1-3- اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش 5
1-4- فرضیات تحقیق 5
1-5- ساختار پایان نامه 5
1-6- تعریف واژهها 7
فصل دوم: پیش زمینه و سابقه پژوهش
2-1- مقدمه 14
2-2- انواع مدلهای شبیهساز 15
2-2-1- مدلهای یكپارچه در مقابل مدلهای توزیعی 15
2-2-2- مدلهای تك واقعهای در مقابل مدلهای فرایند پیوسته 16
2-3- معیارهای انتخاب مدل 18
2-4- مدلهای پركاربرد و سوابق كاربرد مدلها در مطالعات PMF 19
2-5- سابقه پژوهش 20
فصل سوم: مواد و روشها
3-1- مقدمه 34
3-2- منطقه مورد مطالعه 34
3-3-وضعیت هواشناسی و اقلیمی حوضه مورد مطالعه 35
3-3-1- شبکه ایستگاههای بارانسنجی 35
3-3-2- کنترل داده های بارش 36
3-3-3- تخمین بارندگی در سطح حوضه 38
3-3-3-1- روش چند ضلعیهایتیسن 38
3-3-4- فراوانی وقوع 40
3-4- ایستگاههای هیدرومتری 40
3-4-1- ایستگاه بشار- قلات 41
3-4-2- ایستگاه یاسوج 42
3-4-3- ایستگاه مهریان 42
3-4-4- ایستگاه شاه مختار 42
3-4-5- کنترل داده های هیدرومتری 43
3-5- انتخاب رویدادهای مورد مطالعه 43
3-6- تهیه نقشههای اولیه با بهره گرفتن از سیستم GIS 44
3-6-1- تهیه نقشه DEM منطقه 44
3-6-2- تهیه نقشه شبکه آبراهه های منطقه 45
3-7- مشخصات حوضه 46
3-7-1- ترسیم مرز زیرحوضهها 47
3-7-2- مساحت حوضه 49
3-7-3- محیط حوضه 49
3-7-4- طول آبراهه اصلی 49
3-7-5- شکل حوضه 50
3-7-6- ارتفاع حوضه و توزیع ارتفاعات 52
3-7-6-1- منحنی هیپسومتری 52
3-7-6-2- ارتفاع میانه 52
3-7-6-3- ارتفاع متوسط 53
3-7-7- پروفیل طولی رودخانه 53
3-7-8- شیب حوضه 53
3-7-8-1-شیب آبراهه اصلی 54
3-7-8-2- استخراج شیب حوضه با بهره گرفتن از GIS 56
3-8- حجم رواناب 59
3-8-1- تلفات اولیه (Ia) 60
3-8-2- گروه هیدرولوژیكی خاكها 62
3-8-3- چگونگی وضعیت سطحی و استفاده از زمین 64
3-8-4- رطوبت اولیه خاك 66
3-8-5- نقش هیدرولوژیكی مجموعه خاك و پوشش آن 67
3-8-6- برآورد رواناب (جریان مستقیم) 70
3-8-7- كاربرد روش SCS 73
3-9- زمان تمرکز 74
3-9-1- روش پیشنهادی سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) 75
3-9-2- معادله کرپیچ 75
3-9-3- معادله برانس بای- ویلیامز 76
3-9-4- معادله کالیفرنیا 77
3-10- جداسازی دبی پایه 77
3-11- روشهای برآورد سیلاب 79
3-11-1- روشهای تجربی مبتنی بر سطح حوضه 80
3-11-1-1- روش کریگر 80
3-11-1-2- رابطه دیکن 81
3-11-1-3- روش فولر 81
3-11-2- روشهای هیدروگراف واحد 82
3-11-2-1- هیدروگراف واحد SCS 83
3-11-2-2- هیدروگراف واحد اشنایدر 85
3-11-2-3- هیدروگراف واحد لحظهای كلارك 87
3-12- روندیابی سیلاب در شبكه رودخانهها 91
3-12-1- روش ماسکینگام 92
3-12-2- روش تاخیر 94
3-13- آنالیز فركانس سیلابهای حداكثر یكروزه 95
3-14- اولویت بندی زیرحوضهها از لحاظ سیلخیزی 96
3-15- تشریح مدل HEC-HMS 97
3-15-1- ساختار اصلی مدل 99
3-15-1-1- بخش شبیه سازی اجزای حوضه 100
3-15-1-2- بخش تجزیه و تحلیل داده های هواشناسی 106
3-15-1-3- تشریح بخش مشخصههای كنترلی 111
3-15-1-4- تشریح بخش برآورد پارامترها و بهینه سازی 111
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1- مقدمه 119
4-2- نتایج واسنجی مدل HEC HMS در شرایط رطوبتی خشک 120
4-2-1- واسنجی مدل HEC HMS در رویداد 13/12/65 121
4-2-2- واسنجی مدل HEC HMS در رویداد 16/10/76 128
4-2-3- واسنجی مدل HEC HMS در رویداد 10/12/76 135
4-3- اعتبارسنجی مدل HEC HMS در شرایط رطوبتی خشک 142
4-3-1- اعتبار سنجی مدل HEC HMS در رویداد 27/12/76 146
4-4- انتخاب بهترین مدل جهت شبیه سازی بارش-رواناب در شرایط رطوبتی خشک 153
4-5- نتایج واسنجی مدل HEC HMS در شرایط رطوبتی مرطوب 154
4-5-1- واسنجی مدل HEC HMS در رویداد 10/09/73 155
4-5-2- واسنجی مدل HEC HMS در رویداد 17/12/74 162
4-5-3- واسنجی مدل HEC HMS در رویداد 16/01/76 169
4-6- اعتبار سنجی مدل HEC HMS در شرایط رطوبتی مرطوب 176
4-6-1- اعتبار سنجی مدل HEC HMS در رویداد 23/12/74 180
4-7- انتخاب بهترین مدل جهت شبیه سازی بارش- رواناب در شرایط رطوبتی مرطوب 187
4-8- نتایج تحلیل فراوانی بارش حداکثر روزانه 188
4-9- شبیه سازی دبی حداکثر سیلاب 193
4-10- نتایج محاسبه حداکثر سیلاب روزانه به روشهای تجربی مبتنی بر سطح حوضه 195
4-11- روابط منطقهای بارش- رواناب 198
4-12- نتایج اولویت بندی زیرحوضهها از لحاظ سیلخیزی 200
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
5-1- مقدمه 203
5-2- نتیجه گیری 203
5-3- پیشنهادها 205
مراجع و منابع 209
چکیده
حوضه آبریز بشار در جنوب غربی ایران در استان کهگیلویه و بویراحمد در منطقهای کوهستانی واقع شده است. رودخانه بشار که آبراه خروجی این حوضه میباشد، یکی از سرشاخههای اصلی رودخانه کارون بزرگ
میباشد که به علت بالا بودن میزان بارندگی، سالانه سیلابهای فراوانی در حوضه پدید میآید. با توجه به واقع شدن شهر یاسوج مرکز استان کهگیلویه و بویراحمد در بالادست حوضه بشار و سدها، تاسیسات و اراضی کشاورزی زیادی در پایین دست این حوضه، تعیین سیلاب حوضه از اهمیت فراوانی برخوردار است. در این تحقیق جهت شبیه سازی فرایند بارش- رواناب، ابتدا با به کارگیری الحاقیهArcHydro ، HEC-GeoHMS و نقشه DEM منطقه در محیط سامانه اطلاعات جغرافیایی، مرز زیرحوضهها و شبکه آبراهه ها و سایر خصوصیات فیزبوگرافی حوضه استخراج گردید. در ادامه آمار ایستگاههای هیدرومتری و بارانسنجی موجود در منطقه جمع آوری و به همراه نتایج حاصل از فیزیوگرافی حوضه به نرم افزار HEC-HMS منتقل گردید. سپس جهت
شبیه سازی هیدروگراف سیلاب حوضه در دو شرایط رطوبتی خشک و مرطوب از مدلهای هیدروگراف واحد کلارک، SCS و اشنایدر استفاده گردید و برای روندیابی رودخانههای حوضه روش ماسکینگام انتخاب شد. از میان بیش از 40 واقعه بارش- رواناب ثبت شده، 8 واقعه انتخاب گردید که 4 تای آنها در حالت خشک و 4 تای دیگر در حالت مرطوب میباشند. سپس پارامترهای مدل بر اساس 6 هیدروگراف مشاهدهای سیل مورد واسنجی و بر اساس 2 هیدروگراف مشاهدهای دیگر ارزیابی شد. و پارامترهای بهینه مدل هیدروگراف واحد کلارک، SCS و اشنایدر برای حوضه آبریز مورد اشاره استخراج گردید. در آخر حداکثر دبی سیلاب با دوره بازگشتهای مختلف برای زیرحوضههای مختلف حوضه بدست آمد. همچنین بر اساس نتایج بدست آمده از حداکثر دبی پیک زیر حوضهها و مساحت آن ها، به ازای دوره بازگشتهای مختلف، رابطه دبی- مساحت برای هر کدام از زیر حوضهها استخراج گردید.
کلمات کلیدی: هیدروگراف واحد، کلارک، SCS، اشنایدر، HEC-HMS، حوضه آبریز بشار، بارش-رواناب
فصل اول: کلیات |
-1- مقدمه
سیل یک اتفاق ناگهانی و رویدادی سریع و مخرب است که هر ساله در نقاط مختلف جهان باعث بروز خسارات جانی و مالی محسوس و نامحسوس فراوان می شود. بررسی شمار وقوع سیل در سالهای اخیر نشان میدهد، دیگر سیل نه یک مصیبت اتفاقی نادر، بلکه پدیدهای فزاینده است که در هر بار وقوع، خسارات فراوانی را اعم از جانی و مالی به بار میآورد. (سلیمانی ساردو، 1388) با تمام تلاش هایی که در طول تاریخ انجام شده و با وجود پیشرفت تکنولوژی، هیچ گاه بشر نتوانسته است نواحی سیلگیر را به طور کامل و برای همیشه از خطر سیل محفوظ نماید. به عبارت دیگر کنترل و یا کاهش این عوارض مخرب و ویرانگر نیازمند مطالعه صحیح و دقیق میباشد.
سیل به عنوان یک واقعه اجتنابناپذیر، پذیرفته شدهاست اما رویداد، اندازه و تکرار سیل ناشی از عوامل متعددی است که بسته به شرایط اقلیمی، طبیعی و جغرافیایی هر منطقه تغییر
می کند. آنچه مسلم است سیلاب ناشی از بارندگی است. ولی مطالعات نشان میدهد که رابطه خطی و مستقیمی بین این دو عامل وجود ندارد (چن و همکاران، 2009). رابطه بارندگی و رواناب نیز از حوضهای به حوضه دیگر متفاوت است.
تعداد وقوع سیلابها و خسارات ناشی از آنها هر ساله با توجه به تخریب بیش از حد
جنگلها و مراتع و تغییر کاربری اراضی و تبدیل اراضی جنگلی به اراضی کشاورزی و مسکونی، رو به افزایش است.
در تحقیقات و پژوهشهای مرتبط با سیلخیزی و تعیین مناطق سیلخیز در نقاط مختلف دنیا، روش واحدی بهکار گرفته نشدهاست و شامل استفاده از فرمولهایتجربی، تحلیل آماری داده های سیلاب، استفاده از داده های سنجش از دور و GIS و مدلهای ریاضی رایانهای
بارش-رواناب میباشد (جلالی، 1368). از میان مدلهای مختلفی که امروزه جهت شبیه سازی فرایند بارش- رواناب در دنیا استفاده میگردد، مدل HMS- HEC در مطالعات بسیاری از حوضهها در مناطق مختلف دنیا به کار گرفته شد و نتایج مطلوب و نزدیک با واقعیت به دست میدهد.
1-2- بیان مسئله
حوضه آبریز بشار در جنوب غربی ایران در استان کهگیلویه و بویراحمد در منطقهای کوهستانی واقع شده است. رودخانه بشار که آبراه خروجی این حوضه میباشد، یکی از سرشاخههای اصلی رودخانه کارون بزرگ میباشد. به علت کوهستانی بودن حوضه و بالا بودن میزان بارندگی در حوضه (در حدود 800 میلیمتر در سال)، سالانه سیلابهای فراوانی در حوضه پدید میآید. با توجه به اینکه شهر یاسوج، مرکز استان کهگیلویه و بویراحمد در بالادست حوضه آبریز بشار قرار دارد و همچنین اراضی کشاورزی، باغات و تاسیسات تامین آب، پلها، مزارع پرورش ماهی، کارخانجات تولید شن و ماسه، سدهای در دست احداث و موجود در پایین دست و … در منطقه وجود دارد، تعیین سیلاب حاصل این حوضه از اهمیت فراوانی برخوردار میباشد. لذا با پیش بینی سیلاب حاصل از هر بارندگی، میتوان تمهیداتی جهت کاهش خسارات احتمالی ناشی از سیلاب، اطلاع رسانی، هدایت، کنترل و بهره برداری از رواناب حاصل، اتخاذ کرد.
برای آگاهی از اینکه با بارش هر باران چه میزان سیلاب تولید میگردد، لازم است که مدل بارش-رواناب حوضه مورد نظر به یکی از روشهای موجود استخراج گردد. برای مدل سازی بارش-رواناب در یک حوضه روشهای گوناگونی وجود دارد. طبق تحقیقات انجام شده برای مدل سازی بارش-رواناب سایر حوضهها، خروجی مدل HEC-HMS، با داده های مشاهداتی تطابق خوبی داشته است.
این تحقیق به دنبال کمی سازی و جداسازی بارش-رواناب در حوضه بشار بالادست و مقایسه روشهای هیدروگراف واحد کلارک، SCS و اشنایدر با بهره گرفتن از مدل HEC-HMS، انتخاب بهترین مدل، واسنجی و صحتسنجی مدل HEC-HMS برای حوضه مورد نظر
میباشد.
1-3- اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش
بررسیهای سازمان ملل متحد حاكی از آن است كه سیل را باید یكی از جدیترین بلایای طبیعی بشمار آورد. تنها معدودی از كشورهای جهان را میتوان یافت كه فارغ از مسایل و مصایب سیل باشند. در ایران از بررسی سیلهای خسارت آفرین 50 سال گذشته (1380-1330) تعداد 3700 مورد سیل حادثه خیز به ثبت رسیده است (خبرنامه هیدرولیك، مهرماه 80). روند افزایش سیل در 5 دهه گذشته نشان میدهد كه تعداد وقوع سیل در دهه 70 نسبت به دهه مبنا تقریبا 10 برابر شده است و بعبارت دیگر 900 درصد افزایش داشته است. پارهای از این سیلها بسیار بزرگ و پر خسارت بودهاند. بنابراین با پیش بینی صحیح و نزدیک به واقعیت سیلاب چه از نظر زمان وقوع و چه از لحاظ میزان دبی حداکثر میتوان با اعمال مدیریت صحیح از خسارات ناشی از آن جلوگیری کرد و یا به حداقل ممکن رساند.
با توجه به وجود روشهای بسیار گوناگون در زمینه پیش بینی رواناب ناشی از بارش در حوضه آبریز، انتخاب مدل مناسب و یافتن مقدار بهینه پارامترهای مورد استفاده در این مدل با توجه به دادههای موجود در دسترس بسیار مفید خواهد بود.
این تحقیق می تواند برای مسئولین صنعت آب، وزارتخانههای نیرو، کشاورزی و کشور، ستاد حوادث غیر مترقبه، شهرداری و مهندسین مشاور در امور آب مفید واقع شود.
1-4- فرضیات تحقیق
فرضیه های تحقیق حاضر شامل موارد زیر میباشد:
- حوضه از لحاظ اقلیمیهمگن فرض میشود.
- تغییرات اقلیمیدر طی سالهای آماری تاثیر معنی داری بر روند بارش-رواناب ندارد.
1-5- ساختار پایان نامه
کلیۀ مطالب این پایان نامه در پنج فصل بصورت کلی ارائه خواهد شد که مباحث کلیدی هر یک از این پنج فصل به اختصار در زیر ارائه شده است:
فصل اول: کلیّات
در این فصل ضرورت استفاده از مدل هیدرولوژیکی بارش-رواناب برای حوضه های آبریز بیان شد. بیان مسئله و اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش نیز از دیگر بخشهای این فصل است. در ادامه نیز برخی از واژه های پرکاربرد در این پژوهش تعریف می شود.
فصل دوم: پیش زمینه و سابقه پژوهش
با توجه به وجود مدلهای بارش-رواناب زیاد جهت شبیه سازی رواناب حوضه، در ابتدای این فصل سعی میشود که دسته بندیهای موجود در این زمینه ارائه شود و سپس معیارهای انتخاب مدل و مدلهای پركاربرد و سوابق كاربرد آنها به طور خلاصه توضیح داده شود. در ادامه با بررسی و مرور نتایج حاصل از پژوهشهای سایر محققین در زمینۀ استفاده از این
مدلها بیان میشود.
فصل سوم: مواد و روشها
در این فصل ابتدا به معرفی حوضه آبریز مورد مطالعه پرداخته میشود و سپس مشخصات ایستگاههای هیدرومتری و بارانسنجی موجود در منطقه به همراه مبانی تئوریک روشهای هیدرولوژیکی مورد استفاده در تحقیق و معرفی پارامترها و معیارهایی که پایه و اساس انتخاب مدل بهینه میباشند، ارائه می شود. در آخر نیز به تشریح مدل انتخابی پرداخته می شود.
فصل چهارم: نتایج و بحث
در این فصل نتایج، شکلها و نمودارهای حاصل از محاسبات مدل HEC-HMS با بهره گرفتن از روشها و زیر مدلهای مختلف برای حوضه آبریز مورد مطالعه ارائه خواهد شد. در ادامه با مقایسۀ نتایج حاصل از اجرای مدل با روشهای مختلف، بهترین مدل برای حوضه آبریز مورد مطالعه انتخاب انجام شده و پارامترهای بهینه جهت هر یک از زیرحوضههای حوضه آبریز مورد نظر محاسبه می شود.
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
در این فصل نتایج کلی حاصل شده از تحقیق به همراه پیشنهاداتی برای سایر پژوهشگران ارائه خواهد شد.
1-6- تعریف واژهها
در این بخش لغات فنی و مفاهیم اولیه كه به منظور فهم مراحل برآورد PMF مورد نیاز است، به اختصار تشریح میشوند.
حوضه آبریز (Drainage Basin)
حوضه آبریز شامل سطحی است كه در تولید رواناب مستقیم ناشی از بارش بر روی حوضه در یک نقطه خروجی معین نقش دارد. لغات معادل در ادبیات خارجی شامل Basin، Catchment و Watershed میباشد.
هیتوگراف (Hyetograph)
نموداری از شدت بارندگی تجمعی، بارندگی خالص یا هر دو در مقابل زمان در یک ایستگاه باران نگار و یا تعمیم یافته برای كل یک حوضه.
هیدروگراف (Hydrograph)
نموداری است که تغییرات دبی رواناب را نسبت به زمان نشان میدهد. مولفه عمودی نشانگر دبی و مولفه افقی نشانگر زمان است.
هیدروگراف سیل (Flood Hydrograph)
تغییرات پیوسته جریان رودخانه در مقابل زمان برای یک سیل مشخص در یک موقعیت انتخاب شده روی رودخانه (FERC Hydropower PMF Guide , 2001).
هیدروگراف واحد (Unit Hydrograph)
هیدروگراف رواناب مستقیم از یک حوضه زهكشی مشخص است كه ناشی از یک واحد (اینچ یا سانتی متر) عمق بارندگی خالص به صورت یكنواخت مكانی برای یک مدت زمان معین
میباشد.
هیدروگراف واحد بدون بعد (Dimensionless Unit Hydrograph)
یک هیدروگراف واحد كه مولفههای عمودی(دبی) و افقی (زمان) آن به ترتیب از تقسیم كردن بر دبی اوج هیدروگراف و زمان رسیدن به دبی اوج هیدروگراف بدون بعد شده اند.
هیدروگراف واحد مصنوعی (Synthetic Unit Hydrograph)
هیدروگراف واحد برای یک حوضه فاقد آمار است كه براساس مفهوم هیدروگراف واحد به عنوان تابعی از خصوصیات حوضه بیان میگردد.
حداكثر بارش محتمل (Probable Maximum Precipitation)
سازمان جهانی هواشناسی در سال 1986، PMP را به صورت زیر تعریف كرد: از نظر تئوری، بزرگتر ین عمق بارش در یک مدت معین است كه به طور فیزیكی امكان رخداد آن روی یک سطح مشخص حوضه در یک موقعیت جغرافیایی ویژه و در زمان معینی از سال وجود دارد (1986WMO,)
حداكثر رگبار محتمل (Probable Maximum Storm)
یک رگبار طراحی منشا گرفته از PMP كه الگوی زمانی-مكانی آن به طور واقع گرایانهای براساس طوفانهای مشاهداتی برای ایجاد شرایط بحرانی تنظیم شده است. به PMP در فاز طراحی یک الگوی زمانی و مكانی بر روی حوضه مورد نظر داده می شود به نحوی كه حداكثر سیلاب محتمل (PMF) را ایجاد نماید، به این بارش مصنوعی كه PMF را تولید میكند حداكثر رگبار محتمل گفته می شود.
حداكثر سیل محتمل (Probable Maximum Flood)
[سه شنبه 1399-10-02] [ 12:15:00 ق.ظ ]
|