مقایسه مدل‌های SRM و HEC-HMS در شبیه‌سازی رواناب ناشی از ذوب برف حوضه‌ی آبریز شهرچای ارومیه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 استاد گروه آب و هواشناسی دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد آب و هواشناسی دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

هـدف این مطالعه، شبیه­سازی رواناب حاصل از ذوب بـرف در حوضه­ی شـهرچای، با استفاده از دو مدل SRM و HEC-HMS است. بدین منظور، ابتدا با وارد کردن داده­های پوشش برف، متغیرهای هواشناختی و پارامترهای لازم به مدلSRM ، رواناب ناشی از ذوب برف شبیه­سازی شد. در مدل HEC-HMS نیز پس از ایجاد مدل حوضه با نرم‌افزار HEC-GeoHMS در محیطGIS  و ایجاد مدل هواشناختی و واردکردن پارامترهای لازم مانند تلفات، روندیابی و ذوب برف شبیه­سازی انجام شد. ضریب تعیین (R2) مدل SRM معادل 9/0 و درصد خطای حجمی آن (DV) 96/1 به دست آمد. از طرفی مدل HEC-HMS نیز با دقت رضایت­بخش (ولی کمتر از SRM) شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف را انجام داد. به طوری که ضریب تعیین ( R2) آن 85/0 و درصد خطای حجمی آن (DV) 1/2 درصد به دست آمد. صرف نظر از دقت بالای مدل SRM یکی از نقاط قوت مدل HEC-HMS، استفاده از داده­های دما و بارش است؛ در صورتی که مدل SRM علاوه بر این پارامترها نیازمند داده‌های مساحت سطح پوشش برف است که از تصاویر ماهواره­ای به دست می‌آید. نتایج نشان داد که مقدار کل رواناب در منطقه­ی  مورد مطالعه با مدل SRM ، معادل 106×9/129 متر مکعب بود. در حالی که این رقم با مدل HEC-HMS معادل با 106×6/129 متر مکعب به دست آمد. با مقایسه­ی  این ارقام با مقدار مشاهداتی (یعنی 106×4/132 متر مکعب) می­توان نتیجه گرفت که عملکرد مدل SRM در مقایسه با مدل HEC-HMS نسبتأ خوب است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of SRM and HEC-HMS Models in Simulation of Runoff from Snowmelt in Shahrchay River Basin, Urmia

نویسندگان [English]

  • Saeed Jahanbakhsh Asl 1
  • Yaghoub Dinpajouh 2
  • Mohammad Hossein Alinejad 3
چکیده [English]

 
Saeed Jahanbakhsh Asl[1]
Yaghoub Dinpajouh[2]
Mohammad Hossein Aalinejad[3]*
Abstract
In this study for the purpose of simulation of runoff originated from snowmelt in Shahrchay River basin two models namely SRM and HEC-HMS were used. For this purpose, entering the snow cover data, meteorological variables and other needed parameters an input to SRM model the runoff from snowmelt was simulate. In HEC-HMS model, after derivation of watershed model using the HEC-GEOHMS software in GIS environment and derivation of meteorology model and entering the required parameters such as water losses, flow routing and snow melt was simulated. The coefficient of determination (R2) of SRM model was 0.9 and the percentage of volumetric error (DV) was equal to 1.96. On the other hand, the HEC-HMS model simulated snowmelt runoff was satisfactory (but less than SRM), so that the R2 and DV obtained for this model were as equal to 0.85 and 2.1%, respectively. Utilization of air temperature and precipitation data (neglecting the high accuracy of SRM) can be considered as advantages of HEC-HMS. In contrast, in SRM model in the snow covered area of region apart from the mentioned parameters satellite images of the region is also required. Results indicated that the total volume of runoff in the study area was 129.9×106 cubic meters for SRM, whereas it was 129.6×106 cubic meters for HEC-HMS. Comparing these values with that of the observed (i.e.134.4×106 m3) it can be concluded that SRM model performance is relatively better than the HEC-HMS.



[1]- Professor, Department of Meteorological, the University of Tabriz.


[2]- Associate Professor of Water Engineering, the University of Tabriz.  


[3]- M.A. student in Meteorological, the University of Tabriz (Corresponding author), Email:aalineghad63@yahoo.com.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Snow
  • remote sensing
  • HEC-HMS
  • SRM
  • Sharchay

مقدمه

برف یکی از اشکال بارش است که به­ دلیل طبیعت ایجاد تأخیر در تبدیل آن به رواناب، تفاوت خاصی با سایر مؤلفه­های بیلان آب دارد. پوشش برفی در یک حوضه بر بیلان آب و انرژی آن حوضه اثر می­گذارد، بنابراین، عامل مهمی در تغییرات آب و هوایی یک منطقه محسوب می­شود. تعیین تغییرات زمانی ذوب برف و آب معادل برف برای پیش‌بینی سیلاب، مدیریت مخازن و کشاورزی یک منطقه بسیار حایز اهمیت است (کارآموز و عراقی­نژاد، 1393: 168). تخمین دقیق رواناب حوضه­های آبخیز در مناطق کوهستانی با پوشش برف فصلی، نیاز به یک الگوریتم مناسب برای تخمین رواناب ناشی از ذوب برف به عنوان جزئی از سیستم مدل­سازی دارد (بیلز و کلاین، 2003: 449). مدل SRM [1] برای اولین بار در سال 1975 به منظور شبیه­سازی رواناب حاصل از ذوب برف در حوضه­های کوچک کوهستانی ارائه شد (رانگو و مارتینگ[2]، 1998: 3). مالچر[3] و هیدینگر[4] (2001)، با استفاده از تصاویر سنجنده­ی مودیس سطح پوشش برف چهار زیرحوضه از حوضه­ی اتزال در شرق اتریش را به دست آورده و با استفاده از مدل SRM رواناب ناشی از ذوب برف را شبیه­سازی کردند. سیدل[5] و مارتینک[6] (2002) از مدل SRM جهت شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف در ارتفاعات آلپ­ سوئیس استفاده و رواناب ذوب برف را با استفاده از تصاویر ماهواره­های لندست، اسپات و نووا برای 13 زیرحوضه محاسبه کردند. هارشبرگر و همکاران[7] (2010)، با استفاده از مدل SRM ، داده­های برف سنجنده­ی  مودیس و اطلاعات ایستگاه­های تله­متری برف در حوضه­های کوهستانی غرب ایالات متحده، به بررسی جریان­های کوتاه مدت تا متوسط (1 تا 15 روزه) پرداختند و به ­منظور بهینه­سازی عملکرد مدل و کمک به اجرای آن از روش شاخص درجه- روز برای تخمین آب معادل برف استفاده کردند. نامبردگان از حداکثر و حداقل دمای بحرانی برای جداسازی بارش جامد و مایع و یا مخلوطی از باران و برف استفاده کردند. نتایج نشان‌گر عملکرد رضایت‌بخش مدل بود. در مطالعه‌ای با عنوان تأثیر تغییر اقلیم بر هیدرولوژی حوضه­ی آبریز رودخانه تونگا در هند که توسط مینو و همکاران (2012) انجام گرفت، برای شبیه‌سازی رواناب از مدل HEC-HMS استفاده شد. وردهن و همکاران[8] (2013) در مطالعه­ای توانایی مدل HEC-HMS در شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف در یکی از زیرحوضه­های هیمالیا را با استفاده از شاخص دما و تجزیه و تحلیل فضایی و زمانی پارامترهای مدل بررسی کردنـد. نـتایج شبیه­سازی با ضریب تعیین 7/0 رضایت­بخش بود، همچنین آن­ها نـتیجه گرفـتند که مدل HEC-HMS حساسیت زیادی به پارامتر تابع میزان ذوب سرد[9] دارد.

نجف­زاده و همکاران­ (1383)، تغییرات سطح پوشش برف در یکی از زیر­حوضه­های حوضه آبریز زاینده­رود (پلاسجان) را با استفاده از تصاویر ماهواره­ای نووا در دو سال زراعی 72-1370 استخراج کردند، این پژوهشگران همچنین برای شبیه­سازی رواناب از مدل SRM استفاده کردند؛ به طوری که مدل، دبی جریان روزانه را با ضریب تعیین 95/0 شبیه­سازی کرد. کاراندیش و همکاران (1389) در مطالعه­ای رواناب ناشی از ذوب برف را با مدل HEC-HMS شبیه­سازی کرده و نتیجه گرفتند مدل مذکور قابلیت بالایی در تفکیک رواناب برف از باران دارد. فتاحی و همکاران (1390)، برای شبیه­­سازی رواناب ناشی از ذوب برف در حوضه­ی  آبریز بازفت از تصاویر ماهواره­ای 8 روزه­ی مودیس و مدل SRM استفاده کردند. نتایج کاربرد مدل، شبیه­سازی موفق و قابل ­قبولی را نشان داد. یعقوبی و مساح بوانی (1392) به تحلیل حساسیت و عملکرد سه مدل هیدرولوژیکی HIV، IHARCES و HEC-HMS در شبیه­سازی پیوسته پرداختند، در این بررسی پارامترهای مربوط به روش تلفات SMA در مدل HEC-HMS به عنوان پارامترهای حساس معرفی شدند.

رودخانه­ی  شهرچای در استان آذربایجان غربی جریان دارد. این رودخانه مهم­ترین منبع تأمین آب ارومیه است و از مرکز این شهر می­گذرد. سد شهرچای در 12 کیلومتری بالادست این شهر و بر روی این رودخانه احداث شده و نقش مهمی در تأمین آب مورد نیاز شهری، کشاورزی و صنعت منطقه ایفا می­کند. آگاهی از میزان رواناب حاصل از ذوب برف (به عنوان مهم­ترین منبع تأمین­کننده آب این سد در فصل ذوب) برای برنامه­ریزی دقیق و مدیریت منابع آب منطقه ضرورت دارد. با توجه به اینکه جریان این رودخانه نقش حیاتی در کشاورزی، صنعت و گردشگری منطقه دارد، این مطالعه به منظور شبیه­سازی رواناب حاصل از ذوب برف با استفاده از مدل­های SRM و HEC-HMS و مقایسه­ی نتایج آن در حوضه­ی شهر­چای ارومیه انجام گرفته است.

مواد و روش­ها

منطقه­ی  مورد مطالعه

حوضه­ی آبریز شهرچای ارومیه با مساحت تقریبی آن 75/167 کیلومتر­ مربع، در قسمت غربی دریاچه ارومیه واقع­ شده ­است، موقعیت جغرافیایی آن بین 82 ° 44 تا ´58 ° 44 طول شرقی و´ 32 ° 37 تا ´ 48 ° 37 عرض شمالی واقع شده است. ارتفاع ایستگاه آب‌سنجی برده­سور 1591 متر و حداکثر ارتفاع حوضه معادل 3574 متر (واقع در مرز ایـران و ترکیه) می­باشـد. شکل 1 موقعیت حوضه­ی آبریز شهرچای ارومیه را در میان حوضه­های آبریز کشور و حوضه­ی  آبریز دریاچه ارومیه نشان می­دهد.

 

شکل (1) موقعیت حوضه­ی  شهرچای ارومیه در میان حوضه­های آبریز کشور و دریاچه­ی  ارومیه

در این مطالعه جهت شبیه­سازی رواناب حاصل از ذوب برف، همزمان از دو مدل SRM و HEC-HMS استفاده شد. برای هر دو مدل از داده‌های دما و بارش ایستگاه همدید ارومیه و میزان دبی روزانه جریان رودخانه در ایستگاه آب­سنجی برده­سور (واقع در خروجی حوضه) در دوره­ی آماری دی ماه سال 91 الی خرداد ماه سال 92 استفاده شد. جدول (1) مشخصات ایستگاه­های مورد مطالعه را نشان می­دهد.

جدول (1) مشخصات جغرافیایی ایستگاه­های مورد مطالعه

نامایستگاه

نوع ایستگاه

طول جغرافیایی

عرض جغرافیایی

ارتفاع(متر)

دقیقه

درجه

دقیقه

درجه

ارومیه

همدید

40 37

03 45

1328

برده­سور

آب سنجی

42 37

62 44

1591

             

مدل SRM

برای شبیه­سازی در مدل SRM نخست با استفاده از تصاویر ماهواره­ای بـه دست آمده از سـنجنده­ی مودیس، سطح پوشش برف در حوضه شهرچای ارومیه در سال آبی 1392 محاسبه گردید. سپس از اطلاعات هواشناسی و سطح پوشش برفی (از تحلیل تصاویر ماهواره­ای) به عنوان ورودی مدل SRM در شبیه­سازی رواناب ذوب برف، استفاده شد. اطلاعات مذکور شامل دو بخش به شرح زیر بودند:

مشخصات فیزیوگرافی حوضه شامل مرز حوضه، نقشه­ی آبراهه­ها، مساحت و مناطق­ ارتفاعی که از نقشه­ی  DEM به دست آمد. بدین منظور از الحاقیه­ی  Hec_GeoHMS در محیط نرم‌افزار GIS استفاده شد. سپس سطح پوشش برفی از تصاویر سنجنده­ی  مودیس در فواصل زمانی 8 روزه از سایت نووا دریافت شد.

در این مطالعه از تصاویر سنجنده مودیس، برای تخمین مساحت تحت پوشش برف در حوضه­ی  شهرچای استفاده شد. محصول سطح برف سنجنده مودیس با استفاده از طرحواره­ی  نقشه برف[10] و در گام­های زمانی 8 روزه تولید گردید. طرحواره­ی برف مودیس در سال 1998 ارائه شد (هال و همکاران[11]، 1998: 5). این الگوریتم بر پایه شاخص تفاضل برف نرمال[12] و بازتابش باند­های 4 و 6 می­باشد که به دلیل انعکاس پایین برف در باند­های مادون قرمز و انعکاس باند­ها در باند­های مرئی، می­تواند در تشخیص پوشش ابر از دیگر پدیده­ها بسیار مفید باشد. شاخص مذکور از رابطه­ی  زیر به دست می­آید (هال و همکاران، 1995: 130):

رابطه­ی  (1)  

که در آن ρvis: بازتابش در طول موج مرئی (565/0-545/0میکرومتر) و ρnir: بازتابش در طول موج مادون قرمز (652/1-628/1 میکرومتر) است. هـر پیکسل دارای 4/0NDSI≥ پوشیده از برف محسوب می­شود.

در مرحله­ی نهایی عملیات پردازش تصاویر شامل تبدیل سیستم مختصات، عملیات برش تصویر، جداسازی منطقه­ی  مورد مطالعه و تفکیک مناطق ارتفاعی، با استفاده از ابزار پردازش تصویر در نرم‌افزار GIS و  ENVI صورت گرفت. در نهایت با روی هم قرار دادن لایه­های اطلاعاتی شامل لایه­های کلاس ارتفاعی و تصاویر سطح برف، سطح پوشیده از برف به تفکیک هر کلاس ارتفاعی تعیین گردید.

در مدل SRM ، رواناب ناشی از بارندگی و ذوب برف در هر روز محاسبه و به جریان پای، رودخانه اضافه گردید و سپس رواناب روزانه با استفاده از معادله­ی زیر تخمین زده ­شد (رانگو و مارتینگ[13]، 1998: 4).

رابطه­ی (2)   

که در رابطه فوق: Q: دبی روزانه (m3. s-1Cs: ضریب رواناب برف، a: عامل درجه روز (cm. °c-1 d-1:T درجه حرارت ایستگاه مبنا (، ΔT: گرادیان حرارتی هر ناحیه ارتفاعی، :S نسبت مساحت پوشش برف به مساحت کل حوضه (به درصد)، CR: ضریب رواناب باران، P : مقدار بارش برف و باران (cm)، :A مساحت حوضه (km2)،  : ضریب تبدیل واحد cm.km2.d-1بهm3/s، K: ضریب فروکش جریان، و n: شماره روز در یک دوره محاسباتی است. اطلاعات بیشتر را می­توان در منبع مورد اشاره پیدا کرد.

هریک از پارامترهای مذکور را می­توان با اندازه­گیری یا بر اساس نظرات کارشناسی و با استفاده از خصوصیات حوضه، روابط فیزیکی، تجربی و روابط همبستگی به دست آورد (مک کوئین[14]، 1998: 548).

مدل HEC-HMS

نرم­افزار HEC-HMS یک نرم­افزار مدل­سازی هیدرولوژیکی از نوع شبیه­سازی (با قابلیت بهینه­سازی پارامتر­ها) است که توسط مرکز مهندسی هیدرولوژیکی ارتش آمریکا تولید شده ­است(Hydrologic Engineering Center, 2000:4) همچنین این مرکز مهندسی در راستای افزایش دقت اطلاعات ورودی به نرم­افزار HEC-HMS، الحاقیه­ای را با عنوان HEC-GeoHMS ایجاد کرده است .(Users Manual of HEC-GeoHMS, 2010: 3)  بـرای شبیه­سازی در مدل HEC-HMS ابتـدا مدل حوضه­ی  آبریز با استفاده از نقشه­ی DEM منطقه­ی  مورد مطالعه و با استفاده از الحاقیه HEC-GeoHMS در محیط GIS ساخته شد. بدین منظور ابتدا مراحل پیش پردازش مدل شامل تهیه­ی نقشه­ی جهت جریان، جهت تجمعی جریان، تعیین مسیر جریان و در نهایت استخراج زیرحوضه­ها و استخراج لایه­ی خطی آبراهه انجام شد. در مرحله­ی بعد با معرفی موقعیت ایستگاه آب‌سنجی برده­سور به عنوان خروجی حوضه، محدوده­ی پروژه مشخص شد. برخی از پارامترهای مورد نیاز مدل­سازی از جمله مساحت، طول و شیب رودخانه، شیب حوضه و مرکز ثقل حوضه، تعیین زمان تمرکز و زمان تأخیر حوضه توسط نرم‌افزار مذکور انجام شد.

محاسبه­ی زمان تأخیر (CN Lag): زمان تأخیر حوضه (برحسب ساعت) عبارت است از فاصله­ی زمانی میان مدت بارش تا زمان رخ دادن دبی اوج (که برای حوضه‌های کمتر از 2000 ایکرز) از رابطه­ی زیر به دست آمد:

رابطه­ی  (3)   

 که در رابطه­ی  فوق: L: طول آبراهه اصلی بر حسب فوت، Y: میانگین شیب حوضه­ی  آبریز بر حسب درصد و S: ضریب نگهداشت سطحی است که از رابطه­ی زیر به دست آمد.

  رابطه­ی  (4)    

که در آن CN: شماره­ی منحنی خاک حوضه است که بسته به نوع پوشش منطقه از 50 تا 95 متغیر است. برای محاسبه­ی زمان تمرکز (بر حسب ساعت) از رابطه­ی زیر استفاده شد.

رابطه­ی  (5)     

 بعد از ایجاد مدل حوضه برای محاسبه­ی  تلفات آب در حوضه، جریان پایه، روندیابی رودخانه و چندین پارامتر دیگر اقدام گردید[15].

محاسبه­ی  میزان ذوب برف:

برای شبیه­سازی در حوضه­های کوهستانی (که بارش عمدتاً به صورت برف است) محاسبه­ی این پارامتر ضروری است. در این مطالعه از روش شاخص دما[16] استفاده شد، این شاخص یکی از ملحقات روش درجه­- روز برای مدل­سازی برف است. این روش در نظر گرفتن مقدار مشخص از ذوب برف برای هر درجه حرارت بالای حد انجماد است. بدین منظور حوضه­ی  آبریز به طبقات ارتفاعی تقسیم شده و درصد مساحت هر زیرحوضه در هر منطقه­ی ارتفاعی به مدل معرفی گردید.

نتایج و بحث

شکل (2) نقشه­ی تراز ارتفاعی[17] منطقه­ی مورد مطالعه را نشان می­دهد. این نقشه از مدل ارتفاعی رقومی[18] منطقه­ی مورد مطالعه با تفکیک مکانی 30 متر تهیه شده است. در جدول 2 نتایج محاسبات ارتفاعی در حوضه­ی شهرچای ارائه شده است. به طوری که از جدول 2 استنباط می‌شود گرچه فواصل طبقات ارتفاعی در هر کلاس مساوی با طبقات دیگر است، لیکن بیشترین درصد مساحت متعلق به کلاس وسط می­باشد به عبارت دیگر حدود 63 درصد مساحت حوضه دارای ارتفاع متوسط (مابین 2873-2165 متر) است. در این طبقه مساحت اراضی حدود 111 کیلومتر مربع است.

 

شکل (2) مناطق ارتفاعی حوضه­ی  شهرچای

جدول(2) نتایج محاسبات ارتفاعی در زیرحوضه شهرچای

طبقه­ی  ارتفاعی(متر)

مساحت(کیلومترمربع)

درصد مساحت(%)

ارتفاع متوسط(متر)

2165-1591

55/31

85/17

1962

2873-2165

2/111

91/62

2534

3574-2873

34

24/19

3038

جمع

75/176

100

2530

شکل (3) تصاویر پوشش برف در 4 روز منتخب دوره­ی  آماری مورد مطالعه را نشان می­دهد. در این اشکال قسمت رنگی مشخص­کننده­ی سطح پوشیده از برف است. همان­طور که از این شکل می­توان نتیجه گرفت، سطح پوشش بـرف در روز 4 بهمن 91 کل حوضه­ی مورد مطالعه را پوشانده است؛ ولی در حالت کلی با بالا رفتن درجه حرارت در انتهای همان سال (29 اسفند) بخش­های پست حوضه عاری از پوشش برف شده و در 23 فروردین 92 تقریباً نیمی از حوضه شامل قسمت­های کم ارتفاع فاقد پوشش برفی است و در نهایت در اول خرداد 92 تقریباً همه جای حوضه به جز بخش­های مرتفع آن فاقد پوشش برفی می­باشد.

جدول (3) مقدار پارامترهای وارد شده به مدل در این مطالعه را نشان می­دهد. همانطور که از جدول مذکور می­توان استنباط کرد، بعضی از پارامترها (مانند درجه حرارت بحرانی و ضریب فروکش) در طول دوره­ی  شبیه­سازی ثابت و بعضی دیگر متغیر در نظر گرفته شده­اند. مثلاً درجه حرارت بحرانی برای ذوب برف معادل صفر درجه سانتی­گراد در نظر گرفته شده است. همچنین ضریب رواناب باران 5/0 به این معنی است که پنجاه درصد باران نازل شده در زمین در قالب رواناب از حوضه خارج می­شود. مقدار ضریب روند آبراهه در روش ماسکینگهام در تمام ماه­ها ثابت فرض شده است.

 

شکل (3) تصاویر پوشش برف در چهار روز منتخب و متفاوت در حوضه­ی  شهرچای ارومیه

جدول (3) مقدار پارامترهای استفاده شده در مدل SRM در این مطالعه

(عامل درجه روز )

cm. °c-1 d-1

ضریب رواناب برف

ضریب رواناب باران

درجه حرارت بحرانی (°C)

ضریب فروکش

 (K)X و Y

ماه

35/0-3/0

45/0-4/0

52/0-5/0

0

2/1 و 88/0

ژانویه

4/0-35/0

5/0-45/0

58/0-52/0

0

2/1 و 88/0

فوریه

5/0-42/0

52/0-5/0

63/0-6/0

0

2/1 و 88/0

مارس

65/0-52/0

6/0-55/0

68/0-64/0

0

2/1 و 88/0

آوریل

75/0-7/0

66/0-6/0

72/0-68/0

0

2/1 و 88/0

مه

8/0-75/0

7/0-68/0

8/0-74/0

0

2/1 و 88/0

ژوئن

در شکل (4) مدل حوضه در نرم­افزار HEC-HMS نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود، حوضه­ی مورد مطالعه به 5 زیرحوضه تقسیم شده است، طوری که هر زیرحوضه یک آبراهه­ی فرعی از حوضه­ی  شهرچای را در بر می­گیرد. همچنین جدول (4) مشخصات فیزیوگرافی کمینه، متوسط و بیشینه­ی برخی عناصر مهم را نشان داده است. در جدول (5) پارامترهای مورد نیاز برای ذوب برف در مدل HEC-HMS نشان داده شده است­. جدول 6 مقدار پارامترهای مورد استفاده در زیرحوضه­ی  W230 در قسمت خروجی حوضه و آبراهه­ی  R70 را نشان می­دهد. شایان ذکر است که این پارامترها برای هر زیرحوضه متفاوت است. همچنین می­توان برای به دست آوردن هر کدام از پارامترهای مذکور از روش­های مختلفی در عناصر حوضه استفاده کرد. با توجه به جدول 6 مقدار ثابت k در آبراهه برای روندیابی 20 ساعت و مقدار ضریب X در مدل ماسکینگهام 5/0 در نظر گرفته شد. با این مفروضات، روندیابی جریان از ابتدای هر زیربازه از رودخانه تا انتهای آن به انجام رسید. تعداد این زیربازه­ها 11 بود.

 

 

شکل (4) طرحواره­ی حوضه­ی شهرچای ارومیه در نرم­افزار HEC-HMS


جدول (4) مشخصات فیزیوگرافی زیرحوضه­ها و آبراهه‌ها در حوضه­ی  شهرچای

عنصر

کمینه

متوسط

بیشینه

جمع

مساحت زیر حوضه (کیلومتر مربع)

75/1

7/35

62/71

48/178

طول رودخانه (متر)

242

5459

13087

38216

شیب زیرحوضه (درجه)

8/38

9/45

9/53

-

جدول (5) پارامترهای در نظر گرفته شده برای ذوب برف و مقدار ورودی آن به مدل HEC-HMS.

پارامتر (واحد)

توضیح مختصر درباره­ی  پارامتر

مقدار پارامتر در این مطالعه

PX Temperature (deg C)

دمایی که کمتر از آن بارش به صورت برف است.

2

Base Temperature (deg C)

دمایی که بالاتر از آن ذوب برف رخ می­دهد.

0

Wet­­ Melt rate (mm/deg C-day)

شاخص ذوب برف زمانی که بارش باران سبب آن می­شود

5/1

Rain Rate Limit (mm/ day)

شاخص متمایز­کننده­ی ذوب خشک از ذوب بارانی

5/0

ATI-Meltlate Coefficient

شاخص دمای پیشین نرخ ذوب برف برای تعیین مقدار اولیه­ی  نرخ ذوب برف

98/0

ATI-Meltrate Function

شاخص ذوب برف وقتی باران نمی‌بارد.

ATI (deg F-day) Meltrate (in/deg F-day)

0

5

10

20

50

200

10000

03/0

03/0

035/0

045/0

045/0

065/0

065/0

Cold Limit (mm/day)

حد سرمایشی برای تغییرات سریع در دمایی که پوشش برفی در طول بارش­های با سرعت بالا محتمل می­شود.

8/0

ATI-Coldrate Coefficient

ضریب به روز رسانی شاخص ظرفیت سرمایشی پیشین از یک بازه­ی  زمانی به بازه­ی زمانی دیگر

9/0

ATI-Coldrate Function

تابعی برای تعریف رابطه­ی میان نرخ ظرفیت سرمایشی و شاخص دمای پیشین

ATI (deg F-day) Meltrate (in/deg F-day)

0

100

200

300

10000

028/0

030/0

030/0

030/0

030/0

Water Capacity (%)

حداکثر ظرفیت آب (در فاز مایع) درون برف

3

Fixed Ground Melt (mm/day)

نرخ ذوب برف ناشی از گرمای زمین

4/0

         

جدول (6) پارامترهای نفوذ و جریان در مدل HEC-HMS در حوضه­ی  شهرچای

مقدار پارامتر

عنصر

توضیح

پارامتر

1

زیرحوضه

شرایط اولیه­ی خاک برای اشباع

Initial Deficit(mm)

2

زیرحوضه

حداکثر ظرفیت خاک برای اشباع

Maximum Deficit(mm)

3/0

زیرحوضه

سرعت نفوذ آب در خاک اشباع

Constant Rate(mm/hr)

20

زیرحوضه

قسمت غیرقابل نفوذ حوضه

Impervious(%)

20

آبراهه

زمان سفر در آبراهه

Muskingum K (hr)

5/0

آبراهه

وزن اثرگذاری جریان بر میزان ذخیره­ی  آبراهه

Muskingum X

11

آبراهه

تعداد بخش‌های آبراهه

Subreaches

بعد از وارد کردن متغیرها و پارامترهای لازم مدل­ها مطابق جداول 3، 4 و 5 اجرا شدند. شکل­های 5 و 6 نتایج شبیه­سازی را به ترتیب با مدل­های SRM و HEC-HMS نشان می­دهد، همانطور که در این شکل­ها می­توان مشاهده کرد، گرچه هر دو مدل شبیه­سازی را با دقت بالایی انجام داده­اند، ولی دقت مدل SRM  بیشتر ­است که دلیل آن می­تواند حساسیت کمتر SRM نسبت به متغیر بارش باشد (رانگو و مارتینگ، 1998: 15). در دبی­های پائین دقت هر دو مدل (SRM و HEC-HMS) کم و بیش مشابه یکدیگر اما در دبی­های بالاتر (بیشتر از 10 متر مکعب بر ثانیه) نمودار دبی محاسباتی در مدل SRM به نمودار نظیر دبی مشاهداتی بسیار نزدیک شـده است. بـنابراین، چون دبی مشاهداتی در دبی­های بالا بـرای مدل SRM در مقایسه با مدل HEC-HMS نزدیک به دبی نظیر محاسباتی است. می­توان نتیجه گرفت که مدل SRM در مقایسه با مدل HEC-HMS دقت زیادی داشته است. نتیجه­گیری چشمی در مطالعه­ی حاضر با سنجه­های R2 و RMSE مقایسه شد که نتایج آن در مقاله­ی حاضر ارایه شده است. یافته‌های قبلی را تائید کرد. همچنین استفاده از تصاویر ماهواره­ای نیز در بهبود این شبیه­سازی مؤثر بوده­ است. شکل (7) نمودار پراکنش نقاط مربوط بر روی دبی محاسباتی را در مقابل دبی مشاهداتی در دستگاه مختصات عمود بر هم نشان می­دهد. به طوری که از این نمودار می­توان دریافت در هر دو مدل نقاط به صورت ابری در اطراف خط نیمساز واقع شده­اند؛ لیکن در مدل SRM نقاط بیشتر از مدل HEC-HMS به این خط نزدیک­ترند. ضریب تعیین مدل SRM معادل 9/0 و در مدل HEC-HMS حدود 85/0بوده ­است که نتایج قبلی را تائید می­کند.

 

شکل (5) مقایسه شبیه­سازی رواناب ذوب برف مدل SRM با رواناب مشاهداتی در حوضه­ی شهرچای

 

شکل (6) مقایسه شبیه­سازی رواناب ذوب برف مدل HEC-HMSبا رواناب مشاهداتی در حوضه­ی  شهرچای

 

شکل (7) نمودار پراکنش نقاط دبی محاسباتی و مشاهداتی در مدل­های SRM و HEC-HMS در حوضه­ی آبریز شهرچای

جدول (7) نتایج ارزیابی مدل SRM را در شبیه‌سازی رواناب ذوب برف در حوضه­ی  شهرچای و در محل ایستگاه آب­سنجی برده‌سور نشان می­دهد، همانطور که از این جدول می­توان استنباط کرد مدل SRM  قابلیت خوبی در شبیه‌سازی رواناب ذوب برف دارد. به طوری­ که درصد خطای حجمی مدل SRM کمتر از 2 درصد (9/1) و مقدار آن در HEC-HMS 1/2 درصد است. با ضرب مقدار دبی مشاهداتی (یا محاسباتی) حجم رواناب به دست آمد. این رقم برای دبی مشاهداتی 4/132 میلیون متر مکعب در سال است در مدل SRM حجم رواناب 9/129 میلیون متر مکعب به دست آمد که یک بار دیگر تائیدکننده دقت بیشتر مدل SRM در مقایسه با مدل HEC-HMS است.

جدول (7) نتایج ارزیابی شبیه‌سازی رواناب ذوب برف حوضه­ی شهرچای با مدل SRMو HEC-HMS

پارامتر یا معیار ارزیابی

مقدار

واحد

حجم رواناب مشاهداتی

4/132

میلیون متر مکعب

حجم رواناب محاسباتی SRM

9/129

میلیون متر مکعب

حجم رواناب محاسباتی HEC-HMS

6/129

میلیون متر مکعب

درصد خطای حجمی (DV) SRM

9/1

درصد

درصد خطای حجمی (DV) HEC-HMS

1/2

درصد

ضریب تعیین دبی مشاهداتی و محاسباتی (R2) SRM

9089/0

بی­ بعد

ضریب تعیین دبی مشاهداتی و محاسباتی (R2) HEC-HMS

856/0

بی بعد

نتیجه­گیری

نتایج شبیه­سازی با مدل SRM حاکی از قابلیت بالای مدل مذکور در شبیه­سازی رواناب برف در منطقه­ی  مورد مطالعه بود؛ به طوری که ضریب تعیین و درصد خطای حجمی مدل به ­ترتیب 91/0 و 94/1 درصد محاسبه شد. این رقم در مطالعه­ی نجف‌زاده و همکاران (1383)، 78/0 و در مطالعه­ی فتاحی و همکاران (1390)، 82/0 بوده ­است. همچنین شبیه­سازی با مدل HEC-HMS حاکی از قابلیت این مدل در شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف دارد. به طوری ­که ضریب تعیین بالای 85/0 درصد و درصد خطای حجمی حدود 2 درصد به دست آمد. در مطالعه­ی یعقوبی و مساح بوانی (1392)، قابلیت مدل HEC-HMS به خوبی نشان داده نشده است؛ که به نظر می­رسد دلیل این امر استفاده نکردن نامبردگان از الحاقیه­ی HEC-GeoHMS مدل است؛ زیرا که این الحاقیه با دقت مضاعفی پارامترهای مورد نیاز برای شبیه­سازی را برآورد می­کند. دلیل دیگر آن احتمالاً عدم استفاده از داده با کیفیت بالا به دلیل فقدان ایستگاه همدید در منطقه­ی مورد مطالعه است. تطابق نتایج این مطالعه با مطالعات قبلی نشان داد که علاوه بر پارامترهای مدل، فیزیوگرافی حوضه نقش زیادی در دقت شبیه­سازی ایفا می­کند. صرف نظر از دقت بالای مدل SRM در شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف در مقایسه با مدل HEC-HMS، تنها استفاده از داده­های دما و بارش می­تواند یکی از نقاط قوت مدل HEC-HMS باشد؛ در حالی که در مدل SRM محاسبه­ی مساحت سطح پوشش برف نیاز به تفسیر تصاویر ماهواره­ای و صرف وقت بیشتری دارد. همچنین با نگاهی به رواناب محاسباتی و مشاهداتی در هر دو مدل، چهار دبی اوج بزرگ در طول ماه­های فروردین تا خرداد مشاهده می­شود که در سه دبی اوج اول، برف نقش عمده­ای در تولید رواناب داشته اما در دبی اوج آخر به دلیل افزایش حرارت هوا و فقدان پوشش برف، سهم آن در مقابل رواناب ناشی از باران بسیار ناچیز است. در کل بیشترین مقدار رواناب در منطقه­ی مورد مطالعه مربوط به ماه اردیبهشت (به دلیل تأثیر همزمان رواناب ناشی از ذوب برف و باران) و کمترین رواناب مربوط به دی ماه (به دلیل فقدان ذوب برف و بارش باران) بود. با در نظر گرفتن تمام موارد یاد ­شده شبیه سازی رواناب برف و سطح پوشش آن تابعی از متغیرهایی مانند دمای ­هوا، بارش و برخی عوامل ناشناخته دیگری است که مقدار آن­ها در سال­های مختلف تغییر می­کند. بنابراین، برآورد صحیح از میزان رواناب برف منطقه، نیازمند دوره­ی طولانی­تر شبیه­سازی است.




[1]- Snowmelt Runoff Model

[2]- Rango & Martinec  

[3]- Malcher

[4]- Heidinger

[5]- Seidel

[6]- Martinec

[7]- Harshbarger et al.,

[8]- Verdhen et al.,

[9]- ATI Cold Melt Rate Functions

[10]- Snow Map Algorithm

[11]- Hall et al.,

[12]-Normalize Difference Snow Index ( NDSI)

[13]- Rango & Martinec

[14]- MacCuen

[15]- جزئیات بیشتر را در منبع زیر می‌توان مطالعه نمود (Users Manual of HEC-GeoHMS, 2010:35) .

[16]- Temperature Index

[17]- Hypsometric

[18]- DEM (Digital Elevation Model)

منابع
- فتاحی، ابراهیم؛ دلاور، مجید و قاسمی، الهه (1390)، «شبیه­سازی رواناب ناشی از ذوب برف در حوضه­های کوهستانی با استفاده از مدل SRM، مطالعه­ی موردی: حوضه­ی  آبریز بازفت». نشریه­ی تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، شماره­ی 23، صص 129-141.
- کارآموز، محمد و عراقی­نژاد، شهاب (1393)، هیدرولوژی پیشرفته، چاپ سوم، تهران: انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی­تکنیک تهران).
- کاراندیش، فاطمه؛ ابراهیمی، کیومرث و شاه­نظری، علی (1389)، «شبیه­سازی رواناب حاصل از بارش برف و باران با استفاده از برنامه HEC-HMS (مطالعه­ی  موردی: حوضه­ی کارون- خروجی پل شالو)،» اولین همایش ملی مدیریت منابع آب اراضی ساحلی دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی ساری.
- نجف‌زاده، رضا؛ ابریشم‌چی، احمد؛ تجریشی، مسعود و طاهری شهر­آیینی، حمید (1383)، «شبیه­سازی جریان رودخانه با مدل ذوب برف». مجله­ی آب و فاضلاب، شماره­ی 52، صص 11-2.
- یعقوبی، مژگان و مساح بوانی، علیرضا (1392)، «تحلیل حساسیت و مقایسه­ی  عملکرد سه مدل مفهومی HBV، IHARCESوHEC-HMSدر شبیه­سازی بارش-رواناب پیوسته در حوضه­های نیمه­خشک (بررسی موردی: حوضه­ی  اعظم هرات-یزد)»، مجله­ی فیزیک زمین و فضا، دوره­ی 40، شماره­ی 2،  صص 153-172.
- Bales R.C. and Cline D. )2003(, Snow Hydrology and Water Resources: Western United States, In Handbook of Weather,Climate and Water: Dynamics, Climate, Physical Meteorology, Weather Systems, and Measurements, Ed. Potter T.D., Colman B.R., Wiley-Interscience, 10: pp. 443-459.
- Hall D.K.; Tait G.A.; Riggs V.V.; Salomonson J.; Chien Y.L. and Andrew G.K. (1998), “Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) for the MODIS Snow-, Lake Ice- and Sea Ice-Mapp in Algorithms”, Modis Algorithm Theoretical Basis Document Number ATBD-MOD-10, NASA Goddard Space Flight Center.
- Hall D.K.; Riggs G.A. and Salomonson V.V. (1995), “Development of Methods for Mapping Global Snow Cover Using Moderate Resolution Imaging Spector Radiometer Data”, Remote Sens. Environ. Vol. 54, No. 2, pp. 127–140.
- Harshburger, B.J.; Karen, S.H.; Von, P.W.; Brandon, C.M.; Troy, R.B. & Rango, A. (2010), “Evaluation of Short-to-medium Range Stream Flow Forecasts Obtained Using an Enhanced Version of SRM”. Journal of the American Water Resources Association (JAWRA), Vol. 15, No. 1, pp. 1752-1688.
- Hydrologic Engineering Center (HEC) (2000), “Hydrologic Modeling System HEC-HMS”, Technical Reference Manual, March 2000.
- Hydrologic Engineering Center (HEC) (2000). “Hydrologic Modeling System HEC-HMS”, User’s Manual, Version 4. Desember 2013.
- Malcher P. & Heidinger M. (2001), “Processing and Data Assimilation Scheme for Satellite Snow Cover Products in the Hydrological Model”, Envisnow EVG1-CT- 2001-00052.
- Meenu, R.; Rehana, S. & Mujumdar, p.p. (2012), “Assessment of Hydrologic Impact of Climate Change in Tunga- Bhardra River Basin, India with HEC-HMS and SDSM”, Hydrological Processes.
- McCuen, R.H. (1998), “Hydrologic Analysis and Design, Printice-Hall pub.”, Inc. N. J., PP. 548.
- Rango, A. & Martinec, J. (1998), “The Snowmelt Runoff Model (SRM) User/s Manual”, Version 4, URL: fttp //hydrolab.arsusda.gov/pub/srm/srm4.pdf.
- Seidel, K. & Martinec, J. (2002), “Hydrological Applications of Satellite Snow Cover Mapping in the Swiss Alps”, Proceedings of Earsel-Lissig-Workshop Observing Our Cryosphere from Space, Bern, March 11-13.
- Verdhen, A.; Chahar, B. & Sharma, O. (2013), “Snowmelt Runoff Simulation Using HEC-HMS in a Himalayan Watershed”, World Environmental and Water Resources Congress 2013: pp. 3206-3215.