بخشی از مقاله
خلاصه
آب ضروریترین و مهمترین جزء مجموعه منابع طبیعی مورد نیاز برای بقای زندگی انسان، پیشرفت و بهبود آن به شمار میرود و همچنین نقش مهمی در خسارت رساندن به انسان و تجهیزات آن دارد؛ بنابراین برآورد رواناب حاصل از بارش و محاسبه تلفات در حوضهها امری ضروری است. نزولات جوی وارده به یک حوضه آبریز طی فرآیندهای بسیار پیچیدهای که از تنوع عوامل اقلیمی حوضه ناشی میشود رواناب حوضه را شکل میدهند و مدلسازی بارش-رواناب را به یک امر پیچیده تبدیل میکند. در این مطالعه، حوضه آبریز بالادست سد لتیان به منظور نمایش توانایی مدلسازی پیوسته بارش-رواناب توسط مدل HEC-HMS و تخمین پارامترهای مؤثر در ایجاد رواناب مورد بررسی قرار گرفت.
ابتدا با بهکارگیری الحاقیههای Arc Hydro، HEC-GeoHMS و نقشه رقوم ارتفاعی منطقه در محیط ArcGIS مرز زیر حوضهها، شبکه آبراهه و سایر خصوصیات فیزیوگرافی حوضه تعیین گردید. مدل حوضه از محیط ArcGIS به برنامهی HEC-HMS منتقل و مدل هیدرولوژیکی کل حوضه به دست آمد. برای مدلسازی رواناب مستقیم ناشی از بارندگی از روش هیدروگراف واحد کلارک، تلفات از روش شبیهسازی رطوبت خاک و برای روندیابی در رودخانهها روش ماسکینگام بکار گرفته شد.
سپس با استفاده از دادههای مشاهدهای، نسبت به واسنجی مدل اقدام و در نهایت نتایج حاصل از مرحله واسنجی، ارزیابی شد. اعتبارسنجی این مدل با استفاده از معیار نش-ساتکلیف ، ضریب تبیین ، انحراف مدل** و ریشه میانگین مربعات خطا مورد آزمون قرار گرفته است؛ مقادیر این معیارها به ترتیب 0,909، 0 ,961، -0,1 و 2,027 برای دوره واسنجی و 0,884، 0,948، -0,068 و 2,095 برای دوره اعتبارسنجی به دست آمد. مقادیر نتایج به دست آمده نشان دهنده قابلیت مناسب مدل HEC-HMS در شبیهسازی پیوسته فرآیند بارش-رواناب میباشد.
-1 مقدمه
بهرهبرداری بهینه و مناسب از منابع آب یکی از وظایف مهم مدیران منابع آب میباشد. از طرفی دیگر عدم تخمین مناسب رواناب حاصل از بارش در حوضههای آبریز، مدیریت بهینه منابع آبی و به ویژه مدیریت بهرهبرداری از سدها را دچار مشکل مینماید .[1] کارشناسان و متخصصان منابع آب همواره در پی آن بودهاند که بتوانند معادله بین مقادیر بارندگی رواناب را در حوضههای آبریز و در شرایط مختلف زمانی و مکانی بیابند .[ 2]
هدف از اجرای مدلهای شبیهسازی بارش رواناب تولید هیدروگراف خروجی و برآورد دبی اوج و حجم سیلاب حوضه مطابق با شرایط واقعی میباشد، لذا باید بتوان تمام پارامترهای مدل را برای حوضه مورد مطالعه بهطور دقیق محاسبه نمود تا نتایج حاصل بیشتر با مقادیر واقعی تطبیق داده شوند .[3] تا به امروز مدلهای بارش-رواناب فراوانی باقابلیتها و پیچیدگیهای متفاوت جهت شبیهسازی یارش-رواناب ساخته و به کار برده شدهاند که از میان آنها میتوان به مدل HEC-HMS اشاره کرد که از قابلیتهای خوبی برخوردار است و محققین زیادی از این مدل استفاده کردهاند که در زیر به آنها اشاره میشود.
گاراسیا* و همکاران - 2008 - ، در 12 زیر حوضهی آبریز در شمال اسپانیا از مدل یکپارچه HMS SMA برای شبیهسازی هیدرولوژیکی استفاده کردند. این زیر حوزهها،با سطح کوچکشان، کشیدگی نسبتاً کم و شیب تند مشخص شدند. نتایج این تحقیق حاکی از آن بود که مقادیر شبیهسازی جریان با مقادیر مشاهداتی دارای تطابق خوبی بوده و لذا پارامترها هیدرولوژیکی به خوبی واسنجی شدهاند .[4]
سید کابلی و همکاران - 2009 - با استفاده از مدل HEC-HMS به اعتبارسنجی روشهای تلفات باران در شبیهسازی هیدروگراف سیل در حوضه آبریز کسیلیان پرداختند و به برتری نسبی روش SCS نسبت به سایر روشها اشاره داشتند .[5] کریمی و همکاران - 1390 - ، در پژوهش خود با عنوان شبیهسازی فرایند بارش-رواناب با استفاده از HEC-HMS در منطقه لیقوان، تعدادی واقعه بارش-رواناب را استخراج کرده و پارامترهای مدل را به روش شبیهسازی هیدرولوژیکی SCS مورد ارزیابی قرار دادند.
نتایج حاصل از شبیهسازی هیدروگراف سیل نشان داد اختلاف پیشبینی زمان وقوع و اندازه حداکثر سیلاب اتفاق افتاده و محاسبه شده توسط مدل کمتر از 10 درصد میباشد لذا میتوان به نتایج به دست آمده اطمینان کامل داشته و از آنها برای پیشبینی سیلابهای احتمالی بهره جست .[6] جمشیدموسوی و همکاران - 2012 - ، طرحی برای کالیبراسیون خودکار مدل بارش-رواناب HEC-HMS در حوضه تمر ارائه کردهاند.
در این تحقیق، برای کالیبراسیون خودکار از تکنیک بهینهسازی SUFI2 به همراه نرمافزار HEC-HMS با هدف حداکثر نمودن نکویی برازش پاسخ مدل به مشاهدات استفاده گردید. نتایج این تحقیق نشان میدهد که بر اساس تطبیق پاسخ مدل با مقادیر مشاهداتی و با وجود درجه آزادی بالای مدل بارش- رواناب - شامل 24 پارامتر - تدوین شده، روند پیشنهادی قادر به وصول به مقادیر مطلوب پارامترهای مدل مفهومی است .[7]
یوسفی مبرهن و همکاران - 1392 - ، در تحقیقی به ارزیابی و واسنجی پارامترهای مدل احتساب کننده رطوبت خاک در حوضه آبریز زولاچای در استان آذربایجان غربی پرداختند. در این تحقیق با توجه به مقادیر مناسب شاخصهای عملکرد مانند RMSE برابر 0,56 و R2 برابر 1,89 بین دبیهای مشاهداتی و محاسباتی، توانایی مدل HMS SMA در حل مسائل هیدرولوژیکی نظیر شبیهسازی فرآیند بارش-رواناب یا پیشبینی دبی این حوضه آبریز ثابت میگردد .[8]
ذونعمت کرمانی و همکاران 1392 - - ، حوضه آبخشا واقع در بردسیر کرمان را مورد بررسی قرار دادند و با 5 سیلاب تک رخداد با توجه به دادههای شبیهسازی و مشاهدهای بارش رواناب، مقدار رواناب را با استفاده از نرمافزار HEC-HMS مدلسازی کردند و واسنجی مدل با بهکارگیری روش چهار تابع هدف انجام پذیرفت؛ که با توجه به هیدروگرافهای ترسیم شده و خطاهای محاسبه شده، مدلسازی با دقت قابل قبولی انجام شده بود .[9]
شعبانی بازنشین و همکاران - 1392 - ، برای پیشبینی سیلاب حاصل از بارش در حوضه آبریز نکا واقع در استان مازندران، مدل HEC-HMS را استفاده کردند. بدین منظور از 4 سری داده بارش-رواناب ثبت شده در حوضه مورد مطالعه استفاده شد و با بهکارگیری مدل HEC-HMS به واسنجی و صحت سنجی مدل هیدروگراف واحد SCS و مدل تلفات شماره منحنی SCS پرداخته شد. نتایج به دست آمده حاکی از برازش مناسب دبی اوج، حجم رواناب و زمان وقوع پیک سیل، هیدروگرافهای مشاهدهای و شبیهسازی شده بود .[10]
رضاییانزاده و همکاران - 2013 - ، در مطالعهای به مقایسه جریانهای پیشبینی شدهی روزانه در حوضه آبریز خسروشیرین با استفاده از مدل HEC-HMS به کمک روش محاسبه کننده رطوبت خاک - SMA - با جریانهای پیشبینی شده با استفاده الگوریتم پرسپترون چندلایه* پرداختند. نتایج نشان داد که MLPs بهینهسازی شده با سیگموئید مماس در پیشبینی اوج جریان و حجم سیل سالانه دقت بیشتری نسبت به مدل HEC-HMS با استفاده از الگوریتم SMA دارد و مقادیر R2 و RMSE برای هریک از این روشها به ترتیب عبارت از 0,87، 0,84 و 1,875 و 2,1 مترمکعب بر ثانیه است .[11]
کلهر و همکاران 1393 - - ، از مدل HEC-HMS جهت برآورد سیلاب حوضه آبریز خرمآباد استفاده نمودند. نتایج بهدست آمده از این تحقیق حاکی از آن است که اختلاف دبی اوج شبیهسازی و مشاهدهای در مرحله اعتبارسنجی کمتر از 7 درصد و اختلاف زمان رسیدن به دبی حداکثر کمتر از 2 ساعت است که این میزان خطا قابل قبول است. در نتیجه مدل HEC-HMS جهت برآورد دبی پیک سیلاب مناسب بوده و میتوان از نتایج آن برای پیشبینی سیلابهای احتمالی حوضه مورد نظر استفاده کرد .[12]
جو و همکاران در سال - 2014 - ، برای دو زیر حوضه باکیل و جانکپیونگ در کره جنوبی با استفاده از دادههای تاریخی بین سالهای 2000-2009، سیلابهای رخداده را با دو مدل هیدرولوژیکی ReFH و HEC-HMS شبیهسازی کردند. آنها سپس یافتهای دو مدل را باهم مقایسه کردند و نهایتاً به این نتیجه رسیدند که مدل ReFH محدودیت در شبیهسازی جریان اوج را نشان میدهد درحالیکه مدل HEC-HMS شبیهسازی خوبی در هر دو حوضه نشان داد.[ 13 ]
حسینی و همکاران - 1394 - ، در تحقیقی به پیشبینی سیلابهای تاریخی رودخانه کشکان با استفاده از مدل هیدرولوژیکیHEC-HMS پرداختند. نتایج بهدست آمده نشان داد که مدل HEC-HMS دارای کار آیی بالایی در شبیهسازی رواناب روزانه طی دوره ترسالی و همچنین در حداکثر دبی لحظهای سیلاب به ازای دوره بازگشتهای کمتر از 300 سال را دارد. لذا بهخوبی میتوان از این مدل هیدرولوژیکی در شبیهسازی رواناب روزانه و حداکثر دبی لحظهای سیلاب به ازای دوره بازگشتهای کوچک در حوضه مورد مطالعه استفاده نمود .[14]
طالبی و همکاران - 1394 - ، در پژوهشی اثر کاربری اراضی در شرایط فعلی و بهینه بر رسوبدهی حوضه با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی و اجرای مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS در حوضه آبریز شور و شیرین واقع در استان فارس را بررسی کردند. نتایج نشان داد که رسوب برآورده شده در دو شرایط با یکدیگر تفاوت داشته و رسوب برآوردی به میزان 12 درصد، در شرایط کاربردی بهینه کمتر از شرایط فعلی اراضی میباشد. کاهش دبی اوج و میزان رسوب در شرایط بهینه اراضی نسبت به شرایط کاربری فعلی بیانکننده این مطلب است که تغییر کاربری اراضی و نوع کاربری مورد استفاده نقش بسزایی در کاهش یا افزایش ارتفاع رواناب و در نتیجه دبی اوج سیلاب و میزان رسوبزایی حوضه دارد .[15]
