SUPERVISOR
Hamid Reza Safavi,Mohammad Hossein Golmohammadi
حمیدرضا صفوی (استاد راهنما) محمدحسین گل محمدی (استاد راهنما)
STUDENT
Ghazal Kamran
غزل کامران
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Developing empirical monthly groundwater recharge equation based on evapotranspiration in catchments without hydrometric station to estimate runoff
Developing empirical monthly groundwater recharge equation based on evapotrairation in catchments without hydrometric station to estimate runoff Ghazal Kamran g.kamran@cv.iut.ac.ir Sep 21, 2020 Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree: M.Sc. Language: Farsi Supervisor: Dr. Mohammad Hossein Golmohammadi, m.golmohammadi@iut.ac.ir Dr. Hamid Reza Safavi, hasafavi@iut.ac.ir One of the biggest challenges and most important aims of planning and managing water resources is determining the amount of recharge and the runoff within watersheds using climate and hydrological parameters particularly in areas that lack a hydrological station. In order to predict hydrological processes precisely and accurately, hydrological models are used. Almost all hydrological models, calibrate through dividing and categorizing the area of study into hydrological results and examining the runoff of each result and aggregating runoff results within the hydrometric station and comparing it with runoff observation data. Calibrated parameters match the observational data of the exit point of the studied basin and every single hydrological result should be calibrated with its own data but in this case, since there are no hydrometric stations in each result, this is almost impossible. Based on similar studies in this field, it is indicated that the share of the produced runoff reported by the hydrological model in sub-basins without a hydrometric station is not accurate since calibration parameters in exit point of the area is randomly allocated to the upstream sub-basins and for each of these sub-basins, it's not be calibrated exclusively. Hence, in this study an empirical equation for calculating recharge based on climatic and landuse parameters in the form of factors such as precipitation and evapotrairation in a basin with a hydrometric station and adequate data from the water years of 1991 to 2011 with the coefficient of determination equal to (0.95) was developed. For this purpose, two parameters of maximum daylight hours (N) and extraterrestrial radiation (HA) were calculated using solar method daily and after that, potential evapotrairation (PET) was calculated using Penman’s method. In addition, with using satellite data, Budyko framework method and seasonal conversion CoKriging method. Also, by subtracting the average aquifer thickness from the DEM map, the bedrock raster map of the upstream Eskandari sub-basins was obtained. With the difference of these two raster maps, the mass volume of the porous aquifer space was calculated. By multiplying this with the aquifer storage coefficient, the volume of groundwater within the aquifer was obtained. By subtracting the groundwater in consecutive months, the changes in monthly water storage was calculated. Finally, by determining the volume of extractions and the amount of water returned from consumptions, the recharge volume from rainfall was calculated on a monthly basis from the water year 1991 to 2011 for sub-basins upstream of Eskandari station. In the end, in order to validate the results, the recharge amount obtained for three sub-basins of Buin-Maindasht, Damane-Daran and Chehel Khane from empirical equation were compared with the recharge amount resulted from groundwater balance. The correlation coefficient (R) of sub-basins were calculated as 0.95, 0.95 and 0.95, the Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) was calculated as 0.53, 0.22 and 0.75, the Index of Agreement (d) was calculated as 0.93, 0.9 and 0.95 respectively. The results indicate that the amount of recharge being simulated using empirical equation is very compatible with the amounts of recharge being calculated from the groundwater balance and this provides evidence for the efficiency of the proposed method. Keywords: Empirical Equation of Recharge, Evapotrairation, Surface and Groundwater Balance, Runoff, Watershed without hydrometric station
یکی از چالشها و اهداف عمده در برنامهریزی و مدیریت منابع آب، تعیین میزان تغذیه و رواناب تولیدی در حوضههای آبریز با استفاده از پارامترهای اقلیمی و هیدرولوژیکی به خصوص در حوضههای فاقد ایستگاه هیدرومتری است. جهت پیشبینی و شبیهسازی صحیح و دقیق فرآیندهای هیدرولوژیکی از مدلهای هیدرولوژیکی استفاده می شود. بسیاری از مدل های هیدرولوژیکی با تقسیم بندی حوضه مورد مطالعه به پاسخهای هیدرولوژیکی و تخمین رواناب هر پاسخ و تجمیع رواناب پاسخها در ایستگاه هیدرومتری و مقایسه آن با دادههای مشاهداتی رواناب، کالیبره می شوند.پارامترهای کالیبره شده مطایق با دادههای مشاهداتی نقطه خروجی حوضه مورد مطالعه بوده و هر پاسخ هیدرولوژیکی باید با دادههای خودش کالیبره شود که به علت عدم وجود ایستگاه هیدرومتری در هر پاسخ این امر ممکن نیست.از بررسی مطالعات صورت گرفته مشخص شد که سهم رواناب تولیدی گزارش شده توسط مدل هیدرولوژیکی در زیرحوضههای فاقد ایستگاه هیدرومتری به این علت که پارامترهای کالیبراسیون در نقطه خروجی حوضه به صورت رندوم به زیرحوضههای بالا دست تخصیص مییابد و برای هریک از زیرحوضهها به طور اختصاصی کالیبره نمیشود دارای صحت کافی نبوده است. لذا در این پژوهش، رابطه ای تجربی برای محاسبه تغذیه بر اساس پارامترهای اقلیمی و کاربری اراضی در قالب فاکتورهایی مثل بارش و تبخیر-تعرق در حوضه ی دارای ایستگاه هیدرومتری و با دادههای کافی از سال آبی 1370 تا سال آبی 1390 با ضریب تخمین R² برابر 95/0 توسعه داده شد. در این راستا ابتدا دو پارامتر حداکثر تعداد ساعات آفتابی (N) و انرژی خورشیدی در بالای اتمسفر ( ) از روش انرژی خورشیدی به صورت روزانه و پس از آن تبخیر تعرق پتانسیل (PET) بر اساس رابطه پنمن محاسبه گردید. همچنین روش چارچوب بودیکو و روش ضرایب تبدیل فصلی توسط داده های ماهواره ای برای محاسبه تبخیر تعرق واقعی از تبخیر تعرق پتانسیل با یکدیگر مقایسه شد که در نهایت روش ضرایب تبدیل فصلی با ضریب همبستگی بیشتر از 5/0 انتخاب گردید. سپس به کمک ضرایب تبدیل فصلی PET به AET (استخراج شده از نسبت بین داده های ماهوارهای)،AET زمینی تخمین زده شد.در مرحله بعدی میزان تغذیه ماهانه با استفاده از بیلان قطعی آب سطحی اقلیم پایه )چادگان( محاسبه گردید و یک رابطه رگرسیونی خطی بین تغذیه و بارش موثر برازش داده شد. سپس با بررسی مطالعات بیلان و با انتخاب محدوده بالا دست ایستگاه اسکندری به عنوان اقلیم مشابه از نظر بارش و دما و کاربری اراضی با چادگان، به کمک الحاقیه ArcHydro ، منطقه به ?? پاسخ هیدرولوژیکی تقسیم بندی گردید و با استفاده از درون یابی به روش IDW در نرم افزار GIS بارش و دمای هر 27 پاسخ هیدرولوژیکی به صورت ماهانه پهنه بندی و میانگین گیری شد.سپس با استفاده از رابطه تجربی در اقلیم مشابه میزان تغذیه و پس از آن با بکارگیری رابطه بیلان آب سطحی میزان رواناب تمام این پاسخ های هیدرولوژیکی بدست آمد. سپس سطح آب زیر زمینی حوضه بالا دست اسکندری به کمک پیزومترها به روش کوکریجینگ معمولی به صورت ماهانه پهنه بندی شد.همچنین با کسر ضخامت متوسط آبخوان از نقشه DEM ، نقشه رستر سنگ بستر منطقه در سه زیر حوضه مورد مطالعه بدست آمد.با تفاضل این دو نقشه رستر از یکدیگر میزان حجم توده ای فضای متخلخل آبخوان محاسبه گردید. با ضرب این مقدار در ضریب ذخیره آبخوان ،حجم آب زیرزمینی موجود در آبخوان بدست آمد.سپس از تفاضل حجم آب زیر زمینی در ماه های متوالی میزان تغییرات ذخیره ماهانه حاصل شد.در نهایت با مشخص بودن حجم برداشتها و میزان آب برگشتی از مصارف طبق گزارشات بیلان ، حجم تغذیه حاصل از بارش به صورت ماهیانه از سال آبی 1370 تا سال آبی 1390 برای زیرحوضههای بالا دست ایستگاه اسکندری محاسبه شد.در نهایت به منظور صحت سنجی نتایج، میزان تغذیه بدست آمده از رابطه تجربی برای سه زیر حوضه بوئین-میاندشت ، دامنه-داران و چهل خانه با میزان تغذیه بدست آمده از بیلان آب زیر زمینی مقایسه و ضریب همبستگیR زیرحوضهها به ترتیب 95/0، 95/0 و 95/0 ضریب ناش ساتکلیف به ترتیب 53/0 ، 22/0و 75/0 ضریب تطابق d به ترتیب 93/0، 9/0 و 95/0 ارزیابی گردید. نتایج نشان داد میزان تغذیه شبیه سازی شده از رابطه تجربی تطابق بسیار خوبی با مقادیر تغذیه بدست آمده از بیلان آب زیرزمینی داشته و این موضوع نشان دهنده کارآیی مناسب رابطه تجربی توسعه داده شده و روش پیشنهادی است. کلمات کلیدی: 1-رابطهتجربی تغذیه 2-تبخیر و تعرق 3-بیلان آب سطحی وآب زیرزمینی4-رواناب 5-حوضه آبریز فاقد ایستگاه هیدرومتری