28006

نگاشت سرويس خدمات آب در رابطه هم بست آب – انرژي – غذا در حوضه آبريز جراحي

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران - مهندسي و مديريت منابع آب

1398

1401/09/22

دكتر مطهره سعادت پور

عمران

امروزه رابطه آب-انرژي-غذا توجه فزايندهاي را در جوامع تحقيقاتي به خود جلب كرده است. در اين پژوهش، ابتدا تعاريف مختلف براي مفهوم هم بست (Nexus) ارائه و سپس مجموعه رويداد ها و كنفرانس هاي مرتبط با مفهوم هم بست و افزايش اهميت رويكرد هم بست، بيان شده است. سپس در ادامه به مقايسه رويكرد هم بست آب – غذا - انرژي و رويكرد مديريت يكپارچه منابع آب (IWRM) پرداخته شده، مفاهيم مشترك و تفاوت هاي دو رويكرد با يكديگر بيان شده و تشريح شده است. در اين تحقيق در راستاي كمي سازي روابط بين سه محور سيستم هم بست آب – غذا - انرژي از مدل SWAT – MODFLOW استفاده شده است. براي استفاده از مدل SWAT – MODFLOW، ابتدا مدل SWAT و سپس مدل MODFLOW ساخته شده و هركدام بصورت جداگانه كاليبره شدهاند. مدل SWAT براي سال هاي 2009 – 2015 (1394 - 1387) و مدل MODFLOW براي سال هاي 2009- 2014 (1393 - 1387) كاليبره شده اند. سپس دو مدل كوپل شده، و دوباره كاليبراسيون براي مدل كوپل شده براي سال هاي 2009 – 2014 (1393 - 1387) انجام شده است. در مدل SWAT دبي خروجي ايستگاههاي هيدرومتري و ميانگين عملكرد پنج ساله محصولات كاليبره شده است. در فرآيند كاليبراسيون مدل SWAT، شاخص هاي آماري R2 و PBIAS به ترتيب براي كاليبراسيون رواناب سطحي و ميانگين عملكرد پنج ساله محصولات، مورد استفاده قرار گرفته است. بر اساس نتايج، براي تمامي ايستگاه هاي هيدرومتري ضريب R2 بزرگتر از 0.6 بدست آمده است. همچنين شاخص PBIAS نيز براي تمامي محصولات كوچكتر از 0.15 بدست آمده است، كه حكايت از قابل قبول بودن كاليبراسيون براي مدل SWAT دارد. براي مدل MODFLOW نيز، تراز سطح آبهاي زير زميني كاليبره شده است. مقدار شاخص RMSE براي حالت دائمي هيدروليك جريان، 1.908 بدست آمده است، كه با توجه به تعداد چاه هاي موجود در منطقه مورد مطالعه، كاليبراسيون مورد قبول است. پس از كوپل مدل هاي SWAT و MODFLOW – NWT، متغير هاي ذكر شده بايد در مدل جفت شده نيز كاليبره شوند. در مدل جفت شده، ضريب R2 براي تمامي ايستگاه هاي هيدرومتري بزرگتر از 0.58 بدست آمده است كه مقداري مطلوب است. شاخص PBIAS در مدل جفت شده تفاوتي نمي كند، چرا كه كاليبراسيون ميانگين عملكرد با استفاده از پارامتر هاي گياه انجام شده است. با توجه به اين نكته كه در مدل جفت شده، چاه ها براي 60 ماه كاليبره شده اند، شاخص آماري RMSE براي تمامي آنها از 4 كوچكتر است، كه نشان از قابل قبول بودن فرآيند كاليبراسيون براي چاه ها در مدل جفت شده دارد. در اين مطالعه بر مبناي نوع منبع تامين آب محصولات (سطحي/ زيرزميني) و همچنين نوع محصولات كشت شده در منطقه مطالعاتي، 6 سناريوي مختلف، تعريف گرديد. نتايج نشان مي دهد هر چقدر وابستگي سناريوهاي آبياري محصول مورد نظر به آبهاي زير زميني بيشتر باشد، انرژي مصرف شده براي توليد يك كيلوگرم از آن محصول بيشتر و ميزان انرژي مصرفي در طي سالهاي مختلف نيز متاثر از افت تراز سطح آب زيرزميني بيشتر خواهد بود. علاوه بر اين ميزان آب استفاده شده براي كشت محصولات مختلف در آبياري هايي كه از منابع آب سطحي و زير زميني صورت گرفته، بدست آورده شده است. نتايج نشان ميدهد كه در كشت محصولات با استفاده از آبهاي سطحي با توجه به تغييرات دبي رودخانه، ميزان آب تعريف شده براي گياه در برخي از زمان ها بصورت كامل موجود نيست. اما در آبياري زيرزميني تمام آب تعريف شده بصورت كامل تامين ميشود و ميزان محصول بيشتري نيز به نسبت آبياري با استفاده از آب هاي سطحي توليد مي شود. نتايج نشان مي دهد كه در آبياري سطحي ميزان آب كمتري براي توليد يك كيلوگرم محصول مصرف شده است. به عبارتي در آبياري محصولات با استفاده از آبهاي سطحي، بهره وري آب بالاتر بوده است.

1401/12/14

Mapping water provisioning services to support the water-food-energy nexus in the Jarahi River Basin

12/13/2023 12:00:00 AM

Nowadays, the water-energy-food (WEF) nexus has attracted increasing attention in research communities due to high concerns on water, energy and food securities in futures. In this research, some definitions for the nexus concepts, the series of events and conferences on nexus concepts, and the increasing trends on the nexus significance have been introduced. Then, integrated water resources management (IWRM) approach and WEF nexus have been compared. In this research, the SWAT-MODFLOW model has been used in order to quantify the relationships between WEF components as the main axes of the system. The SWAT-MODFLOW model, has been applied in WFE nexus study. To SWAT-MODFLOW model calibration, in the first step, the SWAT and MODFLOW models were setup and calibrated, separately. The SWAT model was calibrated for the years 2009-2015 and the MODFLOW model was calibrated for the years 2009-2014. Then the two models coupled, and re-calibration for the coupled model for the years 2009-2014 have been performed. The flow discharges in various hydrometric stations and the annual average of crop yields were calibrated in SWAT environment. The statistical measures, R2 and PBIAS indices, have been set in SWAT model for calibration of flow rates and the crop yields, respectively. The SWAT model calibration has resulted in R2 coefficient greater than 0.6 and the PBIAS index less than 0.15 for the flow rates and the crop yields, respectively. Therefore, SWAT model calibration was acceptable. The spatial and temporal ground water surface elevation (GWSE) in MODFLOW model were calibrated according to the recorded observational data in various wells in the study area. The RMSE index as a statistical measure for GWSE adjustment in MODFLOW was 1.908, which is an acceptable ranges considering extensive wells in the study area. Then, the hydrological indices (flowrates and GWSE) and agricultural crop yields have been calibrated in SWAT-MODFLOW model. In the coupled model, the R2 coefficient for all hydrometric stations is greater than 0.58, which is a favorable value. The PBIAS index has not changed in the coupled model, because the average yield calibration is done using the plant parameters. The calibration error measure in SWAT-MODFLOW model for GWSE were less than 4 m in 60 simulation months for various wells around the watershed, which indicates the acceptability of the calibration process. In this study, 6 various scenarios were defined based on the irrigation water supply sources (surface water/groundwater) as well as the crops patterns in the study area. The results indicated that the greater dependences of the irrigation scenarios on groundwater, have led to more energy consumptions for the crop products. Furthermore, the energy consumptions in the study area represents increasing trends during time horizon due to GWSE declines. In addition, the amount of water used for the cultivation of different crops has been obtained in irrigations that have been done from surface water and groundwater sources. The results show that in the cultivation of crops using surface water, due to the changes in river flow, the amount of water defined for the plant is not fully available at some times. But in the irrigation done by ground water, all the defined water is fully supplied and the amount of product is more than the irrigation using surface water. The results show that in surface irrigation, less water is used to produce one kilogram of product. In other words, in crop irrigation using surface water, water efficiency has been higher.

مدلسازي آبهاي سطحي و زير زميني , حوضه آبريز مارون – جراحي , تبادل آبهاي سطحي و زير زميني , WEF NEXUS , كوپل مدل SWAT و MODFLOW , IWRM , SWAT , MODFLOW

WEF NEXUS , IWRM , Surface/groundwater interactions , Coupled modeling - SWAT • MODFLOW-NWT , jarahi river basin

Erfan Bahramipour

Dr. Motahareh Saadatpour