ساختار مدل SWAT با توجه به راهنمای مدل یک مدل نیمه توزیعی فیزیکی است اگر چه در برخی از منابع به اشتباه از این مدل به عنوان یک مدل توزیعی نام برده می شود. SWAT که مخفف عبارت Soil and Water Assessment Tool است، توسط جف آرنولد برای سرویس تحقیقات کشاورزی آمریکا تهیه شده و از زمان ایجاد آن در اوایل ۱۹۹۰، قابلیت های آن به طور پیوسته درحال توسعه می باشد. مدل SWAT برای پیش بینی اثرات فعالیت های مدیریتی اراضی بر آب، ایجاد رسوب و عوامل شیمیایی کشاورزی در مقیاس حوزه ی آبخیز با تنوع خاک، کاربری اراضی و شرایط مدیریتی در بازه ی زمانی طولانی توسعه یافته است.
ساختار مدل SWAT اطلاعات ویژه ای راجع به هوا، خاک، توپوگرافی، پوشش گیاهی و کاربری اراضی در حوزه ی آبخیز دریافت می کند و در آن فرآیندهای فیزیکی مرتبط با حرکت آب، حرکت رسوب، رشد گیاه و … مستقیم با استفاده از داده های ورودی شبیه سازی می گردد. در مدل SWAT ابتدا از روی نقشه ی مدل رقومی ارتفاع، حوزه ی آبخیز اصلی به تعدادی زیرحوزه تقسیم می شود. سپس بر مبنای نقشه های خاک، کاربری اراضی و توپوگرافی، زیر حوزه ها نیز به واحدهای کوچکتری تقسیم می شوند که به هرکدام از این واحدها یک HRU می گویند.
این واحدها باید تا حد امکان از نظر هیدرولوژیکی مشابه باشند. در واقع باید در هر واحد هیدرولوژیکی، ویژگی های خاک، توپوگرافی، پوشش گیاهی و کاربری اراضی تغییرات چشم گیری نداشته باشند؛ بنابراین تعداد واحدهای HRU در هر زیرحوضه، با توجه به تنوع خاک، توپوگرافی، پوشش گیاهی و کاربری اراضی، متغیر هست خروجی های مدل مانند رواناب سطحی در هر زیرحوضه از جمع رواناب سطحی محاسبه شده برای هر واحد هیدرولوژیکی، به روش متوسط وزنی به دست می آیند. پیش بینی نرخ فرسایش خاک ناشی از باران و رواناب در مدل SWAT بر اساس معادله ی MUSLE هست. این معادله، فرم اصلاح شده ی معادله USLE است.
این مدل از جمله مدل های Open Source می باشد و حجم وسیعی از داده های بارش، توپوگرافی، مرزهای حوزه آبریز، خصوصیات خاک و لایه زیرسطحی، کاربری اراضی و پوشش گیاهی، سیستم های انتقال رواناب، سازه های مدیریتی موجود، داده های موجود کیفی آب، سطح آب زیرزمینی و غیره جزء ورودی های آن است. مدل SWAT برای پیش بینی تأثیر انواع روش های مدیریت اراضی بر دبی آب، رسوب و مواد شیمیایی کشاورزی در سطح حوزه آبریزی تحت شرایط مختلف مدیریتی و با خاک، کاربری اراضی متفاوت برای مدت زمان طولانی طراحی شده است. در این مدل فرآیندهای فیزیکی مرتبط با حرکت آب و رسوب، رشد گیاه، چرخه مواد مغذی و غیره به صورت مستقیم از پارامترهای ورودی شبیه سازی می شوند. همچنین حوضه هایی که دارای داده های برداشت شده نمی باشند نیز قابل شبیه سازی می باشند. توانایی کمی کردن تأثير نسبی اطلاعات ورودی تغییر در روش های مدیریتی، آب و هوا، پوشش گیاهی و غیره بر روی کیفیت آب و سایر متغیرهای موردنظر در مدل SWAT وجود دارد.
خصوصیات مدل SWAT
ساختار مدل SWAT از نظر زمانی یک مدل پیوسته است که در گام های زمانی روزانه، ساعتی، ماهانه و سالانه می تواند شبیه سازی انجام دهد. این مدل برای شبیه سازی فرایندهای هیدرولوژیکی در حوزه های آبخیز پیچیده و وسیع با توجه به تغييرات خاک، کاربری اراضی و شرایط آب و هوایی در دوره های طولانی کاربرد دارد. این مدل دارای گزینه ای تحت نرم افزار GIS به نام ARCSWAT می باشد. در واقع این الحاقیه مدل گرافیکی نرم افزار SWAT است که می تواند بعد از شبیه سازی خروجی های مدل را به صورت گرافیکی یا جداول نمایش دهد.
بدون توجه به مسئله ای که توسط مدل SWAT مطالعه می شود، بیلان آبی، نیروی محرک هر پدیده ای است که در سطح حوضه روی می دهد. به طور کلی شبیه سازی هیدرولوژیکی در یک حوضه توسط مدل SWAT به دو بخش اصلی تقسیم می گردد که عبارتند از: بخش اول مربوط به فاز خشکی چرخه هیدرولوژیکی است که مقدار آب، رسوب، مواد مغذی و آفت کش هایی را که وارد آبراهه اصلی می شود کنترل می کند. بخش دوم مربوط به فاز آبی یا مرحله روندیابی است که در واقع حرکت آب، رسوبات و … از طریق شبکه آبراهه ها در سطح حوضه به سوی خروجی آن را شبیه سازی می کند.
بخش های اصلی مدل شامل هیدرولوژی، اقلیم، فرسایش، رشد گیاهان، عناصر غذایی، آفت کش ها، مدیریت اراضی و روندیابی جریان است. در این مدل ابتدا حوضه مورد مطالعه به صورت یک نقشه رستری به مدل داده می شود و سپس بعد از اجرا کردن مراحل اولیه، مدل زیرحوزه هایی از حوضه اصلی تهیه می کند و این زیرحوضه ها به طور مکانی باهم ارتباط دارند. برای مثال خروجی از سراب زیرحوضه شماره N ممکن است که به پایاب زیرحوزه شماره 1+N وارد شود. این زیرحوضه ها نیز با توجه به نقشه کاربری اراضی، خاک و شیب به چندین واحد عکس العمل هیدرولوژیکی تقسیم می شود؛ که این واحدهای هیدرولوژیکی از نظر کاربری اراضی و خصوصیات خاک و شیب همگن هستند. بعضأ واحدهای همگن به وسیله مقدار آستانه در نظر گرفته شده برای کاربری اراضی و خاک داخل زیر حوضه تعیین می شوند. سپس آب موجود در خاک، رواناب سطحی، چرخه عناصر غذایی، رسوب، رشد گیاهان و روش های مدیریتی برای هر واحد واکنش هیدرولوژیکی محاسبه می شود و سپس برای هر زیرحوضه به صورت متوسط وزنی محاسبه می گردد با این کار دقت محاسبات به طور چشمگیری افزایش پیدا می کند و توصيف فیزیکی بهتری از بیلان آب و رسوب حوضه به دست می آید. در حوضه هایی که دارای خاک و کاربری اراضی مختلفی می باشند، استفاده از زیرحوضه ها تأثیر بسیار زیادی در بالا رفتن دقت مدل دارد.
در کل با توجه به ساختار مدل SWAT ابتدا پس از دریافت بارش با استفاده از روش شماره منحنی میزان رواناب را محاسبه نموده سپس با توجه به دما، سرعت باد و تشعشع خورشیدی و عوامل دیگر میزان تبخیر و تعرق، نفوذ در خاک، نفوذ به سفره زیرزمینی، سرعت حرکت آب در سفره زیرزمینی، سرعت حرکت در کانال اصلی رودخانه و در نهایت میزان رواناب خروجی را محاسبه می نماید. چرخه مورداستفاده در مدل SWAT کاملا شبیه چرخه هیدرولوژیکی در طبیعت هست.
جایگاه ساختار مدل SWAT
با پیشرفت های اخیر در تکنولوژی سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) امکان دسترسی، ذخیره سازی و مدیریت بر انبوهی از پارامترها و متغیرهای هیدرولوژیک توزیع یافته مکانی، میسر شده است. تخمینی از بیلان آبی حوزه های آبریز همواره یک نیاز مهم و مداوم برای مسائل کاربردی در زمینه های ارزیابی منابع آب، طراحی کانال های مهندسی، پیش بینی سیلاب و بسیاری مقاصد دیگر می باشد. تلفيق GIS با مدل های توزیع یافته مکانی در علم هیدرولوژی در رابطه با مطالعه تاثیر فعالیت های بشری بر رفتار هیدرولوژیک حوضه رودخانه ها با گسترش سریعی همراه بوده است. GIS با قدرت تحلیل مکانی بالا از یک سو و امکان تلفیق و تفریق لایه های اطلاعاتی به منظور ایجاد لایه های جدید اطلاعاتی از سوی دیگر، به عنوان ابزاری کارا و ضروری در مدیریت منابع آب تبدیل شده است.
قابلیت شبیه سازی سیستم پیچیده بیلان آبی در تمام نقاط داخل حوضه در قالب شبکه سلولی به صورت توزیعی و نیز امکان ارائه کلیه پارامترهای هیدرولوژیک مدل به صورت نقشه از مزایای مهم استفاده از GIS در این مدل ها می باشد. گسترش مدل های توزیع یافته مکانی مرهون پیشرفت ها و گسترش GIS می باشد و بدون تردید، یک مدل توزیعی هیدرولوژیک منهای GIS عملا وجود خارجی نخواهد داشت.
مدل SWAT، یکی از مدل های هیدرولوژیک مناسب می باشد که در محدوده وسیعی (بیش از ۱۰۰ کشور دنیا و در چند حوضه ایران( برای شبیه سازی کلیه مولفه های هیدرولوژیکی از جمله شبیه سازی بیلان آبی بکار برده شده است. این مدل حاوی الگوهایی از چند مدل ARS می باشد و مستقیما از مدل SWRRB که یک مدل زمان پیوسته برای شبیه سازی منابع آب در آبخیزهای شهری است، گرفته شده است. از مدل های برجسته ای که بطور مشخص در توسعه این مدل مشارکت داشته اند می توان به EPIC GLEAMS , CREAMS و ROTO اشاره کرد. ساختار مدل SWAT ابزاری برای شبیه – سازی فرایندهای هیدرولوژیکی، کیفیت آب، فرسایش خاک، مدیریت مرتع و اثرات تغییر اقلیم می باشد.
برای دریافت آموزش ویدیویی کامل و جامع مدل SWAT بر روی تصویر زیر کلیک کنید:
