پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز

مقدمه و هدف: مدیریت منابع آب در مناطق نیمه‌خشک، به دلیل ویژگی چالش‌های متعددی از جمله وقوع سیلاب‌های ناگهانی و رواناب‌های سطحی مواجه است. این مناطق به دلیل ویژگی‌های خاص اقلیمی و جغرافیایی، از جمله بارش‌های رگباری با شدت بالا، توزیع زمانی و مکانی نامناسب بارش‌ها، تبخیر و تعرق بالا، پوشش گیاهی فقیر و خاک‌های آسیب‌پذیر، پتانسیل بالایی برای تولید رواناب و وقوع سیلاب‌های مخرب دارند. ارزیابی دقیق و مدل‌سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی، به‌ویژه پیش‌بینی دبی اوج و حجم رواناب، برای طراحی و اجرای اقدامات مدیریتی مؤثر، از جمله سازه‌های کنترل سیلاب، مدیریت رواناب و احیای پوشش گیاهی، از اهمیت بسزایی برخوردار است. مدل‌های هیدرولوژیکی ابزارهای قدرتمندی برای شبیه‌سازی این فرآیندها هستند و مدل HEC-HMS یکی از پرکاربردترین مدل‌ها در این زمینه است. این مدل با قابلیت ترکیب داده‌های اقلیمی، هیدرومتری و ویژگی‌های حوزه آبخیز، امکان شبیه‌سازی دقیق فرآیند بارش-رواناب را فراهم می‌کند. تحلیل حساسیت پارامترها نیز روشی مؤثر برای بررسی تأثیر تغییرات پارامترهای ورودی بر نتایج مدل و شناسایی پارامترهای کلیدی است. این تحلیل به کاهش عدم قطعیت‌ها و بهبود دقت پیش‌بینی‌ها کمک می‌کند. در مناطق نیمه‌خشک ایران، سیلاب‌های ناگهانی خسارات قابل‌توجهی به زیرساخت‌ها و منابع طبیعی وارد کرده‌اند. این پژوهش به بررسی تأثیر احیای پوشش گیاهی بر حساسیت پارامترهای مدل HEC-HMS در دو حوزه آبخیز همجوار در حوضه زوجی گنبد همدان می‌پردازد، یکی به‌عنوان حوضه شاهد (بدون عملیات احیا) و دیگری به‌عنوان حوزه احیا شده (با اجرای عملیات احیای پوشش گیاهی). این مطالعه به دنبال بهبود درک فرآیندهای هیدرولوژیکی و ارائه راهکارهایی برای مدیریت بهینه منابع آب در مناطق مشابه است. هدف اصلی این پژوهش، تحلیل حساسیت پارامترهای مؤثر بر دبی اوج و حجم رواناب در دو حوزه آبخیز همجوار در حوضه زوجی گنبد همدان با استفاده از مدل HEC-HMS است. این مطالعه به ارزیابی تأثیر عملیات احیای پوشش گیاهی بر بهبود شبیه‌سازی رواناب و کاهش حساسیت پارامترهای هیدرولوژیکی می‌پردازد. اهداف جزئی شامل شبیه‌سازی فرآیند بارش-رواناب در هر دو حوضه، واسنجی و اعتبارسنجی مدل، تحلیل حساسیت پارامترهای کلیدی مانند شماره منحنی (CN)، حداکثر نگهداشت، زمان تأخیر، شیب آبراهه و ضریب زبری مانینگ، و مقایسه نتایج شبیه‌سازی و تحلیل حساسیت در دو حوضه برای ارزیابی تأثیر عملیات احیا بر دقت مدل و حساسیت پارامترها است. این مطالعه به دنبال ارائه نتایج کاربردی برای طراحی برنامه‌های مدیریت منابع آب و کاهش اثرات سیلاب در مناطق نیمه‌خشک است.
مواد و روش‌ها: این تحقیق در حوضه زوجی گنبد همدان انجام شده است. دو حوزه آبخیز همجوار با ویژگی‌های مشابه، یکی به عنوان حوضه شاهد و دیگری به عنوان حوضه احیا شده انتخاب شدند. عملیات احیای پوشش گیاهی در حوضه احیا شده شامل کاشت گونه‌های گیاهی مقاوم به خشکی و اجرای عملیات آبخیزداری بوده است. برای شبیه‌سازی فرآیند بارش-رواناب، از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS استفاده شد. داده‌های مورد نیاز برای مدل شامل داده‌های هواشناسی، هیدرومتری، ویژگی‌های خاک و ویژگی‌های حوزه آبخیز بود. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل، از داده‌های 10 ساله بارش و دبی استفاده شد و از معیارهای آماری مختلف از جمله ضریب نش-ساتکلیف (NSE) و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) استفاده شد. برای تحلیل حساسیت پارامترها، از روش تغییرات درصدی (±30 درصد) برای پارامترهایی مانند شماره منحنی (CN)، حداکثر نگهداشت (S)، زمان تأخیر، شیب آبراهه و ضریب زبری مانینگ استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج این تحقیق نشان داد که عملیات احیای پوشش گیاهی تأثیر قابل توجهی بر ویژگی‌های خاک، شبیه‌سازی رواناب و حساسیت پارامترها داشته است.تغییرات ویژگی‌های خاک: نفوذپذیری اولیه و نهایی خاک در حوضه احیا شده به طور قابل توجهی افزایش یافت (نفوذپذیری اولیه از 4/76-3/82 به 2/130-4/144 میلی‌متر بر ساعت و نفوذپذیری نهایی از 2/4-8/6 به 8/10-4/15 میلی‌متر بر ساعت). درصد سیلت افزایش (حدود ۲۰ درصد)، چگالی ظاهری کاهش (به طور میانگین ۲۰ درصد) و تخلخل خاک افزایش (حدود ۳۵ درصد) یافت. رطوبت اشباع و ظرفیت زراعی خاک نیز در حوضه احیا شده افزایش نشان دادند (رطوبت اشباع حدود ۳۰ درصد و ظرفیت زراعی بیش از ۱۰ درصد). این تغییرات نشان‌دهنده بهبود کیفیت خاک در اثر عملیات احیا است.نتایج شبیه‌سازی مدل: مدل HEC-HMS توانست جریان خروجی حوضه‌ها را با دقت قابل قبولی شبیه‌سازی کند (NSE بالای 6/0 و RMSE کمتر از 5/0). تطابق بین داده‌های شبیه‌سازی شده و مشاهداتی در حوضه احیا شده، به ویژه در بخش اوج جریان، بیشتر بود. دقت شبیه‌سازی در حوضه احیا شده نسبت به حوضه شاهد بیشتر بود که با یافته‌های مطالعات پیشین همخوانی دارد. انحرافات هیدروگراف در حوضه شاهد، به ویژه در بخش اوج جریان و نزولی، بیشتر بود که می‌تواند ناشی از کمبود پوشش گیاهی و افزایش جریان سطحی باشد.نتایج تحلیل حساسیت: پارامترهای حداکثر نگهداشت و CN بیشترین تأثیر را بر دبی اوج داشتند. افزایش حداکثر نگهداشت باعث کاهش و افزایش CN باعث افزایش دبی اوج شد. حداکثر نگهداشت بیشترین تأثیر را بر حجم رواناب داشت. حساسیت دبی اوج و حجم رواناب به تغییرات پارامترها در حوضه احیا شده نسبت به حوضه شاهد کاهش یافته بود. به عنوان مثال، تأثیر تغییرات حداکثر نگهداشت و CN در حوضه شاهد قوی‌تر بود. این نشان می‌دهد که عملیات احیا باعث کاهش حساسیت به تغییرات پارامترها شده است که به دلیل بهبود ویژگی‌های نفوذپذیری و ذخیره‌سازی آب و افزایش تاب‌آوری هیدرولوژیکی است. تغییرات شیب آبراهه، زمان تأخیر و ضریب زبری مانینگ نیز تأثیرات معناداری بر دبی اوج داشتند، اما این تأثیرات با افزایش درصد تغییرات، به مرور کاهش یافت.

نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که عملیات احیای پوشش گیاهی می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر بهبود ویژگی‌های خاک، افزایش دقت شبیه‌سازی رواناب و کاهش حساسیت مدل‌های هیدرولوژیکی به تغییرات پارامترها داشته باشد. بهبود نفوذپذیری و ظرفیت ذخیره‌سازی آب در حوضه احیا شده نقش مهمی در کاهش رواناب و افزایش دقت پیش‌بینی‌ها ایفا می‌کند. این یافته‌ها می‌توانند در طراحی و اجرای برنامه‌های مدیریت منابع آب و احیای حوزه‌های آبخیز در مناطق مشابه مورد استفاده قرار گیرند.