كاهش عدم قطعيت در يك مدل نيمه‌توزيعي هيدرولوژيكي با روش GLUE

Reducing uncertainty in a semi distributed hydrological modeling within the GLUE framework

سابقه و هدف: واسنجي مدل‌هاي نيمه‌توزيعي- فيزيكي هيدرولوژيكي به‌دليل عدم قطعيت در پارامترهاي زياد مدل و عدم توانايي در اندازه‌گيري توزيعي خصوصيات فيزيكي در سطح حوضه آبخيز، منجر به افزايش عدم قطعيت در بهينه‌سازي پارامترها مي‌شود. بنابراين، به‌منظور كاربرد موفقيت‌آميز مدل‌هاي هيدرولوژيكي در پژوهش‌هاي كاربردي منابع آب، واسنجي دقيق و تجزيه و تحليل عدم قطعيت پيش‌بيني ضروري است. پژوهش‌هاي مختلف در تحليل پارامترهاي عدم قطعيت در مدل‌سازي هيدرولوژيكي و رسوب بيانگر اثر قابل‌توجه تعداد محدودي پارامتر بر خروجي مدل است. در اين مقاله، با استفاده از روش عدم قطعيت درست‌نمايي تعميم‌يافته (GLUE) در مدل SWAT، كميت ورودي و خروجي جريان ماهانه در حوضه شرقي رودخانه گرگانرود به مساحت 7072 كيلومترمربع برآورد شد. مواد و روش‌ها: ايستگاه هيدرومتري قزاقلي يكي از ايستگاه‌هاي آب منطقه‌اي گلستان جهت شبيه‌سازي رواناب ماهانه انتخاب شد. بارش ساليانه از غرب به شرق، از 800 ميلي‌متر به 200 ميلي‌متر و جنوب به شمال كاهش مي‌يابد. در اين پژوهش اجراي مدل در مقياس زماني ماهانه و از سال 1983 تا 1993 انجام شد، به‌طوري‌كه سال آبي 1984 تا 1990 به‌عنوان دوره واسنجي و سال آبي 1991 تا 1993 براي دوره اعتبار‌سنجي انتخاب گرديد. يافته‌ها: در مدل‌هاي توزيعي و نيمه‌توزيعي مانند SWAT، جهت به‌دست آوردن خروجي بهتر، شناسايي پارامترهاي حساس، قبل از واسنجي ضروري است. براساس اين مطالعه پارامترهايي مانند CN2 (شماره منحني)، GWQMN (حداقل عمق مورد نياز سطح ايستايي در سفره‌هاي كم‌عمق)، RCHRG_DP (درصد تغذيه سفره عميق از سفره كم‌عمق)، ALPHA_BNK (پارامتر ? در جريان پايه)، ESCO (فاكتور جبران‌كننده تبخير از خاك) وSOL_K (هدايت هيدروليكي اشباع لايه‌هاي خاك) به‌عنوان حساس‌ترين پارامترها تعيين شدند. با توجه به نتايج اين مطالعه، پارامتر CN2، موثرترين پارامتر در دبي خروجي از منطقه مورد مطالعه مي‌باشد و شماره منحني به‌عنوان منبع اصلي عدم قطعيت در نتايج مشخص شد. نتايج اين مطالعه با استفاده از شاخص‌هاي آماري ضريب تعيين و ضريب ناش- ساتكليف در خروجي ايستگاه هيدرومتري قزاقلي براي دوره واسنجي به‌ترتيب 80/0 و 72/0 و براي دوره اعتبارسنجي به‌ترتيب 83/0و 73/0 مي‌باشد. از طرف ديگر روش GLUE به خوبي توانسته رواناب را در طول دوره مورد مطالعه واسنجي كند، به‌طوري‌‌كه بين 69 تا 74 درصد از داده‌هاي مشاهداتي به‌ترتيب در دوره واسنجي و صحت‌سنجي در محدوده‌ اطمينان 95 درصد قرار گرفتند. نتيجه‌گيري: نتايج آناليز عدم قطعيت بيانگر عدم قطعيت زياد مدل در دوره واسنجي بود اگرچه نتايج شبيه‌سازي رواناب قابل‌قبول بود و 69 درصد داده‌هاي مشاهداتي در محدوده‌ اطمينان 95 درصد قرار گرفتند. نتايج كلي نشان داد مدل SWAT در پژوهش حاضر، عملكرد قابل‌قبولي براي برآورد رواناب داشته و مي‌توان از آن براي ارزيابي هيدرولوژيكي حوزه گرگانرود استفاده كرد. اين مطالعه اطلاعات مفيدي براي مدل‌سازي هيدرلوژيكي مربوط به سياست‌گذاري‌هاي توسعه‌اي در حوزه رودخانه گرگانرود و مناطق مشابه ارايه مي‌كند.

Background and Objectives: The calibration of hydrologic models is a worldwide challenge due to the uncertainty involved in the large number of parameters and the inability to reliably measure the distributed physical characteristics of a catchment results in significant uncertainty in the parameterization of physically based, semi-distributed models. Therefore, a successful application of a hydrologic model in applied water research strongly depends on calibration and uncertainty analysis of model output. Different studies indicated that in parameter uncertainty of the stream flow and sediment modeling only a few parameters affected the final simulation output significantly. In this paper, the Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) method was combined with the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to quantify the monthly stream flow in the eastern Gorganrood river basin. Materials and Methods: The Golestan Regional Water Company (GRWC) monitoring site at Gazaghly was chosen as the outlet for the entire watershed since it is the lowest monitoring station on the river not subject to dam influence. Annual precipitation decreases in the west to east direction, low (200 mm) to high (880 mm) and from south to north direction. Model has been calibrated and validated using monthly runoff flow data of ten years 1984 and 1993. Data pertaining to year 1984-1990 has been used for calibration and 1991-1993 for validation. Results: In semi-distributed models such as SWAT, it is necessary to identify the most sensitive parameters to obtain a better understanding of the overall hydrologic processes before calibration. Based on this study, only a few parameters affected the final simulation output significantly. The parameters such as CN2 (curve number), GWQMN (threshold in the shallow aquifer), RCHRG_DP (deep aquifer percolation fraction), ALPHA_BNK (base flow alpha factor for bank storage), ESCO (soil evaporation compensation factor) and SOL_K were found to be the most sensitive parameters. According to results, the parameter CN2, was the most effective parameter on the output discharge of the studied area and CN2, was identified as a main source of uncertainty in results. Statistical model performance measures, coefficient of determination (R2) of 0.80, the Nash-Sutcliffe simulation efficiency (ENS) of 0.72, for calibration and 0.83 and 0.80, respectively for validation, indicated good performance for runoff estimating on monthly time step in the outlets of the Gazaghly gauging station. 69-74% of the observed runoff data fall inside the 95% simulation confidence intervals in the calibration and validation periods. The evaluation statistics for the daily runoff simulation showed that the model results were acceptable, but the model underestimated the runoff for high-flow events. Conclusion: SWAT was applied to simulate monthly runoff in part of the Gorganrood river basin. Results of uncertainty analysis indicated that SWAT model had large uncertainties for calibration period, although the simulation of monthly runoff for the Gazaghly station was satisfactory during the calibration period and in the model calibration stage 69 of runoff observations were within the corresponding 95% confidence interval. This study would provide useful information for hydrology modeling related to policy development in the Gorganrood river basin and other similar areas.