بخشی از مقاله
چکیده:
بهمنظور بکار بردن موفقیت آمیز مدلهاي هیدرولوژیکی، میبایست پارامترهاي مدل بدقت تعیین شود. بدلیل فقدان اطلاعات فیزیکی مشخص و همچنین اندازهگیريهاي میدانی که بسیار هزینهبر هستند، اندازهگیري مستقیم همهي مقادیر پارامترهاي مدل امکان پذیر نمیباشد. بنابراین تخمین پارامترها معمولاً بوسیله برازش خروجی مدل و دادههاي مشاهدهاي در یک فرایند سعی و خطا انجام میشود.
از طرف دیگر کاربرد موفقیت آمیز مدلهاي هیدرولوژیکی بستگی به دقت واسنجی مدل دارد. بنابراین قبل از بکار بردن نتایج مدل براي تصمیم گیريهاي مختلف باید واسنجی جهت افزایش قابلیت اطمینان مدل بهدقت انجام شود. شبیهسازي جریان رودخانه در حوزههاي آبخیز و بویژه در حوزههایی که به نوعی با مناطق شهري در ارتباط هستند، براي کمک به مدیریت و برنامه ریزي کارامدتر امري ضروري می باشد.
لذا در این پژوهش سعی شده است با استفاده از مدل بارش- رواناب IHACRES جریان رودخانهاي براي حوزهي آبخیز چهلچاي که به طور مستقیم شهرستان مینودشت - استان گلستان - را نیز تحت تاثیر قرار میدهد، شبیهسازي شود. مدل IHACRES داراي 3 متغییر ورودي: بارش روزانه، دماي روزانه و دبی روزانه میباشد. ابتدا مدل با دادههاي روزانه دبی 7 سال - 1368-74 - واسنجی گردید و سپس در طول دورهي آماري1381-87 اعتبارسنجی شد. از معیارضریب همبستگی جهت فرایندهاي واسنجی مدل استفاده گردید. نتایج نشان داد که مدل IHACRES قادر به شبیهسازي دبی روزانه را براي حوزهي آبخیز چهلچاي با ضریب همبستگی 0 /514 میباشد.
مقدمه:
بهرهبرداري و استفادهي مطلوب از منابع آب و مدیریت بهینهي آن مستلزم شناخت بهتر مدل هیدرولوژیکی است. بارش و به دنبال آن تشکیل رواناب سطحی از فازهاي مهم چرخهي هیدرولوژیکی محسوب می شود و اساس کار مدل هیدرولوژیکی بررسی بین بارش و رواناب است - Gupta و همکاران، . - 1999 براي توسعهي مدلهاي جدید هیدرولوژیکی و مدیریت آب نیازمند به افزایش مدلهاي موجود میباشیم، براي مثال افزایش بارش ممکن است فرسایش آبی را در حوزه ها تسریع کند و احتمال رخداد سیل را در مناطق شهري بالا ببرد. و اثرات اقتصادي-اجتماعی و محیطی را در پی دارد - Chi.M.Ho و همکاران، ۴٢٠٠ - .
لذا یکی از تحلیلهاي رایج و کاربردي در زمینهي هیدرولوژي، تخمین رواناب سطحی یک حوزهي آبخیز بر اساس توزیع بارش آن می باشد، دلایل مختلفی براي ارائهي مدلهاي بارش و رواناب وجود دارد. طبق نظر Beven در سال ١٩٩٩ دلیل اصلی این مسئله محدودیت در اندازهگیري مشخصات هیدرولوژیکی منطقه مورد مطالعه میباشد. با توجه به شرایط موجود در بسیاري از حوزههاي آبخیز کشور از لحاظ کمبود آمار و پیچیدگیهاي زیاد اکوسیستمهاي هیدرولوژیکی و عدم امکان شناخت کامل آنها استفاده از روشهایی که بتوان با کمک آنها میزان رواناب حاصل از بارندگی را در حوزههاي فاقد آمار و یا داراي آمار ناقص تخمین زد، از اهمیت قابل توجهی برخوردار است - نجفی،. - 1381
از آنجا که در حوزههاي آبخیز امکان اندازهگیري تمام کمیتهاي مورد نیاز جهت بررسی عکسالعمل حوزه میسر نمیباشد لذا انتخاب مدلی که بتواند در عین سادگی ساختار، با استفاده از حداقل اطلاعات ورودي مورد نیاز، پیش بینی با دقت قابل قبولی را ارائه کند امري ضروري به نظر می رسد - شریفی و همکاران،. - 1383 این مدلها یک نقش بنیادي در پروژه هاي محیطی، مدیریت و احیا دارند - Singh، ۵١٩٩ - . مدل بارش- رواناب فقط جریانهاي مداوم با یک مرحله ي زمانی تاخیري را مدلسازي میکند. و یکی از مدلهاي بنیادي در هیدرولوژي است.
یکی از کاربردهاي این مدلها پیش بینی اثرات هیدرولوژیکی شهرسازي از قبیل سیلاب می باشد - Chi.M.Ho و همکاران، ۴٢٠٠ - . مدلهاي هیدرولوژیکی از نظر مکانی به دو گروه -1 مدلهاي توزیعی - - Distributed و -2 مدلهاي یکپارچه - - Lumped تقسیم بندي میشوند. یکی از مزایاي مدلهاي توزیعی این است که توزیع مکانی عوامل موثر در رویداد مورد نظر، در نظر گرفته می شود - Fohrer و همکاران، . - 2002 در این مدلها، حوزه به واحدهاي کوچکی تقسیم میشود و براي هر کدام به صورت مستقل مدلسازي صورت میگیرد و سپس با ترکیب آنها با هم، پاسخ حوزهي اصلی محاسبه می شود.
در مدلهاي یکپارچه که مدل IHACRES نیز در آن طبقه قرار میگیرد، متغیرها و پارامترهاي ورودي براي تمام سطح حوزه به طور یکسان در نظر گرفته شده و تغییرات مکانی آنها در نظر گرفته نمیشود - Liu ، . - 2006 مشخصات هیدرولوژیکی تمام حوزه در یک یا چند پارامتر و عبارت ریاضی خلاصه شدهي ساده و یا نمودار جمع می شود. و این مدلها نمی توانند اجزاء مختلف حوزه را به طور جداگانه شبیه سازي کنند. در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از مدل نیمه مفهومی- یکپارچه IHACRES و بهرهگیري از 3 ورودي دماي روزانه، بارش روزانه و رواناب روزانه مدلسازي بارش _ رواناب براي حوزهي آبخیز چهلچاي مورد بررسی قرار گیرد.
مواد و روش ها:
روش پژوهش:
با توجه به پژوهش هاي انجام شده و آگاهی کلی از منطقهي مورد مطالعه، آمار و دادههاي مورد نیاز از سازمانهاي مربوطه جمعآوري گردید. و از بین دادههاي موجود سال آبی - 1989-1996 - 1368-74 براي دوره واسنجی - Calibration - و سال آبی - 2001-2009 - 1381-87 براي دوره ي اعتبار سنجی - - Validation مدل انتخاب شد.
متدولوژي - اسلوب شناسی - :IHACRES
تاکید زیادي بر مدلسازي رفتار قابل شناسایی رفتار بارش- رواناب در مقیاس یک حوزهي آبریز به جاي فرایندهاي هیدرولوژي کوچک مقیاس که توسط آن بارندگی منجر به ایجاد جریان هاي آبی می شود وجود دارد. با وجود این، به منظور افزایش جذابیت فیزیکی، ساختار مدل به کار برده شده در IHACRES مفهوم دقیقی از فرایندهاي یک حوزهي آبریز بزرگ مقیاس را در خود میگنجاند. مدل IHACRES شامل 2 مدول است که به ترتیب در شکل - - 1 نشان داده شده است.
تصور بر این است که رابطهي خطی بین بارش و رواناب وجود دارد - بارش موثر براي مرحله ي زمانیk این است که بخشی از بارش که در نهایت به صورت رواناب حوزه را ترك کرده و با بیان می شود - . این به نوبه ي خود امکان استفاده از تئوري معروف هیدروگراف واحد را بوجود میآورد و حوزه را به عنوان یک الگوي ساختاري با ذخایر خطی تعریف می کند و به صورت سلسله مراتب یا موازي عمل میکند. بنابراین، تعیین دقیق مفهوم در بخشی از این مدل این است که میزان رطوبت حوزه با توجه به آخرین بارش و تبخیر و تعرق متغیر میباشد.
شاخص رطوبت حوزه - به طور ایده آل ١< <٠ - در هر مرحلهي زمانی بر اساس آخرین دما و بارندگی محاسبه میشود - کاربرد این متغیر از نظر اثرات تبخیر و تعرق براي اهداف مقدماتی می باشد - . درصد بارش براي هر مرحلهي زمانی که به بارش موثر تبدیل می شود به طور خطی بین %0 و %100 همچنان که شاخص رطوبت حوزه - - بین 0 و 1 متغیر است، تغییر می کند. مفهوم دقیق شاخص رطوبت حوزه این است که بیانگر نسبت سطح حوزه در مرحلهي زمانی k می باشد که در نهایت باعث بوجود آمدن رواناب می شود اما این مسئله به منظور تعمیم تغییر فیزیکی شاخص رطوبتی حوزه، مهم نمی باشد.
تعیین دقیق مفهوم فرایندهاي با توزیع مکانی هم در مدول خطی و غیر خطی مدل IHACRES محدود است. اما یکی از مزایاي رویکرد متغیر از نظر مکانی - - Lumped - نقطهاي - ، این است که مدل نه تنها مستلزم تعداد کمی پارامتر است، در واقع، نتایج استفاده از متدولوژي تایید میکند که تنها تعداد کمکی از پارامترهاي مدل را میتوان از سريهاي زمانی دادههاي دما، رواناب و بارش حوزه شناسایی کرد. معمولا در مدول غیرخطی 3 پارامتر و در مدول خطی نیز 3 پارامتر وجود دارد که به طورکلی مجموعاً داراي 6 پارامتر میباشد. در اسلوب شناسی IHACRES علی رغم سادگی ساختارياش، عملکرد بسیار خوبی در حوزههاي زیادي داشته است - زارعی و همکاران، . - 1388
