کشور ایران به لحاظ موقعیت خاص جغرافیایی، در اکثر مناطق، از اقلیمی خشک و نیمه خشک برخوردار بوده که همه ساله با وقوع سیلابهای فصلی با خسارتهای جبران¬ناپذیری مواجه است.
تحقیق حاضر به مکان¬یابی زیرحوز¬های موثر بر دبی اوج و حجم سیل، و اولویت¬بندی زمانی و مکانی سیل¬خیزی زیرحوزه¬های آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی با استفاده از مدل HEC-HMS، پرداخته است.
در این تحقیق پس از تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی و تهیه اطلاعات مورد نیاز برای تهیه هیدروگراف سیل، از روش شبیه¬سازی هیدرولوژیکی SCS در تبدیل رابطه بارش-رواناب در سطح زیرحوزه¬ها استفاده شد.
به منظور استخراج هیدروگراف سیل خروجی حوزه از روندیابی آبراهه¬های اصلی به روش ماسکینگام استفاده گردید.
اولویت¬بندی زیرحوز¬ه¬ها از نظر سیل¬خیزی با کاربرد مدل HEC-HMS محاسبه شده و واسنجی لازم برای پارامترهایی چون تلفات اولیه، شماره منحنی و زمان تاخیر در هر دوره هیدرولوژیکی صورت گرفت.
سپس با حذف متوالی و یک به یک زیرحوزه¬ها از فرایند روندیابی داخل حوزه، زیرحوزه¬ها بر اساس میزان مشارکت در دبی اوج و حجم سیل خروجی حوزه در هر دوره هیدرولوژیکی، اولویت¬بندی گردیدند.
نتایج تحقیق نشان داد از محل خروجی حوزه به طرف بالادست و بخش¬های میانی حوزه، تاثیر زیرحوزه¬ها در دبی اوج سیل و حجم سیل خروجی کل حوزه افزایش می¬یابد.
همچنین میزان مشارکت زیرحوزه¬ها در سیل خروجی حوزه و حتی بزرگی و کوچکی دبی و حجم سیل زیرحوزه¬ها، به مساحت آنها بستگی ندارد.
به این ترتیب، ارتباط بین سیل و مشارکت سیل زیرحوزه¬ها با مساحت آنها غیر خطی است.
مقایسه اولویت¬بندی پتانسیل تولید سیل در دوره¬های هیدرولوژیکی متفاوت نیز از نظر آماری دارای اختلاف معنی¬داری می¬باشد.
لذا با تمرکز عملیات آبخیزداری و کنترل سیلاب بر اساس اولویت¬ها و مناطق تعیین شده در دوره¬های هیدرولوژیکی متفاوت، ضمن دسترسی به اهداف تحقیق، در هزینه¬های اجرائی، کاهش قابل توجهی پیش¬بینی می¬گردد.
واژگان کلیدی: سیل¬خیزی, اولویت¬بندی زمانی و مکانی, مدل HEC-HMS، کوشک¬آباد خراسان رضوی.
مقدمه
سیل یک اتفاق ناگهانی و رویدادی سریع و مخرب است که در مدیریت حوزه¬های آبخیز، تعیین شدت سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها و مقایسه¬هایی که از این بابت در تعیین اولویت¬بندیها و سیاست-گذاریهای لازم برای مهار سیل انجام می¬گیرد، از اهمیت بالایی برخوردار است (مرید و همکاران، 1375).
اکثر حوزه¬های آبخیز معمولا دارای فصول سیل¬خیزی متفاوتی هستند (Chunhong و Ying، 2004).
در بین عوامل موثر بر سیل¬خیزی، مهمترین عامل، شماره منحنی (CN) می-باشد (جوکار، 1381).
عامل CNدارای تغییرات زمانی بوده (Young وCarleton، 2005) که با تغییر در فرآیند¬های هیدرولوژیکی، اثرات مهمی روی کمیت و کیفیت رواناب خروجی از حوزه دارد.
بر این اساس با بکارگیری مدلی نظیر HEC-HMS، امکان بررسی تغییرات زمانی و مکانی وقوع سیلاب در حوزه¬های آبخیز ممکن می¬گردد (Akan وHoughtalen، 2003).
بررسی¬های انجام شده نشان می¬دهد موضوعات مرتبط با این تحقیق عمدتا در زمینه تاثیر تغییرات کاربری اراضی بر روی بروز سیلاب، تعیین مناطق سیل¬خیز بر پایه روشهای نموداری و فرمولهای تجربی، تحلیل آماری داده¬های سیلاب، داده¬های دورسنجی و سامانه اطلاعات جغرافیایی و مدل¬های رایانه¬ای بارش–رواناب بوده و بیشتر از دیدگاه تولید سیل در سطح حوزه-های آبخیز یکپارچه مطرح شده است.
Singh (1996) با بررسی تغییرات زمانی و مکانی بارش، تغییر رفتار حوزه روی هیدروگراف سیل را از نظر شکل، تداوم و دبی پیک هیدروگراف سیل بررسی کرد.
Vanshaar و همکاران (2002) از مدل DHSVM برای شبیه¬سازی اثرات هیدرولوژیکی پوشش زمین برای 4 زیرحوزه رودخانه کلمبیا استفاده کرده و بیان می¬دارند که شاخص سطح برگی کم، آب معادل برف و جریان بیشتر را به دنبال دارد.
Melesse و Shih (2002) برای تخمین توزیع مکانی ارتفاع رواناب، از تصاویر ماهواره¬ای برای تعیین تغییرات کاربری اراضی و CN حوزه Kissimmee در جنوب فلوریدا استفاده کردند.
نتایج نشان داد که با تغییر کاربری و به تبع آن تغییرات سیل، استفاده از تصاویر ماهواره¬ای برای مطالعه عکس العمل حوزه نسبت به سیل مفید است.
Foody و همکاران (2004) به منظور شناسایی مناطق حساس به تند سیل¬ها در منطقه¬ای در غرب مصر از مدل HEC-HMS به منظور شبیه¬سازی سیلاب استفاده کردند؛ که منجر به شناسایی 2 منقطه حساس گردید.
Hassanzadeh و Aalami (2005) با استفاده از مدل HEC-HMS درحوزه آبخیز سد گلستان مبادرت به تعیین سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها پرداختند.
مردانی (1377)، خسروشاهی (1380) و جوکار (1381) تاثیر سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها را از طریق مدل ریاضی HEC-HMS مورد بررسی قرار دادند و با استفاده از شبیه¬سازی جریانهای سیلابی، میزان مشارکت هر یک از زیرحوزه¬ها را در هیدروگراف سیل خروجی حوزه مورد بررسی خود بدست آوردند.
روغنی و همکاران (1382) با استفاده از مفهوم نمودار مساحت–زمان و بکارگیری مشخصات حوزه، در مدل هیدرولوژیکی RAFTS، نحوه توزیع مکانی زیرحوزه¬ها در سطح منطقه را مورد بررسی قرار دادند.
یثربی (1384) با نصب اشل در خروجی زیرحوزه¬های آبخیز هراز و با قرائت روزانه آنها و تهیه منحنی دبی-اشل, اقدام به محاسبه دبی روزانه و شناسایی تغییرات زمانی-مکانی و اولویت¬بندی زیرحوزه¬ها در رواناب تولیدی نمود.
حوزه آبخیز کوشک¬آباد در استان خراسان رضوی از جمله حوزه¬های آبخیزی است که بروز مکرر سیلاب¬، مسئولان محلی را به انجام اقدامات کنترل سیل وادار نموده است؛ حال آنکه موفقیت کامل در این راستا به دلیل عدم اطلاع از وضعیت مشارکت زمانی و مکانی زیرحوزه¬ها در بروز سیلاب با موفقیت کامل همراه نبوده است.
لذا هدف از انجام این تحقیق، تعیین مناطق خطرساز و سیل¬خیز در داخل حوزه و اولویت¬بندی شدت سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها در دو فصل سیلابی، برای مدیریت بهینه آنها می¬باشد.
مواد و روش¬ها
حوزه آبخیز کوشک¬آباد در استان خراسان رضوی در شمال غرب مشهد و در طول جغرافیایی 30 º59 تا 38 º59 شرقی و در عرض جغرافیایی 38 º36 تا 47 º36 شمالی واقع شده است (شکل1).
ارتفاع متوسط حوزه 1705 متر، شیب متوسط آن بالای 25 درصد بوده و دارای اقلیم خشک تحت تاثیر توده هوای سیبری می¬باشد.
مساحت حوزه 45/87 کیلومترمربع بوده که به 10 زیرحوزه تقسیم شده است.
میانگین نزولات سالانه این حوزه 3/391 میلی¬متر است.
حوزه آبخیز کوشکآباد در استان خراسان رضوی در شمال غرب مشهد و در طول جغرافیایی 30 º59 تا 38 º59 شرقی و در عرض جغرافیایی 38 º36 تا 47 º36 شمالی واقع شده است (شکل1).
ارتفاع متوسط حوزه 1705 متر، شیب متوسط آن بالای 25 درصد بوده و دارای اقلیم خشک تحت تاثیر توده هوای سیبری میباشد.
میانگین نزولات سالانه این حوزه 3/391 میلیمتر است.
شکل1 سیمای کلی منطقه مورد مطالعه در استان خراسان رضوی و ایران روش کار مدل HEC-HMS برای شبیهسازی بارش-رواناب، حوزه آبخیز را با مولفههای هیدرولوژیکی و هیدرولیکی نمایش میدهد.
به این ترتیب، بررسی منابع، تعیین حوزه و زیرحوزهها، جمعآوری دادهها، تعیین دورههای هیدرولوژیکی، تهیه نقشهها و رقومی کردن آنها، بازدید از منطقه مورد مطالعه و کنترل نقشهها با طبیعت ضروری است.
با تلفیق اطلاعات بدست آمده، مدل هیدرولوژیکی اجرا میگردد.
پس از شبیهسازی فرآیندهای بارش-رواناب، اولویتبندی زیرحوزهها با حذف متوالی آنها از فرایند روندیابی داخل حوزه برای تعیین میزان مشارکت آنها در دبی اوج و حجم سیل خروجی حوزه در هر دوره هیدرولوژیکی، و در نهایت تحلیلهای مکانی و زمانی سیلخیزی صورت میگیرد.
استخراج مشخصات فیزیکی زیرحوزهها و تعیین دورههای هیدرولوژیکی حوزه به منظور فراهم نمودن دادههای لازم برای انجام این تحقیق، با استفاده از نرمافزار Arcview و Ilwis، کلیه مشخصات و نقشههای مورد نیاز شامل مدل رقومی ارتفاع، نقشه شیب حوزه و تعیین شیب آبراهههای اصلی زیرحوزهها استخراج گردید.
برای تعیین دورههای هیدرولوژیکی حوزه آبخیز مورد مطالعه، ترسیم و تحلیل منحنیهای تغییرات دما-بارش (آمبروترمیک) و بارش- دبی در ماههای مختلف سال صورت گرفت.
مقدار متوسط بارش و دما در ماههای مختلف سال، پس از تعیین سالهای آماری مشترک، بررسی همگنی و بازسازی دادههای ناقص ایستگاههای درون و بیرون حوزه، با ترسیم خطوط همباران و همدما با استفاده از نرمافزار Arcview بدست آمد.
تحلیل دادههای بارش- رواناب به منظور مدلسازی حوزه مورد مطالعه از طریق بکارگیری مدل ریاضی، استفاده از دادههای همزمان بارش-رواناب برای واسنجی مدل ضروری است.
به این ترتیب، اقدام به جمعآوری دبی حداکثر لحظهای رویدادهای سیلابی موجود در ایستگاه هیدرومتری کوشکآباد و مقدار بارندگی ساعتی و روزانه ایستگاههای بارانسنجی درون و بیرون حوزه گردید.
از میان 10 واقعه سیلابی مناسب برای انجام واسنجی و ارزیابی مدل، تنها یک واقعه سیلابی برای دوره زمستانه وجود داشت که برای واسنجی مدل در این دوره کافی نمیباشد.
5 و 1 واقعه سیلابی بهاره به ترتیب، برای انجام واسنجی و اعتبارسنجی مدل بکار گرفته شد؛ و 3 واقعه سیلابی تابستان-پاییزه نیز، برای واسنجی مدل در دوره هیدرولوژیکی مزبور مورد استفاده قرار گرفت.
اگر چه تعداد وقایع مزبور برای واسنجی مدل کافی نمیباشد، لیکن حداقل شرایط لازم را برای انجام این مهم فراهم میآورند.
به این ترتیب، اجرای مدل تنها برای دورههای هیدرولوژیکی بهاره و تابستان-پاییزه صورت گرفت.
تحلیل توزیع مکانی رگبارها در نرم افزار Arcveiw با استفاده از روش میانیابی عکس مجذور فاصله (IDW) صورت گرفت.
به این ترتیب، منحنیهای همرگبار برای رویدادهای سیلابی ایستگاه هیدرومتری کوشکآباد رسم گردید.
توزیع زمانی رگبارها با استفاده از دادههای ایستگاه ثبات گوش (تنها ایستگاه ثبات درون حوزه)، به طریق محاسبه درصد نزول بارش در فواصل زمانی یک ساعته تهیه شد.
پس از محاسبه توزیع زمانی بارش در هر یک از زیرحوزهها، هایتوگرافهای متعددی تهیه گردید؛ که این هایتوگرافها مبنای محاسبه سیل زیرحوزهها قرار گرفت.
منحنیهای شدت-مدت-فراوانی در دو دوره هیدرولوژیکی بهاره و تابستان-پاییزه برای حوزه آبخیز کوشکآباد نیز، برای استخراج مقدار بارندگی در زمان تمرکز حوزه (هایتوگرافهای بارش) در دوره بازگشتهای مختلف، به روش قهرمان محاسبه شد.
فرمول قهرمان به صورت رابطه 1 و 2 بیان میشود (سهیلی 1382): رابطه1: رابطه2: که در آن: : بارندگی یک ساعته با دوره بازگشت 10 ساله بر حسب میلیمتر، : میانگین بارندگی 24 ساعته (در دوره هیدرولوژیکی) حوزه، : میانگین بارندگی سالانه (دوره هیدرولوژیکی) حوزه، : مقدار بارندگی در دوره بازگشت مورد نظر، : دوره بازگشت به سال، : مدت دوام بارندگی از زمان تمرکز حوزه بر حسب ساعت و : ضرایب ثابت معادله، برای شرایط آب و هوایی ایران میباشند.
استخراج پارامترهای ورودی و شبیهسازی بارش-رواناب با به کارگیری مدل HEC-HMS با تلفیق نقشه رستری تهیه شده از گروههای هیدرولوژیکی خاک و کاربری اراضی، در هر دوره هیدرولوژیکی، مقادیر متوسطCN برای زیرحوزههای کوشکآباد در شرایط رطوبتی واقعی حوزه (خشک I ) بدست آمد.
از مقادیر CN بدست آمده، مقادیر تلفات اولیه، زمان تاخیر و زمان تمرکز زیرحوزهها نیز به عنوان پارامترهای اساسی ورودی مدل HEC-HMS محاسبه شد.
ضرایب ماسکینگام نیز برای روندیابی سیل در مدل HEC-HMS با بررسیهای صحرایی استخراج شد.
پس از آماده شدن پارامترهای ورودی مدل HEC-HMS، مدل مزبور اجرا گردیده و واسنجی مدل نیز، در هر دوره هیدرولوژیکی با تلفیق روش دستی و خودکار و با فرض انتخاب بهترین پارامترها بر کم بودن درصد خطای پیک صورت گرفت.
تعیین شدت سیلخیزی برای شناسایی مناطق بحرانی، میتوان به بررسی تغییرات زمانی و مکانی رواناب و تعیین شدت سیلخیزی زیرحوزهها پرداخت.
به این ترتیب، مدل HEC-HMS برای دورههای هیدرولوژیکی مختلف با دوره بازگشتهای متفاوت اجرا گردید تا تاثیر دوره بازگشت در حجم سیل، دبی زیرحوزهها و نحوه مشارکت آنها در خروجی اصلی حوزه، چگونگی تاثیر بزرگی و کوچکی حجم سیل و دبی زیرحوزهها در سهم مشارکت حجم سیل و دبی آنها در خروجی اصلی حوزه، رابطه مساحت با سیل تولیدی خروجی حوزه؛ و تاثیر موقعیت مکانی زیرحوزهها در میزان مشارکت سیلخیزی زیرحوزهها در خروجی اصلی حوزه شناسایی شود.
آزمون آماری اولویتبندی زیرحوزهها در دورههای هیدرولوژیکی مختلف برای بیان معنیدار بودن و یا عدم معنیداری اختلافات زمانی در اولویتبندی زیرحوزهها، پس از اجرای مدل HEC-HMS برای تمامی رگبارهای موجود در دورههای هیدرولوژیکی بهاره و تابستان-پاییزه در دوره بازگشتهای 10, 20, 50 و 100 سال, به روش حذف متناوب زیرحوزهها, مقادیر سهم مشارکت سیل آنها در خروجی حوزه محاسبه و اولویتبندیها صورت گرفت.
برای داشتن شرایط یکسان از لحاظ الگوی بارش, جهت مقایسه, در دو دوره هیدرولوژیکی ارائه شده, در دو حالت, که برای بار اول با استفاده از الگوی بارش بهاره برای تمامی رگبارهای موجود در دو دوره هیدرولوژیکی مذکور, مدل اجرا گردیده و اولویتبندی صورت گرفت.
به این ترتیب در حالت دوم, به عکس حالت قبل از الگوی بارش تابستان-پاییزه برای تمامی رگبارها استفاده شد.
در حالی که پارامترها و عناصر زیرحوزهها و روندیابی در دو دوره هیدرولوژیکی متفاوت میباشد.
در دو حالت مذکور، مقایسه آماری به روش آزمون آماری تی-تست جفتی صورت گرفت.
نتایج در این مرحله از تحقیق نتایج مربوط به هر قسمت از روش کار به ترتیب انجام، ارائه شده است: جدول 1 مشخصات فیزیکی زیرحوزههای آبخیز کوشکآباد را بیان میکند.
منحنیهای دما-بارش و بارش-دبی حوزه مزبور، سه دوره هیدرولوژیکی بهاره، تابستان- پاییزه و زمستانه را نشان میدهند (شکلهای2 و 3).
جدول2 مقادیر رویدادهای دبی اوج سیل حوزه کوشکآباد را در دورههای هیدرولوژیکی مختلف نشان میدهد.
پارامترهای اساسی ورودی مدل HEC-HMS شامل شماره منحنی، تلفات اولیه، زمان تاخیر و زمان تمرکز زیرحوزها میباشد (جدولهای 3 و 4).
جدول 5 ضرایب ماسکینگام بکار گرفته شده را پس از بررسیهای صحرایی، برای روندیابی سیل نشان میدهد.
شکل 4 هیدروگراف مشاهدهای-محاسباتی مدل را بعد از واسنجی، به عنوان نمونه برای رویداد 24/02/70 در دوره هیدرولوژیکی بهاره نشان میدهد.
واسنجی مدل