ارزيابي الگوريتم‌هاي بارش ماهواره‌اي در شبيه‌سازي هيدرولوژيكي با استفاده از مدل IHACRES (مطالعه موردي حوضه‌آبريز رودخانه شش‌پير استان فارس، ايران)

مقدمه مدل‌هاي هيدرولوژيكي ابزارهاي قدرتمندي براي فهم و تخمين پاسخ‌هاي هيدرولوژيكي حوضه‌آبريز هستند. آن‌ها نقش حياتي در مديريت منابع آب، مهندسي رودخانه، كنترل و ذخيره سيلاب ايفا مي‌كنند. ارزيابي جنبه‌هاي كمي و كيفي مدل‌هاي هيدرولوژيكي با رويكرد سيستماتيك ضروري است. متغيرهاي كليدي مؤثر بر چرخه هيدرولوژيكي شامل بارش، دما، كاربري اراضي، بافت خاك، ارتفاع و تبخيروتعرق هستند. اندركنش پيچيده بين  اين متغيرها، چرخه هيدرولوژيكي را به يك فرآيند نسبتاً پيچيده تبديل مي‌كند و استفاده از مدل‌هاي هيدرولوژيكي را براي ارزيابي ضرروي مي‌سازد. مهمترين پارامتر ورودي در فرآيندهاي شبيه‌سازي هيدرولوژيكي بارش است. قابل دسترس بودن داده بارش مناسب در زمان‌ها و موقعيت‌هاي مختلف بسيار مهم است. امروزه، اغلب داده‌هاي بارش از ايستگاه‌هاي باران‌سنجي زمين-مبنا يا رادارهاي هواشناسي جمع‌آوري مي‌شود. مانند هزينه بالا، كمبود ابزرهاي پايش در مناطق صعب العبور، توزيع نامناسب، فقدان داده، عملكرد نادرست دستگاه‌ها و خطاهاي انساني از جمله مشكلات هميشگي كاربران داده‌هاي بارش هستند. از اين رو، فقدان داده‌هاي معتبر و كامل بارش يك چالش بزرگ در تحليل و پيش‌بيني هيدرولوژيكي براي مديريت منابع آب است. در نتيجه، پايش بارش در مقياس‌هاي زماني كوتاه و مقياس‌هاي مكاني كوچك نقش مهمي در شبيه‌سازي‌هاي هيدرولوژيكي و در نهايت مديريت منابع آب دارد. در سال‌هاي اخير، استفاده از سنجش از دور و الگوريتم هاي تخمين بارش ماهواره اي توسعه يافته و به عنوان جايگزين پيشنهاد شده است. اين فناوري‌ها پتانسيل ارائه داده‌هاي جامع‌تر و دقيق‌تر بارش را دارند كه مي‌تواند عملكرد مدل‌هاي هيدرولوژيكي را به طور قابل‌توجهي بهبود بخشد و سبب بهبود مديريت منابع آب شود. مواد و روش‌ها اين مطالعه بر ارزيابي هيدرولوژيكي چهار محصول بارش ماهواره‌اي TMPA-3R42V7، TMPA-3B42RTV7، PERSIANN و PERSIANN-CDR در مدل سازي بارش-رواناب رودخانه شش‌پير (954.5 كيلومتر مربع) متمركز است. حداقل ارتفاع حوضه 1527 متر و حداكثر آن 3666 متر از سطح دريا است. ايستگاه هيدرومتري در طول جغرافيايي 51 درجه و 43 دقيقه شرقي و عرض جغرافيايي 30 درجه و 01 دقيقه شمالي قرار دارد و داده هاي دبي روزانه مناسبي براي رودخانه دارد. براي دستيابي به اهداف تحقيق، مدل هيدرولوژيكي مفهومي و پيوسته IHACRES ابتدا با استفاده از اطلاعات بارش و دماي زميني اندازه گيري شده در بازه زماني 22 سپتامبر 2004 تا 31 دسامبر 2009 با استفاده از داده‌هاي واسنجي شده ايستگاه هيدرومتري تلمبه حسني و پارامترهاي مدل استخراج شد. سپس مدل IHACRES براي بازه زماني 1 ژانويه 2010 تا 31 دسامبر 2013 اعتبارسنجي شد. IHACRES يك مدل مفهومي-متريك يكپارچه براي شبيه سازي بارش-رواناب است كه از طريق تلاش‌هاي مشترك هيدرولوژيست‌ها از مركز ارزيابي و مديريت حوضه آبريز (ICAM) در دانشگاه ملي استراليا و مركز اكولوژي و هيدرولوژي (CEH) شوراي تحقيقات محيط زيست طبيعي بريتانيا توسعه يافته است. IHACRES يك مدل موثر و كارآمد است كه در طيف وسيعي از مناطق آب و هوايي، از جمله مناطق خشك و نيمه خشك، كاربرد داشته است. شاخص‌هاي ارزيابي مورد استفاده در اين مطالعه شامل ضريب تعيين (R2)، كارايي ناش-ساتكليف (NSE)، ريشه ميانگين مربعات خطا (RMSE) و كارايي ناش-ساتكليف لگاريتمي (log NSE) است. نتايج و بحث نتايج واسنجي مدل براي حوضه‌آبريز شش پير نشان داد كه عملكرد قابل قبولي دارد، با شاخص‌هاي آماري كارايي نش ساتكليف (NSE) و ضريب تعيين (R2) به ترتيب 0.8 و 0.8، و نتايج اعتبارسنجي بر اساس شاخص‌هاي آماري فوق به ترتيب 0.62 و 0.66، كه نشان‌دهنده عملكرد قابل‌قبول مدل هيدرولوژيكي IHACRES است. سپس، محصولات بارش ماهواره‌اي كه هدف اين مطالعه معرفي آن‌ها به عنوان جايگزين بارش ميانگين ايستگاهي استفاده شدند، بر اساس شاخص‌هاي آماري نتايج نشان مي‌دهد كه PERSIANN-CDR توانايي بالاتري در شبيه سازي بارش-رواناب نسبت به ساير الگوريتم‌ها دارد. ضريب تعيين براي الگوريتم PERSIANN-CDR  0.79 و براي الگوريتم‌هاي TMPA-3B42V7، TMPA-3B42RTV7، PERSIANN به ترتيب 0.67، 0.61، 0.1 است. همچنين، بر اساس شاخص آماري NSE، ارزيابي مدل‌هاي هيدرولوژيكي براي شبيه‌سازي مدل بارش-رواناب با الگوريتم PERSIAN-CDR، در دوره كاليبراسيون 0.70 و در دوره اعتبارسنجي 0.69 است، كه نشان‌دهنده عملكرد مناسب مدل بارش-رواناب IHACRES با الگوريتم بارش PERSIANN-CDR است. الگوريتم PERSIANN-CDR توانايي بالاتري نسبت به ساير الگوريتم‌ها دارد؛ از طرف ديگر، عمليات اصلاح خطاي مدل PERSIANN-CDR موفق است، اما استفاده از مدل با تأخير زماني TMPA-3B42V7 تأثير قابل‌توجهي بر نزديك شدن مدل به زمان واقعي ندارد. به طور كلي، مدل IHACRES، همراه با محصول بارش ماهواره‌اي PERSIANN-CDR، نتايج اميدواركننده‌اي در شبيه‌سازي فرآيندهاي بارش-رواناب در حوضه‌آبريز شش پير، كه در منطقه آب و هوايي نيمه خشك قرار دارد، نشان داد. اين مطالعه پتانسيل استفاده از داده‌هاي بارش ماهواره‌اي به عنوان جايگزين قابل‌قبول براي مشاهدات زميني در مدل‌سازي هيدرولوژيكي در مناطقي با داده كم را برجسته كرد. نتيجه‌گيري نتايج اين تحقيق نشان مي‌دهد كه مدل IHACRES از توانايي بالايي در شبيه‌سازي هيدرولوژيكي حوزه ‌آبخيز و برآورد جريان به صورت يكپارچه برخوردار است. اين مطالعه همچنين پتانسيل الگوريتم‌هاي بارش ماهواره‌اي براي جايگزيني داده‌هاي مشاهداتي زميني در مواردي كه چنين داده‌هايي كم يا در دسترس نيستند را نشان مي‌دهد. يكي از يافته‌هاي كليدي پژوهش حاضر، تأثير عمليات اصلاح خطا بر عملكرد محصولات بارش ماهواره‌اي است. مطالعه نشان مي‌دهد كه اصلاح خطا در محصول PERSIANN-CDR منجر به بهبود قابل‌توجهي در عملكرد آن شده است، در حالي كه تنظيمات مشابه در محصول TMPA-3B42V7 چنين نتايج چشم‌گيري به دنبال نداشته است. ارزيابي چهار الگوريتم بارش ماهواره‌اي  PERSIANN، PERSIANN-CDR، TMPA-3B42V7 و TMPA-3B42RT - در زمينه مدل‌‎سازي هيدرولوژيكي نشان مي‌دهد كه الگوريتم PERSIANN-CDR در ميان الگوريتم‌هاي مورد آزمايش، بيشترين قابليت را دارد. برعكس، عملكرد الگوريتم PERSIANN بسيار ضعيف بوده و استفاده از آن در مدل سازي هيدرولوژيكي توصيه نمي‌شود. اين يافته‌ها داراي پيامدهاي مهمي براي مديريت منابع آب و تصميم‌گيري است. توانايي استفاده مؤثر از داده‌هاي بارش ماهواره‌اي در مدل‌سازي هيدرولوژيكي مي‌تواند به ويژه در مناطقي كه داده‌هاي مشاهداتي زميني محدود هستند، ارزشمند باشد. همچنين، بينش‌هاي به دست آمده از تحليل مقايسه‌اي الگوريتم‌هاي بارش ماهواره‌اي مي تواند در انتخاب و كاربرد مناسب‌ترين محصول براي اهداف خاص مدل‌سازي هيدرولوژيكي راهنما باشد. به طور كلي، اين تحقيق درك جامعي از عملكرد مدل IHACRES و الگوريتم‌هاي بارش ماهواره‌اي در شبيه‌سازي هيدرولوژي حوزه ‌آبخيز و برآورد جريان آب ارائه مي‌دهد.