گزارش فنی تعیین دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل آماری در حوزه آبخیز اسکندری مقدمه طراحی میشوند. از آنجایی که سیل محصول مستقیم بارش است

Transcript

1 نشریه علمی- پژوهشی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران Iran-Watershed Management Science & Engineering Vol. 1, No. 40, Spring 018 سال دوازدهم- شماره 40- بهار 197 سال دوازدهم- شماره 40- بهار گزارش فنی تعیین دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل با استفاده از مدل HEC-HMS و روشهای آماری در حوزه آبخیز اسکندری مریم خادمی 1 سمیه سلطانی گردفرامرزی و محسن قاسمی تاریخ دریافت: 195/06/0 تاریخ پذیرش: 196/0/0 چکيده در این تحقیق ضمن برآورد حداکثر بارش محتمل و دوره بازگشت متناظر واسنجی مدل HEC-HMS به منظور برآورد مشخصههای حداکثر سیل محتمل در حوزه آبخیز اسکندری از سرشاخههای زاینده رود انجام شد. در ابتدا با استفاده از روش هرشفیلد و برازش توزیعهای آماری مقادیر حداکثر بارش 4 ساعته در دوره بازگشتهای مختلف و همچنین PMP تعیین گردید. در مرحله بعد با استفاده از دو رویداد که بهترین ضریب کارائی مدل را بدنبال داشت مراحل واسنجی و سپس با دو رویداد مختلف دیگر ارزیابی مدل HEC-HMS انجام گرفت و نتایج قابل قبول بدست آمد. در برآورد مشخصههای حداکثر سیل محتمل نیز نتایج نشان داد که بارش 40/6 میلیمتر با دوره بازگشت برابر سال میتواند سیالبی با دبی اوج 079/5 مترمکعب بر ثانیه و حجم 178/1 میلیون مترمکعب ایجاد کند. کلید واژهها: رواناب شماره منحنی حداکثر سیل محتمل حوزه آبخیز اسکندری دوره بازگشت 1- دانشجوی کارشناسی ارشد آبخیزداری دانشگاه اردکان - نویسنده مسئول و استادیار دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه اردکان پست الکترونیک: ssoltani@ardakan.ac.ir - دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آب دانشگاه صنعتی اصفهان علوم و مهندسی آبخیزداری ایران مقدمه به لحاظ اجرای موفقیت آمیز پروژهها بایستی شناخت صحیحی از رفتار حوزه آبخیز در برابر رژیمهای بارش داشت که یکی از راهکارها در این زمینه شبیهسازی وقایع بارش- دبی با استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی است. برخی از سازههاي بزرگ که ریسکی براي 4 تخریب آنها در نظر گرفته نمیشود براساس حداکثر سیل محتمل طراحی میشوند. از آنجایی که سیل محصول مستقیم بارش است میتوان پذیرفت که محدودیتهاي فیزیکی سبب تثبیت شدت بارش و در نتیجه سیالب خواهد شد. به عبارتی میتوان ادعا کرد که شدت 5 بارش با یک حد نهایی نظري است که به حداکثر بارش محتمل معروف است. حداکثر بارش محتمل از مرسومترین معیارها در محاسبات حداکثر سیل محتمل میباشد ]1[. یکی از روشهای بررسی خصوصیات بارش و رواناب استفاده از قابلیت مدلهاي هیدرولوژیکی مانند مدل بارش- رواناب HEC-HMS در شبیهسازي فرآیندهاي هیدرولوژیکی است که میتوان فرآیندهایی نظیر رواناب را شبیهسازي کرد ][. در این زمینه رز و همکاران ]5[ مطالعهای را به منظور ارزیابی ایمنی سد کنیر در برابر ورودی به مخزن سد در کشور مالزی انجام دادند. بدین منظور از مدل HEC-HMS به عنوان مدل تبدیل PMP به استفاده گردید که نتایج حاکی از کارایی این روش بود. شاالبی ]7[ در تحقیقی به بررسی خصوصیات حداکثر سیل محتمل در منطقه آتالنیک در شرق ایالت متحده پرداخت. بدین منظور از آمار 46 ایستگاه در منطقه استفاده شد و انواع توزیعهای آماری شامل گاما لوگ نرمال و گامبل به منظور برآورد احتمال به کار گرفته شد. مطابق با نتایج دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل در منطقه مطالعاتی برابر سال میباشد. روزیو و همکاران ]6[ به محاسبه حداکثر بارش محتمل تحت شرایط تغییر اقلیم در کانادا پرداختند. نتایج نشان داد که تغییر اقلیم در قرن اخیر بر افزایش مقدار PMP اثرگذاشته است. حنفی ][ به ارزیابی حداکثر سیالب محتمل حوضه آجیچای تبریز با استفاده از مدل HEC-HMS پرداخت و با اجرای آن هیدروگراف حداکثر سیل محتمل برای زیرحوضههای مختلف ترسیم کرد. با توجه به اهمیت پتانسیل سیلخیزی در این تحقیق با استفاده از روش SCS در نرمافزار HEC-HMS به تعیین مشخصههای حداکثر بارش محتمل و حداکثر سیل محتمل در حوزه آبخیز اسکندری پرداخته شد. انجام تحقیق از این لحاظ اهمیت دارد که با در دست داشتن مقادیر دبی و 4-Probability Maximum Flood () 5- Probability Maximum Precipitation (PMP)

2 حجم سیالب می توان برنامههای مدیریت و مهندسی رودخانه را با دقت باالتری اعمال نمود. مواد و روشها معرفی منطقه مطالعاتی منطقه مورد مطالعه حوزه آبخیز اسکندری واقع در غرب استان اصفهان میباشد. حوضه مذکور با داشتن مساحتی بالغ بر 1649/9 کیلومتر مربع و ارتفاع متوسط وزنی 66 متر از سطح دریا و مختصات '50 0 تا '50 40 طول شرقی و ' 45 تا ' 11 عرض شمالی در حوضه آبریز سد زایندهرود واقع شده است. رودخانه پالسجان که از ارتفاعات شهرستان فریدونشهر از توابع استان اصفهان سرچشمه میگیرد در این حوزه آبخیز جاری میباشد. رواناب این رودخانه در محل ایستگاه هیدرومتری اسکندری اندازهگیری میشود. میانگین بارندگی ساالنه حوضه آبخیز اسکندری 9 میلیمتر و میانگین درجه حرارت در این منطقه 9/8 درجه سانتیگراد میباشد. اهمیت این حوضه از این ناشی میشود که مستقیما به سد زایندهرود وارد شده که منبع اصلی تأمین آب کشاورزی شرب و صنعت در منطقه و استان اصفهان است و آگاهی از وضعیت آبدهی آن راهگشای برنامهریزی جهت مدیریت صحیح آن میباشد. شکل )1( موقعت حوضه مورد مطالعه و ایستگاههای موجود در منطقه را نشان میدهد. شکل 1- موقعیت حوضه مورد مطالعه در ایران و استان Figure 1. Case study situation in Iran and the province تعیین حداکثر بارش محتمل هر ایستگاه در این تحقیق ابتدا مقدار حداکثر بارش محتمل با استفاده از دوره آماری تا برای ایستگاههای بارانسنجی محدوده حوضه استخراج شد که بدین منظور از روابط ذیل استفاده گردید. )1( : ميانگين دادههای n سال آماري بارندگي :σn انحراف معيار دادههای n سال آماري بارندگي :Km فاکتور فراواني که مقدار آن از روابط زیر بدست میآید ]4[: در حالتی که حداکثر بارش 4 ساعته بیشتر از 50 میلیمتر باشد«)( در حالتی که حداکثر بارش 4 ساعته کمتر از 5 میلیمتر باشد: )( تعیین دوره بازگشت حداکثر بارش محتمل هر ایستگاه پس از تعیین حداکثر بارندگی هر ایستگاه به روش هرشفیلد اقدام به تعیین دوره بازگشت این پارامتر شد. بدین منظور مقادیر حداکثر بارندگی 4 ساعته هر ایستگاه وارد نرم افزار SMADA شد. در این مرحله با توجه به رابطه احتماالتی ویبول و بر اساس معیار ارزیابی RSS بهترین توزیع آماری مشخص شد. در مرحله بعد با ورود مقادیر حداکثر بارش دوره آماری هر ایستگاه به مدل HEC-SSP.0 بر اساس بهترین توزیع آماری مقدار بارندگی 4 ساعته در دوره بازگشت های و ساله تعیین گردید. تعیین حداکثر بارندگی محتمل هر زیرحوضه پس از تعیین دوره بازگشت حداکثر بارندگی محتمل برای هر یک از 8 ایستگاه مطالعاتی با استفاده از روش معکوس فاصله وزنی مقادیر حداکثر بارش 4 ساعته در دوره بازگشتهای مختلف و حداکثر بارندگی محتمل برای کل پهنه مطالعاتی و پهنه هر زیرحوضه تهیه شد و میانگین سلولی برای هر محدوده محاسبه گردید. سپس با استفاده از تحلیلگر زمین آمار 1 در نرمافزار ArcGIS 10. پهنهبندی حداکثر بارش 4 ساعته در دوره بازگشتهای مختلف و حداکثر بارندگی محتمل برای کل حوضه مطالعاتی و هر زیرحوضه انجام شد و سپس میانگین سلولی برای هر محدوده تعیین شد. همچنین نقشه پهنهبندی حداکثر بارش محتمل کل حوضه نیز استخراج شد. مدلسازی بارش- رواناب به منظور شبیهسازی سیل از مدل HEC-HMS 4.0 استفاده شد. در این تحقیق رویداد تاریخ 185/01/15 که دادههای مربوط به بارش آن در 8 ایستگاه مطالعاتی ثبت شده بود به عنوان مقدار بارش تعریف شد. هایتوگراف بارش نیز از ایستگاه سینوپتیک اصفهان به عنوان الگوی زمانی بارش متناظر انتخاب شد. سیل مشاهدهای مورخ 185/01/15 1- Geostatistical Analyst 10

3 جدول 1- مقادیر حداکثر بارش محتمل 4 ساعته ایستگاهها Table 1. 4 hour Probability Maximum Precipitation of stations ایستگاه میانگین حداکثر بارش 4 ساعته )میلی متر( 4 hour mean Maximum حدا کثر بارش محتمل 4 ساعته )میلیمتر( 4.hour Probability Maximum Station Precipitation )mm( Precipitation )mm( قلعه بابا محمد Baba Mohammad castle )1( اسکندري Eskandari)( 8.6. dam)( Zayandehrood سد زاينده رود بوئین Bouien)4( میرآباد Mirabad)5( آغچه Agcheh)6( اشن Eshen)7( دولت آباد Dolatabad)8( و 184/1/9 متناظر نیز از ایستگاه هیدرومتری اسکندری برای واسنجی انتخاب شدند. برای ارزیابی مدل واسنجی شده نیز دو رویداد مورخ 176/1/5 و 171/1/1 بکار رفت. همچنین ضریب ناش- ساتکلیف 1 )ضریب کارایی مدل( به منظور کارا بودن مدل استفاده شد. طبق رابطه )4( مقدار این ضریب از منفی بینهایت تا یک در تغییر است و هر چه به یک نزدیکتر باشد مدل دقیق تر است. )4( در این رابطه O دبی مشاهدهای E دبی برآوردی M متوسط مقادیر مشاهدهای و N تعداد دادهها است. در مرحله بعد بر اساس مدل واسنجی شده HEC-HMS و با توجه به مقادیر حداکثر بارش محتمل زیرحوضهها شبیهسازی انجام شد و مقادیر دبی اوج و حجم سیالب استخراج گردید. همچنین به منظور بررسی شدت شبیهسازی حداکثر سیل بر اساس بارشهای با دوره بازگشت و ساله نیز انجام شد و مقادیر دبی اوج و حجم سیل این رویدادها استخراج شد. سپس مقایسهای بین این مقادیر با مقادیر صورت گرفت. تعیین دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل در این تحقیق به منظور محاسبه دوره بازگشت متناظر حداکثر سیل محتمل مقادیر دبی حداکثر لحظه ای سیالب در هر یک از سالهای آماری از ایستگاه هیدرومتری اسکندری )خروجی حوضه( استخراج شد. سپس همانند روش محاسبه دوره بازگشتهای PMP در اینجا نیز مقادیر حداکثر دبی ساالنه وارد نرمافزار SMADA شدند و بر اساس معیار ارزیابی RSS بهترین توزیع آماری مشخص شد. سپس بر اساس برازش این بهترین توزیع آماری در نرمافزار HEC- SSP به روش سعی و خطا دوره بازگشتی قرار داده شد تا دبی اوج آن برابر با دبی اوج حداکثر سیل محتمل از مدل HEC-HMS باشد. بدین ترتیب دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل برای ایستگاه هیدرومتری اسکندری در خروجی حوضه آبخیز تعیین گردید. نتایج جدول )1( مقادیر حداکثر بارش محتمل هر ایستگاه را که به روش هرشفیلد محاسبه شد نشان میدهد. مقادیر بارش 4 ساعته در دوره بازگشتهای مختلف بر اساس بهترین توزیع آماری بدست آمد. با توجه به میانگین سلولی حداکثر بارش محتمل از روش معکوس فاصله وزنی مقادیر PMP در جدول )( آمده است. همانطور که نتایج نشان میدهد بیشترین حداکثر سیل محتمل در ایستگاه دولت آباد و کمترین آن در ایستگاه آغچه بدست آمد. جدول - مقادیر حداکثر بارش محتمل 4 ساعته زیرحوضهها Table 4. PMP in sub basins زیرحوضه basin Sub 1 کل حوضه Basin مقدار حداکثر بارش محتمل )میلی متر( Probability Maximum Precipitation )mm( Nash- Sutcliffe 11

4 جدول )( و )4( درصد اختالف مقادیر دبی پیک حجم سیل و زمان وقوع دبی اوج رویداد شبیهسازی را نسبت به سیل مشاهدهای را نشان میدهد. با توجه به این نتایج درصد اختالفها در مورد حجم سیالب و دبی اوج کمتر از 0 درصد است. بطوریکه درصد اختالف حجم سیالب برابر 0/ درصد و دبی اوج برابر 9/ درصد میباشد و ضریب کارایی مدل نیز 0/781 برای این رویداد بدست آمد که اعتبار مدل را از جهت بهینه بودن پارامترها نشان میدهد. همچنین در مورد رویداد 184/1/9 درصد اختالف حجم سیالب برابر 6/8 درصد و دبی اوج برابر 46 درصد میباشد و ضریب کارایی مدل نیز 0/659 بدست آمد. برای ارزیابی مدل واسنجی شده نیز از دو رویداد مورخ 176/1/5 و 171/1/1 استفاده و نتایج آن در جدول )5( ارائه شده است. نتایج ارزیابی مدل نشان میدهد اختالف دبی مشاهدهای و محاسبه شده توسط مدل در حد قابل قبول است. در مرحله بعد مقادیر دبی اوج و حجم سیالب برای دوره بازگشتهای مختلف و حداکثر سیل محتمل بدست آمد که نتایج در جداول )6( و )7( آمده است. با توجه به تعیین بهترین توزیع آماری برای دادههای مشاهدهای حداکثر دبی اوج محتمل این توزیع در نرمافزار HEC-SSP به نمایش درآمد. سپس با قرار دادن مقادیر متفاوت دوره بازگشت دبی اوج در برابر حداکثر سیل محتمل بدست آمده از مدل HEC-HMS عددی که متناظر با بود به عنوان دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل ایستگاه هیدرومتری اسکندری در خروجی حوضه تعیین شد. بر این اساس دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل برای کل حوضه آبخیز اسکندری برابر سال میباشد. بر این اساس میتوان معادالتی را ارائه داد که به راحتی بتوان را برای حوضههای همگن از نظر شرایط فیزیوگرافی اقلیمی هیدرولوژیکی محاسبه جدول - درصد اختالف مشخصههای سیل مشاهدهای و شبیهسازی در مرحله واسنجی برای رویداد 185/01/15 Table. Difference percent of the characteristics of estimated and observed flood in calibration stage for event15/1/185 تاریخ پارامتر مشاهدهای شبیهسازی اختالف درصد اختالف ضریب کارایی مدل Model efficiency coefficient %Difference Difference Estimated Observed Parameter Date )1000m ( Volumeحجم )s/m ( دبی اوج discharge Peak discharge peak difference Time اختالف زمانی دبی اوج )hr( 185/01/15 15/1/185 جدول 4- درصد اختالف مشخصههای سیل مشاهدهای و شبیهسازی در مرحله واسنجی برای رویداد 184/1/9 Table.4 Difference percent of the characteristics of estimated and observed flood in calibration stage for event9/1/184 تاریخ پارامتر مشاهدهای شبیهسازی اختالف درصد اختالف ضریب کارایی مدل Model efficiency coefficient %Difference Difference Estimated Observed Parameter Date )1000m ( Volumeحجم )s/m ( اوج dischargeدبی Peak discharge peak difference Time اختالف زمانی دبی اوج )hr( 184/1/9 9/1/184 جدول 5- ارزیابی مدل واسنجی شده با استفاده از دادههای مشاهدهای دو رویداد 176/1/5 و 17/1/1 Table.5 Evaluation of the calibrated model using two observed events 5/1/176 and1/1/17 تاریخ پارامتر مشاهده ای شبیه سازی اختالف درصد اختالف %Difference Difference Estimated Observed Parameter Date )1000m ( Volumeحجم )s/m ( اوج dischargeدبی Peak 176/1/ )1000m ( Volumeحجم )s/m ( اوج dischargeدبی Peak 17/1/1 1

5 زیر حوضه جدول 6- حجم سیالب حوزه آبخیز اسکندری )میلیون مترمکعب( Table.6 Volume of flood Eskandari watershed ( Mm ( سیل 100 ساله سیل 500 ساله سیل 1000 ساله سیل ساله flood year flood year 1000 flood year 500 flood year 100 basin Sub Basinکل حوضه جدول 7- دبی اوج سیالب حوزه آبخیز اسکندری )مترمکعب بر ثانیه( Table.7 Flood peak of Eskandari watershed )m /s ) سیل ساله سیل 1000 ساله سیل 500 ساله سیل 100 ساله flood year flood year 1000 flood year 500 flood year زیر حوضه basin Sub Basinکل حوضه 4.7 جدول 8- روابط محاسبه حجم و دبی اوج حداکثر سیل محتمل Table.8 peak and volume relations دوره بازگشت رابطه محاسبه حجم رابطه محاسبه دبی اوج relation calculate discharge peak relation calculate volume period Return 5.79Q T500 = Q V T500 = V 8.96Q T100 = Q 4.9Q T1000 = Q 4.45V T1000 = V Q T10000 = Q.6V T10000 = V V T100 = V 100 نمود. این روابط مطابق با جدول )8( قابل ارائه میباشند. بحث و نتیجهگیری همانطور که نتایج این تحقیق نشان داد در برآورد مشخصههای حداکثر سیل محتمل برای خروجی حوزه آبخیز اسکندری حداکثر بارش محتمل برابر 40/6 میلیمتر میباشد. طبق نتایج این بارش میتواند سیالبی با دبی اوج 079/5 مترمکعب بر ثانیه و حجم 178/1 میلیون مترمکعب در ایستگاه هیدرومتری اسکندری ایجاد کند. در نهایت برآیند اولویتبندی زیرحوضهها از نظر متوسط ارتفاع رواناب و دبی اوج ویژه سیل نشان نیز داد که بیشترین پتانسیل سیلخیزی حوضه مربوط به زیرحوضه دو میباشد. از شاخص RSS برای انتخاب بهترین توزیع آماری استفاده شد. نتایج نشان داد که بهترین توزیع آماری از نوع لوگ نرمال تیپ دو میباشد. در تحقیقات شاالبی ]7[ نیز توزیع لوگ نرمال نتایج بهتری را ارائه داد. بر اساس این توزیع در نرمافزار HEC-SSP دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل )که دبی اوج آن قبال از مدل HEC -HMS تعیین شده بود( با این توزیع آماری مشخص شد. بر این اساس دوره بازگشت حوزه آبخیز اسکندری برابر سال میباشد. بدین معنی که بطور میانگین هر سال حداقل یکبار احتمال وقوع چنین سیالبی وجود دارد. در تحقیقاتی که شاالبی ]7[ در منطقه آتالنیک از آمار 46 ایستگاه و بر اساس انواع توزیعهای آماری انجام دادند دوره بازگشت حداکثر سیل محتمل برابر سال بدست آمد. 1

6 4. Paymozd, Sh., Morid, S., and Ghaemi, H Probable Maximum Flood calculation in terms of the lack of statistics and data. Journal of Agriculture, 9(4): Ros, F. C., L. M. Sidek, N. N. N. Ibrahim and Abdul Razad, A. 008, Probable Maximum Flood () for the Kenyir Catchment, Malaysia. ICCBT D (1): Rousseau, A. N., Klein, I. M., Freudiger, D., Gagnon, P., Frigon, A., and Ratté-Fortin, C Development of a methodology to evaluate probable maximum precipitation (PMP) under changing climate conditions: Application to southern Quebec, Canada. Journal of Hydrology, 519, Shalby, A. L Estimating Probable Maximum Flood Probabilities. Water Resource Bulltin, 0(): بنابراین احتمال وقوع در زیرحوضههای باالدست اسکندری نیز از عدد بدست آمده )59674 سال( تبعیت میکند. با توجه به نتایجی که از این تحقیق حاصل شد بایستی به این نتیجه رسید که تحلیل فراوانی بارش و سیالب در حوزههای آبخیز امری ضروری است. داگالس ]1[ به این نکته اشاره دارد که تخمین احتمال در مطالعات اقتصادی و ارزیابی ریسک مفید میباشد. لذا شناسایی سیالبهای استثنایی نیز با استفاده از تحلیل دادههای بارش و سیل امکانپذیر است که تحقیق حاضر با این هدف انجام شد. منابع 1. Douglas, E. M., Barros, A. P., 00. Probable maximum precipitation estimation using multifractals: application in the eastern United States. J. Hydrometeorol. 4, Hanafi, A Evaluation of Probability Maximum Flood of Tabriz Achichai watershed using hydrologic modeling system. The first international conference on natural hazards and environmental crises in Iran, Strategies and challenges, Ardabil. Page 9.. Pandey, A., Chowdary, V. M., Mal, B. C., and Billib, M., 008. Runoff and sediment yield modeling from a small agricultural watershed in India using the WEPP model. Journal of Hydrology, 48:

7 نشریه علمی- پژوهشی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران Iran-Watershed Management Science & Engineering Vol. 1, No. 40, Spring 018 سال دوازدهم- شماره 40- بهار 197 Abstract (Technical Note) Determination of the Return Period for Probability Maximum Flood Using HEC-HMS Model and Statistical Methods in the Eskandari Watershed M. Khademi 1, S. Soltani-Gerdefaramarzi and M. Ghasemi Received:016/09/10 Accepted : 017/05/0 In this study, Probable Maximum Precipitation (PMP) and the corresponding return period were estimated. Then HEC-HMS model was calibrated to estimate the characteristics of the in the Eskandari watershed, branch of Zayandehroud River. Firstly, using Hirschfield method and statistical distribution, maximum 4-hour rainfall amounts in different return periods were determined as well as PMP. Then, the next step by using two events with the best model efficiency coefficient, HEC-HMS model calibrated and then the model evaluated by two various other events and was obtained acceptable results. Also, the estimation of characteristics showed that precipitation of 40.6 mm and year return period can generate flood peak of m /s and volume of Mm. Keywords: Runoff, Curve number,, Eskandari watershed, Return period 1. M. Sc. Student, Collage of Agriculture and Natural Rresource, Ardakan University..Assistant Professor, Collage of Agriculture and Natural Rresource, Ardakan University. Corresponding Author ssoltani@ardakan.ac.ir. PhD Student of Water Engineering, Collage of Agriculture, Isfahan University of Technology. Iran-Watershed Management سال دوازدهم- شماره 40- بهار 197 Science & Engineering 14 1 علوم 018 وSpring مهندسی,40 No. آبخیزداری,1 ایران Vol.