دانلود تحقیق مقایسه روش¬های مختلف برآورد دبی اوج سیلاب

برآورد سیل با دوره بازگشت معین، برای طراحی سازه¬های هیدرولیکی، تثبیت سواحل رودخانه، پروژه¬های آبخیزداری و پهنه¬بندی سیل یکی از عناصر مهم محسوب می¬گردد.

حوزه آبخیز کوشک¬آباد یکی از زیرحوزه¬های اصلی حوزه کشف¬رود در شمال شرق ایران، با مساحت 45/87 کیلومتر مربع در 11 کیلومتری مشهد ، به لحاظ داشتن شرایط خاص اقلیمی و توپوگرافی همواره در معرض وقوع سیلاب¬های مخرب و خسارت¬های ناشی از آن می¬باشد.

در این تحقیق، برای برآورد دبی اوج سیلاب حوزه از سه روش مدل هیدرولوژیکی بارش-رواناب HEC-HMS، آنالیز فراوانی سیلاب و فرمول¬های تجربی کریگر، دیکن و فانینگ استفاده شده است.

روش درصد خطای نسبی دبی پیک سیل نیز، برای مقایسه برآوردی دبی اوج سیل مربوط به روش¬های مزبور بکار گرفته شده است.

در روش آنالیز فراوانی سیلاب به دلیل اینکه ایستگاههای هیدرومتری منطقه (حوزه کشف¬رود)، فاصله زیادی از نظر مکانی با حوزه مورد مطالعه داشته و بعضا" دارای شرایط اقلیمی و توپوگرافی متفاوتی با حوزه مورد تحقیق می¬باشند، این روش تفاوت قابل توجهی در برآورد دبی اوج سیل حوزه کوشک¬آباد در مقایسه با دو روش دیگر داشته و بدین جهت قابل استناد نمی¬باشد.

در شبیه¬سازی بارش-رواناب با مدل HEC-HMS پس از تهیه اطلاعات مورد نیاز، برای تهیه هیدروگراف سیل، از روش سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) در تبدیل رابطه بارش-رواناب در سطح حوزه، و نیز روندیابی آبراهه¬های اصلی به روش ماسکینگام به منظور استخراج هیدروگراف سیل خروجی حوزه استفاده شد.

واسنجی لازم برای پارامتر تلفات اولیه صورت گرفته و با توجه به نتایج واسنجی مدل مزبور در حوزه مورد مطالعه، برای برآورد دبی اوج سیل قابل استناد می¬باشد.

همچنین نتایج برآوردی فرمول-های تجربی بکار گرفته شده نیز به دلیل کالیبره شدن با شرایط منطقه، قابل استناد با مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS برای حوزه مورد مطالعه می¬باشد.

مطالعه، تجزیه و تحلیل و محاسبات هیدرولوژیکی به منظور برنامه¬ریزی و اجرای عملیات مهندسی آب و آبخیزداری در کشوری نظیر ایران با توجه به موقعیت جغرافیایی و عوامل اکولوژیکی، فوق العاده حائز اهمیت می¬باشد.

بهطوریکه اجرای هرگونه فعالیت¬های مهندسی در زمینه بهره¬برداری اصولی و علمی از منابع آب و کنترل هرزآب¬های سطحی و سیلاب¬ها بدون مطالعه دقیق و شناخت خوب از خصوصیات هیدرولوژیکی منطقه غیر ممکن می¬باشد (خانی، 1382).

از این رو تبیین الگوهایی مبتنی بر آمار و اطلاعات مشاهده¬ای و منطبق با شرایط منطقه، برای برآورد رواناب در آبخیزهای فاقد ایستگاه های اندازه¬گیری آب را می¬توان گامی مثبت در جهت برنامه¬ریزی درست برای مدیریت منابع آبخیزها به شمار آورد.بررسی¬های انجام شده نشان می-دهد موضوعات مرتبط با این تحقیق عمدتا" بر مطالعات هیدرولوژی انجام شده بصورت تجربی، آنالیز منطقه¬ای سیلاب و استفاده از مدل¬های هیدرولوژیکی بارش-رواناب در نواحی مختلف صورت گرفته است.

Creager و Jusin (1955) برای تعیین دبی اوج سیل در حوزه¬های آبخیز فاقد آمار، فرمولی با کاربرد فراوان به نام کریگر ارائه دادند.

Suwanwerakamtorn(1994) با استفاده از مدلHEC-1؛ اثرات تغییر کاربری اراضی بالادست حوزه آبخیز را بر دبی اوج سیلاب در نواحی پایین دست حوزه مورد ارزیابی قرار داد.

Lakhtakia و همکاران (1999) با تست توانایی مدل¬های هیدرولوژیکی مختلف، در حوزه Susquehanna با مقایسه دبی خروجی در ایستگاه هیدرومتری انتهای حوزه به این نتیجه رسیدند که کارایی مدل HEC-HMS در برآورد دبی اوج سیل بالاست.

Liong و همکاران (2000) برای پیش¬بینی سیل¬های مخرب بنگلادش، از روش شبکه عصبی مصنوعی استفاده کرده و نتایج آن را با آنالیز حساسیت، قابل قبول می¬دانند.

Foody و همکاران (2004) در منطقه¬ای در غرب مصر از مدل HEC-HMS به منظور برآورد دبی اوج سیل زیرحوزه¬ها استفاده نمودند؛ نتایج اجرای مدل نشان دهنده این بود که 2 زیرحوزه در معرض دبی پیک بیش از 115 متر مکعب در ثانیه بوده و به عنوان مناطق حساس محسوب می¬شوند.

Hassanzadeh و Aalami (2005) نیز با استفاده از مدل HEC-HMS درحوزه آبخیز سد گلستان مبادرت به محاسبه دبی حداکثر سیل زیرحوزه¬ها و تعیین سیل¬خیزی آنها نمودند.

Ouardaو همکاران (2006) در حوزه¬های آبخیز استان Quebec کانادا تحت پروژه Jack-Knife اقدام به منطقه¬بندی مناطق همگن بر اساس دو روش سنتی ترسیم فیزیوگرافی مناطق همگن و دیدگاه هیدرولوژیکی آستانه دبی پیک با تجزیه و تحلیل فصلی فراوانی منطقه¬ ای سیلاب نمودند و روش مبتنی بر پایه تجزیه و تحلیل فصلی فراوانی منطقه¬ ای سیلاب را در منطقه¬بندی مناطق همگن مناسب دانستند.

نجیب (1372) برای بررسی ضریب منطقه¬ای سیل¬خیزی ایران از تجزیه و تحلیل سیلاب¬ها به عنوان روشی مطمئن جهت تعمیم اطلاعات استفاده کرده و در این مناطق رابطه بین ضریب سیل-خیزی و پارامترهای اقلیمی را در نقشه¬هایی ترسیم کرد.

قاسم-پور (1374) با تجزیه و تحلیل منطقه¬ای سیلاب غرب مازندران و با استفاده از مقادیر اصلی و لگاریتمی حداکثرهای دبی لحظه-ای با دوره بازگشت¬های مختلف به عنوان متغیر وابسته و مقادیر اصلی و لگاریتمی خصوصیات حوزه¬های بالا دست ایستگاههای هیدرومتری به عنوان متغیرهای مستقل، روابط رگرسیون چندگانه با روش¬های پیشرو و پسرو، مناسب¬ترین مدل¬ها جهت تخمین دبی حداکثر لحظه¬ای سیلاب با دوره بازگشت¬های مختلف را ارائه کرد.

جعفرزاده (1378) روش¬های مختلف برآورد دبی حداکثر سیلاب بر مبنای سطح حوزه آبخیز را برای استان گیلان مقایسه کرده و در نهایت روابط تجربی مناسب با ضریب همبستگی قابل قبول ارائه کرد.

غنی¬پور توپراق قلعه (1379) برای مناطق مختلف استان آذربایجان غربی برای محاسبه متوسط دبی پیک، فرمولی متناسب با شرایط منطقه ارائه داد.

جمالی (1380) اقدام به واسنجی 10 مدل تجربی برآورد دبی حداکثر سیلابی، برای حوزه¬های آبخیز بزرگ و اصلی ایران کرده و بیان می¬دارد که برای استفاده بیشتر روابط تجربی در کل کشور بهتر است سطح حوزه بیشتر از 1400 و کمتر از 2400 کیلومتر مربع باشد تا تخمین درست¬تری از دبی اوج به دست آید.

شقایی فلاح (1380) با برآورد دبی حداکثر سیلاب با استفاده از مدل HEC-HMS در حوزه آبخیز محمدآباد استان گلستان و مقایسه آن با روش شیب-سطح به این نتیجه رسید که مدل HEC-HMS نتایج بسیار نزدیکی به واقعیت می¬دهد.

خانی (1382) اقدام به ارزیابی سه روش تجربی فولر، کریگر و دیکن، روش سیل نمایه، روش همبستگی غیر خطی چندگانه و روش همبستگی با استفاده از پارامترهای مختلف برای برآورد دبی حداکثر سیل در حوز¬های آبخیز استان آذربایجان غربی کرد؛ و در انتها روابطی را برای حوزه¬های فاقد ایستگاه هیدرومتری پیشنهاد داد.

موسوی (1383) پهنه-بندی قابلیت سیل¬خیزی حوزه آبخیز چهل¬گزی استان کردستان را با استفاده ازGIS و مدل HEC-HMS مورد بررسی قرار داده و آن را با پهنه¬بندی قابلیت سیل¬خیزی با بهره¬گیری از تحلیل منطقه-ای ایستگاههای هیدرومتری، روش کریگر و فولر مورد مقایسه قرار داد و بیان داشت که مدل HEC-HMS روشی بسیار دقیق و کاربردی می¬باشد.

هدف از اجرای این مطالعه، مقایسه روش¬های مختلف برآورد دبی حداکثر لحظه¬ای مبتنی بر آمار دبی ایستگاهها و روش¬هایی چون مدل¬های هیدرولوژیکی می¬باشد؛ تا با ارائه روشی مناسب با توجه به اطلاعات موجود از ویژگی¬های حوزه آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی و حوزه¬های مشابه، تخمین دبی سیلابی با دید همه جانبه¬ای صورت گیرد.

هدف از اجرای این مطالعه، مقایسه روشهای مختلف برآورد دبی حداکثر لحظهای مبتنی بر آمار دبی ایستگاهها و روشهایی چون مدلهای هیدرولوژیکی میباشد؛ تا با ارائه روشی مناسب با توجه به اطلاعات موجود از ویژگیهای حوزه آبخیز کوشکآباد خراسان رضوی و حوزههای مشابه، تخمین دبی سیلابی با دید همه جانبهای صورت گیرد.

مواد و روشها منطقه مورد مطالعه حوزه آبخیز کوشکآباد در استان خراسان رضوی در طول جغرافیایی 30 º59 تا 38 º59 شرقی و در عرض جغرافیایی 38 º36 تا 47 º36 شمالی، با ارتفاع متوسط 1705 متر، شیب متوسط بالای 25 درصد و اقلیم خشک تحت تاثیر توده هوای سیبری، در شمال غرب مشهد واقع شده است.

مساحت حوزه 45/87 کیلومترمربع بوده که به 10 زیرحوزه تقسیم شده است (شکل 1).

شکل1 سیمای کلی منطقه مورد مطالعه در استان خراسان رضوی و ایران روش کار برای برآورد دبی حداکثر سیلاب روشهای متعددی وجود دارد که انتخاب هر کدام از آنها شرایط خاص خود را می طلبد.

در این تحقیق، فرمولهای تجربی کریگر، دیکن و فانینگ، روش تجزیه و تحلیل آمار مشاهدهای سیلابها در ایستگاههای هیدرومتری و روش شماره منحنیSCS با استفاده از شبیهسازی بارش-رواناب مدل HEC-HMSمورد استفاده قرار گرفت.

فرمولهای تجربی کریگر، دیکن و فانینگ مراحل کار در استفاده از فرمولهای تجربی، بصورت زیر انجام شد: 1-تعیین ایستگاههای همگن؛ 2- آنالیز نقطهای سیلاب ایستگاههای مورد نظر با نرم افزار HYFA؛ 3- تعیین مساحت حوزه بالادست ایستگاههای هیدرومتری؛ 4- کالیبره کردن ضرایب معادلات تجربی با توجه به مساحت و مقادیر دبی مشاهدهای آنها؛ 5- میانگینگیری ضرایب معادلات؛ 6- تعیین دبی اوج سیل حوزه کوشکآباد در دورههای بازگشت مختلف از ضرایب به دست آمده.

رابطههای 1، 2 و3 به ترتیب فرمولهای تجربی کریگر، دیکن و فانینگ را نشان میدهند: (رابطه 1) در این رابطه: Q: دبی اوج سیل ( فوت مکعب بر ثانیه) و C: ضریب کریگر و A: مساحت حوزه (مایل مربع).

(رابطه 2) در این رابطه: Q: دبی اوج سیل (فوت مکعب بر ثانیه) و C: ضریب حوزه و A: مساحت حوزه (کیلومتر مربع).

(رابطه 3) در این رابطه: Q: دبی اوج سیل ( فوت مکعب بر ثانیه) و A: مساحت حوزه (کیلومتر مربع) میباشد.

آنالیز منطقهای سیلاب از بین 21 ایستگاه هیدرومتری فعال موجود در حوزه کشفرود (حوزه بزرگی که حوزه کوشکآباد در داخل آن قرار دارد)، 17 ایستگاه که دارای شرایط تقریبا" مشابه و سال آماری مشترک بودند در دوره آماری 78-50 (28 سال دوره آماری مشترک) انتخاب گردید.

لازم به ذکر میباشد که در این روش، خود ایستگاه هیدرومتری کوشکآباد به دلیل سال آماری کم، به ناچار کنار گذاشته شد (جدول2).

بعد از بازسازی دادههای ایستگاهها، با استفاده از نرمافزار HYFA، اقدام به آنالیز نقطهای ایستگاهها شد و توزیعهای آماری برای تک تک ایستگاهها با حداقل مقدار کایاسکور مشخص شد.

برای اینکه بتوان به توزیع آماری مناسب در منطقه دست یافت، حداقل مقدار کای اسکور از مجموع کایاسکورهای تمامی ایستگاهها محاسبه شد که بر این اساس، توزیع آماری مناسب منطقهای لوگ نرمال سه متغیره با حداقل کای اسکور 3/49 از مجموع ایستگاههای موجود در منطقه تشخیص داده شد.

به این ترتیب، پس از مشخص شدن توزیع مناسب منطقهای برای ایستگاهها، دبی متوسط سیل () و دبی 10 ساله () محاسبه شده تا برای آزمون همگنی ایستگاهها از طریق محاسبه عامل یکنواختی و دبی یکنواخت شده اقدام گردد (جدول3).

در محیط EXCEL حد پایین و حد بالای متغیر کوچک شده از 5 تا 50 سال آماری برای دورههای بازگشت مختلف محاسبه شده و محدوده همگنی رسم شد.

با انتقال تعداد سال آماری موجود در هر ایستگاه و متغیر کوچک شده بدست آمده از دوره بازگشت دبیهای یکنواخت شده بر روی کاغذ همگنی رسم شده، ایستگاههای همگن مشخص شدند.

برای نمونه شکل2، همگنی 100 ساله ایستگاهها را نشان میدهد.

به این ترتیب، در دورههای بازگشت همگنی ایستگاهها، اقدام به بدون بعد کردن دبی ایستگاهها گردید (جدول 4).

پس از محاسبه دبیهای بدون بعد، اقدام به تعیین رابطه دبی متوسط سیل تمامی ایستگاهها با مساحت با توجه به ایستگاههای همگن بدست آمده در دورههای همگنی گردید (جدول5)، آنگاه برآورد دبی اوج سیل حوزه کوشکآباد در دورههای بازگشت مختلف به دست آمد (جدول 6).

مدل HEC-HMS در استفاده از مدل HEC-HMSکه برای شبیهسازی پاسخ رواناب سطحی یک حوزه آبخیز نسبت به بارندگیهای معین طراحی شده است؛ و حوزه آبخیز را به عنوان یک سیستم به هم پیوسته با مولفههای هیدرولوژیکی و هیدرولیکی نمایش میدهد (انجمن مهندسین ارتش آمریکا، 2002).

هر مولفه مدل یک جنبه از فرایند بارش- رواناب را در داخل بخشی از حوزه که معمولاً به عنوان زیرحوزه در نظر گرفته میشود، شبیهسازی میکند.

به عبارتی با ترکیب مولفههای مختلف، پس از محاسبات لازم، اقدام به ترمیم و محاسبه هیدروگراف کامل میکند.

به این ترتیب، پس از تعیین خصوصیات فیزیکی زیرحوزهها، اقدام به جمعآوری دبی حداکثر لحظهای رویدادهای سیلابی موجود در ایستگاه هیدرومتری کوشکآباد (جدول 7) و مقدار بارندگی ساعتی و روزانه ایستگاههای بارانسنجی درون و بیرون حوزه مورد مطالعه گردید.

تحلیل توزیع مکانی رگبارها در نرم افزار Arcveiw با استفاده از روش میانیابی عکس مجذور فاصله (IDW) صورت گرفت.

آنگاه 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.

آنگاه مقدار بارندگی در زمان تمرکز حوزه کوشکآباد در دورههای بازگشت مختلف به روش فرمول تجربی قهرمان محاسبه شد (قهرمان، 1377).

با تلفیق نقشه رستری تهیه شده از گروههای هیدرولوژیکی خاک و کاربری اراضی، مقادیر متوسطCN برای زیرحوزههای کوشکآباد در شرایط رطوبتی واقعی حوزه در طول سال، از میانگین شرایط خشک I و متوسط II (Akbari،1998 ) 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 به روش SCS محاسبه شد (جدول 8).

ضرایب ماسکینگام نیز برای روندیابی سیل در مدل HEC-HMS با