برقراری سیستم هشدار سیل با استفاده از مدیریت یکپارچه مدل‌های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی (مطالعه موردی:حوزه آبخیز سد گرمی چای )

اکوسیستم های طبیعی ایران

مقاله 9، دوره 5، شماره 4، اسفند 1393، صفحه 109-122   

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

وحید یزدانی^{* 1}؛ احسان بهجتی²؛ عاطفه ارفع³

¹دکتری مهندسی آب، معاون پژوهشی پژوهشکده آب و خاک کاوش پی مشهد، مشهد، ایران

²کارشناس ارشد سازه‌های آبی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد فردوس، فردوس، ایران

³دانشجوی کارشناسی ارشد سازه‌های آبی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

چکیده
بررسی هرچه بیشتر در مورد سیلاب از نقطه نظرهای مختلف هیدرومتئولوژی و سیستم حوزه­های آبخیز و تحلیل مدل­های بارش- رواناب و تعیین پهنه­های سیل­گیر با توجه به شرایط هیدرولوژیکی و هیدرولیکی حوضه، نه تنها از نظر مالی و حقوقی بلکه برای پیش­بینی و کمک به سیستم­های هشدار­دهنده سیل راه­گشا می­باشد. هدف از پژوهش حاضر، ارائه راهکاری مناسب به منظور برقراری سیستم هشدار سیل با استفاده از مدل­ هیدرولوژیکی HEC-HMS و مدل هیدرولیکی HEC-RAS در حوضه سد گرمی­چای می­باشد. در مطالعات هیدرولوژی پس از بازسازی داده‌ها، آنالیز فرکانس سیلاب‌های حداکثر یک­روزه در محل ایستگاه‌ها صورت گرفته است که توزیع منتخب برای همه ایستگاه‌ها، توزیع نرمال سه پارامتری بود. با اعمال نسبت سیلاب حداکثر لحظه‌ای به سیلاب حداکثر یک‌روزه، مقادیر سیلاب حداکثر لحظه‌ای با دوره بازگشت‌های مختلف رودخانه گرمی‌چای در محل سد گرمی‌چای محاسبه گردید. طغیان­های رودخانه گرمی­چای در شرایط موجود بخصوص در دوره بازگشت­های نسبتاً بالا باعث غرقابی شدن قسمت زیادی از کنار رودخانه با توجه به شیب کم اراضی منتهی به رودخانه می­شود. محاسبات‌ حاصل‌ از اجرای‌ مدل‌ ‌نشان ‌داد که ‌نحوه مشارکت ‌زیرحوضه‌ها در سیل ‌خروجی‌ لزوماً متناسب ‌با دبی ‌اوج ‌زیرحوضه‌ها نبوده ‌و زیرحوضه‌های ‌با دبی ‌اوج بالا ضرورتاً ‌تأثیر بیشتری در سیل‌ خروجی‌ حوضه‌ ندارند. بر اساس نتایج بدست آمده زمان پیش­هشدار در سد گرمی­چای در گروه C (بیش از 3 تا 6 ساعت) طبقه­بندی گردید.

کلیدواژه‌ها

ضریب سیل‌خیزی؛ مدل بارش- رواناب؛ هشدار سیل؛ سد گرمی چای

اصل مقاله

مقدمه

سیلاب به عنوان یکی از مهیب­ترین بلاهای طبیعی در سطح جهان محسوب می­گردد، شناخت هرچه بیشتر آن از نقطه نظرهای مختلف هیدرومتئولوژی و سیستم حوزه­های آبخیز و تحلیل مدل­های بارش- رواناب و تعیین پهنه­های سیل­گیر با توجه به شرایط هیدرولوژیکی و هیدرولیکی حوزه، نه تنها از نظر مالی و حقوقی بلکه برای پیش­بینی و کمک به سیستم­های هشدار دهنده سیل راه گشا می­باشد (3). اندازه و تکرار رویداد سیل در هر نقطه بستگی به عوامل متعددی دارد که حجم و زمان رواناب سطحی حوضه بالادست و شرایط رودخانه یا سیل از اهم آنهاست (6). ویژگی­های فیزیکی حوضه نظیر سطح، ناهمواری و ریخت­شناسی زمین توأم با خصوصیات هیدرولوژیکی مانند بارش، ذخیره، تلفات برگابی و چالابی، تبخیر و تعرق، نفوذ پذیری و اقداماتی ناشی از فعالیت­های بشری در بروز و تشدید سیلاب و یا کاهش و افزایش میزان خسارات وارده دخالت دارند (11). شناخت این عوامل و دسته­بندی آن­ها در هر منطقه­ای، از اصول اولیه مهار سیلاب و کاهش خطرات آن می­باشد (8). اطلاعات لازم برای دستیابی به نقشه پهنه­بندی سیل مستلزم اجرای مدل­های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی می­باشد. برای این امر نیاز به اطلاعات آب و هوا، در نظرگرفتن شرایط اولیه و مرزی مدل و اطلاعات مقاطع عرضی با مقیاس مناسب و همچنین نقشه­ای که امکان ایجاد مدل رقومی ارتفاع را فراهم سازد، می­باشد (4). بنابراین همراه شناخت مدل­های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی و محدودیت­ها و مبانی تئوریک، اطلاعات نقشه­ای مناسب و عکس­های هوایی یا ماهواره­ای با مقیاس مناسب از رودخانه­ها در زمان­های قبل و بعد و در زمان وقوع سیل شناخت مناسبی از اراضی سیلاب­گیر ارائه   می­دهد و می­توان براساس آن مدل هیدرولیکی را کالیبره نمود (5). در همین راستا سیستم­های هشدار سیل برای جلوگیری از خسارات جانی و مالی می­تواند راه­گشا باشد. در ادامه به برخی تحقیقات مرتبط در زمینه­ی برقراری و امکان­سنجی سیستم­های هشدار سیل اشاره می­گردد.

Tsung et al., (2013) به بررسی بهبود پیش‌بینی سیلاب حاصل از یک رگبار در یک حوزه آبخیز کوهستانی در کشور تایوان پرداختند، نتایج نشان داد که استفاده از مدل اقلیم بارش رگبار[1] (TRCM) بهترین پیش‌بینی را ارائه داده است.

Garambois et al.,  (2014) در تحقیقی با عنوان تجزیه و تحلیل سیلاب­های سریع ناشی بارندگی با یک مدل هیدرولوژیکی فرآیندگرا، نتایج پاسخ­های هیدرولوژیکی حوضه آیودی[2] در پیرنئن[3] را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که وابستگی بین توزیع مکانی و زمانی بارش در مقیاس حوضه آبریز، مورفولوژی حوضه آبریز و پاسخ رواناب وجود دارد.

Sholts (2009) به روندیابی پویای سیل با استفاده از نرم­افزار  HEC-RAS در بازه­هایی از مناطق شهری- روستایی واقع در کارولینای شمالی پرداخت و نتیجه گرفت که کاهش شیب و افزایش زبری دشت سیلابی و نهر، تأثیر بیشتری بر افت قدرت امواج سیل دارد.  Knebl et al., (2001) با تلفیق مدل­های HEC-HMS  و HEC-RAS در حوزه­ی سن­آنتونیو واقع در ایالات تگزاس آمریکا شبیه منطقه­ای را برای سیلاب ارائه نمودند، و کارایی شبیه را در پیش بینی وقوع سیلاب متذکر شدند. Stephen (2009) طی بررسی خصوصیات سیل در سالهای 1996 و 1997 در حوزه آبخیز سنگ زرد در ایالت مونتانای آمریکا، بیان داشت که براساس مدل بارش-رواناب حوضه، اکثر سیلاب­های تند مربوط به خصوصیات رگباری بارش­ها می­باشد.

 Amirahmadi et al.,  (2011) محدوده­های بحرانی بافت شهری سبزوار در برابر سیلاب و آب­گرفتگی را مشخص و خسارات ناشی از سیل در قالب نقشه­ی ارزیابی خسارت را ارائه نمود. با توجه به اینکه با استفاده از سیستم های هشدار سیل می­توان خسارات ناشی از سیلاب را کاهش داد لذا هدف از انجام این تحقیق تعیین زمان مناسب جهت اعلام پیش هشدار سیل در حوضه سد گرمی چای با استفاده از مدل­های HEC-HMS و HEC-RAS می­باشد. (2012)Nuri et al., ، مدل HEC-HMS و WMS را در شبیه­سازی هیدرولوژیکی رودخانه در پیش­بینی سیلاب حوزه آبخیز قروه مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد که روش SCS در مدل HEC-HMS در شبیه­سازی دبی اوج هیدروگراف با داده­های مشاهداتی تطابق بهتری دارد.

Azari and et al.,  (2009) در تحقیقی دیگر با عنوان شبیه­سازی و هشدار سیل با تلفیق مدل­های آبشناسی در GIS برروی حوضه رودخانه مادرسو واقع در استان گلستان عوامل مؤثر در ایجاد سیلاب حوضه را شناسایی نمودند و با تلفیق داده­های سنجش از دور در قالب تصاویر ماهواره­ای و مدل بارش – رواناب و مدل هیدرولیکی، میزان گسترش سیلاب در منطقه را مشخص نمودند.

Qobadian (2008) در تحقیقی به روندیابی هیدرولیکی سیلاب در رودخانه قره­سو با استفاده از حل معادلات جریان غیرماندگار پرداخت و دریافت که آب­نگارهای بده و مقیاس محاسبه شده در مقاطع مختلف بازه­ی مذکور با مقادیر محاسبه شده به وسیله­ی شبیه­ساز هیدرولیکی HEC-RAS تطابق بسیار خوبی از خود نشان می­دهند.

 

مواد و روش­ها

منطقه مورد مطالعه:

تحقیق حاضر در حوزه بالا دست سد گرمی چای که یکی از سرشاخه­های رودخانه قزل­وزن که در بخش مرکزی شهرستان میانه جریان دارد، انجام گرفت. رودخانه مورد نظر از    شاخه­های متعددی تشکیل شده که تماماً از دامنه­های شرقی رشته کوه­های بزقوش و از کوه چهل نور واقع در 50 کیلومتری شمال شرقی شهر میانه سرچشمه می­گیرند. در طول مسیر این رودخانه، شاخه­های فراوانی از جمله طارم، داوند، برنلیق به این رودخانه پیوسته و در نهایت، در شمال روستایی به نام بیرون به رودخانه قزل اوزن می­پیوندد. این رودخانه دارای دبی پایه بوده و در تمامی مسیر خود در بستری کوهستانی با جریانی با سرعت بالا روانه می­گردد. موقعیت رودخانه گرمی­چای در استان آذربایجان شرقی در شکل (1) نشان داده شده است. همچنین روند انجام مطالعات برقراری سیستم هشدار سیل در حوضه رودخانه گرمی چای با استفاده از مدل­های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی در شکل (2) نشان داده شده است.

 

 

 

 

شکل 1- موقعیت حوضه رودخانه گرمی­چای در استان آذربایجان شرقی

 

 

شکل2- مراحل انجام مطالعات ایجاد سیستم هشدار سیل با ترکیب مدل هیدرولوژکی و هیدرولیکی

 

 

بررسی پتانسیل سیل:

آگاهی از مقدار و شدت جریان سیلابی در مطالعات ایجاد سیستم هشدار سیل به­دلیل نیاز به برآورد سیل حداکثر در دوره­های برگشت مختلف از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می­باشد. زیرا با تعیین مقدار سیل حداکثر با تناوب مشخص می‌توان تجهیزات موجود جهت اندازه‌گیری سطح آب برای ایجاد سیستم هشدار سیل را متناسب با این اطلاعات طراحی و اجرا نمود. ابتدا با انتقال دوره بازگشت دبی‌های یکنواخت شد و تعداد سال آماری هر ایستگاه با استفاده از نمودار آزمون همگنی، همگنی ایستگاه‌های مورد مطالعه بررسی گردید. سپس با بی‌بعد نمودن دبی‌ها (بر اساس دبی 2 ساله) و استخراج میانگین آن‌ها، رابطه میان دبی متوسط با یکی از عوامل فیزیوگرافی یا هیدرولوژیکی حوضه (مساحت حوضه) محاسبه گردید. در نهایت برای تعیین دبی سیل به ازاء دوره بازگشت‌های مختلف ابتدا با استفاده از رابطه دبی سیل- مساحت، دبی با دوره بازگشت 2 سال حوضه‌ها محاسبه و سپس با استفاده از میانه نسبت بدون بعد دبی سیل با دوره بازگشت‌های مختلف به دبی سیل 2 ساله، دبی سیل با دوره بازگشت‌های مختلف تمامی زیرحوضه‌‌ها محاسبه گردید. نتایج حاصله در جدول 1 نشان داده شده است. در ادامه با استفاده از نتایج بدست آمده مقادیر دبی سیلابی برای دوره بازگشت‌‌های مختلف حوضه‌های مورد مطالعات محاسبه شد.

 

 

جدول1- سری مرتب شده اعداد بدون بعد سیلاب در ایستگاه‌های مورد مطالعه

دوره بازگشت(سال)	5	10	25	50	100	200
ایستگاه
موتورخانه	1/7	2/3	3/0	3/6	4/2	4/8
تونل هفتم	1/5	1/9	2/4	2/7	3/0	3/4
کوهسالار	2/1	2/8	3/7	4/2	4/7	5/2
شهرچای	1/6	2/1	2/7	3/3	3/8	4/4
آونلیق	1/6	2/1	2/6	3/0	3/4	3/8
چپینی	2/0	2/8	3/7	4/5	5/3	6/2
چتاب	1/9	2/6	3/4	4/6	5/6	6/7
میانگین	1/8	2/4	3/1	3/7	4/3	4/9

 

استخراج دبی پیک سیلاب با مدل HEC-HMS:

برای مدل­سازی هیدرولوژیکی از روش مدلسازی توزیعی ModClark استفاده شد که برای این روش بارش سلولی[4] در HEC-HMS مورد نیاز است. فایل مورد نظر توسط تطبیق یک شبکه با زیرحوزه­ها به­دست آمد که در این مطالعه از شبکه هیدرولوژیک استاندارد[5] استفاده شده است. فایل پارامتر سلول-شبکه­ای شامل شماره منحنی شبکه­ای[6] نیز می­باشد. در این مرحله، از داده خاک و کاربری اراضی به منظور تولید نقشه شماره منحنی شبکه­ای منطقه مورد مطالعه در HEC-GeoHMS استفاده شد (شکل 3). در فرآیند مدل‌سازی زیرحوزه‌های مورد مطالعه، روش شماره منحنی به عنوان روش تلفات، روش هیدروگراف واحد SCS به عنوان روش تبدیل بارش به رواناب انتخاب گردید که جزئیات آن با به­کار بردن روش سازمان حفاظت خاک آمریکا محاسبه و در این مدل درج گردیده است. در مدل هواشناسی از هایتوگراف بارش منطقه مورد مطالعه استفاده شد. با توجه به اینکه در این بررسی نیاز به دقت بالایی می‌باشد؛ بنابراین گام‌های زمانی یک دقیقه برای این مدل در نظر گرفته شد. سپس با مدل کردن پارامترهای یاد شده، مقادیر سیلاب خروجی، در زیرحوزه‌ها و دیگر اجزاء هیدرولوژیکی حوضه‌های مطالعاتی در دوره بازگشت‌های مختلف محاسبه گردید.

 

 

شکل3 - تصویر شماتیک حوزه آبریز گرمی‌چای در محیط مدل HEC-HMS

کالیبراسیون مدل HEC-HMS:

برای واسنجی مدل، لازم است که بارش نقطه‌ای اندازه‌گیری شده در ایستگاه‌ها به صورت منطقه‌ای برای زیرحوزه‌ها توزیع شود. برای این منظور با استفاده از روابط رگرسیونی بارش متوسط سالیانه با ارتفاع، میزان بارش هر زیرحوزه محاسبه گردید. لازم به توضیح است که یک واقعه که در یک روز خاصی به وقوع بپیوندد، صرفاً بارش آن بر اساس ارتفاع نیست و ممکن است که به ازاء یک واقعه خاص بارش در ارتفاع بیشتر بزرگ‌تر یا کم‌تر از بارش در ارتفاع کمتر باشد. در واقع ترکیب رگبارهای مختلف به شکل بارش متوسط سالیانه از ارتفاع تبعیت می‌کند. با این توضیحات به هنگام توزیع رگبارها در زیرحوزه‌ها تلاش گردید تا علاوه بر توزیع بارش با ارتفاع، مواردی دیگری همچون بارش ایستگاه‌های اطراف و قضاوت کارشناسی نیز مد نظر قرار گیرد.

شناسایی مناطق سیل‌خیز و خطرساز:

برای شناسایی مناطق سیل‌خیز، تحلیل حساسیت زیرحوزه‌ها برای سیل‌خیزی انجام شد. بــرای‌ بـررسی ‌و شنـاخت ‌روابــط بین‌ عوامل‌ مؤثر بر سیل‌خیزی ‌زیرحوضه‌ها، از روش‌ آنالیز حساسیت[7] استفاده شد. بدین ‌منظور پس‌ از تعیین ‌هیدروگراف ‌سیل ‌خروجی ‌حوضه‌ با مشارکت ‌کلیه ‌زیرحوضه‌ها، عوامل ‌مورد نظر، به‌ ترتیب‌ در هر یک ‌از زیر حوضه‌ها تغییر داده‌ می‌شود تا تأثیر آن عامل در دبی ‌اوج ‌خروجی ‌مشخص‌ شود .به ‌این‌ ترتیب‌ پس‌ از هر بار اجرای ‌مدل ‌HEC-HMS، تأثیر این‌ تغییرات ‌در دبی ‌اوج ‌خروجی ‌کل‌ حوضه‌ منعکس‌ می‌گردد. با این ‌روش‌ ضمن‌ شناسایی ‌عوامل ‌مؤثر، زیرحوضه‌ای ‌که‌ به ‌این ‌تغییرات ‌حساسیت ‌بیشتری ‌نشان ‌دهد نیز شناسایی ‌می‌شود.

مدل ترکیبی هیدرولوژیکی و هیدرولیکی حوضه برای سیستم هشدار سیل:

مدل هیدرولوژیکی تهیه شده حوضه‌های مورد مطالعه برای اجرای سیستم هشدار سیل با ریخت درختی (نموگراف) و در محیط نرم‌افزار HEC-HMS 3.5 در شکل (4) آورده شده است. برای اجرای مدل موقعیت ایستگاه‌های باران‌سنجی، سطح‌سنجی، سدها و بندهای احداث شده در زیرحوضه‌های مطالعاتی نیز در مدل وارد شد (شکل 4).

 

 

شکل4- مدل هیدرولوژیک سیستم هشدار سیل برای حوضه گرمی‌چای با ریخت درختی (نموگراف زیرحوضه‌ها)

 

نتایج

بررسی همگنی داده­ها:

نتایج موجود در شکل 5 حاکی از همگن بودن ایستگاه‌ها بوده که با توجه به حدهای پایین و بالا با دوره بازگشت 10 سال با سطح اطمینان 95% مورد قبول می‌باشد.

 

 

شکل 5- آزمون یکنواختی ایستگاه‌های مورد مطالعه

 

نتایج کالیبراسیون مدل HEC-HMS

بر اساس نتایج به­دست آمده پس از بررسی هیدروگراف‌های مشاهداتی، برای حالت خشک 6 رخداد سیل 1/2/83، 26/1/84، 13/2/84، 25/2/84، 4/2/85 و 26/6/88 در نظر گرفته شد که از این تعداد تنها 2 رخداد 1/2/83 و 13/2/84 دارای الگوی بارش تعمیم داده شده از ایستگاه ثبات میانه می‌باشند و دیگر هیدروگراف‌های سیل فاقد الگوی بارش می‌باشند. لازم به ذکر است که تعمیم الگوی بارش بر اساس میزان بارش روزانه ایستگاه‌های میانه و ساری‌قمیش می‌باشد. برای تعیین آستانه تولید رواناب (جذب اولیه) دو رخداد سیل 1/2/83 و 13/2/84 را که شرایط حوضه از لحاظ رطوبتی خشک بوده و مقادیر دبی پیک سیلاب کم می‌باشد در نظر گرفته شد که با لحاظ کردن CN در شرایط خشک مدل، شبیه‌سازی گردید. در جدول (2) مشخصات بارش رگبار ایستگاه میانه متناظر سیلاب ایستگاه هیدرومتری چتاب آمده است.

 

 

 

جدول2- مشخصات بارش رگبار ایستگاه میانه متناظر سیلاب ایستگاه هیدرومتری چتاب 

تاریخ بارش	زمان شروع	زمان خاتمه	مدت بارش (دقیقه)	مقدار بارش رگبار (میلی‌متر)	بارش روزانه ساری‌قمیش	بارش روزانه میانه
1/2/1383	00:16	30:19	210	6/8	5/17	5/16
13/2/1384	6:25	12:03	338	8/14	18	16

 

 

با توجه به تعمیم الگوی بارش ایستگاه میانه به حوضه گرمی‌چای، زمان شروع و خاتمه بارش برای هیدروگراف سیل متناظر ایستگاه چتاب تغییر پیدا کرد. اختلاف در زمان رسیدن به دبی پیک ناشی از تعمیم الگوی بارش از ایستگاه ثبات میانه می‌باشد که طبیعتاً در حالت واقعی یک اختلاف زمانی در زمان بارش وجود دارد و می‌توان با تغییر در زمان شروع الگوی بارش این مشکل را برطرف نمود.

کالیبراسیون مدل برای این 2 رخداد صورت گرفت و مقادیر نهایی پارامترهای ورودی حوضه گرمی‌چای به مدل بدست آمد که نتایج آن در جدول (3) نشان داده شده است. همچنین هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی پس از بهینه سازی براساس رخداد 1/2/83 در شکل (6) نشان داده شده است. همانطور که در قبل نیز اشاره شد اختلاف در زمان رسیدن به دبی پیک ناشی از این است که الگوی بارش تعمیم داده شده از ایستگاه ثبات میانه می‌باشد که طبیعتاً در حالت واقعی یک اختلاف زمانی در زمان بارش وجود دارد و می‌توان با تغییر در زمان شروع الگوی بارش این مشکل را برطرف نمود. بر اساس رخدادهای سیل در شرایط خشک می‌توان گفت آستانه تولید رواناب که برای این حوضه به طور میانگین 5/16 میلی‌متر می‌باشد. در نهایت براساس بازدید صورت گرفته از منطقه، پوشش گیاهی و بافت خاک منطقه مورد مطالعه و با توجه به لزوم برآورد سیلاب در مقاطع مختلف، مورد نیاز بودن هیدروگراف سیل و زمان پیک آن و... در مطالعات هشدار سیل روش بارندگی- رواناب (SCS) به عنوان مقادیر نهایی سیلاب در نظر گرفته شد. جدول (4) مقادیر نهایی سیلاب برآورد شده با دوره بازگشت­های مختلف در حوضه مطالعاتی را نشان می دهد.

 

 

شکل 6- مقایسه هیدروگراف مشاهداتی و محاسباتی- رخداد 1/2/83

 

جدول3- مقادیر CN و I_a زیرحوضه‌های مطالعاتی گرمی‌چای

نام پارامتر	G1	G2	G3	G4	G5
CN	7/67	3/62	8/61	3/62	8/62
Ia	7/6	8/8	1/9	8/8	6/8

جدول4- مقادیر دبی (متر مکعب در ثانیه) حداکثر سیلاب در زیرحوضه‌های گرمی‌چای- خروجی مدل HEC-HMS

	2سال	5سال	10 سال	25 سال	50 سال	100 سال	200 سال
G1	41/4	87/8	120/3	156	203/1	252/6	307
outgoing-1	41/4	87/8	120/3	155/9	203	252/5	307
G2	2/2	8/5	14	18/9	29/6	42/1	54/7
outgoing-2	41/4	87/7	120/2	155/9	203	252/5	307
G3	1/2	5/8	10	13/2	22/1	32/7	43/6
outgoing-3	41/4	87/7	120/2	155/8	202/9	252/4	306/9
G4	16/9	46/5	71/2	99/3	104/6	134/6	152/5
outgoing-4	41/7	90/5	126/3	166/6	217/2	274/4	335/6
G5	7/9	22/3	34/3	47/4	52/2	67/6	89/8
outgoing	41/2	90/6	126/6	167/5	218/7	277	340/2

 

شناسایی مناطق سیل‌خیز و خطرساز:

در اولویت­بندی زیرحوزه­ها از نظر سیل­خیزی ابتدا هیدروگراف ‌سیل‌ خروجی‌ با مشارکت‌ کلیه ‌زیرحوضه‌ها با کاربرد مدل‌ HEC-HMS محاسبه شد؛ سپس‌ با حذف ‌متوالی و یک به یک ‌زیرحوزه‌ها از فرآیند روندیابی‌ داخل‌ حوضه‌، میزان ‌مشارکت‌ هر یک‌ از آن‌ها در دبی‌ اوج‌ خروجی‌ حوزه‌ به­دست‌ آمد. زیرحوضه‌ای ‌که ‌بیش‌ترین ‌کاهش ‌را در دبی‌ خروجی ‌کل ‌حوضه ‌از خود نشان داد بیش‌ترین ‌سهم ‌را در ایجاد سیل ‌خروجی ‌بعهده ‌داشته ‌و به‌عنوان ‌اولویت ‌اول ‌شناخته‌ شد. بدین ‌ترتیب ‌کلیه ‌زیرحوزه‌ها با توجه‌ به ‌میزان ‌مشارکت ‌آن‌ها در دبی‌ خروجی‌ حوضه‌ اولویت‌بندی‌ شدند. همچنین ‌برای ‌خنثی ‌کردن ‌عامل ‌مساحت‌ زیرحوزه‌ها در مقدار دبی‌، می‌توان اولویت‌بندی ‌به ‌ازای‌ میزان ‌مشارکت ‌هر واحد سطح‌ زیرحوضه را‌ نیز انجام داد. نحوه محاسبه میزان مشارکت به این صورت بوده است که میزان دبی خروجی با حذف زیرحوزه مورد نظر از میزان دبی خروجی حوضه مورد مطالعه کسر گردید.

 

جدول5- اولویت‌بندی زیرحوضه‌ها در تولید سیل خروجی حوضه گرمی‌چای

زیرحوضه	دبی زیرحوضه (مترمکعب برثانیه)		دبی خروجی  با حذف زیرحوضه		میزان مشارکت  (مترمکعب بر ثانیه)		اولویت‌بندی واحدها
	دوره بازگشت 10 سال	دوره بازگشت 25 سال	دوره بازگشت 10 سال	دوره بازگشت 25 سال	دوره بازگشت 10 سال	دوره بازگشت 25 سال
G1	3/120	156	9/91	1/130	7/34	4/37	1
G2	14	9/18	6/126	4/167	0	1/0	4
G3	10	2/13	6/126	5/167	0	0	5
G4	2/71	3/99	2/120	2/156	4/6	3/11	2
G5	3/34	4/47	126	3/166	6/0	2/1	3

همانطور که در جدول 5 نیز مشخص است در دوره بازگشت­های 10 و 25 ساله به ترتیب زیرحوزه‌های G₁، G₄، G₂، G₃ و G₅ در اولویتهای 1 الی 5 تولید سیلاب قرار دارند.

 

ظرفیت آبگذری و تراز بحرانی مقاطع در مدل هیدرولیکی HEC-RAS:

برای تعیین نقاط اعلام هشدار مناطقی که بیش از مناطق دیگر در معرض خطر بروز سیل می­باشد (دارای بالاترین ارتفاع آب) شناسایی شده و دبی بحرانی و تراز آب در حالت بحرانی در نظر گرفته شد و به عنوان مناطق هدف جهت اعلام هشدار معرفی شدند. در همین راستا بعد از تهیه مدل هیدرولیکی و مقاطع عرضی رودخانه بر اساس شرایط منطقه و در محل ایستگاه­های سطح­سنجی پیشنهادی مقاطع پر شناسایی شده و تراز بحرانی نیز مشخص گردید.

از طرفی برای تعیین آستانه بارش-بارندگی با تداوم یک‌ساعته با استفاده از مدل بارش - رواناب به­گونه‌ای عمل شد که دبی در نقطه هدف به دبی آستانه برسد. در جدول 6 نقاط خطرپذیر و هدف تعیین شده به همراه دبی بحرانی، سطح تراز آب و ارتفاع آب در حوضه‌‌های مورد مطالعه آمده است. در جدول (6) سطح تراز بحرانی آب براساس مقاطع پر در رودخانه گرمی­چای آورده شده است. بر اساس نتایج مندرج در جدول 6 حوضه پل گوندوغدی دارای بیشترین مقدار دبی بحرانی، سطح تراز آب و ارتفاع آب می­باشد. و در مقابل سطح سنج سد گرمی چای دارای کمترین مقدار دبی بحرانی، سطح تراز آب و ارتفاع آب است.

 

 

 

 

جدول6- دبی بحرانی نقاط خطرپذیر و هدف تعیین شده- حوضه قرانقو‌چای

محل تعیین دبی مقطع پر	شماره مقطع	مختصات جغرافیایی	دبی بحرانی (مترمکعب بر ثانیه)	سطح تراز آب (متر)	ارتفاع آب (متر)
سطح‌سنج سد گرمی‌چای	77/40486	X=761235 Y=4183450	55	9/1513	53/0
خروجی حوضه سد گرمی‌چای	7/35006	X=757325 Y=4180188	95	6/1395	63/0
سطح‌سنج ساری‌قمیش	43/27976	X=753978 Y=4174000	110	5/1296	73/0
قشلاق سیف‌الدین	77/21809	X=753518 Y=4169831	115	2/1238	83/0
چرکینلو	38/14632	X=752757 Y=4161622	130	1/1146	94/0
سطح‌سنج چتاب	54/8401	X=751871.5 Y=4156000	145	6/1094	01/1
حوضه پل گوندوغدی	32/3754	X=752440 Y=4150624	150	4/1056	2/1

 

 

 

 

 

 

محاسبه زمان پیش‌هشدار[8] در نقاط هدف:

نقاط هدف در پروژه‌‌های هشدار سیل، عموماً به نقاطی اطلاق می‌شود که هشدار سیل در آن‌ها ضروری است. دو پارامتر مهم در تعیین نقاط هدف مورد نظر قرار گرفت که یکی بررسی سوابق سیلاب‌ها و خسارات آن‌ها در نقاط مختلف و دیگری نقاطی که در حاشیه رودخانه‌های اصلی قرار داشته و رخداد سیل در مراکز جمعیتی پایین‌دست را هشدار می‌دهد. تعیین سطح آب رودخانه‌‌ها در این مناطق، چه به وسیله نصب سیستم‌های پایش و چه با معرفی این نقطه به مدل برای تخمین پارامترهای سیل در زمان رخداد، کمک قابل توجهی به تصمیم‌گیران جهت اعلام هشدار خواهد نمود.

مهم‌ترین عواملی که بر زمان پیش‌هشدار و کارایی آن تأثیر گذار می‌باشند و در این تحقیق مد نظر قرار گرفتند، عبارتند از:

- توانایی و سرعت مدل‌های پیش‌بینی

- وجود رابطه‌‌های قبلی (تاریخی) یا شبیه‌سازی شده در طول یک آبراهه (اینکه رابطه همبستگی بین زمان رسیدن دبی بحرانی بین دو منطقه در راستای رودخانه چه میزان است؟)

- شرایط حوضه (شامل پوشش، شیب آبراهه و ..) و زمان تمرکز

- زمان لازم برای مقابله به طور مثال زمان لازم برای تخلیه مناطق جمعیتی و یا ایجاد دیواره‌های موقت

برای تعیین زمان پیش‌هشدار از مدل کالیبره شده بارش- رواناب حوضه مطالعاتی با یک سیلاب فرضی بحرانی استفاده شد. برای وارد نمودن مقدار بارش به مدل، برای تمامی زیرحوضه­ها از تیپ کلی بارش در منطقه استفاده گردید. سپس برای هریک از رگبارها، مقادیر بارش متوسط هر زیرحوضه نسبت به بارش متوسط حوضه کلی بدون بعد شده و با استفاده از نرم­افزارهای آماری برای احتمال 50%، مقدار نسبت بارش هر زیرحوضه به بارش حوضه کلی تعیین گردیده است. از این نسبت (ضریب) برای تبدیل هایتوگراف بارش حوضه کلی منطقه به هریک از زیرحوضه­ها استفاده شده است. بدین ترتیب برای هر زیرحوضه یک هایتوگراف مستقل وارد مدل شد. با استفاده از اطلاعات فوق، مدل HEC-HMS زیرحوضه‌های مورد مطالعه اجرا گردید. فاصله زمانی بین پیک بارش فرضی و دبی پیک سیلاب در هر نقطه هدف، معیار تعیین زمان پیش‌هشدار در آن نقطه بود.

معیارهای مربوط به زمان پیش هشدار در نقاط هدف در جدول 7 نشان داده شده است. براین اساس، زمان پیش‌هشدار در هریک از نقاط هدف بدست آمد که با معیار جدول (7) دسته‌بندی گردید. بر اساس نتایج بدست آمده نقاط هدف هشدار در رودخانه گرمی چای شامل سد گرمی چای، روستای ساری قمیش و چتاب می باشد که بر اساس معیارهای مدنظر در کلاس C طبقه بندی می گردد.

 

 

 

 

جدول7- معیار دسته‌بندی زمان پیش‌هشدار در نقاط هدف هشدار

کلاس	تعریف کلاس‌های زمان پیش‌هشدار
A	کمتر یا مساوی یک ساعت
B	بیش از یک تا سه ساعت
C	بیش از سه تا شش ساعت
D	بیش از شش تا نه ساعت
E	بیش از  نه ساعت

 

بحث و نتیجه­گیری

در اولویت­بندی زیرحوضه­ها به منظور میزان مشارکت در سیلاب تولیدی مشخص گردید که زیرحوضه­های G₁ ، G₄ و G₅دارای اولویت 1 تا 3 در امر تولید رواناب می­باشد لذا بایستی اقدامات سازه­ای و یا غیرسازه­ای کنترل سیلاب در این زیر حوضه­ها متمرکز گردد تا از اثرات مخرب سیلاب در پایین­دست کاسته شود.

استفاده از بارش سطحی یا بارش سلولی در محاسبات معایب اندازه­گیری نقطه ای را به حداقل می رساند، به همین دلیل از مدل بارش سلولی برای ورود مقدار بارش تخمینی استفاده شده و به منظور انجام محاسبات هیدرولوژیکی، روش نیمه توزیعی ModClark به کار گرفته شده است. با بکارگیری این روش، شکل حوضه بخوبی در مدل و در نتیجه هیدروگراف خروجی انعکاس داده می­شود. مجموعه ای از برنامه­های HEC (HEC-Geo HMS، HEC-HMS، HEC-Geo RAS و HEC-RAS) برای شبیه سازی رواناب، سطح آب و تولید نقشه پهنه سیل استفاده گردیده است.

بر اساس رخدادهای سیل در شرایط خشک می‌توان گفت آستانه تولید رواناب که برای این حوضه به طور میانگین 5/16 میلی‌متر می‌باشد.

همانطور که از نتایج بدست آمده مشخص است در دوره بازگشت­های 10 و 25 ساله به ترتیب زیرحوزه‌های G₁، G₄، G₂، G₃ و G₅ در اولویتهای 1 الی 5 تولید سیلاب قرار دارند.

بر اساس نتایج بدست آمده حوضه پل گوندوغدی دارای بیشترین مقدار دبی بحرانی، سطح تراز آب و ارتفاع آب می­باشد. و در مقابل سطح سنج سد گرمی چای دارای کمترین مقدار دبی بحرانی، سطح تراز آب و ارتفاع آب است. همچنین نتایج نشان داد که نقاط هدف هشدار در رودخانه گرمی چای شامل سد گرمی چای، روستای ساری قمیش و چتاب می باشد، در همین راستا نتایج نشان داد که زمان وقوع سیل با فرض شروع بارش برآورد شده است و زمان پیش هشدار قبل از وقوع اولین سیل از بالادست سد گرمی چای 3 تا 6 ساعت می­باشد.

تجاوزات انسان­ها در محدوده پهنه­های خطر رودخانه­ مورد مطالعه به صورت­های گوناگون اتفاق افتاده است که شدت و ضعف آن در نقاط مختلف متفاوت می­باشد. لذا این امر سبب ایجاد خسارات زیادی به جان و مال مردم در اثر وقوع سیل­های متمادی شده است همانگونه که مطالعات سیل­خیزی حوضه نیز مؤید این امر می­باشد. جهت اصلاح این روند باید موارد ذیل مد نظر قرار گیرد:

- مناطق مسکونی، موجود در منطقه مورد مطالعه و مجاور با رودخانه بایستی با رعایت حریم رودخانه در فاصله مناسب از آن قرار گیرند.

- جاده­های مواصلاتی و عبور­کننده از بستر رودخانه و حاشیه آن اصلاح شده و با حفظ حریم در فاصله مناسب قرار گیرند.

- سازه­های تأسیس شده موجود در مسیر رودخانه از جمله پل­ها، دستک­های موجود در مسیرمورد مطالعه متناسب با عبور جریان سیلابی اصلاح شده و در فاصله مناسب از آن قرارگیرد.

- فعالیت­های زراعی انجام شده در بستر رودخانه و یا در حال انجام، ممنوع و متوقف شده و در حریم نیز با ضوابط خاص آن انجام شود.

- افزایش تعداد ایستگاه­های هیدرومتری در سطح حوضه به منظور تکمیل و افزایش آمار و اطلاعات

- برگزاری دوره های آموزشی عمومی به منظور آشنایی مردم محلی با سیستم هشدار سیل

---

[1]-Tondra Regime Climate Model

[2]-Aude

[3]-Pirnean

[4]-Grid-based precipitation

[5]-SHG (Standard Hydrologic Grid)

[6]- Grid Curve Number

2-Sensitivity Analysis

1-Lead Time

مراجع

References

1-Amir Ahmadi, A.B., A.B. Behnamfar, M. Ebrahimi, 1390. Micro-zoning of flood risk in the range of Sabzavar in the development of sustainable cities. Journal of Environmental logistics. 7th year, Issue 16, pp. 17-32

2-Azari, H., A.A. Matkan, A.R. Shakiba, H. Purali, 1388. Simulation and flood warning with synthesis pilot models in GIS and rainfall estimates through remote sensing. Iranian Journal of Geology. 3rd years, Issue 9, pp. 39-51.

3-Hoseynzade, M.M., S. Biranvand, A. Hoseyni Asl, H. Saduq, 1392. Simulation Kashkan flood river. Iranian Journal of Remote Sensing and GIS, Issue 17, pp. 71-84.

4-Roshan, H., Q.Vahabzade, K. Soleymani, R. Farhadi, 1392. Simulate the hydraulic behavior of the river using HEC-RAS model in GIS (Case study: Bashar River, Kohgiluyeh and Boyer Ahmad State). Journal of Watershed Management, Issue 7, pp. 70-84.

5-Farahmand Kenari, Sh., M. Rayyni, K. Soleymani, 1390. Analysis of the Babol River with hydraulic model HEC-RAS using GIS and provide patterns in flood management, Watershed management Journal, 2nd year, Issue 3, pp. 19-33.

6-Qobadian, R., 1387. Simulate hydraulic flood routing in Gharehsou river using numerical unsteady flow equations. 7th Conference of hydraulic, 21 to 23 November, the utilities industry University of martyr Abbaspoor.

7-Nuri, F., H. Behmanesh, B.M. Mohamadnezhad, H. Rezayi, 1391. Evaluation WMS/HEC-HMS Model in forecast of Qorveh basin flood, Journal of soil and water conservation, Vol. 19, Issue 4, pp. 201-210.

8-Vahabi, J., 1385. Flood risk mapping using hydrological and hydraulic models (case study Taleqan), the research and construction Journal, Issue 71, pp. 33-41.

9-Garambois, P.A., H.K. Larnier, D. Roux, D. Labat, 2014. Analysis of flash flood-triggering rainfall for a process-oriented hydrological model, Atmospheric Research, Vol. 137, Issue14, pp. 14-24.

10-Knebl, M.R., Z.L. Yang, K. Hutchison, D.R. Maidment, 2005. Regional scale flood modeling using NEXRAD, rainfall, GIS, and HEC-HMS\RAS: A Case Study for the San Antonio River Basin, summer 2002 storm event. J. Environ. Manage. 75: 325-336

11- Kafle, T.P., M.K. Hazarica, K.G. Shresth, K. Prathumchai, L. Samarakon, 2006. Integration of remote sensing and GIS with flood simulation model for flood hazard mapping in the Bagmati river, Nepal. J. Environment management. 13:8. 45-57.

12-Sholtes, J., 2009. Hydraulic analysis of stream restoration on flood wave propagation. A thesis submitted to the faculty of the University of North Carolina at Chapel Hill.

13-Stephen, R., 2002. Hydrologic investigation by the USGS following the 1996 and 1997 flood in the upper Yellow stone river, Montana, American Water Resources Association, Annual Montana Section Meeting, Vol. 14, Issue8, pp: 1-18.

14-Tsung, Y., Yi-Ting, Y., and Hung-Chi, K., 19 August 2013, Improvement of watershed flood forecasting by typhoon rainfall climate model with an ANN-based southwest monsoon rainfall enhancement, Journal of Hydrology, In Press, Corrected Proof.