دانلود تحقیق مکان¬یابی زیرحوزه¬های موثر بر دبی اوج و حجم سیل بهاره با استفاده از مدل HEC-HMS-مطالعه موردی حوزه آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی

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 مکانی سیل¬خیزی زیرحوزه¬های آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی با استفاده از مدل HEC-HMS، در دوره هیدرولوژیکی بهاره پرداخته است.

در این تحقیق پس از تهیه اطلاعات مورد نیاز برای تهیه هیدروگراف سیل، از روش شبیه¬سازی هیدرولوژیکی SCS در تبدیل رابطه بارش-رواناب در سطح زیرحوزه¬ها و نیز روندیابی آبراهه¬های اصلی به روش ماسکینگام به منظور استخراج هیدروگراف سیل خروجی حوزه استفاده شد.

بنابراین 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 دوره هیدرولوژیکی بهاره 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، 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.

لذا با تمرکز عملیات آبخیزداری و کنترل سیلاب بر اساس اولویت¬ها و مناطق تعیین شده، ضمن دسترسی به اهداف تحقیق، در هزینه¬های اجرائی، کاهش قابل توجهی پیش¬بینی می¬گردد.

سیل یک رویداد سریع و مخرب است که هر ساله در نقاط مختلف جهان و کشور باعث بروز خسارات جانی و مالی محسوس و نامحسوس فراوان می¬شود.

برای مدیریت جامع مهار و کاهش خسارات سیل قبل از هر چیز باید مناطق سیل¬خیز در درون حوزه تعیین شوند (تلوری 1381).

منظور از سیل¬خیزی، فراوانی وقوع سیل در حوزه نمی¬باشد، بلکه منظور استعداد یا پتانسیل تولید سیل در سطح زیرحوزه از نظر تاثیر در هیدروگراف سیل خروجی حوزه است (جوکار، 1381).

از این رو در مدیریت حوزه¬های آبخیز، تعیین شدت سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها در تعیین اولویت¬بندی¬ها و سیاست¬گذاریهای لازم، از اهمیت بالایی برخوردار است (مرید و همکاران، 1375).
بررسی¬های انجام شده نشان می¬دهد موضوعات مرتبط با این تحقیق عمدتا" در زمینه تاثیر تغییرات کاربری اراضی بر روی بروز سیلاب و تغییر رفتار حوزه¬های آبخیز، تعیین مناطق سیل¬خیز بر پایه روشهای نموداری و فرمولهای تجربی، تحلیل آماری داده¬های سیلاب، داده¬های دورسنجی و سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدلهای رایانه¬ای بارش–رواناب بوده و بیشتر از دیدگاه تولید سیل در سطح حوزه¬های آبخیز یکپارچه مطرح شده است.Suwanwerakamtorn (1994) با استفاده از مدلHEC-1؛ اثرات تغییر کاربری اراضی بالادست حوزه آبخیز را روی الگوی سیل در نواحی پایین دست حوزه مورد ارزیابی قرار داد.

Vanshaar و همکاران (2002) از مدل DHSVM برای شبیه¬سازی اثرات هیدرولوژیکی پوشش زمین برای 4 زیرحوزه رودخانه کلمبیا استفاده کرده و با آنالیز حساسیت حوزه-هایی که کاملا" پوشیده از مخروطیان در مراحل مختلف رسیدگی بودند؛ بیان می¬دارند که شاخص سطح برگی کم، آب معادل برف و جریان بیشتر را به دنبال دارد.

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 نمودند؛ 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 کردند.

قائمی (1373) با مقایسه عددی شدت سیل¬خیزی زیرحوزه¬های کرخه، بدون در نظر گرفتن تاثیر روندیابی رودخانه بر روی کاهش دبی اوج سیلاب و سایر فرآیندهای موثر در رفتار حوزه، صحت تاثیر زیرحوزه¬ها را با وزن¬های تعیین شده و به همان نسبت در خروجی حوزه مورد تردید قرار می¬دهد.

مردانی (1377) با مطالعه سیل¬خیزی حوزه آبخیز رودخانه روئین اسفراین خراسان به بررسی پتانسیل¬های سیل¬خیزی حوزه و تعیین زیرحوزه¬ای که نقش زیادی در تولید رواناب کل حوزه آبخیز دارد پرداخت.

خسروشاهی (1380) تاثیر سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها را از طریق مدل ریاضی HEC-HMS در حوزه آبخیز دماوند مورد بررسی قرار داد و زیرحوزه¬ای که بیشترین تاثیر را در خروجی داشته، معرفی نموده است.

جوکار (1381) برای تعیین سیل¬خیزی زیرحوزه¬های رودخانه شاپور در استان فارس با استفاده از شبیه¬سازی جریانهای سیلابی، میزان مشارکت هر یک از زیرحوزه¬ها در هیدروگراف سیل خروجی حوزه را بدست آورد.

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.

حوزه آبخیز کوشک¬آباد در استان خراسان رضوی از جمله حوزه¬های آبخیزی است که بروز مکرر سیلاب¬های بهاره¬، 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 مکانی زیرحوزه¬ها در بروز سیلاب با موفقیت کامل همراه نبوده است.

لذا هدف از انجام این تحقیق، اولویت¬بندی مکانی سیل¬خیزی بهاره زیرحوزه¬ها جهت مدیریت مناسب عملیات اجرایی و کنترل سیلاب، در کاهش هزینه¬های مربوطه در نقاطی که پتانسیل بالایی در تولید سیل دارند 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.

شکل1 سیمای کلی منطقه مورد مطالعه در استان خراسان رضوی و ایران روش کار به منظور مطالعه رفتار حوزه آبخیز مورد تحقیق، بررسیهای اولیه شامل بررسی منابع، تعیین حوزه و زیرحوزهها، جمعآوری دادهها، تعیین دوره هیدرولوژیکی بهاره، تهیه نقشهها و رقومی کردن نقشهها ضروری است.

پس از جمعآوری و تهیه این دادهها، اقدام به بازدید از منطقه مورد مطالعه و کنترل نقشهها با طبیعت صورت میگیرد.

در نهایت، اقدام به شبیهسازی و اجرای مدل میگردد.

سپس با حذف متوالی و یک به یک زیرحوزهها از فرایند روندیابی داخل حوزه، زیرحوزهها بر اساس میزان مشارکت در دبی اوج و حجم سیل خروجی حوزه، در دوره هیدرولوژیکی بهاره اولویتبندی میگردند تا تحلیلهای هیدرولوژیکی و تلفیق نتایج صورت گیرد.

استخراج مشخصات فیزیکی زیرحوزههاو تعیین دوره هیدرولوژیکی بهاره 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.

به منظور تعیین دوره هیدرولوژیکی بهاره 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، و در نهایت ترسیم خطوط همباران و همدما با استفاده از نرمافزار Arcview بدست آمد.

مدل HEC-HMS مدل HEC-HMS برای شبیهسازی بارش-رواناب، حوزه آبخیز را با مولفههای هیدرولوژیکی و هیدرولیکی نمایش میدهد.

این مدل با ترکیب مولفههای مذکور، پس از محاسبات لازم، اقدام به ترمیم و محاسبه هیدروگراف کامل میکند.

به این ترتیب، با شبیهسازی و اجرای مدل مزبور در دوره هیدرولوژیکی بهاره، تحلیلهای هیدرولوژیکی و تلفیق نتایج صورت گرفت.

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.

تعداد 5 و 1 واقعه سیلابی بهاره همزمان بارش–رواناب به ترتیب، برای انجام واسنجی و اعتبارسنجی مدل مناسب تشخیص داده شد.

اگر چه تعداد وقایع مزبور برای واسنجی مدل کافی نمیباشد، لیکن با توجه به عدم وجود اطلاعات مناسب، حداقل شرایط لازم را برای انجام این مهم فراهم خواهد نمود؛ هر چند برای امر اولویتبندی زیرحوزهها چندان نیازی به عمل واسنجی نمیباشد (خسروشاهی 1380).

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.

منحنی شدت-مدت-فراوانی در دوره هیدرولوژیکی بهاره 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 مدل HEC-HMS با تلفیق نقشه رستری تهیه شده از گروههای هیدرولوژیکی خاک و کاربری اراضی، در دوره هیدرولوژیکی بهاره، 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.

شبیهسازی بارش-رواناب با به کارگیری مدل HEC-HMS پس از آماده شدن پارامترهای ورودی مدل HEC-HMS، مدل مزبور اجرا گردیده و واسنجی مدل نیز، در دوره هیدرولوژیکی بهاره با تلفیق روش دستی و خودکار و با فرض انتخاب بهترین پارامترها بر کم بودن درصد خطای پیک صورت گرفت.

رابطه درصد خطای پیک جریان به صورت رابطه 3 بیان میشود (جوکار1381) : رابطه3: که در آن : درصد خطا در دبی پیک، دبی اوج هیدروگراف مشاهدهای و دبی اوج هیدروگراف شبیهسازی را نشان میدهد.

هیدروگرافهای سیلاب به ازای دوره بازگشتهای مختلف در این مرحله از تحقیق، مدل HEC-HMS با پارامترهای واسنجی شده و هایتوگرافهای بارش بدست آمده با استفاده از ایستگاه ثبات گوش (به روش درصد نزول بارش در فواصل زمانی یک ساعته)، در دوره هیدرولوژیکی بهاره با دوره بازگشتهای مختلف (منحنی شدت-مدت-فراوانی تهیه شده از روش قهرمان)، اجرا گردید.

اولویتبندی مشارکت سیل زیرحوزهها در خروجی اصلی حوزه با حذف متوالی و یک به یک زیرحوزهها از فرایند روندیابی داخل حوزه، زیرحوزهها در دوره هیدرولوژیکی بهاره، بر اساس میزان مشارکت در دبی اوج و حجم سیل خروجی حوزه، اولویتبندی گردیدند.

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 در دوره هیدرولوژیکی بهاره 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.

نتایج جدول 1 مشخصات فیزیکی زیرحوزههای آبخیز کوشکآباد شامل مساحت، محیط، شیب آبراههها و طول آبراههها را نشان میدهد.

با بررسی و تحلیل روند تغییر شیب منحنیهای دما-بارش و بارش-دبی حوزه مزبور، دوره هیدرولوژیکی بهاره از فروردین تا تیر ماه قابل تشخیص میباشد (شکلهای2 و 3).

شکل 4 موقعیت زیرحوزهها و ایستگاههای بارانسنجی درون و بیرون حوزه را نشان میدهد.

جدول2 مقادیر رویدادهای دبی اوج سیل حوزه کوشکآباد را در دوره هیدرولوژیکی بهاره بیان میکند.

برای تحلیل توزیع مکانی رگبارها از منحنیهای همرگبار استفاده شد؛ شکل 5 نمونهای از منحنی همرگبار ترسیمی به روش میانیابی عکس مجذور فاصله را برای واقعه سیلابی 08/02/71 نشان میدهد.

برای استخراج مقدار بارندگی طراحی در دوره هیدرولوژیکی بهاره از منحنی شدت-مدت-فراوانی ترسیمی در دوره هیدرولوژیکی مذکور استفاده شد (شکل6).

پارامترهای اساسی ورودی مدل HEC-HMS شامل شماره منحنی، تلفات اولیه، زمان تاخیر و زمان تمرکز زیرحوزها میباشد (جدول3).

جدول 4 ضرایب ماسکینگام بکار گرفته شده را برای روندیابی سیل نشان میدهد.

شکل7 هیدروگراف مشاهدهای-محاسباتی مدل را بعد از واسنجی، به عنوان نمونه برای رویدادهای 24/02/70 در دوره هیدرولوژیکی بهاره نشان میدهد.

واسنجی مدل برای پارامترهای تلفات اولیه, CN و زمان تاخیر در دوره هیدرولوژیکی مزبور صورت گرفت.

جدول 5 مقادیر قبل و بعد از واسنجی CN را برای شرایط رطوبتی (I) در دوره هیدرولوژیکی بهاره نشان میدهد.

جدول 6 پارامترهای آماری مختلف خروجی مدل را بر اساس واسنجی