Journal of Watershed Management Research

fa ارزیابی پتانسیل استحصال رواناب شهری و مکانیابی مخازن ذخیره با کاربرد مدل SWMM و تحلیل سلسله مراتبی (AHP) (مطالعه موردی: شهر محمودآباد مازندران) Assessment of the Potential for Urban Runoff Harvesting and Localization of Storage Reservoirs Using SWMM Model and Analytical Hierarchy Process (AHP) (Case Study: Mahmoudabad City, Mazandaran) مديريت حوزه های آبخيز مديريت حوزه های آبخيز پژوهشي Research مقدمه و هدف: مدیریت آب در ایران به دلیل کمبود منابع و افزایش جمعیت حیاتی است. رواناب شهری، منبع آبی جایگزین و کمتر استفاده شده، می‌تواند با افزایش سطوح نفوذناپذیر شهری به سیلاب تبدیل شود. استفاده از آب‌بندان‌ها برای ذخیره این رواناب و تأمین نیاز آبی، به‌ویژه برای فضای سبز، راهکاری مؤثر است. این مطالعه با هدف ارزیابی پتانسیل استحصال رواناب در شهر محمودآباد مازندران و امکان‌سنجی استفاده از آب‌بندان‌های موجود، به مکانیابی بهینه مخازن ذخیره با استفاده از مدل SWMM و روش AHP پرداخته است. مواد و روش&lrm;ها: منطقه مورد مطالعه در این پژوهش، شهر محمودآباد در استان مازندران با مساحت حدود ۵۱۰ کیلومتر مربع است. این شهر به دلیل موقعیت جغرافیایی و میزان بارندگی سالانه (حدود ۱۰۰۰ میلی‌متر) ، پتانسیل مناسبی برای استحصال رواناب دارد. افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش مصرف آب در این منطقه، ضرورت استفاده از منابع آبی جایگزین را دوچندان کرده است. دو آب‌بندان اصلی به نام‌های قلابن و کربلایی میرزاعلی با مساحت ۱۲ و ۱۱ هکتار در محدوده مطالعاتی وجود دارند که اراضی کشاورزی تحت پوشش آن‌ها عمدتاً شالیزار است.   برای دستیابی به اهداف پژوهش، یک رویکرد چهار مرحله‌ای شامل شبیه‌سازی وضعیت موجود با مدل SWMM، بازسازی و بهسازی آب‌بندان‌های موجود، بررسی شرایط پس از بهسازی و مکانیابی حوضچه‌های جدید با استفاده از روش AHP در صورت لزوم، در نظر گرفته شد.   در ابتدا، حوزه آبخیز شهری محمودآباد به ۵ واحد هیدرولوژیک شهری و ۲ واحد مربوط به اراضی کشاورزی آب‌بندان‌ها تقسیم شد. پارامترهای مورد نیاز مدل SWMM شامل کاربری اراضی، شیب، درصد نفوذناپذیری و مشخصات شبکه زهکشی برای هر زیرحوضه با استفاده از نرم‌افزارهای GIS و داده‌های میدانی تعیین گردید. مدل SWMM با استفاده از داده‌های بارندگی ارزیابی شد. برای طراحی بارش ورودی به مدل، از منحنی‌های شدت-مدت-دوره بازگشت منطقه استفاده گردید.   به منظور برآورد رواناب قابل استحصال، شبیه‌سازی‌ها برای دوره‌های بازگشت ۲، ۵، ۱۰، ۲۵ و ۵۰ ساله انجام شد. برای رعایت ملاحظات زیست‌محیطی، جریان زیست‌محیطی معادل جریان قبل از توسعه شهری از رواناب کل کسر گردید.   برای محاسبه نیاز آبی فضای سبز و اراضی کشاورزی، از روش پنمن-مونتیس فائو و نرم‌افزار Cropwat 8.0 استفاده شد. نیاز آبی برنج در اراضی آبخور آب‌بندان‌ها و نیاز آبی فضای سبز در واحدهای هیدرولوژیک شهری محاسبه گردید.   در بخش مکانیابی، از روش تحلیل سلسله مراتبی (AHP) استفاده شد. ساختار سلسله مراتبی شامل هدف (تعیین مکان‌های مناسب برای ذخیره رواناب)، معیارها (کاربری اراضی، میزان بارندگی، حجم رواناب تولیدی، تقاضای آب برای آبیاری فضای سبز، وضعیت شبکه زهکشی، شیب زمین، تقاضای آب، نسبت رواناب به تقاضا، فاصله مکانی بین منبع تامین رواناب و محل مصرف) و گزینه‌ها (مکان‌های بالقوه ذخیره رواناب) تشکیل شد. مقایسات زوجی معیارها با استفاده از مقیاس ۹ درجه‌ای ساعتی انجام شد و وزن نهایی معیارها با استفاده از روش میانگین هندسی نرمال شده محاسبه گردید. سازگاری ماتریس مقایسات زوجی با محاسبه ضریب سازگاری (CR) بررسی شد. در نهایت، سطوح برازندگی برای طبقات مختلف هر معیار تعیین و گزینه‌ها بر اساس امتیاز نهایی رتبه‌بندی شدند. یافته&lrm;ها: شبیه‌سازی هیدرولوژیک حوضه با استفاده از مدل SWMM نشان داد که حجم کل رواناب تولید شده در شهر محمودآباد به حدود ۱,۱۸۲,۶۰۶ متر مکعب می‌رسد. با اعمال ضوابط زیست‌محیطی و کسر رواناب زیست‌محیطی، حجم قابل استحصال و قابل مدیریت برای اهداف مختلف به ۷۱۳,۳۳۷ متر مکعب تقلیل یافت. به دلیل نبود داده‌های مشاهده‌ای، امکان واسنجی مدل وجود نداشت. به منظور ارزیابی عملکرد مدل، نتایج SWMM با نتایج حاصل از مدل HEC-HMS مقایسه شد. شاخص‌های RE و RMSE صرفاً برای سنجش میزان اختلاف خروجی دو مدل مورد استفاده قرار گرفتند و نتایج بیانگر همخوانی مناسب بین پاسخ‌های هیدرولوژیکی دو مدل است. ارزیابی وضعیت موجود آب‌بندان‌های حوضه (قلابن و کربلایی میرزاعلی) حاکی از آن است که ظرفیت ذخیره فعلی آن‌ها برای مهار حجم قابل توجهی از رواناب مولد ناکافی است. با این حال، نتایج سناریوی بهسازی نشان داد که با افزایش عمق این آب‌بندان‌ها به حداقل ۴ متر، ظرفیت ذخیره‌سازی به ترتیب به ۲۲۸,۰۰۰ و ۴۸۴,۰۰۰ متر مکعب قابل افزایش است (جدول ۴ و شکل ۶). این افزایش ظرفیت علاوه بر تأمین بخشی از نیاز آبی، نقش مهمی در کنترل سیلاب ایفا می‌کند؛ به طوری که منجر به کاهش دبی اوج، تأخیر در زمان رسیدن به اوج و تسطیح هیدروگراف خروجی خواهد شد. در ادامه، نیاز آبی مصارف مختلف بررسی شد. نیاز آبی سالانه برنج در اراضی پایین‌دست حدود ۱۲۲۷ میلی‌متر در هکتار برآورد شد. تحلیل توازن آب نشان داد که با استحصال رواناب شهری، می‌توان حدود ۲۰ درصد از نیاز آبی فضای سبز شهر محمودآباد را تأمین نمود که این امر در کاهش فشار بر منابع آب زیرزمینی بسیار حائز اهمیت است.در نهایت، برای مکانیابی مناسب‌ترین سایت‌های ذخیره‌سازی، از روش تحلیل سلسله‌مراتبی (AHP) استفاده شد. نتایج وزن‌دهی معیارها نشان داد که معیارهای «میزان بارندگی» با وزن ۰.۳۰۷۴ و «حجم رواناب تولیدی» با وزن ۰.۲۰۵۶ بیشترین تأثیر را در انتخاب مکان دارند. این امر نشان می‌دهد که اولویت اصلی سیستم، استحصال حداکثری آب است. همچنین تحلیل لایه‌ها بیانگر آن بود که مناطقی با شیب کم، نفوذپذیری پایین و شبکه زهکشی مناسب، برازندگی بیشتری دارند. بر این اساس، از بین ۸ گره (Node) بررسی شده در شبکه، ۲ گره که در مناطقی با بالاترین پتانسیل تولید رواناب و نیاز آبی قرار داشتند، به عنوان مکان‌های بهینه برای احداث مخازن ذخیره رواناب انتخاب شدند. نتیجه&lrm;گیری: نتایج حاصل از پژوهش حاضر نشان داد که با استفاده از تلفیق مدل SWMM و فرآیند تحلیل سلسله‌مراتبی (AHP)، می‌توان پتانسیل استحصال رواناب شهری در محمودآباد را به‌طور دقیق ارزیابی کرد. بررسی‌ها حاکی از آن است که حجم قابل‌توجهی از رواناب (حدود ۷۱۳,۳۳۷ متر مکعب) قابلیت ذخیره‌سازی و استفاده مجدد دارد. بر اساس یافته‌ها، آب‌بندان‌های «قلابن» و «کربلایی میرزاعلی» به دلیل موقعیت مکانی مناسب و ظرفیت بالا، به‌عنوان مناسب‌ترین سایت‌ها برای توسعه مخازن ذخیره شناسایی شدند. اجرای طرح‌های بهسازی در این سایت‌ها می‌تواند تا ۲۰ درصد از نیاز آبی فضای سبز شهر را تأمین کرده و با کاهش برداشت از منابع زیرزمینی، به تعادل هیدرولوژیکی منطقه کمک شایانی نماید. بنابراین، پیشنهاد می‌شود شهرداری محمودآباد با اولویت‌بندی این دو سایت، اقدام به اجرای طرح‌های مدیریتی جهت استفاده پایدار از رواناب‌ها نماید.   Introduction and Objective: Water management in Iran is crucial due to resource scarcity and population growth. Urban runoff, an alternative and less-utilized water source, can turn into floods with increased urban impervious surfaces. Utilizing ponds to store this runoff and supply water needs, especially for green spaces, is an effective solution. This study aimed to evaluate the potential for runoff harvesting in Mahmoudabad city, Mazandaran, assess the feasibility of using existing ponds, and identify optimal locations for storage reservoirs using the SWMM model and AHP method Material and Methods: The study area in this research is the city of Mahmoudabad in Mazandaran province, with an area of approximately 510 square kilometers. Due to its geographical location and annual rainfall (around 1000 mm), this city has good potential for runoff harvesting. Two main water reservoirs (abbandans) named Ghellaben and Karbalayi Mirzaali, with areas of 12 and 11 hectares respectively, exist within the study area, and the agricultural lands covered by them are mainly rice paddies.To achieve the research objectives, a four-stage approach was considered, including simulating the current situation with the SWMM model, rehabilitation and improvement of the existing water reservoirs, evaluating the conditions after improvement, and locating new ponds using the AHP method if necessary. Initially, the urban watershed of Mahmoudabad was divided into 5 urban hydrological units and 2 units related to the agricultural lands of the water reservoirs. The required parameters for the SWMM model, including land use, slope, imperviousness percentage, and drainage network characteristics for each sub-catchment, were determined using GIS software and field data. The SWMM model was calibrated and validated using rainfall data. To design the input rainfall for the model, intensity-duration-frequency curves of the region were used. To estimate the harvestable runoff, simulations were performed for return periods of 2, 5, 10, 25, and 50 years. To comply with environmental considerations, the environmental flow, equivalent to the flow before urban development, was subtracted from the total runoff. To calculate the water requirements for green spaces and agricultural lands, the FAO Penman-Monteith method and Cropwat 8.0 software were used. The water requirement for rice in the lands under the command of the water reservoirs and the water requirement for green spaces in the urban hydrological units were calculated. In the location finding section, the Analytic Hierarchy Process (AHP) method was used. The hierarchical structure included the goal (determining suitable locations for runoff storage), criteria (land use, rainfall amount, generated runoff volume, water demand for green space irrigation, drainage network status, land slope, water demand, runoff to demand ratio, spatial distance between the runoff source and the consumption location), and options (potential runoff storage locations). Pairwise comparisons of the criteria were performed using Saaty's 9-point scale, and the final weight of the criteria was calculated using the normalized geometric mean method. The consistency of the pairwise comparison matrix was checked by calculating the Consistency Ratio (CR). Finally, suitability levels for different classes of each criterion were determined, and the options were ranked based on their final score. Results: The results showed that the total runoff volume generated in the city of Mahmoudabad is about 1,182,606 cubic meters. After deducting the environmental flow, the harvestable runoff volume was estimated to be 713,337 cubic meters. Table 3 shows the values of total runoff, environmental flow, and harvestable runoff for different return periods in each sub-catchment. The calibration of the SWMM model was performed using HEC-HMS software and the indices of Relative Error (RE) and Root Mean Square Error (RMSE), which showed acceptable results. The results of the assessment of the existing water reservoirs indicated that their current capacity is not sufficient to store a significant volume of runoff. By carrying out rehabilitation operations, it is possible to increase the storage volume of Ghellaben water reservoir to 228,000 cubic meters and Karbalayi Mirzaali water reservoir to 484,000 cubic meters. This increase in capacity will be achieved by increasing the depth of the water reservoirs to at least 4 meters.  The annual water requirement for rice in the lands under the command of the water reservoirs was estimated to be approximately 1227 mm per hectare. The water requirement for green spaces also varied in different urban sub-catchments. The results showed that urban runoff harvesting can supply about 20% of the water requirement for green spaces in the city of Mahmoudabad. Table 5 presents the water requirement for rice and green spaces in each sub-catchment. In the site selection section using the AHP method, the final weights of the effective criteria in determining suitable locations for runoff storage were calculated. "Rainfall amount" with a weight of 0.3074 and "Generated runoff volume" with a weight of 0.2056 were the most important criteria in this regard. "Land use" and "Drainage network status" also had moderate importance. Table 7 shows the pairwise comparison matrix of the criteria, and Table 8 shows the final weights of the criteria. The suitability levels for different classes of each criterion were also determined, indicating that areas with higher rainfall and runoff, high water demand for green spaces, good drainage network, low slope, and low soil permeability have higher suitability for runoff storage. Table 9 provides the suitability levels for different classes of the criteria. Finally, out of 8 examined nodes, 2 nodes were selected as suitable locations for runoff harvesting and storage. Conclusion: The study demonstrated that urban runoff harvesting in Mahmoudabad has significant potential for water resource management and reducing pressure on groundwater. The harvestable runoff volume is estimated at about 713,337 cubic meters. Rehabilitating existing ponds, especially Ghalban and Karbalai Mirza Ali, significantly contributes to collecting this runoff and meeting some agricultural and green space water needs (up to 20% of green space demand). The SWMM model and AHP method are effective tools for evaluating this potential and optimizing storage reservoir locations. Implementing comprehensive urban runoff management plans can contribute to sustainable water management in Mahmoudabad. آب؛ رواناب ؛ مدل SWMM ؛ فضای سبز Water, Runoff, SWMM Model, Green Space 0 0 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-30-16&slc_lang=fa&sid=1 Ali Shahnazari علی شاهنظری aliponh@yahoo.com 100319475328460016154 100319475328460016154 Yes sari university دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری sonia sadeghi سونیا صادقی sonia_6812@yahoo.com 100319475328460016155 100319475328460016155 No tarbiat modares تربیت مدرس