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

-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:

1. حوضه از لحاظ اقلیمی‌همگن فرض می‌شود.
2. 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)