27082

پيش‌بيني نياز آبياري با استفاده از مدل تركيبي SWAT–MODFLOW و مبتني بر جذب داده زميني-ماهواره‌اي

كارشناسي ارشد

عمران - مهندسي و مديريت منابع آب

1401

1401/06/28

حسين عليزاده

مجيد احتياط

مهندسي عمران

مديريت پايدار منابع آب مستلزم ارزيابي جامع تمامي اجزاي چرخه آب است. در مناطق خشك و نيمه‌خشك، منابع آب تحت تنش‌هاي شديد قرار دارند. استفاده بي‌رويه از منابع آب بدون درنظرگرفتن مديريت پايدار اين شرايط را تشديد مي كند. يافتن يك استراتژي مناسب براي مديريت پايدار منابع آب در حوضه هاي آبريز ضروري است. در اين مطالعه هدف اصلي، تعيين تقاضاي آبياري محصولات كشاورزي به تفكيك در حوزه آبريز دشت مهاباد، آذربايجان غربي يكي از حوضه هاي آبريز درياچه اروميه است. در سال هاي اخير آبخوان مهاباد به دليل برداشت هاي بيش ازحد به‌منظور آبياري با كاهش شديد سطح مواجه شده است. در اين مطالعه مدل تلفيقي SWAT-MODFLOW به‌كارگرفته‌شده است. به‌كارگيري اين مدل تلفيقي مي تواند نقاط ضعف هر مدل را پوشش دهد. با وجود پيشرفت هاي شگرف در يكپارچه سازي اين مدل تلفيقي، اما كاليبراسيون توأمان پارامترهاي آب سطحي و آب‌ زيرزميني يكي از بزرگ‌ترين چالش‌ها در شبيه‌سازي مدل تلفيقي SWAT-MODFLOW است. اهميت افزايش دقت تخمين حاصل مدل‌هاي متنوع هيدرولوژيكي در محافل علمي طي دو دهه اخير همواره از توجه برخوردار بوده است. در اين راستا جذب داده همواره به‌عنوان يكي از روش‌هاي مستعد تخمين متغيرهاي حالت و پارامترهاي مربوط به مدل‌هاي هيدرولوژيكي است. از طرف ديگر طيف وسيعي از مشاهدات مربوط به انواع متغيرهاي حالت هيدرولوژيكي پتانسيل قابل‌توجهي در اين زمينه را در اختيار پژوهشگران قرار داده است، در اين تحقيق به‌منظور تخمين متصل متغير حالت و پارامترهاي مدل SWAT-MODFLOW از مشاهدات شاخص سطح برگ (LAI) بازيابي‌شده ماهواره Sentinel-2 استفاده شده است. بر اساس ماژول رشد گياه مدل SWAT بر اساس LAI پيشرفت مي كند. اين مشاهدات در كنار مقادير اندازه‌گيري شده رواناب سطحي با بهره‌گيري از الگوريتم فيلتر ذره جذب مدل شده است، به اين منظور تغييرات لازم براي معرفي مقادير مشاهداتي شاخص سطح برگ در كدهاي مرجع SWAT-MODFLOW به زبان Fortran اعمال شده است. ابتدا حوضه آبريز محدود به بالادست ايستگاه آب‌سنجي گرديعقوب از زير حوضه‌‌هاي فرعي حوضه آبريز درياچه اروميه مدل شده است. سپس با تعريف چهار سناريو مجزا شامل: 1) جذب مشاهدات ماهواره اي LAI، 2) جذب مشاهدات رواناب سطحي، 3) جذب توأمان مشاهدات رواناب و LAI و 4) مدل تلفيقي داده اي جذب نمي شود. قبل از شروع فرآيند جذب داده، پارامترهاي حساس مدل MODFLOW در مقابل مشاهدات سطح آب زيرزميني به كمك الگوريتم PEST كاليبره مي شود. سپس يك تحليل حساسيت برروي اندازه فيلتر ذرات انجام مي-شود تا رابطه بين دقت تخمين رواناب و حجم محاسباتي بررسي شود. مقادير معيار نكويي NSE در اين 4 سناريو با 250 ذره به ترتيب 315/0، 671/0، 814/0 و 059/0 براي تخمين رواناب بدست آمده است. ميانگين NSE در اين سناريوها به ترتيب 22/0، 34/0، 62/0 و 12/0 براي تخمين سطح آب زيرزميني حاصل مي شود. با مقايسه معيارهاي نكويي برازش مقادير شبيه سازي و مشاهداتي، نتايج نشان از بهبود دقت تخمين رواناب و سطح آب زيرزميني مدل با جذب توأمان مشاهدات زميني و ماهواره اي مي دهد. همچنين مي توان گفت سناريوي سوم در مقايسه با سناريوي اول و دوم، تقاضاي آبي را بيشتر تخمين مي زند. اين افزايش تخمين در شبيه سازي سطح آب زيرزميني نيز تطابق دارد

1401/07/13

Prediction of irrigation requirement using coupled SWAT–MODFLOW model and based on ground-satellite data assimilation

9/19/2023 12:00:00 AM

Sustainable management of water resources requires a comprehensive assessment of all components of the water cycle. In arid and semi-arid regions, water resources are under severe stress. Indiscriminate use of water resources without considering sustainable management aggravates these conditions. Finding a suitable strategy for sustainable management of water resources in watersheds is essential. In this study, the main goal is to determine the irrigation demand of agricultural crops separately in the catchment area of Mahabad Plain, West Azerbaijan, one of the catchment areas of Lake Urmia. In recent years, the Mahabad aquifer has faced a sharp decrease in water level due to over-harvesting for irrigation purposes. SWAT-MODFLOW integrated model is used in this study. Using this integrated model can cover the weak points of each model. Despite the great progress in the integration of this integrated model, the calibration of both surface water and groundwater parameters is one of the biggest challenges in the simulation of SWAT-MODFLOW integrated model. The importance of increasing the estimation accuracy of various hydrological models has always received attention in scientific circles during the last two decades. In this regard, data assimilation is always one of the methods prone to estimating state variables and parameters related to hydrological models. On the other hand, a wide range of observations related to all types of hydrological state variables has provided researchers with significant potential in this field. In this research, in order to estimate the state variable and the parameters of the SWAT-MODFLOW model from satellite retrieved leaf area index (LAI) observations. Sentinel-2 is used. Based on plant growth module, SWAT model advances based on LAI. These observations, along with the measured values of surface runoff, have been modeled using the adsorption particle filter algorithm, for this purpose, the necessary changes have been applied to introduce the observed values of the leaf surface index in the SWAT-MODFLOW reference codes in Fortran language. First, the watershed limited to the upstream of the Gardi Yaqoub water measuring station is modeled from the sub-watersheds of the Urmia Lake watershed. Then, by defining four separate scenarios including: 1) assimilation of surface runoff observations, 2) assimilation of satellite LAI observations, 3) assimilation of combined observations of runoff and LAI 4) data assimilation model is not considered. Before starting the data acquisition process, the sensitive parameters of the MODFLOW model are calibrated against the observations of the underground water level using the PEST algorithm. By comparing the goodness of fit criteria of simulation and observational values, the results show the improvement of the accuracy of estimation of runoff and groundwater level of the model by assimilating both ground and satellite observations. It can also be said that the third scenario overestimates the water demand compared to the first and second scenarios. This increase in estimation is also consistent with the simulated groundwater level results.

تخمين پارامتر و متغير حالت با استفاده از فيلتر ذره , اصلاح كدهاي مرجع مدل SWAT-MODFLOW , مشاهدات سنجش‌ازدور شاخص سطح برگ , تخمين تقاضاي آبياري

estimation of parameter and state variable using particle filter , modification of reference codes of SWAT-MODFLOW model , remote sensing observations of leaf area index , estimation of irrigation demand

Nima Zafarmomen

Hosein Alizadeh