نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکیHEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز صفارود)

شاهدی, مرتضی; نبی بیدهندی, غلامرضا

doi:10.30495/girs.2023.690970

کد مقاله : GIRS-2201-1964 (R2) بازدید : 340 صفحه: 17 - 20

10.30495/girs.2023.690970

نوع مقاله: پژوهشی

نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکیHEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز صفارود)

محورهای موضوعی : برنامه های کاربردی در مدیریت منابع آب

مرتضی شاهدی ¹ , غلامرضا نبی بیدهندی ²

1 - پژوهشگاه مهندسی بحران طبیعی
2 - استاد گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایرانان

تاریخ دریافت : 1400/11/05 تاریخ پذیرش : 1401/02/16 تاریخ انتشار : 1402/07/01

کلید واژه: حوضه آبخیز صفارود, بهینه‌سازی عملیات, کنترل سیل, آبخیزداری, مدل HEC-HMS,

چکیده مقاله :

با توجه به تغییرات عمده در کاربری زمین و همچنین تغییرات اقلیمی طی چند دهه اخیر مدیریت سیلاب از نقش عمده ای در مدیریت منابع آب برخوردار است. هدف اصلی تحقیق حاضر بررسی نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه آبخیز صفارود بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکیHEC-HMS میباشد. برای این منظور ابتدا توزیع مکانی زیرحوضه‌ها با استفاده از نقشه سطوح‌ هم‌پیمایش در سطح منطقه تعیین گردید. سپس با استفاده از نقشه سیل‌خیزی و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، رفتار زیرحوضه‌های واقع در هر سطح هم پیمایش براساس سیلاب طراحی با دوره بازگشت صد ساله مورد بررسی قرار گرفت. با حذف اثر هیدرولوژیکی زیرحوضه‌های یاد شده در هر سطح هم‌پیمایش، هیدروگراف سیلاب خروجی شبیه‌سازی گردید. بررسی نتایج نشان می‌دهد زیرحوضه های سطح هم پیمایش 1 و 2 واقع در خروجی حوضه صفارود با شاخص 67/0 و 78/0 دارای کمترین تاثیر و در مقابل زیرحوضه های واقع در سطح 4 با شاخص 10/1 دارای بیشترین تاثیر بر دبی اوج سیلاب خروجی از حوضه میباشند. میزان تغییرات ایجاد شده در ناحیه میانی و مناطق بالاتر، ناشی از شکل حوضه در تلفیق با شدت سیل‌خیزی می‌باشد. با توجه به نتایج ذکر شده توصیه میگردد جهت کاهش هزینه های اجرایی کنترل سیلاب در حوضه آبخیز صفارود تمرکز عملیات اجرایی در مناطق اولویت‌بندی شده شامل زیرحوضه های بالاتر و همچنین میانی قرار گیرد.

چکیده انگلیسی:

Due to the significant variations in land control, also regional changes, in recent several decades, floodwater management has attained a vital importance, from the view of water sources management. The aim of this recent research is to study the role of local distribution Aquifer laver hydraulic units of Safaarood on floodwater climax, by utilization HEC-HMS Hydraulic Model. In order to obtain such a purpose, at first, local distribution of under of lavers was estimated, through the amount of its occurrences Flood & HEC-HMS hydraulic Model, co scaling surfaces map according to region level. Then, by using the map of occurrences Flood and HEC-HMS hydraulic Model, the behavior of sub of lavers bestead in every co scaling surfaces, according to floodwater designed, and at the end, along centenary recursion course was discussed. Through elimination of effect of mentioned sub lavers on each co scaling levels, hydrography of exiting floodwater was stimulated. The results showed that sub lavers levels 1 & 2, located on Safaarood laver exiting with index of 67% and 78% had the least impact, and instead, sub lavers level 4 with index of 1.10% had the most impact on exiting floodwater climax of laver. The amount of created variabilities in median region and superior regions resulted from the figure of laver, on compilation with occurrences flood severity. According to above mentioned issues, recommended that, in order to reduce administrative costs, centralization of administrative operation of Safaarood laver floodwater management on all of the regions, including median and superior regions should be prioritized.

منابع و مأخذ:
_||_

متن کامل:

نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکیHEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز صفارود)

چکیده

با توجه به تغییرات عمده در کاربری زمین و همچنین تغییرات اقلیمی طی چند دهه اخیر، مدیریت سیلاب از نقش عمده‌ای در مدیریت منابع آب برخوردار است. هدف اصلی تحقیق حاضر، بررسی نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه آبخیز صفارود بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS است. برای این منظور ابتدا توزیع مکانی زیرحوضهها با استفاده از نقشه سطوح همپیمایش در سطح منطقه تعیین گردید. سپس با استفاده از نقشه سیلخیزی و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، رفتار زیرحوضههای واقع در هر سطح هم پیمایش بر اساس سیلاب طراحی با دوره بازگشت صد ساله مورد بررسی قرار گرفت. با حذف اثر هیدرولوژیکی زیرحوضههای یاد شده در هر سطح
همپیمایش، هیدروگراف سیلاب خروجی شبیهسازی گردید. نتایج نشان میدهد زيرحوضه‌هاي سطوح هم پيمايش 1 و 2 واقع در خروجي حوضه صفارود با شاخص 67/0 و 78/0 داراي كمترين تاثير و در مقابل زيرحوضه هاي واقع در سطح 4 با شاخص 10/1 داراي بيشترين تاثير بر دبي اوج سيلاب خروجي از حوضه است. میزان تغییرات ایجاد شده در ناحیه میانی و مناطق بالاتر، ناشی از شکل حوضه در تلفیق با شدت سیلخیزی است. با توجه به نتایج ذکر شده توصیه میگردد جهت کاهش هزینه های اجرایی کنترل سیلاب در حوضه آبخیز صفارود تمرکز عملیات اجرایی در مناطق اولویتبندی شده شامل زیرحوضه های بالاتر و همچنین میانی قرار گیرد.

واژه‌های کلیدی: کنترل سیل، آبخیزداری، بهینه‌سازی عملیات، مدل HEC-HMS، حوضه آبخیز صفارود.

مقدمه

ایران پهناور در طول تاریخ بسته به شرایط اقلیمی متنوع سیلابهای بسیاری را تجربه کرده است، اما آنچه باعث افزایش سیلاب‌ها در حال حاضر شده، دستکاری انسان در طبیعت است. تکرار سیلاب در گلستان به دلیل تغییر پوشش گیاهی، سیلاب جنوب ایران و حتی تهران نمونه های مکرری است که باید برای آن چاره ای اندیشید. استراتژي مطالعه مخاطرات زيست‌محيطي شامل شناخت فرآيند، پيش بيني و تحليل خطر با هدف كاهش خسارات ناشي از آن است (5 و 11). از سوی دیگر الگوي استفاده از زمين به دليل افزايش فعاليت هاي انساني دائماً در حال دگرگوني است (1 و 10). آگاهي از شرایط كلي حوضه و نحوه توزيع مكاني زيرحوضه‌ها و همچنين آگاهی از وضعيت وقوع سیلاب‌های قدیمی و مقایسه آنها با برآوردهای فعلی، لزوم انجام بازديدها را نیز ضروری ساخته است (14). یکی از مسائل مهم در بررسی سیلاب حوضههای آبخیز، آگاهی از عکس‌العمل حوضه در پاسخ به وقایع بارندگی است (9 و 12). بررسي فرايند بارش-رواناب حوضه و سطوح مختلف آن، استفاده از مدل رياضي برای روندیابی جریان و بررسی نحوه پاسخ حوضه به بارش روی تغییرات الگوی جریان و پهنه‌بندی سیلاب ضروری است (19 و 32). در چنین مواردی می‌توان با بکارگیری مدل‌های هیدرولوژیکی نظیرHEC-HMS شرایط لازم را در روندیابی تغییرات تراز جریان در طول رودخانه و تعیین مقاطع بحرانی نیز فراهم نمود.

شناخت فرآیندهای هیدرولوژیکی و شبیه‌سازی آنها در مقیاس حوضه آبخیز و پیشبینی تغییرات این فرآیندها در آینده، همواره از چالش‌های پیش روی هیدرولوژیست ها بوده است (21،18،13). از اینرو در سالهای اخیر مدلهای هیدرولوژیکی به عنوان ابزاری برای شناخت فعالیتهای طبیعی و انسانی موثر بر سیستم هیدرولوژی حوضه و مدیریت و برنامه ریزی آنها، به طور گسترده توسط مدیران و هیدرولوژیستها به کار گرفته میشوند (6 و 28). مدلهایی از قبیلAGNPS ،EPIC ،HSPF، CREAMS وSWRRB در زمینه آنالیز کیفیت آب و هیدرولوژی در مقیاس حوضه آبخیز توسعه یافته اند (3). اگرچه این مدلها در بسیاری موارد مفید و کاربردی هستند، اما جهت مدل سازی حوضه آبخیز محدودیتهایی نیز دارند (4 و 20). از آنجا که حوضه های آبخیز بـزرگ دارای طیف وسیعی از پارامترهای اکولوژیکی، توپوگرافی، تنوع بالای خاک، پوشش زمین و تغییر اقلیم در بازه های زمانی و مکانی هستند که بر فرآیندهای بارش-رواناب تاثیرگذار است، استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی توزیعی (Distributed Hydrological Models) نسبت به مدلهای یکپارچه (Lumped Models) توصیه شده است (17 و 26).

يکي از مهمترين اثرات تغییر اقلیم در چرخه هیدرولوژي، تغییر در وضعیت کمّي و کیفي منابع آب است (2 و 3). با اینکه در تغییرات اقلیمي همه عناصر ايجاد کننده اقلیم متأثر خواهند شد، اما بارندگي و دما از جايگاه ويژه اي برخوردار هستند. به گونه اي که تغییر اقلیم مديريت فعلي و آينده منابع آب را به چالش کشیده است (25). مدل هاي هیدرولوژي قادر به شبیه سازي فرآیندهاي هیدرولوژیکي سطح زمین بهمنظور بهبود مدیریت منابع آب هستند. مدلهای بارش-رواناب یکی از روش های تخمین رواناب و همچنین ابزاری مناسب برای مطالعه فرآیندهای هیدرولوژیکی و ارزیابی منابع آب هستند (7 و 8).

مدیریت صحیح حوضه های آبخیز از مهم‌ترین روش‌های استفاده بهینه از منابع آب و خاک به شمار می‌آید. امروزه از روش‌های متعددی برای پیشبینی جریان آب ناشی از سیل برای مباحث مربوز به مدیریت بحران استفاده میشود (29). تعیین مؤلفه‌های بیلان آب از جمله کارهای پژوهشی است که در سالیان اخیر، توسط مدل‌سازی‌های هیدرولوژیکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در اکثر حوضه‌های آبخیز امکان اندازه‌گیری تمام کمیت‌های موردنیاز برای شبیه‌سازیهای دقیق هیدرولوژیکی میسر نیست. از اینرو، انتخاب مدلی که بتواند فرآیندهای هیدرولوژیکی را در عین سادگی ساختار و با استفاده از حداقل عوامل، به خوبی شبیه‌سازی کند، امری ضروری است. مدل نماینده سادهای از کل سیستم حوضه و یا به عبارتی نمایانگر بخشی از واقعیت‌های موجود در یک سیستم است (9،30). در بسیاری از حوضه‌های آبریز که نیازمند برنامه‌ریزی منابع آب هستند، ایستگاه های آب سنجی برای اندازه گیری وجود ندارد، یا اینکه آمار ایستگاه‌های موجود، ناقص است. با توجه به اینکه به نظر نمی‌رسد که در آینده نزدیک همه مناطق دارای ایستگاه های اندازه گیری شوند، بنابراین روش یا روشهایی که به کمک آنها بتوان میزان رواناب به دست آمده از بارندگی در حوضه‌های بدون آمار یا دارای آمار ناقص را تخمین زد، از اهمیت قابل توجهی برخوردار می‌گردند (22 و 23).

کوالنکو و همکاران (18) در تحقیقی بیان کرده اند با توجه به رشد سریع جمعیت و شهرنشینی در حوضه رودخانه ها، تخمین قابل اعتماد سیل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. برای این منظور آنها با استفاده از مدل‌های رایج هیدرولوژیکی، رویدادهای سیل شدید را در حوضه‌های فرعی منتخب رودخانه‌ای در فلوریدای امریکا را پیش‌بینی کردند. عمده ترین یافته‌های این تحقیق نشان می‌دهد که با اجرای طیف وسیعی از روش‌های تخمین سیل می‌توان عدم قطعیت ذاتی را با برآوردهای سنتی بهتر توصیف کرد. با این حال، سناریوهای مختلف استفاده از زمین ممکن است منجر به عدم قعطیت‌های زیادی در پیش‌بینی جریان های سیل با بزرگی بیشترگردد. تودوس و همکاران (31)، در تحقیقی به مطالعه ساخت و آزمایش سازگاری و قابلیت اطمینان مدل هیدرولوژیکی با استفاده از مدل SWAT در یک حوضه آبخیز جنگلی کوچک کوهستانی در کشور رومانی اقدام کردند. این حوضه مساحت 184 کیلومتر مربع را پوشش می دهد و 90 درصد آب را برای منطقه کلان شهری واقع در این کشور تامین می کند. برای این منظور برای منطقه شهری مذکور پس از ساخت یک پایگاه داده سفارشی در سطح حفاظت مدیریت جنگل، مدلSWAT-CUP تحت الگوریتم SUFI2 اجرا گردید. نتایج نشان داد که مدل SWAT-CUP را می توان در ابعاد کوچک در حوضه های آبخیز پس از پارامترسازی مناسب پایگاه های داده به کار برد. کابجا و همکاران (15) تأثیر تغییر نوع کاربری و پوشش زمین (LULC) بر واکنش هیدرولوژیکی حوضه‌های آبخیز برای اتخاذ تدابیر اجرایی کنترل سیل را بررسی کردند. در چین، با اجرای برنامه دانه به سبز (GTGP) و برنامه حفاظت از جنگل‌های طبیعی (NFCP) مشخص گردید که تغییرات در پوشش زمین منجر به کاهش شدید دبی پیک سیل می‌شود. این یافته درک بهتری در مورد تأثیر احیای جنگل ارائه می دهد. تغییر LULC القا شده در الگوهای فضایی پاسخ‌های هیدرولوژیکی معمولی حوضه کوهستانی می تواند به کاهش خطرات سیل ناگهانی در سایر مناطق کوهستانی کمک کند. نگویان و همکاران (25) در تحقیقی به بررسی تغییر در بارندگی شدید و طغیان رودخانه ایشیکاری (Ishikari River)، ژاپن، برای یک حوضه رودخانه بزرگ به دلیل آب و هوا و تغییر در طول بارش های موسمی تابستان با استفاده از یک مجموعه بزرگ مجموعه داده (d4PDF) همراه با تجزیه و تحلیل یکپارچه سیستم سیل (IFAS) در ژاپن پرداختند. نتایج نشان داد که برای افزایش معین در بارندگی شدید، تخلیه حوضه رودخانه ایشیکاری و زیرحوضه های اصلی آن به میزان بیشتری افزایش می یابد. در این پژوهش همچنین تفاوت ها بین زمان پیک تخلیه در ایستگاه های مرجع در هر شاخه و زمان اوج سطح آب در نقاط تلاقی در رودخانه اصلی ارزیابی گردید.

نسرین‌نژاد و همکاران (25) با استفاده از سیستم‌های اطلاعاتی جغرافیایی (GIS) پهنه‌بندی پتانسیل سیل خیزی حوضه آبخیز باغان را بررسی کردند. در این تحقیق حوضه آبخیز باغان با وسعت حدود 909 کیلومتر مربع به 5 کلاس طبقه‌بندی نمودند و نتایج نشان داد 22 درصد از محدوده حوضه با سیلخیزی زیاد و خیلی زیاد قرار دارد و اجرای عملیات کنترل سیل و آبخیزداری محدوده در اولویت است. کریمی زاده و همکاران (17) برای ارزیابی اثرات عملیات فنی بر دبی رودخانه، فرآیندهای هیدرولوژیکی را با استفاده از مدل HEC-HMS شبیه‌سازی کردند. ورودی های مدل با روش های خاص مدل و روش منحنی عددی (CN) تعیین شدند و برای تبدیل بارندگی به رواناب استفاده شد. بر اساس هیتوگراف (Hyetograph) از رویدادهای مختلف بارندگی، قبل و بعد اجرای سازه های آبخیزداری، هیدروگراف های سیلاب استخراج شد. بر اساس ویژگی های خروجی هیدروگراف های مدل، کارایی عملیات در این حوضه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان داد که اجرای عملیات بیولوژیکی پیک دبی و حجم جریان را به ترتیب 34/14 و 52/12 درصد کاهش داده است .در این پروژه ضمن استفاده از نرم افزارهای موجود نظیر ILWIS و ArcView، از طریق برنامه نويسي در محيط C++ و تهیه مدل کامپیوتری CTC (Catchment Time of Concentration)، تهیه نقشه سطوح هم‌پیمایش جریان حوضه امکان‌پذیر گردید.

مرور سوابق تحقیق ذکر شده اگرچه بیانگر استفاده موفقیت‌آمیز از مدل HEC-HMS برای شبیه‌سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی مانند بارش-رواناب است، اما به نسبت تحقیقات کمتری برای بررسی نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی بر تغییرات دبی اوج سیل انجام گرفته است. بنابراین در تحقیق حاضر نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه آبخیز صفارود، به عنوان مطالعه موردی، بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS بررسی شده است. برای این منظور ابتدا توزیع مکانی زیرحوضهها با استفاده از نقشه سطوح همپیمایش در سطح منطقه تعیین گردید. سپس با استفاده از نقشه سیلخیزی و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، رفتار زیرحوضههای واقع در هر سطح هم پیمایش بر اساس سیلاب طراحی با دوره بازگشت صد ساله مورد بررسی قرار گرفت. با حذف اثر هیدرولوژیکی زیرحوضههای یاد شده در هر سطح همپیمایش، هیدروگراف سیلاب خروجی شبیهسازی گردید. مهمترین کاربرد روش ارایه شده در تحقیق حاضر، استفاده از نتایج آن در مدیریت بهینه سیلاب با تمرکز بر عملیات آبخیزداری در واحدهای هیدرولوژیکی مطابق با اولویت‌های تعیین شده است که منجر به کاهش قابل ملاحظه‌ای در هزینه‌های اجرایی پروژه‌ها مدیریت سیلاب در کشور خواهد شد.

منطقه مورد مطالعه

حوضه صفارود در بين طول هاي جغرافيايي˚50 و َ 25 تا ˚50 وَ 39 و عرض‌هاي جغرافيايي ˚36 و َ 47 تا˚ 36 و َ 57 واقع شده است. این حوضه داراي مساحتي معادل 65/13995 هكتار است که 73 درصد از آن داراي كاربري جنگل (متراكم و متوسط)، 23 درصد كاربري مرتع، 3 درصد كاربري مناطق مسكوني و 1 درصد كاربري باغ مي‌باشد. بيشترين مقدار بارندگي حوضه در فصل پاييز، معادل 47 درصد و كمترين مقدار بارندگي در فصل بهار، معادل 13 درصد ميباشد. قسمت اعظم حوضه داراي واحدهاي سنگي كنگلومرا، رس سنگ، سيلت سنگ با ميان لايه‌هايي از ماسه سنگ و زغال مي باشد. این حوضه آبریز از نظر مورفولوژيكي از واحدهاي كوهستاني مرتعي، جنگلي و جلگه‌اي تشكيل شده است. موقعیت جغرافیایی و مدل رقومی حوضه آبخیز مورد مطالعه در شکل ۱ نشان داده شده است.

بررسي سيلاب منطقه نشان ميدهد كه آبخيزنشينان اين حوضه همواره با مشكل سيلخيزي و خسارات ناشی از آن مانند سیل سال ۱۳۶۹ روبرو بوده اند. قطع بيرويه درختان جنگلي و شيب زياد حوضه سبب شده كه تنه درختان از داخل حوضه وارد رودخانه شده و دهانه پل را مسدود و منجر به خرابيهاي زيادي گردد (شکل ۲). بنابراین با توجه به پتانسیل بالای سیلخیزی حوضه آبخیز صفارود، تحقیقات متعددی در ارتباط با بررسی پدیده های هیدورلوژیکی در این حوضه آبخیز انجام شده که تاکید این مطالعات عمدتاَ شبیه سازی بارش-رواناب بوده است (24). این مطالعات اگرچه نتایج ارزشمندی برای مدیریت سیلاب در حوضه آبخیز صفارود ارایه میدهند اما به بررسی ارتباط توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی و سیلاب ایجاد شده در این حوضه آبخیز نمیپردازند. در راستای مدیریت بهینه سیلاب در حوضه آبخیز صفارود، هدف اصلی تحقیق حاضر بررسی نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی در این حوضه آبخیز بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS است.

TC_SAFAROOD1_global_location

dem100

شکل 1. موقعیت جغرافیایی و مدل رقومی حوضه آبخیز صفارود (آماده شده در محیط نرم افزار سیستم اطلاعات جغرافیایی)

Figure 1. Geographical location and digital elevation map of the Safaarood basin (prepared in GIS environment software)

مراحل مختلف انجام این تحقیق که شامل شبيهسازي سيلاب در حوضه آبخیز صفارود با بكارگيري مدل HEC-HMS است، در شکل ۳ به تصویر کشیده شده است. این مدل یک مدل هیدرولوژیکی است که با استفاده از مشخصات فیزیکی حوضه و مقادیر بارش، سیلاب را بر اساس روندیابی در خروجی حوضه شبیه‌سازی می‌کند و در شرایط کمبود داده های مشاهداتی نتایج خوبی را برای مدیریت سیلاب ارایه میدهد. با توجه به محدودیت اطلاعات در دسترس سیلاب در حوضه آبخیز موردمطالعه، سال ۱۳۹۰ که از داده های غنی تری برخوردار بود در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت. شکل ۴ مدل هیدرولوژیکی ساخته شده حوضه آبخیز صفارود در محیط نرم افزار HEC-HMS را نشان میدهد.

$C:\Users\Roholla\Desktop\Shaahedi\تصاویر\تصاویر سیل\مهر ماه 1397.jpg$ $C:\Users\Roholla\Desktop\Shaahedi\تصاویر\تصاویر سیل\مهرماه 97.jpg$

$C:\Users\Roholla\Desktop\Shaahedi\تصاویر\تصاویر سیل\رودخانه اصلی حوضه آبخیز صفارود مهر 97.jpg$

شکل ۲. تصاویر گرفته شده از سیلاب آبان ۱۳۹۷ در حوضه آبخیز صفارود

Figure 2. Taken pictures of the flood event in the Safaarood basin happen in October 2016.

$C:\Users\Roholla\Desktop\Shaahedi\Figure 3.jpg$

شکل ۳. فلوچارت انجام تحقیق حاضر (آماده شده در محیط نرم افزار Word)

Figure 3. Flowchart of the present study’s methodology (prepared in the Word environment software)

به دلیل تعداد نسبتا کم وقایع مورد استفاده در واسنجی و ارزیابی مدل (آبان ماه ۱۳۹۰)، از شاخص مقدار مطلق خطای نسبی AMRE (Absolute Mean Relative Error) رای صحت يابي نتايج استفاده شده است (33 و 34).

(۱)

در رابطه بالا، Qobs دبي مشاهده اي، Qest دبي شبيه سازي شده و n نیز تعداد مشاهدات است.

در حوضه‌هاي داراي آمار مي توان براي هر رگبار و رواناب متناظر آن، ابتدا با استفاده از معادله (۲) مقدار تلفات (S) را بدست آورد.

(۲)

در معادله (۲) P و Q به ترتیب ارتفاع بارندگی و رواناب به میلیمتر هستند.

با معلوم بودن پارامتر S از رابطه (۲)، می‌توان مقدار CN برای هر بارندگی را با استفاده از معادله (۳) محاسبه نمود

(۳)

در اين مرحله به منظور برآورد مقادير CN در حوضه مورد مطالعه، از دادههاي هم زمان بارش و رواناب حاصل از ايستگاه‌هاي بارانسنجي و هيدرومتري واقع در خروجي و منطقه میانی حوضه استفاده شد. با توجه به لزوم انجام واسنجی، اقدام به پایش حوضه و ثبت دادههای بارش-رواناب گردید. در این مرحله ضمن بکارگیری یک نفر آمار بردار، تعداد سه واقعه بارندگی و سیلاب متناظر آن ثبت گردید.

safarood shape

شکل ۴. مدل هیدرولوژیکی ساخته شده در محیط HEC-HMS برای حوضه آبخیز صفارود (آماده شده در محیط نرم افزار HEC-HMS)

Figure 4. Cnostractued hydrological model of the Safaarood basin in the HEC-HMS environment (prepared in the HEC-HMS environment software)

نتایج و بحث

واسنجي و صحت سنجی مدل

پس از ورود كليه اطلاعات به مدل و كسب آگاهي‌هاي لازم از منطقه و همچنين اجراي متوالي برنامه، گام‌هاي اوليه جهت دسترسي به پارامتر‌هاي موثر در شبيه‌سازي سيلاب و واسنجي مدل برداشته شد.

با توجه به محدودیت دسترسی به دادههای مشاهداتی از یک واقعه بارش-رواناب متناظر، دقت عمليات واسنجي مورد ارزيابي قرار گرفت. عمليات مزبور در حقيقت بطور هم زمان دو موضوع سيلاب و زمان تمركز محاسبه شده از طريق مدل توزيعی زمان تمرکز را مورد بررسي قرار داد. جدول 1 مشخصات وقایع و شكل های ۵ و ۶ نتايج حاصل از ارزيابي مدل را براي حوضه صفارود نشان مي‌دهد.

جدول 1. مشخصات وقايع مورد استفاده جهت واسنجي و صحت سنجی مدل

Table 1. Charactristics of the used events for calibration and verification of the model.

تاريخ	دبی حداکثر سيلاب (m3/s)		مرحله
تاريخ	مشاهداتي	محاسباتي	مرحله
06/08/90	1/7	2/7	واسنجی
07/08/90	0/5	2/5	صحت سنجی

شکل ۵- نتایج واسنجی مدل HEC-HMS با استفاده از هیدروگراف سیلاب مورخ 6 آبان سال90 (آماده شده در محیط نرم افزار HEC-HMS)

Figure 4. Results of HEC-HMS model in calibration step using the flood hydrograph dated in October 28th, 2011 (prepared in the HEC-HMS environment software)

شکل ۶- نتایج صحت‌سنجی مدل HEC-HMS با استفاده از هیدروگراف سیلاب مورخ 7 آبان سال90 (آماده شده در محیط نرم افزار HEC-HMS)

Figure 5. Results of HEC-HMS model in verification step using the flood hydrograph dated in October 29th, 2011 (prepared in the HEC-HMS environment software)

نتایج بررسی‌ها با استفاده از هیدروگرافهای سیلاب مشاهدهای و شبیهسازی شده بیانگر صحت برآورد زمان تمرکز توسط مدل است.

با استفاده از تلفیق نتایج گام های چهارگانه شامل، واسنجی مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS در حوضه آبخیز، تعیین سطوح هم پیمایش جریان حوضه، بررسی تعدادی عوامل موثر بر سیلخیزی و پهنه بندی سیل، پهنهبندی سیلاب صورت گرفت. زیرحوضههای واقع در حوضه های آبخیز بر اساس زمان پیمایش جریان و پس از آن میزان سیلخیزی مورد طبقهبندی قرار گرفت. آرایش دادهها بر این روال شرایط لازم را جهت بررسی و تعیین شاخص مکانی سیلخیزی هر یک از زیرحوضههای واقع در هر یک از سطوح همپیمایش فراهم نمود. نتایج مقدار خطای AMRE در مرحله واسنجی مدل هیدرولوژیکی برابر 7/2 درصد بود كه باتوجه به درصد بسيار پائين آنها، نتايج قابل قبولي ميباشد. پس از انجام واسنجي و حصول اطمينان از انطباق رفتار مدل هيدرولوژيكي با شرائط طبيعي حوضه مورد مطالعه، مكان يابي مناطق موثر بر دبي اوج سيلاب مدنظر قرار گرفت. بررسی انجام شده بین ضرائب رواناب زیرحوضههای سطوح هم پیمایش 4 و 5 (شکل 7)، که اعداد آن نیز در جدول 2 نشان داده شده است، بیانگر بخش دیگری از ویژگیهای موجود در روابط هیدرولوژیک و بارش رواناب حوضه آبخیز صفارود است.

جدول ۲. مقایسه مقادیر شماره منحنی زیرحوضههای سطح همپیمایش 4 و 5 در حوضه آبخیز صفارود

Table 2. Comparision among the CN values of the sub-basins #4 and #5 in the Safaarood basin

ردیف	سطح هم پیمایش	زیرحوضه	مساحت (هکتار)	شماره منحنی	CN وزنی سطح هم پیمایش
1	4	A_ 0	1/255	1/47
2	4	A_ 1	3/316	1/46
3	4	A_ 2	6/167	6/44
4	4	A_ 3	7/528	3/47
5	4	A_ 4	1/422	2/48
6	4	A_ 8	1/313	1/47
7	4	A_ 11	7/153	8/41
8	4	A_ 13	3/354	9/45
9	4	A_ 14	9/307	4/45
10	4	A_ 18	9/106	5/42
11	4	A_ 22	3/100	1/44
12	4	A_ 28	1/717	1/50	0/47
13	5	A_ 10	4/167	2/47
14	5	A_ 12	4/64	0/41
15	5	A_ 17	3/646	4/57
16	5	A_ 26	6/552	4/54
17	5	A_ 5	0/242	0/57
18	5	A_ 6	3/731	3/53
19	5	A_ 7	367.7	59.2	9/54

بررسي نقش زیرحوضهها با سطوح هم پیمایش مختلف در هیدروگراف سیل حوضه نشاندهنده آن است که از خروجي حوضه بهسمت بخشهاي مياني آن، تاثير زيرحوضهها بر دبي حداكثر سيلاب قابل توجه نیست. از بخش میانی حوضه به طرف بالادست، یک تغییر ناگهانی و فزاینده در میزان تاثیر زیرحوضههای این مناطق بر دبی اوج سیلاب مشاهده میگردد. اگرچه با دور شدن از بخشهاي مياني و نزديك شدن بهسمت بالادست و سرشاخهها، تاثير زير حوضهها تا حدودی کاهش مییابد، لیکن نسبت این کاهش با سطوح پایین دست حوضه قابل مقایسه نیست و در حقیقت پس از سطح همپیمایش چهارم در رتبه دوم از نظر اولویت قرار میگیرد. شکل 8 مقایسه تاثیر زیرحوضه‌های واقع در سطوح هم‌پیمایش بر کاهش اوج سیلاب حوضه صفارود را نشان می‌دهد.

Copy of TC_SAFAROOD1_tc

شکل 7. زیرحوضههای سطوح مختلف همپیمایش حوضه آبخیز صفارود (آماده شده در محیط نرم افزار سیستم اطلاعات جغرافیایی)

Figure 7. Sub-basins of the different isocronal area of the Saraarood basin (prepared in the GIS environment software)

شکل 8. مقايسه تاثير زيرحوضههاي واقع در سطوح همپيمايش بر كاهش اوج سيلابحوضه صفارود (آماده شده در محیط نرم افزار Excel)

Figure 8. Comparision among the impact of subbains located in different isochronal areas on the reduction of peak flood in the Safaarood basin (prepared in Excel environment software)

به منظور بررسی تاثیر ناشی از موقعیت مکانی زیرحوضههای مورد مطالعه، ضمن بکارگیری ضریب رواناب یکسان برای کلیه سطوح، مدل HEC-HMS مجددا با این شرایط و حذف زیرحوضههای واقع در هر یک از سطوح همپیمایش اجرا گردید. بررسی نتایج در این حالت نیز بیانگر صحت نتایج بوده است، با این تفاوت که با گذر از مناطق میانی به سمت بالادست حوضه، تاثیر آن کاسته میشود. شکل 9 مقایسه تاثیر زیرحوضه‌های هم‌ضریب رواناب واقع در سطوح هم‌پیمایش بر کاهش اوج سیلاب حوضه صفارود را نشان می‌دهد.

شکل 9. مقايسه تاثير زيرحوضههاي همضریب رواناب واقع در سطوح همپيمايش بر كاهش اوج سيلاب حوضه صفارود (آماده شده در محیط نرم افزار Excel)

Figure 9. Comparision among the impact of subbainswith the same curve number (CN) located in different isochronal areas on the reduction of peak flood in the Safaarood basin (prepared in Excel environment software)

بررسي شاخصهاي حاصل از نسبت دبي كاهش يافته به مساحت زيرحوضههاي واقع در هر سطح هم پيمايش بيانگر ويژگيهاي ديگري از فرآيند بارش رواناب در حوضه‌های آبخيز ميباشد. بررسيها نشان مي دهد كه مجموع مساحت زيرحوضههاي سطح 4 در مقايسه با سایر سطوح دارای اختلاف کمی مي باشد. اين در حالي است كه شاخص بدست آمده در اين سطح در حدود 56/1 برابر سطح 3 ميباشد. همچنین با وجود اينكه مجموع مساحت زيرحوضههاي واقع در سطح همپيمايش 5 در مقايسه با سطح 3 کمتر است، ليكن تاثير آن ها در كاهش دبي اوج سيلاب خروجي، نسبت به سطح مذكور حدود 52/1 برابر ميباشد. در همين منطقه شاخص سطح 4 به سطح 5، 2 و 1 به ترتيب 03/1 ، 41/1 و 64/1 برابر است. شکل ۱۰ موقعیت مکانی زیرحوضه‌های حاصل از بکارگیری گزینه تلفیقی در این پژوهش را نشان می‌دهد.

1:85,000

شکل ۱۰. موقعیت مکانی زیرحوضههای حاصل از بکار گیری گزینه تلفیقی. در این شکل زیرحوضه های مختلف با نامهای A_0 تا A_37 نشان داده شده است. در گزینه تلفیقی اثر همزمان تغییرات در مقدار CN و مساحت زیرحوضه ها بر ایجاد سیل مورد ارزیابی قرار می‌گیرد (آماده شده در محیط نرم افزار سیستم اطلاعات جغرافیایی).

Figure 10. Geographical location of sub-basins in the synthesis scenario. In this figure, different sub-basins have been determined by A_0 to A_37. In the synthesis scenario, the impact of changes in both curve number (CN) and sub-basin area is simulatneously evaluated on the generated flood (prepared in the GIS environment software).

تحلیل انجام شده در پژوهش حاضر نشان می‌دهد زيرحوضه هاي نزديك به خروجي، داراي كمترين تاثير در دبي اوج سيلاب است. افزايش وسعت سطوح همپيمايش از خروجي بطرف بخشهاي مياني، موجب افزايش تاثير زير حوضهها در دبي اوج سیلاب خواهد گردید. با كاهش وسعت سطوح همپيمايش از بخشهاي مياني به طرف بالادست، تاثير سرشاخهها در دبي اوج متناسب با شکل حوضه تغییر خواهد يافت. زیرحوضههای واقع در سطوح هم پیمایش بالادست دارای بیشترین تاثیر بر دبی اوج سیلاب هستند. تحقیقات متعدد انجام شده در این زمینه بسته به نوع تحقیق و همچنین مشخصات حوضه مورد بررسی تا حدود زیادی یافته های پژوهش حاضر را تایید میکنند. ایزانلو و همکاران (13) در پژوهشی به بررسی پتانسیل سیلخیزی زیرحوضه های مختلف حوضه آبخیز کوشک با استفاده از مدل HEC-HMS پرداختند. نتایج این تحقیق نشان داد که میزان مشارکت زیرحوضه ها در سیل خروجی به فاکتورهای نظیر موقعیت مکانی آنها بستگی دارد که این یافته ها میتواند تاییدی بر نتایج ارایه شده در تحقیق حاضر باشد. نوحه گر و همکاران (27) ‌با استفاده از شبیه سازی هیدرولوژیکی انجام شده با HEC-HMS در حوضه آبخیز جاماش گزارش کردند که نتایج میزان مشارکت زیرحوضه ها در سیل خروجی با مساحت آنها رابطه مستقیم ندارد و لزوماً زیرحوضه ای که مساحت بزرگتر و یا دبی اوج بیشتری داشته باشد، در سیل خروجی کل حوضه تاثیر بیشتری ندارد. آنها عوامل مهم دیگری مانند موقعیت مکانی زیرحوضه ها را به عنوان مهمترین فاکتور در سیلخیزی زیرحوضه ها بیان گردند که این یافته ها با نتایج بدست آمده در این تحقیق نیز تطابق دارد. همچنین در تحقیقی دیگر کاراندیش و همکاران (16) مهمترین فاکتور تاثیرگذار بر پتانسیل سیلخیزی زیرحوضه های کارون را موقعیت مکانی زیرحوضه ها نسبت به خروجی حوضه آبخیز معرفی کردند.

جمع بندی و نتیجه گیری

سیلاب هر ساله عامل خسارات مالی و جانی زیادی در مناطق مختلف کشور است. دامنه و شدت این اثرات منفی طی دهه های اخیر به دلیل تغییرات عمده ایجاد شده در کاربری اراضی و همچنین اثرات ناشی از تغییرات اقلیمی گسترش بیشتری پیدا کرده است به گونه ای که لزوم عملیات اجرایی برای مدیریت سیبلاب امروزه واقعیتی روشن برای همگان است. در این راستا در این پژوهش به بررسی نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS در حوضه آبخیز صفارود پرداخته شد. برای این منظور با استفاده از نقشه سیلخیزی و خروجی مدل هیدرولوژیکی رفتار زیرحوضههای واقع در ۴ سطح هم پیمایش مختلف واقع در بخشهای مختلف حوضه بر اساس سیلاب طراحی با دوره بازگشت صد ساله بررسی گردید. نتایج این تحقیق بیانگر اثر اندک زیرحوضههای نزدیک به خروجی حوضه بر دبی اوج سیلاب بود. با دور شدن از منطقه خروجی حوضه و نزدیک شدن به مناطق میانی، تاثیر زیرحوضهها بر اوج سیلاب بیشتر میشود. این یافته بیانگر اهمیت تمرکز بر زیرحوضه های میانی و بالایی در حوضه آبخیز صفارود برای کنترل سیلاب است. با توجه به تغییرات مقادیر دبی اوج سیلاب ارایه شده در حوضه مورد بررسی، نتایج این تحقیق میتواند پایه ای برای تصمیم سازی مدیران ذیربط در انتخاب بهترین گزینه برای کنترل سیلاب باشد. در پایان با توجه به محدودیت داده در حوضه مورد مطالعه این تحقیق، استفاده از دیگر مدلهای هیدرولوژیکی که از عملکرد مطلوبی در شرایط کمبود داده برخورداند جهت تدقیق بهتر نتایج توصیه می‌گردد.

تقدیر و تشکر

اين مقاله حاصل پايان‌نامه با عنوان "نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوزه بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS" در مقطع دكترا در سال 1401 است كه با حمايت پژوهشگاه مهندسی بحران ‌های طبیعی شاخص پژوه اجرا شده است.

مراجع

1. Abbaspour K. C. 2007. User manual for SWAT-CUP, SWAT calibration and uncertainty analysis programs. Eawag: Swiss Fed. Inst. Aquat. Sci. Technol. Dubendorf, Switzerland.

2. AgaKhani, Mahsa, Nasrabadi, Touraj, Vafainejad, Alireza. 2019. Hydrological simulation of Taleghan watershed using SWAT model. Journal of Environmental Science and Technology, 21(9): 147-159. doi: 10.22034/jest.2020.26325.3576 (In Persian).

3. Ariapour, A., Ghermezcheshmeh, B., Nasaji, M. and Piroozi, N., 2014. Effect prediction of rangeland condition changes on runoff by HEC-HMS model in Sarab-Sefid basin of Borujerd. RS and GIS for Natural Resources, 4(4), 61-78 (In Persian).

4. Arnold, J. G., and N. Fohrer. 2005. SWAT2000: Current capabilities and research opportunities in applied watershed modeling. Hydrological Processes, 19(3): 563-572.

5. Arnold, J.G., Moriasi, D.N., Gassman, P.W., Abbaspour, K.C., White, M.J., Srinivasan, R., Santhi, C., Harmel, R.D., Van Griensven, A., Van Liew, M.W., Kannan, N., 2012. SWAT: Model use, calibration, and validation. Transactions of the ASABE, 55(4): 1491-1508. https://org.doi/ 10.13031/2013.42256

6. Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S., and Williams, J.R. 1998. Large area hydrologic modeling and assessment, part I: model development. Journal of American Water Resources Association 34(1): 73-89.

7. Baharvand, S., Souri, S., Rahnmarad, J. 2018. Zoning of environmental hazards of landslides, earthquakes, floods and erosion using fuzzy hierarchical method (Case study: Wark area). Remote Sensing and Geographic Information System in Natural Resources, 8(3): 89-103.

8. Gassman, P. W., M. Reyes, C. H. Green, and J. G. Arnold. 2007. The Soil and Water Assessment Tool: Historical development, applications, and future directions. Transactions of ASABE 50(4): 1211- 1250.

9. Gholami, A., Shahedi, K., Habib Nejadroshan, M., Wafakhah, M., Soleimani, K. 2018. Evaluation of the efficiency of the SWAT semi-distributed model in river flow simulation (Case study of the Talar watershed in Mazandaran province). Iranian Soil and Water Research (Iranian Agricultural Sciences), 48(3): 463-476. https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=309915 (In Persian)

10. Habibi, A., Goodarzi, M. 2018. Application of SWAT semi-distributed model in simulation of Hablehroud watershed runoff. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 12(43): 40-49. https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=465476 (In Persian).

11. Hooshyaripor, F., Faraji-Ashkavar, S., Koohyian, F., Tang, Q. and Noori, R., 2020. Annual flood damage influenced by El Niño in the Kan River basin, Iran. Natural Hazards and Earth System Sciences, 20(10), pp.2739-2751. https://doi.org/10.5194/nhess-20-2739-2020

12. Hosseini-Teshnizi, S.Z. et. al, 2020, The watershed structures in controlling runoff - case study of Sardasht Basin in IRAN. American Journal of Engineering and Applied Sciences 2020, 13(1): 72-95. DOI: 10.3844/ajeassp.2020.72.95 (In Persian).

13. Izanloo, H., Moradi, H.R., and Sadeghi, S.H.R., 2009. Comparison of temporal prioritizing of flooding in different hydrological periods (Case study: Kooshkabad subwatersheds in Razavi province). Watershed Managment Researches Journal, 82, 21-30 (In Persian).

14. Jamali, A.A., Ghorbani Kalkhajeh, R., 2020. Spatial modeling considering valley’s shape and rural satisfaction in check dams site selection and water harvesting in the watershed. Water Resources Management, 34(10), 3331-3344. https://doi.org/10.1007/s11269-020-02616-2

15. Kabeja, C. et al., 2020. The impact of reforestation induced land cover change (1990–2017) on flood peak discharge using HEC-HMS hydrological model and satellite observations: A study in two mountain basins, China, Water, 12: 1347. https://org.doi/10.3390/w12051347

16. Karandish, F., Ebrahimi, K. and Porhemmat, J., 2014. Considering the flood intensity of Karoun’s sub-basins and effective parameters on it in lumped and semi-distributed management simulation of flood hydrograph. Water and Irrigation Management, 3(2), 1-12 (In Persian).

17. Karimizadeh, K. et al. 2019. Technical evaluation of watershed management operations effects on river discharge - Case study: Sira-Kalvan watershed, Iran. Water Utility Journal 23: 49-60 (In Persian).

18. Kovalenko, S. et al. 2021. An examination of extreme floods, effects on landuse change and seasonality in the Lower St. Johns River Basin, Florida using HSPF and statistical methods, Research Square, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-354253/v1

19. Krysanova, V., Arnold, J. G. 2008. Advances in ecohydrological modeling with SWAT: A review. Hydrological Sciences Journal, 53(5): 939-947.

20. Lagacherie, P., Rabotin, M., Colin, F., Moussa, R., Voltz, M, 2010. Geo-MHYDAS: A landscape discretization tool for distributed hydrological modeling of cultivated areas. Computers & Geosciences, 36: 1021-1032.

21. Maghrebi, M., Noori, R., Bhattarai, R., Mundher Yaseen, Z., Tang, Q., Al‐Ansari, N., Danandeh Mehr, A., Karbassi, A., Omidvar, J., Farnoush, H. and Torabi Haghighi, A., 2020. Iran's Agriculture in the Anthropocene. Earth's Future, 8(9), e2020EF001547. https://doi.org/10.1029/2020EF001547

22. Mansour Moghaddam, Mohammad, Rusta, Iman, Zamani, Mohammad Sadegh, Mokhtari, Mohammad Hossein, Karimi Firoozjaei, Mohammad, Alavi Panah, Seyed Kazem. 2022. Study and prediction of land surface temperature changes in Yazd: Investigating the effect of proximity and land cover changes. Remote Sensing and Geographic Information System in Natural Resources, 12 (4), 1-27 (In Persian).

23. Mendenhall W., Reinmuth J.E., Beaver R. 1989. Statistics for Management and Economics. John Wiely & Sons, New York.

24. Najibzade, N., Qaderi, K. and Ahmadi, M.M., 2020. Rainfall-Runoff modelling using Support Vector Regression and Artificial Neural Network Models (Case study: SafaRoud Dam Watershed). Iranian Journal of Irrigation & Drainage, 13(6), 1709-1720 (In Persian).

25. Nasrinnejad, N., Rangzan, K., Kalantari, N. and Saberi, A., 2015. Flood hazard potential zonation of Baghan watershed using fuzzy analytic hierarchy process method (FAHP). RS & GIS for Natural Resources, 5(4): 15-34 (In Persian).

26. Nguyen, T. et al. 2020. Assessing climate change impacts on extreme rainfall and severe flooding during the summer monsoon season in the Ishikari River basin, Japan, Hydrological Research Letters 14(4): 155-161. www.jstage.jst.go.jp/browse/hrl

27. Nohegar, A., Ghashghaei Zadeh, N., and Helisaz, A., 2013. Determining flood generating areas and prioritizing flooding sub-basins (Case study: Jamash watershed of Hormozgan province). Researches in Earth Sciences, 3(1), 14-25 (In Persian).

28. Noori, R., Ansari, E., Bhattarai, R., Tang, Q., Aradpour, S., Maghrebi, M., Haghighi, A.T., Bengtsson, L. and Kløve, B., 2021. Complex dynamics of water quality mixing in a warm mono-mictic reservoir. Science of the Total Environment, 777, 146097. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146097

29. Noori, R., Farokhnia, A., Morid, S., Riahi Madvar, H. 2009. Effect of input variables preprocessing in artificial neural network on monthly flow prediction by PCA and wavelet transformation. Journal of Water Wastewater 2009, 69: 13-22 (In Persian).

30. Rahimpour M 2015 Trends assessment of changes in water budget components and land use of Lake Urmia (Iran) and Lake Van (Turkey) basins using remote sensed data. Tarbiat Moodares University (In Persian)

31. Shahoui, S. V., Parhamat, J. 2019. Evaluation and comparison of two integrated AWBM and semi-distributed SWAT models in simulating the monthly runoff of Qarasu River in Kermanshah province. Environment and Water Engineering, 5(1): 71-82. doi:10.22034 / jewe.2019.143387.1275 (In Persian).

32. Tudose, N.C., Marin, M.; Cheval, S.; Ungurean, C.; Davidescu, S.O.; Tudose, O.N.; Mihalache, A.L.; Davidescu, 2021A.A. SWAT Model Adaptability to a Small Mountainous Forested Watershed in Central Romania. Forests, 12: 860. https://doi.org/10.3390/f12070860

33. Valizadeh Kamran, K., Delire Hasannia, R. and Azari Amghani, K., 2019. Flood zoning and its impact on land use in the surrounding area using unmanned aerial vehicles (UAV) images and GIS. RS and GIS for Natural Resources, 10(3), 59-75 (In Persian).

34. Wang, G.Q., J.Y. Zhang, 2015, Variation of water resources in the Huang-huai-hai areas and adaptive strategies to climate change. Quaternary International, 380(4): 180-186.

The Role of Spatial Distribution of Basin Hydrological Units on Flood Peak Flow Changes Using HEC-HMS Hydrological Model (Case Study: Safaarood Basin)

Keywords: Flood control, Watershed management, Operation optimization, HEC-HMS model, Saffaarood basin.

پیشینه و هدف: هزاران سال است که بشر با حوادث طبیعی چون سیل و زلزله مواجه است و هر روز که می‌گذرد گامی برای شناخت و کنترل آنها برمی‌دارد، اما هنوز دانش بشری به مهار و کنترل کامل این پدیده دسترسی پیدا نکرده است. کشور ما در طول تاریخ بسته به شرایط اقلیمی متنوع سیلاب‌های بسیاری را تجربه کرده است. به طوریکه طی 50 سال گذشته 2400 مورد سیل سهمگین در کشور رخ داده است که منجر به خسارت‌های جدی مالی و جانی شده است. براساس اطلاعات موجود طی سال‌های 1330 تا 1370 قریب به 124 میلیارد تومان خسارت سیل‌های مهم کشور بوده است که 55 درصد آن مربوط به سال‌های 1360 تا 1370 می‌باشد. بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد افزایش وقوع سیل در دهه‌ی 1370 نسبت به دهه 1340 حدود 10 برابر است. آنچه باعث افزایش تعداد و حجم سیلاب‌ها در دهه‌های اخیر شده است دستکاری انسان در طبیعت می‌باشد. به طوریکه دلیل عمده سیلاب‌های استان‌های شمالی به ویژه مازندران به دلیل تغییر عمده در کاربری و در نتیجه تغییرات اقلیمی چند دهه اخیر بیان گردیده است. به همین دلیل آگاهی از شرایط کلی و عکس العمل حوضه در پاسخ به وقایع بارنگی یکی از مسائل مهم در بررسی سیلاب حوضه‌های آبخیز است. از آنجایی که اکثر سیستم‌های هیدرولوژی بسیار پیچیده‌اند و بررسی و پاسخ آنها در برابر وقایع امری دشوار است، بر این اساس استفاده از مدل‌های هیدرولوژیکی نظیر HEC-HMS‌ جهت شبیه سازی و پیش‌بینی عملکرد یک سیستم پیچیده و بررسی اثر تغییرات بر روی پاسخ آن، نقش مهمی در مدیریت سیلاب حوضه‌های آبخیز و بررسی نقش عملیات آبخیزداری بر پاسخ به وقایع بارندگی ایفا می‌نماید. در این پژوهش نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه آبخیز صفارود بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن میتواند در اجرای عملیات کنترل و مهار سیلاب در این حوضه آبخیز مورد استفاده قرار گیرد.

مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه این پژوهش حوضه آبخیز صفارود در شمال کشور است که طی دهه های گذشته همواره با مشكل سيلخيزي و خسارات ناشی از آن مانند سیل سال ۱۳۶۹ روبرو بوده است. در این پژوهش شبيهسازي سيلاب با بكارگيري مدل HEC-HMS در حوضه آبخیز صفارود، بررسيهاي هيدرولوژيكي مانند برآورد هيدروگراف و دبي حداكثر سيل با دوره بازگشتهاي مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور با استفاده از تلفیق نتایج پروژه های چهارگانه شامل، واسنجی مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS در حوضه آبخیز، تعیین سطوح هم پیمایش جریان حوضه، بررسی تعدادی عوامل موثر بر سیلخیزی و پهنه بندی سیل، پهنهبندی سیلاب با دوره بازگشت صد ساله صورت گرفت. زیرحوضههای واقع در حوضه های آبخیز بر اساس زمان پیمایش جریان و پس از آن میزان سیلخیزی مورد طبقهبندی قرار گرفت. آرایش دادهها بر این روال شرایط لازم را جهت بررسی و تعیین شاخص مکانی سیلخیزی هر یک از زیرحوضههای واقع در هر یک از سطوح همپیمایش فراهم نمود. در نهایت نیز با حذف اثر هیدرولوژیکی زیرحوضههای یاد شده در هر سطح همپیمایش، هیدروگراف سیلاب خروجی شبیهسازی گردید.

نتایج و بحث: نتایج مقدار خطای AMRE در مرحله واسنجی مدل هیدرولوژیکی برابر 7/2 درصد بود كه باتوجه به درصد بسيار پائين آنها، قابل قبول ميباشد. پس از انجام واسنجي و حصول اطمينان از انطباق رفتار مدل هيدرولوژيكي با شرائط طبيعي حوضه مورد مطالعه، مكان يابي مناطق موثر بر دبي اوج سيلاب مدنظر قرار گرفت. بررسی انجام شده بین ضرائب رواناب زیرحوضههای سطوح هم پیمایش مختلف بیانگر بخش دیگری از ویژگیهای موجود در روابط هیدرولوژیک و بارش رواناب حوضه‌های آبخیز بود. بررسي شاخصهاي حاصل از نسبت دبي كاهش يافته به مساحت زيرحوضههاي واقع در هر سطح هم پيمايش بيانگر ويژگيهاي ديگري از فرآيند بارش رواناب در حوضه‌ آبخيز موردمطالعه بود. بررسيها نشان مي دهد كه مجموع مساحت زيرحوضههاي سطح 4 در مقايسه با سایر سطوح دارای اختلاف کمی مي باشد. اين در حالي است كه شاخص بدست آمده در اين سطح در حدود 56/1 برابر سطح 3 ميباشد. همچنین با وجود اينكه مجموع مساحت زيرحوضههاي واقع در سطح همپيمايش 5 در مقايسه با سطح 3 کمتر است، ليكن تاثير آن ها در كاهش دبي اوج سيلاب خروجي، نسبت به سطح مذكور حدود 52/1 برابر ميباشد. در همين منطقه شاخص سطح 4 به سطح 5، 2 و 1 به ترتيب 03/1 ، 41/1 و 64/1 برابر بود. بطور کلی نتایج این تحقیق بیانگر اثر اندک زیرحوضههای نزدیک به خروجی بر دبی اوج سیلاب بود. با دور شدن از منطقه خروجی حوضه و نزدیک شدن به مناطق میانی، تاثیر زیرحوضهها بر اوج سیلاب بیشتر می‌شود.

نتیجه گیری: یافته این پژوهش بیانگر اهمیت تمرکز بر زیرحوضه های میانی و بالایی در حوضه آبخیز صفارود برای کنترل سیلاب است. نتایج این تحقیق می‌تواند پایه ای برای تصمیم سازی مدیران ذیربط در انتخاب بهترین گزینه برای کنترل سیلاب در حوضه آبخیز صفارود باشد و دید روشنی را در اختیار طراحان و محققین منابع آب در ارتباط با مدیریت بهینه سیلاب و کاهش مخاطرات در این حوضه آبخیز به دنبال داشته باشد. پیشنهاد می‌شود در مطالعات بعدی جهت رفع کاستی موجود و غنای بیشتر تحقیق تهیه نقشه‌های پهنه‌بندی سیلاب در خروجی حوضه مدنظر قرار ‌گیرد.

The Role of Spatial Distribution of Basin Hydrological Units on Flood Peak Flow Changes Using HEC-HMS Hydrological Model (Case Study: Safaarood Basin)

Statement of the Problem: Since thousands years ago, mankind has been encountered with natural disasters like flood and earthquake. By everyday passing, human gait to cognition and control this phenomenon. Though, human’s knowledge has not yet access to complete control and restrain these Misadventures. Our country, during its history has experienced many floodwaters, because of its various continental condition. As during 50 years past, has been occurred about 2400 cases of horrible floods, which resulted into serious sensual & financial damages. Based on available Data, between 1652 to 1692 years, the financial damages of important floods have been about 124 million dollars, that 55% of them related to 1682 till 1692 years. Accomplished studies showed that there was a flood incidence increasing, about 10 more, on 1690 decade than 1660. Whatever has been the reason of floods number and mass increasing at recent decades, is mankind’ s manipulation in nature. So that, the major reason of northern provinces, especially, Mazandaran province is because of waters’ control changes, as addresses “ the recent few decades continental variations”. Based on such a reality, being aware of total conditions and laver reaction on rainfall, which is one of the most important issues on aquifer laver floodwater, one could respond above questions. Since, most of hydraulic systems are very complex, and their study & responds against mentioned incidents are difficult, so, using HEC-HMS hydraulic Model to simulation and forecasting a complex system operation and study of the effect of variations on system’ s reactions has an important role on aquifer laver floodwater management against rainfall incidents. In this research, the role of local distribution Aquifer laver hydraulic units of Safa Roud on floodwater climax has been studied, by utilization HEC-HMS Hydraulic Model. The obtained results are useful to management and control floodwaters in these regions.

Methodology: The region of under study in this research is laver aquifer of Safa Roud in north of Iran, which always have encountered with a lot of problems of floodwaters and its damages, specially, 1653 year flood, during past decades. In the recent study, we have done floodwater simulation, by using HEC-HMS Model on laver aquifer of Safa Roud, then, study of hydrograph estimate, flood climax, along various occurrences Flood were done. In order to realization of this purpose, through compilation of results of quad projects including HEC-HMS hydraulic Model deduction on laver aquifer, laver current co scaling levels determination, some of effective factors on field category & occurrence of flood study, and scaling of floodwater with centenary recurrence course, we achieved into proper results. Then, sub lavers of laver aquifer were classified based on current scaling period. While, the level of occurrences Flood was also specified. Data array brought the necessary condition to study and designation of occurrences Flood index of every sub lavers, located on each co scaling levels. At the end, through elimination of mentioned sub lavers hydraulic effect on every co scaling level, the floodwater exit direction was stimulated.

Results and discussion: The results of AMRE deviation level on hydraulic Model deduction step were 2.7%, due to their very low percentage, which was acceptable. After doing this deduction, and also getting confidence of conformity of hydraulic model with under study laver natural condition, locating of efficient regions on floodwater climax was considered. Done study between various co scaling surfaces of sub laver flow water coefficients indicated the other part of available properties related to hydraulic and aquifer sub laver flow water. While, study of obtained index from relation of decreased climax to sub laver area located on every co scale level showed more properties of sub laver flow process on under study aquifer sub laver. All studies proved that totality areas of 4 level sub laver, in comparison with other levels has a little difference. While, obtained index in this level was about about 1.56, correspond to 3 level. Also, despite of this fact that totality areas of sub lavers located on 5 co scale level, to comparison with 3 level is less. But its effect on exit floodwater climax decreasing, rather than mentioned level is about 1.52. In this region, 4 level index related to 5, 2, 1 levels, were 1.03, 1.41, and 1.64, respectively. Generally, the results of this study indicated low effect of closed sub lavers to exiting regions on floodwater climax. By keep out of laver exiting regions, and approaching to median regions, the effect of sub laver on floodwater climax was higher.

Conclusion: Findings of recent research indicate the importance of centralization on median and higher sub lavers in aquifer laver of Safa Roud, to control floodwaters. Therefore, the research results would be a revolution mark to authority decision makers, in order to election the best choice of controlling floodwater on aquifer laver of Safa Roud, and gives a clear sight to designers and water sources researches, in relation to floodwater optimum management, and risk decreasing of damages in this aquifer laver. So, we suggested that in order to resolving the available defects and research higher enrichment, considering preparation of floodwaters ranking maps on laver deferent.

Keywords: Flood control, Watershed management, Operation optimization, HEC-HMS model, Saffaarood basin.

مقالات مرتبط

اشتراک گذاری

آدرس مقاله

نقش توزیع مکانی واحدهای هیدرولوژیکی حوضه بر تغییرات دبی اوج سیلاب با استفاده از مدل هیدرولوژیکیHEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز صفارود)