بخشی از مقاله
چکیده
شبیه سازی بارش - رواناب از موضوعات اصلی مورد توجه مهندسین علم هیدرولوژی است. در مواردی که تنها لازم است جریان در خروجی حوضهی آبریز شبیه سازی شود، مدلهای مفهومی اغلب بر انواع دیگر مدلهای بارش رواناب از جمله مدلهای مبنا فیزیکی ترجیح داده میشوند زیرا ضمن ارایهی پاسخ قابل قبول، به تلاش محاسباتی و دادههای مفهومی کمتری نیاز دارند.
در این پژوهش جهت واسنجی ، صحت سنجی و در نتیجه شبیه سازی جریان در یکی از زیر حوضههای آبریز قرهسو از مدل بارش رواناب IHACRES استفاده شد و میزان خطای بین مقادیر جریان مشاهدهای و محاسبه شده توسط مدل، بر اساس معیارهای RMSE و D - NSE در مدل - برآورد گردید. مدل یاد شده در دورهی 1988-2009 میلادی کالیبره و با D=0.922 ، R2=0.932 و RMSE=1.58 در مرحله کالیبراسیون و D=0.75 ، R2=0.67 و RMSE=2.3 در مرحله صحت سنجی، عملکرد خوبی را از خود نشان داد.
مقدمه
استفادهی بهینه از منابع آب، مستلزم شناخت پدیدههای هیدرولوژیکی میباشد. رواناب سطحی یکی از مهمترین و کاربردیترین فازهای چرخهی هیدرولوژیکی به شمار میرود که برآورد دقیق آن به عنوان یکی از عملیات محوری و اساسی در زمینهی مدیریت منابع آب محسوب میشود همچنین پیش بینی آن برای بهره برداری مطلوب از یک سیستم هیدرولوژیکی نقش مهمی دارد. برآورد رواناب با توسل به مدلهای مختلف هیدرولوژیکی که از روشهای مختلف نظری بهرمند میشوند، صورت میگیرد. اساس کار مدلهای هیدرولوژیکی روابط بین بارش و رواناب حاصل از آن است. بدین منظور از معادلات ریاضی و همچنین خصوصیات حوضهی آبریز استفاده میکند
مدلهای زیادی از اوایل دههی 1960 توسعه داده شده است، تا فرآیند بارش رواناب را شبیه سازی کنند. در این میان مدلهای مفهومی بارش رواناب بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. در مدلهای مفهومی، همهی فرآیندهای بارش رواناب به صورت مفاهیم ساده شده توصیف میشود. در مواردی که تنها لازم است جریان در خروجی حوضهی آبریز شبیه سازی شود، مدلهای مفهومی اغلب بر انواع دیگر مدلهای بارش رواناب از جمله مدلهای مبنا فیزیکی ترجیح داده میشوند زیرا ضمن ارایهی پاسخ قابل قبول، به تلاش محاسباتی و دادهپهای مفهومی کمتری نیاز دارند
مدلهای مفهومی از تعدادی پارامتر برخوردارند که چکیدهای از ویژگیهای حوضه هستند. بیشتر این پارامترها از کمیت-های قابل اندازه گیری حوضه به دست نمیآیند و لازم است از راه واسنجی مدل برآورد شوند - یاپو وهمکاران، . - 1998 بیشتر مدلهای مفهومی بارش رواناب، به ویژه نوع پیوستهی آنها از شمار زیادی پارامتر برخوردارند و سری پارامترهای مناسب باید در یک فضای بزرگ چند بعدی یافت شوند . از سوی دیگر سطح پاسخ تابع هدف این مدلها اغلب از بهینههای موضعی زیادی برخوردار هستند
واسنجی مدل به هر یک از دو روش دستی یا خودکار انجام میشود. در واسنجی دستی از یک فرآیند سعی و خطا برای تنظیم پارامترها استفاده میشود. واسنجی دستی، به ویژه برای افرادی که دانش و تجربه ی زیادی در مورد مدل و پارامترهای آن ندارند، یک امر زمان بر و خسته کننده است. واسنجی خودکار، با استفاده از کامپیوتر و بر مبنای یک الگوریتم بهینه یابی، سریعتر و مؤثرتر انجام میشود
یی و همکاران، - 1997 - مدل IHACRES1 را برای سه حوضهی آبریز با آبدهی محدود در استرالیا - به ترتیب با مساحت 0,82، 15 و 517 کیلومترمربع با میانگین آبدهی سالانهی تقریبا 10 ، 12 و 2 در صد بارش - در پایههای زمانی روزانه به کار بردند. عملکرد آن با یک مدل مفهومی 22 پارامتری - LASCAM - 2 و یک مدل مفهومی 8 پارامتری - GSFB - 3 مقایسه شده بود.
خطای مطلق برآورد جریان روزانه با استفاده از مدل IHACRES ، در دورهی ارزیابی 10میلی متر در روز محاسبه شده بود. در ضمن نشان دادند که مدل LASCAM روی هم رفته در هر دو دورهی ارزیابی و کالیبراسیون با یک میانگین انحراف مطلق برابر 0,08 میلی متر در روز نسبت به IHACRES بهتر عمل کرده است. دی و کروک، - 2003 - به منظور ارزیابی پیش بینیهای جریان در دو حوضهی آبخیز آفریقای جنوبی از مدل IHACRES استفاده کرده و به این نتیجه رسیدند که جریان پیش بینی شده در حوزه لامبر چباس در دو دوره گوناگون - در دورهی پیش از جنگلکاری R2=0.81 و Bias=25.8 - mm/yr - و در دورهی پس از جنگلکاری R2=0.81 و - Bias=8.4 دقت قابل قبولی داشته است. شبیه سازی جریان در حوضهی گروت نیلریور نیز برای دورههای نسبتا کوتاه 3-2 سال قابل قبول بوده، اما کارایی مدل در دورههای زمانی طولانی تر به دلیل پیش بینی های ضعیف در برخی سالهای معین کاهش یافته بود. دلیل اصلی این امر ارزیابیهای ضعیف بارش حوضه در برخی سال ها نسبت داده شده است.
لیتلوود و همکاران، - 2007 - با استفاده از پیش بینی بارش، جریان روزانه رودخانه را در دو حوضه در کشور برزیل شبیه سازی کردند. نتایج آنها نشان داد که برای دو مدل آماری به کار رفته برای این دو حوضه با رژیم جریان متفاوت، مدل سادهتر که مبتنی بر هیدروگراف واحد بوده و برای کالیبراسیون تنها نیاز به دادههای بارش، جریان و درجه حرارت دارد، تقریبا به خوبی مدلهای پیچیدهتر حوضه که به دادههای اضافی مانند تصاویر ماهوارهای و نقشههای رقومی ارتفاع و کاربری اراضی و خاک نیاز دارند، عمل میکند.
مدلهای بارش رواناب توانایی شبیه سازی فرآیندهای داخل حوضه را دارا هستند و ابزاری جهت تعیین رواناب و مطالعهی فرآیندهای هیدرولوژیکی هستند. در بین مدلهای بارش رواناب، مدل IHACRES به علت دادههای اندک مورد نیاز بدون صرف زمان و هزینهی زیاد برای تهیه دادهها، به آسانی میتواند در بسیاری از حوضههای آبخیز به کاربرده شود - کروک و همکاران، . - 2006 هدف از انجام این پژوهش، کالیبراسیون مدل IHACRES و صحت سنجی و بررسی میزان کارایی آن در شبیه سازی جریان در یکی از زیر حوضههای آبریز قرهسو میباشد.
مواد و روشها
منطقهی مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه این تحقیق حوضه آبریز بالادست ایستگاه هیدرومتری دو آب مرگ است که یکی از زیر حوضههای قرهسو کرمانشاه میباشد. ایستگاه هیدرومتری دوآب مرگ در طول جغرافیائی - َ 47ْ - 46 و عرض جغرافیائی - َ33ْ - 34 واقع شده است و ارتفاع آن از سطح آبهای آزاد 1290 متر می باشد. این ایستگاه در سال 1332 تأسیس شده و از نظر تجهیزات هیدرومتری جزء ایستگاههای درجه دو و دارای اشل و پل تلفریک و لیمنوگراف میباشد. مساحت زیر حوضه تحت پوشش این ایستگاه 1260 کیلومتر مربع میباشد. شیب متوسط پروفیل طولی رودخانه در این مسیر 0.18 درصد است. محل قرارگیری ایستگاه دو آب مرگ، واقع بر رودخانه ی قره سو در شکل 1 نمایش داده شده است.
شکل - : - 1 محدوده فیزیوگرافی حوضه آبریز رودخانه قرهسو
ساختار مدل IHACRES
مدل بارش – رواناب IHACRES - تعیین هیدروگرافهای واحد و اجزای جریانهای ناشی از داده هایبارش، تبخیر و جریان رودخانه - به گونهی مشترک به وسیلهی هیدرولوژیستهای مرکز مدیریت و ارزیابی جامع حوضه ی آبخیز - ICAM - دانشگاه ملی استرالیا، کنبرا و مرکز اکولوژی و هیدرولوژی - CEH - انجمن پژوهشهای زیست محیطی انگلستان توسعه یافته است که به صورت مستمر در مجلههای مرتبط با هیدرولوژی توضیح داده شده است.
هدف IHACRES کمک به هیدرولوژیستها و مهندسین منابع آب برای مشخص کردن روابط بین بارش و رواناب حوضه میباشد. از جمله قابلیتهای مدل عبارتند از: تعیین هیدروگراف واحد حوضه - UH - ، مدل در آوردن رواناب برای سریهای زمانی دائمی، مطالعه رژیم هیدرولوژیکی تغییرات محیطی ، مدل سازی رواناب، بدست آوردن هیدروگراف مجزا - برای مثال، برای کمک به تحقیق در زمینه کیفیت آب - ، استخراج شاخص جریان آرام - SFI - ، استخراج مشخصههای عکس العمل جریان - DRCs - ، پیدا کردن رابطهی بین DRCs و خصوصیات فیزیکی حوضه - PCDs - ، آموختن تئوری هیدروگراف واحد و کاربردهای آن، نسبت بین اطمینان کیفیت دادههای هیدرومتری و کنترل کیفیت دادههای هیدرومتری - QA/QC - ، بازسازی دادههای رواناب.
این مدل شامل دو بخش است، به طوریکه در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل - : - 2چگونگی شبیه سازی بارش-رواناب مدل IHACRES همراه با مدولهای خطی و غیر خطی
مدل IHACRES دارای شش پارامتر است که سه پارامتر آن مربوط به بخش تلفات غیر خطی 1/c ، τw و که به ترتیب عبارتند از: ظرفیت ذخیرهی رطوبت حوضهی آبخیز، مدت زمانی که طول میکشد حوضهی آبخیز خشک شود و فاکتور تعدیل حرارت حوضه و سه پارامتر مربوط به بخش تابع تبدیل خطی - q - و - s - - به ترتیب مدت زمانیکه طول میکشد جریان سریع و آهسته کاهش یابد - و ν - s - - حجمی از جریان آهسته که در ایجاد جریان رودخانه مشارکت دارد - میباشد. شکل 3 ساختار کلی مدل را نشان میدهد.
