بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
واسنجی مدل ریاضی HEC HMS و ارزیابی آن در حوضه آبخیز خرم آباد
چکیده:
برای آگاهی از اینکه با بارش هر باران ،چه میزان رواناب تولید می گردد ،لازم است مدل بارش رواناب با یکی از روش های موجود تهیه گردد. برای مدل سازی بارش رواناب در یک حوضه روش های گوناگونی وجود داردکه در سالهای اخیر استفاده از کامپیوتر برای مدل سازی بارش رواناب به علت سرعت عمل و دقت در محاسبات بسیار متداول شده است و یکی از این روش های کارآمد استفاده از مدل HEC HMS است.در این تحقیق ابتدا به بکارگیری الحاقیه Arc Hydro و نقشه رقومی ارتفاعی ( DEM )منطقه در محیطArc Gis10 مرز زیر حوضه ها، شبکه آبراهه و سایر خصوصیات فیزیوگرافی حوضه تعیین شد.پس از تهیه نقشه شماره منحنی (CN)زیرحوضه ها،اطلاعات لازم از محیط Arc GIS به محیط HEC HMS منتقل شده و در ادامه 4واقعه بارش رواناب ازبین وقایع ،انتخاب و پس از انجام آنالیز حساسیت ، پارامتر های مدل براساس 3 هیدروگراف مشاهده ای واسنجی و براساس یک هیدروگراف مشاهده ای اعتبار سنجی شد و پارمتر های بهینه برای حوضه مورد نظرمشخص گردید.
کلمات کلیدی: بارش رواناب،CN،آنالیز حساسیت،واسنجی و اعتبارسنجی،مدلHEC HMS
-1 مقدمه:
نزولات جوی وارده به یک حوضه آبخیز طی فرآیندهای بسیار پیچیده ای که از تنوع عوامل اقلیمی و عوامل ادافیکی حوضه ناشی می شود رواناب حوضه را شکل می دهند. برای آگاهی از اینکه با بارش هر باران چه میزان رواناب تولید می گردد لازم است مدل بارش رواناب با یکی از روش های موجود تهیه گردد.(.(8برای مدل سازی بارش رواناب در یک حوضه، روش های گوناگونی وجود داردکه یکی از روش های متداول و کارآمد استفاده از مدل HEC HMS است. این تحقیق به دنبال واسنجی و اعتبار سنجی این مدل برای حوضه آبخیزخرم آباد است.
ذونعمت کرمانی و همکاران((1392حوضه آبخشا واقع در بردسیر کرمان را مورد بررسی قرار دادند و با 5 سیلاب تک رخداد با توجه به داده ها ی شبیه سازی و مشاهده ای بارش رواناب ، مقدار رواناب را با استفاده از نرم افزار HEC HMS مدلسازی کردند و واسنجی مدل با بکارگیری روش چهار تابع هدف انجام پذیرفت.که باتوجه به هیدروگراف های ترسیم شده و خطاهای محاسبه شده ، مدلسازی با دقت قابل قبولی انجام شده بود.(( 3شعبانی بازنشین وهمکاران((1392برای پیش بینی سیلاب حاصل از بارش در حوضه آبخیز نکا واقع در استان مازندران ، مدل HEC HMS را استفاده کردند..بدین منظور از 4 سری داده بارش روناب ثبت شده در حوضه مورد مطالعه استفاده شد و با
1
بکارگیری مدل HEC HMS به واسنجی و صحت سنجی مدل هیدروگراف واحد SCSو مدل تلفات شماره منحنی SCS پرداخته شد. نتایج بدست آمده حاکی از برازش مناسب دبی اوج ، حجم رواناب و زمان وقوع پیک سیل ،هیدروگراف های مشاهده ای و شبیه سازی شده بود.((4
میری (1389)ازمدل HEC HMSجهت برآورد سیلاب حوضه چهاردانگه استان مازندران استفاده نمود که درآن، جهت اعتبارسنجی از 4 واقعه سیلابی استفاده شد که تطابق خوبی بین هیدروگراف های مشاهده ای و شبیه سازی شده مشاهده شد.((9کریمی و همکاران (1390) در پژوهش خود با عنوان شبیه سازی فرایند بارش رواناب با استفاده از HEC HMS در منطقه لیقوان ، تعدادی واقعه بارش رواناب را استخراج کرده و پارامتر های مدل را به روش شبیه سازی هیدرولوژیکی SCS مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج حاصل ازشبیه سازی هیدروگراف سیل نشان داد اختلاف پیش بینی زمان وقوع و اندازه حداکثر سیلاب اتفاق افتاده و محاسبه شده توسط مدل کمتر از 10 درصد می باشد لذا می توان به نتایج بدست آمده اطمینان کامل داشته و از انها برای پیش بینی سیلاب های احتمالی بهره جست.((5
آزرگا و همکاران (1998) روند تبدیل بارش رواناب در حوضه گودالپ را با استفاده از مدل HEC HMS بررسی نمودند.نتایج نشان داد که در مناطقی که اطلاعات میدانی مناسب در دسترس نیستند،استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS)می تواند ابزار مناسب برای تعیین خصوصیات حوضه آبخیزباشد. (11) در تحقیقی کنبل و همکاران (2005) مدل منطقه ای سیل را با استفاده از مدل HEC HMS و HEC RAS بررسی نمودند،آن ها پارامتر های حوضه مورد مطالعه را به صورت دستی اعتبارسنجی کرده اند تا شبیه سازی خوبی از دبی 12 زیرحوضه داشته باشند ، نتایج حاکی از دست یافتن به ابزاری مناسب برای پیش بینی هیدرولوژیکی منطقه ای در حوضه بود.((12
-2 مواد و روش ها:
-1-2 موقعیت منطقه مورد مطالعه:
حوضه آبخیز خرم آباد ازنظر موقعیت جغرافیایی بین48 ° 4′ 37 ″ تا 48 °46 ′37″ طول شرقی و33° 15 ′16″ تا 33° 43′ 52″ عرض شمالی در بخش میانی سلسله جبال زاگرس، قرار گرفته است ازنظر تقسیمات سیاسی تنها شهرستان خرم آباد، در این حوضه قرار گرفته است این حوضه یکی از زیر حوضه های کرخه محسوب می شود. مساحت حوضه آبخیز رودخانه خرم آباد1594/15کیلومتر مربع و محیط آن 271/92کیلومتر می باشد می باشد.و تقریبا مستطیل شکل است.
پوشش گیاهی در حوضه ، متنوع و از جنگل های بلوط گرفته تا مرتع ودر مناطق مسطح ،کشاورزی هم دیده می شود.تراکم پوشش گیاهی بیشتر در فصل بهار بوده وزمستان به علت سرمای شدید و تابستان به علت عدم بارش و افزایش دما ، سبب ازبین رفتن و خشک شدن پوشش گیاهی می شود. این حوضه مجهز به ایستگاه هیدرومتری به نام چم انجیر در خروجی است.
شکل شماره (1)موقعیت منطقه مورد مطالعه
-2-2اطلاعات مورد نیاز:
· نقشه کاربری اراضی منطقه
· نقشه گروه هیدرولوژیک خاک
· بارش روزانه ایستگاه های باران سنجی و سینوپتیک
· بارش ساعتی باران نگار ثبات
· دبی ساعتی ایستگاه هیدرومتری
3-2 روش تحقیق:
در این تحقیق ابتدا با بکارگیری الحاقیه Arc Hydro و بااستفاده از نقشه رقومی ارتفاعی ( DEM )منطقه در محیطArc Gi s 10 مرز زیر حوضه ها، شبکه آبراهه و سایر خصوصیات فیزیوگرافی حوضه تعیین و سپس این اطلاعات وارد مدل HEC HMS شد(.(8
جدول شماره .(1)خصوصیات منطقه مورد مطالعه
مدل بارش روانابHEC HMS توسط مرکز هیدرولوژی ایالت متحده آمریکا جهت شبیه سازی جریان برای مناطق کوهستانی ونیز شهری برنامه نویسی شده است. این مدل از سه زیر مدل، شامل مدل حوضه ، مدل اقلیمی و شاخص های کنترل تشکیل شده است که مدل حوضه سه بخش ،تلفات اولیه ،انتقال رواناب ودبی پایه را شامل می شود.(6و .(13
1-3-2مدل حوضه: 1-1-3-2 مدل تلفات اولیه :
در این تحقیق از روشSCS استفاده شده است، این مدل روشی ساده و مناسب جهت پیش بینی تلفات اولیه حوضه می باشد که بطور وسیعی در اکثر کشور هاپذیرفته شده و مورد استفاده قرار می گیرد.( 6و(13
روابط بین ارتفاع بارندگی (P) و ارتفاع رواناب (Q) براساس شبیه سازیSCS و بادر نظرگرفتن مقدار نفوذاولیه /2 s به صورت معادله1 می باشد.
Sحداکثر نگهداشت مربوط به آب در سطح زمین بر حسب میلی متر و CN شماره منحنی است.
CNپارامتربدون بعدی است که برای محاسبه تلفات استفاده می شود. برای تهیه نقشه CN، نقشه گروه هیدرولوژیکی خاک و کاربری اراضی در محیط GIS تلفیق و نقشه شماره منحنی هر زیرحوضه با استفاده از فرمول زیر تهیه می شود.( 1و(7
:CN شماره منحنی زیرحوضه :CNi شماره منحنی هر کاربری :Ai مساحت هر زیرحوضه
2-1-3-2 انتقال رواناب:
در برنامه HEC HMS هفت روش جهت محاسبه رواناب در زیرحوضه وجود دارد که در این تحقیق با توجه به اطلاعات موجود از روش هیدروگراف واحدSCS جهت بهینه سازی و ارزیابی مدل استفاده شد که ورودی آن زمان تاخیر هر زیر حوضه است که براساس مطالعات صورت گرفته روش برانزبی ویلیامز استفاده شده است.((13 (4
که در آن زمان تمرکز برحسب ساعت، طول آبراهه اصلی برحسب کیلومتر، مساحت حوضه برحسب کیلومتر مربع، شیب آبراهه اصلی برحسب درصد و قطر دایره هم سطح با حوضه برحسب کیلومترمی باشد. زمان تأخیر به فاصله بین مرکز ثقل بارش و دبی اوج هیدروگراف سیل اطلاق می شود که از فرمول5 به دست آمده است.
3-1-3-2 دبی پایه
در این تحقیق به دلیل اینکه آب پایه را از هیدروگراف های موجود کم کرده ایم نیازبه محاسبه دبی پایه نمی باشد.
2-3-2 مدل اقلیمی
کلیه داده های مربوط به بارندگی در حوضه از طریق مدل اقلیمی به مدل معرفی می شود. داده های بارندگی باید دارای توزیع مکانی و زمانی در سطح حوضه آبخیز باشند که برای توزیع مکانی از بارش 18ایستگاه باران سنجی به روش عکس مربع فاصله و برای توزیع زمانی از رگبار های ثبت شده استفاده شد.روش محاسبه بارندگی در این مطالعه ،روش هیتوگراف سفارشی است.(6و.(13
3-3-2 شاخص های کنترل
دراین قسمت زمان شروع و خاتمه شبیه سازی وارد مدل شد.
4-2 واسنجی و اعتبارسنجی مدل HEC HMS
چون هدف از مدل ، تولید هیدروگراف خروجی حوضه مطابق با شرایط واقعی می باشد ، لذا باید بتوان تمام پارامتر های مدل را برای حوضه مورد مطالعه به طور دقیق محاسبه نمود تا نتایج حاصل ، تطبیق بیشتری با مقدار واقعی داشته باشد که به این فرآیند واسنجی مدل گفته می شود .عمل واسنجی زمانی میسر است که داده های مشاهده ای باران و جریان موجود باشد.بدین ترتیب در عمل واسنجی با بهینه سازی پارامتر ها ، بهترین برازش بین هیدروگراف های شبیه سازی و مشاهده شده انجام می پذیرد .در این پژوهش برای یافتن مقادیر بهینه پارامترها از تابع هدف درصدخطای دبی اوج وروش جست و جو نلدر- مید استفاده شد(1و(10 (6
که در آن Z تابع هدف، Qo(t) مقدار دبی مشاهده شده در زمان t، Qs(t) مقدار دبی شبیه سازی شده در زمان t میباشد.
-2 بحث و نتایج
با بررسی اطلاعات مربوط به رگبار های مشاهده ای ، رگبار هایی که هیدروگراف سیل آن ها در ایستگاه چم انجیر ثبت شده بود انتخاب گردید که مدل ابتدا با پارامتر های اولیه RUN و سپس آنالیز حساسیت انجام شد وحساسترین پارامترها که شامل تلفات اولیه و زمان تاخیر بود برای واسنجی مشخص شد .
