بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی روشهاي تلفات باران در شبیه سازي هیدروگراف سیل
مطالعه موردي: حوضه آبخیز کسیلیان
چکیده
هدف ازتحقیق جاري ارزیابی روشهاي تلفاتی است که بر حجم رواناب و شکل آبنمود تولیدي ناشی از مدل هاي هیدرولوژیکی موثر می باشد. در این تحقیق با اعمال روشهاي تلفات پیوستهشاخصبانرخ ثابت ( φو) SCS در مدل باران-رواناب کلارك، آبنمود هاي خروجی ناشی از 24 واقعه رگباري از حوضه آبریز کسیلیان محاسبه گردید. سپس ویژگیهاي آبنمود هاي محاسبه شده شامل دبی اوج، حجم رواناب و زمان اوج با همین ویژگیها از آبنمودهاي متناظر مشاهده شده، مورد مقایسه و تحلیل آماري قرارگرفتند. ارزیابی آماري
تاثیر روشهاي تلفات مذکور بر ویژگیهاي آبنمود هاي خروجی با آماره هاي متوسط خطاي نسبی پیش بینی، شیب خط برازش، ضریب
تعیین (R2) و متوسط جذر میانگین مربعات خطا، منجر به نتایج برتري روش SCS نسبت به پیوسته با نرخ ثابت گردید.
وازه هاي کلیدي: روشهاي تلفات، کسیلیان، تلفات پیوسته با نرخ ثابت، SCS، هیدروگراف سیل
مقدمه
حفاظت در برابر سیلابها، کیفیت آب و برنامه هاي مدیریت آب نیازمند فهم خوب و دقیق از مدلسازي باران-رواناب می باشد.
مهمترین چالشی که مدل کننده ها با آن روبرو می باشند انتخاب مدل باران-روانابی است که بتواند گستره وسیعی از سیلابها را بطور
صحیح شبیه سازي کند. از آنجائیکه بکارگیري نوع روش تلفات بر روي شکل هیدروگراف سیل، میزان دبی اوج، حجم رواناب و
زمان شروع و خاتمه سیل تاثیر می گذارد. لذا ارزیابی روشهاي تلفات از اهمیت خاصی در مدلهاي هیدرولوژیکی برخوردار می باشد.
چاو و همکاران [1988] روشهاي تلفات باران را به دو دسته کلی تقسیم کردند. دسته اول روشهایی است کـه براسـاس خـصوصیات هیدرولوزیکی و مورفولوژیکی حوضه می باشند مانند روش شماره منحنی .(CN) دسته دوم روشهایی هستند که براسـاس داده هـاي
باران-رواناب مشاهداتی حوضه بدست می آیند مانند روشهاي تلفات پیوسته با نرخ ثابت (شاخص .(φ این روشـها، بـدلیل تغییـرات توپوگرافی، خصوصیات حوضه (نظیر پوشش گیاهی و خاك) و باران که برقراري ارتباط میان تلفات و خصوصیات حوضه را دشـوار
می سازد، فرآیندهاي مختلف تلفات را ترکیب نموده و به طریق ساده شده اي با آنها برخورد می نمایند. همچنین این روشـها نیازمنـد
واسنجی با داده هاي موجود می باشند (کردري .( [1986]
کردري [1986] در تحقیقات خود نشان داد روش SCS نسبت به انتخاب شماره منحنی و روش تخمین زمان تمرکز بسیار حساس
بوده و اغلب نسبت به روانابهاي مشاهداتی داراي تأخیر می باشد. همچنین روشهایی که تلفات اولیه را ناچیز شمرده اند نسبت به دیگر روشها دبی اوج بیشتري را نسبت به داده هاي مشاهداتی شبیه سازي کرده اند (فلاول و بلیستد .([1986]چاهینیان و همکاران
[2005] در تحقیقی به ارزیابی چهار مدل نفوذ (فیلیپ ، مورل–سیتوکس، هورتن و (SCS با بکار بردن هیدروگراف واحد بعنوان
مدل رواناب مستقیم براي برآورد 28 رخداد سیل در مقیاس مزرعه اي پرداختند. نتایج حاکی از آن است که بطور نسبی مدل SCS
کمترین تناسب را در شبیه سازي هیدروگراف سیل منطقه مورد مطالعه داراست.
هدف از این تحقیق ارزیابی روشهاي تلفات در شبیه سازي سیلابها در حوضه آبریز کسیلیان به مساحت 67/5 کیلومتر مربع واقع در
شمال ایران می باشد. انتخاب روشهاي تلفات براساس طبقه بندي انجام شده توسط چاو و همکاران[1988] می باشد که شامل: یک روش تلفات مفهومی یکپارچه ساده (تلفات پیوسته با نرخ ثابت یا شاخص (φ و روش ساده SCS می باشد. این روشها بدلیل تعداد پارامتر هاي کم و کاربرد گسترده شان در مدلهاي هیدرو لوژیک مانند HEC-HMSمهندسیانتخاب شده اند (مرکز
هیدرولوژیک.([2000] روش هیدروگراف واحد مصنوعی کلارك به عنوان تابع انتقال در مدل باران-رواناب جهت انتقال باران مازاد
به خروجی حوضه انتخاب شده است. همچنین مدل منحنی افت براي شبیه سازي جریان پایه رودخانه مورد استفاده قرار گرفته است.
این روشها توسط برنامه HEC-HMS براي 12 رخداد باران-رواناب تحت تابع هدف مجموع باقیمانده مربعات واسنجی شده است.
همچنین صحت سنجی روشها با 12 رخداد دیگر انجام گرفته است.
مواد و روشها
روش تلفات شماره منحنی SCS
روش شماره منحنی (CN) روش ساده و مناسب براي پیش بینی است. این روش باران مازاد را به عنوان تابعی از باران تجمعی،
پوشش خاك، کاربري اراضی و رطوبت پیشین، با استفاده از معادله زیر تخمین می زند:
در حالیکه :Pe باراش مازاد تجمعی در زمان t؛ :P عمق بارندگی تجمعی در زمان t؛ :Ia جذب اولیه؛ :S ماکزیمم پتانسیل نگهداشت
که معیاري از توانایی حوضه آبریز در جمع کردن و حفظ باران می باشد. تا زمانیکه باران تجمعی فراتر از جذب اولیه نباشد، باران
مازاد و از اینرو جریان سطحی صفر خواهد بود.
از آنالیز نتایج در بسیاري از حوضه هاي آبریز آزمایشی کوچک، سازمان حفاظت خاك یک رابطه تجربی را بین تلفات اولیه و ظرفیت نگهداشت آب در خاك ارائه نموده که بصورت زیر است:
با قرار دادن این رابطه، در رابطه (1) معادله بارندگی موثر بصورت زیر در می آید:
حداکثر نگهداشت (s) و خصوصیات حوضه از طریق یک واسطه میانی به نام شماره منحنی(CN) بهم مربوط می شود. معادله زیر
این رابطه را نشان می دهد:
در این رابطه، CN شماره منحنی است که از مقدار 100 براي سطوح آزاد آب تا 30 براي خاکهایی که داراي سرعت نفوذپذیري بالائی باشند تغییر می کند.
با داشتن مقادیر بارندگی (P) و شماره منحنی حوضه (CN) می توان از روي معادلات فوق ارتفاع باران مازاد را بدست آورد. شماره منحنی (CN) براي یک حوضه آبریز می تواند به عنوان تابعی از کاربري اراضی، نوع خاك و رطوبت پیشین آبریز، با استفاده از جداول منتشر شده توسط سازمان حفاظتمیخاك (SCS) تخمین زده شود.
براي آبریزي که متشکل از چندین نوع خاك و کاربري اراضی می باشد، یک CN مرکب به شکل زیر محاسبه می شود:
روش تلفات پیوسته با نرخ ثابت یا شاخص φ
در حوضه هاي آبریز معمولا بدلیل بزرگی مساحت و تغییرات شدیدي که در ظرفیت نفوذ خاکهاي نواحی مختلف آن مشاهده می
شود از ضریب ساده اي به نام شاخص φ استفاده می شود. این شاخص معیاري است که مقدار آن در طول مدت بارندگی ثابت است
و نشان دهنده نفوذ پذیري خاکهاي حوضه است.
شاخص φ نرخ ثابت تلفات باران (Cm/hr) می باشد که نمایانگر تاثیر توام نفوذ، برگاب و ذخیر سطحی است لذا مقدار آن برابر است با مقدار متوسطی از تلفات آب در طول بارندگی به نحوي که بالاتر از این مقدار متوسط تمامی بارندگی اضافی به رواناب تبدیل
شود. مفهوم شاخص φ در شکل (1) به صورت نمودار نشان داده شده است.
شکل :(1) نمایش شماتیکی از روش تلفات پیوسته با نرخ ثابت (شاخص (φ (کردري([5]
اگر فاصله زمانی هیتوگراف باران برابر با t و کل زمان باران برابر M t باشد آنگاه رابطه زیر با فرض برابري ارتفاع باران مازاد
بدست آمده از هیتو گراف باران با عمق رواناب مستقیم حاصله از هیدروگراف سیل نشان دهنده مقدار شاخص φ می باشد:
که در آن Rm عمق باران در فاصله زمانی (m=1,2,3,….M) m∆t، rd ارتفاع رواناب حاصله از هیدروگراف جریان سطحی و φ نرخ ثابت تلفات در طول باران می باشد.
منطقه مورد مطالعه
حوضه آبریز معرف کسیلیان دومین حوضه آبریز معرف کشور می باشد. این حوضه در بین حوضه هاي اصلی شش گانه ایران در داخل حوضه آبریز دریاي مازندران قرار گرفته و به این ترتیب معرف مناطق وسیعی از قسمتهاي کوهستانی و جنگلی شمال البرز می
باشد. موقعیت آن بین عرضهاي جغرافیاییً شمالی و طولهاي جغرافیایی شرقی واقع شده است. مساحت این حوضه 67/5 کیلومتر مربع بوده و بین ارتفاعات 1100 تا 2900 متر از سطح آبهاي آزاد قرار گرفته است (شکل (2 (فضل اولی، .(1385 آب و هواي این حوضه نیز با توجه به ضریب اقلیمی دومارتن در گروه بسیار مرطوب و با توجه به ضریب اقلیمی آمبرژه در گروه اقلیم ارتفاعات قرار گرفت. نفوذپذیري خاك در سطح حوضه آبریز طبق طبقه بندي ارائه شده
توسط سازمان حفاظت منابع طبیعی ایالات متحده (NRCS) در گروه C قرار گرفت. پوشش سطحی و کاربري اراضی حوضه آبریز
کسیلیانعمدتاً شامل جنگل، مرتع و زمین زراعتی می باشد (روزخش، .(1375
گزینش داده ها جهت انجام تحقیق
از میان 13 ایستگاه هواشناسی واقع در این حوضه، چهار ایستگاه ولیک چال،کُله، سنگده و درزیکلا بدلیل کامل بودن آمار بارندگی
روزانه در در طول دوره آماري 29 ساله (ازمهرماه سال 1349 الی مهرماه (1378 جهت استخراج پلی گون تیسن و محاسبه متوسط
باران در سطح حوضه انتخاب شده اند (شکل.(3 آمار مربوط به پنج ایستگاه هیدرومتري (ولیک بن)، کلیماتولوژي (سنگده)، و باران سنجی (درزیکلا، ولیک چال و کله) موجود در حوضه بدلیل کامل بودن این آمار در بین تمامی ایستگاههاي موجود براي دوره آماري
به طور دقیق مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. درنتیجه تعداد 24 رخداد باران-رواناب براي واسنجی و صحت سنجی روشها
انتخاب گردید (جدول.(1 این رخدادها داراي شرایطی از جمله : مشخص بودن ابتدا و انتهاي سیل، انتخاب هیدروگرافهایی که داراي
زمان پایه و فرم عمومی مشابه یکدیگر می باشند؛ همچنین سیلابها باید داراي هیدروگراف باتاج کاملا مشخص باشند زیرا که
سیلابهاي با تاج پهن نشان دهنده تاثیر ذوب برف می باشد بنابراین رخدادها از بین سیلابهاي موجود در دوره گرم انتخاب شده اند.
شکل(:(2 حوضه آبریز معرف کسیلیان شکل :(3) پلی گونهاي تیسن حوضه آبریزکسیلیان
تعیین تخمین اولیه پارامترهاي روشهاي تلفات
هر دو روش با استفاده از تابع هدف مجموع باقیمانده مربعات و الگوریتم جستجوي نلدر ومید واسنجی شده اند. مدلها براي واسنجی نیازمند تخمین هاي اولیه اي از پارامترهاي مدل می باشند. در ذیل به معرفی این پارامتر ها پرداخته خواهد شد. مقدارشماره منحنی
CN به عنوان ورودي در برنامه HEC-MHS وارد می شود. براي آبریزي که متشکل از چندین نوع خاك و کاربري اراضی می
باشد، تخمین مقدار اولیه شماره منحنی (CN) براساس کاربري اراضی حوضه و خصوصیات هیدرولوژیکی حوضه و جداول مربوطه
(TR-55)، همچنین با بکارگیري معادله (5) برابر75/5 تخمین زده شده است. از طرفی مقدار اولیه تلفات اولیه حوضه با استفاده از
معادلات (2) و (4) برابر 16/4 میلیمتر برآورد گردیده است. روش شاخص φ نشان دهنده تاثیر توام تلفات اولیه و ثانویه می باشد. لذا در این تحقیق با استفاده از روش تلفات اولیه-پیوسته با نرخ ثابت در HEC-HMS و با فرض تلفات اولیه صفر و تلفات پیوسته با
نرخ ثابت برابر با شاخص φ (معادله(6 بدست آمده از روي داده هاي باران-رواناب موجود به معرفی روش پیوسته با نرخ ثابت به مدل HEC-HMS اقدام شده است.
