بخشی از مقاله
چکیده
مدیریت حوزه های آبخیز نیازمند آنالیز دقیق هیدرولوژیکی برای طراحی مناسب تسهیلات کنترل رواناب به منظور کاهش خسارت سیل و اثرات زیست محیطی آن می باشد. در این تحقیق مدل تحلیلی احتمالاتی توسعه یافته که بر اساس خصوصیات بارش می باشد به منظور برآورد ارتفاع و دبی اوج رواناب استفاده گردیده و از آنجایی که در منطقه آمار ثبت شده رواناب وجود ندارد
نتایج اجرای این مدل با شبیه ساز SWMM مورد مقایسه قرار گرفته است. حوزه آبخیز مورد مطالعه در این تحقیق دارای مساحت 67.8 هکتار بوده و در منطقه 22 شهر تهران واقع شده است. به منظور ارزیابی نتایج دو مدل از ضریب کارایی نش ساتکلیف و ضریب همبستگی استفاده گردید که بالا بودن مقدار ضرایب محاسبه شده بیانگر دقت مدل تحلیلی احتمالاتی توسعه یافته در منطقه مورد نظر می باشد.
-1 مقدمه و هدف
مدیریت حوزه های آبخیز نیازمند آنالیز دقیق هیدرولوژیکی می باشد. تغییر کاربری اراضی و افزایش سطوح نفوذ ناپذیر در مناطق شهری منجر به افزایش میزان رواناب می گردد، لذا شناخت پاسخ هیدرولوژیکی حوزه آبخیز و آنالیز آن یک امر ضروری برای طراحی مناسب تسهیلات کنترل رواناب به منظور کاهش خسارت سیل و اثرات زیست محیطی آن می باشد. در این تحقیق هدف آن است که مدل تحلیلی احتمالاتی که بر اساس فرض مستقل بودن پارامترهای مقدار و مدت بارش می باشد با در نظر گرفتن سطح نفوذ ناپذیر اصلاح گردیده و به منظور برآورد دبی اوج و ارتفاع رواناب استفاده و نتایج آن با مدل SWMM مورد مقایسه قرار گیرد.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
در زمینه مدلهای تحلیلی احتمالاتی اولین تئوری احتمال به وسیله Cornell Benjamin - 1970 - در گروه مهندسی عمران شرح داده شد و سپس توابع توزیع احتمال رواناب بر اساس پارامتر نفوذ پذیری و بر اساس مقدار ضریب رواناب با فرض مستقل بودن پارامترهای مقدار و مدت بارش محاسبه گردید . - Guo,1998 - در تحقیق دیگری دقت مدل تحلیلی احتمالاتی در برآورد رواناب منطقه ای در کانادا مورد تایید قرار گرفت
. - Chen Adams,2007 - مدل تحلیلی احتمالاتی معادلات ریاضی هستند که شاخص های آماری سیستم زهکشی شهری را مستقیما به پارامترهای هواشناسی،خصوصیات سیستم و متغیرهای طراحی ارتباط می دهند. این معادلات با استفاده از تئوری احتمال و با نمایش ساده فرآیندهای هیدرولیکی و هیدرولوژیکی در حوزه های آبخیز شهری به دست می آیند
در مدلهای تحلیلی احتمالاتی که قبلا کار شده بود - Chen & Adams,2007 - کل سطح نفوذ ناپذیر در نظر گرفته شده بود در حالی که در برخی از مناطق، کل سطح نفوذ ناپذیر به سیستم زهکشی متصل نمی باشد، لذا در این تحقیق نسبت سطح نفوذ ناپذیر موثر در نظر گرفته شده و با در نظر گرفتن این پارامتر، مدل توسعه یافته برای برآورد رواناب به صورت زیر تعریف گردیده است:
= fcظرفیت نفوذ نهایی در معادله هورتون ، = siwهدر رفت نفوذ ناشی از خیس شدن اولیه خاک
= معکوس متوسط مدت واقعه بارش، =نسبتی از مناطق نفوذ ناپذیر حوضه که در تولید رواناب مشارکت می نمایند - سطح نفوذ ناپذیر موثر - و = نسبت سطح نفوذ پذیر حوضه،Sdi و Sdp ذخیره چالابی در سطوح نفوذ ناپذیر و سطوح نفوذ پذیر می باشد.
معادله پیشنهاد شده برای برآورد دبی اوج رواناب با در نظر گرفتن سطح نفوذ ناپذیر موثر به صورت زیر می باشد:
در این رابطه tc زمان تمرکز حوزه می باشد که در این تحقیق از رابطه کالیفرنیا برای برآورد آن استفاده گردید. از آن جایی که در منطقه مورد نظر آمار ثبت شده رواناب وجود ندارد و دقت مدل SWMM در منطقه مورد نظر تایید گشته است - Forootan et al.,2011 - لذا نتایج مقدار رواناب این مدل با مقدار رواناب شبیه ساز SWMM با استفاده از ضریب کارایی نش ساتکلیف1 و ضریب همبستگی مورد مقایسه قرار گرفته است. ضریب کارایی نش ساتکلیف از تا 1 تغییر می کند.
ضریب 1 بیانگر بهترین مدل هیدرولوژیکی می باشد و هر چه قدر این ضریب کوچک تر باشد انطباق مدل با مقادیر مشاهداتی کمتر می باشد.SWMM یک مدل پویا برای شبیه سازی بارش- رواناب می باشد که برای شبیه سازی مجزا یا پیوسته کمیت و کیفیت رواناب در مناطق شهری استفاده می شود 2009 - ،. - Rossman در این مدل هر حوضه به حوضه های کوچکتر تقسیم می شود و سطح هر زیر حوضه به عنوان مخزن غیر خطی عمل می نماید و جریان ورودی از بارش و زیر حوضه های بالادست نشات می گیرد. مقدار نرخ جریان سطحی بر اساس روند یابی موج سینماتیکی در داخل واحدها و بر اساس روش مخزن غیر خطی و با استفاده از معادله مانینگ محاسبه می گردد
-3 مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه دارای وسعت 67.8هکتار می باشد و بخشی از منطقه 22 شهرداری تهران است. منطقه 22 بین طول شرقی ً10َ5ْ51 تا ً40َ20ْ51 و عرض شمالی ً16َ32ْ35تا ً19َ57ْ35 در شمال غربی شهر تهران و در پایین دست حوزه آبخیز رودخانه کن و وردیج واقع شده است . این منطقه در شمال با کوهستان البرز مرکزی، در شرق با حریم رودخانه کن، در جنوب با آزاد راه تهران-کرج و در غرب با محدوده جنگل های وردآورد محدود می گردد
برای انجام این تحقیق داده های بارش ایستگاه سینوپتیک مهرآباد تهران از سال 1337 تا 1376 جمع آوری و در راستای اجرای مدل تحلیلی احتمالاتی که بر اساس خصوصیات بارش می باشد، داده های پیوسته بارش به وقایع بارش مجزا تفکیک گردید که معیار این تفکیک، حداقل دوره زمانی بدون بارندگی بین دو بارش می باشد که در این تحقیق یک ساعت به عنوان حداقل دوره زمانی بدون بارندگی لحاظ گردید و وقایع بارش به دست آورده شد. سپس پارامترهای , , که به ترتیب معکوس متوسط مقدار، زمان و مدت زمان بین وقایع بارش می باشد برآورد گردید و به منظور محاسبه درصد سطح نفوذ ناپذیر از نتایج روش نمونه برداری منطقه ای استفاده گردیده است - - Forootan et al.,2011، سپس با استفاده از معادلات مدل تحلیلی احتمالاتی توسعه یافته مقدار ارتفاع رواناب برای تمامی وقایع بارش و مقدار دبی اوج رواناب برای 40 واقعه بارش مورد محاسبه قرار گرفت.
همچنین به منظور اجرای مدلSWMM ابتدا منطقه مورد مطالعه با توجه به نقشه شبکه زهکشی و نقشه کاربری اراضی دارای مقیاس 1:2000 به تعدادی زیر حوزه تفکیک گردیده است و سپس با استفاده از نقشه های توپو گرافی دارای مقیاس 1:2000 نقشه شیب و جهت حوزه آبخیز مورد بررسی تعیین گردیده و از نتایج روش نمونه برداری منطقه ای در محاسبه نسبت سطح نفوذ ناپذیر هر زیر حوضه استفاده گردید.
شکل: 1 منطقه مورد مطالعه در محیط SWMM
-4نتایج و بحث
در مدل تحلیلی احتمالاتی که قبلا کار شده بود - Chen & Adams, 2007 - فرض گردیده بود که تمامی سطوح نفوذ ناپذیر به شبکه زهکشی متصل می باشند و حال آن که در منطقه مورد مطالعه بخشی از سطوح نفوذ ناپذیر از جمله پشت بامهای منازل، به شبکه زهکشی متصل نیستند و رواناب ناشی از بارش را به چاههای غیر متصل به سیستم زهکشی تخلیه می نمایند. لذا در این تحقیق سطح نفوذ ناپذیر موثر در معادلات مدل وارد گردید و معادلات بر اساس آن تعریف گردید. سپس در راستای اجرای مدلها پارامترهای مذکور در جدول 1 مورد در مدلها وارد گردیده و مدلها اجرا گردیدند و ارتفاع و میزان دبی اوج رواناب برآورد گردید.
جدول :1 مشخصات منطقه مورد مطالعه که در مدلها استفاده گردیده اند
همانطور که در شکل2 دیده می شود ضریب همبستگی بین مقادیر برآورد شده از دو مدل به منظور برآورد ارتفاع رواناب 0.98 و مقدار برآورد شده دبی اوج مدل تحلیلی احتمالاتی - برای چهل واقعه بارش - دارای ضریب همبستگی 0.81 با دبی اوج برآورد میگردد.
