دانلود تحقیق مقایسه اولویت بندی زمانی سیل خیزی در دوره های هیدرولوژیکی مختلف

یکی از مسائل مهم و اساسی که امروزه اکثر کشورها با آن مواجه بوده و هستند، خسارت¬های ناشی از سیل می¬باشد. برای پیشگیری و مهار سیل از طریق شناسایی مناطق سیل¬خیز، از راهکارهای مختلفی استفاده می¬شود. به دلیل اینکه اکثر حوزه¬های آبخیز دارای فصول سیل¬خیزی متفاوتی می¬باشند، تحقیق حاضر به مقایسه اولویت¬بندی زمانی سیل¬خیزی زیرحوز¬های آبخیز کوشک¬آباد خراسان رضوی با استفاده از مدل HEC-HMS، پرداخته است. در این تحقیق پس از شناسایی دوره¬های هیدرولوژیکی موجود در منطقه و تهیه اطلاعات مورد نیاز برای تهیه هیدروگراف سیل، از روش شبیه¬سازی هیدرولوژیکی SCS در تبدیل رابطه بارش-رواناب در سطح زیرحوزه¬ها و نیز روندیابی آبراهه¬های اصلی به روش ماسکینگام به منظور استخراج هیدروگراف سیل خروجی حوزه استفاده شد. اولویت¬بندی زیرحوز¬ه¬ها از نظر سیل¬خیزی در دو دوره هیدرولوژیکی بهاره و تابستان-پاییزه با کاربرد مدل HEC-HMS محاسبه شده و واسنجی لازم برای پارامترهایی چون تلفات اولیه، شماره منحنی و زمان تاخیر در هر دوره هیدرولوژیکی صورت گرفت. سپس با حذف متوالی و یک به یک زیرحوزه¬ها از فرایند روندیابی داخل حوزه، زیرحوزه¬ها بر اساس میزان مشارکت در دبی اوج و حجم سیل خروجی حوزه، در هر دوره هیدرولوژیکی اولویت¬بندی گردیدند. برای بیان معنی¬دار بودن و یا عدم معنی¬داری اختلافات زمانی در اولویت¬بندی زیرحوزه¬ها، از آزمون آماری تی-تست جفتی استفاده شد. نتایج تحقیق نشان داد که تغییرات درصد مشارکت دبی اوج و حجم سیل زیرحوزه¬ها در خروجی انتهای حوزه، در زمان¬های متفاوت معنی-دار می¬باشد.
سیل به عنوان یک واقعه اجتناب¬ناپذیر، پذیرفته شده است؛ و آنچه مسلم است سیلاب ناشی از بارش است. رابطه بارش- رواناب از حوزه¬ای به حوزه دیگر، حتی زیرحوزه¬ها تفاوت محسوسی دارد (خسروشاهی 1380). شرایط رودخانه و موقعیت مکانی زیرحوزه¬ها در زمانهای مختلف هیدرولوژیکی نیز، از جمله عواملی هستند که در تغییر وضعیت سیل تأثیر دارند و بایستی مورد بررسی قرار گیرند. در بین عوامل موثر بر سیل¬خیزی زیرحوزه¬های بحرانی، مهمترین عامل شماره منحنی CN)) می¬باشد (جوکار، 1381). عامل CNدارای تغییرات زمانی می¬باشد (Young وCarleton، 2005)؛ که تغییر در فرآیند¬های هیدرولوژیکی ناشی از تغییر در نحوه استفاده از اراضی، اثرات مهمی روی کمیت و کیفیت رواناب خروجی از حوزه خواهد داشت. بر این اساس بکارگیری مدلهای بارش-رواناب ابزاری موثر برای مدیریت هستند (روغنی و همکاران، 1382).
Singh (1996) با بررسی تغییرات زمانی و مکانی بارش، تغییر رفتار حوزه روی هیدروگراف سیل را از نظر شکل، تداوم و دبی پیک هیدروگراف سیل بررسی کرد. Vanshaar و همکاران (2002) از مدل DHSVM برای شبیه¬سازی اثرات هیدرولوژیکی پوشش زمین برای 4 زیرحوزه رودخانه کلمبیا استفاده کرده و بیان می¬دارند که شاخص سطح برگی کم، آب معادل برف و جریان بیشتر را به دنبال دارد. Melesse و Shih (2002) برای تخمین توزیع مکانی ارتفاع رواناب، از تصاویر ماهواره¬ای برای تغییرات کاربری اراضی و CN حوزه Kissimmee در جنوب فلوریدا استفاده کردند. نتایج نشان داد که با تغییر کاربری و به تبع آن تغییرات سیل، استفاده از تصاویر ماهواره¬ای برای مطالعه عکس العمل حوزه نسبت به سیل مفید است. Foody و همکاران (2004) به منظور شناسایی مناطق حساس به تند سیل¬ها در منطقه¬ای در غرب مصر از مدل HEC-HMS به منظور شبیه¬سازی سیلاب استفاده کردند؛ که منجر به شناسایی 2 منقطه حساس گردید. Hassanzadeh و Aalami (2005) با استفاده از مدل HEC-HMS درحوزه آبخیز سد گلستان مبادرت به تعیین سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها پرداختند. مردانی (1377) با مطالعه سیل¬خیزی حوزه آبخیز روئین خراسان، به تعیین زیرحوزه¬ای که نقش زیادی در تولید رواناب کل حوزه دارد پرداخت. خسروشاهی (1380) تاثیر سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها را از طریق مدل ریاضی HEC-HMS در حوزه آبخیز دماوند مورد بررسی قرار داد و زیرحوزه¬ای که بیشترین تاثیر را در خروجی داشته، معرفی نموده است. جوکار (1381) برای تعیین سیل¬خیزی زیرحوزه¬های رودخانه شاپور در استان فارس با استفاده از شبیه¬سازی جریانهای سیلابی، میزان مشارکت هر یک از زیرحوزه¬ها در هیدروگراف سیل خروجی حوزه را بدست آورد. روغنی و همکاران (1382) با استفاده از مفهوم نمودار مساحت–زمان و بکارگیری مشخصات حوزه، در مدل هیدرولوژیکی RAFTS، نحوه توزیع مکانی زیرحوزه¬ها در سطح منطقه را مورد بررسی قرار دادند. یثربی (1384) با نصب اشل در خروجی زیرحوزه¬های آبخیز هراز و با قرائت روزانه آنها و تهیه منحنی دبی-اشل, اقدام به محاسبه دبی روزانه و شناسایی تغییرات زمانی-مکانی و اولویت¬بندی زیرحوزه¬ها در رواناب تولیدی نمود. بر طبق نتایج به دست آمده, مقادیر رواناب طی ماههای مختلف دارای تغییرات زیادی بوده است.
اقدامات آبخیزداری برای مهار سیل را می¬توان در دوره¬های هیدرولوژیکی مختلف، مدیریت کرد. بررسی¬ها نشان می¬دهد موضوعات مرتبط با این تحقیق بیشتر از دیدگاه مکان¬یابی مناطق سیل¬خیز بدون در نظر گرفتن تاثیر دوره¬های هیدرولوژیکی مطرح شده است. حوزه آبخیز کوشک¬آباد در استان خراسان رضوی از جمله حوزه¬های آبخیزی است که بروز مکرر سیلاب¬، مسئولان محلی را به انجام اقدامات کنترل سیل وادار نموده است؛ حال آنکه موفقیت کامل در این راستا به دلیل عدم اطلاع از وضعیت مشارکت زمانی زیرحوزه¬ها در بروز سیلاب با موفقیت کامل همراه نبوده است. لذا هدف از انجام این تحقیق، اولویت¬بندی شدت سیل¬خیزی زیرحوزه¬ها از نظر تاثیر بر سیلاب خروجی کل حوزه در دو فصل سیلابی، برای مدیریت بهینه مناطق سیل¬خیز می¬باشد.


مواد و روش¬ها
حوزه آبخیز کوشک¬آباد در استان خراسان رضوی در شمال غرب مشهد و در طول جغرافیایی 30 º59 تا 38 º59 شرقی و در عرض جغرافیایی 38 º36 تا 47 º36 شمالی واقع شده است (شکل1). ارتفاع متوسط حوزه 1705 متر، شیب متوسط آن بالای 25 درصد بوده و دارای اقلیم خشک تحت تاثیر توده هوای سیبری می¬باشد. مساحت حوزه 45/87 کیلومترمربع بوده که به 10 زیرحوزه تقسیم شده است. میانگین نزولات سالانه این حوزه 3/391 میلی¬متر است
روش کار
به منظور مطالعه رفتار حوزه آبخیز مورد تحقیق، بررسی¬های اولیه شامل بررسی منابع، تعیین حوزه و زیرحوزه¬ها، جمع¬آوری داده¬ها، تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی، تهیه نقشه¬ها و رقومی کردن نقشه¬ها ضروری است. پس از جمع¬آوری و تهیه این داده¬ها، اقدام به بازدید از منطقه مورد مطالعه و کنترل نقشه¬ها با طبیعت صورت می¬گیرد. در نهایت، اقدام به شبیه¬سازی و اجرای مدل می¬گردد. سپس با حذف متوالی و یک به یک زیرحوزه¬ها از فرایند روندیابی داخل حوزه، زیرحوزه¬ها بر اساس میزان مشارکت در دبی اوج و حجم سیل خروجی حوزه، در هر دوره هیدرولوژیکی اولویت¬بندی می¬گردند تا تحلیل¬های هیدرولوژیکی و تلفیق نتایج صورت گیرد.


استخراج مشخصات فیزیکی زیرحوزه¬ها
به منظور فراهم نمودن داده¬های لازم برای انجام این تحقیق، با استفاده از نرم¬افزار Arcview و Ilwis، کلیه مشخصات و نقشه¬های مورد نیاز شامل مدل رقومی ارتفاع، نقشه شیب حوزه و تعیین شیب آبراهه-های اصلی زیرحوزه¬ها استخراج گردید.

تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی
به منظور تعیین دوره¬های هیدرولوژیکی حوزه آبخیز مورد مطالعه، ترسیم و تحلیل منحنی¬های تغییرات دما-بارش (آمبروترمیک) و بارش- دبی در ماههای مختلف سال صورت گرفت. مقدار متوسط بارش و دما در ماههای مختلف سال، پس از تعیین سال¬های ¬آماری مشترک، بررسی همگنی و بازسازی داده¬های ناقص ایستگاههای درون و بیرون حوزه، و در نهایت ترسیم خطوط همباران و هم¬دما با استفاده از نرم-افزار Arcview بدست آمد.

مدل HEC-HMS
مدل HEC-HMS برای شبیه¬سازی بارش-رواناب، حوزه آبخیز را با مولفه¬های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی نمایش می¬دهد. این مدل با ترکیب مولفه¬های مذکور، پس از محاسبات لازم، اقدام به ترمیم و محاسبه هیدروگراف کامل می¬کند. به این ترتیب، با شبیه¬سازی و اجرای مدل مزبور در هر دوره هیدرولوژیکی، تحلیل¬های هیدرولوژیکی و تلفیق نتایج صورت گرفت.

تحلیل داده¬های بارش- رواناب
به منظور مدل¬سازی حوزه مورد مطالعه از طریق بکارگیری مدل ریاضی، استفاده از داده¬های همزمان بارش-رواناب برای واسنجی مدل ضروری است. به این ترتیب، اقدام به جمع¬آوری دبی حداکثر لحظه¬ای رویدادهای سیلابی موجود در ایستگاه هیدرومتری کوشک¬آباد و مقدار بارندگی ساعتی و روزانه ایستگاههای باران¬سنجی درون و بیرون حوزه گردید. از میان 10 واقعه سیلابی مناسب برای انجام واسنجی و ارزیابی مدل، تنها یک واقعه سیلابی برای دوره زمستانه وجود داشت که برای واسنجی مدل در این دوره کافی نمی¬باشد. 5 و 1 واقعه سیلابی بهاره به ترتیب، برای انجام واسنجی و اعتبارسنجی مدل بکار گرفته شد؛ و 3 واقعه سیلابی تابستان-پاییزه نیز، برای واسنجی مدل در دوره هیدرولوژیکی مزبور مورد استفاده قرار گرفت. اگر چه تعداد وقایع مزبور برای واسنجی مدل کافی نمی¬باشد، لیکن حداقل شرایط لازم را برای انجام این مهم فراهم می¬آورند. به این ترتیب، اجرای مدل تنها برای دوره¬های هیدرولوژیکی بهاره و تابستان-پاییزه صورت گرفت. تحلیل توزیع مکانی رگبارها در نرم افزار Arcveiw با استفاده از روش میانیابی عکس مجذور فاصله (IDW) صورت گرفت. به این ترتیب، منحنی¬های هم-رگبار برای رویدادهای سیلابی ایستگاه هیدرومتری کوشک¬آباد رسم گردید. توزیع زمانی رگبارها با استفاده از داده¬های ایستگاه ثبات گوش (تنها ایستگاه ثبات درون حوزه)، به طریق محاسبه درصد نزول بارش در فواصل زمانی یک ساعته تهیه شد. پس از محاسبه توزیع زمانی بارش در هر یک از زیرحوزه-ها، هایتوگراف¬های متعددی تهیه گردید؛ که این هایتوگراف¬ها مبنای محاسبه سیل زیرحوزه¬ها قرار گرفت. منحنی¬های شدت-مدت-فراوانی در دو دوره هیدرولوژیکی بهاره و تابستان-پاییزه برای حوزه آبخیز کوشک¬آباد نیز، برای استخراج مقدار بارندگی در زمان تمرکز حوزه (هایتوگراف¬های بارش) در دوره بازگشت¬های مختلف، به روش قهرمان محاسبه شد. فرمول قهرمان به صورت رابطه 1 و 2 بیان می¬شود (سهیلی 1382):