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

الموضوعات :

سهراب علیزاده ¹ , علیرضا زمانی نوری ² , بابک امین نژاد ³

1 - گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران.
2 - گروه مهندسی عمران، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 - گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران.

تاريخ الإرسال : 05 الثلاثاء , شوال, 1444 تاريخ التأكيد : 29 الأربعاء , محرم, 1445 تاريخ الإصدار : 08 الأربعاء , جمادى الأولى, 1445

الکلمات المفتاحية: مدل HEC-HMS, معادلات توزیع احتمالاتی SCS, مدل رخدادی سیلاب, تدقیق نفوذ,

ملخص المقالة :

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.

المصادر:

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.