بخشی از مقاله
چکیده
گسترش ابعاد استفاده از رایانه و توانمندی این ابزار در عددی کردن روابط بین متغیرهای محیطی سبب ایجاد پارادایم جدیدی در بررسی و پیش بینی مخاطرات محیطی گردیده است که به مدلیزه کردن یا در واقع خطی کردن روابط بین متغیرها معروف شده است. گرچه این ابزار از توانایی بالایی در تحلیلها و محاسبات برخوردار می باشد اما همچنان نیاز به مولفه کاربران آگاه جهت بررسی نهایی لازم و ضروری بنظر میرسد. این نکته زمانی مشخصتر است که بدانیم روابط و پدیدهها طبیعی اساسا غیرخطی هستند .
هدف از این پژوهش ارزیابی میزان توانمندی مدل هک اچ ام اس در تعیین پتانسیل سیل خیزی در زیرحوضههای حوضه آبخیز کشکان میباشد. روش کلی در این پژوهش مبتنی بر مطالعات تاریخی تجربی میباشد. در این راستا شش مورد سیل انتخاب و با استفاده از مدل هک-اچ ام اس شبیه سازی گردید. از شش مورد سیل، چهار مورد آن جهت مرحله واسنجی و دو مورد جهت مرحله صحت سنجی انتخاب گردید.
نتایج حاصل حاکی از قابلیت نسبتا مناسب این مدل در ادراک و تحلیل پتانسیل سیل خیزی در حوضه مورد مطالعه بود و نشان داد که تطبیق قابل قبولی بین نتایج و سیلابهای گذشته با مدل مطالعاتی وجود دارد. بنابراین میتوان تا حدودی از مدل مورد نظر در حوضه مورد مطالعه جهت پیشبینی و برنامه ریزیهای آتی بهرهبرد.
مقدمه
مدل یک توصیف ریاضی- آماری و فرآیندی است که سری زمانی معینی را ایجاد می کند. مدل قابلیت تبیین و پیش بینی دارد . مدلها باید به گونه ای طراحی شوند که بر چهار اصل سنجش، تحلیل، پیشبینی و کنترل استوار باشند
مدلها ابزارهایی برای تحلیل واقعیتها و ساده کردن پیچیدگیهای موجود در جهان واقعی هستند . [2] در واقع مدل مثالی است ایده آل که بر طبق دنیای واقعی ساخته میشود تا پارهایی ازصفات آن را نشان دهد. مدل لزوما برای سهولت مطالعه ساخته شده و نه تنها کل حقیقت بلکه بخش قابل ادراک آن را ارائه می دهد .[3]در واقع این ابزار میزان مطلق بودن نسبت به دنیای واقعی را خصوصا با ارائه مدل های ریاضی از حداقل به حداکثرافزایش میدهند.بنابراین در رشته های مختلف علوم از قبیل زمین شناسی، اقتصاد، جغرافیا، جامعه شناسی و... برای بیان ساده تر دنیای واقعی ضرورت دارند
رخداد سیلاب از پدیده های طبیعی است که پارامترهای زیادی در وقوع و شدت آن موثر است. این پدیده زمانی که سونتگاههای انسان را تهدید نماید به عنوان مخاطره تلقی میگردد. موقعیت خاص کشور ما ایران سبب شده تا گهگاه شاهد وقوع این پدیده و تبعات آن باشیم لذا بررسی عوامل موثر در ایجاد و یافتن مهمترین عامل در هر حوضه بمنظور برنامهریزی و نیل به پایداری نسبی محیطی لازم و ضروری بنظر میرسد.
در سالهای اخیر با توجه به پیشرفتهای زیاد در امر پیش بینی مخاطرات و بلایای طبیعی از طریق ابزارهای مختلف بوجود آمده سعی بسیاری از محققان در کمی کردن، پیشبینی و کم کردن اثرات مخرب این پدیدههای طبیعی بوده در این راستا تا کنون مدلهای فراوانی طراحی و مورد استفاده قرار گرفته است. علیرغم اینکه بعضی از این مدلها از مبانی قویی بهرمند هستند اما همچنان کاستیهایی در آنها در تحقیقات مشخص میشود بطوریکه بعضی از محققان مخالف کاربرد یک مدل یکسان در مناطق مطالعاتی مختلف هستند و از آنها بعنوان جعبههای سیاه یاد میکنند که محقق را به اشتباه می اندازد. بنابراین در استفاده از مدلها در هر محدوده ی مطالعاتی باید نهایت دقت مصروف گردد تا مدل بیانگر دنیای واقعی باشد و با واقعیات موجود مطابقت داشته باشد.
تاکنون مطالعات فراوانی در زمینه کاربرد مدلها در سیلاب در ایران و جهان انجام شده که از آن جمله میتوان به مطالعات زیر اشاره نمود.
دستورانی و خداپرست - 2011 - در تحقیقی با عنوان ارزیابی توانایی مدل HEC-HMS در شبیه سازی بارش و رواناب بیان می کنند که هیدروگراف به دست آمده از مدل HEC-HMS را می توان برای حوضه های فاقد آمار نیز مورد استفاده قرار داد.
نتایج به دست آمده از این تحقیق نشان می دهد که از مدل HEC-HMS توانایی خوبی در شبیه سازی بارش - رواناب در حوضه های فاقد آمار مشاهده ایی دارد. پارامترهای مانند شماره منحنی - CN - ، تلفات اولیه و زمان تأخیر نقش مهمی در دقت داده های به دست آمده از مدل بازی می کنند بنابراین این پارامترها باید با دقت بسیار بالایی تخمین داده شوند .مقایسه خروجی های مدل در دو روش اشنایدر و SCS برای داده های مشاهده ایی ارجعیت روش SCS را برای تخمین رواناب ،زمان تأخیر و زمان اوج در حوضه های فافد آمار را نشان می دهد.آنها همچنین بیان کردند که حساسیت مدل به شماره منحنی - CN - بیشتر از تلفات اولیه می باشد.
بنابراین تخمین کم - CN - باعث اشتباه بیشتری در پیش بینی در مقایسه با تخمین بالای دو پارامتر دیگر می شود. در پایان مدل قادر به پیش بینی دبی اوج با درصد اشتباه قابل قبول - کمتر از یک درصد - نسبت به رواناب مشاهده ایی می باشد .
زینیوند و همکاران در سال 1385 به مطالعه دشت سیلابی سیلاخور بروجرد پرداختند و با استفاده از مدل هک -رس اقدام به پهنهبندی سیل نمودند و نقشه پهنههای سیل گیر را با مقیاس 1:50000 تهیه کردند. همچنین آنها دقت نقشه ها را مورد ارزیابی قرار دادند و نتیجه گرفتند با روندیابی سیل و کوتاه گرفتن طول بازهها، نقشهها از دقت و صحت خوبی برخوردار خواهند بود
امیر احمدی و همکاران - 1388 - با استفاده از روش شبیهسازی هیدرولوژیکی هک-اچ-ام-اس سیلاب را در دشت کرون بررسی کرده و برای برآورد رواناب از روش حفاظت خاک آمریکا1 و مدل هک-اچ-ام-اس استفاده کردند و به این نتیجه رسیدند که نحوه مشارکت زیرحوضهها در سیل خروجی لزوما متناسب با دبی اوج زیر حوضهها نیست
هدف از این پژوهش حاضر در واقع مطالعه و تحلیل میزان توانمندی مدل HEC-HMS در تعیین و ارزیابی پتانسیل سیلخیزی حوضه آبخیز کشکان در استان لرستان میباشد.
محدودهی مورد مطالعه
حوضه ی مطالعاتی از نظر موقعیت جغرافیایی در محدوده 47 درجه و 12 دقیقه تا 48 درجه و 59 دقیقه طول شرقی و 33 درجه و 8 دقیقه تا 34 درجه و 2 دقیقه عرض شمالی قرار دارد. از نظر تقسیمات سیاسیتماماً در استان لرستان قرار گرفته است. مساحت آن 9275/66 کیلومترمربع میباشد و حدود یک سوم از خاک استان لرستان در شهرهای سلسله، خرم آباد، کوهدشت، دلفان و پلدختر را در بر میگیرد - شکل . - 1
شکل - 1 توزیع فضایی زیر حوضه های حوضه آبریز کشکان
مواد و روشها
روش کلی در این پژوهش مبتنی بر مطالعات تاریخیBتجربی و انطباق نتایج با مدل هک اچ ام اس میباشد. در این راستا شش مورد سیل انتخاب و با استفاده از مدل هک-اچ ام اس شبیه سازی گردید. از شش مورد سیل، چهار مورد از آن جهت واسنجی و دو مورد جهت صحت سنجی انتخاب شد . -نقشه محدوده حوضه: این نقشه به وسیله نرم افزار گوگل ارس تهیه و وارد نرم افزار جی آی اس شده است.
-2نقشه کاربری اراضی : - 2002 - نقشه کاربری اراضی از سازمان امور آب استان لرستان اخذ گردید.
-3نقشه گروه هیدرولوژیک خاک از سازمان جهاد کشاورزی استان اخذ گردید.
از تلفیق نقشه های مذکور شماره منحنی حوضه یا CN بدست می آید جدول . - 1 -
شماره منحنی : نمایه مربوط به خصوصیات نفوذ حوضه که به شماره منحنی2معروف است.برای محاسبه مقدار شماره منحنی از جداول طبقه بندی خاک های حوضه و مقدار شماره منحنی برای حوضه های مختلف با توجه به نفوذپذیری خاک و پوشش سطح حوضه استفاده می شود.
در صورتی که شرایط حوضه از نظر عوامل موثر بر شماره منحنی حوضه یکنواخت نباشد باید مقدار میانگین وزنی شماره منحنی برای کل حوضه محاسبه گردد
فرمول شماره - 1 -
میانگین وزنی CN در سطح حوضه
= مساحتی از حوضه که شماره منحنی آن CNi است.
زمان تأخیر حوضه: فاصله زمانی بین مرکز بارش - نقطه زمانی وسط بارندگی - تا زمان اوج هیدروگراف است.[8]
Y شیب متوسط حوضه - درصد - ، L طول رودخانه اصلی - فوت - ، S نمایه نگهداشت رطوبت در خاکهای سطح حوضه - اینچ - فرمول شماره - 3 -
جدول - 1 - برخی خصوصیات حوضه آبخیز کشکان
-4داده های بارش وسیلاب:
آمار دبی روزانه و ساعتی و نیز آمار بارش روزانه ایستگاههای بارانسنجی از سازمان هواشناسی استان لرستان تهیه شده است. مدل HEC-HMS نسخهی توسعه یافته ی هک-یک برای شبیهسازی فرایند بارندگی- رواناب حوضه آبخیز طراحی شده است. این مدل به گونهای طراحی شده است که دامنهی گستردهای از اطلاعات از نواحی جغرافیایی را پاسخگو باشد .
بعلاوه این مدل قابلیت تحلیل رودخانههای حوضههای آبخیز بزرگ ذخایر آبی و هیدرولوژی سیلاب و رواناب حوضه های آبخیز طبیعی و شهری را دارا می باشد. هیدروگرافهای حاصل از تحلیل مدل هک-اچ-ام-اس یا مستقیما در مسائل طراحی بکار برده میشود و یا در ارتباط با دیگر نرمافزارها برای مطالعات تکمیلی آبی، زهکشی شهری پیشبینی جریان، طراحی سرریز مخزن، کاهش آسیب سیلاب و...مورد استفاده قرار میگیرد.
این مدل حوضه آبخیز را به عنوان یک سیستم یکپارچه با مؤلفههای هیدرولوژیکی و هیدرولیکی نمایش می دهد، هر جزء مدل یک جنبه از فرآیند بارش - رواناب را در داخل بخشی از حوضه که معمولا به عنوان زیرحوضه در نظر گرفته میشود شبیه سازی میکند، به عبارت دیگر اجزاء مختلفی برای شبیهسازی سیستم فیزیکی حوضه ترکیب میشوند و هر جزء نمایندهی یکی از عوامل تبدیل و بارش به رواناب در حوضه میباشد که از ترکیب اثر توام عوامل مذکور هیدروگراف نهایی سیلاب حاصل خواهد شد
با استفاده از این مدل میتوان طرحهای توسعه پایدار منابع آب را تهیه و اجرا کرده و از این طریق راهکارهای جهت مقابله با بحرانهای آبی و همچنین کنترل سیلاب در حوضه های آبخیز ارائه نمود.این مدل دارای سه مؤلفه به شرح زیر میباشد:
-1 مؤلفهی مدل حوضه: برای محاسبه و شبیه سازی تلفات بارش از روش شماره منحنی استفاده شده است.
-2 مؤلفه ی مدل هواشناسی: در این تحقیق برای محاسبه بارش از روش وزنی بر اساس چندضلعی تیسن استفاده شده است.
- 3 مؤلفه ی شاخصهای کنترل
یافته ها
مرحله واسنجی: واسنجی عبارت است از تغییر دادن پارامترهای مدل تا آنجا که انطباق قابل قبولی بین نتایج مدل و مشاهدات اندازه گیری شده حاصل شود - جدول های 3،. - 2 معیار بهترین برازش یک تابع هدف خطی است تابع هدف خطی مذکور 3 تفاوت بین هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی - شبیه سازی شده - را در نقاط مختلف محاسبه می کند لذا اگر هیدروگرافها بر هم منطبق باشند این مقدار برابر صفر است
به منظور مقایسه یک هیدروگراف محاسبه شده با هیدروگراف مشاهده شده، مدل هک -اچ-ام-اس یک شاخص برای سنجش خوبی برازش محاسبه می کند الگوریتمهای که در مدل برای جستجوی بهترین مقدار شاخص مذکور موجود است به نام تابع هدف شناخته می شوند. در مدل هک -اچ -ام-اس 3 4 هفت تابع هدف مختلف تعریف شده است که در این تحقیق از تابع اوج -نسبت وزن به خطای مربع میانگین4 استفاده شده است.
z مقدار تابع هدف
Qo - t - دبی مشاهداتی در زمان t Qs - t - دبی محاسباتی در زمان t Qa متوسط جریان مشاهداتی
-1یافته های مرحله واسنجی:
شکل - 2 هیدروگراف مشاهداتی و شبیه سازی شده 1 در مرحله واسنجی
شکل - 3 هیدروگراف مشاهداتی و شبیه سازی شده 2 در مرحله واسنجی
شکل - 4 هیدروگراف مشاهداتی و شبیه سازی شده 3 در مرحله واسنجی
