بهار و تابستان
برگشت به فهرست مقالات |
برگشت به فهرست نسخه ها
شبیه سازی سیلاب حوزه آبخیز تجن با استفاده از مدل پیش بینی وضع هوا (GFS) و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS
1- دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
2- شرکت مهندسی مشاور آب و عمران پردیسان
2- شرکت مهندسی مشاور آب و عمران پردیسان
چکیده: (271 مشاهده)
مقدمه و هدف: سیل به دلایل متعددی از جمله شدت بارندگی، تخریب پوشش گیاهی و تجاوز به حریم رودخانهها ایجاد می شود. قدرت زیاد سیل ها، به ساختمان ها، پل ها و سازه های موجود آسیب وارد میکند و ظرفیت بستر رودخانه را کاهش می دهد. همچنین حجم بیش از حد آب خسارات جانی، مالی و تخریب زیستگاه های جانوران را نیز در پی دارد. برای مقابله با سیل و خسارات ناشی از آن، اقدامات سازهای مانند احداث سد و اقدامات غیر سازهای مانند افزایش پوشش گیاهی، پیشبینی و سیستم های هشدار سیل انجام میشود. پیشبینی سیل، فرآیند برآورد زمان و مکان وقوع سیل و میزان حجم آب می باشد و بهعنوان ابزاری کارآمد و کم هزینه برای مدیریت سیلاب و کاهش خسارات ناشی از آن بوده که در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. از جمله اقدامات جهت مدیریت سیلاب، مدل‌سازی بارش-رواناب می باشد. جهت شناخت ارتباط بین پارامتر بارش و رواناب و همچنین تعیین مقدار دبی اوج و زمان رسیدن به دبی اوج، از طریق مدلهای هیدرولوژیکی، شبیه سازی انجام میشود. یکی از نرم افزارهای هیدرولوژیکی در این زمینه، نرم افزار HEC-HMS میباشد. با استفاده از سه مولفه مدل حوضه، مدل هواشناسی و مشخصههای کنترل، میزان تلفات، رواناب، جریان پایه و روندیابی با روشهای موجود محاسبه میشود و در نهایت عملیات واسنجی جهت کاهش اختلاف هیدروگراف های مشاهداتی و شبیه سازی شده انجام می گردد. بارش از مهمترین پارامترهای ورودی جهت شبیهسازی سیلاب می باشد. بنابراین برآورد صحیح میزان آن امری ضروری و مهم تلقی میگردد. با توجه به تعداد ایستگاههای بارانسنجی و عدم وجود ایستگاه های کافی در سطح کشور بهخصوص مناطق کوهستانی، استفاده از اطلاعات مدل عددی هواشناسی و داده های بارش ماهوارهای در پیشبینی سیل نقش مهمی دارد. مدل های عددی هواشناسی با کمک مدلهای ریاضی، وضعیت آب و هوا را پیشبینی میکند. پیشبینیها به سه دسته کوتاه مدت، میان مدت و بلندمدت و مدل های منطقه ای و جهانی تقسیم می شوند. یکی از این مدلها، مدل عددی هواشناسی GFS می باشد که داده هایی مانند دما، باد و بارش را پیشبینی و ارائه می کند. بارندگی های شدید، تخریب جنگل ها، برداشت شن و ماسه و ساختمان سازی در پهنه های سیلابی از جمله دلایل وقوع سیل در مازندران و به خصوص رودخانه تجن در سالهای اخیر می باشد. هدف اصلی این پژوهش، برآورد مقدار دبی اوج سیل با شبیه سازی وقایع سیلابی و ارزیابی نتایج حاصل از آن با استفاده از اطلاعات بارش مدل عددی هواشناسی GFS در حوضه رودخانه تجن واقع در شهر ساری در استان مازندران بوده است.
مواد و روشها: در این پژوهش، داده های مورد نیاز ایستگاه های هیدرومتری حوزه آبخیز تجن شامل اندازه گیریهای ساعتی سیلاب های ثبت شده و همچنین اطلاعات مورد نیاز ایستگاه های تبخیرسنجی و بارانسنجی در این حوضه شامل بارندگی حوزه آبخیز تجن از طریق شرکت آب منطقه ای مازندران برای دوره 10 ساله 1400-1390 اخذ گردید. همچنین اطلاعات بارش از طریق خروجی مدل عددی هواشناسی GFS نیز در دوره مذکور از سایت https://openweathermap.org دریافت شد. با استفاده از لایه های کاربری اراضی و گروه هیدرولوژیک خاک در نرم افزار ArcGIS، شماره منحنی هر زیرحوضه تعیین و خصوصیات فیزیوگرافی حوزه آبخیز تجن با استفاده از الحاقیه HEC-GeoHMS استخراج گردید. با توجه به خصوصیات فیزیوگرافی زیرحوضه ها، اطلاعات مربوط به بارش ایستگاه های حوزه آبخیز تجن و دبی سیلاب اخذ شده از شرکت آب منطقه ای مازندران، شبیه سازی چهار واقعه سیل 12/07/1390، 20/09/1390، 23/08/1394 و 10/09/1396 در نرمافزار HEC-HMS انجام شد. از روش شماره منحنی سازمان حفاظت خاک آمریکا برای محاسبه تلفات، جهت محاسبه رواناب از روش هیدروگراف واحد SCS و روندیابی از روش روندیابی تأخیر مورد استفاده قرار گرفت. سپس برای تعیین میزان حساسیت پارامترهای شماره منحنی، زمان تأخیر و تلفات اولیه آنالیز حساسیت انجام شد. در فرآیند واسنجی، جهت تعیین مقادیر بهینه پارامترها از نه تابع هدف موجود در نرمافزار HEC-HMS شامل میانگین قدر مطلق باقیمانده ها، میانگین مربع باقیمانده ها، انحراف معیار وزنی دبی اوج، توان متغیر وزنی دبی اوج، درصد خطای دبی اوج، مجذور میانگین مربعات خطا، مجموع قدر مطلق باقیمانده ها، مجموع مربع باقیماندهها و انحراف معیار وزنی زمان اوج استفاده گردید. در گام بعد، صحتسنجی (رویداد 10/09/1396) با استفاده از مقادیر بهینه پارامترها انجام شد و در نهایت پس از واسنجی و صحت سنجی نرمافزار HEC-HMS، وقایع سیلابی مورد نظر با استفاده از دادههای مدل عددی هواشناسی GFS، شبیهسازی گردید.
یافتهها: نتایج، همبستگی بالای میان هیدروگراف های مشاهدهای و واسنجی شده را در سطح معنیداری 95 درصد (0/9<r) نشان داد. همچنین بهترین تابع هدف، توان متغیر وزنی دبی اوج بوده است. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت نشان داد که دبی اوج نسبت به تغییرات پارامترهای تلفات اولیه و شماره منحنی حساسیت بیشتری دارد. برای تأیید صحت نتایج بهدست آمده در فرآیند واسنجی، صحتسنجی انجام شد. نتایج حاکی از آن است که میان میانگین های دو گروه دبی های مشاهده شده و واسنجی شده تفاوت معنی داری وجود نداشت (0/213=P-value). همچنین نتایج شبیهسازی با استفاده از مدل عددی هواشناسی نشان داد که میان هیدروگراف های مشاهده شده و شبیه سازی شده توسط داده های مدل عددی هواشناسی تفاوت معنی داری (در سطح معنی داری 95 درصد) وجود نداشته است.
نتیجهگیری: مطابق با نتایج بهدست آمده، با استفاده از داده های بارش مدل عددی هواشناسی GFS و نرم افزار بارش-رواناب HEC-HMS میتوان شبیه سازی سیلاب را با نتایج قابل قبولی در پیشبینی دبی اوج سیل انجام داد.
مواد و روشها: در این پژوهش، داده های مورد نیاز ایستگاه های هیدرومتری حوزه آبخیز تجن شامل اندازه گیریهای ساعتی سیلاب های ثبت شده و همچنین اطلاعات مورد نیاز ایستگاه های تبخیرسنجی و بارانسنجی در این حوضه شامل بارندگی حوزه آبخیز تجن از طریق شرکت آب منطقه ای مازندران برای دوره 10 ساله 1400-1390 اخذ گردید. همچنین اطلاعات بارش از طریق خروجی مدل عددی هواشناسی GFS نیز در دوره مذکور از سایت https://openweathermap.org دریافت شد. با استفاده از لایه های کاربری اراضی و گروه هیدرولوژیک خاک در نرم افزار ArcGIS، شماره منحنی هر زیرحوضه تعیین و خصوصیات فیزیوگرافی حوزه آبخیز تجن با استفاده از الحاقیه HEC-GeoHMS استخراج گردید. با توجه به خصوصیات فیزیوگرافی زیرحوضه ها، اطلاعات مربوط به بارش ایستگاه های حوزه آبخیز تجن و دبی سیلاب اخذ شده از شرکت آب منطقه ای مازندران، شبیه سازی چهار واقعه سیل 12/07/1390، 20/09/1390، 23/08/1394 و 10/09/1396 در نرمافزار HEC-HMS انجام شد. از روش شماره منحنی سازمان حفاظت خاک آمریکا برای محاسبه تلفات، جهت محاسبه رواناب از روش هیدروگراف واحد SCS و روندیابی از روش روندیابی تأخیر مورد استفاده قرار گرفت. سپس برای تعیین میزان حساسیت پارامترهای شماره منحنی، زمان تأخیر و تلفات اولیه آنالیز حساسیت انجام شد. در فرآیند واسنجی، جهت تعیین مقادیر بهینه پارامترها از نه تابع هدف موجود در نرمافزار HEC-HMS شامل میانگین قدر مطلق باقیمانده ها، میانگین مربع باقیمانده ها، انحراف معیار وزنی دبی اوج، توان متغیر وزنی دبی اوج، درصد خطای دبی اوج، مجذور میانگین مربعات خطا، مجموع قدر مطلق باقیمانده ها، مجموع مربع باقیماندهها و انحراف معیار وزنی زمان اوج استفاده گردید. در گام بعد، صحتسنجی (رویداد 10/09/1396) با استفاده از مقادیر بهینه پارامترها انجام شد و در نهایت پس از واسنجی و صحت سنجی نرمافزار HEC-HMS، وقایع سیلابی مورد نظر با استفاده از دادههای مدل عددی هواشناسی GFS، شبیهسازی گردید.
یافتهها: نتایج، همبستگی بالای میان هیدروگراف های مشاهدهای و واسنجی شده را در سطح معنیداری 95 درصد (0/9<r) نشان داد. همچنین بهترین تابع هدف، توان متغیر وزنی دبی اوج بوده است. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت نشان داد که دبی اوج نسبت به تغییرات پارامترهای تلفات اولیه و شماره منحنی حساسیت بیشتری دارد. برای تأیید صحت نتایج بهدست آمده در فرآیند واسنجی، صحتسنجی انجام شد. نتایج حاکی از آن است که میان میانگین های دو گروه دبی های مشاهده شده و واسنجی شده تفاوت معنی داری وجود نداشت (0/213=P-value). همچنین نتایج شبیهسازی با استفاده از مدل عددی هواشناسی نشان داد که میان هیدروگراف های مشاهده شده و شبیه سازی شده توسط داده های مدل عددی هواشناسی تفاوت معنی داری (در سطح معنی داری 95 درصد) وجود نداشته است.
نتیجهگیری: مطابق با نتایج بهدست آمده، با استفاده از داده های بارش مدل عددی هواشناسی GFS و نرم افزار بارش-رواناب HEC-HMS میتوان شبیه سازی سیلاب را با نتایج قابل قبولی در پیشبینی دبی اوج سیل انجام داد.
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
