تاثیر مفهوم تغییرات درون سلولی، ابعاد شبکه محاسباتی و مقیاس نقشه توپوگرافی بر عملکرد مدل دوبعدی HEC-RAS در شبیه‌سازی پهنه‌های سیل گیر رودخانه‌ها (مطالعه موردی: رودخانه سرباز)

محورهای موضوعی : مدیریت آب در مزرعه با هدف بهبود شاخص های مدیریتی آبیاری

امیر صمدی ¹ (استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.)
اصغر عزیزیان ² (گروه مهندسی آب دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره))

تاریخ دریافت : 1398/01/15 تاریخ پذیرش : 1398/11/28 تاریخ انتشار : 1399/03/01

کلید واژه: ابعاد شبکه محاسباتی, رودخانه سرباز, تغییرات درون سلولی, مهندسی رودخانه, HEC-RAS,

چکیده مقاله :

مدل دوبعدی HEC-RAS از مفهوم جدیدی به نام تغییرات درون سلولی برای لحاظ نمودن تغییرات ارتفاعی داخل یک سلول محاسباتی استفاده می‌نماید و از اینرو از وابستگی بسیار کمی به ابعاد سلول محاسباتی برخوردار می‌باشد. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی اثر کاربرد این مفهوم بر پهنه سیلاب رودخانه سرباز به انجام رسیده است. همچنین بررسی تاثیر مقیاس نقشه بر عملکرد مدل یک بعدی و دوبعدی HEC-RAS از دیگر اهداف این پژوهش می‌باشد. نتایج نشان داد که با افزایش ابعاد سلول محاسباتی، میزان خطای مدل درشبیه-سازی پهنه‌های سیلگیر نسبت به ابعاد سلولی کوچک نسبتاً پائین می‌باشد. به عنوان مثال، در صورت استفاده از یک شبکه محاسباتی با ابعاد 500 متر به جای یک شبکه با ابعاد 20 متر، میزان خطای مدل در برآورد پهنه سیلاب به کمتر از 15 درصد محدود می‌گردد. مدت زمان اجرای مدل دوبعدی نیز در ابعاد سلولی 500 متر تقریباً 45 برابر کمتر از مدت زمان اجرای مدل در صورت استفاده از ابعاد سلولی 20 متر است. یافته‌های مذکور به‌خوبی گویای این مطلب است که استفاده ازمفهوم تغییرات درون سلولی در مدلسازی تا چه حد می‌تواند در زمان اجرای مدل‌های عددی به ویژه در رودخانه‌های بزرگ و با پیچیدگی زیاد موثر باشد. همچنین محاسبات صورت گرفته حاکی از آن است که اختلاف بین دو مدل یک بعدی و دوبعدی در شبیهسازی پارامترهای هیدرولیکی در مقیاس‌های کوچک نسبتاً ناچیز می‌باشد و با افزایش مقیاس نقشه اختلاف دو مدل مذکور نیز افزایش می‌یابد که علت اصلی لحاظ نمودن تمامی تغییرات توپوگرافی بستر و سیلابدشت رودخانه در مقیاس‌های بالا می‌باشد.

چکیده انگلیسی:

The 2D HEC-RAS model uses a new concept called subgrid-variability to include elevation changes within a computational cell and thus has very little dependence on computational cell dimensions. The purpose of this study was to evaluate the effect of the concept of subgrid-variability on the simulated flood area in the Sarbaz River. The other purposes of this study is to investigate the effect of map scale on the performance of 1D and 2D HEC-RAS model. The results showed that with increasing computational cell dimensions, the model error in simulating flood zones was relatively low compared to small cell dimensions. For example, if using a computing grid with dimensions of 500 meters instead of a 20 meters grid, the simulated flood area in different parts of the Sarbaz River would be less than 15 percent. The run time of the 2D model in the cell dimension of 500 meters is approximately 45 times less than the run time of the model in case of using cell dimensions of 20 meters. The findings clearly indicate to what extent the use of the concept of subgrid variability in modeling can be effective when implementing numerical models, especially in large and complex rivers. The calculations also show that the difference between 1D and 2D models in the simulation of hydraulic parameters in small scales is relatively small and by increasing the map scale, the difference between the two models increases.

منابع و مأخذ:

عزیزیان، ا.، صمدی، ا.، 1396. شبیه‌سازی دوبعدی سیلاب در بستر مدل عددی HEC-RAS 5. انتشارات پارسیا، 215 ص.

معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری، 1391. راهنمای کاربرد مدل‌های ریاضی و فیزیکی در مطالعات مهندسی و ساماندهی رودخانه، نشریه شماره 584، ایران، 154 ص.

مهندسین مشاور سامان سدرود، 1390. گزارش مطالعات هیدرولیک رودخانه سرباز، مطالعات ساماندهی و تعیین حد بستر و حریم رودخانه سرباز، شرکت سهامی آب منطقه‌ای سیستان و بلوچستان، وزارت نیرو.

Brandt, S. 2005. Resolution issues of elevation data during inundation modeling of river floods. In Proceedings of XXXI International Association of Hydraulic Engineering and Research Congress (IAHR), 3573–3581.

Brunner, G.W. 2014. Combined 1D and 2D Modeling with HEC‐RAS. US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, 130 p.

Brunner, G.W. 2016a. HEC-RAS River Analysis System. User’s Manual. Version 5.0. Davis, CA: US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, 962 p.

Brunner, G.W. 2016b. HEC-RAS River Analysis System. 2D Modeling User’s Manual. Version 5.0. Davis, CA: US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, 171 p.

Brunner, G.W. 2016c. HEC-RAS River Analysis System. Hydraulic Reference Manual. Version 5.0. Davis, CA: US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, 547 p.

Cook, A., and Merwade, V. 2009. Effect of topographic data, geometric configuration and modeling approach on flood inundation mapping. J. Hydrol, 377, 131–142.

Gonga-Saholiariliva, N., Gunnell, Y., Petit, C., and Mering, C. 2011. Techniques for quantifying the accuracy of gridded elevation models and for mapping uncertainty in digital terrain analysis. Progress in Physical Geography, 35(6), 739–764.

Moya, Q., Popescu, V., Solomatine, I., and Bociort, L. 2013. Cloud and cluster computing in uncertainty analysis of integrated flood models. Journal of Hydroinformatics, 15, 55–69.

Saksena, S., and Merwade, V. 2015. Incorporating the effect of DEM resolution and accuracy for improved flood inundation mapping. Journal of Hydrology, 530, 180–194.

Sanders, B.F. 2007. Evaluation of on-line DEMs for flood inundation modeling. Advances in Water Resources, 30(8), 1831–1843.

Schumann, G., Matgen, P., Cutler, M.E.J., Black, A., Hoffmann, L., and Pfister, L. 2008. Comparison of remotely sensed water stages from LiDAR, topographic contours and SRTM. ISPRS J. Photogramm. Remote Sensing, 63(3), 283–296.

Tarekegn, T.H., Haile, A.T., Rientjes, T., Reggiani, P., and Alkema, D. 2010. Assessment of an ASTER generated DEM for 2D flood modelling. International Journal of Applied Earth Observation and Geo information, 12, 457–465.

Versteeg, H.K., Malalasekera, W. 1995. An Introduction to Computational Fluid Dynamics, the Finite Volume Method, Longman, 520 p.

Werner, M.G.F. 2001. Impact of grid size in GIS based flood extent mapping using 1-D flow model. Journal of Physics and Chemistry of the Earth (B), 26, 517–522.