| تعداد نشریات | 284 |
| تعداد نشریات سازمان | 82 |
| تعداد شماره‌ها | 3,037 |
| تعداد مقالات | 33,984 |
| تعداد مشاهده مقاله | 45,767,983 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 77,190,012 |
تاثیر تغییر اقلیم و بندهای گابیونی بر میزان رسوب خروجی از حوضه، مطالعه موردی: دهبار | ||
| مهندسی و مدیریت آبخیز | ||
| مقاله 3، دوره 15، شماره 4، آذر 1402، صفحه 535-553 اصل مقاله (2.73 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwmse.2023.357033.1939 | ||
| نویسندگان | ||
| حامد حریری1؛ سیدعباس حسینی* 2؛ امیر خسروجردی3 | ||
| 1دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران | ||
| 2دانشیار، دانشکده عمران هنر و معماری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران | ||
| 3دانشیار، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه پیش‌بینی تغییرات فرایندهای هیدرولوژیکی حوزه آبخیز، ناشی از پدیده تغییر اقلیم و پیامدهای احتمالی آن، کمک موثری به رفع چالش‌های فراروی مدیران و برنامه‌ریزان منابع آب در دوره‌های آتی می‌کند. اثرات پدیده تغییر اقلیم و بندهای گابیونی به‌صورت همزمان، بر مقدار رسوب خارج شده حوضه دهبار تا کنون بررسی نشده است. لذا، بررسی آن با چشم‌انداز 30 سال آینده و با استفاده از مدل‌های SWAT و LARS-WG و ارزیابی توانایی این دو مدل در شبیه‌سازی تغییر اقلیم و حذف بندهای گابیونی، هدف اصلی این پژوهش است. مواد و روش‌ها در این پژوهش، عملکرد بندهای گابیونی به‌صورت مخزن در حوضه دهبار در 10 کیلومتری غرب مشهد و در جنوب شهر طرقبه که دارای اقلیم نیمه‌خشک سرد است، نسبت به میزان رسوب خروجی از حوضه برای 30 سال آینده با کمک مدل آماری LARS-WG و مدل شبیه‌ساز هیدرولوژیکی SWAT، مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این حوضه، پنج بند گابیونی وجود دارد. برای پیش‌بینی متغیرهای هواشناسی دوره آتی در سطح حوزه آبخیز دهبار، پس از واسنجی مدل LARS-WG از مدل HadGEM2 و سه سناریوی RCP8.5، RCP4.5 و RCP2.6 برای ریزمقیاس‌سازی داده‌های هواشناسی در دوره 2050-2020 استفاده شد. برای بررسی عملکرد نتایج شبیه‌سازی در این مدل، از آزمون‌های آماری کولموگروف اسمیرنوف (K-S)، t و F استفاده شد. برای آماده‌سازی و اجرای مدل SWAT، از نقشه و اطلاعات مدل رقومی ارتفاع، خاک، کاربری اراضی، داده‌های هیدرولوژیک و هواشناسی و از مخزن، برای معرفی بندهای گابیونی به مدل استفاده شد. به‌منظور تحلیل حساسیت، واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT، از الگوریتم نیمه‌خودکار SUFI-2 استفاده شد. نتایج و بحث مقادیر میانگین بارش شبیه‌سازی شده، انطباق خوبی با مقادیر مشاهداتی داشتند و بیشترین اختلاف مربوط به ماه‌های فوریه و آوریل بود. در خصوص مقادیر انحراف معیار بارش‌های ماهانه نیز بیشترین اختلاف به ماه‌های فوریه و مارس تعلق داشت. میانگین دمای کمینه شبیه‌سازی شده نیز تطابق خیلی خوبی با مقادیر مشاهداتی داشت. همچنین، برای دمای بیشینه نیز روندی مشابه دمای کمینه دیده شد. همچنین، مقادیر p-value حاصل از آزمون t برای متغیرهای فوق‌الذکر هیچ اختلاف معنیداری بین میانگین داده‌های دما و بارش تولید شده و داده‌های مشاهداتی وجود نداشت و مدل LARS-WG به خوبی توانست میانگین‌های دما و بارش را شبیه‌سازی کند. بارش ماهانه در تمامی سناریوها (RCP8.5، RCP4.5 و RCP2.6) در افق 2050 در هفت ماه ابتدای سال، کمتر از میزان بارش ماهانه در دوره پایه نشان داد ولی برای پنج ماه دوم سال، افزایش بارش مشاهده شد. همچنین، در افق 2050 دما به‌طور متوسط نسبت به دوره پایه افزایش یافت. برای ترسیم منحنی سنجه رسوب از روش متوسط دسته‌ها با ضریب FAO اصلاح شده استفاده شد. مقدار رسوب مشاهدهای 2.14 تن در هکتار در سال، برای هر هکتار محاسبه شد. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT، در ابتدا با استفاده از نرم‌افزار CUP_ SWAT پارامترهایی که تاثیر بیشتری بر دبی و رسوب خروجی از حوضه داشتند، مشخص شدند. به‌منظور تحلیل حساسیت، واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT، از الگوریتم نیمه خودکار SUFI-2 استفاده شد. پس از آن، با استفاده از مدل واسنجی و اعتبارسنجی شده SWAT، اثرات تغییر اقلیم بر میزان رواناب و رسوب حوضه بررسی شد. نتایج نشان‌دهنده کاهش بارندگی، افزایش دما و کاهش رواناب در افق 2050 است. تغییرات رسوب برای دو سناریوی RCP4.5 و RCP2.6 به‌ترتیب، 9.3+ و 3.1+ درصد و برای سناریوی RCP8.5 برابر 4.6- درصد است. بندهای گابیونی به‌طور متوسط، 57.09 درصد خروج رسوب از حوضه را کاهش می‌دهند. نتیجه‌گیری در این پژوهش، اثرات تغییر اقلیم بر رسوب خروجی از حوضه دهبار در دوره 2020 تا 2050 و تاثیر بندهای گابیونی در شرایط موجود (وجود بندها) و در شرایط حذف این بندها مورد بررسی قرار گرفت. در کلیه سناریوها دمای کمینه و دمای بیشینه در دوره 2050-2020 نسبت به دوره پایه افزایش پیدا کرد. از اثرات منفی افزایش دما، ایجاد تغییر در مقادیر و الگوی زمانی-مکانی بارش است. نتایج حاکی از آن است که مدل SWAT قابلیت شبیه‌سازی فرایندهای هیدرولوژیکی و رسوب در حوزه‌های آبخیز نسبتا کوچک تا متوسط با شرایط پیچیده مانند حوضه دهبار را حتی با محدودیت داده مشاهداتی، با دقتی قابل قبول دارد. افزایش مقدار رسوب در نقطه خروجی حوضه با وجود کاهش بارندگی و رواناب، نشان‌دهنده بارش‌های کوتاه مدت با شدت زیاد بوده است که باعث افزایش شرایط سیلابی می‌شود. از تغییرات میزان فرسایش و رسوب در افق 2050 و با سناریوهای متفاوت می‌توان نتیجه گرفت که تغییر اقلیم بر فرسایش حوضه در آینده تاثیرگذار است و مدل شبیه‌سازی میتواند در پیش‌بینی فرسایش‌پذیری کارایی داشته باشد. لذا، نتایج به‌دست آمده از مدل SWAT امکان توصیه کاربرد آن را در منطقه فراهم می‌کند. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| بارش؛ رواناب؛ شبیه‌ساز هیدرولوژیک؛ HadGEM2؛ LARS-WG؛ SWAT | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| The effect of climate change and gabion check dams on the amount of sediment yield of basin, case study: Dehbar | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Hamed Harriri1؛ seyed abbas hosseini2؛ Amir Khosrojerdi3 | ||
| 1PhD Student, Water Structures, Department of Agricultural Sciences and Food Industries, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran | ||
| 2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran | ||
| 3Associate Professor, Department of Agricultural Sciences and Food Industries, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction Predicting changes due to climate change and its possible consequences on hydrological processes of the watershed helps to solve the challenges facing managers and water resources planners in the coming period. The effects of this phenomenon and gabion check dams simultaneously on the sedimentation of Dehbar Basin have not been studied so far, so the aim of this study is to investigate this with the perspective of the next 30 years, using SWAT and LARS-WG models and the ability of these two models to simulate climate change and remove gabion check dams. Materials and methods In this research, the performance of gabion dams as a reservoir in the Dehbar Basin, 10 km west of Mashhad and south of the city of Torghabeh, which has a cold semi-arid climate, is compared to the amount of sediment output from the basin for the next 30 years with the LARS-WG statistical model and SWAT hydrological simulation model has been evaluated. There are five gabion dams in this area. To predict the meteorological variables of the upcoming period at the level of Dehbar Watershed, after recalibrating the LARS-WG model, the HadGEM2 model and three scenarios of RCP8.5, RCP4.5 and RCP2.6 were used for the microscaling of meteorological data in the period of 2050- 2020. Kolmogorov Smirnov (K-S), t and F statistical tests were used to check the performance of the simulation results in this model. To prepare and implement the SWAT model, the map and digital model information of elevation, soil, land use, hydrological and meteorological data were used. The tank was used to introduce gabion dams to the model. In order to analyze the sensitivity, calibration and validation of the SWAT model, SUFI-2 semi-automatic algorithm was used. Results and discussion The average values of the simulated precipitation are in good conformity with the observed values and the biggest difference is related to the months of February and April. Regarding the standard deviation values of monthly rainfall, the biggest difference belongs to the months of February and March. The average simulated minimum temperature is also in very good agreement with the observed values. Also, for the maximum temperature, a trend similar to the minimum temperature is seen. Also, the p-value obtained from the t-test for the aforementioned variables, there is no significant difference between the average temperature and precipitation data produced and the observed data, and the LARS-WG model has been able to calculate the average temperature and precipitation very well. To simulate monthly precipitation in all scenarios (RCP8.5, RCP4.5 and RCP2.6) in the horizon of 2050 in the first seven months of the year is lower than the monthly precipitation in the base period, but an increase in precipitation is observed for the second five months of the year. Also, in the horizon of 2050, the temperature will increase on average compared to the base period. To draw the curve of the sediment gauge, the method of batch average with modified FAO coefficient was used. The amount of observed sediment was calculated as 2.14 tha-1yr-1. For the calibration and validation of the SWAT model, at first, using CUP_SWAT software, the parameters that had a greater effect on the discharge and sediment output from the basin were identified. In order to analyze the sensitivity, calibration and validation of SWAT model, SUFI-2 semi-automated algorithm was used. After that, the effects of climate change on the amount of runoff and sediment in the basin were investigated using the validated SWAT model. The results show a decrease in rainfall, an increase in temperature and a decrease in runoff in the horizon of 2050. The precipitation changes for RCP4.5 and RCP2.6 scenarios are +9.3% and +3.1%, respectively, and -4.6% for RCP8.5 scenario. On average, gabion dams reduce 57.09% of sediment exit from the basin. Conclusion In this research, the effects of climate change on the sediment output from Dehbar Basin in the period from 2020 to 2050 and the effect of gabion dams in the existing conditions (presence of dams) and in the conditions of removal of these dams were investigated. In all scenarios, the minimum and maximum temperature increased in the 2020-2050 period compared to the base period. One of the negative effects of temperature increase is change in the amount and time-spatial pattern of precipitation. The results indicate that the SWAT model is capable of simulating hydrological processes and sedimentation in relatively small to medium watersheds with complex conditions such as Dehbar Basin, even with limited observational data, with acceptable accuracy. The increase in the amount of sediment at the outlet point of the watershed, despite the decrease in rainfall and runoff, indicates short-term rainfall with high intensity, which increases the occurrence of flooding conditions. From the changes in the amount of erosion and sedimentation in the horizon of 2050 and with different scenarios, it can be concluded that the climate change will affect the erosion of the basin in the future and the simulation model can be effective in predicting the erodibility. Therefore, the results obtained from the SWAT model provide the possibility of recommending its use in the region. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| HadGEM2, Hydrologic simulator, LARS-WG, Precipitation, Runoff, SWAT | ||
| مراجع | ||
|
Abbasi, F., Habibi Nokhandan, M., Goli Mokhtari, L., Malbousi, Sh., 2011. Climate change assessment over Iran in the future decades using MAGICC-SCENGEN model. J. Phys. Geogr. Res. 42(72), 91-109. Ahmadi, H., Fallah Ghalhari, Gh., Baaghideh, M., 2019. Projection of climate change impacts on seasonal precipitation in Iranian cold regions based on Radiative Forcing Scenarios (RCP). J. Earth Space Phys. 45(1), 177-196. Alansi, A.W., Amin, M.S.M., Abdul Halim, G., Shafri, H.Z.M., Aimrun, W., 2009. Validation of SWAT model for stream flow simulation and forecasting in upper Bernam humid tropical river basin, Malaysia. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discus. 6(6), 7581-7609. Albaji, M., Ershadian, B., Noori Nejad, A., Mohammadi, E., Ghorban Dashtaki, S., 2020. Determination of water erosion in Kowsar Catchment area and evaluation of gabion structures in its control. Environ. Earth Sci. 79(22), 505. Arnold, J.G., Allen, P.M., Bernhardt, G., 1993. A comprehensive surface groundwater flow model. J. Hydrol. 47-69. Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S., Williams, J.R., 1998. Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development. J. Am. Water Resour. Assoc. 34)1), 73-89. Bai, L., Wang, N., Jiao, J., Chen, Y., Tang, B., Wang, H., Chen, Y., Yan, X., Wang, Z., 2020. Soil erosion and sediment interception by check dams in a watershed for an extreme rainstorm on the loess plateau, China. Int. J. Sediment Res. 35(4), 408-416. Berhe, A.A., Barnes, R.T., Six, J., Marín-Spiotta, E., 2018. Role of soil erosion in biogeochemical cycling of essential elements: carbon, nitrogen, and phosphorus. Annu. Rev. Earth Planet Sci. 46(1), 521e548. Boix-Fayos, C., Vente, D.J., Martínez-Mena, M., Barbera, G.G., Castillo, V., 2008. The impact of land use change and check-dams on catchment sediment yield. Hydrol. Process. 22(25), 4922e4935. Burns, I.S., Scott, S., Levick, L., Hernandez, M., Goodrich, D.C., Semmens, D.J., Kepner, W.G., 2004. Automated Geospatial Watershed Assessment (AGWA)- a GIS based hydrologic modeling tool, documentation and user manual version 1.4. U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service, ARS-1446. Daneshfaraz, R., Razzaghpour, H., 2014. Evaluation of climate change impacts on potential evapotranspiration in the West Azerbaijan Province. J. Geog. Space 14(46), 199-211. Eckhardt, K., Breuer, L., Frede, H.G., 2003. Parameter uncertainty and the significance of simulated land use change effects. J. Hydrol. 164-176. Farmanbar, Z., Delavar, M., Imani Amir Abad, S., 2018. The Effects of climate change on water resources and agricultural systems in the context of regional risk assessment, case study: Lakes Basin Zeribar. Iran-Water Resour. Res. 13(4), 75-88. Golshan, M., Esmaeli Ouri, A., Shahedi, K., Jahanshahi, A., 2016. Evaluation of the efficiency of SWAT and IHACRES models in runoff simulation of Khoramabad Basin. J. Water Soil Sci. 26(1/2), 29-42. Goodarzi, M.R., Zahabioun, B., Masah Boani, A., Kamal A., 2012. Comparison of performance of three hydrological models SWAT, IHACRES and SIMHYD in simulation of Ghareh Sou Basin runoff. J. Water Manage. Irrig. 2(1), 25-40. Goudarzi, M., Salahi, B. and Hoseini, A., 2015. Study on effects of climate changes on surface runoff changes case study: Urmia Lake Basin. J. Eco hydrol. 2(2), 175-189. Hosseini, M., Ghafouri, M., Tabatabaei, M., Nadergholi, E., Zare Garizi, A., 2016. Estimation of hydrologic budget for Gharesou Watershed, Iran. J. Ecopersia 4(3), 1455-1469. Kaboosi, K., Kordjazi, M., 2017. The effect of climate change on meteorological parameters and drought in Golestan Province. Iran-Water Resour. Res. 13(3), 205-213. Kiani, F., Behtarinejad, B., Najafinejad, A., Kaboli, R., 2017. Evaluation theerosion and sediment in different land uses of Tamer Watershed, Golestan Province using SWAT model. J. Water Soil 31(5), 1383-1395. Kliment, Z., Kadlec, J., Langhammer, J., 2008. Evaluation of suspended load changes using AnnAGNPS and SWAT semi-empirical erosion models. Catena 73, 286-299. Li, E.H., Mu, X.M., Zhao, G.J., Gao, P., Sun, W., 2016. Effects of check dams on runoff and sediment load in a semi-arid river basin of the Yellow River. Stoch. Environ. Res. Risk Assess. 31(7), 1791-1803. Liu, C., Li, Z.W., Berhe, A.A., Zeng, G.M., Xiao, H.B., Liu, L., Wang, D.Y., Peng, H., 2019. Chemical characterization and source identification of organic matter in eroded sediments: role of land use and erosion intensity. Chem. Geol. 506, 97e112. Liu, C., Li, Z.W., Chang, X.F., He, J.J., Nie, X.D., Liu, L., Xiao, H.B., Wang, D.Y., Peng, H., Zeng, G.M., 2018. Soil carbon and nitrogen sources and redistribution as affected by erosion and deposition processes: a case study in a loess hilly-gully catchment, China. Agric. Ecosyst. Environ. 253, 11e22. Mahzari, S., Kiani, F., Khormali, F., Azimi, M., 2016. Using SWAT model to determine runoff, sediment yield and nitrate loss in Gorganrood Watershed, Iran. J. Ecopersia 4(2), 1359-1377. Mansouri, B., Ahmadzadeh, H., Massah Bavani, A., Morid, S., Delavar, M., Lotfi, S., 2015. Assessment of climate change impacts on water resources in Zarrinehrud Basin using SWAT model. J. Water Soil 28(6), 1191-1203 (in Persian). Mishra, A., Froebrich, J., Gassman, P.W., 2007. Evaluation of the SWAT model for assessing sediment control structures in a small watershed in India. Trans ASABE 50(2), 469e477. Modaresi, F., Araghinejad, Sh., Ebrahimi, K., Kholghi, M., 2011. Assessment of climate change effects on the annual water yield of rivers: a case study of Gorganroud River, Iran. J. Water Soil 25(6), 1365-1377. Musavi Herami, R., Mahbubi, A., Ghafuri, M., Khanebad, M., 2003. Sedimentology and fine-scale studies downstream of Golestan Dam Basin, southwest of Mashhad. J.Sci.I.R.I. 5(1). Naseri, E., Shahidi, A., Farzaneh, M.R., 2016. the assesment of climate change on runoff by SWAT model. J. Rainwater Catchment Syst. 3(4), 27-38. Naseri, F., Azari, M., Dastoorani, M.T., 2018. Simulation of stream flow and sediment yield in Fariman Dam Watershed using SWAT model and genetic algorithm. J. Water Soil 32(3), 447-462. Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R., 2005. SWAT theoretical documentation version 2005. Grassland. Soil and Water Research Laboratory. Agricultural Research Service. Temple, Texas, USA. Norman, L.M., Niraula, R., 2016. Model analysis of check dam impacts on long-term sediment and water budgets in Southeast Arizona, USA. Ecohydrol. Hydrobiol. 16(3), 125-137. Parajuli, P.B., Nelson, N.O., Frees, L.D., Mankin, K.R., 2009. Comparison of AnnAGNPS and SWAT model simulation results in USDA-CEAP agricultural watersheds in south-central Kansas, Hydrol. Process 23, 748-763. Saleh, A., Du, B., 2004. Evaluation of SWAT and HSPF within BASINS program for the upper North Bosque River Watershed in central Texas. Trans ASABE 47(4), 1039. Samad, N., Chauhdry, M.H., Ashraf, M., Saleem, M., Hamid, Q., Babar, U., Tariq, H., Farid, M.S., 2016. Sediment yield assessment and identification of check dam sites for Rawal Dam Catchment. Arab. J. Geosci. 9, 466. Sanikhani, H., Dinpajoh, Y., Pouryusef, S., Ghavidel, S.Z., Soltani, B., 2013. The impacts of climate change on runoff in watersheds, case study: Ajichay Watershed in East Azerbaijan Province, Iran. J. Water Soil 27(6), 1225-1234. Stovin, V.R., Grimm, J.P., Saul. A.J., 2002. Fine sediment retention in storage chambers: an assessment of time-dependent effects. Water Sci. Tech. 45(7), 123-131. Taheri Tizro, A., Khodamoradpour, M., Mashhadian, M.J., 2018. Evaluation of RegCM4 regional climate model simulations for the land surface water budget components, a case study in Toyserkan Plain, Hamedan Province. J. Soil Water Conserv. 24(5), 1-24. Vaezi, A., Rostam, K., Sadeghi, S.H., 2021. Investigation on the effectiveness of gabion check dams in amount and grain size of sedimentation in the Razin Watershed, west of Iran. J. Soil Water Conserv. 27, 201-216 (in Persian). Xu, Y.D., Fu, B.J., He, C.S., 2013. Assessing the hydrological effect of the 942 check dams in the Loess Plateau, China, by model simulations. Hydrol. Earth Syst. Sci. 17(6), 2185-2193. Yang, J., Reicher, P., Abbaspour, K.C., Xia, J., Yang, H., 2008. Comparing uncertainty analysis techniques for a SWAT application to the Chaohe Basin in China. J. Hydrol. 358(1-2),1-23. Yesuf, H.M., Melesse, A.M., Zeleke, G., Alamirew, T., 2016. Streamflow prediction uncertainty analysis and verification of SWAT model in a tropical watershed. Environ. Earth Sci. 75(9), 806. Yuan, S., Li, Z., Li, P., Xu, G., Gao, H., Xiao, L., Wang, F., Wang, T., 2019. Influence of check dams on flood and erosion dynamic processes of a small watershed in the Loess Plateau. Water 11, 834. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 380 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 302 |
||