Journal of Watershed Management Research

fa تحلیل حساسیت پارامترهای موثر بر رواناب با استفاده از مدل HEC-HMS در حوضه زوجی گنبد همدان Sensitivity Analysis of Parameters Influencing Runoff Reduction Using the HEC-HMS Model in Gonbad Paired Watersheds, Hamadan هيدرولوژی هيدرولوژی پژوهشي Research 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&lrm; عنوان حوضه شاهد و دیگری به&lrm; 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 &lrm;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 &lrm;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 &lrm;میزان حدود ۲۵ درصد شد، در حالی &lrm;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 حالی&lrm;که 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.   Extended Abstract Background: Water resource management in semi-arid regions faces major challenges due to environmental conditions, such as flash floods and intense surface runoff. These areas are prone to destructive flooding because of high-intensity convective rainfall, uneven precipitation distribution, high evapotranspiration, sparse vegetation, and fragile soils. Accurate modeling of hydrological processes—particularly peak discharge and runoff volume—is essential for designing effective management measures, such as flood control, runoff regulation, and vegetation restoration. Hydrological models, especially HEC-HMS, are widely used for simulating rainfall–runoff processes due to their ability to integrate climatic, hydrometric, and watershed characteristics. Parameter sensitivity analysis further helps identify influential factors, reduce uncertainty, and improve prediction accuracy. In Iran’s semi-arid regions, flash floods frequently cause severe damage. This study examines how vegetation restoration influences the sensitivity of HEC-HMS parameters in two adjacent sub-watersheds of the Gonbad paired watershed in Hamadan Province—one control (without restoration) and one treated (with restoration). The main goal is to analyze how restoration affects parameters controlling peak discharge and runoff volume. The study involves simulating rainfall–runoff processes, calibrating and validating the model with observed data, and performing sensitivity analysis on key parameters, such as curve number (CN), maximum retention (S), lag time, channel slope, and Manning’s roughness coefficient. By comparing results between the two basins, the research evaluates how vegetation restoration alters model performance and parameter responsiveness, providing insights for improved water resource management and flood mitigation in semi-arid environments. Method: This study was conducted in the paired watershed of Gonbad, located in Hamadan Province. Two adjacent sub-watersheds with similar physiographic and climatic characteristics were selected, one as a control watershed (without any restoration interventions) and the other as a restored watershed (subjected to vegetation restoration activities). The restoration operations in the restored watershed included planting drought-resistant plant species and implementing watershed management practices. The HEC-HMS hydrological model was employed to simulate the rainfall–runoff process. The data required for model simulation included meteorological data (precipitation, temperature, etc.), hydrometric data (streamflow), soil characteristics, and watershed physical attributes. Ten years of observed rainfall and runoff data were used for model calibration and validation, and various statistical indicators, including the Nash–Sutcliffe Efficiency (NSE) coefficient and the Root Mean Square Error (RMSE), were applied to evaluate model performance. Sensitivity analysis of the model parameters was carried out using a percentage variation method (±30%) for key parameters, such as the Curve Number (CN), maximum retention (S), lag time, channel slope, and Manning’s roughness coefficient. Results: The vegetation restoration significantly affected soil properties, runoff simulation accuracy, and parameter sensitivity in the studied watersheds. Changes in soil properties: Measurements indicated that both initial and final soil infiltration rates were significantly higher in the restored watershed than in the control watershed. Specifically, initial infiltration rates increased from a range of 3.82 to 4.76 mm/h in the control watershed to a range of 130.2 to 144.4 mm/h in the restored watershed. Similarly, final infiltration rates rose from 4.2 to 6.8 mm/h in the control watershed to 10.8 to 15.4 mm/h in the restored watershed. Furthermore, the restored watershed showed approximately 20% higher silt content, an average of 20% lower bulk density, and about 35% higher soil porosity than the control watershed. Soil saturation moisture and field capacity also increased in the restored watershed by approximately 30% and over 10%, respectively. These changes indicate an overall improvement in soil quality as a result of the restoration activities. Model simulation results: The HEC-HMS model demonstrated acceptable performance in simulating watershed outflows, with NSE values exceeding 0.6 and RMSE values below 0.5. The match between observed and simulated hydrographs was stronger in the restored watershed, particularly at the peak discharge segment. Simulation accuracy in the restored watershed was higher than in the control watershed, consistent with findings from previous studies. Deviations in the hydrograph, especially during peak and recession phases, were more pronounced in the control watershed, likely due to insufficient vegetation cover and increased surface runoff. Sensitivity analysis results: The sensitivity analysis showed that the maximum retention (S) and Curve Number (CN) parameters had the greatest influence on peak discharge. Specifically, a 30% increase in CN led to an approximate 25% increase in peak discharge in the control watershed, while this increase was about 15% in the restored watershed. Likewise, a 30% increase in maximum retention resulted in a reduction of runoff volume by nearly 35% in the control watershed, whereas the reduction was limited to around 20% in the restored watershed. These findings suggest that the model’s sensitivity to these parameters was lower in the restored watershed, which could be attributed to improved soil infiltration, greater water storage capacity, and enhanced hydrological resilience. Other parameters, such as channel slope, lag time, and Manning’s roughness coefficient, also affected peak discharge; however, their impact diminished at higher levels of variation. For example, a 30% increase in Manning’s coefficient in the control watershed resulted in only about a 5% reduction in peak discharge. Conclusion: The results of this study indicate that vegetation restoration can have a substantial impact on improving soil properties, enhancing runoff simulation accuracy, and reducing the sensitivity of hydrological models to parameter variations. Improved soil infiltration capacity and water storage potential in the restored watershed played a key role in reducing surface runoff and increasing the reliability of hydrological predictions. These findings highlight the importance of vegetation restoration as a practical and effective strategy for watershed management. They can be applied to the design and implementation of water resources management and watershed rehabilitation programs in similar semi-arid regions.   احیای حوزه آبخیز, حجم رواناب, دبی اوج, شماره منحنی, مدل‌سازی هیدرولوژیکی Curve Number (CN), Hydrological modeling, Peak discharge, Runoff volume, Watershed restoration 1 18 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1466-1&slc_lang=fa&sid=1 Saeedreza Moazeni Noghondar سعیدرضا مؤذنی نقندر moazeni.s@ut.ac.ir 100319475328460015395 100319475328460015395 No Department of Reclamation of Arid and Mountainous Region, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Tehran, Iran گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، تهران، ایران Ali Salajegheh علی سلاجقه salajegh@ut.ac.ir 100319475328460015396 100319475328460015396 Yes Department of Reclamation of Arid and Mountainous Region, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Tehran, Iran گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، تهران، ایران Shahram Khalighi Sigaroudi شهرام خلیقی سیگارودی khalighi@ut.ac.ir 100319475328460015397 100319475328460015397 No Department of Reclamation of Arid and Mountainous Region, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Tehran, Iran گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، تهران، ایران Ali Golkarian علی گلکاریان golkarian@um.ac.ir 100319475328460015398 100319475328460015398 No Department of Range and Watershed Management, Faculty of Natural Resources and Environment, Ferdowsi University, Mashhad, Iran گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران