بخشی از مقاله
چکیده
به منظور جلوگیری از خطرات ناشی از بارش های ناگهانی که منجر به سیلاب های عظیم و حوادث جبران ناپذیر در جامعه می گـردد، محققـان را بر آن داشت تا با مهار سیلاب های به وجود آمده جهت جلوگیری از خرابی و همچنین اسـتفاده از نیـرو و انـرژی حاصـله از ایـن سـیلاب هـا اقدامات واکنشی، کنترلی در جهت بهینه سازی و استفاده بهینه از این سیلاب ها را در دستور کار خـود قـرار دهنـد. از آن جاییکـه پدیـده هـای هیدرولوژیکی به خصوص بارش یکی از پیچیده ترین پدیده ها درعلوم مهندسی آب محسوب می شـوند،لازم اسـت تـا محققـین بتواننـد حجـم رواناب حاصل از بارش را محاسبه و تخمین بزنند. بنابراین محققان بر آن شدند تا به مدل سازی و ارائه مدل های موجود در این زمینه در جهـت تعیین بهترین هیدروگراف حاصل از داده های بارش بپردازند. از این رو در این مقاله به بررسی مدل های موجود بـارش ـ روانـاب پرداختـه و بـا ارزیابی این مدل ها در حوضه مورد مطالعه آبریز جو کنک، بهترین مدل شناسایی و معرفی می گردد.
کلمات کلیدی: سیلاب، بهینه سازی، بارش، رواناب، هیدروگراف
مقدمه
همواره خطرات ناشی از بارش های پیش بینی نشده و در نتیجه سیلاب های ناگهانی حاصل از این بارش ها منجر به وقوع حوادث جبران ناپذیر و خرابی های فراوان گاهاً قطع ارتباطات و راه های دسترسی می شوند. از طرفی بـا پیشـرفت هـای حاصـل در علـوم مختلـف و همچنـین علـوم مهندسی آب، استفاده از نیروهای سرشار به وجود آمده از این سیلاب ها و همچنین کنترل و بهینه سـازی انـرژی حاصـل از ایـن سـیلاب هـا در جهت خدمت به بشر بیش از پیش محققان را بر آن داشت تا با مهار سیلاب های حاصله جهت جلوگیری از خسـارت هـای احتمـالی و همچنـین استفاده بهینه از این انرژی نسبت به احداث سدها، پل ها وسازه هایی مشابه که در هنگـام سـیلاب کمـک بـه کمتـر کـردن خسـارت و افـزایش ظرفیت استفاده از این انرژی را می کنند، بپردازند. ولی این موضوع زمانی حاصل می گردد که بتوان تخمین زد چه میـزان از بـارش بـه روانـاب تبدیل می شود . از این رو نیاز به ارزیابی و تجزیه و تحلیل مسائل هیدرولوژیکی بیش از پیش نمایان می شود. با بررسی محققـان و پژوهشـگران در زمینه مهندسی آب و پیچیدگی های موجود در این زمینه ، مدل های متفاوتی جهت بررسی و محاسبه این مهم مطرح گردیـد. لـذا بـه منظـور تعیین بهترین مدل بارش - رواناب ، نیاز به یک سری آمار و اطلاعات در بازه زمانی دراز مدت می باشد که هر چه این بازه زمانی طـولانی تـر و اطلاعات دقیق تر باشد، طبعاً در تعیین بهترین مدل تأثیر بسزایی دارد. از آنجایی که در تمام مناطق و حوضه ها این اطلاعات موجود نیست، نیـاز
به شبیه سازی هیدروگراف سیلاب نمایان است. به بیان دیگر می توان گفت مدل های بارش ـ روانـاب بـرای پـیش بینـی هیـدروگراف سـیلاب مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله ابتدا با استفاده از آمارهای بارش اخذ شده و آماده سازی آمارهای مربوطه و ترسیم هیدروگراف هـای مختلف، به ترسیم آبنمودهای مشاهداتی پرداخته و پس از آن نسبت به داده پردازی به نرم افزار HEC-HMS جهت ترسیم هیدروگراف های محاسباتی توسط این نرم افزار اقدام می شود و سپس با پردازش هیدروگراف های مختلف و استفاده از مدل های موجود نسبت به تعیین بهتـرین مدل بارش- رواناب در حوضه مورد مطالعه آبریز جو کنک پرداخته و در پایان بـه ارزیـابی مـدل هـای ارائـه شـده و انتخـاب بهتـرین مـدل مـی پردازیم.
عوامل متعددی در سیلاب های حاصله در حوضه های مختلف جهت ترسیم آبنمود آنها موثرند. در این میان بارندگی به عنوان اصلی ترین پارامتر ورودی که دارای بیشترین نوسانات نیز می باشد، مهمترین نقش را عهده دار است. بارندگی نازل شده در یک حوضه به عنوان یک واقعه تاریخی قابل تکرار نیستند و هر بارندگی دارای خصوصیات مربوط به خود می باشد. این خصوصیات شامل مقدارکل، تداوم، شدت و توزیع زمانی و مکانی بارندگی می باشد. لذا لزوم مطالعه دقیق و جمع آوری آمارهای مختلف بارش جهت ترسیم هیدروگراف سیلاب در وهله اول به الگوی توزیع زمانی باران باز می گردد. بنابراین انتخاب هایتوگراف های بارش در شکل هیدروگرافهای مشاهده ای نقش بسیار مهمی را داراست.
روش شبیه سازی (مدلسازی)
هیچ بخشی از جهان به آن سادگی نیست که بتوان آن را بدون کوچک کردن و محدود کردن درک و کنتـرل کـرد. کوچـک کـردن بـه معنـی جایگزین ساختن قسمت های مورد نظر از جهان به وسیله مدلی مشابه اما با ساختمانی ساده تـر اسـت. در واقـع مـدل نمـایش سـاده یـک سیسـتم پیچیده است که تعدادی از مشخصه های سیستم را شبیه سازی می کند. به عبارت دیگر روش های شبیه سازی سـعی مـی کننـد تـا یـک سیسـتم واقعی را با استفاده از ساختمان، ابزار و الگو یا فرایندهایی نمایش دهند(فضل اولی،(1387 اکثر سیستم های هیدرولوژی، بسیار پیچیده اند و نمی توان آنها را کاملاً شناخت، بنابراین برای شناخت و یا کنترل برخی از جوانب رفتـار آنهـا،
حذف یا خلاصه کردن امری ضروری است. خلاصه کردن آنها با جایگزین ساختن سیستم مورد نظر با مدلی مشابه، ولی بـا سـاختمانی سـاده تـر
صورت می گیرد. هدف اولیه یک مدل شبیه سازی پیش بینی عمل یک سیستم پیچیده و بررسی اثر تغییرات روی عملکرد سیستم است. استفاده از مدل های هیدرولوژیکی برای پیش بینی ها، زمانی جلوه می کند که داده های هیدرولوژیکی ناکافی باشد. حتی اگر آمار ثبـت شـده در یـک محل به حد زیاد تطویل شود، باز هم آمار ثبت شده مجموعه کاملی از داده های مورد نظر نخواهد بود. بـه عبـارت دیگـر، در بـر گیرنـده وقـایع حداکثر و حداقل یا رفتارهای متغیر های هیدرولوژی، در دوره زمانی طولانی نخواهد بود. علاوه بر این کمبود ها افزایش فعالیـت هـای انسـان و اثر گذار روی عناصر چرخه ی هیدرولوژی، موجب خواهد شد که برای پیش بینی های بعضی از رفتارهای آتی سیستم حتـی از آمـاری کـه بـه ندرت قابل استفاده است، استفاده شود( ( Jain, Sinha, 2003
شبیه سازی بارش-رواناب
در خیلی از جاها به جای اینکه مدل کردن در هیدرولوژی را علم بدانند بیشتر به هنر می شناسند و احتمال اینکـه ایـن بـاور کماکـان بـاقی باشـد وجود دارد. مدل کردن جهت پیش بینی های هیدرولوژیکی در یک حوضه و با استفاده از یک مدل خاص به طور معمـول تحـت نظـارت یـک هیدرولوژیست انجام می شود. قابل استفاده بودن نتایج مدل بستگی به استعداد و تجربه هیدرولوژیست و شناخت نکات دقیـق و ظریـف ریاضـی خاص آن مدل و روش های تحلیل مـدل دارد((.(Amutha , Porchelvan, (2009 تبـدیل بارنـدگی بـه روانـاب در خروجـی حوضـه اثـر ترکیبی خیلی از پروسه های هیدرولوژی است که در محدوده وسیعی از الگوی توزیع زمانی و مکانی اتفاق می افتد، بنابراین پاسخ حوضه هنـوز هم یک مشکل اساسی است که باید شناخته شود. یک مدل بارش -رواناب نمایشی ساده شده از یک سیستم پیچیده بارش می باشد. در چند دهه گذشته مدل های شبیه سازی بارندگی رواناب توسعه چشم گیری یافته اند. انواع مختلفی از آنها نظیـر مـدل هـای، HEC-HMS، RAFTS، مدل حوضه آبریز استانفورد، مدل ساکرامنتو (SMA)، مدل سیسـتم هیـدرولوژیکی اروپـایی((SHE، SMADA، KINEMAT و غیـره را می توان نام برد. در میان این مدل ها، مدل HEC-HMS بیشتر مورد توجه قرار گرفته و استفاده از آن در بین مهندسان عمومیـت بیشـتری پیـدا کرده است(نشاط،صدقی .(1385
معرفی نرم افزار HEC-HMS
این نرم افزار یکی از مدلهای کامپیوتریست که جهت تحلیل فرآیند بارش- رواناب مورد استفاده قرار می گیرد، این مدل در واقع جایگزین نسخه ارتقاء یافته تحت ویندوزHEC-1 می باشد.این نرم افرار در سال 1998 توسط بخش مهندسی ارتش آمریکا به بازار عرضه شد و هرسال قابلیت جدیدی به آن افزوده می شود. این مدل با توجه به سادگی استفاده و کارایی آن دردامنه وسیعی از مناطق جغرافیایی بطور گسترده ای مورد توجه و استفاده کارشناسان علوم هیدرولوژی قرار گرفته است .
مدل مزبور با ترکیبی از زبانهای برنامه نویسی بوده که بخش های گرافیکی آن توسط زبان C و الگوریتم کلی هیدرولوژیکی آن در زبان فرتون نوشته شده است.این نرم افزار عکس العمل حوضه آبریز را بر بارش روی آن و جریان موجود در حوضه را تعیین می کند، و به بیان دیگر امکان شبیه سازی فرآیند بارش- رواناب را در حوضه های آبریز برایمان فراهم می سازد. از قابلیتهای دیگر این نرم افزار می تـوان بـه محاسـبه روانـاب حوضه ها، جمع آوری آبهای سطحی در شهرها، روندیابی سیلاب رودخانه ها و مخازن ، طراحی سرریز مخازن ، تحلیل هیدروگراف سـیلابهای ناشی از شکست سد و تأثیر روند شهرسازی در هیدرولوژی حوضه ها را اشاره نمود .
ا ما از مهمترین پارامترهایی که توجه همه کارشناسان و طراحان علوم هیدرولوژی را در خصوص این نـرم افـزار بـه خـود جلـب نمـوده سـهولت استفاده از نرم افزار، کارآیی بالای آن برای کاربر، سادگی مدیریت فایل توسط کاربر، ویرایش راحت داده هــا در ایـن مــدل، جـدول بنـدی و
نمایش گرافیکی داده هـای ورودی و خروجی ، امکـان گزارش گیری، امکـان بهینه سازی نتایج با تغییر پارامترها در دامنه داده شد به نـرم افـزار می باشد.
مدلهای ریاضی موجود در نرم افزار ، عکس العمل حوضه آبریز به بارندگی روی آن و جریان ایجاد شده در حوضه را تعیـین مـی کنـد. بعنـوان مثال مدل روند یابی آب در مسیل اصلی که در این مدل وجود دارد در واقع معادله دیفرانسیلی را که به صورت یک بعدی جریان آب در کانال باز را توصیف می نماید، حمل می کند. اما به منظور استفاده از این نرم افزار جهت برنامه ریـزی وطراحـی و بهـره بـرداری، عـلاوه بـر تغییـرات جریان، مقدار جریان در زمانهای مختلف نیز مورد نیاز است.
مولفه های مختلف در نرم افزار
با توجه به موارد یاد شده می توان گفت شبیه سازی حوضه آبریز در این نرم افزار توسط سه مولفه کلی زیربـه نـرم افـزارHEC-HMS معرفـی میگردد :
