تاثیردقت مکانی مدلهای رقومی ارتفاع (DEM) بر عملکرد هیدروگراف واحد لحظهای نش و روسو (مطالعه موردی: حوزه آبخیز معرف کسیلیان) | ||
| نشریه سنجش از دور و GIS ایران | ||
| مقاله 4، دوره 17، شماره 3 - شماره پیاپی 67، 1404، صفحه 55-74 اصل مقاله (1.74 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/gisj.2024.233606.1184 | ||
| نویسندگان | ||
| فریبا اسماعیلی؛ مهدی وفاخواه* ؛ وحید موسوی | ||
| گروه آبخیز داری، مدیریت حوزههای آبخیز، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران | ||
| چکیده | ||
| استفاده از مدل رقومی ارتفاع (DEM)، استخراج خصوصیات فیزیوگرافی مورد استفاده در مدلهای هیدروگراف واحد لحظهای نش و روسو را میسر میسازد. بنابراین دقت مکانی مدل رقومی ارتفاع بر عملکرد مدلهای هیدروگراف واحد لحظهای نش و روسو موثر میباشد. لذا پژوهش حاضر با هدف ارزیابی تاثیر مدلهای رقومی ارتفاع شامل ALOS PALSAR، ASTER، SRTM و GTOPO بهترتیب با دقت 5/12، 30، 90 و 1000متر و مدل رقومی ارتفاع حاصل از نقشه توپوگرافی (TOPO)سازمان زمین شناسی با مقیاس 1:25000 و دقت 10 متر در مدلهای نش و روسو در حوزه آبخیز کسیلیان انجام شد . مواد و روشها حوزه آبخیز کسیلیان به مساحت حدود 43/66 کیلومترمربع در جنوب شرق استان مازندران در عرض شمالی ´´30 ˊ 58° 35تا ´´15 ˊ07 °36 و طول شرقی ´´44 ˊ08 °53 تا ´´42 ˊ15 °53 است. این حوضه بر اساس طبقهبندی اقلیمی دومارتن دارای آب و هوای مرطوب است و بارندگی متوسط منطقه 4/783 میلیمتر میباشد.خصوصیات فیزیوگرافی شامل نسبتهای هورتونی برای هر DEM محاسبه شد. در نهایت ابعاد هیدروگراف واحد لحظهای بر اساس مدلهای نش و روسو برای 64 واقعه بارش-رواناب و پنج DEM مختلف تخمین زده شد. نتایج و بحث نتایج نشان داد با کاهش دقت DEM تکامل شبکه آبراهه از دست میرود به نحوی که حداکثر رتبه آبراهه در مدلهای TOPO وPALSAR ALOS برابر با شش، و در ASTER تعداد آن به پنج کاهش یافت. تنها درSRTM و GTOPO تعداد رتبههای آبراهه به طور قابل ملاحظهای به سه تقلیل پیدا کرد. پارامترهای n و k به عنوان مولفههای موثر در مدلهای نش و روسو هستند که در مدل نش میزان n در DEMهای مختلف اختلاف معنیداری نداشت. اما مقدار k با کاهش دقت DEM از 35/1 به 64/1 افزایش یافته است. در برآورد پارامتر n به روش روسو، روند ثابتی در مدلهای رقومی ارتفاع دیده نمیشود به طوریکه در TOPO، ALOS PALSAR و ASTER حدود شش به دست آمد. در حالی که در SRTM، سه و در GTOPO، چهار برآورد شد و پارامتر k برای هر رویداد متفاوت و مقدار آن در DEMهای مختلف متفاوت بوده است. در حجم رواناب برآوردی روش نش، کمترین و بیشترین متوسط درصد خطای نسبی به ترتیب مربوط به مدلهایTOPO و GTOPO با مقادیر 72/10 و 01/11درصد میباشد. در ارتباط با حجم رواناب تخمینی روش روسو، مقدار متوسط درصد خطای نسبی در سه مدل TOPO، ALOSPALSAR و ASTER تقریباً مشابه به دست آمده است. در حالی که میزان خطا در SRTM و GTOPO بیشتر از سایر مدلهای رقومی ارتفاع برآورد شده است. درواقع به دلیل توانایی مشابه استخراج خصوصیات فیزیوگرافی حوضه از این سه مدل ، نتایج نزدیک به هم به دست آمده است. البته باید بیان نمود که با تفاوت کم، کمترین میزان خطا در تخمین حجم رواناب مربوط به مدل TOPO است. نتیجهگیری مدل رقومی ارتفاع ASTER با دقت پایینتر نسبت به TOPO وPALSAR ALOS شبکه آبراهه قابل قبولی را ارائه داده است. هرچند SRTM و GTOPO شبکه آبراهه مطلوبی را ارائه ندادهاند. به طور کلی با افزایش قدرت تفکیک مکانی DEM تراکم شبکه آبراهه مطلوبتر میشود اما آبراهه اصلی در DEM های با دقت کمتر تا حدودی توسعه یافته است. با تخمین صحیح مقادیر n و k در روش نش و روسو میتوان کارایی هر دو روش را در مدلسازی فرآیند بارش-رواناب افزایش داد. روشهای متفاوتی جهت تخمین مقادیر n و k ارائه شده است که در پژوهش حاضر به منظور بررسی اثر مدلهای رقومی مختلف در روش نش، از بین روشهای مختلف تخمین پارمترهای آن از روش تجربی استفاده شده است. در روش تجربی خصوصیات فیزیوگرافی حوزه آبخیز از جمله شیب، طول آبراهه اصلی و مساحت حوضه نقش اصلی را در تخمین دبی اوج ایفاء میکنند. در ارتباط با تخمین دبی اوج، مدل نش و در تخمین حجم رواناب مدل روسو با استفاده از مدلTOPO عملکرد بهتری داشت. درواقع میتوان بیان نمود که تخمین دبی اوج در روش نش بر اساس روش تجربی، در این حوزه آبخیز نتایج قابل قبولی را ارائه داده است. با توجه به ضرورت برآورد دبی اوج در تعیین ابعاد هیدروگراف واحد لحظهای در حوزهآبخیز به منظور شبیهسازی دقیق و کنترل سیلابهای آتی، استفاده از نتایج پژوهش حاضر میتواند کمک شایانی نماید. | ||
| کلیدواژهها | ||
| دبی اوج؛ سیلاب؛ قدرت تفکیک مکانی؛ مازندران؛ مقیاس مکانی | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Effect of Digital Elevation Models Spatial Resolutions on Nash and Rosso Instantaneous unit Hydrograph Performance (case study: Kasilian Watershed) | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Fariba Esmaeili؛ Mehdi Vafakhah؛ Vahid Moosavi | ||
| Department of Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources and Marine Sciences, Tarbiat Modares University, Noor, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction and Goal The use of digital elevation model (DEM) enables the extraction of physiographic characteristics used in Nash and Rosso instantaneous unit hydrograph (IUH) models. Therefore, the spatial resolution of the DEM is effective on the performance of Nash and Rosso IUH models. Therefore, the current research aims to evaluate the impact of DEMs including ALOS PALSAR, ASTER, SRTM and GTOPO with a spatial resolution of 12.5, 30, 90 and 1000 meters respectively and the DEM obtained from the topographic map (TOPO) of the Iran Geological Organization with a scale of 1:25000 and a spatial resolution of 10 meters was done in Nash and Rosso models in Kasilian watershed. Material and Methods Kasilian Watershed, with an area of about 66.43 km2, is located in the north latitude of 35°58'30" to of 36°07'15"and east longitude of 53°08'44"to of 53°15'42". The watershed has a humid climate based on Domarten climatic classification and average annual rainfall of 783.4 mm. Physiographic characteristics including Horton ratios were calculated for each of the DEMs. Finally, IUH dimensions were estimated based on Nash and Rosso models for 64 rainfall-runoff events and five different DEMs. Results and Discussion The results showed that by reducing the spatial resolution of DEM, the evolution of the drainage network is lost, so that the maximum rank of the streamflow in TOPO and PALSAR ALOS DEMs is equal to six, and in ASTER its number is reduced to five. Only in SRTM and GTOPO, the number of streamflow ranks was significantly reduced to three. The parameters n and k are effective components in Nash and Rosso models, and in the Nash model, the amount of n was not significantly different in different DEMs. But the value of k has increased from 1.35 to 1.64 with the decrease of DEM spatial resolution. In the estimation of parameter n by Rosso's method, a constant trend is not seen in DEMs, so that in TOPO, ALOS PALSAR and ASTER, it was about six. While in SRTM, three and in GTOPO, four were estimated and the k parameter was different for each event and its value was different in different DEMs. The Nash method, the lowest and highest average relative error (RE) are related to the TOPO and GTOPO DEMs with values of 10.72% and 11.01% in the estimated runoff volume, respectively. The Rosso method, the average value of RE in the three TOPO, ALOSPALSAR and ASTER DEMs is almost similar in the estimated runoff volume. While the amount of RE in SRTM and GTOPO is higher than other DEMs. In fact, the results are close to each other due to the similar ability to extract the physiographic characteristics of the basin from these three models. Of course, it should be stated that with a small difference, the lowest amount of RE in estimating the runoff volume is related to the TOPO DEMs. Conclusion ASTER DEMs with lower spatial resolution compared to TOPO and PALSAR ALOS has provided an acceptable stream network. However, SRTM and GTOPO have not provided a suitable stream network. In general, with the increase in the spatial resolution of the DEM, drainage density developed more dense and real, but main stream is somewhat developed in DEMs with lower spatial resolution. Different methods have been presented to estimate the values of n and k, and in this research, in order to investigate the effect of different DEMs in the Nash method, among the different methods of estimating its parameters, the experimental method has been used. In the experimental method, the physiographic characteristics of the watershed, such as the slope, the length of the main river and the area of the basin, play the main role in estimating the peak discharge. In relation to the peak flow estimation, the Nash model performed better and in estimating the runoff volume, the Rosso model performed better using the TOPO DEMs. In fact, it can be stated that the estimation of the peak discharge in the Nash method based on the experimental method has provided acceptable results in this watershed. according to the necessity of estimating the peak discharge in determining the dimensions of the IUH in the watershed to accurately simulate and control future floods, using the results of the present study can be of great help. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Flood, Mazandaran, Peak discharge, Spatial resolution, Spatial scale | ||
| مراجع | ||
|
Ahmad, M., Ghumman, A.R., Ahmad, S. & Hashmi, H.N., 2010, Estimation of a Unique Pair of Nash Model Parameters: An Optimization Approach, Water Resources Management, 24, PP. 2971-2989, https://doi.org/ 10.1007/s11269-010-9590-3. Alizadeh, A., 2014, Principles of Applied Hydrology, Emam Reza University Press (In Persian). Bhunya, P., Mishra, S.K., Ojha, C. & Berndtsson, R., 2004, Parameter Estimation of Beta Distribution for Unit Hydrograph Derivation, Journal of Hydrologic Engineering, 9, PP. 325-332, https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:4(325). Chaplot, V., 2005, Impact of DEM Mesh Size and Soil Map Scale on SWAT Runoff, Sediment, and NO3CN Loads Predictions, Journal of Hydrology, 312(5), PP. 207-222, https://doi.org/ 10.1016/ j.jhydrol.2005.02.017. Chaubey, I., Cotter, A., Costello, T. & Soerens, T., 2005, Effect of DEM Data Resolution on SWAT Output Uncertainty, Hydrological Processes, 19, PP. 621-628, https://doi.org/ 10.1002/hyp.5607. De Moura, M.M., Beskow, S., da Silva Terra, F., de Mello, C.R., da Cunha, Z.A. & Cassalho, F., 2021, Evaluation of Geomorphological Approaches Combined with Digital Elevation Models for the Nash's Instantaneous Unit Hydrograph, Journal of South American Earth Sciences, 107, PP. 103-153, https://doi.org/ 10.1016/j.jsames. 2020.103153.
Esmaeili, F., Vafakhah, M. & Moosavi, V., 2023a, Effect of Spatial Resolution of Digital Elevation Model on the Estimation of Geomorphological and Geomorphoclimatic Unit Hydrographs in Amameh Watershed, Iran, JWSS-Isfahan University of Technology, 27(1), PP. 287-301, https://doi.org/10.47176/jwss.27.1.218811. Esmaeili, F., Vafakhah, M. & Moosavi, V., 2023b, The Effectiveness of Clark's Instantaneous Unit Hydrograph Model (IUH) Accuracy from the Spatial Resolution of Different Digital Elevation Models, Journal of Range and Watershed Management, 75(4), PP. 661-674, https://doi.org/ 10.22059/jrwm.2023. 351357.1683. Ganie, P.A., Posti, R., Aswal, A.S., Bharti, V.S., Sehgal, V.K., Sarma, D. & Pandey, P.K., 2023, A Comparative Analysis of the Vertical Accuracy of Multiple Open-Source Digital Elevation Models for the Mountainous Terrain of the North-Western Himalaya, Modeling Earth Systems and Environment, 9(2), PP. 2723-2743, https://doi.org/ 10.1007/s40808-022-01641-x. Haan, C.T., Barfield, B.J. & Hayes, J.C., 1994, Design Hydrology and Sedimentology for Small Catchments, Academic Press, San Diego, CA. Janizadeh, S. & Vafakhah, M., 2021, Flood Hydrograph Modeling Using Artificial Neural Network and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System Based on Rainfall Components, Arabian Journal of Geosciences, 14(5), P. 344, https://doi.org/ 10.1007/s12517-021-06683-6. Kavian, A. & Mohammadi, M., 2019, Effects of Digital Elevation Models (DEM) Spatial Resolution on Hydrological Simulation, jwmr., 10(19), PP. 36-45, https://doi.org/ 10.29252/jwmr.10.19.36. Khanmohammadi, N. & Behmanesh, J., 2020, Comparison of Different Methods Efficiency for Estimation of Nash Instanta-neous Unit Hydrograph Parameters in Flood Simulation (Case Study: Aland-Chay, Gara-Chay, Mahabad-Chay and Zab Rivers), Irrigation Sciences and Engineering, 43, PP. 15-28, https://doi.org/ 10.22055/jise.2017.18316.1330. Nash, J.E, 1957, The Form of the Instantaneous Unit Hydrograph, Journal of Iash, 72, PP. 114-118, https://nora.nerc. ac.uk/id/eprint/508550. Ramírez, J.A., 2000, Prediction and Modelling of Flood Hydrology and Hydraulics, Ellen Wohl Cambridge University Press. Reddy, A.S. & Reddy, M.J., 2015, Evaluating the Influence of Spatial Resolutions of DEM on Watershed Runoff and Sediment Yield Using SWAT, Indian Academy of Sciences, 124(7), PP. 1517-1529, https://doi.org/ 10.1007/s12040-015-0617-2. Rosso, R., 1984, Nash Model Relation to Horton Order Ratios, Water Resources Research, 20(7), PP. 914-920, https://doi.org/ 10.1029/ WR020i007p00914. Safavi, H.R, 2006, Applied Hydrology, 1st Ed, Arkan Press, Iran. Shen, Z., Chen, L. & Chen, T., 2013, The Influence of Parameter Distribution Uncertainty on Hydrological and Sediment Modelling: A Case Study of SWAT Model Applied to the Daning Watershed of the Three Gorges Reservoir Region, China, Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 27(16), PP. 235-251, https://www.cabidigitallibrary.org/doi/full/10.5555/20193227363. Sherman, L.K., 1932, The Relation of Hydrographs of Runoff to Size and Character of Drainage‐Basins, Eos, Transactions American Geophysical Union, 13(1), PP. 332-339, https://doi.org/ 10.1029/ TR013i001p00332. Singh, V.P. & Singh, K., 1988, Parameter Estimation for Log-Pearson Type III Distribution by POME, Journal of Hydraulic Engineering, 114, PP. 112-122, https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-9429 (1988)114:1(112). Vafakhah, M. & Moghadamnia, A.R., 2017, Flood Management and Control, Publications of Tarbiat Modarres University (First Edition). Vafakhah, M., Fakher Nikche, A. & Sadeghi, S.H.R., 2018,. Comparative Effectiveness of Different Infiltration Models in Estimation of Watershed Flood Hydrograph, Paddy and Water Environment, 16(3), PP. 411-424, https://doi.org/ 10.1007/s10333-018-0635-1. Walega, A., 2014, The Importance of the Objective Functions and Flexibility on Calibration of Parameters of Clark Instantaneous Unit Hydrograph, Geomatics, Land Management and Landscape, 2, PP. 75-85, https://doi.org/ 10.15576/GLL/2014.2.75. Xu, K., Fang, J., Fang, Y., Sun, Q., Wu, C. & Liu, M., 2021, The Importance of Digital Elevation Model Selection in Flood Simulation and a Proposed Method to Reduce DEM Errors: A Case Study in Shanghai, International Journal of Disaster Risk Science, 12(6), PP. 890-902, https://doi.org/ 10.1007/s13753-021-00377-z. Yannopoulos, S., Christidis, Ch., Loukas, A. & Giannopoulou, I., 2013, A Sensitivity Analysis on the Parameters of Clark Instantaneous Unit Hydrograph, In Proceedings of the 8th International Conference of EWRA (European Water Resources Association) Water Resources Management in an Interdisciplinary and Changing Context, Porto, Portugal, PP. 26-29. Yao, C., Li, Z.J., Zhang, K., Huang, Y.C., Wang, J.F. & Bastola, S., 2022, Evaluating Performance Dependency of a Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph-Based Hydrological Model on DEM Resolution, Water Science and Engineering, 15(3), PP. 179-188, https://doi.org/10.1016/j.wse.2022.04.002. Zakizadeh, F., Malekinezhad, H. & Ekhtesasi, M., 2015, Comparison of Geomorphologic, Geomorphoclimatic and Nash Instantaneous Unit Hydrograph in Estimating Outlet Runoff Hydrograph Characteristics (Case Study: Manshad Watershed), Watershed Management Research Journal, 28(107), PP. 2-11, https://www.sid.ir/paper/200704/fa. Zheng, M., Tang, W., Lan, Y., Zhao, X., Jia, M., Allan, C. & Trettin, C., 2018, Parallel Generation of Very High Resolution Digital Elevation Models: High-Performance Computing for Big Spatial Data Analysis, In Big Data in Engineering Applications, PP. 21-39, https://doi.org/ 10.1007/978-981-10-8476-8_2.
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 1,291 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 587 |
||