جستجوی مقالات مرتبط با کلیدواژه « دبی اوج » در نشریات گروه « کشاورزی »
-
مقدمه
زمان تمرکز حوزه های آبخیز، یکی از مهم ترین و متداول ترین ویژگی های موثر در مطالعات هیدرولوژیکی به ویژه تعیین دبی جریان برای طرح های آبخیزداری است. اغلب حوزه های آبخیز دنیا و همچنین ایران، فاقد ایستگاه های اندازه گیری جریان هستند و مجریان طرح ها ناگزیر به استفاده از مدل های تجربی برآورد زمان تمرکز هستند. بررسی مطالعات پیشین نشان می دهد که مدل های تجربی برآورد زمان تمرکز به دلیل تغییر شرایط محیطی در خارج از محل ارائه مدل نتایج نامطلوبی دارند. از سوی دیگر اطلاعات کافی در مورد کارایی مدل های تجربی برآورد زمان تمرکز در بسیاری از حوزه های آبخیز در ایران و به ویژه در مناطق نیمه خشک وجود ندارد. هدف از این مطالعه ارزیابی دقت برخی مدل های تجربی برآورد زمان تمرکز در زیرحوضه های منطقه نیمه خشک شمال غرب کشور و شناسایی عوامل تعیین کننده آن است.
مواد و روش هااین پژوهش در هشت زیرحوضه شامل آلانق، اردکلو، شکرعلی چای، شیرامین، کرجان، کلاله و لیوار از حوضه های دریاچه ارومیه و رود ارس در شمال غرب ایران انجام گرفت. داده های هواشناسی و هیدرومتری از اداره کل منابع طبیعی آذربایجان شرقی و ایستگاه های متعلق به وزارت نیرو اخذ شد. ویژگی های حوضه مانند مساحت، طول، شیب، ارتفاع و شکل از راه مطالعات میدانی و رسم نقشه ها در بستر GIS تعیین شد و زمان تمرکز با استفاده از هیدروگراف جریان ها در دوره آماری 30 سال (از سال 1367 تا 1397) محاسبه شد و از طریق شش مدل تجربی شامل کرپیچ (1940)، کربای (1959)، چاو (1962)، سازمان هوانوردی امریکا (1972)، برانسبی-ویلیامز (1980) و ونتورا (2007) برآورد شد. بررسی رابطه میان زمان تمرکز و ویژگی های حوزه آبخیز به روش ماتریس همبستگی با استفاده از معیار پیرسون انجام گرفت. برای ارزیابی دقت مدل ها از ضریب کارایی نش-ساتکلیف، میانگین خطا و ریشه میانگین مربعات خطا استفاده شد.
نتایج و بحث:
بر اساس نتایج مشاهده ای حاصل از روش هیدروگراف، زیرحوضه شکرعلی چای کوتاه ترین (66 دقیقه) و کلاله طولانی ترین زمان تمرکز (132 دقیقه) را دارد. مدل برانسبی-ویلیامز کمترین خطا (6.8 درصد) و بیشترین ضریب کارایی (73) را داشت؛ درحالی که بیشترین خطای برآورد (2/36 درصد) و کمترین ضریب کارایی (14.4-) در مدل سازمان هوانوردی آمریکا بود. شیب، مهم ترین عامل موثر بر زمان تمرکز برآوردی در مدل کرپیج (0.83-=r)، چاو (0.82-=r) و برانسبی-ویلیامز (0.73-=r) بود. مدل سازمان هوانوردی امریکا (1972) و مدل ونتورا (2007) در زیرحوضه های با شیب زیاد، برآورد ضعیف تری دارند و برای مناطق کوهستانی مناسب نیستند.
نتیجه گیرینتایج نشان داد که از میان ویژگی های فیزیکی حوضه، مساحت، شیب و طول زیرحوضه در تغییرات زمان تمرکز نقش مهم تری دارند. این مطالعه نشان داد درصد شیب حوضه مهم ترین عامل کاهش زمان تمرکز و دبی اوج و افزایش سرعت سیلابی شدن در زیرحوضه های مورد بررسی است. بنابراین پیشنهاد می شود، برای زیرحوضه هایی که درصد شیب بالاتری دارند، از طرح های حفاظت خاک به منظور افزایش زمان تمرکز استفاده شود. ارزیابی مدل های برآورد زمان تمرکز در هشت زیرحوضه آبخیز نشان داد که مدل برانسبی-ویلیامز (1980) با میانگین خطا 6.80 درصد و ضریب کارایی نش- ساتکلیف 73 درصد مطلوب ترین برآورد را ارائه می کند، لذا، استفاده از این مدل در حوضه های مشابه که فاقد ایستگاه های اندازه گیری هستند، پیشنهاد می شود.
کلید واژگان: دبی اوج, درجه شیب, شرایط محیطی, مدل برانسبی-ویلیامز, مساحتIntroductionThe concentration time of catchments is one of the most important and common effective features in hydrological studies, particularly in determining the flow discharge for designing watershed management projects. Most of the catchments in the world especially in Iran were not equipped with hydrometric stations, and project managers are forced to use traditional empirical models to estimate concentration time and peak flow. The review of previous studies shows that experimental models for estimating concentration time have unfavorable results due to the change of environmental conditions outside the place where the model is presented. On the other hand, there is not enough information about the effectiveness of experimental models for estimating concentration time in many catchments in Iran, especially in semi-arid areas. The purpose of this study is to evaluate the accuracy of some experimental models for estimating concentration time in the sub-basins of the semi-arid region of the northwest of the country and to identify its determining factors.
Materials and methodsThis study was conducted in eight sub-basins including Alanagh, Ordakloo, Shekaralichay, Shiramin, Kurjan, Kalaleh and Livar from Urmia Lake and Araz River basins in Northwest Iran. Meteorological and hydrometric data were obtained from the Natural Resources of East Azerbaijan and stations belonging to the Ministry of Energy. The characteristics of the basin such as area, length, slope, height and shape were determined through field studies and drawing maps in the GIS platform. The concentration time was calculated using the hydrograph of the flows in the statistical period of 30 years (from 1367 to 1397) and it was estimated through six experimental models including Kirpich (1940), Kerby (1959), Chow (1962), Federal Aviation Administration (1972), Bransby-Williams (1980) and Ventura (2007). The relationship between concentration time and catchment characteristics was investigated by correlation matrix, Pearson's method. Nash-Sutcliffe efficiency coefficient, average error and root mean square error were used to evaluate the accuracy of the models.
Results and discussionAccording to the results, Shekaralichay sub basin has the shortest (66 minutes) and the Kalaleh sub basin has the longest concentration time (132 minutes). Bransby-Williams model had the lowest error (6.8 %) and the highest efficiency coefficient (73%); while the estimation error (36.2 %) and the Nash-Sutcliffe efficiency of Federal Aviation Administration model were 36.2% and-14.4% respectively. The slope was the most important main factor on the estimation of concentration time of the assessment in the Kirpich model (r= 0.83), Chow (r= 0.82) and Bransby-Williams (r= 0.73). Federal Aviation Administration model (1972) and Ventura model (2007) have a weak estimate in sub-basins with low slope and length.
ConclusionsThe results showed that among the physical characteristics of the basin, the area, slope and length of the sub-basin play a more important role in changes in concentration time. This study showed that the slope percentage of the basin is the most important factor in reducing concentration time, peak discharge and increasing the speed of flooding in the studied sub-basins, so it is suggested to use soil protection plans in order to increase the concentration time for sub-basins that have a higher slope percentage. The evaluation of concentration time estimation models in eight catchments showed that the Bransby-Williams (1980) model with an average error of 6.80% and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient of 73% provides the best estimation among others, so the use of this model in similar basins which do not have measuring stations, it is suggested.
Keywords: Bransby-Williams Model, Drainage Area, Environmental Condition, Peak Discharge, Slope Gradient -
مقدمه
ناهمگنی موجود در آبخیزها و غیر خطی بودن رفتارهای هیدرولوژیکی، شناخت کامل روابط موجود در آنها را بسیار پیچیده و مشکل ساخته است. از این رو، ارزیابی این سیستم ها، نیاز به فرایند مدل سازی دارد. با توجه به توسعه زبان های برنامه نویسی و ارائه الگوریتم های بهینه و کارا جهت حل مسائل دیفرانسیلی در چند دهه اخیر، مدل های هیدرولوژیکی/هیدرولیکی جایگاه خاصی در مطالعات هیدرولوژی پیدا کرده و بر این اساس، به کارگیری مدل های شبیه سازی بارش-رواناب، برای پیش بینی سیل مورد توجه محققین قرار گرفته است. این امر سبب شده تا مدل های متنوعی جهت شبیه سازی فرایند بارش-رواناب توسعه یابند. یکی از مدل های موفق در این زمینه، مدل TOPKAPI-X است. این مدل در دهه 90 میلادی در دانشگاه بولونیا توسط پروفسور Todini به صورت یک مدل بارش-رواناب توزیعی مکانی قابل کاربرد در سطح حوزه آبخیز توسعه داده شد. از ویژگی های مهم مدل های توزیعی مکانی این است که می توان نتایج شبیه سازی مدل را در هر نقطه از حوزه آبخیز استخراج نموده و بر خلاف مدل های یکپارچه که کل حوزه آبخیز را یک واحد در نظر می گیرند، اجازه تفکیک بندی در هر نقطه از حوضه را می دهد. بنابراین، در این پژوهش بعد از واسنجی و اعتبارسنجی مدل فیزیکی-توزیعی TOPKAPI-X در حوزه آبخیز گاماسیاب، نسبت به بهینه سازی مدل در منطقه پژوهش جهت برآورد دبی روزانه اقدام می شود.
مواد و روش هاحوزه آبخیز گاماسیاب در غرب کشور و در نواحی شمالی رشته کوه زاگرس، در شمال حوضه سد کرخه و عمدتا در محدوده استان های همدان و کرمانشاه قرار دارد. مناطق کوهستانی این حوضه بیشتر در قسمت های شمالی و جنوبی متمرکز شده اند و مناطق پست و جلگه ای آن بیشتر در بخش های میانی و جنوب غربی حوضه قرار دارند. در این پژوهش از مدل TOPKAPI-X برای شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز گاماسیاب استفاده شد. برای این منظور، ابتدا مرز حوضه با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) با وضوح 30 متر، نقشه کاربری اراضی، بافت خاک، شبکه آبراهه حوزه آبخیز و مولفه های اقلیمی در مدل TOPKAPI-X وارد شد. پس از معرفی مکان حوضه، از محل خروجی حوضه (ایستگاه هیدرومتری) برای شبیه سازی جریان استفاده شد. در این مدل بارش-رواناب، داده های سری زمانی پیوسته در گام زمانی روزانه در نظر گرفته شد. برای اجرای مدل در حوضه، سری زمانی دبی، بارش و دمای روزانه در دوره آماری 21 ساله در 13 ایستگاه هواشناسی و یک ایستگاه هیدرومتری داخل و خارح حوضه طی سال های 1999 تا 2020 بهره برده شد. پس از چندین بار اجرای مدل، هر بار پارامترهای کلی مدل به صورت دستی و سعی و خطا تغییر می کرد تا در نهایت، با در نظر گرفتن مقادیر مناسب معیارهای ارزیابی ناش-ساتکلیف و اریب مدل برای حوضه، مقادیر بهینه پارامترهای مدل به دست آمد.
نتایج و بحث:
این پژوهش، به منظور تحلیل بارش-رواناب یکی از زیرحوضه های اصلی حوضه آبخیز سد کرخه با استفاده از مدل TOPKAPI-X در مقیاس زمانی روزانه انجام شده است. در محیط نرم افزار TOPKAPI-X با استفاده از نقشه های ورودی و داده های مشاهداتی بارش، دما و دبی، واسنجی مدل انجام شد. مقایسه ظاهری هیدروگراف های مشاهداتی و شبیه سازی شده، امکان ارزیابی کلی و سریع دقت مدل ها را فراهم می کند. نتایج گرافیکی مقایسه دبی حاصل از اجرای مدل TOPKAPI-X با پارامترهای واسنجی شده و دبی اندازه گیری شده در حوضه گاماسیاب نشان داد که این مدل، توانایی خوبی در برآورد دبی روزانه این حوضه را دارد. اما در برخی موارد دبی های شبیه سازی شده بیشتر از دبی مشاهده شده است. چهار معیار NSE، R، BIAS و RMSE برای ارزیابی مدل استفاده شده است. برای حوزه آبخیز گاماسیاب مقدار معیار ناش-ساتکلیف در دوره واسنجی (2014-1999) برابر 0.697 و در دوره اعتبارسنجی (2020-2014) برابر 0.660 محاسبه شد. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که این مدل در حوضه مورد مطالعه، در شبیه سازی جریان عملکرد خوبی دارد.
نتیجه گیریاهمیت مدل های هیدرولوژیکی برای مدیریت منابع آب، ارزیابی کیفیت مطالعات اجرایی و درک فرایندهای هیدرولوژیکی کاملا مشخص است. مدل های هیدرولوژیکی ابزارهای مهمی هستند که به دانشمندان و همچنین سیاستگذاران اجازه می دهد تا بر اساس شبیه سازی رفتار حوضه، تصمیم گیری کنند. بنابراین، با توجه به افزایش تقاضا برای آب و تاثیر تغییرات آب و هوایی، شبیه سازی هیدرولوژیکی توسط مدل ها از ابزارهای مدیریت آب در آینده خواهند بود. نتایج مطالعه حاضر نشان داد که مدل TOPKAPI-X پتانسیل بالایی در شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز انتخابی دارد. بنابراین، با توجه به قابلیت های آن، استفاده از این محیط به عنوان یک ابزار مدل سازی برای حوزه های آبخیز پیشنهاد می شود.
کلید واژگان: بارش-رواناب, دبی اوج, شبیه سازی هیدرولوژیکی, مدل توزیعی مکانی, واسنجی مدلIntroductionDue to the heterogeneity in watersheds and the non-linearity of hydrological behaviors, it is very complicated and difficult to fully understand the relationships within watersheds. Therefore, in evaluating these systems, a modeling process is necessary. Over the last few decades, hydrological/hydraulic models have become essential in hydrology studies due to the development of programming languages and the provision of optimal and efficient algorithms for solving differential problems. The application of rainfall-runoff simulation models for flood events has been extensively studied by researchers in the field of water and soil protection, leading to the development of various models to simulate rainfall-runoff processes. One of the successful models in this field is the TOPKAPI-X model. This model was created in the 1990s at the University of Bologna by Professor Todini as a distributed rainfall-runoff model in watersheds. An important feature of distributed models is their ability to simulate components at any point of the watershed, allowing results to be extracted at any required point. Unlike lumped models that consider the entire watershed as a single unit, distributed models allow spatial distribution at any point in the watershed. Therefore, in this research, after calibrating and validating the TOPKAPI-X physical-distributed model in the studied basin, the model was optimized for flood estimation.
Materials and methodsThe Gamasiab basin is located in the west of Iran, in the northern region of the Zagros mountain ranges, to the north of the Karkheh dam basin, and primarily within the territories of Hamadan and Kermanshah provinces. The mountainous regions of this basin are mainly concentrated in the northern and southern parts, while its lowlands and plains are mostly located in the middle and southeastern parts of the basin (Ministry of Energy, 2014). In this research, the TOPKAPI-X model was used to simulate floods in the Gamasiab watershed. First, the watershed boundary was delineated using a digital elevation model (DEM) with a resolution of 30 meters. Land use maps, soil texture, watershed network, and climatic components were entered into the TOPKAPI-X model. The outlet location of the basin (hydrometric station) was used to simulate the flow using the TOPKAPI-X distributed hydrological model. Continuous time series data on a daily time step were used in this rainfall-runoff model. Specifically, daily rainfall data from 13 rain gauge stations and temperature data from 4 synoptic stations during the statistical period (1999 to 2020) were used to simulate the flow. After running the model several times, the general parameters were manually adjusted each time until the optimal values of the general parameters were obtained by considering the appropriate values of the evaluation criteria (NS and Bias) for the basin.
Results and discussionThis research was conducted to analyze the flood discharge of one of the main sub-basins of the Karkheh dam basin using the TOPKAPI-X model on a daily time scale. In the TOPKAPI-X software environment, simulations were performed during the calibration period using input maps and observational rainfall, temperature, and discharge data. A visual comparison of the observed and simulated hydrographs allows for a general and quick evaluation of the model's accuracy. The graphical results of the comparison between the discharge generated by the TOPKAPI-X model with the calibrated parameters and the measured discharge in the Gamasiab basin were presented. The TOPKAPI-X model has the ability to estimate the maximum daily flow rates of the Gamasiab basin; however, some of the simulated flow rates are higher than the observed flow rates. Four criteria—NSE, R, BIAS, and RMSE—were used to evaluate the model. The evaluation results of the TOPKAPI-X model indicate the accuracy of flow simulation, with a Nash-Sutcliffe criterion of 0.697 during the calibration period (1999-2014) and 0.660 during the validation period (2015-2020) for the Gamasiab basin. Therefore, it can be concluded that this model has good performance for flow simulation.
ConclusionsThe importance and usefulness of hydrological models for water resources management, understanding hydrological processes, and conducting impact assessment studies is clear. Hydrological models are crucial tools that enable scientists and policymakers to make informed decisions based on simulations of watershed behavior. Considering the increasing demand for water and the impact of climate change, hydrological simulation will be one of the essential methods for future water management. The results of this study showed that the TOPKAPI-X model has potential in simulating runoff in the selected basin. Due to the capabilities of the TOPKAPI-X distributed hydrological model, this software is recommended as a modeling tool for other basins.
Keywords: Hydrological Simulation, Model Calibration, Peak Discharge, Rainfall-Runoff, Spatially Distributed Model -
مقدمه
سیل یکی از مخاطرات محیطی است که عامل بسیاری از آسیب های تکرارشونده به منابع آب و خاک در مناطق مختلف ایران و سراسر جهان است. در این راستا، بندهای اصلاحی به عنوان عملیات مکانیکی در بسیاری از حوزه های آبخیز کشور برای کنترل دبی اوج و جلوگیری از فرسایش خاک احداث شده اند. بنابراین ارزیابی نقش عملیات مکانیکی آبخیزداری در کنترل سیلاب در سطح حوزه های آبخیز امری ضروری است. بر این اساس، هدف پژوهش حاضر بررسی تاثیر احداث سه سازه، با ارتفاع سرریز 9، 6 و 8 متر، بر ویژگی های سیلاب در حوزه آبخیز کندر عبدالرضا واقع در استان فارس است. به عبارت دیگر، این مطالعه بررسی می کند که آیا ساخت این سه سازه متوالی، هدف عملیات یعنی کنترل سیلاب از طریق کاهش قابل توجه دبی اوج و حجم سیل در منطقه را برآورده می کند یا خیر. بنابراین مهمترین متغیرها در این پژوهش، حجم سیلاب و حجم مخازن پیشنهادی برای کنترل سیلاب است. مقدار حجم سیل از هیدروگراف سیل استخراج می شود و حجم مخازن با استفاده از نقشه توپوگرافی (منحنی میزان) و منحنی های حجم-ارتفاع به دست می آید. بدیهی است که اگر حجم مخزن بیشتر از حجم سیلاب باشد، تمامی سیلاب توسط مخزن سازه مستهلک می شود و رواناب از سرریز سازه عبور نمی کند.
مواد و روش هادر این مطالعه به منظور شبیه سازی فرآیند بارش رواناب و اثر مخزن هر یک از سه سازه متوالی پیشنهادی بر مشخصات سیلاب از مدل HEC-HMS استفاده شد. حوزه آبخیز کندر عبدالرضا در حدود 27 کیلومتری جنوب شرقی شهر لامرد استان فارس قرار دارد و بر اساس تقسیم بندی حوزه های آبخیز کشوری، جزء حوضه کل- مهران (بخشی از حوضه درجه یک خلیج فارس و دریای عمان) محسوب می شود. در این راستا، پس از تهیه اطلاعات پایه مورد نیاز (از جمله مشخصات مربوط به توپوگرافی، بارندگی، گروه هیدرولوژیک خاک، کاربری اراضی و سازه های طراحی شده)، دبی اوج و حجم سیلاب در دوره بازگشت های مختلف با استفاده از مدل HEC-HMS برآورد شد. جهت محاسبه شدت رگبارها نیز از روش قهرمان آبخضر استفاده شد. ویژگی های سیل در پایین دست در غیاب سه سازه پیشنهادی (دو بند اصلاحی سنگ وملاتی و یک بند خاکی) بررسی شد و در گام بعدی، تاثیر مخازن این سازه ها روی هیدروگراف سیلاب مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. از آنجایی که سازه های پیشنهادی در بالادست منطقه مسکونی و بزرگراه واقع شده اند، مبنای طراحی سازه ها براساس دبی سیل با دوره بازگشت 100 ساله بوده است. در نهایت با استفاده از نتایج به دست آمده، میزان درصد کاهش دبی اوج سیل تحت تاثیر احداث هر کدام از بندها (مخازن) تعیین و مقایسه شد.
نتایج و بحثبراساس نتایج روش هیدروگراف واحد SCS در حوزه کندرعبدالرضا، میزان دبی اوج سیل در دوره بازگشت های 2، 5، 10، 25، 50 و 100 سال به ترتیب برابر با 7، 32، 46، 72، 91 و 116 مترمکعب بر ثانیه بوده است. به طوری که زمان پایه هیدروگراف از 5/6 ساعت در دوره بازگشت 2 ساله تا نزدیک 9 ساعت در دوره بازگشت 100 ساله متغیر است. همچنین حجم رواناب از 73 مترمکعب در دوره بازگشت 2 ساله تا 1053 مترمکعب در دوره بازگشت 100 ساله متغیر بوده است. نتایج نشان داد درصورت احداث سه سازه پیشنهادی با مجموع حجم مخزن معادل 614367 مترمکعب، دبی اوج سیل با دوره بازگشت 100 سال از 116 مترمکعب بر ثانیه به 32 مترمکعب بر ثانیه کاهش می یابد. به علاوه، نتایج شبیه سازی فرآیند بارش-رواناب در حوضه مورد مطالعه نشان داد که دبی اوج و حجم سیلاب پس از انجام عملیات سازه ای پیشنهادی در دوره بازگشت 50 ساله به ترتیب 84 و 73 درصد و برای دوره بازگشت 100 ساله به ترتیب 72 و 57 درصد کاهش خواهد داشت. بنابراین با توجه به نتایج شبیه سازی اثر سه سازه طراحی شده، می توان ادعا نمود که سازه های پیشنهادی برای حوضه مورد مطالعه، قابلیت تعدیل و مهار سیلاب ها را خواهند داشت.
نتیجه گیریاجرای عملیات سازه ای پیشنهادی برای حوزه آبخیز کندر عبدالرضا شامل دو بند اصلاحی سنگ وملاتی و یک بند خاکی علاوه بر کاهش دبی اوج و حجم جریان های سیلابی می تواند به تثبیت پروفیل طولی آبراهه ها -که در واقع مهمترین اثر اجرای بندهای اصلاحی است- و در نتیجه آن منجر به کاهش فرسایش خاک و تولید رسوب شود. در دوره بازگشت های مختلف (2، 5، 10، 25، 50 و 100 سال)، سه بند اصلاحی پیشنهادی از ظرفیت لازم برای ذخیره سازی رواناب و کاهش دبی اوج سیل در حوزه آبخیز مورد مطالعه برخوردارند، اما با افزایش دوره بازگشت، اثر این بندها (مخازن) در مهار سیلاب و کاهش دبی اوج کاهش می یابد. ضمن اینکه تاثیر سامانه سازه های متوالی پیشنهادی بر کاهش دبی اوج بیشتر از تاثیر این سازه ها بر کاهش حجم سیلاب است. به طور کلی، به منظور بالا بردن اثربخشی طرح های مطالعات آبخیزداری پیشنهاد می شود بررسی تاثیر احداث سازه ها بر مشخصات جریان های سیلابی در شرح خدمات این طرح ها گنجانده شود تا تصمیم برای انجام یا عدم انجام عملیات سازه ای در هر حوضه یا زیرحوضه براساس نتایج شبیه سازی و با اطلاعات دقیق تری گرفته شود. در ضمن پیشنهاد می شود به منظور ارزیابی بهتر اقدامات سازه ای پیشنهادی برای کنترل سیل، نصب ایستگاه های هیدرومتری ثبات در حوزه های آبخیز فاقد آمار که مستعد تولید سیل هستند، در اولویت قرار بگیرد.
کلید واژگان: اقدامات سازه ای, تعدیل سیلاب, دبی اوج, مدل هیدرولوژیکی, مهار سیلابIranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, Volume:18 Issue: 64, 2024, PP 64 -75IntroductionFlooding is one of the environmental hazards that causes a lot of repeated damage to water and soil resources in different regions of Iran and around the world. Check dams as a mechanical practice have been built in many watershed areas of the country to control peak discharge and prevent soil erosion. Therefore, it is essential to examine the role of these mechanical practices in flood control at the level of watersheds. The current study aims to investigate the effect of the construction of three proposed structures (two masonry check dams and one embankment dam), with spillway heights of 9, 6, and 8 meters, on flood characteristics in Kander Abdolreza watershed, Fars province, Iran. In other words, this study examines whether the construction of these three consecutive structures fulfills the goal of the operation, which is flood control through a significant reduction in peak discharge and flood volume in the study area. Therefore, the most important variables in this study is the flood volume and the volume of reservoirs proposed for flood control. The amount of flood volume is extracted from the flood hydrograph, and the volume of reservoirs is obtained using a contour map and storage-height curves. It is obvious that if the volume of the reservoir is more than the volume of the flood, all the flood will be attenuated by the structure and the runoff would not pass through the spillway of the dam.
Materials and MethodsIn this study, the HEC-HMS model was used to simulate the rainfall-runoff process and the reservoir effect of each of the three proposed consecutive check dams on flood characteristics. The study area, Kander Abdul Reza watershed, is located about 27 kilometers southeast of Lamerd city, Fars province, Iran. According to the division of watersheds in the country, it is part of the Kol-Mehran basin which is a subbasin of the major basin of the Persian Gulf and Oman Sea. In this regard, after preparing the required data, including properties related to topography, rainfall, soil hydrologic group, and designed structures, the peak discharge and volume of flood under different return periods were estimated using the HEC-HMS model. Ghahreman-Abkhezr method was also used to estimate the intensity of rainstorms. The characteristics of the flood in the downstream were investigated in the absence of three proposed structures (two masonry check dams and one embankment dam) and in the next step, the effect of these reservoirs/dams on the hydrograph of the flood was analyzed. Due to the fact that the proposed structures are located upstream of the residential area and the highway, the basis of the design of the structures was the flood discharge with a return period of 100 years. Finally, using the obtained results, the percentage of reduction in the peak discharge of the flood under the influence of the construction of each of the reservoirs/dams was determined and compared.
Results and DiscussionThe outcomes of SCS unit hydrograph for Kander Abdolreza watershed showed that the flood peak discharge in the return period of 2, 5, 10, 25, 50, and 100 years is equal to 7, 32, 46, 72, 91, and 116 m3.s-1, respectively; so that the time base of the hydrograph varies from 6.5 hours in the 2-year return period to nearly 9 hours in the 100-year return period. Meanwhile, the volume of runoff varies from 1.73 m3 in the return period of 2 years to 1053 m3 in the return period of 100 years. The results also showed that if the three proposed three consecutive structures were built, with a total reservoir volume of 614367 m3, the peak flood discharge would fall from 116 m3.s-1 to 32 m3.s-1 over a 100-year return period. In addition, the outcomes of the simulation of the rainfall-runoff process in the study watershed indicated that the reduction in the peak discharge and volume of the flood after the implementation of the proposed structural measures for the 50-year return period was 84% and 73%, respectively; and for the 100-year return period it was reduced by 72% and 57%, respectively. Thus, according to the results of the simulation of the effect of the designed structures, it can be claimed that the proposed structures for the study watershed would have the ability to mitigate and control floods.
ConclusionThe implementation of the proposed structural measures for the Kander Abdolreza watershed, including two masonry check dams and one embankment dam, in addition to reducing the peak discharge and the volume of flood flows, can stabilize the longitudinal profile of the stream channels, which is useful for the conservation of soil and water resources in the study area. At different return periods (2, 5, 10, 25, 50, and 100 years), the three proposed structures have the required capacity to store runoff and reduce the peak discharge in the study watershed; however, as the return period increases, the role of these reservoirs/dams in controlling the flood and reducing the peak flow decreases. Moreover, the effect of the proposed consecutive structures system on peak flow reduction is greater than the effect of these structures on flood volume reduction.In general, to increase the effectiveness of the watershed studies plans, it is recomended to include the study of the impact of the implementation of structural measures on the characteristics of flood flows in the service description worksheet of these projects so that the decision to carry out or not to carry out for structural operations in each basin or sub-basin is made based on the simulation results and with more detailed information. In addition, to better evaluate the proposed structural measures for flood control, it is suggested to prioritize the installation of hydrometric stations in ungauged watersheds that are prone to flood generation.
Keywords: Hydrologic Model, Flood Control, Flood Mitigation, Peak Discharge, Structural Measures -
نشریه علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، سال بیست و هفتم شماره 1 (پیاپی 103، بهار 1402)، صص 287 -301
مدل های رقومی ارتفاع (DEM) یکی از مهم ترین داده های مورد نیاز در مدل سازی حوزه آبخیز با مدل های هیدرولوژیکی است که دقت مکانی آن تاثیر بسزایی در صحت شبیه سازی فرایندهای هیدرولوژیکی دارد. در پژوهش حاضر اثر دقت مکانی پنج DEM شامل نقشه توپوگرافی (TOPO) با مقیاس 1:25000، SRTM، ASTER، ALOS PALSAR و GTOPO به ترتیب با دقت های مکانی 10، 12/5، 30، 90 و 1000 متر بر تخمین پارامترهای مدل های ژیومورفولوژیک و ژیومورفوکلیماتیک در حوزه آبخیز امامه ارزیابی شده است. برای این منظور از 34 رویداد سیلاب منفرد طی سال های 1349 تا 1394 استفاده شد. نتایج نشان داد که در روش ژیومورفولوژیک استفاده از مدل رقومی ارتفاع TOPO و ALOS PALSAR بهترین نتایج را به ترتیب با ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) 1/7 و 1/8 مترمکعب بر ثانیه و مقدار نمایه نش- ساتکلیف 0/4 و 0/3 ارایه نمودند. درحالی که مدل رقومی ارتفاع GTOPO کمترین کارایی را با 8/2RMSE مترمکعب بر ثانیه و نمایه نش- ساتکلیف 2- داشت. به طور مشابه در روش ژیومورفوکلیماتیک کمترین و بیشترین RMSE به ترتیب 3/8 و 18 متر مکعب بر ثانیه متعلق به مدل های رقومی ارتفاع TOPO و GTOPO با مقدار نمایه نش- ساتکلیف 0/2 و 6- است. به طور کلی روش ژیومورفولوژیک نسبت به روش ژیومورفوکلیماتیک در تمام مدل های رقومی ارتفاع نتایج مطلوب تری را داشت.
کلید واژگان: قدرت تفکیک مکانی, دبی اوج, زمان تا اوج, مقیاس, هیدروگراف واحد لحظه ایDigital elevation models (DEMs) are one of the most important data required in watershed modeling with hydrological models and their spatial resolution has a significant impact on the accuracy of simulating hydrological processes. In the present study, the effect of spatial resolution of five DEMs derived from the topographic map (TOPO) with a scale of 1:25000, ALOS PALSAR, ASTER, SRTM, and GTOPO with a spatial accuracy of 10, 12.5, 30, 90, and 1000 m, respectively, on the estimation of parameters of geomorphological and geomorphoclimatic unit hydrographs models has been evaluated in Amameh watershed. Thirty-four single flood events were used during the years 1970 to 2015. The results showed that in the GUH method, the application of the TOPO and ALOS PALSAR DEMs had the best results with root mean square error (RMSE) of 1.7 and 1.8 m3/s and Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) of 0.4 and 0.3, respectively. While the GTOPO DEM had the least efficiency with RMSE of 2.8 m3/s and NSE of -2. Similarly, the lowest and highest RMSE in the GCUH method belonged to TOPO and GTOPO DEMs with RMSE of 3.8 and 18 m3/s and NSE of 0.2 and -6, respectively. Generally, the GUH method had more favorable results than the GCUH method in all DEMs.
Keywords: Spatial resolution, Peak flow, Time to peak, Scale, Instantaneous unit hydrograph -
توسعه مناطق مسکونی و شهری در حاشیه رودخانه ها و بستر دشت های سیلابی بدون توجه به شرایط هیدرولیکی و هیدرولوژیکی حاکم بر حوضه بالادست و رودخانه، باعث افزایش خطر سیلاب می شود. بنابراین مطالعه سیلاب ها به منظور برنامه ریزی، بهره برداری بهینه و مدیریت این پدیده طبیعی از جمله مسایل مهم در مدیریت منابع آب است. پژوهش حاضر، با هدف بررسی میزان تغییر کاربری اراضی با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS و سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) و تصاویر ماهواره ای لندست طی سال های 1370، 1380 و 1390 در حوزه آبخیز ریگان استان کرمان به مساحت 7091 کیلومترمربع انجام و تاثیر آن بر افزایش سیل خیزی رواناب های سطحی حوزه بررسی شد. برای این کار در مرحله نخست تصاویر ماهواره ای تفسیر و مورد پردازش قرار گرفته و تغییر کاربری ها مشخص و مقادیر CN خاک محاسبه شد. سپس به کمک مدل HEC-HMS فرایند بارش- رواناب در این حوزه شبیه سازی شد و مقادیر دبی پیک سیلاب در هر دوره به دست آمد و در نهایت هیدروگراف سیلاب حوزه آبخیز برآورد شد. نتایج نشان داد که با افزایش سطوح نفوذناپذیر شهری و تخریب اراضی کشاورزی و مراتع در منطقه موردمطالعه میزان CN خاک از سال 1370 تا 1390 از 65/28به 70/25 افزایش یافته که به دنبال آن دبی اوج سیلاب از 29 مترمکعب برثانیه در سال1370 به 29/3 مترمکعب برثانیه در سال 1390 و هم چنین حجم رواناب، طی این دوره، از 3/4 به 6 میلی متر افزایش داشته است. نتایج به دست آمده می تواند کمک شایانی به مکان یابی اجرایی پروژه های آبخیزداری نماید.کلید واژگان: حوزه آبخیز ریگان, دبی اوج, رواناب, شماره منحنی, منابع آبThe development of residential and urban areas on the banks of rivers and flood plains, regardless of the hydraulic and hydrological conditions govering the upstream basin and the river, increases the risk of flooding. Therefore, the study of floods for the purposes of planning, optimal exploitation and management of this natural phenomenon is one of the important issues in water resources management. The current research aims to investigate the rate of land use change using the HEC-HMS hydrological model and geographic information system (GIS) and Landsat satellite images during the years 1991, 2001 and 2011 in the Rigan watershed of Kerman province with an area of 7091 square kilometers. It was investigated on the increase of flooding of surface runoff in the area. For this purpose, in the first step, satellite images were interpreted and processed, and changes in land use was determined and soil CN values were calculated. Then, with the help of HEC-HMS model, the rainfall-runoff process in this basin was simulated and the peak flood discharge values were obtained in each period, and finally the flood hydrograph of the watershed was estimated. The results showed that with the increase of urban impervious surfaces and destruction of agricultural lands and pastures in the study area, the rate of soil CN from 1991 to 2011 increased from 65.28 to 70.25, following which the peak flood discharge from 29 m3 / sec in 1991 to 29.3 m3 / sec In 2011 and also the volume of runoff has increased from 3.4 to 6 mm during this period. The obtained results can be of great help to the implementation of watershed projects.Keywords: Rigan watershed, peak discharge, Runoff, Curve number, water resources
-
در سال های اخیر اقدامات گسترده ای از نظر کنترل سیل، فرسایش و رسوب در زمینه های تحقیقاتی، مطالعاتی و اجرایی آبخیزداری انجام شده است. لذا این تحقیق با هدف ارزیابی اثر اقدامات آبخیزداری بر روی خصوصیات جریان و رسوب معلق در دو زیر حوضه از حوضه قلعه گل انجام گرفت. برای مقایسه اثر اقدامات آبخیزداری بر روی میزان جریان و رسوب معلق خروجی از هر دو زیرحوضه، در زمان شروع بارندگی تا پایان بارندگی و رسیدن ارتفاع جریان رودخانه به دبی پایه، اندازه گیری سرعت جریان و نمونه برداری از بار معلق به صورت مستقیم و میدانی از زیر حوضه ها انجام گرفت. نتایج نشان داد که در تمام اندازه گیری ها میزان دبی و رسوب زیرحوضه جنوبی با عملیات آبخیزداری اجرا شده بیش از زیرحوضه شمالی بدون اجرای عملیات آبخیزداری بود. مطابق نتایج آزمون های آماری، مشخص شد که اختلاف بین دبی اوج جریان خروجی (P=0.691) و رسوب اوج خروجی (P=0.840) زیرحوضه های شمالی و جنوبی معنی دار نبوده است. همچنین مطابق نتایج این تحقیق، اختلاف بین دبی ویژه و گل آلودگی ویژه خروجی از این زیرحوضه ها معنی دار نبوده است (P>0.05). بر اساس این نتایج مشخص شد که اجرای این عملیات ظاهرا بعد از گذشت چند سال کارایی لازم برای کاهش میزان دبی و رسوب خروجی حوضه را از دست داده اند. بدین معنی که عملیات اجرا شده، تاثیرگذاری خود بری روی رسوب و رواناب خروجی را از دست داده اند. لذا برای افزایش کارایی سازه های مکانیکی آبخیزداری اجرا شده در آبراهه ها، بایستی همزمان اقدام به اجرای عملیات بیولوژیک و بیومکانیکی در روی دامنه ها نمود.
کلید واژگان: استان لرستان, حوضه قلعه گل, عملیات آبخیزداری, دبی اوج, رسوب معلقIn recent years, extensive practices have been done on flood control, erosion and sediment in the fields of research and implementation of watershed management. Therefore, the purpose of this study was to assess the effects of watershed management practices on the characteristics of runoff and suspended sediment load in two subwatersheds in Ghaleh Gol watershed in Lorestan province, Iran. In this research, for comparing the effect of watershed management practices (WMP) on discharge and suspended sediment load (SSL) from both subwatersheds, the flow velocity was measured and the SSL was sampled directly from the beginning of the rainfall events until the end of them. Results showed that in all measurements, the discharge and suspended sediment load of the southern subwatershed with watershed management practices was higher than the northern subwatershed without such practices. According to the results of ANOVA test, it was found that the difference between discharge peak (P=0.691) and suspended sediment load peak (P=0.840) was not significant in two subwatersheds. Also, according to the results, the difference between specific discharge and specific SSL was not significant (P>0.05). Based on these results, it was found that the implementation of WMP in the study area apparently has no the required performance to reduce the discharge and SSL, and the WMP have lost their performance before the end of their useful life. Therefore, in order to increase the performance of mechanical watershed management practices (MWMP), the biological and biomechanical practices has to be performed simultaneously.
Keywords: Lorestan Province, Ghaleh Gol watershed, watershed management operations, peak of discharge, peak of sediment suspended load -
ارزیابی مخاطرات سیلاب موضوع مهمی است که می تواند منجر به کاهش خسارات سیل گردد. مدلسازی بارش-رواناب نقش کلیدی در مدیریت منابع آب و همچنین جلوگیری از مخاطرات سیل بازی می کند. اما استفاده از مدل های هیدرولوژیکی به منظور شبیه سازی رواناب نیازمند واسنجی پارامترهای مختلف می باشند. از این رو، در مطالعه حاضر مدل WMS11.0 جهت شبیه سازی دبی اوج و حجم سیلاب های حوضه بابلرود مورد ارزیابی قرار گرفت. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل به ترتیب از 3 و 2 رخداد بارش استفاده شد. سپس باران طرح منطقه مورد مطالعه، با دوره بازگشت های مختلف (2، 5، 10، 25، 50، 100 و 500 ساله) تعیین و سیلاب ناشی از این بارش ها شبیه سازی گردید. نتایج نشان داد که مدل WMS می تواند با دقت خوبی دبی اوج (با خطای حدود 5 درصد) و حجم سیلاب (با خطای کمتر از 26 درصد) را برآورد کند. اما مدل قادر نبود شکل هیدروگراف را با دقت خیلی خوبی شبیه سازی نماید. همچنین مشخص شد که دبی اوج و حجم سیلاب ناشی از بارش های طرح 2 تا 500 ساله، به ترتیب بین 50 تا 300 مترمکعب بر ثانیه و 6/6 تا 4/32 میلیون مترمکعب متغیر می باشد.
کلید واژگان: بارش-رواناب, بارش طرح, دبی اوج, مدلسازی, هیدروگراف سیلابFlood hazard assessment is an important topic that can reduce flood-related losses. Rainfall-runoff modeling plays a key role in the management of water resources in addition to protecting from flood hazards. The use of hydrological models to simulate the runoff necessitates the proper calibration of the different parameters. Therefore, In the present study, the Watershed Modeling System (WMS11.0) was evaluated to simulate peak discharge and volume of floods of Babolrood catchment. WMS model calibrated and validated using 3 and 2 rainfall events, respectively. Afterwards, design precipitation (DP) for 2, 5, 10, 25, 50, 100 and 500-year return periods was determined and flood resulting from DPs simulated. The results showed that the WMS model could accurately estimate the peak discharge (the error was about 5%) and the and flood volume (the error was less than 26%). But the model was not able to simulate properly the shape of the hydrograph. It also revealed that peak discharge and flood volume arising from 2 to 500-year return periods of rainfall vary between 50 to 300 m3/s and 6.6 to 32.4 Mm3, respectively.
Keywords: Rainfall-runoff, design precipitation, peak discharge modeling, flood hydrograph -
بررسی اثر تغییر کاربری بر افزایش رواناب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC HMS در حوضه آبخیز خرم آباد
تغییرات کاربری و همچنین توسعه شبکه راه ها و مناطق مسکونی موجب افزایش تولید رواناب و خطر سیلاب شده است. برای بررسی تاثیر تغییر کاربری اراضی بر رفتار هیدرولوژیک حوضه آبخیز خرم آباد، نقشه کاربری اراضی با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست، نقشه شماره منحنی و ضریب رواناب سال های 2000،1985 و 2016 تهیه و مورد بررسی قرار گرفت. برای مدل سازی بارش- رواناب از مدل هیدرولوژیکی HMS HEC استفاده شد. نتایج نشان داد که تغییر کاربری صورت گرفته در منطقه به ویژه کاهش اراضی جنگلی و افزایش مناطق مسکونی و شهری باعث افزایش دبی پیک، حجم رواناب، کاهش زمان تمرکز، زمان تاخیر و زمان تا اوج هیدروگراف و ضریب رواناب حوضه شده به گونه ای که در دبی اوج حوضه در دوره 19852000، 195/54 تا 150%، در دوره 20002016،7/86 تا 714/210% و در دوره 19852016، 594/18 تا 285/24% تغییر حاصل شده است و زمان تمرکز و زمان رسیدن دبی به اوج به ترتیب تا 99/6- و 02/5- در دوره 19852016 تغییر کرده است. همچنین نتایج اجرای مدل برای بارش های با دوره بازگشت مشخص نشان داد با زیاد شدن دوره بازگشت، درصد تغییرات دبی کم می شود؛ مثلا در دوره 19852016 میزان افزایش دبی در دوره بازگشت 2 و 100ساله به ترتیب 55/22 و 87/16% است.
کلید واژگان: مدل HMS HEC, دبی اوج, حجم رواناب, ضریب رواناب, دوره بازگشتIntroductionVarious problems regarding watershed issues that have occurred because of human activities and economic development, are attracting increasing attention. Subsequently, many researchers are concerned about the effect of land use change on runoff which depends on the size, average slope, and the watershed’s baseline land cover characteristics. Moreover, the extent of the land-use change effect on simulated runoff depends on the hydrological model used and the processes considered in this regard. Any change in Land Cover and Land Use (LCLU) would affect the runoff characteristics of a drainage basin to a great extent, which, in turn, influences the region’s surface water and groundwater availability, leading to further changes in LCLU. Therefore, it is necessary to evaluate the effect LCLU changes on a region’s runoff characteristics in general and on small watershed levels (sub-basin levels) in particular.Land use changes in developing countries usually affect forests and national reserves. This is due to human activities such as creating settlements, developing agriculture, and encroaching on forestlands. Poor hydrological measuring infrastructure and lack of expertise are amongst the main factors which prevents a comprehensive analyses of catchment scenarios and their impact on the environment. Changes in climate and land use/cover (LUC) play an important role in altering the runoff trend. Climate change influences the runoff and the regional water balance by affecting precipitation and temperature rates. While precipitation is particularly crucial in determining the amount of water for runoff, temperature mainly affects evapotranspiration, which is regarded as a kind of loss for runoff formation. Moreover, changes in LUC influence the runoff routing trend.For instance, the destruction of a forest may affect soil permeability and further alter the runoff generation trend. On the other hand, an increase in impermeability of the surface areas’ soil because of urbanization can decrease the infiltration rate and concentration time, leading in turn to an increased in surface runoff. As changes in runoff considerably affect water resources, investigation of the runoff responses to climate and LUC changes is essential for the preservation pf local ecology and sustainable utilization of water resources. Furthermore, environmental scientists and local planners need a model for estimating the impacts of land-use change on groundwater recharge, water supply, and wetland hydrology.There are several evidences indicating that changes in land cover have influenced the hydrological regime of various river basins. Furthermore, the effects of climate change on hydrological cycle and the runoff behavior of river catchments have largely been discussed in recent years. However, it is currently not clear how, to what extent, and at which spatial scale such environmental changes are likely to affect storm runoff generation, and consequently on the rivers’ flood discharges. Changes in Land Cover and Land Use (LCLU) affect to a great extent the runoff characteristics of a drainage basin, which in turn, influence the surface and groundwater availability of the area, leading to further change in LCLU.Land use/land cover (LULC) change is a dynamic and complex process that can be exacerbated by a number of human activities, including an increase in human population and population response to economic opportunities. While in the past, the rivers’ corrective operations were focused on building constructs for controlling the rivers’ flow and implementing construct operations, hydrological consequences of climate change and land use changes, flood plains’ economic and ecological developments, and the alteration of social views regarding rivers’ safety and ecological functions have directed the attentions to the more sustainable use of rivers. Unfortunately, river systems have not been monitored with sufficient spatiotemporal resolution over long periods to deal with the above-mentioned issues through field observations alone. Therefore, to make appropriate management decisions for watershed basins, the effect of land use change on runoff should be evaluated based on hydrological models.
Materials and methodsTo assess the impact of land use changes on the Khorramabad watershed’s hydrological behavior, land use map, CN and the runoff coefficient maps was prepared for 1985, 2000, and 2016, using Landsat satellite imagery. Moreover, HEC HMS computer model was used for modeling rainfall-runoff.
ResultsThe study’s results showed that the change in the region’s land use, especially the reduction of forest lands and increase of urban areas, has led to an increase in peak-flow discharge, an increase of runoff volume, the reduction of concentration time and lag time, the reduction of the time required for reaching the hydrograph time, and decrease of the watershed’s runoff, with the watershed’s peak discharge changed by 54.195 to 150 percent in 1985-2000 period, 82.867 to 210.714 percent in 1985-2016 percent, and 18.594 to 24.285 in 2000-2016, period, and the concentration time and the flood’s peak discharge time changed by -6.99 and -5.02 percent in 1985-2016 period, respectively. Furthermore, the results of implementing the model on precipitations with return periods indicated that with an increase in return time, the amount of discharge changes decreased. For instance, in 1985- 2016 period, the increase in the discharge rate in return times of 2 and 100 years was 22.55 and 16.87, respectively.
Discussion and ConclusionLand use changes vary in different parts of a land, including the conversion of forest lands to agricultural ones, ranch and agricultural lands to residential and urban areas, and agricultural lands into abandoned ones. In the north and northwestern part of the basin, severe destruction of forests and their conversion to agricultural lands, and in the south and southwestern part of the basin, the conversion of agricultural and rangeland lands into residential and urban areas was observed. Moreover, CN has particularly increased in these areas under the influence of land-use changes.
Keywords: HEC HMS Model, Peak discharge, Runoff volume, Return period -
سیل یکی از بلایای طبیعی است که از هرساله موجب خسارات جانی و مالی فراوانی می شود. لذا پهنه بندی پتانسیل سیل خیزی، اقدامی ضروری برای کاهش خسارات ناشی از آن است. هدف از این پژوهش، بررسی کارآیی تکنیک تحلیل سلسله مراتبی برای پهنه بندی پتانسیل سیل خیزی و اولویت بندی پتانسیل سیل خیزی زیرحوزه های آبخیز باراجین قزوین بود. بدین منظور پتانسیل سیل خیزی زیرحوزه ها با بکارگیری تحلیل سلسله مراتبی تعیین و با نتایج سیل خیزی حاصل از مدل HEC-HMS به عنوان داده های مشاهداتی مقایسه شد. نتایج نشان داد که علاوه بر تطابق کامل بین نقشه های طبقه بندی شده دو روش، همبستگی معنی داری (929/0 و 934/0) بین رتبه پتانسیل سیل خیزی حاصل از AHP و رتبه دبی پیک سیلاب با دوره بازگشت های 25 و 50 سال زیرحوضه ها وجود دارد. همچنین تحلیل اوزان حاصل از AHP نشان داد که در سیل خیزی زیرحوزه ها، به طور کلی عوامل هیدروکلیماتیک (وزن = 65/0) از اهمیت بیشتری نسبت به عوامل مورفومتری (وزن = 35/0) برخوردارند و عامل شدت بارش برابر با زمان تمرکز نیز مهم ترین عامل می باشد (وزن = 373/0). بر اساس رتبه بندی نهایی، زیرحوزه های 5، 3 و 4 که در نواحی کوهستانی و بالادست حوزه واقع شده اند، پتانسیل سیل خیزی بالایی دارند که بیشتر به دلیل وزن بالای دو زیرمعیار شدت بارش برابر با زمان تمرکز و بارش با دوره بازگشت 25 ساله نسبت به زیرحوزه های دیگر است. نتایج این تحقیق علاوه بر شناخت فرآیندهای حاکم بر حوزه، می تواند راهنمای مناسبی برای کنترل سیلاب های منطقه مطالعاتی باشد.
کلید واژگان: اولویت بندی, تحلیل سلسله مراتبی, تصمیم گیری چندمعیاره, دبی اوجFlood is one of the natural hazards that causes numerous financial and life damages each year. Therefore, flood potential prioritizing is crucial to reduce the damages caused by it. The aim of this study was to evaluate the efficiency of the Analytic Hierarchy Process (AHP) in flood potential prioritizing of Barajin sub-catchments. So, flood potential of sub-catchments was determined using AHP and the results are compared with the outputs of the HEC-HMS model as observed data. The results showed that in addition to full compliance of the two maps, there is a significant correlation (0.9299 and 0.934) between flooding potential ranks and peak flood discharge ranks with the return periods of 25 and 50 years of sub-catchments. The weights of AHP were also showed that in the flood of sub-catchments, generally, hydro-climatic criteria (weight = 0.65) is more important than morphometric criteria (weight = 0.35); and the rainfall intensity is the most important sub-criteria (weight = 0.373). Based on the final ranking, sub-catchments of 5, 3, and 4 that are located in upland and mountainous areas, have high flood potential due to the high weight of tow sub-criteria, one rainfall intensity, and the other 25-years rainfall. The results of this study could be a good guide for controlling floods of the study area in addition to understanding the processes governing the watershed.
Keywords: AHP, HEC-HMS, Multi Criteria Decision Making, Peak flow, Prioritizing of flood potential -
برای برنامه ریزی های آتی طرح های اجرایی آبخیزداری، ارزیابی عملکرد اقدامات گذشته امری ضروری است. در این پژوهش، تاثیر اقدامات مختلف آبخیزداری بر وضعیت هیدرولوژیکی و منابع آب در حوزه آکوجان قزوین مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور، تغییرات آبدهی منابع آبی حوضه، افزایش میزان نفوذ و ذخیره آب و نیز میزان سیلاب حوضه، برای بازه زمانی قبل و بعد از اجرای عملیات آبخیزداری مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج نشان داد، سالانه حدود 114 هزار متر مکعب ذخیره رواناب در اثر عملیات آبخیزداری در حوضه انجام شده است که 20.1 درصد این حجم مربوط به عملیات سازه ای و 79.9 درصد متعلق به اقدامات بیولوژیکی و بیومکانیکی آبخیزداری است. نتایج مربوط به تحلیل سیلاب نشان داد که نقش اقدامات سازه ای در تغییر زمان تمرکز حوضه اندک و حتی منفی بوده، لذا، کاهش دبی اوج و حجم سیلاب خروجی حوضه، حاصل اجرای اقدامات بیولوژیکی و بیومکانیکی است که باعث شده دبی اوج برای دوره بازگشت های دو تا 100 سال به ترتیب 42.7، 25.4، 20.8، 17.1، 15.3 و 13.8 درصد و حجم سیلاب به ترتیب 41.8، 24.8، 20.2، 16.5، 14.8 و 13.3 درصد کاهش یابد. همچنین، مشخص شد که با افزایش دوره بازگشت سیلاب، درصد کاهش حجم و دبی اوج سیلاب ناشی از عملیات آبخیزداری کاهش یافته است.
کلید واژگان: ذخیره رواناب, کنترل سیلاب, دبی اوج, حجم سیلاب, بیولوژیکی و بیومکانیکی, عملیات سازه ایEvaluation of the impacts of past watershed projects provides useful insights for future projects. In this study, the hydrology and water resources status of Akujan Catchment of Qazvin Province has been the object of the study in which the effects of various measures of watershed managements were evaluated. For this purpose, the changes of water resources discharge, increased infiltration, water storage, peaks and volumes of catchment floods, were compared before and after the implementation of watershed management projects. Results showed that 114000 m3</sup> more runoff storage has been carried out by watershed management operations that 20.1% of this volume was related to the structural operations and 79.9% of it was due to biological and biomechanical projects of the catchment. Results of the flood analysis indicated that the role of structural measures in the change of time of concentration is low and even negative. Therefore the reduction of the peak flow and flood volume at the outlet of the catchment is due to the implementation of biological and biomechanical measures which reduces the peak flows by 42.7, 25.4, 20.8, 17.1, 15.3 and 13.8% and flood volumes by 41.8, 24.8, 20.2, 16.5, 14.8 and 13.3% respectively for the return periods of two, five, 10, 25, 50 and 100 years. Another observation is that the effect of watershed management practices on the reduction of flood peak and volume decreases when the return period of flood is increased.
Keywords: biological, biomechanical, Flood control, Flood volume, Peak flow, structural operations, water storage -
تحقیقات اخیر نشان داده است که امکان استفاده از مدل متداول شماره منحنی (SCS-CN) در بسیاری از مناطق نمی باشد. از این رو مدل های دیگری در این زمینه توسعه داده شده و می بایست مورد ارزیابی مقایسه ای قرار گیرند. هدف مطالعه حاضر مقایسه کارایی مدل میشرا-سینگ تک پارامتری، در مقایسه با مدل متداول شماره منحنی است. برای این منظور از داده های بارش-رواناب پنج حوضه آبریز در استان گلستان استفاده شده است. معیارهای جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، ناش-ساتکلیف (NSE) و خطای دبی اوج (PEP) برای بررسی دقت شبیه سازی هیدروگراف و دبی اوج مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد در 13 رگبار از 14 رگبار مورد مقایسه، مدل میشرا- سینگ تک پارامتری، برآورد دقیق تری از هیدروگراف و دبی اوج سیلاب دارد. این در حالی است که در یک رگبار باقی مانده تفاوت نتایج دو مدل کوچک به دست آمده است. میانگین معیارهای RMSE، NSE و PEP در مدل متداول شماره منحنی SCS-CN برابر با 4/29، 9/35- و 98/0- و در مدل میشرا-سینگ تک پارامتری، به ترتیب برابر با 19، 2/9- و 0 است.کلید واژگان: مدل استاندارد شماره منحنی, مدل توسعه داده شده, دبی اوج, گلستانThere are various models for flood prediction that are based on different conceptual basis. The current SCS-CN model is a well-known model in this field that is widely used in Iran and other countries. Recent researches focuses on improvement of this model and improve its efficiency but it is necessary to evaluate the improved models for catchments of Iran. The objective of this study is the comparison of current SCS-CN and developed Mishra-Singh (One Parameter) models for flood hydrograph and peak estimation using data of five catchments in Golestan province. Methodology Study Area and Used Data Five catchments (including Galikesh, Tamer, Kechik, Vatana and Nodeh) located in Golestan province were considered to evaluate different models for flood hydrograph estimation. The characteristics of the selected basins are presented in TableKeywords: SCS-CN, 1-Parameter Mishra-Singh Model, Hydrograph, Peak Discharge, Golestan
-
برآورد دبی اوج به عنوان یکی از مباحث اصلی در مدیریت منابع آبی و سیلاب نقش اساسی در طراحی سازه های آبی و اقدامات بیومکانیکی در حوزه های آبخیز دارد، به طوری که برآورد صحیح آن نقش اساسی در موفقیت کار های اجرایی دارد. در این بررسی، سعی شده با استفاده از روش های هوش مصنوعی (شبکه عصبی MLP، ترکیب شبکه عصبی MLP و شبکه SOFM، GRNN، ترکیب خوشه بندی FCM و ANFIS) دبی بیشینه رودخانه یلفان در محل ایستگاه هیدرومتری برآورد شود. به این منظور، در این دو مدل هشت متغیر که شامل بارندگی مربوط به روز وقوع سیل، بارندگی های پنج روز قبل، دبی پایه در روز وقوع سیل و CN حوضه به عنوان پارامتر های ورودی و دبی پیک به عنوان خروجی در نظر گرفته شده است. سپس، با استفاده از روش هوش مصنوعی و پیش پردازش داده ها، ساختار بهینه مدل ها با استفاده از داده های ورودی و خروجی و با ملاک قراردادن معیار های ارزیابی، به روش سعی و خطا تعیین شد. نتایج نشان داد که شبکه عصبی پرسپترون چند لایه (MLP) عملکرد بهتری در برآورد دبی سیلاب نسبت به مدل ترکیبی ANFIS+FCM ،MLP+SOFM ،GRNN در حوضه یلفان دارد.کلید واژگان: خوشه بندی, دبی اوج, شبکه عصبی, ANFIS, GRNN, MLP, SOFMPeak flow estimation is one of the major issues in water resources and flood management that have basic role in the design of hydraulic structures and biomechanics activities in basins. So that a proper assessment has a basic role in the success of administrative works. In this paper, using artificial intelligence methods (MLP Neural Network, the mixture of SOFM with MLP, the mixture of FCM with ANFIS) to estimate Yalfan River’s peak discharge in hydrometer local station. For these models, eight variables have been considered as the inputs that includes rainfall amount in the occurrence time of flood, rainfall of five days ago from occurrence of flood, curve number of the basin (CN), basic discharge and finally peak discharge are considered as the output. In the artificial intelligences after preprocessing of the data, the optimal structure of the models are determined with input and output data, evaluation criteria and trial and error. At the end, the MLP model had better performance compared to ANFIS+FCM, MLP+SOFM, GRNN models.Keywords: ANFIS, Clustering, GRNN, MLP, Neural network, Peak flow, SOFM, Yalfan
-
مدل SWAT یک مدل هیدرولوژیک پیوسته و فیزیک پایه است که فرایند هایی نظیر تولید رواناب، بار رسوب و نیتروژن برای هر یک از واحدهای هیدرولوژیک شبیه سازی می شود. هدف اصلی در این پژوهش، آزمون کارایی مدل ارزیابی SWAT و قابلیت استفاده از آن به عنوان شبیه ساز جریان و استفاده از نرم افزارهای SWAT-CUP و الگوریتم های SUFI2 برای واسنجی و اعتبارسنجی حوزه آبخیز نکا مازندران می باشد. در این پژوهش، از شاخص های عامل P، عامل R ،NS و R2 به منظور ارزیابی مدل SWAT استفاده شد. از آمار رواناب چهار ایستگاه هیدرومتری در سال های 1373-1382 به منظور واسنجی و 1383-1387 برای اعتبارسنجی این حوضه به کار برده شده است. ضرایب واسنجی برای آبلو، پایین زرندین، کارخانه سیمان و سفیدچاه به ترتیب 0. 85، 0. 78، 0. 78، 0. 89 برای P-factor؛ 2. 55، 2. 03، 1. 71، 2. 43 برای عامل R؛ 0. 76، 0. 62، 0. 69، 0. 71 برای NS و 0. 71، 0. 82، 0. 76، 0. 63 برای R2 به دست آمد. اعتبارسنجی این حوضه نیز برای آبلو، پایین زرندین، کارخانه سیمان و سفیدچاه به ترتیب 0. 87، 0. 88، 0. 72، 0. 72 برای P-factor؛ 3. 61، 2. 24، 3. 56، 1. 78 برای R-factor؛ 0. 74، 0. 66، 0. 58، 0. 64 برای NS و 0. 81، 0. 68، 0. 73، 0. 61 برای R2 به دست آمد. نتایج کلی واسنجی مدل نشان می دهد که مدل SWAT می تواند ابزار مناسبی در رابطه با شبیه سازی رواناب در حوزه آبخیز نکا باشد.کلید واژگان: حوزه های آبخیز دریای خزر, خاک, دبی اوج, شماره منحنی, واحدهای هیدرولوژیکSWAT is a continuous, physically based and distributed hydrologic model which all several hydrological processes like discharge, sediment yield nitrogen are simulated for each one of it. The purpose of this study is to test the efficiency of the Soil and Water Assessment Test (SWAT) and its applicability as a flow simulator, and using SWAT-Cup software and the SUFI2 algorithm as a means to calibrate and validate Neka Watershed in Mazandaran Province. Four indices were used to assess the goodness of calibration, viz., P-factor, R-factor, R2 and Nash-Sutcliffe (NS). Runoff data (1995-2004) of four hydrometery stations were used for calibration and (2005-2009) for validation of this watershed. The results of these values for flows at four stations for calibration process in Ablo, Pain zarandin, Karkhane siman and Sefid chah were 0.85, 0.78, 0.78, 0.89 for P-factor; 2.55, 2.03, 1.71, 2.43 for R-factor; 0.76, 0.62, 0.69, 0.71 for Nash-Sutcliffe and 0.71, 0.82, 0.76, 0.63 for R2. The results of validation were 0.87, 0.88, 0.72, 0.72 for P-factor; 3.61, 2.24, 3.56, 1.78 for R-factor; 0.74, 0.66, 0.58, 0.64 for Nash-Sutcliffe (NS) and 0.81, 0.68, 0.73, 0.61 for R2 respectively. In general, the results showed that SWAT could be a proper tool for simulating the flow rate values of the Neka Watershed.Keywords: Calibration, Neka Watershed, Runoff, SWAT model, Validation
-
تمرکز بر حوضه های آبخیز شهری از چند دهه گذشته مورد توجه بوده است. الگوی رشد حوضه های شهری نیازمند طراحی سیستم ذخیره آب باران (رواناب) می باشد. برای این منظور تخمین میزان رواناب و درصد تولید رواناب در سطوح آبگیر شهری دارای اهمیت می باشد و به منظور بررسی پاسخ هیدرولوژیکی مناطق همگن به رواناب شهری منطقه مورد نظر به عنوان واحدهای همگن مطالعاتی در مدیریت آبخیز شهری (رواناب) در نظر گرفته و با بررسی تغییرات کاربری اراضی برای سه دوره 1375، 1385 و 1395 میزان تغییرات کاربری با استفاده از نقشه های کاربری اراضی و بلوک های آماری سازمان نقشه برداری و تصاویر ماهواره ای در محیط جی آی اس تعیین شد و با بررسی تغییرات کاربری اثر آن بر دبی اوج در محیط مدل (Civil Storm) ASSA مشخص شد. نتایج پژوهش نشان داد که دبی اوج در سال 1395 با افزایش سطوح نفوذ ناپذیر به مراتب بیشتر از سال های آماری موجود می باشد و با افزایش 26 درصدی مناطق نفوذ ناپذیر از سال 1375 تا سال 1395 میزان دبی 24 درصد افزایش داشته است.کلید واژگان: سطوح نفوذ ناپذیر, دبی اوج, رواناب شهری, کاربری اراضی, مدل ASSAUrban watersheds have been a centerpiece among communities over the last few decades. Every growing urban watershed requires a system designed to store rainwater (runoff). Hence, estimating the amount of runoff and runoff generation percentage of different parts in an urban catchment system is substantial. Therefore, this was set as the cornerstone for assessing the hydrological response of different homogenous units of our study area. To this aim, land use maps were prepared for three different years (i.e. 1996, 2006, and 2016) using available archived data, census blocks obtained from National Cartographic Center, and satellite images in ArcGIS platform. Afterwards, the impact of land use changes on the peak discharge was analyzed over these years using ASSA (CivilStorm) software. The results revealed that the peak discharge in 2016 is significantly higher than the years before which stems from the increasing pattern of impermeable surfaces, in such a way that a 26% increase in impermeable surfaces from 1996 to 2016 has consequently increased the discharge by 24%.Keywords: Impermeable surfaces, Peak discharge, Urban runoff, Land use, ASSA model
-
مدلسازی بارش- رواناب یکی از راهحلهای کلیدی در هیدرولوژی برای دستیابی به خصوصیات سیلاب، مانند میزان دبی اوج و زمان رسیدن به اوج بهشمار میرود. یکی از مشکلات اساسی در اجرای HEC-HMS در ایران و سایر کشورهای جهان، که اساسا مدل در آن توسعه داده نشده، انتخاب مناسبترین روش برای تخمین مقدار نفوذ است. در این پژوهش، عملکرد مدل HEC-HMS با استفاده از سه روش مختلف تخمین شامل نفوذ شماره منحنی (CN)، گرین- آمپت و اولیه- ثابت در پیشبینی حجم رواناب، جریان اوج و زمان رسیدن به اوج سیلاب ارزیابی شد، و آبنمود رخدادهای بارش- رواناب در حوضه قرهسو واقع در استان کرمانشاه شبیهسازی شد. هشت رخداد بارش- رواناب، توسط مدل HEC-HMS شبیهسازی شد و با رخدادهای نظیر مشاهداتی مقایسه شد. نتایج نشان داد روش شماره منحنی در پیشبینی حجم رواناب (پس از واسنجی) دقت قابل قبولی (84/0=R2، 81/0=E و 06/0=CRM) دارد. با اینحال، روش اولیه- ثابت، میزان دبی اوج را با دقت زیادی (96/0=R2، 95/0=E و 01/0=CRM) برآورد کرد. همچنین، شکل آبنمودهای واسنجی شده، بسیار شبیه به آبنمودهای مشاهداتی در روشهای شماره منحنی و اولیه- ثابت بود. با اینحال، به کارگیری روش گرین- آمپت اعتمادپذیری کمی را در برآورد حجم رواناب کل و دبی اوج از خود نشان میدهد. دقت مدل در برآورد زمان اوج سیلابهای مدلسازی شده، با مقایسه مقادیر مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط روشهای منتخب ارزیابی شد که نتایج ارزیابی زمان اوج سیلاب، بیشترین اطمینانپذیری را در روش شماره منحنی (36/6 درصد) نشان میدهند.کلید واژگان: آمپت, تلفات اولیه- ثابت, دبی اوج, شماره منحنی, گرین- HEC-HMSRainfall-runoff modeling is one of the key items that considered in hydrology to achieve flood characteristics. In this study, HEC-HMS model performance was evaluated using the SCS-CN, Green-Ampt and Initial and Constant infiltration methods in predicting runoff volume, peak flow and time to peak, in simulation of rainfall- runoff hydrograph at Gharasoo watershed, located in Kermanshah province. Eight rainfallrunoff events were simulated by HEC-HMS model and compared with the corresponding observations events. Results shown a well accuracy in predicting runoff volume (R2=0.84, E=0.81 and CRM=0.06) was achieved using the SCS-CN method (after calibration). However, Peak flow was better estimated using the Initial and Constant method (R2=0.96, E=0.95 and CRM=0.01). Furthermore, shape of the calibrated hydrographs were very similar to the observations hydrographs for both SCS-CN and Initial and Constant methods. However, adopting the Green-Ampt method, showed low reliability in total runoff volume and peak flow estimating. Model accuracy in estimates of modeled the time to floods peak, were evaluated by comparing observed and simulated values through the selected approaches, so that the results of time to floods peak showed the highest reliability in SCS-CN method (6.36%).Keywords: Green-Ampt, HEC-HMS, Initial, Constant losses, Peak flow, SCS-CN
-
مدل متداول شماره منحنی (SCS-CNT) که بر اساس کاربرد جدول پیشنهادی توسط سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) است به طور گسترده ای توسط محققین و مهندسین مورد استفاده قرار می گیرد. لیکن ممکن است ویژگی های حوضه آبریز مورد بررسی کاملا متفاوت با شرایط استخراج مدل SCS-CNT باشد. واسنجی مدل شماره منحنی (SCS-CNC) می تواند یک راه حل در این زمینه باشد. در این مطالعه، 37 رویداد بارش - رواناب در پنج حوضه آبریز تمر، گالیکش، نوده، وطنا و کچیک (به ترتیب با مساحت های 1527، 45/401، 65/789 ، 77/10 و 36 کیلومترمربع) در استان گلستان مورد بررسی قرار گرفت و از 14 رویداد برای مقایسه مدل های SCS-CNT و SCS-CNC استفاده گردید. مقایسه نتایج بر اساس معیارهای آماری ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، ناش - ساتکلیف (NSE) و خطای برآورد دبی اوج (PEP) صورت گرفت. معیارهای RMSE و NSEدر 79% موارد بهبود دقت برآورد هیدروگراف و معیار PEP در 86% موارد بهبود دقت برآورد دبی اوج در مدل SCS-CNC نسبت به مدل SCS-CNT را تایید کردند. مدل های SCS-CNC و SCS-CNT به ترتیب در 8 و 7 رویداد منجر به کم برآوردی و در 6 و 7 رویداد موجب بیش برآوردی دبی اوج شده اند. نتایج موید آن است که کاربرد مدل واسنجی شده شماره منحنی موجب بهبود نتایج شبیه سازی در پنج حوضه مورد مطالعه شده است.
کلید واژگان: دبی اوج, سیلاب, هیدروگراف, (CN)The conventional curve number (SCS-CNT) model, which is based on the application of the proposed table by US Soil Conservation Service (SCS), is widely used by researchers and engineers. However, characteristics of the study catchment may be completely different from the conditions for the extraction of SCS-CNT model. Calibrated curve number model (SCS-CNC) can be a solution in this problem. In this study, 37 rainfall-runoff events were investigated in Tamer, Galikesh, Nodeh, Vatna and Kechik catchments (with area 1527, 401.45, 789.65, 10.77 and 36 square kilometers respectively) located in Golestan province, Iran, and 14 events were used for SCS-CNT and SCS-CNC models comparison. Results were compared based on root mean square error (RMSE), Nash-Sutcliffe (NSE) and peak discharge estimation error (PEP). The RMSE and NSE criteria in 79% and PEP criterion in 86% of the cases confirmed improvement of the hydrograph and peak discharge estimations in SCS-CNC compared to SCS-CNT model. The SCS-CNC and SCS-CNT models resulted in peak discharge underestimation in 8 and 7 events and overestimation in 6 and 7 events, respectively. Results indicated that application of the calibrated curve number model improves the simulation results in all five studied catchments.
Keywords: CN, Flood, Hydrograph, Peak discharge -
الگوریتم ترکیبی شبکه عصبی و ژنتیک راهی برای برآورد دبی سیلاب / برآورد میزان تبخیر و تعرق در ارتباط با تغییرات اقلیمی در حوضه آبریز دریاچه ارومیهبرآورد سریع و صحیح دبی اوج به عنوان یکی از مباحث اصلی در مدیریت منابع آبی و سیلاب نقش اساسی در طراحی سازه های آبی و اقدامات بیو مکانیکی در حوضه های آبخیز دارد. به طوریکه یک برآورد صحیح آن نقش اساسی در موفقیت کار های اجرایی دارد. در این بررسی سعی شده با استفاده از روش هوش مصنوعی(ترکیب شبکه عصبی پرسپترون چند لایه و الگوریتم ژنتیک) دبی حداکثر رودخانه یلفان در محل ایستگاه هیدرومتری و رسوب سنجی یلفان برآورد گردد. به این منظور در این دو مدل 8 متغیر که شامل بارندگی مربوط به روز وقوع سیل، بارندگی های 5 روز قبل، دبی پایه در روز وقوع سیل وCN حوضه به عنوان پارامتر های ورودی و دبی پیک به عنوان خروجی در نظر گرفته شده است. سپس با استفاده از روش هوش مصنوعی و پیش پردازش داده ها، ساختار بهینه مدل با استفاده از داده های ورودی و خروجی و با ملاک قرار دادن معیار های ارزیابی، به روش سعی و خطا تعیین گردید. در نهایت در مدل تلفیقی شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک، پس از تعیین مدل بهینه شبکه عصبی، نتیجه مدل به الگوریتم ژنتیک وارد گردید. نتایج نشان داد که مدل ترکیبی شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک عملکرد خوبی در برآورد دبی سیلاب در حوزه یلفان دارد.کلید واژگان: دبی اوج, شبکه عصبی, الگوریتم ژنتیک, یلفانIranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, Volume:11 Issue: 39, 2018, PP 23 -28Fast and accurate estimation in Peak flow is one of the major issues in water resources management that have basic role in the design of hydraulic structures and biological activities in drainage basins. So that a proper assessment has a basic role in the success of administrative tasks. In this paper, using artificial intelligence methods (Multi-layer Perceptron Neural Network and the mixture of Multi-layer Perceptron Neural Network with genetic algorithm) to estimate yalfan river, s peak discharge in Yalfan,s sediment and hydrometer local gaging station. For these two models, 8 variables have been considered as the inputs that includes rainfall related to day of peak flow,5 days rainfall that occurs before of the flooding day, curve number of the basin(CN) and base discharge and finally peak discharge is considered as the output. With artificial intelligence after preprocessing of the data, the optimal structure of the model is determined with input and output data by evaluation criteria and trial and error. In the final, with the mixture of artificial network and genetic algorithm model, the optimum neural network model was determined which results were an input to genetic algorithm model, this has been a good performance in runoff forecasting in Yalfan Basin.Keywords: Peak flow, Neural network, Genetic algorithm, Yalfan
-
یکی از مهم ترین پیامدهای پدیده ی فرسایش خاک، رسوبدهی است که شناسایی و بررسی نوع و مقدار رسوب تولید شده به دلیل اثرات آن بر محیط زیست، شبکه های آبیاری، سدها و مخازن آب از درجه ی اهمیت بالایی برخوردار است. این پژوهش با هدف تعیین چگونگی تاثیر چرخه فرسایندگی باران بر تغییرات رسوبدهی معلق در حوزه آبخیز سرخاب واقع در استان لرستان انجام شد. ابتدا، شاخص فرسایندگی باران (EI30) 15 روزه و ماهانه، با تحلیل آمار 13 ایستگاه موجود در داخل و اطراف حوضه محاسبه و پس از انجام درون یابی به روش کریجینگ، نقشه های فرسایندگی برای هر یک از بازه های زمانی فوق تهیه شد. در نهایت، میانگین 15 روزه و ماهانه فرسایندگی باران در حوضه به دست آمد. در مرحله بعد رسوبدهی ایستگاه کشور (خروجی حوضه) با استفاده از روش برون یابی تلفیق منحنی سنجه رسوب و آمار جریان روزانه برآورد شد. پس از محاسبه ی شاخص فرسایندگی و رسوب خروجی از حوضه در بازه های 15روزه و ماهانه، همبستگی و روند بین این دو، مورد بررسی و تحلیل قرارگرفت. نتایج این پژوهش نشان داد که بیشینه و کمینه رسوبدهی معلق حوضه به ترتیب با مقدار حدود 246216 و 1272 تن در ماه های آذر و شهریور رخ داده است. همچنین در بررسی ماهانه ی چرخه ی فرسایندگی در حوضه سرخاب، بیشینه و کمینه فرسایندگی باران به ترتیب در ماه دی و فصل تابستان (ماه های تیر، مرداد و شهریور) با میزان حدود 182 و 01/0 مگاژول میلی متر بر هکتار.ساعت بوده است. بیش ترین مقادیر عامل فرسایندگی باران و رسوبدهی 15 روزه، در نیمه دوم دی و آذر به ترتیب حدود 104 مگاژول میلی متر بر هکتار.ساعت و 148241 تن رخ داده است. رسوبدهی و فرسایندگی باران ماهانه در این حوضه، هر یک دارای دو اوج هستند، که دو اوج رسوبدهی در ماه های آذر و فروردین و فرسایندگی باران در ماه های دی و فروردین اتفاق افتاده است.کلید واژگان: بار معلق, تغییرات فصلی فرسایندگی, دبی اوج, سرخاب, میان یابی, EI30One of the most important consequences of soil erosion is sedimentation. The detection and surveying the type and amount of sediment is important because of its effects on irrigation networks, environment, and reservoirs. This study was performed in order to investigate the suspended sediment changes under the influence of rainfall erosivity cycle in Sorkhab- Keshvar watershed in the Lorestan province. For estimating the suspended sediment, we used a combination of sediment rating curve of mean loads within discharge classes and average daily discharge data. Monthly and semi-monthly EI30-based erosivity indices were calculated in 13 rain gauging stations inside and around of the watershead. In the next stage, erosivity maps based on kriging interpolation were produced in order to calculate the average monthly and semi-monthly rain erosivities. After calculating monthly and semi-monthly sediment loads, their correlations with corresponding erosivities were investigated. The results show that the maximum and minimum of suspended sediment occured in Azar and Shahrivar (Iranian month equal to Nov. 22 to Dec. 21 and Agu. 23 to Sep. 22) with the values of 246216 and 1272 ton, respectively. Also, the maximum and minimum of rainfall erosivity occured in Dey (Iranian month equal to Dec. 22 to Jan. 20) and summer respectively with the values of 182 and 0.01 MJmm ha-1 h-1.The highest values of semi-monthly erosivity and sediment observed in second half of Dey and Azar (Iranian month equal to Dec. 22 to Jan. 20 and Nov. 22 to Dec. 21) with the values of 104 MJmm ha-1 h-1 and 148241 ton, respectively.Sediment and erosivity showed two peaks in the watershed, two peaks of sediment occured in Azar and Farvardin (Iranian month equal to Nov. 22 to Dec. 21 and Mar.21 to Apr. 20) and for the reosivity occurred in Dey and Farvardin (Iranian month equal to Dec. 22 to Jan. 20 and Mar.21 to Apr. 20).Keywords: EI30, Erosivity, Interpolation, Peak discharge, Season variation, Sorkhab, Suspended load
-
در این پژوهش جهت مطالعه فرآیند بارش-رواناب در حوضه آبخیز طالقان از برنامه شبیه سازی هیدرولوژیکی فرترن (HSPF) استفاده شده است. علیرغم دقت بالای مدل HSPF، مشکلات موجود در خصوص اندازه گیری بارش در مقیاس های زمانی کوتاه مدت (مقیاس ساعتی و کمتر از آن) در حوضه های آبخیز، استفاده از مدل مذکور مخصوصا در شبیه سازی های هیدرولوژیکی طولانی مدت را با مشکل مواجه ساخته است. بدین منظور از مدل پالس مستطیلی بارتلت – لویس با پارامتر تصادفی (BLRPM) جهت گسسته سازی داده های بارش و تبدیل بارش های روزانه به بارش های ساعتی مورد نیاز مدل استفاده گردید. پارامترهای مدل با استفاده از داده های بارش ساعتی، 24 و 48 ساعته ثبت شده در دوره آماری (2006-2009) در ایستگاه های باران نگار داخل (جوستان و زیدشت) و مجاور حوضه (کلک چال) برآورد گردید. سپس با استفاده از مدل واسنجی شده به گسسته سازی داده های بارش روزانه ثبت شده در درون حوضه، در دوره آماری 1995-2005 پرداخته شد. داده های بارش ساعتی حاصل از فرایند گسسته سازی، جهت شبیه سازی دبی های روزانه توسط مدل HSPF به کار گرفته شد. نتایج نشان داد استفاده از داده های بارش ساعتی ثبت شده در ایستگاه کلک چال جهت برآورد پارامترهای مدل BLRPM، موجب تولید بارش های با شدت زیاد در فرآیند گسسته سازی بارش و برآورد بیشتر دبی های اوج توسط مدل هیدرولوژیکی می گردد. حذف ایستگاه مذکور از فرایند بهینه سازی مدل BLRPM باعث بهبود عملکرد مدل HSPF با ضریب ناش – ساتکلیف 76/0، ضریب تبیین 79/0 و خطا (RMSE) 11/7 گردید. نتایج این مطالعه بیانگر حساسیت مدل HSPF به انتخاب ایستگاه و پارامتر شدت بارش می-باشد.کلید واژگان: بارش ساعتی, دبی اوج, گسسته سازی بارش, نفوذIntroductionThe proper management of water resources in a watershed requires precise understanding and modelling of the hydrological processes. HSPF model uses an infiltration excess mechanism to simulate streamflow and requires the hourly precipitation data as input. Despite the high accuracy of the HSPF model, the lack of rainfall data at short time scales (hour and less than hour) restricts implementation of the model especially for long time simulations. Some studies have applied simple division for daily rainfall disaggregation into the hourly values to provide data required by the HSPF model. In simple division, each rainfall event is divided into 24 pulse stochastically and the peak flows may not be simulated correctly due to the lower rainfall intensities.Materials And MethodsIn this study, Random Parameter Bartlet-Lewis Rectangular Pluse (BLRPM) model was used for daily rainfall disaggregation into the hourly values to provide data needed by the HSPF model. The model parameters were calibrated using the 1, 24 and 48 hour rainfall data time series of the rain gauge stations inside (Jovestan and Zidasht) and outside (Kalk Chal) the watershed for the period of 2006-2009. To cluster the wet days, the BLRPM model was run several times and a generated sequence which had the best match with the original one in terms of daily totals was selected. Then, the synthetic sequence of hourly rainfall depths was modified based on a proportional adjusting procedure to add up exactly to the given daily depths. The calibrated model was then implemented to disaggregate the daily rainfall data of the watershed for the period of 1995-2005. The resultant hourly rainfall data were then fed into the HSPF hydrologic model to simulate the daily runoff. Parameterization of the BLRPM and HSPF models was also done while keeping the Kalk Chal station out of the calibration.Results And DiscussionSum of weighted squared error was calculated to be 1.03 when the data recorded in Kalk Chal station was also considered for parameter estimation of the BLRPM model. Maximum weighted square error was equal to 0.7 for lag-1 auto covariance of daily rainfall data. Keeping the Kalk Chal station out of the BLRPM model parameterization resulted in improved performance of the model. Sum of the weighted error decreased to 0.36 by removing the Kalk Chal station data. The results indicated that the weighted square error values decreased for all of the BLRPM model parameters when Kalk Chal station was not considered for calibration. The lag-1 auto covariance of daily rainfall data had the greatest reduction in weighted square error from 0.7 to 0.07 with and without including the Kalk Chal data set, respectively. The BLRPM model parameters also varied when data of the Kalk Chal station were removed from the calibration process. The k parameter value increased and the values of λ, and v decreased due to removal of the Kalk chal station data. The highest variation was observed for v decreased from 2.74 to 0.33 by removing the Kalk Chal station. The calibrated BLRPM model, with and without taking into account the Kalk Chal station data set, was employed to disaggregate daily rainfall data into the hourly values. The HSPF model was calibrated using the daily observed streamflow data recorded in Galinak station to simulate daily streamflow in reach 27. The daily streamflow simulations in reach 27 were conducted by implementing the hourly generated rainfall data sets. The results showed that inclusion of the hourly rainfall data recorded in Kalk chal station for parameterization of the BLRPM model caused the reproduction of high-intensity rainfall data in disaggregation process and consequently led to the overestimation of peak flows by HSPF model. Exclusion of the Kalk Chal station for BLRPM model parameterization improved the daily streamflow simulation with Nash-Sutcliff efficiency = 0.76, coefficient of determination = 0.79 and RMSE = 7.11 m3.s-1. These results demonstrated the sensitivity of HSPF model to the weather station selection and rainfall intensities.ConclusionsThe Kalk Chal station located outside of the studied region, with high intensity-short duration rainfall pattern caused heterogeneity of the input hourly rainfall data for parameter estimation of BLRPM model. Parameter estimation of the BLRPM model with inclusion of the hourly rainfall data of Kalk Chal station resulted in generation of greater intensities in disaggregation process. Despite the same values of daily rainfall data in streamflow simulations, the high rainfall intensities caused by the data set of Kalk Chal station led to the overestimation of peak flows. The results indicated the high sensitivity of HSPF model to the rainfall intensities.Keywords: Infiltration, Hourly precipitation, Peak flow, Rainfall disaggregation
-
سازه های آبخیزداری از جمله پروژه های پر هزینه ای می باشند که با اهداف کاهش فرسایش و رسوب و کاهش سیل خیزی در حوضه های آبخیز احداث می گردند. از آنجا که ایجاد هر گونه سازه در بستر مسیل ها می تواند در تغییر رفتار سیل موثر باشد این تحقیق با هدف بررسی تاثیر ارتفاع سازه های اصلاحی بر ویژگی های سیل و آبراهه در حوضه آبخیز گرگاندوز صورت گرفت. بدین منظور از مدل هکرس برای شبیه سازی جریان در سناریو های بدون احداث سازه، احداث 20 سازه 5/1، 10 سازه 3 و 8 سازه 75/3 متری استفاد گردید. نتایج نشان داد تاثیر احداث سازه های اصلاحی 5/1، 3 و 75/3 متری بر کاهش دبی اوج در مقایسه با سناریوی بدون احداث سازه، در قسمت بالای بازه مورد مطالعه صفر، در قسمت میانی برای هر سه سازه در حدود یک و در قسمت پایینی به ترتیب 49/2، 8/8 و 5/17 درصد بود. همچنین تاثیر احداث سازه های 5/1، 3 و 75/3 متری نشان داد حجم سیلاب نسبت به سناریوی بدون احداث سازه به ترتیب 16/1، 1/8 و 9/13 درصد کاهش می یابد. با احداث سازه تغییرات سرعت در آبراهه به گونه ای است که با احداث سازه های بلند تر سرعت در طول آبراهه بیشتر کاهش می یابد که بیانگر قدرت فرسایش کمتر جریان در آبراهه است. همچنین پارامتر تنش برشی که نشان دهنده میزان اصطکاک بین جریان و آبراهه است نیز نتایج سرعت را تایید کرده و نشان داد با افزایش ارتفاع سازه، تنش برشی کاهش می یابد. حاصل ضرب تنش برشی در سرعت جریان بیانگر قدرت حمل رسوب توسط جریان است که بررسی شرایط جریان نشان داد با احداث سازه های بلندتر قدرت حمل رسوب آبراهه کمتر گردیده است و نه تنها خسارت کمتری به آبراهه وارد می گردد بلکه باعث می شود پشت سازه زودتر از رسوب پر شده و به شیب حد برسد. در مجموع سناریو های مختلف احداث سازه های اصلاحی نشان داد با افزایش ارتفاع سازه ها تاثیر آن ها بر ویژگی های سیل بیشتر می شود و باعث کنترل بیشتر سیل می گردد.کلید واژگان: دبی اوج, سازه اصلاحی, سرعت جریان, رسوب, نرم افزار HEC, RASWatershed structures are among of expensive projects that are constructed to decrease erosion and sediment load and decreasing flood in watershed. Constructing any structures in flood bed can change the flood behavior. This research tries to study check dam effects on flood and water way properties in Gorgandooz watershed. For this goal, HEC-RAS model is used to simulate hydraulic in 4 Scenarios: without structure, 20 structures with 1.5, 10 structures with 3 and 8 structure with 3.75 meter for comparing of specified plan effects with each other. The results of this research show that the influence of 1.5, 3 and 3.75 meter check dam on pick flow comparing with structure was not created on the upstream of the watershed is 0, in the middle 1 and at the downstream is 2.49, 8.8 and 17.5% respectively. Also the effect of 1.5, 3 and 3.75 meter structure on decreasing of flood volume in respect of without structure is 1.16, 8.1, 13.9, respectively. The study of flow velocity shows that the construction of higher structure cause that the flow velocity decrease that shows the power of flow erosion in water way become less. Shear stress parameter that shown friction rate between flow and water way confirm the velocity results and show that shear stress decrease with increasing of structure height. The multiplying of shear stress on speed is another important parameter that is studied. This parameter shows the sediment transport power of flow. This parameter indicates the strength of sediment transport by flow that showed strength of sediment transport is less in higher structural. Not only reduce of sediment transport will cause less damage to the waterway but also sedimentation into check dam was occur soon and sediment balancing gradient is reached. As whole various Scenarios of check dam shows that the influence of structure on flood and water way become more by increasing of structure height and cause that the condition in deal with flood become well.Keywords: Peak Flow, Check dam, Flow velocity, Sediment, HEC, RAS software
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.