بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق با هدف بررسی توانایی مدلهای توزیعی در شبیهسازی رواناب سطحی حوزه آبریز، از مدل توزیعی GSSHA برای برآورد هیدروگراف سیل در حوزه ناورود به عنوان حوزه معرف غرب گیلان استفاده شده است. برای این منظور 9 رخداد بارش - رواناب بین سالهای آبی 1380-81 تا 1388-89، در حوزه ناورود، انتخاب و به روش باتون دبی پایه از دبی جریان کلی رودخانه در محل ایستگاه خرجگیل جدا گردید.
برای واسنجی مدل 5 رخداد بارش - رواناب انتخاب و مقادیر ضریب زبری سطوح و آبراههها و هدایت هیدرولیکی و رطوبت اولیه خاک حوزه تعیین گردید. پس از واسنجی پارامترهای مورد اشاره مقداردهی مدل با میانگین این ارقام، اعتبارسنجی مدل به وسیله 4 رخداد بارش- رواناب انجام شد.
نتایج، نشان داد که مدل توزیعی GSSHA در برآورد مقدار دبی اوج ازکارآیی و موفقیت بالا و در تخمین زمان اوج هیدروگراف جریان سطحی از موفقیت نسبی برخوردار بوده است. اما موفقیت مدل در برآورد حجم جریان سطحی، با تردید همراه است. در مجموع میتوان گفت دقت مدل توزیعی GSSHA به شدت تحت تأثیر تفکیک پذیری زمانی و مکانی دادههای مورد نیاز در مورد همه فرایندهای هیدروکلیمایی مؤثر بر سیلاب حوزههای آبریز است.
مقدمه
رواناب در حوزههای آبریز را میتوان با بهرهگیری از مدلهای یکپارچه و یا توزیعی برآورد نمود. در مدلهای یکپارچه برای رسیدن به شرایط ساده، میانگینی از خصوصیات حوزه آبریز در کل سطح آن به طور یکنواخت در نظر گرفته شده و از ناهمگنیهای موجود صرف نظر میشود
در مدلهای توزیعی با ساختار رستری، حوزه توسط شبکه-ای از سلولها به اجزای کوچک تقسیم میشود و پارامترهای مدل بر پایه خصوصیات فیزیکی زمین، خاک و پوشش گیاهی در هر سلول مقداردهی میشود. بارندگی و سایر دادههای هواشناسی نیز در هر سلول میانیابی گردیده و رواناب حاصل در مسیر جریان تا آبراهه روندیابی میشود.
یک مدل پایه فیزیکی دربر گیرنده حل معادلات بقای جرم، مومنتم و انرژی بوده و بر خلاف مدلهای مفهومی برای مدلسازی فرآیند تشکیل جریان سطحی و حرکت جریان در خلل و فرج خاک و یا تبادلات انرژی در فرآیند تبخیر و تعرق از معادلات دیفرانسیل استفاده میکند. مدل GSSHA - Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis Model - که یک مدل پایه فیزیکی بوده و قادر است فرایند تشکیل جریان سطحی حوزه آبریز را به صورت دو بعدی شبیه سازی نماید، با حمایت مرکز تحقیقات و توسعه رسته مهندسی ارتش آمریکا توسعه یافته است.
این مدل با افزودن قابلیتهای جدید به مدل CASC2D امکان شبیهسازی و نمایش اثرات متقابل جریان سطحی و زیرسطحی را در شرایط اشباع فراهم ساخته است. این مدل با توجه به شرایط مرزی و با استفاده از روش تفاضل محدود شبکهای، معادلات موج پخشودگی را متناسب با ساختار شبکه سلولی حوزه حل مینماید - ویو . - 2004 در تحقیق حاضر از مدل توزیعی GSSHA برای برآورد هیدروگراف سیل در حوزه ناورود - حوزه معرف غرب گیلان - ، که یک حوزه کوهستانی با پوشش غالب جنگلی است، استفاده شده است.
مواد و روشها
-1 معرفی مدل GSSH
مدل GSSHA در برگیرنده اجزای مختلف چرخه هیدرولوژی شامل بارش توزیعی، انباشت و ذوب برف، برگاب، نفوذ، تبخیر و تعرق، نگهداشت سطحی آب، روندیابی رواناب سطحی، روندیابی جریان در کانال، جریان در منطقه اشباع نشده، جریان آب زیرزمینی اشباع شده، فرسایش در سطح، انتقال، ته نشست و روندیابی رسوب در کانال می باشد
از زمان ارائه اولین نسخه مدل GSSHA تا کنون تحقیقات بیشماری انجام شده است. از جمله نیدزیالک و همکارانش - 2003 - در تحقیقی کارایی مدل توزیعی پایه فیزیکی GSSHA و مدل یکپارچه HEC-1 را در شبیه سازی فرایند بارش- رواناب در حوزهای شهری به مساحت تقریبی یک کیلومتر مربع مورد مقایسه قرار دادند. آنها با بررسی 40 رویداد بارش در حوزه شهری نتیجه گرفتند که مدل GSSHA به طور قابل توجهی در شبیه سازی هیدروگراف سیل حوزه شهری موفقتر بوده و دلیل این امر را توانایی مدل در شبیه سازی شرایط متغیر مکانی پیچیده با به کارگیری معادلات هیدرودینامیکی دانستند.
داونر و اگدن - 2004 - تواناییهای مدل GSSHA را در حوزهای کوچک مورد سنجش قرار دادند. آنها با استناد به نتایج واسنجی و صحت سنجی، مدل GSSHA را در برآورد رواناب در حوزههایی با مکانیسم پیچیده در حالتی که جریان سطحی و زیرسطحی تاثیر متقابل قابل توجهی بر یکدیگر دارند بسیار کارآمد توصیف نمودند.
همچنین فونگ و همکارانش - 2007 - طی تحقیقی به بیان نتایج اجرا و واسنجی مدل توزیعی GSSHA در حوزهای به مساحت 230 کیلومتر مربع در ایالت کالیفرنیا پرداختند. آنها با اجرای واسنجی در بازه 120 روزه مقادیر بهینه پارامترهای رطوبت اولیه خاک، زبری سطوح، زبری کانال و هدایت هیدرولیکی خاک را استخراج و بر اساس تحلیلهای نکویی برازش PBIAS و NS توانایی مدل در شبیه سازی رواناب را بسیار خوب ارزیابی کردند.
مدل GSSHA در شبیهسازی جریان سطحی، تقریبی از معادله موج پخشودگی را در دو بعد به کار میگیرد. جریان در دو جهت عمود بر هم در هر سلول از شبکه طی هر گام زمانی روندیابی میگردد. مدل GSSHA با حل معادلات موج پخشودگی با استفاده از روش حجم محدود صریح دو گامی روندیابی جریان یک بعدی در کانال و جریان دو بعدی در سطح را، جایی که جریان بر اساس ارتفاع هیدرولیکی محاسبه و حجم آن بر اساس جریان محاسباتی به روز و تصحیح میگردد، انجام میدهد.
علاوه بر روش حل صریح - Explicit - ، دو نوع روش حل جدید به مدل GSSHA اضافه شده است. که یکی روش صریح با جهت متناوب - ADE - و دیگری ADE همراه با یک گام اضافی پیشبینی- اصلاح - ADEPC - است. با به کارگیری روشهای ADE و ADEPC میتوان گام زمانی مدل را با توجه به شرایط حوزه از 20 تا 240 درصد افزایش داد که این امر تاثیر قابل توجهی در کاهش زمان شبیه سازی دارد
-2 معرفی منطقه مورد مطالعه
حوزه آبریز ناورود اسالم با مساحت حدود 307 کیلومترمربع - تا دریا - ، در منطقه غرب گیلان و در محدوده شهرستان تالش، بین طولهای جغرافیایی 48 درجه و 35 دقیقه تا 48 درجه و 54 دقیقه شرقی و عرضهای جغرافیایی 37 درجه و 36 دقیقه تا 37 درجه و 45 دقیقه شمالی قرار گرفته است. این حوزه در دامنههای شرقی سلسله جبال البرز - رشتهکوههای تالش - واقع گردیده و از سمت شمال به حوزه آبریز کرگانرود، از جنوب به حوزههای آبریز خاله سرا و دیناچال، از غرب به حوزه آبریز آرپاچای و از شرق به دریای خزر متصل گردیده است.
شکل - - 1 الف، موقعیت حوزه را در استان گیلان و کشور ایران نشان می-دهد. از کل وسعت حوزه آبریز ناورود - 307 کیلومترمربع - ، حدود 41 کیلومترمربع مربوط به دشت و بقیه آن که حدود 274/5 کیلومترمربع میباشد، مساحت حوزه را تا محل ورود به دشت - ایستگاه خرجگیل - ، در بر میگیرد. ناحیه مورد مطالعه که شامل محدوده با ارتفاع بالاتر از 130 متر میباشد، در شکل - - 1 ب، نشان داده شده است.
ایستگاه تبخیرسنجی مجهز به باران سنج ثبات
ایستگاه بارانسنجی معمولی
ایستگاه بارانسنجی ذخیرهای
ایستگاه آبسنجی
شکل - - 1 حوزه آبریز ناورود الف - موقعیت در ایران و گیلان ب - محدوده حوزه آبریز مورد مطالعه - تا ایستگاه خرجگیل -
-3 روش اجرای تحقیق
پس از بررسی آمار رگبارهای موجود از ایستگاههای تبخیرسنجی خرجگیل، خلیان و ناو که مجهز به باران نگار هستند و مقایسه آنها با دادههای دبی لحظهای سیلاب ایستگاه آبسنجی خرجگیل، 9 رخداد بارش- رواناب بین سالهای آبی -81 1380 و 1388-89 جهت اجرای مدلسازی انتخاب گردید. با توجه به هدف تحقیق که شبیهسازی جریان سطحی ناشی از بارندگی است، بایستی هیدروگراف جریان سطحی از هیدروگراف جریان کلی رودخانه استخراج میگردید. برای این منظور 9 هیدروگراف جریان کلی رودخانه ناورود به روش باتون - باتون - 1988 به هیدروگراف جریان پایه و هیدروگراف جریان سطحی تجزیه گردید. هیدروگرافهای جریان شبیهسازی شده به وسیله مدل GSSHA با هیدروگرافهای جریان سطحی مقایسه شده است.
جهت اجرای عملیات شبیهسازی از 9 رخداد سیلاب انتخابی 5 رخداد جهت عملیات واسنجی مدل و 4 رخداد جهت عملیات ارزیابی و اعتبارسنجی مدل مورد استفاده قرار گرفت. برای واسنجی مدل GSSHA در حوزه ناورود، تعیین مقادیر هدایت هیدرولیکی خاک، ضریب زبری سطوح، ضریب زبری مانینگ آبراههها و رطوبت اولیه خاک حوزه در دستور کار قرار گرفت، و جهت اندازهگیری بهترین برازش بین هیدروگراف مشاهده شده و محاسبه شده از ریشه میانگین مربعات خطای وزندهی شده نسبت به دبی اوج - PW-RMSE - و ضریب کارآیی نش- شاتکلیف - NS - استفاده شد.
در تحقیق حاضر برای شبیهسازی فرایند نفوذ، مدل نفوذ گرین و امپت، برای شبیهسازی جریان سطحی، روش محاسباتی صریح با جهت متناوب همراه با یک گام اضافی پیشبینی - اصلاح موسوم بهADE-PC و برای روندیابی جریان در کانال، روش روندیابی موج پخشودگی انتخاب شد. دادههای سه بارانسنج ثبات خرجگیل، خلیان و ناورود هم با فواصل زمانی 15 دقیقهای به مدل معرفی و به روش چندضلعی تیسن در کل حوزه میانیابی و سهم بارش هر سلول در گامهای زمانی مختلف به آن اختصاص یافت.
فواصل زمانی محاسبه جریان سطحی هم 60 دقیقه انتخاب شد. عملیات واسنجی به شکل دستی انجام گردید، بدین ترتیب که ابتدا مقادیر پارامترهای مدل نفوذ گرین و امپت متناسب با نقشه بافت خاک حوزه، مقادیر رطوبت اولیه متناسب با مقادیر تخلخل خاک حوزه، ضریب زبری سطوح متناسب با پوشش گیاهی و کاربری اراضی و بالاخره مقادیر ضریب زبری مانینگ آبراههها برمبنای بررسیهای صحرایی شبکه آبراههها، از منابع معتبر استخراج و در مدل مقداردهی شد و سپس در یک فرایند سعی و خطا مقادیر پارامترهای فوقالذکر برای هر یک از رخدادهای سیلاب انتخابی جداگانه تعیین گردید.
پس از اجرای عملیات واسنجی، از مقادیر پارامترهای مختلف مورد واسنجی - برای 5 رخداد انتخابی - میانگینگیری شد. در نهایت مقادیر میانگین هدایت هیدرولیکی خاک، ضریب زبری سطوح و ضریب زبری مانینگ آبراههها به شکل ثابت برای 4 رخداد منتخب جهت اعتبارسنجی به مدل معرفی گردید تا خروجی مدل با هیدروگراف مشاهداتی مقایسه و اعتبار آن مورد بررسی قرار گیرد.
