بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روندیابی هیدروگراف سیل با روش موج پخشی دیفیوژن برپایه GIS با مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa
(مطالعه موردی: حوزه آبخیز زیارت، استان گلستان)
چکیده:
مدل هیدرولوژیکی توزیعی مکانی WetSpa بر پایه GIS برای شبیه سازی جریان ، پیش بینی سیل و مدیریت حوزه هـا آبخیـز در مقیاس حوزه توسعه یافته است. در این تحقیق با استفاده از مدل هیدرولوژیکی - توزیعی WetSpa ، روندیابی جریان سیل در حوزه آبخیز زیارت صورت گرفت . حوزه به پیکسل های 30×30 متر تقسیم شد و با استفاده از داده های بـارش، تبخیـرو تعـرق ، دما و دبی ساعتی یک دوره آماری 4 ساله((1386-1390 ، همچنین ترکیب سه نقشه اصلی DEM ، بافت خاک و کاربری اراضی در قالب سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) هیدروگراف سیل و توزیع مکانی خصوصیات هیدرولوژیکی حـوزه پـیش بینـی شـده است. نتایج نشان داد تطابق خوبی بین هیدروگراف شبیه سازی شده و هیـدروگراف مشـاهداتی وجـود دارد. در مـدل یـک روش اصلاحی برای برآورد فرایند های رواناب سطحی و نفوذ ارائه شده است.جریان زیرقشری براساس قـانون دارسـی و معـادلات مـوج سینماتیکی محاسبه می شود.درحالی که جریان زیرزمینی با روش مخزن خطی در مقیاس زیرحوزه ، محاسبه مـی شـود. در ایـن مدل روندیابی جریان سطحی و جریان آبراهه با استفاده از روش معادله خطی موج پخشی صورت می گیرد. از مزایای مهـم ایـن روش، این است که از طیق جبری قابل حل بوده و نیازی به محاسبات عددی و تعیین دقیق شرایط مرزی ندارد. یعنـی روانـاب از هر سلول تا خروجی حوزه به کمک تابع پاسخ زمانی مسیر اولیه بـر اسـاس متوسـط واریـانس و توزیـع زمـانی جریـان رونـدیابی میشود .و رواناب مستقیم در خروجی حوزه بوسیله مجموع رواناب تمام سلولها در شبکه بدست می آید.
واژههای کلیدی: روندیابی - موج پخشی - مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa
.1 مقدمه
تعریف روندیابی و اهمیت آن : یکی از مهم ترین حالات جریان های غیر دائمی که هر مهندس هیدرولیک به ناچار با آن روبرو خواهد شد، عبارت است از حرکت یک موج سیل در داخل رودخانه و تغییراتی که در اثر این حرکت در شکل و ارتفاع سیل بوجود می آید به عبارت دیگر، به منظور کنترل سیل در رودخانه یا تغییرات ارتفاع و حجم آب و نیز مقدار شدت جریان ورودی و خروجی به منطقه مورد مطالعه را در طول زمان سیل معین نمود که این عمل را روندیابی می نامند.(آذین و همکاران .(1391 ساختار مدل های هیدرولوژیکی توزیعی به گونه ای طراحی شده است که در آنها خصوصیات حوضه از قبیل: توپوگرافی، نوع خاک، کاربری اراضی، تراکم شبکه آبراهه، درجه اشباع خاک و خصوصیات بارش بصورت توزیعی مکانی در نظر گرفته شده است و مزیت این مدلها این است که داده های مورد نیاز آنها در قالب GIS قابل استفاده می باشند(مدل WetSpa دارای این ویژگی های مذکور می باشد.) پیدایش روش Gride- base در GIS برای مدل های هیدرولوژیکی توزیعی ابزار بسیار مناسبی است که مدل WetSpa بر پایه Gride است و مدل تعادل آب و رواناب توزیعی را در گام های زمانی ساعتی و روزانه شبیه سازی می کند. توسط این مدل می توان هیدروگراف جریان را در خروجی حوضه و یا هر نقطه از حوضه که در آن جریان به هم می پیوندد، با گامهای متفاوت زمانی تخمین نمود ( بهره مند و همکاران .(2006 ورودی های مدل شامل: داده های رقومی ارتفاعی، تیپ خاک ،
کاربری اراضی و سری های زمانی بارش ، تبخیرو تعرق و درجه حرارت است. داده های دبی رودخانه جهت کالیبره کردن انتخابی است. مدل توزیعی WetSpa آب و انرژی بین خاک، گیاهان و اتمسفر در حوزه آبخیز ترکلپ مولنبیک در کشور بلژیک ، مورد استفاده قرار گرفت، نتایج بیانگر این بودند که مدل بخوبی قابلیت پیش بینی رواناب را دارا است، علاوه بر این نتایج نشان دادند ترکیب مدلسازی توزیعی و GIS بسیار سودمند می باشد ( ونگ1و همکاران،.(1997دی اسمت2 و همکاران در سال 2000 روشی برای روندیابی جریان پیشنهاد کردند.که در این روش مسیر رواناب در طول کل مسیر جریان در حوزه با کمک توپوگرافی و با استفاده از مدل انتقال موج پخشی تعیین می شود. این روش، محاسبه توابع پاسخ بین هر نقطه شروع و پایان را ممکن می سازد. تمام این محاسبات با توابع استاندارد GIS انجام می شود. تابع پاسخ برای هر سلول شبکه به دو پارامتر بستگی دارد. یکی متوسط زمان جریان و دیگری واریانس زمان جریان. تابع پاسخ مسیر جریان در خروجی حوزه یا هر نقطه همگرا در پایین دست بوسیله تلفیق پاسخ ها از تمام سلول هایی که در سطح زهکشی توزیع زمانی مسیر جریان هستند، محاسبه می شود. این پاسخ به عنوان یک هیدروگراف واحد پیوسته در روندیابی به کار برده می شود ، و دبی کل بوسیله تلفیقی از تمام پاسخ های جریان از بارش مازاد توزیعی - مکانی بدست می آید.
.2 مواد و روش
.1-2 منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه محدوده مورد مطالعه حوزه زیارت می باشد که بـا مسـاحت 95/15 کیلـومتر مربـع و محـیط 40/51 کیلومتر در استان گلستان ، در شهرستان گرگان و بین طول جغرافیایی 54 درجه، 23 دقیقه و 53ثانیـه تـا 54 درجه ،31 دقیقه و 11 ثانیه شرقی و عرض جغرافیایی 36 درجه و 36 دقیقه و 51 ثانیه تا 36 درجه و 43 دقیقـه و 59 ثانیه شمالی قرار گرفته است. حداکثر ارتفاع حوزه 3300 متر و شیب متوسط حوزه 41/4 و بارندگی متوسـط سـالانه ، 750 میلی متر می باشد.از بعد هواشناسی این حوزه دارای اقلیم آب و هوایی معتدل تا سرد کوهستانی بیشترین میـزان بارندگی در فصول سرد سال رخ داده و میانگین ضریب رواناب در حوزه 0/54 می باشد. در شکل زیـر موقعیـت حـوزه زیارت در استان گلستان و کشور نشان داده شده است.
.2-2 روش تحقیق
مدل WetSpa یک مدل هیدرولوژیکی توزیعی برای ارتباط آب و انرژی بین خاک گیاهان و اتمسفر است.( ونگ، لیـو و همکاران). مدل براساس شبکه سلولی طراحی شده است. که در آن هر سلول شامل 4 لایـه در جهـت عمـودی اسـت : زون تاج پوشش، زون ریشه، زون انتقال و زون اشباع . مدل در هر شبکه ی سلولی با استفاده از مجموعه روابط فیزیکی و تجربی و با توجه به میزان بارندگی، دما و تبخیر و تعرق کلیه فرایند های هیدرولوژیکی و پیش بینـی سـیل از جملـه بارش ، ذخیره برگابی گیاهان، ذخیره چالابی، نفوذ، رواناب سطحی، تبخیر و تعرق،جریان زیرسطحی،جریان زیرزمینی و بیلان آب در زون ریشه و زون اشباع را شبیه سازی می کند. همچنین دبی هـای پیـک و هیـدروگراف جریـان در هـر
مکان از شبکه آبراهه را پیش بینی و توزیع مکانی فرایندهای هیدرولوژیکی را شبیه سـازی مـی کنـد. مـدل WetSpa اولین بار توسط Wang و همکاران (1996) ابداع و سپس توسط De Smedt و همکـاران (2000) ، Liu و همکـاران (2003) و (2003) Zeinivand توسعه پیدا کرده است.
تعادل آب در زون ریشه مهمترین بخش در نگهداشت آب محسوب می گردد زیرا این بخش کنترل کننده حجم رواناب سطحی ، رواناب زیرسطحی، تبخیر و تعرق و دبی و دبی آب زیرزمینی می باشد. در مدل WetSpa تعـادل آب در زون ریشه برای هر شبکه سلولی با توجه به رابطه زیر محاسبه می گردد.
که در آن D⦋L⦌ عمق ریشه، تغییرات رطوبتی خاک ، گام (انتروال) زمـانی ،p ⦋LT-1⦌ بـارش، ⦋LT-1⦌، I=Ia+Da تلفات اولیه شامل ذخیره برگابی و ذخیره چالابی در گـام زمـانی ،V ⦋LT -1⦌ روانـاب سـطحی یـا بارش مازاد، E ⦋LT -1⦌ تبخیر و تعرق، R ⦋LT-1⦌ نرخ نفوذ عمقی از زون ریشه و، F ⦋LT-1⦌ نرخ جریان زیرسـطحی در زمان می باشد.
بارش مازاد یا موثر، بخشی از یک رگبار مشخص است که در شدت های بارش بیشتر از ظرفیت نفوذ ایجاد شده که بـه شکل موقت سبب تشکیل ذخیره برگابی و یا رواناب مستقیم یا سطحی در خروجی حوزه پس از جریان در سطح حـوزه می گردد چنانچه شدت بارش از ظرفیت نفوذ محلی بیشتر باشد چنانچه شدت بـارش از ظرفیـت نفـوذ محلـی بیشـتر باشد بارش مازاد چالاب ها را پر می کند.در پایان بارش آب متوقف شده در چالاب ها ،یا تبخیر شده یا با نفوذ بـه درون خاک و جریان زیرسطحی ملحق می شود. مجموع نفوذ و ذخیره چالابی هدررفت ابتدائی در شروع بارش را شـکل مـی دهند.و در جریان رواناب شرکت ندارند.در این مدل بارش مازاد با استفاده از روش استدلالی اصلاح شده ( روش ضـریب رواناب مبتنی بر رطوبت خاک) وبر مبنای خصوصیات هر شبکه شامل شیب، کاربری، نوع خاک ، میزان بارش و رطوبت پیشین خاک محاسبه می گردد
که در آن پروزیته خاک ، C ضریب پتانسیل رواناب و ضریبی است که نماینده تـاثیر شـدت بارنـدگی بـر میـزان بارش مازاد می باشد. همچنـین میـزان جریـان زیرسـطحی (اینترفلـو) نیـز براسـاس قـانون دارسـی و معـادلات مـوج سینماتیکی محاسبه می گردد.
تبخیر و تعرق واقعی عبارت است از مجموع آب تبخیر شده از سطح خاک و گیاهان در شرایط محتوای رطوبـت واقعـی خاک بدون در نظر گرفتن میزان تبخیر از ذخیره برگابی و ذخیره چالابی.در این مدل، تبخیر و تعرق شامل چهار بخش از ذخیره برگاب ، تبخیر از ذخیره چالابی ، تبخیر و تعرق از خاک و آب های زیرزمینی می باشـد. ظرفیـت ذخیـره آب های زیرزمینی ، حجم آب های زیرزمینی در ناحیه اشباع است که متناوبا تحت شـرایط طبیعـی اسـتخراج و جـایگزین می گردد.که بدلیل عدم شناخت سنگ بستر ،روش سـاده مخـزن بـرای تعیـین دبـی آب هـای زیرزمینـی در مقیـاس زیرحوزه های کوچک مورد استفاده قرار می گیرد
روندیابی جریان
در مدل WetSpa، روندیابی جریان سطحی و جریان آبراهه با استفاده از روش معادله خطی موج پخشـی صـورت مـی گیرد.که این روش اخیرا در مدلهایی که بر پایه GIS است اسفاده شده اسـت.(فورتین3 و همکـاران..(2001 دو پـارامتر
تابع پاسخ، بر پایه متوسط زمان جریان و انحراف استاندارد زمان جریان در این مطالعه پیشنهاد شده است. زمان جریان و انحراف آن بوسیله شیب منطقه، زبری سطح و شعاع هیدرولیکی برای هر سـلول تعیـین شـده است.(شـکل 4و.( 5 از مزایای روش موج پخشی این است که از طریق جبری قابل حل بوده و نیازی به محاسبات عددی و تعیین دقیق شرایط مرزی ندارد. با این فرض که یک سلول به صورت بازه ای با جریان یک بعدی غیرماندگار بوده و با صرف نظـر از شـرایط مانند معادله ممنتم سنت ونانت ، فرایند جریان سلول را می توان با استفاده از معادله خطی موج پخشی سنت ونانت به صورت زیر شبیه سازی نمود. (میلر و کانژ(1975 4
که در آن Q دبی جریان در زمان t (ثانیه) و در مکان x (متر)، c سرعت موج سینماتیکی در سلول که بستگی دارد بـه سرعت در طی مسیر جریان و d [L2T 1] ضریب پخش در مکان است. Cو d می تواند با استفاده از طریق روابط زیـر محاسبه شود.
c = (5/3)v و d = (vH)/(2S 0) (هندرسن5،(1966، که در آن v سرعت جریـان کـه بـا اسـتفاده از معادلـه منینـگ محاسبه شده است ، H شعاع هیدرولیکی و یا متوسط عمق جریان است. شعاع هیدرولیکی را مـی تـوان بـا اسـتفاده از یک رابطه توانی با احتمال وقوع تعیین کرد (مولنز و رامبرز.( 1998 6این رابطه شـعاع هیـدرولیکی را بـا سـطح کنتـرل مرتبط ساخته و رفتار تقریبی سلول و شکل هندسی کانال را نشان می دهد. .(شکل (6
که در آن H شعاع هیدرولیکی ، Ad سطح زهکش در بالادست سلول (کیلـومتر مربـع) کـه بـا اسـتفاده از تـابع تجمـع جریان در GIS تعیین شده است، (-) a ثابت شکل آبراهه و (-)b توان مقیاس ژئومتری (که هر دو پـارامتر بـه فراوانـی دبی بستگی دارند) می باشد. پارامترهای aو b براساس مشخصات حوزه تخمین زده شده اند
