نوع مقاله : پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار گروه جغرافیای طبیعی دانشگاه حکیم سبزواری
2 دانشجوی دکتری هیدروژئومورفولوژی دانشگاه حکیم سبزواری
3 کارشناس ارشد ژئومورفولوژی دانشگاه حکیم سبزواری
چکیده
چکیده
روش هایی که برای شناسایی، تفکیک و اولویت بندی مناطق سیل خیز به کار گرفته شده است، اغلب کل حوضه آبخیز را به صورت یکپارچه در نظر گرفته و یا به صورت منطق های و بدون در نظر گرفتن مرزهای فیزیکی حوضه ها و یا زیرحوضه ها انجام شـده است. حوضه زرچشمه هونجان در استان اصفهان و شـهرستان شـهرضا واقع گردیده است که هر ساله سیل های مخرب به بخش های وسیعی از زمین ها و باغات حاشیه رودخانه آسیب وارد میکند. شناسایی و پیش بینی حجم سیلاب این زیرحوضه که بدون شک زمین های پایین دست را متأثر میکند و مشخص نمودن اولویت و حساسیت زیرحوضه های آن برای اجرای برنامه های کنترل سیل امری لازم و ضروری است. در این پژوهش از روش شبیه سازی هیدرولوژیکی توسط نرم افزار HEC-HMS برای بازسازی مدل حوضه و بررسی و روندیابی هیدروگراف های سیل در آن و نیز برای تحلیل حساسیت دبی سیلابی حوضه نسبت به تغییر سه پارامتر قابل مدیریت ژئومورفولوژی در سیلاب شامل: CN، شیب و مساحت در هریک از زیرحوضه ها و در گستره منطقی خود استفاده شده است. محاسبات حاصل از این تحقیق نشان میدهد، نحوه مشارکت زیرحوضه ها در سیل خروجی، لزوماً متناسب با دبی اوج زیرحوضهها نبوده و زیرحوضههای با دبی اوج بیشتر، ضرورتا تأثیر بیشتری در سیل خروجی حوضه ندارد. لذا برای هرگونه عملیات کنترل سیل و یا کاهش دبی اوج در خروجی حوضه، باید نـحوه تأثیر هر یک از زیرحوضه ها را پس از رونـدیابی آنـها در آبراهه های اصلی تعیین کرد و سپس با توجه به سهمی که در ایجاد سیل خروجی به عهده دارند، آنها را تفکیک و اولویت بندی نـمود. با اجرای روش حذف انفرادی زیرحوضه ها در مدل حوضه زرچشمه هونـجان توسـط نرم افزار HEC-HMS مشخص گردید، زیرحوضه S13 بیشترین اثر کاهشی و زیر حوضه S3 کمترین اثر کاهشی روی دبی اوج خروجی حوضه دارد. همچنین افزایش CN در زیرحوضه های S13-S5-S11-S12-S10-S15-S6 موجب افزایش دبی اوج شده است و در سایر زیرحوضه ها تأثیر معکوس داشته است. زیرحوضه های S12-S13-S5-S10 نسبت به تغییر مسـاحت حساسیت بـیشتری از خـود نـشان دادنـد. هـمچنین افـزایش شـیب در زیـرحوضـه های S2,S4,S5,S7,S10,S12,S13,S15,S16,S17,S21,S22,S24 در افزایش دبی اوج خروجی تأثیر مستقیم داشته و در سایر زیرحوضه ها تأثیرمعکوس داشته است.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Analysis of Geomorphological Factors Influencing the Flood Using the HEC-HMS Model (Case Study: Zrchshmh Hunjan- Isfahan Province)
نویسندگان [English]
- Abolgassem Amir Ahmadi 1
- Maliheh Mohammadnia 2
- Negar Golshani 3
چکیده [English]
Methods used for identification, separation and prioritization of flood prone areas generally consider the basin as a whole, or as regional regardless of the physical borders of the basin or the sub-basin. Hnnenjan Zrchshmh basin is located in Shahreza in Esfahan province. Every year, floods inflict considerable damage to large areas of its lands, rivers and orchards. Identifying and predicting the flood volume of these basins which undoubtedly condition the downstream areas and identifying the priorities and sensitivity of the sub-basins for flood control programs, is of great necessity. This study uses hydrological simulation method via HEC-HMS software to reconstruct and evaluate the routing flood hydrographs in the basin and analyze the sensitivity of flood discharges with respect to the parameters of the watershed in addition to CN, slope and area of each sub-basin in its logical extension. Calculation of the results in this study show that the kind of sub-basin participation in output flood are not necessarily proportional to the peak and that the sub-basins with high peak are not necessarily more effective in sealing the watershed outlet. Therefore, for any flood control operation or reduction of the peak flows in the watershed outlet, the effect of each basin after routing of the main channels must be determined. Then according to the share they have in the output seal, they should be prioritized and divided. Implementing the individual omission method of basins in the Hunejan Zrchshmh basin model with HEC-HMS software it was determined that the S13 sub-basin has the most and the S3 has the least decreasing effect on the output peak flow of the basin. Furthermore, increased CN in sub-basins S13-S5-S11-S12-S10-S15-S6 have increased the peak flow. Sub-basins S12-S13-S5-S10 showed greater sensitivity to changes in the area. Also the slope increase in the sub-basins S2, S4, S5, S7, S10, S12, S13, S15, S16, S17, S21, S22, and S24 has had a direct impact on the increase in peak flow output, having the reverse effect on other sub-basins.
کلیدواژه‌ها [English]
- Flood routing
- HEC-HMS model
- hydrological simulation model
- Sensitivity analysis
- Zrchshmh Hunejan
مقدمه
بررسیهای سازمان ملل متحد حاکی از آن است که سیل را باید یکی از جدیترین بلایای طبیعی بهشمار آورد. تنها معدودی از کشورهای جهان را میتوان یافت که فارغ از مسائل و مصائب سیل باشند. بررسی آمار و اطلاعات خسارات سالانه ناشی از وقوع سیلابها در ایران و جهان، بیانگر گستردگی صدمات ناشی از سیلاب به منابع طبیعی، انسانی و اقتصادی مناطق مختلف میباشد (وهابی، 1385: 34). روند افزایش سیل در 5 دهه گذشته، نشان میدهد که تعداد وقوع سیل در دهه 80 نسبت به دهه 40 تقریباً ده برابر شده است و بهعبارت دیگر900 درصد افزایش داشته است (عبدی، 1385: 200). روندیابی سیل، امکان شناخت ویژگیهای سیل زیرحوضهها و نحوه عملکرد آنها را در یک سیستم متقابل عمل و فرآیند ممکن میکند و بررسی متغیرهای ژئومورفیک علل این سازوکارها را مورد بررسی قرار میدهد. دانش ژئومورفولوژی با در اختیار داشتن ابزار گسترده قادر است، نقش مؤثری در شناخت سیلاب مناطق و تحلیل عوامل آن ارائه کند. تحقیقات میمیکو (1983) در یونان نشان داد که علاوه بر بارش متوسط حوضه و مساحت سه فاکتور شیب آبراهه اصلی، فراوانی آبراهه و شاخص مربوط به خاک نقش بیشتری در تولید رواناب دارد (سلیمانی، 1378: 15). کیلبرت (1996)، در بررسی سیلابهای شدید به این نتیجه رسید، که غیر از حالتهای محدود، سیلابهای شدیدی که در حوضههای بزرگ حادث میگردد در نتیجه بارندگی است و تأثیر انسان در منطقه، پوشش گیاهی، خاک، توپوگرافی و بستر رودخانه از اهمیت کمتری برخوردار بوده است، مگر در شرایط استثنایی که تخریب شدید باشد. همچنین مشخص شد که میزان خسارت سیلابها را میتوان با تغییرات در بستر رودخانه کاهش داد (رحیمی، 1378: 10). مک لین[1] و همکاران (2001)، ترکیبی از Arcview و برنامه الحاقی GIS-HEC را برای آنالیز دشت سیلابی پاگارتا[2] در لس آلاموس[3] بهکار گرفتند. این دشت در سال 2000 تحت تأثیر آتـشسوزی قرار گرفته بـود. دادههای رواناب بارش قبل از آتشسوزی توسط مدل HEC_HMS موجود بود. با کالیبره کردن مدل توسط دادههای بارش در تابستان سال 2000 مشخص شد که اجرای مدل فوق همخوانی خوبی با دادههای سیل منطقه دارد و هیدروگراف سیل برای بارش 6 ساعته در دوره برگشت 100 سال برای منطقه طراحی شد. پلات[4] (2002)، در تحقیق خود با نام «خطر سیل و مدیریت آن»، پهنهبندی خطر را بهعنوان شیوه کاملاً مشخصی برای ساماندهی و مدیریت خطرهای ناشی از عوامل طبیعی زیست محیطی یا انسانی که از بین آنها سیل بسیار بارزتر است، تعریف کرد. چن[5] و همکاران (2011)، روش تحلیل خوشهای فازی و شاخصهای مساحت تحت تأثیر قرار گرفته، تعداد تلفات جانی، تعداد خانههای ویران شده و میزان خسارت اقتصادی مستقیم را در طبقهبندی خطر سیلاب در 30 استان چین بهکار بردند و به این نتیجه رسیدند که روش تحلیل خوشهای فازی روشی مناسب برای طبقهبندی خطر سیلاب است.
در ایران مرید و قائمی (1376)، برای تشابهسازی بارندگی-رواناب در استان هرمزگان مدل HEC-1 را برای تعدادی از سیلهای مهم حوضههای آبخیز بکار گرفتهاند. براساس نتایج بهدست آمده از مطالعات انجام شده، مدل HEC-1 بهطور مطلوبی امکان تشابهسازی بارندگی-رواناب را دارد، ولی در کاربرد آن باید به دو نکته توجه شود: اول، اینکه در واسنجی پارامترها، لازم است از هیدروگرافهایی استفاده شود که از شکل متعارف زنگولهای برخوردار باشد و هیدروگرافهای با تغییر زیاد و یا آنهایی که یکباره به اوج میرسند جوابهای غیرواقعی خواهند داشت. دوم، اینکه در استفاده از هیدروگراف واحد جهت برآورد سیلاب، پارامترهای مورد نیاز براساس ضریب متعارف جوابهای مناسبی نمیدهند (خسروشاهی و ثقفیان، 1384). خسروشاهی (1381)، مدل HEC-HMS را جهت تعیین زیرحوضههای سیلخیز حوضه آبخیز دماوند در استان تهران بهکار برد، و از روش SCS جهت تعیین ارتفاع رواناب و از روش ماسکینگام برای روندیابی هیدروگرافها استفاده نمود. در پژوهش وی، زیرحوضههای سیل خیز براساس سهم مشارکتی آنها در سیلاب حوضه تفکیک شدهاند. امیراحمدی و شیران(1388) با استفاده از مدل HEC-HMS به بازسازی مدل حوضه و روندیابی هیدروگرافهای سیل در دشت کرون پرداختند. نتایج این تحقیق نشان داد، نحوه مشارکت زیرحوضهها در سیل خروجی لزوما متناسب با دبی اوج زیرحوضهها نبوده و زیرحوضههای با دبی اوج بیشتر ضرورتا تأثیر بیشتری در سیل خروجی حوضه ندارند. امیدوار و اژدرپور (1391)، در پژوهشی با عنوان، مقایسه شبکه عصبی مصنوعی و مدل HEC-HMS در برآورد بارش- رواناب در حوضه آبریز رودخانه اعظم هرات، به بررسی کارآمدی شبکههای عصبی مصنوعی در شبیه سازی فرایند بارش- رواناب و مقایسه آن با نتایج مدل HEC-HMS پرداختند. نتایج نشان داد که در حوضه مطالعاتی دقت شبکه بیشتر از مدل HEC-HMS بوده است.
در این تحقیق، روندیابی سیل با استفاده از متغیرهای ژئومورفیک در حوضه زرچشمه هونجان مورد بررسی قرار گرفته است. زرچشمه هونجان یکی از دشتهای پایکوهی است که از استعداد فراوانی در ارتباط با فعالیتهای کشاورزی و باغداری برخوردار میباشد. این منطقه بهدلیل نزدیکی به مناطق شهری بهخصوص شهر اصفهان میتواند بهعنوان مرکزی برای تولید محصولات کشاورزی به حساب آید. لیکن در سالهای اخیر بهعلت خشکسالیهای پی در پی و نیز با توجه به جمعیت روزافزون آن، مشکلات فراوانی را در رابطه با تأمین آب بهویژه در بخش کشاورزی داشته است. این در حالی است که هر ساله سیلهای مخرب به بخشهای وسیعی از زمینها و باغات حاشیه رودخانه آسیب وارد میکند. شناسایی و پیشبینی حجم سیلاب این زیرحوضه که بدون شک زمینهای پایین دست را متأثر میکند و مشخص نمودن اولویت و حساسیت زیرحوضههای آن برای اجرای برنامههای کنترل سیل امری لازم و ضروری است. از طرفی با توجه به نیاز روزافزون این ناحیه و تأمین آب در بخشهای مختلف کشاورزی، صنعت و شرب و نیز جلوگیری از اثرات زیانبار سیلابها از مهمترین ضرورتهای این تحقیق انجام اقدامات مدیریتی شامل: شناسایی زیرحوضهها با عملکرد بحرانی و شناسایی عوامل سیلخیزی در جهت جلوگیری از تخریب زمینهای کشاورزی و فرسایش خاک و کمک به رفع معضل کمآبی منطقه را باید عنوان نمود.
منطقه مورد مطالعه
حوضه موردمطالعه بین طول جغرافیایی "15′52˚51 و "15′44˚53 درعرض جغرافی"33′28˚31 و"15′34˚31 قرار گرفته است. از نظر موقعیت سیاسی در استان اصفهان، شهرستان شهرضا در دهستان اسفرجان از بخش مرکزی قرار گرفته و شامل روستای هونجان، مزارع ماش، آیینه قری، چهارقاش میباشد، که فاقد جمعیت ساکن ولی ییلاق تعدادی از عشایر ایل قشقایی در فصل تابستان است (شکل 1). این حوضه از سمت غرب با بخش هوک، از شمال با روستای هونجان، از جنوب با شهرستان سمیرم، از شرق با شهرستان آباده ارتباط دارد. زهکش اصلی حوضه رودخانه زرچشمه است. حوضه مورد نظر از یک رشته کوه که جزء پیش کوه های زاگرس میباشد، تشکیل شده است. این ارتفاعات اکثر از تشکیلات آهکی دوران کرتاسه است، که قابلیت نفوذپذیری آنها خوب میباشد. ارتفاع متوسط حوضه 8/2714 متر است و مرتفعترین نقطه حوضه 3718 متر و پستترین نقطه 2440 متر ارتفاع دارد. شیب متوسط حوضه 14% میباشد. اقلیم منطقه مطابق ردهبندی دومارتن درگروه اقلیم مدیترانهای و طبق ردهبندی آمبرژه درمحدوده اقلیم نیمهمرطوب معتدل قرار میگیرد. مساحت حوضه زرچشمه هونجان 122 کیلومترمربع و مـحیط حوضه 54 کیلومتر است .از نظر زمینشـناسی حوضه مورد مطالعه در پهنه زمینساختی ایران مرکزی و بر روی منتهیالیه کمربند سنندج- سیرجان قرار گرفته است. عمده تشکیلات زمینشناسی مربوط به دوران ترشیاری میباشد (نقشه زمینشناسی 1:250000 اصفهان).
شکل (1) موقعیت محدوده مورد مطالعه (ماخذ:نگارندگان)
مواد و روشها
برای اجرای روش شبیهسازی، نقشه توپوگرافی منطقه با مقیاس 1:50000رقومی گردید، و حوضه مورد نظر به 24 زیرحوضه تفکیک شد (جدول 1). نقشه آبراههها و زیرحوضههای زرچشمه هونجان در شکل (2) آمده است. جهت شبیهسازی هیدرولوژیکی از مدل HEC-HMSاستفاده شده است. از آنجا که منطقه مورد مطالعه فاقد ایستگاه آبسنجی است، برای برآورد رواناب حوضه روش SCS بهکار گرفته شد. در جدول (1) متغیرهای ژئومتری محاسبه و برای حوضه آورده شده است.
شکل (2) نقشه آبراههها و زیرحوضههای زرچشمه هونجان
|
رابطه (1) |
|
|
|
رابطه (2) |
|
|
|
رابطه (3) |
|
R: ارتفاع رواناب (سانتیمتر) QP: دبی سیلابی (مترمکعب بر ثانیه)
TP: زمان اوج هیدروگراف A: مساحت حوضه (هکتار)
S: نمایه نگهداشت آب در داخل حوضه P: بارش (سانتیمتر)
جدول (1) متغیرهای ژئومتری حوضه
|
زیرحوضه |
مساحت (Au) |
محیط (Pu) |
طول حوضه (Lb) |
ضریب گردشدگی =A/AC(Rc) |
ضریب شکل FF |
ضریب گراولیوس |
ضریب کشیدگی (Re)=DC/Lb |
|
1 |
2/1 |
5 |
9/0 |
6/0 |
67/0 |
27/1 |
37/1 |
|
2 |
55/4 |
31/11 |
1 /4 |
44/0 |
7/3 |
48/1 |
58/0 |
|
3 |
42/6 |
2/14 |
78/3 |
4/0 |
22/2 |
56/1 |
75/0 |
|
4 |
35/4 |
63/11 |
93/4 |
4/0 |
5//5 |
56/1 |
47/0 |
|
5 |
85/8 |
18/12 |
4/3 |
74/0 |
31/1 |
14/1 |
98/0 |
|
6 |
34/10 |
53/15 |
4/5 |
54/0 |
82/2 |
34/1 |
67/0 |
|
7 |
83/1 |
65/8 |
32/2 |
3/0 |
94/2 |
79/1 |
65/0 |
|
8 |
11/2 |
21/6 |
73/2 |
68/0 |
53/3 |
19/1 |
6/0 |
|
9 |
2 |
7 |
5/2 |
51/0 |
12/3 |
39/1 |
63/0 |
|
10 |
11/2 |
63/6 |
84/1 |
65/0 |
6/1 |
22/1 |
89/0 |
|
11 |
74/1 |
33/5 |
85/1 |
76/0 |
96/1 |
13/1 |
8/0 |
|
12 |
36/19 |
24/20 |
1/6 |
59/0 |
92/1 |
28/1 |
81/0 |
|
13 |
2/15 |
8/22 |
17/9 |
36/0 |
53/5 |
63/1 |
47/0 |
|
14 |
4 /3 |
87/8 |
27/3 |
68/0 |
48/2 |
19/1 |
71/0 |
|
42/19 |
42/19 |
19/24 |
8/7 |
41/0 |
13/3 |
53/1 |
63/0 |
|
16 |
83/0 |
7/4 |
05/2 |
47/0 |
06/5 |
44/1 |
5/0 |
|
17 |
36/1 |
78/5 |
53/2 |
51/0 |
7/4 |
38/1 |
52/0 |
|
18 |
33/3 |
5/8 |
16/3 |
57/0 |
3 |
3/1 |
65/0 |
|
19 |
76/3 |
49/9 |
66/3 |
52/0 |
56/3 |
37/1 |
59/0 |
|
20 |
96/2 |
5/9 |
8/3 |
41/0 |
87/4 |
54/1 |
51/0 |
|
21 |
3/1 |
75/6 |
3 |
35/0 |
92/6 |
65/1 |
42/0 |
|
22 |
1 |
39/5 |
51/2 |
43/0 |
3/6 |
5/1 |
44/0 |
|
23 |
85/0 |
40/4 |
5/1 |
55/0 |
64/2 |
33/1 |
69/0 |
|
24 |
81/2 |
75/7 |
3/2 |
58/0 |
88/1 |
29/1 |
12/0 |
برای روندیابی بازهها روش Tlag انتخاب شد. روش مذکور برای هر عامل بازه بهصورت زمان تأخیر آن بازه تعریف میشود و فرمول آن بهصورت رابطه (4) تعریف میشود (علیزاده، 1383: 483).
|
رابطه (4) |
|
که در آن: Tlag: زمان تأخیر (ساعت)
L: طول هیدرولیکی آبراهه اصلی (متر)
CN: شماره منحنی وزنی حوضه
H: شیب متوسط وزنی آبراهه (درصد)
برای بهدست آوردن کمیتهای مورد نیاز از امکانات GIS و لایههای تهیه شده استفاده گردید. این کمیتها شامل: شیب متوسط حوضه، طول حوضه، زمان تمرکز، زمان تأخیر، CN، ارتفاع متوسط حوضه و بارندگی 6 و 24 ساعته بوده که در جدول (2) آمده است.
جدول (2) دادههای موردنیاز برای فرآیند HEC-HMS
|
زیرحوضه |
شیب متوسط |
طولحوضه |
زمان تمرکز |
زمان تأخیر |
CNمرطوب |
CNمتوسط |
ارتفاع متوسط |
بارندگی6ساعته |
24ساعته |
|
1 |
11/45 |
9/0 |
17/0 |
1/0 |
69 |
50 |
2460 |
26/41 |
025/48 |
|
2 |
1/47 |
1/4 |
6/0 |
36/0 |
79 |
62 |
2570 |
01/43 |
205/52 |
|
3 |
6/8 |
78/3 |
06/1 |
63/0 |
66 |
46 |
5/2472 |
46/41 |
5/48 |
|
4 |
76/16 |
93/4 |
6/0 |
36/4 |
79 |
62 |
2635 |
053/44 |
675/54 |
|
5 |
18 |
41/3 |
68/0 |
4/0 |
77 |
89 |
5/2494 |
81/41 |
336/49 |
|
6 |
12/48 |
4/5 |
72/0 |
43/0 |
74 |
55 |
5/2650 |
3/44 |
264/55 |
|
7 |
68/86 |
32/2 |
86/0 |
17/0 |
79 |
91 |
2690 |
93/44 |
765/56 |
|
8 |
24/78 |
73/2 |
37/0 |
22/0 |
69 |
50 |
2736 |
66/45 |
513/58 |
|
9 |
33/55 |
5/2 |
5/0 |
3/0 |
69 |
50 |
2591 |
35/43 |
003/53 |
|
10 |
1/20 |
84/1 |
45/0 |
27/0 |
86 |
94 |
5/208 |
22/45 |
468/57 |
|
11 |
3/77 |
85/1 |
85/0 |
51/0 |
79 |
62 |
5/2753 |
94/45 |
178/59 |
|
12 |
05/31 |
1/6 |
27/0 |
16/0 |
86 |
72 |
5/2845 |
41/47 |
674/62 |
|
13 |
56/83 |
17/9 |
89/0 |
53/0 |
69 |
84 |
3180 |
75/52 |
385/75 |
|
14 |
86/65 |
27/3 |
46/0 |
27/0 |
79 |
62 |
2775 |
29/46 |
995/59 |
|
15 |
69/90 |
8/7 |
75/0 |
45/0 |
79 |
62 |
5/3167 |
55/52 |
91/74 |
|
16 |
68/56 |
05/2 |
32/0 |
2/0 |
86 |
94 |
2690 |
9/44 |
765/56 |
|
17 |
54/74 |
53/2 |
35/0 |
21/0 |
69 |
84 |
5/2718 |
38/45 |
848/57 |
|
18 |
63/64 |
16/3 |
44/0 |
26/0 |
79 |
62 |
5/2699 |
1/45 |
126/57 |
|
19 |
95/67 |
66/3 |
48/0 |
3/0 |
69 |
50 |
5/2720 |
41/45 |
924/57 |
|
20 |
57 |
8/3 |
52/0 |
31/0 |
69 |
50 |
2673 |
66/44 |
119/56 |
|
21 |
07/80 |
3 |
42/0 |
25/0 |
79 |
91 |
5/2570 |
02/43 |
224/52 |
|
22 |
5/46 |
51/2 |
47/0 |
3/0 |
86 |
94 |
2539 |
52/42 |
027/51 |
|
23 |
7/38 |
5/1 |
31/0 |
18/0 |
86 |
72 |
2465 |
34/41 |
215/48 |
|
24 |
71/60 |
3/2 |
34/0 |
2/0 |
79 |
91 |
5/2560 |
86/42 |
844/51 |
در بررسی و روندیابی سیل درحوضه و مطالعه نقش مشارکتی زیرحوضهها در سیلاب حوضه از روش شبیهسازی هیدرولوژیکی بارش-رواناب توسط نرمافزار HMS-HEC استفاده شد. مدل HMS-HEC یک مدل ریاضی است که میتواند ححجم، دبی اوج و زمان رسیدن به دبی اوج سیلاب را بهوسیله شبیهسازی رفتار حوضه بازسازی کند. از مزایای این برنامه آن است که در حوضهها با اندازه، شکل و پارامترهای مختلف، قابلیت کاربرد دارد (بارتون[6]، 2003: 1). این روش، بارش-رواناب را شبیهسازی نموده و توسط قابلیت بالای گرافیکی خود قادر به نمایش گرافهای سیلاب درتمامی عوامل حوضه میباشد .این ویژگی امکان روندیابی موج سیل و بررسی چگونگی عملکرد موج سیل با مشارکت فعال زیرحوضهها را فراهم میکند. بهعلاوه امکان مقایسه شکل هیدروگراف سیل در زیرحوضهها را ممکن میسازد. ساختار مدل از سه بخش مدل حوضه، مدل هواشناسی و شاخص کنترل تشکیل شده است (دیویس[7]، 2001: 5). با استفاده از نرمافزار HMS-HEC مدل حوضه در این نرمافزار بازسازی شد که شامل: زیرحوضهها (S)، بازهها (R)، و نقاط اتصال آبراههها (J) است. این مدل در شکل (3) آمده است.
شکل (3) مدل حوضه زرچشمه هونجان و زیرحوضههای آن در نرمافزار HEC-HMS
جهت نشان دادن تأثیر هر کدام از پارامترها، از آنالیز حساسیت استفاده شد. آنالیز حساسیت روشی است، که نشان میدهد کدام یک از پارامترها تأثیرات شدیدتری بر نتایج اعمال میکنند. رتبهبندی پارامترهای مدل براساس مشارکت آنها رویهمرفته در مدل قابل محاسبه است .آنالیز حساسیت میتواند در مقیاس محلی یا کلی انجام گیرد .در مقیاس محلی تأثیر هر پارامتر بهشکل مجزا با ثابت نگهداشتن سایر پارامترها محاسبه میشود .در مقیاس کلی به همه پارامترها اجازه تغییر در یک زمان داده میشود و نحوه عملکرد آن بر اساس انتخاب تصادفی پارامترها و روشهای احتمالاتی است (ساندرلیک[8] و پی.سیمونوویک[9]،47:2004). در حال حاضر آنالیز حساسیت نقش کلیدی در تحلیلهای مربوط به سیلاب دارد و استفاده از آن برای تحلیلهای کوتاهمدت تا بلندمدت خردمندانه است (پرین[10] و همکاران، 2007: 131). آنالیز حساسیت بینش توانمندی در مطالعه نتایج مدل ایجاد میکند که در جریان نتیجهگیری ناشی از مدلسازی هیدرولوژیکی از جمله ریسک خطر یا کاهش خطر مهم خواهد بود (بون[11] و همکاران، 2008: 1). برای انجام تحلیل حساسیت از بین پارامترهای موجود سه متغیر مساحت، شیب و CN انتخاب شد. از بین نتایج مختلف این نرمافزار، دبی اوج سیلابی که از مؤثرترین پارامترهای براورد سیل است برای بررسی انتخاب شده است. این نرمافزار دبی اوج خروجی کل حوضه را 22/1075 مترمکعب در ثانیه برای بارش طراحی 6 ساعته در دوره بازگشت 100 سال ارائه میکند.
بر پایه تقسیمبندی عوامل موثر بر هیدروگراف سیل، دو دسته مشخص از این عوامل تفکیکپذیر هستند: دسته اول، شامل عواملی است که تأثیرگذاری بر آنها از قدرت بشر خارج بوده و عملاً نمیتوان با تغییر آنها اقدام به تعدیل هیدروگراف حاصل از بارش موثر در یک نقطه خاص نمود.
این عوامل بهطور عمده شامل: عوامل اقلیمی و برخی خصوصیات فیزیوگرافی از جمله: شکل و اندازه حوضه میباشد .دسته دوم، عواملی هستند که در امور آبخیزداری و طرحهای کنترل سیل با استفاده از آنها میتوان تا حدی دبی اوج هیدروگراف یک حوضه را کاهش داد .از جمله آنها میتوان به شیب آبراهه، پوشش و کاربری ارضی اشاره نمود .بهطور کلی روش هایی که اینگونه عوامل را در سطح حوضه آبخیز بهصورت یکپارچه در نظر میگیرد، بهدلیل وسعت وگستردگی حوضههای آبخیز برای ارائه راهحلهای بهینه اجرایی، همواره با مشکل مواجه میشود (خسروشاهی، 1384: 31).
برای بررسی وضعیت زیرحوضهها در جهت ارائه پیشنهادات مدیریتی قابل اجرا اقدام به آنالیز حساسیت زیرحوضهها شد .آنالیز حساسیت زیرحوضهها در دو گام انجام گردید.
1- آنالیزحساسیتمتغیرهایشیب، مساحتو CN:
از بین خصوصیات فیزیکی و پارامترهای ژئومورفولوژیکی زیرحوضهها سه متغیر شیب، CN و مساحت برگزیده شد.
این سه عامل در دامنه منطقی خود بهترتیب در تمام زیرحوضهها تغییر داده شدند .برای مساحت و شیب دامنه تغییر 50± (شامل دامنه ده تایی اعداد از 50- تا 50+) و برای CN دامنه متغیر 10± (شامل دامنه هشت تایی اعداد از 10- تا 10+) در نظرگرفته شد. با تغییر هر کدام از سه عامل و به ازای تغییر عدد دامنه، کلیه ویژگی سایر زیرحوضهها ثابت نگه داشته شد تا تغییر در هیدروگراف خروجی کل حوضه کاملاً مشخص باشد.
حاصل هر بار تغییر در دبی اوج خروجی حوضه در نظر گرفته شد .بدین شکل مدل HEC-HMS بیش از چهارصد بار در تمام زیرحوضهها اجرا شد .سپس نمودار تحلیل حساسیت زیرحوضهها به تغییر سه عامل مذکور ترسیم گردید.
2- حذفانفرادیزیرحوضهها
در دومین گام تحلیل حساسیت، برای اولویتبندی زیرحوضهها از نظر سیلخیزی و بهعبارتی تعیین میزان تأثیر هر یک از زیرحوضهها در دبی سیل خروجی کل حوضه از روش ابداعی «تکرار حذف انفرادی زیرحوضه» استفاده میشود.
در این روش ابتدا هیدروگراف سیل خروجی با مشارکت کلیه زیرحوضهها با کاربرد مدل HEC-HMS محاسبه میشود. سپس با حذف متوالی و یک به یک زیرحوضهها از فرایند روندیابی داخل حوضه، میزان مشارکت هر یک از آنها در دبی اوج خروجی حوضه بهدست میآید .زیرحوضهای که بیشترین کاهش را در دبی خروجی کل حوضه از خود نشان دهد بیشترین سهم را در ایجاد سیل خروجی بهعهده داشته و بهعنوان اولویت اول شناخته میشود. بدین ترتیب کلیه زیرحوضهها با توجه به میزان مشارکت آنها در دبی خروجی حوضه اولویتبندی میشود (خسروشاهی، 32:1384). این نکته را باید اضافه کرد که این اولویتبندی برای بارشهای طراحی خاص که معمولاً برای کارهای آبخیزداری و کاهش خطر سیل از آن استفاده میشود، انجام شده است هر چند ممکن است با تغییر دوره بازگشت و یا تداوم بارش، پتانسیل تولید سیل زیرحوضهها و یا محل تولید بالاترین دبی پیک تغییر کند از این رو لازم است اولویتبندی سیلخیزی با توجه به اهداف مورد نظر تعیین شود.
بحث و نتایج
مقایسه هیدروگراف سیل در زیرحوضههای مورد مطالعه، نشان میدهد که قله هیدروگراف سیل درحوضههای کشیده، پهنتر از سایر زیرحوضههاست .دبی سیلابی در واحد سطح آنها کمتر از سایر زیرحوضهها بوده و زمان رسیدن به اوج آنها طولانی بوده است. برعکس حوضههایی که غیر کشیده اند، دبی سیلابی آنها در واحد سطح بیشتر بوده و در زمان کوتاهی به دبی اوج رسیدهاند و آبنمود آنها نوک تیز بوده است (برای خنثیسازی اثر سطح زیرحوضهها، دبی در واحد سطح در نظر گرفته شد زیرا در زیرحوضه های بزرگ تلفات رواناب بیشتر است). سه دسته زیرحوضه بهطور مجزا قابل مشاهدهاند که ویژگیهای آنها در جدول (3) آمده است. شکل4 نمونه هایی از هر یک از هیدروگرافهای با ویژگی قله پهن، نسبتا پهن و تیز را نشان میدهد.
شکل (4) هیدروگراف زیرحوضههای S8،S11 وS20 حوضه زرچشمه
جدول (3) هیدروگرافهای سیل در زیرحوضهها (ماخذ: نگارندگان)
|
گروه |
زیر حوضه |
ویژگی اوج هیدروگراف |
ویژگی زمان اوج |
ویژگی دبی اوج در واحد سطح |
|
1 |
S5,S7,S8,S10,S12,S13,S15 S16,S17,S21,S22,S24 |
قله پهن |
در حدود ≤3.5 ساعت پس از شروع بارندگی |
|
|
2 |
S2,S4,S6,S11,S14,S18,S23 |
قله نسبتاً پهن |
در حدود 3 ساعت پس از شروع بارندگی |
|
|
3 |
S1,S9,S19,S20 |
قله تیز |
در حدود 2 ساعت پیش از شروع بارندگی |
ذکر این نکته ضروری است که زیرحوضههای گروه یک از مساحت زیادی در بین سایر زیرحوضهها برخوردارند و در بررسی ویژگی دبی اوج برای خنثی کردن اثر مساحت، دبی در واحد سطح در نظر گرفته شده است.
در عوامل اتصال، ترکیب مثبت موج سیل از ترکیب موج سیل سایر عوامل صورت گرفته است که منجر به تشدید مقدار دبی اوج در عامل اتصال شده است .همینطور در حرکت موج سیل به سمت پایین دست حوضه مشخص می شود که اثر گذاری و مشارکت زیر حوضههای پایین دست، در افزایش دبی پیک به شدت کاهش یافته است.
با تغییر عامل شیب مشخص شد زیرحوضهها بر خلاف تصور با افزایش شیب یا کاهش آن به شکل یکسان در هیدروگراف سیل خروجی حوضه مشارکت نداشتهاند، و حتی افزایش شیب در دستهای از زیرحوضهها منجر به کاهش دبی اوج حوضه بوده است (شکل 5 و 6). علت این امر دخالت دادن عامل مهم روندیابی سیل در بازهها و نیز زیرحوضههاست، که اثر همزمانی رسیدن همه موجهای سیل در آن واحد به خروجی حوضه را حذف میکند و عوامل زیرحوضهها و بازهها با دخالت عامل مهم زمان تاخیر در تشدید یا تضعیف نقطه اوج دبی خروجی با حذف اثر همزمانی شرکت میکنند.
شکل (5) نمودار آنالیز حساسیت زیرحوضهها به تغییر شیب
شکل (6) نمودار آنالیز حساسیت زیرحوضه ها به تغییر شیب
با تغییر شیب از کم به زیاد 3 اثر متفاوت در دبی اوج خروجی حوضه مشاهده میشود:
1) افزایش شیب در زیرحوضههای S2,S4,S5,S7,S10,S12,S13,S15,S16,S17,S21,S22,S24 در افزایش دبی اوج خروجی تأثیر مستقیم داشته و منجر به افزایش آن شده است (شکل 5).
2) افزایش شیب در زیرحوضههای S1,S6,S9,S11,S14,S18,S23,S19,S20 در افزایش دبی اوج خروجی تأثیر معکوس داشته است و منجر به کاهش آن شده است.
3) تغییرات شیب در زیرحوضههای S1,S3,S4,S9,S23 منجر به تغییرات ناچیزی در دبی اوج خروجی شده است. تغییرات شیب در زیرحوضه S3 در افزایش و یا کاهش دبی اوج خروجی تقریباً بی تأثیر بوده است.
دررابطه با مساحت حوضه میتوان گفت گرچه در برخی منابع به رابطه مستقیم مساحت حوضه با دبی سیلاب تأکید شده و از آن بهعنوان مهمترین عامل فیزیوگرافی که تعیینکننده اوج سیلاب است یاد شده است اما شدت افزایش دبی سیلاب معادل شدت افزایش مساحت نیست زیرا هر چه سطح حوضه بیشتر شود، اولاً وقوع بارشهای شدید روی تمامی حوضه را در برنمیگیرد و ثانیاً در حوضههای بزرگتر در اثر روندیابی اوج سیلاب کاهش مییابد .میتوان گفت با افزایش سطح حوضه اهمیت نسبی ذخیره آبراههای بیشتر میشود.
با توجه به نـمودار تحلیل حساسیت مشخص شد حوضههای S12-S13-S5-S10 نسبت به تغییر مساحت حساسیت بیشتری دارند ولی همینطور که مشخص است اگر چنانچه اثر سطح در دبی اوج سیلاب مطلق بود باید حساسیت زیرحوضه S15 با مساحت بیشتر نسبت به سایر زیرحوضهها بیشتر باشد در حالی که وضعیت این زیرحوضه در تحلیل حساسیت مساحت معکوس بوده است.
ترتیب حساسیت زیرحوضهها از زیاد به کم به شکل زیر است:
S13-S5-S11-S12-S24-S10-S7-S21-S22-S16-S17-S15-S23-S14-S2-S4-S18-S6-S19-S20-S9-S8-S1-S3
درحالی که ترتیب مساحت حوضهها از بزرگ به کوچک به این ترتیب است:
S15-S12-S13-S6-S5-S3-S2-S14-S4-S19-S18-S20-S24-S8-S10-S9-S7-S11-S21S17-S22-S1-S23-S16
شکل (7) نمودار آنالیز حساسیت زیرحوضهها به تغییر مساحت
با تغییر عامل CN مشخص شد زیرحوضهها با افزایش CN یا کاهش آن به شکل یکسان درهیدروگراف سیل خروجی حوضه مشارکت نداشتهاند. هر دو عامل CN و شیب در زمان تأخیر زیرحوضه شرکت دارند و هر تغییری در آنها روی سیلاب زیرحوضه تأثیر میگذارد که نتیجه کلی آن در ترکیب هیدروگراف سیل زیرحوضهها با هیدروگراف سیلاب بالادست در محل اتصالات متفاوت خواهد بود.
شکل (8) نمودار آنالیز حساسیت به تغییر CN
شکل (9) نمودار آنالیز حساسیت به تغییر CN
در کل با تغییر CN از کم به زیاد 3 اثر متفاوت در دبی اوج خروجی حوضه مشاهده میشود:
1) افزایش CN در زیرحوضههای S13-S5-S11-S12-S10-S15-S6 در افزایش دبی اوج خروجی تأثیر مستقیم داشته است و منجر به افزایش آن شده است. (شکل 8)
2) افزایش CN در زیرحوضههای S3-S1-S8-S9-S20-S19-S8-S4 در افزایش دبی اوج خروجی تأثیر معکوس داشته است و منجر به کاهش آن شده است. (شکل 9)
3) تغییرات CN در زیرحوضههای S2-S18-S4-S14-S23-S3-S1-S8-S9-S20 منجر به تغییرات ناچیزی در دبی اوج خروجی شده است.
با اجرای حذف انفرادی زیرحوضهها ترتیب تأثیر حذف آنها از بیشترین تأثیر روی دبی اوج خروجی تا کمترین تأثیر بهترتیب زیر بوده است:
S13- S15- S12-S5-S11-S10-S24-S7-S21-S22-S16-S17 -S23-S14-S2-S4-S18-S6-S19-S20-S9-S8-S1-S3
در حالی که ترتیب حوضهها از نظر میزان دبی اوج به شکل زیر بوده است:
S13-S5-S11-S12-S24-S10-S7-S21-S22-S16-S17-S15-S23-S14-S2-S4-S18-S6-S19-S20-S9-S8-S1-S3
بدین ترتیب مشخص میشود حذف زیرحوضه S13 بیشترین اثر کاهشی و زیرحوضه S3 کمترین اثر کاهشی روی دبی اوج خروجی حوضه دارد. همینطور نحوه مشارکت زیرحوضهها در سیل خروجی لزوماً متناسب با دبی اوج زیرحوضهها نبوده و زیرحوضههای با دبی اوج بیشتر ضرورتاً تأثیر بیشتری در سیل خروجی حوضه ندارند. بنابر این عوامل روندیابی آبراههها و موقعیت مکانی زیرحوضهها میتوانند باعث تغییر در نحوه مشارکت گردند.
شکل (10) تحلیل حساسیت حوضه به حذف انفرادی زیرحوضهها
نتیجهگیری
در حوضه زرچشمه، زیرحوضههای با شکل غیر کشیده، هیدروگراف نوک تیز داشته و در زمان کوتاهتری به دبی اوج رسیدهاند، و دبی سیلابی آنها در واحد سطح زیاد بودهاست .قله هیدروگراف سیل در حوضههای کشیده، پهنتر از سایر زیرحوضههاست. دبی سیلابی در واحد سطح آنها کمتر از سایر زیرحوضهها بوده و زمان رسیدن به اوج آنها طولانی بوده است.
با بهکارگیری روش حذف انفرادی زیرحوضهها و لحاظ کردن اثرات روندیابی در بازهها نحوه مشارکت زیرحوضهها در سیلاب خروجی حوضه مشخص شد .به این شکل نحوه مشارکت زیرحوضهها متناسب با دبی سیلابی زیر حوضهها نبوده، و سیلخیزی بیشتر یک زیرحوضه به معنای مشارکت فعال آن در کل حوضه نیست. بلکه موقعیت مکانی و زمان رسیدن هر موج سیل به عوامل اتصال مهم است. همچنین مشخص گردید، زیر حوضه S13 بیشترین سهم و زیرحوضه S3 کمترین سهم را دارا بودند.
در آنالیز حساسیت سه متغیر مساحت، شیب و CN انتخاب شده و در گستره منطقی خود در زیرحوضهها تغییر داده شدند تا اثرات آنها بر سیل خروجی حوضه مشخص شود .تغییر مساحت در زیرحوضهها به شکل مستقیم بر سیلاب حوضه تاثیر گذار بوده، ولی میزان حساسیت زیرحوضهها یکسان نبوده است. همچنین حوضهها با مساحت بیشتر الزاماً نسبت به تغییر مساحت حساستر نبودند، که حساسیت بیشتر زیرحوضه S13 با مساحتی کمتر از نسبت به زیرحوضههای S15,S12 شاهد این مدعاست.
آنالیز حساسیت دو عامل شیب و CN نشان داد، تغییرات آنها در دامنه خود در سطح زیرحوضهها اثرات یکسان بهبار نیاورده است و افزایش شیب یا CNبهطورمطلق به افزایش دبی سیلابی حوضه منجر نشده است. بلکه در تعدادی از زیرحوضهها تأثیر معکوس بر روند سیل داشته و آن را کاهش داده است. حتی در بعضی زیرحوضهها این اثرات ناچیز بوده و میتوان از آن صرفنظر کرد. علت آن را تغییر در زمان تمرکز به هـمراه اعمال اثرات روندیابی آبراههای باید عنوان نمود. چرا که نحوه ترتیب امواج سیل از طریق روندیابی بازههای تحت تأثیر تغییر زمان تمرکز، تغییر یافته است .
این نکته نشان میدهد، هر گونه عملیات آبخیزداری برای کنترل پوشش گیاهی و تغییر شیب در زیرحوضهها با اثر معکوس باید با احتیاط و مطالعه کافی صورت گیرد.
بنابر این میتوان پیشنهادات زیر را ارائه داد:
- با توجه به ترتیب مشارکت زیرحوضهها در سیل حوضه، اقدامات کنترل سیلاب در زیرحوضه S13-S5-S11-S12-S24-S10- که مشارکت فعال در دبی سیلابی حوضه دارند در اولویت قرار گیرند.
- در زیرحوضههای S1,S2,S10,S13 که کاهش شیب بهطور مستقیم سیلاب حوضه را کاهش میدهد میتوان با احداث پشتههای کوتاه، از سرعت آب کاست و فرصت بیشتری به آب داد تا در زمین نفوذ کند. برای احداث پشتهها میتوان از سنگ و قلوه سنگ که به وفور در حوضه یافت میشود استفاده کرد که هزینهها را هم کاهش میدهد.
- در زیرحوضههایی که کاهش CN سهم مشارکتی حوضه را کاهش میدهد، میتوان با افزایش پوشش گیاهی و مراتع، ضریب CN را کاهش داد.
- برای جلوگیری از تشدید فرسایش خاک آموزشهای لازم از قبیل اجرای عملیات صحیح شخمزنی در امتداد خطوط تراز، ازدیاد پوشش گیاهی، امتناع از آتشسوزی و بوتهکنی و جلوگیری از چرای بیرویه به کشاورزان و دامداران داده شود.
- در مکانهایی که فرسایش خندقی بهوجود آمده است، میتوان آنها را با کشت گیاهان یا احداث بند یا ترکیب آنها کنترل نمود .گیاهان باید از گونهای انتخاب شوند که کاملاً متراکم باشند، تا جلوی سرعت و انرژی آب را بگیرند.
- بهکارگیری تراس بندی و ایجاد سکو در زیرحوضهها از راههای کاهش سیلاب است، ولی در بهکارگیری آن در زیرحوضهها حتماً حساسیت زیرحوضه به تغییر شیب در نظر گرفته شود تا اثر معکوس بر سیلاب کل حوضه نداشته باشد.
- احداث بندهای خاکی و انحراف آب از شیوههایی است که با توجه به آن میتوان تأثیر رواناب در حوضه را کاهش داد. احداث این بندها در زیرحوضههای بزرگ مثل S13-S5 پیشنهاد میشود.
)