تدقیق نفوذ آب در خاک در مدل رخدادی سیلاب با استفاده از معادلات توزیع احتمالاتی SCS و مدل HEC-HMS

محورهای موضوعی : هیدرولوژی، هیدرولیک و ساختمان های انتقال آب

سهراب علیزاده ¹ (گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی،. رودهن، ایران.)
علیرضا زمانی نوری ² (گروه مهندسی عمران، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.)
بابک امین نژاد ³ (گروه مهندسی عمران، واحد رودهن دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران.)

تاریخ دریافت : 1402/02/05 تاریخ پذیرش : 1402/05/25 تاریخ انتشار : 1402/09/01

کلید واژه: مدل HEC-HMS, معادلات توزیع احتمالاتی SCS, مدل رخدادی سیلاب, تدقیق نفوذ,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: یکی از بزرگترین چالش های مدل بارش-رواناب، تعیین دقیق نرخ نفوذ آب به خاک به عنوان یکی از پارامترهای تعیین کننده بزرگی و شکل هیدروگراف های سیلاب های تاریخی است. مطالعات صورت گرفته در اقلیم های متفاوت که ریخت شناسی مختلف زمین را نمایش می دهند، حاکی از ضعف روش های پرکاربردی نظیر SCS-CN در تعیین نرخ نفوذ آب به خاک است. برای روش SCS-CN، با نزدیک شدن شاخص ذخیره‌سازی خاک به بی نهایت، نسبت رطوبت خاک به 1 نزدیک می شود و این به دلیل محدودیت روش SCS-CN است. در این پژوهش با محوریت همین ضعف در روابط پایه محاسبات تلفات، و رویکرد یکپارچه ای در تعیین نفوذ آب به داخل خاک، بزرگی مقدار سیلاب های رخدادی در حالت تاریخی خود در حوضه آبریز تحلیل شد. اهمیت این تحلیل می تواند در تدقیق بزرگی سیلاب هایی باشد که معیار تعیین سازه ها و یا برنامه های کنترل بحران است.روش پژوهش: با توجه به آنکه به منظور حل مشکل محاسبات نفوذ در مقیاس حوضه، و بر پایه معادلات جدید تعیین تلفات جریان، نیاز به یک معیار همگن اما رستری می باشد، در این پژوهش بر اساس حساسیت تولید شده جریان به مقدار تلفات در بررسی احتمالاتی شاخص های رطوبت و نسبت جریان، اقدام به تهیه یک الگوی عمق-نفوذ از مدل جامع دو بعدی در محدوده شد. در این مطالعه بر اساس روابط جدید تعیین تلفات، محاسبات عددی در محیط نرم‌افزار و اسکریپت به صورت متوالی و بر اساس خروجی های مدل هیدرولوژیکی صورت پذیرفت. ابتدا تولید ساختار مدل بارش-رواناب HEC-HMS با افزونه‌های ArcHydro و HEC_GeoHMS در حوضه آبریز شادگان انجام شد. سپس پارامترهای نفوذ به روش SMA در تحلیل تصاویر سنجش از دور از حوضه تعیین شد. در مرحله بعد توسعه مدل تداومی اولیه، واسنجی و صحت‌سنجی با محوریت اطلاعات رطوبتی خاک انجام شد. پس از تعیین رابطه رطوبت خاک بر اساس نتایج مدل (Soil Wetting)، هیدروگراف رخداد واحد مصنوعی با تعیین حجم سیلاب بر پایه روش ترکیبی SCS-CN و VICتعیین گردید.یافته‌ها: نتایج کلی اجرای مدل هیدرولیکی دشت سیلابی، نشان داد که حداکثر دبی ورودی به محدوده معادل 3023 متر مکعب بر ثانیه در زمان ساعت 90 رخداد، و حداکثر سیلاب خروجی در زمان 93 با رقم 2137 متر مکعب بر ثانیه بوده است. مقدار دبی در آغاز محاسبات صفر فرض گردیده است. حجم جریان در پایان محاسبات برابر با 141.03 میلیون متر مکعب بود که این مقدار از حجم 918.36 میلیون متر مکعب در کل رخداد باقی مانده است. درصد اختلاف دبی ورودی و خروجی در حدود 14/6 درصد به صورت کمبود محاسبه شد. همچنین لایه تغییرات عمق جریان نشان می دهد که تراز آب در محدوده دشت با پر شدن نقاط پست تر سعی در قرار گرفتن در یک حد ممکن و معقول را دارد. آنچنان که بخش زیادی از حجم آب از نوار جنوبی مرزهای تراوا برای ناحیه فعال مدل‌سازی، در نهایت به دریا خواهد ریخت. با این حال جهت حرکت آب حتی در برخی موارد عمود بر مسیر مستقیم به سمت دریا نیز تخمین زده شده است. این نتایج حاکی از عمق حداکثری 4/16 متر در برخی نواحی می باشد که کمینه آن به رقم 3/5 متر می رسد. نکته مهم آنکه در محدوده دشت با توجه به اندازه سلولی، قطعا در برخی موارد عمق های بسیار کمتر نیز قابل محاسبه است. متوسط عمق در سلول های فعال برابر 9/11 متر به صورت محلی محاسبه شده است. این ارقام با توجه به رخداد های مختلف بارش می تواند تغییر کند.نتایج: نتایج نشان داد تدقیق نفوذ بر اساس معادلات جدید توزیع مبنا با لحاظ یک شرایط احتمالاتی در تخمین پارامتر شکل حوضه ممکن است. رقوم واسنجی هیدروگراف در واکنش به نفوذ آب در خاک وابسته به تخمین درست رطوبت اولیه خاک دارد. تلفات جریان در حوضه‌های بزرگ مقیاس بر اساس معادلات توزیع مبنای SCS، به صورت مطلوب‌تری حاصل می شود. مدل های عددی و هیدرولوژیکی نظیر HEC-HMS و یا مدل‌ساز هایی نظیر HEC_GeoHMS به منظور مرزبندی بالادست جریان، کاملا وابسته به لایه خام DEM معرفی شده هستند. تغییرات پوشش زمین در نواحی مسطح می تواند عملا مرز بسته شده حوضه آبریز را نسبت به واقعیت زمین در مدل های شبیه‌سازی متفاوت خروجی دهد. روش هیدورگراف واحد با توجه به پیش فرض های اساسی نظیر ضرایب واسنجی، می توانند جایگزین خوبی برای نواحی فاقد آمار بارش-دبی باشند. همچنین مدل نرم‌افزاری TUFLOW بهترین پاسخ‌گویی به جریان یک بعدی به دو بعدی را برای دشت شادگان با توجه به نوع شرایط مرزی داد.

چکیده انگلیسی:

Background and Aim: One of the biggest challenges of the rainfall-runoff model is to accurately determine the rate of water infiltration into the soil as one of the parameters that determine the size and shape of the hydrographs of historical floods. The studies conducted in different climates that show different morphometry of the earth indicate the weakness of widely used methods such as SCS-CN in determining the rate of water infiltration into the soil. For the SCS-CN method, as the soil storage index approaches infinity, the soil moisture ratio approaches 1, and this is due to the limitation of the SCS-CN method. In this research, focusing on this weakness in the basic relationships of loss calculations, and an integrated approach in determining the infiltration of water into the soil, the magnitude of the historical floods in the watershed was analyzed. The importance of this analysis can be in verifying the magnitude of floods, which is the criterion for determining structures or crisis control programs.Method: Considering that in order to solve the problem of infiltration calculations at the basin scale, and based on the new equations to determine flow losses, a homogeneous but raster criterion is needed, in this research, based on the sensitivity of the produced flow to the amount of losses in the probabilistic investigation of the index humidity and flow ratio, a depth-infiltration model was prepared from the two-dimensional comprehensive model in the range. In this study, based on the new relationships of losses determination, numerical calculations were done in the software and script environment sequentially and based on the outputs of the hydrological model. First, the HEC-HMS rainfall-runoff model structure was generated with Arc Hydro and HEC_GeoHMS extensions in Shadegan catchment. Then, infiltration parameters were determined by SMA method in the analysis of remote sensing images from the basin. In the next stage, the development of the primary continuous model, calibration and validation was done focusing on soil moisture information. After determining the soil moisture relationship based on the results of the soil wetting model, the artificial unit occurrence hydrograph was determined by determining the flood volume based on the SCS-CN and VIC combined method. Results: The general results of the implementation of the hydraulic model of the flood plain showed that the maximum inflow was equal to 3023 cubic meters per second at the 90th hour of the event, and the maximum outflow flood was at the 93rd hour with a figure of 2137 cubic meters per second. The discharge value is assumed to be 0 at the beginning of the calculations. The flow volume at the end of the calculations was equal to 141.03 million cubic meters, which is the remaining volume of 918.36 million cubic meters in the whole event. The difference between the inlet and outlet discharge was calculated as a deficiency of about 6.14%. Also, the layer of flow depth changes shows that the water level in the plain is trying to be at a possible and reasonable level by filling the lower points. So that a large part of the volume of water from the southern strip of the borders of Trava for the active area of modeling will eventually flow into the sea. However, the direction of water movement has even been estimated to be perpendicular to the direct path towards the sea in some cases. These results indicate a maximum depth of 16.4 units in some areas, with a minimum depth of 5.3 units. The important point is that in the plains, according to the cell size, definitely in some cases much lower depths can be calculated. The average depth in active cells is 11.9 meter calculated locally. These figures can change according to different rainfall events.Conclusions: The results showed that it is possible to verify the infiltration based on the new base distribution equations with a probabilistic condition in the estimation of the basin shape parameter. The amount of hydrograph calibration in response to water infiltration in soil is dependent on the correct estimation of initial soil moisture. Flow losses in large-scale watersheds are obtained more suitably based on SCS-based distribution equations. Numerical and hydrological models such as HEC-HMS or modelers such as HEC_GeoHMS are completely dependent on the DEM raw layer introduced for the purpose of upstream demarcation. Changes in land cover in flat areas can actually produce a closed border of the watershed compared to the reality of the land in different simulation models. According to the basic assumptions such as calibration coefficients, the single hydrograph method can be a good substitute for areas without rainfall-runoff statistics. The TUFLOW software model gave the best response to one-dimensional to two-dimensional flow for Shadgan plain according to the type of boundary conditions.

منابع و مأخذ:

Bartlett, M. S., Parolari, A. J., McDonnell, J. J., and Porporato, A. (2016a) Beyond the SCS-CN method: A theoretical framework for spatially lumped rainfall-runoff response, Water Resour. Res., 52, 4608–4627.

Bartlett, M. S., Parolari, A. J., McDonnell, J. J., and Porporato, A. (2016b). Framework for event-based semidistributed modeling that unifies the SCS-CN method, VIC, PDM, and TOPMODEL, Water Resour. Res., 52, 7036–7052.

Beven, K. and Kirkby, M. J. (1979). A physically based, variable contributing area model of basin hydrology, Hydrol. Sci. J., 24, 43–69.

Beven, K. (2012) Rainfall-Runoff Modelling: The Primer, 2nd Edn., Wiley-Blackwell, Chichester, UK.

Bras, R. L. (1990) Hydrology: an introduction to hydrologic science, Addison Wesley Publishing Company, Reading, MA.

Budyko, M. I. (1974). Climate and Life, Academic Press, New York, 508 pp.

Easton, Z. M., Fuka, D. R., Walter, M. T., Cowan, D. M., Schneiderman, E. M., and Steenhuis, T. S. (2008). Re-conceptualizing the soil and water assessment tool (SWAT) model to predict runoff from variable source areas, J. Hydrol., 348, 279–291.

Hooshyar, M. and Wang, D. (2016). An analytical solution of Richards' equation providing the physical basis of SCS curve number method and its proportionality relationship, Water Resour. Res., 52, 6611–6620.

Liang, X., Lettenmaier, D. P., Wood, E. F., and Burges, S. J. (1994). A simple hydrologically based model of land surface water and energy fluxes for general circulation models, J. Geophys. Res.-Atmos., 99, 14415–14428.

Lyon, S. W., Walter, M. T., Gérard-Marchant, P., and Steenhuis, T. S. (2004). Using a topographic index to distribute variable source area runoff predicted with the SCS curve – number equation, Hydrol. Process., 18, 2757–2771.

Mishra, S. K. and Singh, V. P. (1999). Another look at SCS-CN method, J. Hydrol. Eng., 4, 257–264.

Mockus, V. (1972). National Engineering Handbook Section 4, Hydrology, NTIS, (last access: 19 December 2018.

Moore, R. J. (1985). The probability-distributed principle and runoff production at point and basin scales, Hydrol. Sci. J., 30, 273–297.

Ponce, V. M. and Hawkins, R. H. (1996). Runoff curve number: has it reached maturity? J. Hydrol. Eng., 1, 9–20.

Ponce, V. (1996). Notes of my conversation with Vic Mockus, unpublished material, (last access: 29 September 2017).

Sivapalan, M., Beven, K., and Wood, E. F. (1987). On hydrologic similarity: 2. A scaled model of storm runoff production, Water Resour. Res., 23, 2266–2278.

Steenhuis, T. S., Winchell, M., Rossing, J., Zollweg, J. A., and Walter, M. F. (1995). SCS runoff equation revisited for variable-source runoff areas, J. Irrig. Drain. Eng., 121, 234–238.

Wang, D. and Tang, Y. (2014). A one-parameter Budyko model for water balance captures emergent behavior in Darwinian hydrologic models, Geophys. Res. Lett., 41, 4569–4577.

Wood, E. F., Lettenmaier, D. P., and Zartarian, V. G. (1992). A land – surface hydrology parameterization with subgrid variability for general circulation models, J. Geophys. Res.-Atmos., 97, 2717–2728.

Yu, B. (1998). Theoretical justification of SCS method for runoff estimation, J. Irrig. Drain. Eng., 124, 306–310, 1998.