پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز

چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: مدیریت منابع آب در مناطق نیمه‌خشک با چالش‌های متعددی به‌دلیل شرایط محیطی خاص، از جمله وقوع سیلاب‌های ناگهانی و رواناب‌های سطحی، روبه‌رو است. این مناطق به‌دلیل ویژگی‌های اقلیمی و جغرافیایی مانند بارش‌های رگباری شدید، توزیع نامنظم زمانی و مکانی بارش، تبخیر و تعرق بالا، پوشش گیاهی کم‌تراکم و خاک‌های شکننده، مستعد تولید رواناب و وقوع سیلاب‌های مخرب هستند. مدل‌سازی دقیق فرآیندهای هیدرولوژیکی، به‌ویژه پیش‌بینی دبی اوج و حجم رواناب برای طراحی و اجرای اقدامات مدیریتی مؤثر مانند کنترل سیلاب، تنظیم رواناب و احیای پوشش گیاهی اهمیت زیادی دارد. مدل‌های هیدرولوژیکی ابزارهایی مؤثر برای شبیه‌سازی این فرآیندها هستند و در میان آن‌ها، مدل HEC-HMS به‌دلیل توانایی ترکیب داده‌های اقلیمی، هیدرومتری و ویژگی‌های حوزه آبخیز برای شبیه‌سازی دقیق فرآیند بارش–رواناب کاربرد گسترده‌ای دارد. تحلیل حساسیت پارامترها نیز روشی کارآمد برای بررسی تأثیر تغییرات پارامترهای ورودی بر خروجی مدل و شناسایی عوامل مؤثر است که به کاهش عدم ‌قطعیت و افزایش دقت پیش‌بینی‌ها کمک می‌کند. در مناطق نیمه‌خشک ایران، سیلاب‌های ناگهانی خسارات قابل‌توجهی را 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 مجاور در حوضه زوجی گنبد همدان می‌پردازد؛ یکی به‌عنوان حوضه شاهد (فاقد عملیات احیا) و دیگری به‌عنوان حوضه تیمار شده (دارای عملیات احیای پوشش گیاهی). هدف اصلی پژوهش، تحلیل حساسیت پارامترهای مؤثر بر دبی اوج و حجم رواناب با استفاده از مدل HEC-HMS است. در این مطالعه، فرآیند بارش–رواناب در هر دو حوضه شبیه‌سازی، مدل با داده‌های مشاهداتی واسنجی و اعتبارسنجی شد و تحلیل حساسیت بر پارامترهای کلیدی از جمله شماره منحنی (CN)، حداکثر نگهداشت (S)، زمان تأخیر، شیب آبراهه و ضریب زبری مانینگ انجام گرفت. نتایج دو حوضه برای ارزیابی اثر احیای پوشش گیاهی بر عملکرد مدل و حساسیت پارامترها مقایسه شدند. در نهایت، این پژوهش نتایجی کاربردی برای بهبود مدیریت منابع آب و کاهش اثرات سیلاب در مناطق نیمه‌خشک ارائه می‌دهد.
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 احیاشده انتخاب شدند. عملیات احیای پوشش گیاهی در حوضه احیاشده شامل کاشت گونه‌های گیاهی مقاوم به خشکی و اجرای عملیات آبخیزداری بود. 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 بودند. 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: عملیات احیای پوشش گیاهی تأثیر قابل توجهی بر ویژگی‌های خاک، شبیه‌سازی رواناب و حساسیت پارامترها داشتند. تغییرات ویژگی‌های خاک: اندازه‌گیری‌ها نشان دادند که نفوذپذیری اولیه و نهایی خاک در حوضه احیاشده در مقایسه با مقادیر متناظر در حوضه شاهد به‌طور قابل توجهی افزایش یافت؛ به‌طوری‌که نفوذپذیری اولیه از بازه 82/3 تا 76/4 میلی‌متر بر ساعت در حوضه شاهد، به بازه 130/2 تا 144/4 میلی‌متر بر ساعت در حوضه احیاشده افزایش یافت. همچنین، نفوذپذیری نهایی از 4/2 تا 6/86 در حوضه شاهد، به 10/8 تا 15/4 میلی‌متر بر ساعت در حوضه احیاشده رسید. علاوه بر این، در مقایسه با حوضه شاهد، درصد سیلت حدود ۲۰ درصد بیشتر، چگالی ظاهری به‌طور میانگین ۲۰ درصد کمتر و تخلخل خاک حدود ۳۵ درصد بیشتر اندازه‌گیری شد. رطوبت اشباع و ظرفیت زراعی خاک نیز در حوضه احیاشده 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 هستند. نتایج شبیه‌سازی مدل: مدل HEC-HMS توانست جریان خروجی حوضه‌ها را با دقت قابل قبولی شبیه‌سازی کند (NSE>0.6 و RMSE<0.5). تطابق بین داده‌های شبیه‌سازی شده و مشاهداتی در حوضه احیاشده، به ‎ویژه در بخش اوج جریان، بیشتر بود. دقت شبیه‌سازی در حوضه احیاشده نسبت به حوضه شاهد بیشتر بود که با یافته‌های مطالعات پیشین هم خوانی دارد. انحرافات هیدروگراف در حوضه شاهد، به ‎ویژه در بخش اوج جریان و نزولی، بیشتر بودند که می‌تواند ناشی از کمبود پوشش گیاهی و افزایش جریان سطحی باشد. نتایج تحلیل حساسیت نشان دادند که پارامترهای حداکثر نگهداشت و شماره منحنی (CN) بیشترین تأثیر را بر دبی اوج داشتند. به‌طور مشخص، افزایش ۳۰ درصدی CN در حوضه شاهد منجر به افزایش دبی اوج به ‎میزان حدود ۲۵ درصد شد، در حالی ‎که در حوضه احیاشده این افزایش حدود ۱۵ درصد بود. همچنین، افزایش ۳۰ درصدی حداکثر نگهداشت در حوضه شاهد باعث کاهش حجم رواناب تا حدود ۳۵ درصد گردید، در حالی‎که در حوضه احیاشده این کاهش به حدود ۲۰ درصد محدود بود. این نتایج نشان می‌دهند که حساسیت مدل به این پارامترها در حوضه احیاشده کمتر است که می‌تواند ناشی از بهبود نفوذپذیری خاک، افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی و ارتقای تاب‌آوری هیدرولوژیکی باشد. سایر پارامترها نظیر شیب آبراهه، زمان تأخیر و ضریب زبری مانینگ نیز بر دبی اوج مؤثر بودند، اما اثر آن‌ها به‌ویژه در درصدهای بالای تغییر، کاهش می‌یافت؛ به‌عنوان مثال، افزایش ۳۰ درصدی ضریب مانینگ در حوضه شاهد تنها باعث کاهش حدود ۵ درصدی دبی اوج شد.
نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق نشان می‌دهند 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 احیاشده 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.