Estimation of Runoff Catchment in East Azerbaijan Province: Comparative Application of Calibration Methods and Uncertainty Analysis of SWAT Model

Document Type : Research Article

Authors

• Mohammad Hossein Rezaei Moghaddam
• Mir Asadollah Hejazi
• Abdollah Behbody

University of Tabriz

10.22067/geo.v8i3.81998

Abstract

Introduction

Conservation of soil and water resources is one of the most important principles of proper management of catchments. Therefore, erosion and changes in land use concerns make the importance of predicting the effects of these actions on soil water resources even more important. Therefore, it is necessary to model and evaluate their results. In order to better manage the water balance of the catchment areas, it is essential that the modeling of hydrological phenomena in the catchment area can be an optimal solution for them because of the time it consumes and the costly measurement of water balance components (Zarehkarizi & Talbi, 2016). Therefore, accurate knowledge of the hydrologic behavior of catchment areas can help to better simulate this environment in order to control the main components of the water table (Mojenazadeh, Gahraman, & Davari, 2016). On the other hand, the limitation of measurement methods in hydrology and the need for a method for generalizing the statistics to untapped basins or places that cannot be measured, as well as the simulation of future hydrological changes are among the main reasons for hydrological simulation (Beven, 2001). Many models have been proposed for describing and forecasting the hydrology of the rivers that are very different from the point of view of the time scale and spatial scale (Setegn, Dargahi, Srinivasan, & Melesse, 2010). One of these models is the recent SWAT hydrological model. This model is a semi-distributive model designed to simulate the hydrology of the catchment area on a daily scale. In order to investigate the effect of different management strategies on flow, sediment, nutrients and chemical shale in different watersheds, Land is developed (Arnold et al., 1998).

Materials and Methods

The Lanbarn watershed is located on the eastern side of the Aharchay River. The area of this sub-basin is 20118 hectares and is the main axis of the Aharchi River. This basin is located in Sina subdivision from the central part of Varzaqan City of Eastern Azarbaijan Province. The SWAT model was used to study runoff in this basin. The SWAT is an example of basic physics models that solves the fundamental physics equations to simulate the processes of the catchment system. This model is semi-distributed and temporally connected in terms of spatial scale. The SWAT model simulation can be divided into two main parts: terrestrial and aqueous phase. Terrestrial phase is related to land surface processes and water, sediment and chemical elements to the main waterways of each sub basin. The aqueous phase simulates the processes of waterways and canals involving the movement of water, sediment, and chemicals.  The smallest unit in this model is the HRU Hydraulic Response Unit, which is derived from the combination of slope, soil and land use maps. Soil water, surface runoff, sediment and chemicals are first calculated for each HRU and then for each sub-basin and finally for the entire catchment. The data used in this study include topographic map, land use, soil, precipitation, minimum and maximum temperature, wind speed, solar radiation and daily relative humidity of synoptic stations of Ahar, evapotranspiration of Varzgan and Rain gauges of Eilagh and Dubai Cassine Station. The study area was divided into 17 sub-basins and 469 hydrological units. From 2000 to 2003, the model was warmed up 10 years for calibration and 4 years for validation.

Results and Discussion

In order to determine the degree of sensitivity of the flow parameters in the SWAT model, two methods of SUFI-2 and GLUE sensitivity tests for the 22 selected parameters were performed. Of the 15 critical parameters of the SWAT model, the density of the soil mass, the soil hydraulic conductivity in the saturation state, the coefficient of evaporation of groundwater, the constant flow rate from the canal, the snowfall temperature, and the snow melting temperature are more sensitive. In terms of 15 sensitive parameters, the swat model is more sensitive to soil mass density factors, saturated hydraulic conductivity, ground water evaporation coefficient, canal discharge constant, snowfall temperature, snow melting temperature. All model assessment criteria in runoff simulation are allowed. But the comparison of the two methods shows that the SUFI-2 method has a better performance than GLUE in this basin. The comparison of graphs, real discharge and the monthly simulated values shows that SWAT model underestimates runoff underestimates. Most streams that the model could not simulate were in late winter and spring. One of the weaknesses of the model in estimating the maximum runoff is the use of the SCS model in the calculation of runoff, which does not simulate the runoff from snowmelt appropriately.   

Conclusion

The results of the application of two methods of SUFI-2 and GLUE in the Lanbran watershed were investigated. Based on the evaluation criteria of the SUFI-2 method, both calibration and validation stages have good results as compared with the GLUE method in this basin. Also, both methods could not predict peaks because they predicted both methods in Dubai sky-highs to be less real than actual Dubai. Although it is easier to use the GLUE method than the SUFI-2 method, the number of simulations is higher for the solution in the GLUE method, Therefore, according to the results, it can be concluded that the SUFI-2 method with low simulation numbers is better than GLUE in this basin.
 

Keywords

• Lanbaran Chay
• SUFI-2 Model
• Calibration
• SWAT Model
• Uncertainty

20.1001.1.23221682.1398.8.3.4.9

---

References

اخوان، سمیرا، عابدی کوپایی، جهانگیر، موسوی، سید فرهاد، عباس پور، کریم، افیونی، مجید و اسلامیان، سید سعید؛ 1390. تخمین «آب آبی» و «آب سبز» با استفاده از مدل SWAT در حوضه آبریز همدان- بهار. نشریه علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. علوم آب‌وخاک. سال چهاردهم. شماره 53. صص 23-9.

اعلمی، محمد تقی؛ عباسی، حبیبه و نیک سخن، محمد حسین؛ 1397. مقایسه دو روش متفاوت واسنجی و تحلیل عدم قطعیت مدل SWAT در برآورد میزان رواناب و بار مواد معلق حوضه صوفی چای. نشریه دانش آب‌وخاک. جلد 28. شماره 3. صص 64-53.

اکبری مجدر، حسین؛ بهره مند، عبدالرضا؛ نجفی نژاد، علی و واحد بردی، شیخ؛ 1392. شبیه‌سازی جریان روزانه رودخانه چهل چای استان گلستان با مدل SWAT؛ نشریه پژوهش‌های حفاظت آب‌وخاک. شماره 3. صص 259-253.

انصاری، محمدرضا، گرجی، منوچهر، صیاد، غلام عباس، شرفا، مهدی و حمادی کاظم؛ 1393. شبیه‌سازی رواناب حوضه آبخیز رود زرد با استفاده از مدل SWAT. نشریه علوم و مهندسی آبیاری. جلد 38. شماره 4. زمستان صص 107-97.1394.

بسالت پور، علی اصغر؛ ایوبی، شمس ا...؛ حاج عباسی، محمدعلی و جلالیان، احمد؛ 1393. واسنجی و اعتبار سنجی مدل SWAT با استفاده از الگوریتم پرندگان برای شبیه‌سازی رواناب و رسوب در یک حوضه آبخیز کوهستانی؛ نشریه مدیریت خاک و تولید پایدار. جلد چهارم. شماره چهارم. 1393. صص 312-295.

بصیری، مرضیه؛ اسفندیار پور بروجنی، عیبسی؛ اخوان، سمیرا؛ حمیدپور، محسن و کمالی، اردوان؛ 1393. تأثیر مقیاس نقشه خاک بر مدل SWAT در شبیه‌سازی روند جریان رواناب ماهانه در حوضه آبخیز تویسرکان؛ نشریه مدیریت خاک. تولید پایدار. جلد چهارم. شماره سوم. 1393. صص 153-135.

بیات، مهراد؛ علیزاده، حسین و مجردی، برات؛ 1397. جذب داده برای واسنجی – پیش‌بینی با استفاده از مدل SWAT؛ نشریه تحقیقات منابع آب ایران. سال چهاردهم. شماره 1. بهار 1397. صص 12-1.

حبیبی، علیرضا و گودرزی، مسعود؛ 1397. کاربرد مدل نیمه توزیعی SWAT در شبیه‌سازی رواناب حوضه حبله رود. نشریه علوم مهندسی و آبخیز داری. سال دوازدهم. شماره 43. زمستان 1397. صص 49-40

رضازاده، محمد سهیل، بختیاری، بهرام، عباسپور، کریم، احمدی، مهدی و احمدی، محمد؛ 1396. شبیه‌سازی رواناب، رسوب و تبخیر- تعرق با استفاده از سناریوهای مدیریتی برای کاهش بار رسوب با استفاده از مدل SWAT. نشریه علوم مهندسی آبخیزداری ایران. سال دوازدهم. شماره 40. بهار 1397. صص 50-41.

زارع گاریزی، آرش و طالبی، علی؛ 1395. شبیه‌سازی بیلان آب حوضه آبریز با استفاده از مدل SWAT مطالعه موردی: حوضه قره سو استان گلستان. نشریه علوم مهندسی منابع آب. سال نهم.50 پاییز 1395. صص 50-37.

شفیعی مطلق، خسرو؛ پر همت، جهانگیر؛ صدقی، حسین و حسینی، مجید؛ 1397. بررسی تغییر کاربری بر رواناب رودخانه مارون در ایستگاه ایدنک با استفاده از داده‌های سنجش‌ازدور و مدل SWAT؛ نشریه حفاظت منابع آب‌وخاک. سال هفتم. شماره سوم. بهار 1397. صص 87-71.

عارفی اصل، اکرم؛ نجفی نژاد، علی و سلمان ماهینی، عبدالرسول؛ 1392. شبیه‌سازی رواناب و رسوب با استفاده از مدل SWAT در حوضه آبخیز چهل چای استان گلستان. نشریه مرتع و آبخیز داری. دوره 66. شماره 3. پاییز 1392. صص 446-433.

عینی، محمدرضا، جوادی، سامان و دلاور مجید؛ 1397. ارزیابی عملکرد داده‌های باز تحلیل شده پایگاه‌های اقلیمی جهانی CRU و NCEP CFSR در شبیه‌سازی هیدرولوژِیکی مدل SWAT مطالعه موردی: حوضه آبریز مهارلو. نشریه تحقیقات منابع آب ایران. سال چهاردهم. شماره 1. بهار 1397. صص 44-32.

غلامی، عباس؛ شاهدی، کاکا؛ حبیب نژاد روشن، محمود؛ وفاخواه، مهدی و سلیمانی، کریم؛ 1396. ارزیابی کارایی مدل نیمه توزیعی SWAT در شبیه‌سازی جریان رودخانه‌ای (مطالعه موردی: حوضه آبخیز تالار استان مازندران)؛ نشریه تحقیقات آب‌وخاک ایران. دوره 48. شماره 3. مهر و آبان 1396. صص 476-463.

کاویان، عطا الله، گلشن، محمد، روحانی، حامد و اسمعلی عوری، اباذر؛ 1392. شبیه‌سازی رواناب و بار رسوب حوضه آبخیز رودخانه هراز مازندران با بهره گیری از الگوی SWAT نشریه پژوهش‌های جغرافیای طبیعی. دوره 47. شماره2. تابستان 1394. صص 211-197.

کرمی، فریبا و بیاتی خطیبی مریم؛ 1398. مدل‌سازی فرسایش خاک و اولویت بندی تولید رسوب در حوضه‌ سد ستارخان اهر با استفاده از مدل‌های MUSLE و SWAT. نشریه هیدروژئومورفولوژی. شماره‌ 18. سال 5. بهار 1398. صص 137-115.

گودرزی، محمدرضا و فاتحی فر، آتیه؛ 1398. پهنه‌بندی خطر سیلاب در اثر تغییرات اقلیمی تحت سناریو RCP 8.5 با استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT در محیط GIS (حوضه آذرشهرچای). نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی. سال نوزدهم. شماره 53. تابستان 98. صص 117-99.

محمدی، مازیار؛ کاویان، عطاا... و غلامی، لیلا؛ 1396. شبیه‌سازی دبی و نیترات در حوزه آبخیز تالار با استفاده از مدل SWAT. نشریه پژوهشنامه مدیریت حوضه آبخیز. سال هشتم. شماره 15. بهار و تابستان 1396. صص 60-45.

مؤذن زاده، روزبه؛ قهرمان، بیژن؛ ارشد، صالح و داوری، قهرمان؛ 1395. بهبود مدل‌سازی حوضه آبریز از طریق تجمیع مؤلفه‌های اصلی هیدرولوژیک در مدل SWAT. نشریه تحقیقات منابع آب ایران. سال دوازدهم. شماره 3. پاییز 1395. صص 79-65.

ناصرآبادی، فؤاد؛ اسمعلی عوری، اباذر؛ اکبری، حسین و رستمیان، رخساره؛ 1396. شبیه‌سازی جریان رودخانه با استفاده از مدل SWAT (مطالعه موردی: رودخانه قره سو اردبیل). نشریه پژوهشنامه مدیریت حوضه آبخیز. سال هفتم. شماره 13. بهار و تابستان 1395. صص 59-50.

نظری پویا، هادی؛ کردوانی، پرویز و فرجی راد، عبدالرضا؛ 1394. واسنجی و ارزیابی عملکرد مدل‌های هیدرولوژی IHACRES و SWAT در شبیه‌سازی رواناب. نشریه تحلیل فضایی مخاطرات محیطی. سال دوم. شماره 2. تابستان 1394. صص 112-99.

Abbaspour K.C, Yang J, Maximov I, Siber R, Bogner K, Mieleitner J, Zobrist J, Srinivasan R. 2007.

Ayele, G.T., Teshale, E.Z., Yu, B., Rutherfurd, I.D., Jeong, J., 2017. Streamflow and Sediment Yield

Beven, K., and A. Binley., 1992. The future of distributed models: Model calibration and uncertainty prediction. Hydrol Proc. 6: 279-298.

Chu, T. W. and A. Shirmohammadi., 2004. Evaluation of the SWAT model’s hydrology component in the piedmont physiographic region of Maryland. Transactions of the ASAE, 47(4): 1057-1073.

Faramarzi M, Abbaspour K.C, Schulin R, Yang H., 2009. Modelling blue and green water resources availability in Iran. Hydrological Processes 23: 486–501.

Grusson Y, Anctil F, Sauvage S, Sanchez Perez J., 2017. Testing the swat model with gridded weather data of different spatial resolutions. Water, 9(1):54

Li, K.Y., Coe, M.T., Ramankutty, N., and De Jong, R., 2007. Modeling the hydrological impact of landchange in West Africa, J. of Hydro., 337: 258-268.

Modelling hydrology and watershed using SWAT. Journal of Hydrology 333 (2-4), 413–430.

Moriasi DN, Arnold JG, Van Liew MW, Bingner RL, Harmel RD, Veith TL., 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE, 50(3): 885–900.

Motovilov Y.G., Gottschalk, L., Engeland, K., and Rodhe, A., 1999. “Validation of a distributed Hydrological Model against Spatial Observations” Agricultural and Forest Meteorology, 98-99, 257-277.

Ndomba, P.M., Mtalo, F.W. and Killingtveit, A., 2008. "A Guided SWAT Model Application.on Sediment Yield Modeling in Pangani River Basin: Lessons Learnt". Urban Environmental Engineering. Vol. 2. No. 2. pp. 53-62

Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R. and King, K.W., 2004. Soil and Water.Assessment Tool- Theoretical Documentation– version 2005. Texas. Agricultural Research Service. P. 494

Pisinaras, V., Petalas, C., Gikas, G. D., Gemitzi, A. and Tsihrintzis, V.A., 2010. "Hydrological and water quality modeling in a medium-sized basin using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT)". Desalination. Vol. 250. No. 1. pp. 274–286.

Prediction for Watershed Prioritization in the Upper Blue Nile River Basin, Ethiopia, Water, Vol.9, No,782, PP. 1-29.

Ritchie J.T. 1972. A model for predicting evaporation from a row crop with incomplete cover. Water Resources Research 8: 1204-1213.

Setegn, S. G., Dargahi, B., Srinivasan, R. and Melesse, A. M., 2010. Modeling of Sediment Yield from Anjeni-Gauged Watershed, Ethiopia Using SWAT Model, JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 46(3), 514–526.

Shimelis, G.S., Dargahi, B., Srinivasan, R. and Melesse, A., 2010. "Modeling of Sediment Yield from Anjeni-Gauged Watershed, ETHIOPIA Using SWAT Model". The American Water Resources Association. Vol. 46. No. 3. pp. 514-526.

Silva, R.M., Santos, C.A.G. and Silva, L.P., 2007. "Evaluation of soil loss in Guaraira basin by GIS and remote sensing based model". Urban Environmental Engineering. Vol. 1. No. 2. pp. 44-52.

Sloan P.G, Morre I.D, Coltharp G.B, Eigel J.D., 1983. Modeling surface and subsurface stormflow on steeply-sloping forested watersheds. Water Resources Research Institute, Report 142. University of Kentucky, Lexington.

Sun L, Nistor I, and Seidou O., 2015. Streamflow data assimilation in SWAT model using Extended Kalman Filter. Journal of Hydrology 531:671-684

Tolson, B. A. and C. A. Shoemaker., 2004. Watershed modeling of the cannonsville basin using SWAT2000: Model development, calibration and validation for the prediction of flow, sediment and phosphorus transport to the Cannonsville reservoir. Technical Report, School of Civil and Environmental Engineering, Cornell Univ., Ithaca, N. Y.