بررسی کارایی منابع تبخیر و تعرق بازتحلیل‌شده برای واسنجی مدل‌ هیدرولوژیکی توزیعی با رویکرد کاربرد در حوضه‌های فاقد آمار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

2 استادیار گروه مهندسی آب/ دانشگاه بین المللی امام خمینی قزوین

3 پژوهشگر موسسه تحقیقات ژئو هیدرولوژی IRPI، رم، ایتالیا

چکیده

محدودیت­های موجود در دسترسی به مقادیر جریان مشاهداتی با کفایت مکانی و زمانی مناسب در سطح حوضه­های آبریز سبب ایجاد مشکلاتی در کاربرد مدل­های هیدرولوژیکی برای محققین شده است. از سویی دیگر با توجه به گسترش فناوری­های ماهواره­ای در سال­های اخیر، منابع اطلاعاتی ارزشمندی از مولفه­های بیلان آب با استفاده از تکنیک­های سنجش از دور و داده­گواری تهیه و در اختیار پژوهشگران قرار گرفته است. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی کارایی مقادیر تبخیر و تعرق به­ دست آمده از اجرای مدل­های بازتحلیل­شده GLEAM، W3RA و HBV در فرآیند واسنجی مدل هیدرولوژیکی VIC-3L در حوضه آبریز سفیدرود به انجام رسیده است. نتایج حاصل حاکی از آن است که در صورت استفاده از منبع بازتحلیل­شده GLEAM به منظور واسنجی مدل توزیعی VIC-3L در سناریوی دوم (واسنجی سلول به سلول مدل هیدرولوژیکی)، مقادیر جریان شبیه­سازی­شده با 59/0NS= و80/0r= از همبستگی مناسبی با مقادیر مشاهداتی برخوردار می­باشد. همچنین مقدار شاخص کلینگ­گوپتا (KGE) درصورت واسنجی مدل بر اساس مقادیر جریان خروجی از حوضه برابر با 64/0می­باشد؛ در حالی­که در صورت استفاده از منبع بازتحلیل­شده HBV در سناریوی سوم (استفاده از متوسط مقادیر پارامترهای بهینه به دست آمده در سناریوی دوم) مقدار این ضریب معادل 62/0 است. همچنین در گام زمانی ماهانه، کاربرد مقادیر تبخیر و تعرق به دست آمده از مدل بازتحیل­شده HBV  با دارا بودن شاخص 64/0KGE= از عملکرد بهتری نسبت به سناریوی پایه (واسنجی مدل هیدرولوژیکی با سری زمانی جریان مشاهداتی در خروجی حوضه (59/0KGE=))  برخوردار است. علاوه ­بر این، استفاده از منابع تبخیر و تعرق به دست آمده از مدل­های بازتحلیل­شده W3RA و GLEAM منجر به بهبود عملکرد مدل VIC-3L در تخمین حجم رواناب خروجی از حوضه سفیدرود شده است؛ به طوری­که مقدار متوسط خطا در برآورد حجم رواناب به کمتر از به 0/4 درصد محدود می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluating the Efficiency of Reanalysis Evapotranspiration for Calibration of Distributed Hydrological Model in Data-Limited Areas

نویسندگان [English]

  • Sakine Koohi 1
  • Asghar Azizian 2
  • Luca Brocca 3
1 Water Engineering Dept./ Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
2 Assistant Professor in Water Engineering Department/ Imam Khomeini International University
3 Research Institute for Geo-Hydrological Protection IRPI, Rome, Italy.
چکیده [English]

The lack of required datasets over the catchments impose basic problems for applying hydrologic models. By increasing the satellite-based technologies over the past decades, several water balance components have been developed by using remote sensing and data assimilation techniques. This research addresses the efficiency of evapotranspiration values which are obtained from the reanalysis models (GLEAM, W3RA and HBV) for calibration of VIC-3L hydrologic model over the SefidRood basin (SRB). Results showed that using the evapotranspiration dataset, which is estimated by GLEAM, is the best for calibration of VIC-3L (NS=0.56 and CC=0.80) and simulating the streamflow at the outlet of SRB. Also, using the HBV reanalysis model’s results, in both daily and monthly time scales, with the KGE=0.64 leads to the better performance in simulating streamflow when comparing to the base scenario (calibration of VIC-3L model with the observed streamflow data). Finally, results indicated that using W3RA and GLEAM datasets improved the VIC-3L performance in estimation of runoff volume and the maximum relative error restricted to only 4.0 %.

کلیدواژه‌ها [English]

  • remote sensing
  • VIC-3L Hydrological Model
  • Water balance
  • Evapotranspiration
Abbott, M.B., Refsgaard, J.C. (1996). Distributed Hydrological Modelling.
Azizian, A. and Shokoohi, A. (2017). Evaluating and Sensitivity Analysis of a Macro Scale Hydrological Model (VIC-3L) for Simulation of Stream Flow at Different Time Scales. Journal of Civil and Environmental Engineering. 47(2), 39–52. (In Farsi)
Bergström, S. and Forsman, A. (1973). Development of a Conceptual Deterministic Rainfall-Runoff Model. Nordic Hydrology. 4(3), 147–170.
Beven, K. and Binley, A. (1992). The Future of Distributed Models: Model Calibration and Uncertainty Prediction. Hydrological Processes. 6(3), 279–298.
Blondin, C. (1991). Parameterization of Land-Surface Processes in Numerical Weather Prediction. Land Surface Evaporation: Measurements and Parameterization. edited by T. J. Schmugge and J. C. Andre.
Ducoudre, N.I., Laval, K. and Perrier, A. (1993). SECHIBA, a New Set of Parameterizations of the Hydrologic Exchanges at the Land-Atmosphere Interface within the LMD Atmospheric General Circulation Model. Journal of Climate. 6(2), 248–273.
Franchini, M. and Pacciani, M. (1991). Comparative Analysis of Several Conceptual Rainfall-Runoff Models. Journal of Hydrology. 122(1), 161–219.
Franco, A.C.L. and Bonumá, N.B. (2017). Multi-Variable SWAT Model Calibration with Remotely Sensed Evapotranspiration and Observed Flow. Brazilian Journal of Water Resources. 22(35).
Guo, J., Liang, X. and Leung, L. (2004). Impacts of Different Precipitation Data Sources on Water Budgets. Journal of Hydrology. 298, 311–334.
Gupta, H. V., Kling, H., Yilmaz, K.K. and Martinez, G.F. (2009). Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: implications for improving hydrological modelling. Journal of Hydrology. 377(1-2), 80–91.
Hyndman, R.J. and Koehler, A.B. (2006). Another look at measures of forecast accuracy. International Journal of Forecasting. 22(4), 679–688.
Immerzeel, W.W. and Droogers, P. (2007). Calibration of a distributed hydrological model based on satellite evapotranspiration. Journal of Hydrology. 349, 411–424.
Kunnath-Poovakka, A., Ryu, D., Renzullo, L.J. and George, B. (2016). The Efficacy of Calibrating Hydrologic Model Using Remotely Sensed Evapotranspiration and Soil Moisture for Streamflow Prediction. Journal of Hydrology. 535(February), 509–524.
Liang, X., Lettenmaier, D.P., Wood, E.F. and Burges, S. (1994). A simple hydrologically based of land-surface water and energy fluxes for general circulation models. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 99(D7), 14415–14428.
Lohmann, D., Raschke, E., Nijssen, B., Lettenmaier, D.P. (1998). Regional scale hydrology: I. Formulation of the VIC-2L model coupled to a routing model. Hydrological Science Journal, 43(1): 131-141.
López López, P., Sutanudjaja, E.H., Schellekens, J., Sterk, G. and Bierkens, M.F.P. (2017). Calibration of a Large-Scale Hydrological Model Using Satellite-Based Soil Moisture and Evapotranspiration Products. Hydrology and Earth System Sciences. 21(6):3125–44.
Mahdavi, M. (1995) Applied Hydrology, 1(2). University of Tehran Press. (In Farsi).
Nash, J.E. and Sutcliffe, J. V. (1970). River flow forecasting through conceptual models, Part I - A discussion of principles. Journal of Hydrology. 10, 282–290.
Pearson, K. (1896). Mathematical Contributions to the Theory of Evolution.–On a Form of Spurious Correlation Which May Arise When Indices Are Used in the Measurement of Organs. Proceedings of the Royal Society of London. 60, 489–498.
Rientjes, T.H.M., Muthuwatta, L.P., Bos, M.G., Booij, M.J. and Bhatti, H.A. (2013). Multi-variable calibration of a semi-distributed hydrological model using streamflow data and satellite-based evapotranspiration. Journal of Hydrology. 505, 276–290.
Shuttleworth, W.J. (1993). Potential Evapotranspiration. edited by D. R. Maidment. New York: Hanbook of Hvdrolo, McGraw-Hill Book Company.
Van Dijk, A.I.J.M. (2010). The Australian Water Resources Assessment System: Technical Report 3. Landscape Model (version 0.5) Technical Description. WIRADA/CSIRO Water for a Healthy Country Flagship, Canberra. 86.
Zhang, Y., Zheng, H., Chiew, F.H.S., Arancibia, J.P. and Zhou, X. (2016). Evaluating Regional and Global Hydrological Models against Streamflow and Evapotranspiration Measurements. Journal of Hydrometeorology. 17(3):995–1010.