بخشی از مقاله
چکیده
سیل به عنوان یک چالش زیستمحیطی در حوزههاي آبخیز و پیشبینی آن با رویکردهاي دقیق و سریع همواره مورد توجه آبخیزنشینان، مدیران و برنامهریزان بوده است. بدین منظور در این تحقیق با استفاده از مدل هیدرولوژیکی توزیعی- مکانی WetSpa، شبیهسازي جریان سیل در حوزه آبخیز طالقان از زیرحوزههاي سفیدرود صورت گرفت.
در این تحقیق، حوزه به پیکسلهاي 85×85 مترتقسیم شده و با استفاده از دادههاي بارش، تبخیر و تعرق، دما و دبی روزانه یک دوره آماري 10 ساله - 1375-1384 - ، همچنین ترکیب سه نقشه اصلی مدل DEM، بافت خاك و کاربري اراضی، دبیهاي پیک و هیدروگراف جریان را در هر مکان از شبکه آبراهه پیشبینی و توزیع مکانی خصوصیات هیدرولوژیکی شبیهسازي شد.
با روندیابی جریان سطحی در طول مسیر توپوگرافی جریان با استفاده از مدل انتقال موج پخشی توابع پاسخ به دستآمد. حوزه مورد مطالعه با مساحت 804/475 کیلومترمربع در دامنه جنوبی بخش شمال شرقی رشته کوههاي البرز واقع شده و با 591 میلیمتر متوسط بارندگی در سال، 4/48 درجه سانتیگراد متوسط دماي سالانه و با شیب متوسط % 40/48 از حوزههاي کوهستانی میباشد.
ارتفاع میانگین حوزه معادل 2750 متر و حداکثر ارتفاع آن 4362 متر میباشد. هیدروگرافهاي شبیهسازي شده و مشاهداتی به صورت گرافیکی و آماري مقایسه شد. نتایج نشان میدهد تطابق بسیار خوبی بین دادههاي شبیهسازي مدل و مشاهداتی وجود دارد. دقت بالاي 84/85 درصد در شبیهسازي بر اساس ضریب نش- ساتکلیف، کارایی بالاي مدل را نشان میدهد. با توجه به خروجی مدل و فاکتورهاي هیدرولوژیکی با توزیع مکانی در هر گام زمانی مدل قابلیت آنالیز اثرات توپوگرافی، بافت خاك و کاربري اراضی در رفتار هیدرولوژیکی حوزه را دارد.
مقدمه
با تلفیق مدلسازي سیل و GIS امکان گزینش روشهاي کنترل سیل و الویت بندي مکانی سیلخیزي فراهم میشود. به علت محدودیت دامنه آمار و روشهاي اندازهگیري پارامترهاي هواشناسی و هیدرومتري و عدم وجود شبکه قابل قبولی از ایستگاههاي درجه یک و دو استفاده از مدلهاي شبیهسازي جریان در حوزههاي آبخیز اجتنابناپذیر میباشد.
مدلها را میتوان به منظور بررسی و مدیریت منابع آب، برآورد جریان رودخانه، پیشبینی سیل و طراحی عملیات مهندسی به دو گروه مدلهاي میانگین و مدلهاي توزیعی طبقهبندي کرد Booij - ، 2002؛ Beven، . - 2000 تعدادي از مدلها براي ساده کردن پارامترهاي ورودي و نیازهاي محاسباتی، ناهمگنی مکانی ذاتی طبیعت را در نظر نمیگیرند و شرایط را همگن فرض میکنند به این دسته مدلها، مدلهاي میانگین گفته میشود.
در مقابل، مدلهایی که تغییرات مکانی پارامترها و فرآیندها را در نظر میگیرند مدلهاي توزیعی نامیده میشوند - نجفینژاد، . - 1389 مدل سازي هیدرولوژیکی حوزههاي بزرگ و متوسط به دلیل عدم ادراك کامل سیستم هیدرولوژیکی و رفتار تصادفی متغیرها و فرآیندهاي هیدرولوژیکی پیچیده میباشد Beven - ، . - 2000 با توجه به ناهمگنی و عدم یکنواختی در توپوگرافی، خاك، پوشش/کاربري اراضی و عوامل ژئولوژیکی، تغییر اقلیم در زمان و مکان در این حوزهها و برآورد واقعیتر از سیستم فیزیکی، استفاده از مدلهاي هیدرولوژیکی توزیعی نسبت به مدلهاي میانگین ارجحیت دارد Nurmohamed - و همکاران، . - 2006
مدلهاي هیدرولوژیکی-توزیعی پیچیدهاي توسعه داده شده است که به دادهها و اطلاعات اندازهگیريشده فراوانی نیاز دارند که در بسیاري از حوزههاي آبخیز بسیاري از کشورها از جمله کشور ایران، چنین دادههاي اندازهگیريشده وجود ندارد و این عامل، کاربرد این مدلها را با مشکل مواجه ساخته است. بنابراین در انتخاب مدل مناسب، باید به مؤلفههایی مانند توزیعی یا یکپارچه بودن، فیزیکی یا تجربی بودن ساختار آن، ساده یا پیچیده بودن و در دسترس بودن یا نبودن دادههاي مورد نیاز به عنوان ورودي مدل و یا براي واسنجی توجه داشت - زینیوند، Liu
. - 1389 و همکاران - 2003 - با تست مدل هیدرولوژیکی- توزیعی WetSpa1 در حوزه آلزیت لوکزامبورگ با دادههاي دبی و رواناب ساعتی مشاهده شده در30 ماه و تعیین عملکرد انتقال موج پخشی جریان به این نتیجه رسیدند که این مدل توانایی بالایی در بررسی تأثیر تغییرکاربري اراضی یا پوششخاك بر روي رفتار هیدرولوژي رودخانه دارد.
Bahremand و همکاران - 2006 - شبیهسازي جریان رودخانه را با استفاده از مدل WetSpa، در رودخانه هورناد4 حوزه اسلواکی مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که انطباق خوبی بین هیدروگراف حاصل از مدل با هیدروگراف مشاهداتی وجود دارد و مدل هیدروگرافهاي روزانه را با دقت خوب 75-85 درصد پیشبینی می-کند.
- 2009 - Zeinivand و Zeinivand و - 2009 - De Smedt با توسعه مدلWetSpaبر اساس یکسري معادلات غالبا فیزیکی، ماژول فرسایش و انتقال رسوب را به این مدل اضافه نمودند. هدف از این تحقیق شبیهسازي جریان رودخانه و برآورد روانابسطحی جهت شناسایی مناطق با پتانسیل تولید رواناب زیاد جهت الویتبندي در سیستمهاي برنامهریزي و تدابیر حفاظت آب و خاك با استفاده از مدل هیدرولوژیکی توزیعی- مکانی WetSpa می باشد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
حوزه آبخیز طالقان از زیرحوزههاي حوزه آبخیز سفیدرود با مختصات جغرافیایی 36 º 31 ' 5" و 36º 23' 37" عرض شمالی و 50º 21' و 51º 1' 16" طول شرقی و مساحت 804/475 کیلومترمربع در دامنه جنوبی بخش شمال شرقی رشته کوههاي البرز واقع شده است. متوسط بارندگی در سال 591 میلیمتر و متوسط دماي سالانه 4/48 درجه سانتی- گراد میباشد. با ارتفاع متوسط معادل 2750 متر و حداکثر ارتفاع 4362 متر و شیب متوسط % 40/48 ازحوزههاي کوهستانی محسوب میشود. خروجی حوزه به ایستگاه هیدرومتري گلینک منتهی میشود. شکل 1 موقعیت جغرافیایی آبخیز طالقان را در استان تهران نشان میدهد.
روش تحقیق
مدل WetSpa
این مدل یک نوع مدل هیدرولوژیکی و فرسایشخاك است - زینیوند، - 2009 که قابلیت پیشبینی سیلاب و شبیه- سازي بیلان آبی، فرسایش و انتقال رسوب، بررسی تأثیر تغییر اقلیم و کاربري اراضی در فرآیندهاي هیدرولوژیکی، کیفیت آب و مدیریت آبخیز را در مقیاس حوزه، زیرحوزه و شبکه سلولی با گامهاي زمانی مختلف داراست. بارش نیروي محرکه اصلی و ورودي پالسی و حساس مدل است که خطا در اندازهگیري آن منجر به خطاي بیشتر در دادههاي شبیهسازي شده خواهد شد. مدل بر اساس شبکهسلولی طراحی شده که در آن هر سلول شامل چهار لایه تاج پوشش، زون ریشه، زون انتقال و زون اشباع در جهت عمودي میباشد.
براي هر سلول منفرد رستري خصوصیات خاك، بارش، مقدار رطوبت خاك، پوشش گیاهی و پوشش زمین ایزوتروپیک و هموژن فرض میشود. مدل در هر شبکه سلولی با استفاده از مجموعهاي از روابط فیزیکی و تجربی و با توجه به میزان بارندگی، دما و تبخیر و تعرق، کلیه فرآیندهاي هیدرولوژیکی و پیشبینی سیل از جمله مقدار بارش، ذخیره برگابی گیاهان، ذخیره چالابی، نفوذ، رواناب سطحی، آبگذري، جریان زیرسطحی، جریان آب زیرزمینی و بیلان آب در زونهاي ریشه و اشباع را شبیه سازي نماید.
همچنین دبیهاي پیک و هیدروگراف جریان در هر مکان از شبکه آبراهه را پیشبینی و توزیع مکانی فرآیندهاي هیدرولوژیکی را شبیهسازي میکند. مدل WetSpa اولین بار توسط Wang و همکاران - 1996 - ابداع و سپس توسط De Smedt و همکاران - - 2000، Liu و همکاران - 2003 - و - 2009 - Zeinivand توسعه پیدا کرده است. شکل2 ساختار مدل WetSpa در مقیاس سلولی را نشان میدهد.
