م.، معماریان ­خلیل‌آباد، ه.، شهیدی، ع.، و رهنما، س. (1398). روش­های ترکیبی چندگانه مدل­سازی برای تجزیه و تحلیل شبیه‌سازی هیدرولوژیکی (مطالعه موردی: زیرحوضه آبریز قره­سو، استان کرمانشاه). پژوهش­های حفاظت آب و خاک، 26(3)، 206-193.
جباری، ا.، و رضائی، ح. (1397). انتخاب مدل‌های مختلف در مسائل مربوط به مهندسی منابع آب. چاپ اول، انتشارات جهاد دانشگاهی ارومیه، 137 صفحه.
خداخواه، ه.، قربانی، خ.، سالاری ‏جزی، م.، و عبدالحسینی، م. (1400). برآورد رواناب ماهانه و فصلی با مدل‌های سری زمانی، درخت تصمیم و رگرسیون خطی چندمتغیره. پژوهش‏های حفاظت آب و خاک، 28(4)، 27-52.
دائی‌چینی، ف.، وفاخواه، م.، موسوی، و.، و ذبیحی ­سیلابی، م. (1401). ارزیابی کارایی پنج مدل بیلان آبی در شبیه‌سازی رواناب در حوضه آبخیز گرگانرود. علوم آب و خاک، ۲۶ (۲)، ۲63-۲81.
رزاقیان، ه.، شاهدی، ک.، و محسنی، ب. (1397). ارزیابی کارایی مدل بارش-رواناب SimHyd تحت سناریوهای مختلف تغییر اقلیم. پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 9(17)، 216-225.
رستمی خلج، م.، سلاجقه، ع.، مقدم نیا، ع.، خلیقی سیگارودی، ش.، و آذرخشی، م. (1398). مدل‌سازی بارش-رواناب مبتنی بر رویکرد پویایی سیستم، مطالعه موردی: حوضه کارده مشهد. مهندسی و مدیریت آبخیز، 11(1)، 27-15.
رستمی­خلج، م.، مقدم­نیا، ع.، سلمانی، ح.، و سپهوند، ع. (1395). بررسی مقایسه­ای کارایی مدل‌های بارش رواناب AWBM، Sacramento، SimHyd، SMAR و Tank. اکوسیستم­های طبیعی ایران، 7(2)، 47-63.
رضایی، ح.، جباری، آ.، بهمنش، ج.، و حصاری، ب. (1395). مدل‌سازی رواناب روزانه حوضه نازلوچای در غرب دریاچه ارومیه با استفاده از مدل Tank. پژوهش‏های آب و خاک، 23(6)، 123-141.
سالاری جزی، م.، قربانی، خ.، سهرابیان، ا.، و عبدالحسینی، م. (1395). پیش­بینی جریان روزانه رودخانه با استفاده از مدل­های داده محور.‎ آبیاری و زهکشی ایران، 10(4)، 479-488.
سلمانی، ح.، بهره­مند، ع.، صابرچناری، ک.، و رستمی­خلج، م. (1393). ارزیابی کارایی مدل‌های بارش-رواناب AWBM، Sacramento و Tank در شبیه‌سازی رواناب رودخانه ارازکوسه حوضه آبخیز گرگانرود استان گلستان. اکوهیدرولوژی، 1(3)، 207-221.
شریفی، ز.، اسمعلی­عوری، ا.، حزباوی، ز.، و گلشن، م. (1400). کاربرد مدل SIMHYD در مدل­سازی مؤلفه­های بیلان آب. علوم و فنون آبخاکی، 2(2)، 28-40.
علیزاده، ا. (1391). اصول هیدرولوژی کاربردی. چاپ نوزدهم، انتشارات دانشگاه امام رضا (ع)، 942 صفحه.
قربانی، خ.، نعیمی‏کلورزی، ز.، سالاری‏جزی، م.، و دهقانی، ا. (1395). برآورد جریان ماهانه در حوضه­های فاقد آمار با استفاده از پارامترهای اقلیمی و فیزیوگرافی. پژوهش‏های حفاظت آب و خاک، 23(3)، 207-224.
قریشی قره­تکان، س.ک.، قره­چلو، س.، محجوبی، ع.، گلیان، س.، و صالحی، ح. (1401). ارزیابی منابع آب سطحی قابل دسترس در حوضه مرزی قره­تیکان با استفاده از محصولات ماهواره­ای و GIS. مدل­سازی و مدیریت آب و خاک، 2(1)، 1-13.
کلبعلی، ا. (1394). ارزیابی کارایی مدل‌های بارش-رواناب SimHyd، Sacramento، AWBM و Tank در شبیه‌سازی رواناب ایستگاه هیدرومتری ارازکوسه حوضه آبخیز گرگانرود استان گلستان. پایان­نامۀ کارشناسی ارشد، دانشگاه زابل.
محمدی­وند، م.، عراقی­نژاد، ش.، ابراهیمی، ک.، و مدرسی، ف. (1398). ارزیابی عملکرد مدل‌های AWBM، Sacramento و SimHyd در شبیه‌سازی رواناب حوضه امامه با استفاده از بهینه‏ساز واسنجی خودکار الگوریتم ژنتیک. تحقیقات آب و خاک ایران، 50(7)، 1759-1769.
مرادی، ا.، نجفی­نژاد. ع.، اونق، م.، کمکی، چ.ب.، و فولادی ­منصوری، م. (1397). آشکارسازی روند تغییرات کاربری اراضی و تأثیر آن بر دبی و بار معلق شبیه‌سازی شده با مدل SWAT (مطالعه موردی: آبخیز گالیکش استان گلستان). مرتع و آبخیزداری، 71(2)، 504-489.
میرزانیا، ا.، ملک احمدی، ح.، شاه­محمدی، ی.، و ابراهیم­زاده، ع. (1400). تأثیر موجک بر افزایش دقت مدل‌های تخمینی در مدل‌سازی بارش-رواناب (مطالعه موردی: حوضه صوفی چای). مدل­سازی و مدیریت آب و خاک، 1(3)، 67-79.
نعیمی­کلورزی، ز.، قربانی، خ.، سالاری­جزی، م.، و دهقانی، ا. (1395). بررسی تأثیر پارامترهای فیزیوگرافی و اقلیمی حوضه در شبیه‌سازی جریان فصلی رودخانه. اکوهیدرولوژی، 3(4)، 545-555.
یونسی، ح.، یوسفی ­سهزابی، ح.، ارشیا، آ.، و یاراحمدی، ی. (1399). شبیه‌سازی بارش رواناب با استفاده از ابزار RRL (مطالعه موردی: ایستگاه رحیم­آباد-دشت سیلاخور). آبیاری و زهکشی ایران، 14(4)، 1361-1348.
Adib, A., Salarijazi, M., & Najafpour, K. (2010). Evaluation of synthetic outlet runoff assessment models. Journal of Applied Sciences and Environmental Management, 14(3),13-18.
Ahmadi, M., Dadashi Roudbari, A., & Deyrmajai, A., (2020). Runoff estimation using IHACRES model based on CHIRPS satellite data and CMIP5 models (case study: Gorganroud basin-Aq Qala area). Iranian Journal of Soil and Water Research, 51(3), 659-671 (in Persian).
Ahmadpour, A., Mirhashemi, S., & Haghighat jou, P. (2019). Evaluation of the accuracy of HMS-SMA and bilinear time series models in predicting daily runoff (Case study: Idenak station at Maroun basin). Jornal of Water and Soil Conservation, 26(3), 161-176 (in Persian).
Alizadeh, A. (2006). Principles of applied hydrology. 19th Edition: Publications of Imam Reza University, 942 pages (in Persian).
Amollo, C. )2020(. Comparing performance of different lumped conceptual hydrological models: a case study of River Kafu catchment. Ph.D. Thesis, Kyambogo University, Kampala, Uganda.
Burnash, R.J., Ferral, R.L., & McGuire, R.A. (1973). A generalized streamflow simulation system: Conceptual modeling for digital computers. US Department of Commerce, National Weather Service, and State of California, Department of Water Resources.
Chiew, F.H.S., Peel, M.C., & Western, A.W. )2002(. Application and testing of the simple rainfall-runoff model SIMHYD. Pp. 335-367, In: Mathematical models of small watershed hydrology and applications.
Clarke, R.T. )1994(. Statistical modelling in hydrology. 1t Edition, John Wiley & Sons.
Daechini, F., Vafakhah, M., Moosavi, V., & Zabihi Silabi, M. )2022(. Performance assessment of five water balance models for runoff simulation in the Gorganrood watershed. Journal of Water and Soil Science, 26(2), 263-281 (in Persian).
Duan, Q., Ajami, N.K., Gao, X., & Sorooshian, S. )2007(. Multi-model ensemble hydrologic prediction using Bayesian model averaging. Advances in water Resources, 30(5), 1371-1386.
Ghorbani, Kh., Naeimi Kalourazi, Z., Salarijazi, M., & Dehghani, A.A. )2016(. Estimation of monthly discharge using climatic and physiographic parameters of ungauged basins. Journal of Water and Soil Conservation, 23(3), 207-224 (in Persian).
Ghoreishi GharahTikan, S.K., Gharechelou, S., Mahjoobi, E., Golian, S., & Salehi, H. (2022). Evaluation of available surface water resources in Qarah Tikan border basin using satellite products and GIS. Water and Soil Management and Modeling, 2(1), 1-13 (in Persian).
Guo, B., Zhang, J., Xu, T., Song, Y., Liu, M., & Dai, Z. )2022(. Assessment of multiple precipitation interpolation methods and uncertainty analysis of hydrological models in Chaohe River basin, China. Water SA, 48(3), 324-334.
Jabbari, A., & Rezaie, H. )2015(. Choosing different models in water resources engineering issues. 1th Edition: Urmia Academic Jihad Publications, 137 pages (in Persian).
Kalbali, E. )2015(. Evaluation of the efficiency of AWBM, Sacramento, SimHyd and Tank rainfall runoff model in runoff simulation in Arazkoose hydrometric station in Goorganrood basin, Golestan porovince, MS.c. Thesis, University of Zabol, Zabol, Iran. (in Persian).
Khodakhah, H., Ghorbani, K., Salarijazi, M., & Abdolhosseini, M. )2022(. Monthly and seasonal runoff estimation using time series, decision tree, and multivariable linear regression. Journal of Water and Soil Conservation, 28(4), 27-52 (in Persian).
Kunnath-Poovakka, A., & Eldho, T.I. (2019). A comparative study of conceptual rainfall-runoff models GR4J, AWBM and Sacramento at catchments in the upper Godavari river basin, India. Journal of Earth System Science, 128(2), 1-15.
Mirzania, E., Malek Ahmadi, H., Shahmohammadi, Y., & Ebrahimzadeh, A. (2021). Impact of wavelet on accuracy of estimated models in rainfall-runoff modeling (Case study: Sufi Chay). Water and Soil Management and Modeling, 1(3), 67-79 (in Persian).
Mohammadivand, M.R., Araghinejad, Sh., Ebrahimi, K., & Modaresi, F. )2019(. Performance evaluation of AWBM, Sacramento and SimHyd models in runoff simulation of the Amameh watershed using automatic calibration optimization method of genetic algorithm. Iranian Journal of Soil and Water Research, 50(7), 1759-1769 (in Persian).
Moradi, A., Nakafinejad, A., Ownagh, M., Komaki, C.B., & Foladi Mansouri, M. (2018). Landuse changes detection and evaluation of their effects on simulated discharge and sediment yield using SWAT model (Case Study: Galikesh Watershed, Golestan Province). Journal of Range and Watershed Managment, 71(2), 489-504 (in Persian).
Mubialiwo, A., Abebe, A., & Onyutha, C. )2021(. Performance of rainfall–runoff models in reproducing hydrological extremes: a case of the River Malaba sub-catchment. SN Applied Sciences, 3(4), 1-24.
Naeimi Kalourazi, Z., Ghorbani, K., Salarijazi, M., & Dehghani, A.A. )2016(. Investigation of effect of basin’s physiographic and climatic parameters in seasonal river flow simulation. Iranian journal of Ecohydrology, 3(4), 545-555 (in Persian).
Narbondo, S., Gorgoglione, A., Crisci, M., & Chreties, C. )2020(. Enhancing physical similarity approach to predict runoff in ungauged watersheds in sub-tropical regions. Water, 12(2), 528.
O'connell, P.E., Nash, J.E., & Farrell, J.P. )1970(. River flow forecasting through conceptual models part II-The Brosna catchment at Ferbane. hydrology, 10(4), 317-329.
Parvaz, M., & Shahoei, S.V. )2022(. Investigation using AWBM model for monthly runoff simulation of Urmia Lake basin in Kurdistan Province, Sonnate station. Journal of Environmental Science Studies, 7(3), 5347-5359 (in Persian).
Podger, G. )2004(. Rainfall runoff library (RRL). Catchment Modeling Toolkit prepared by the CRC for Catchment Hydrology, Australia, 110 pages.
Porter, J.W., & McMahon, T.A. )1975(. Application of a catchment model in southeastern Australia. Journal of hydrology, 24(1-2), 121-134.
Pourreza Bilondi, M., Memarian, H., Shahidi, A., & Rahnama, S. )2019(. Multimodel combination techniques for analysis of hydrological simulations (case study: Gharesou sub-basin, Kermanshah province). Journal of Water and Soil Conservation, 26(3), 193-206 (in Persian).
Razaghian, H., Shahedi, K., & Mohseni, B. )2018(. Evaluation of SIMHYD rainfall-runoff model efficiency in climate change conditions. Journal of Watershed Management Research. 9(17), 216-225 (in Persian).
Rezaie, H., Jabbari, A., Behmanesh, J., & Hessari, B. )2017(. Modelling the daily runoff of Nazloo Chai watershed at the west side of Urmia Lake. Journal of Water and Soil Conservation, 23(6), 123-141 (in Persian).
Rostami khalaj, M., Moghadamnia, A., Salmani, H., & Sepahvand, A. )2016(. Compare the performance of AWBM, Sacramento, SimHyd, SMAR and Tank. Natural Ecosystems of Iran, 7(2), 47-63 (in Persian).
Rostami Khalaj, M., Salajeghe, A., Moghadam Nia, A., Khalighi Sigarodi, S., & Azarakhshi, M. (2019). Rainfall-runoff modeling based on system dynamics approach (Case study: Mashhad Kardeh dam basin). Watershed Engineering and Management, 11(1), 15-27 (in Persian).
Salarijazi, M., Ghorbani, K., Sohrabian, E., & Abdolhosseini, M. (2016). Prediction of daily stream-flow using data driven models. Iranian Journal of Irrigation and  Drainage, 10(4), 479-488 (in Persian).
Salmani, H., Bahremand, A., Saber Chenari, K., & Rostami Khalaj, M. )2014(. Evaluation of the efficiency of AWBM, Sacramento and Tank rainfall runoff model in runoff simulation in Arazkoose- Goorganrood basin, Golestan porovince. Iranian journal of Eco Hydrology, 1(3), 207-221 (in Persian).
Sharifi, Z., Esmali-Ouri, A., Hazbavi, Z., & Gholshan, M. (2021). Application of SIMHYD model for modeling water balance components. Journal of Amphibious Science and Technology, 2(2), 28-40 (in Persian).
Shin, M.J., Guillaume, J.H., Croke, B.F., & Jakeman, A.J. (2013). Addressing ten questions about conceptual rainfall–runoff models with global sensitivity analyses in R. Journal of Hydrology, 503, 135-152.
Song, M., Shi, Y., Yao, H., & Zhang, W. )2019(. A comparative study of different hydrological model and their application in Bass river catchment. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 562(1), 12116.
Trivedi, A., Galkate, R.V., Gautam, V.K., & Pyasi, S.K. )2021(. Development of RRL AWBM model and investigation of its performance, efficiency and suitability in Shipra River Basin. Journal of Soil and Water Conservation, 20(2),160-167.
Vidyarthi, V.K., & Jain, A. )2022(. Incorporating non-uniformity and non-linearity of hydrologic and catchment characteristics in rainfall–runoff modeling using conceptual, data-driven, and hybrid techniques. Journal of Hydroinformatics, 24(2), 350-366.
Wang, W.C., Chau, K.W., Xu, D.M., & Chen, X.Y. )2015(. Improving forecasting accuracy of annual runoff time series using ARIMA based on EEMD decomposition. Water Resources Management, 29(8), 2655-2675.
Yan, S., Zhang, Z.Y., Zuo, F.L., & Zhang, W.H. )2014(. A comparative study of different hydrological model and their application in little river catchment. Applied Mechanics and Materials, 641, 9-13.
Yonesi, H.A., yousefi, H., Arshia, A., & yarahmadi, Y. )2020(. Runoff rainfall simulation using RRL Toolkit (case study: Rahim Abad station - Silakhor Plain). Iranian Journal of Irrigation & Drainage, 14(4), 1348-1361 (in Persian).
Yu, B., & Zhu, Z. (2015). A comparative assessment of AWBM and SimHyd for forested watersheds. Hydrological Sciences Journal, 60(7-8), 1200-1212.