علوم آب و خاک

یکی از روابط مهمی که در تخمین سیلاب¬ها و دبی رودخانه¬ها با دوره بازگشت‌‌های مختلف مورد استفاده قرار می¬گیرد، رابطه شدت- مدت- دوره بازگشت (IDF) است که دقت آن و نحوه محاسبه پارامتر‌های موجود در آن، وابسته به وجود داده‌‌های بارش کوتاه مدت (۱۵، ۳۰، ۶۰، ۱۲۰ و غیره دقیقه‌ای) برای یک دوره آماری طولانی (به¬طور مثال ۳۰ ساله) است. متأسفانه در بسیاری از ایستگاه‌های باران‌سنجی، چنین داده‌هایی وجود ندارد و آمار بارندگی¬ها تنها بصورت ۲۴ ساعته در دسترس است. جهت تبدیل حداکثر بارش ۲۴ ساعته به کوتاه مدت در ایران، از روابط تجربی مختلفی استفاده می¬شود که یکی از آنها رابطه سازمان هواشناسی هندوستان (IMD) است که دقت آن در برخی نقاط دنیا پایین است. در این پژوهش، در ابتدا رابطه سازمان هواشناسی هندوستان (IMD) به یک رابطه ساده تک متغیره تبدیل شده و سپس این متغیر برای تعدادی از ایستگاه‌های باران‌سنجی که بارش‌های کوتاه مدت آن نیز در دسترس می¬باشد، بدست آمده است. بدین منظور حداکثر بارش‌های ۳، ۶، ۱۲ و ۲۴ ساعته استخراج و سپس با استفاده از رابطه ویبول و گامبل دوره بازگشت‌‌های مختلف آنها محاسبه شده است. درنهایت با استفاده از رگرسیون داده‌‌های واقعی و محاسباتی، متغیر رابطه تغییریافته IMD محاسبه شده است. نتایج نشان داد که اگرچه توان رابطه هندوستان ۰/۳۳ است، اما این متغیر برای ایستگاه‌های مورد مطالعه متفاوت بوده و دامنه تغییراتی بین ۰/۲۸ تا ۰/۳۵ دارد. جهت مقایسه نیز، رابطه IDF حوضه کردان بدست آمده و سپس نتیجه آن با مقادیر واقعی و رابطه‌ای که قهرمان پیشنهاد داده است و کاربرد زیادی هم در ایران دارد، مقایسه شده است. نتایج نهایی نشان داد که رابطه تغییریافته (IMD) با وجود سادگی و اتکای آن تنها به یک پارامتر، نتایج بسیار بهتری نسبت به روابط پیچیده قهرمان بدست می¬دهد که می¬تواند پس از واسنجی با دقت قابل قبولی در حوضه‌‌های مختلف ایران مورد استفاده قرار گیرد.

اساس آمایش سرزمین پهنه‌بندی ژئومورفولوژیک سطح زمین است که بر مبنای خصوصیات ژئومورفولوژیک یکسان پهنه‌بندی تعیین می‌شود. پهنه‌هایی که از نظر ژئومورفولوژیک همگن هستند، می‌توانند با یک روش مدیریت شوند. پهنه‌بندی سطح زمین، تشخیص عوارض زمین به‌وسیله ویژگی‌های اساسی سطح مانند ارتفاع، شیب و جهت شیب است. در این مطالعه به‌منظور تشخیص محدوده‌های مناسب برای تغذیه مصنوعی در منطقه کوهستانی گهر و دشت گربایگان در استان فارس، از پهنه¬بندی کمّی سطح زمین با استفاده از ضرایب کمّی نسبت به سطح زمین استفاده گردیده است. پهنه‌بندی سطح زمین به روش کمّی با کمک ضرایب ایوانس- شری به دلیل تعیین و تفکیک دقیق تیپ‌ها، رخساره‌ها و عوارض سطحی زمین نقش مهمی در تعیین دقیق‌ترکاربری اراضی دارد. در این پژوهش از مدل‌های بنیادی شامل مدل‌های خطی، دایره‌ای و واگرا استفاده شده است که این مدل‌های بنیادی با ابعاد پنجره‌های نه¬تایی در رتبه درجه‌ دو در نرم‌افزار متلب به سطح زمین برازش داده و به‌منظور تعیین میزان برازش این مدل‌ها از پارامتر مجموع اختلاف مربعات استفاده شده است. علاوه بر این، با استفاده از منطق فازی میزان مناسب¬بودن محدوده مورد مطالعه برای پخش سیلاب در پنج کلاس مختلف طبق¬بندی شد که مناسب¬ترین و نامناسب¬ترین منطقه برای تغذیه به ترتیب امتیاز ۲۰ و ۰ دارا هستند. مناسب¬ترین مناطق برای تغذیه مصنوعی در پایین¬دست مخروط¬ها امتیاز ۲۰ دارد و کلاس نامناسب مربوط به دشت¬های پایینی مخروط افکنه¬ها حداقل امتیاز در منطق فازی که معادل صفر است را دارد.

در دهه‌های اخیر افزایش جمعیت، گسترش شهرنشینی، تغییرات محیطی شهرها و مسائل ناشی از آن ‌یکی از موضوعات مهم در برنامه‌ریزی صحیح به‌منظور مدیریت محیط زیست شهری است. یکی از مسائل مطرح در توسعه شهری، موضوع  وقوع سیلاب و آب‌گرفتگی ناشی از بارندگی‌های شدید است. در این پژوهش به مدل‌سازی سیلاب در مسیل زرکش مشهد پرداخته شد. در این راستا با استفاده از آمار بیشترین بارش ۲۴ ساعته سه ایستگاه¬ باران¬سنجی نزدیک‌تر به حوضه مسیل زرکش جاغرق، سرآسیاب و طرقبه طی سال¬های آماری ۱۳۶۴ الی ۱۳۹۰، مقدار بارش به ازاء دوره بازگشت‌های۱۰، ۲۵، ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ سال توسط نرم‌افزار CumFreq استخراج شد. سپس میزان دبی پیک از روش بارش- رواناب سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) محاسبه شد. مسیل زرکش در حاشیه شهر مشهد است که مدل‌سازی جریان رودخانه و سیلاب با استفاده از نرم¬افزارهای Arc GIS ، HEC-GEORAS و HEC-RAS در دو شرایط عدم وجود سازه (پل) و وجود سازه انجام گرفت. از طرفی توسعه شهری و تغییر کاربری اراضی در این منطقه بدلیل حاشیه نشینی شهری گسترش زیادی یافته است. نتایج شبیه‌سازی سیلاب نشان داد سطوح سیل‌گیری با دوره بازگشت ۵۰ سال، در شرایط وجود سازه نسبت به حالت بدون سازه به میزان ۵۰ هزار مترمربع معادل ۲۲ درصد افزایش می‌یابد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که احداث پل بر روی رودخانه، ضریب زبری ناشی از تغییر کاربری و شماره منحنی بدلیل تغییر نفوذپذیری اراضی بر پهنه سیلاب تأثیرگذار هستند.

بررسی آمار خسارت سالانه ناشی از وقوع سیلاب‌ها در ایران و جهان بیانگر گستردگی صدمات ناشی از سیلاب به منابع طبیعی و انسانی مناطق مختلف است. تعیین پهنه سیلابی رودخانه‌ها در راستای صیانت از منابع ملی و کاهش خسارات سیل، امکان حفاظت رودخانه در مقابل دست‌اندازی و احداث هرگونه تأسیسات غیرمجاز در آن را فراهم می‌سازد. از این‌رو در تحقیق حاضر به‌منظور ارزیابی قابلیت مدل‌های عددی در شبیه‌سازی پهنه سیلابی رودخانه‌ها بازه‌ای از رودخانه قوشقرای آذرشهر با استفاده از مدل هیدرولیکی دوبعدیHEC-RAS ۵,۰.۷ و مدل یک‌بعدی HEC-RAS شبیه‌سازی و مقایسه شد. تغییرات مشخصه‌های هیدرولیکی جریان سیلابی شامل عمق، سرعت در مقاطع عرضی مختلف در مدل‌ها مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که نتایج تراز سطح آب (عمق جریان) مدل دوبعدی HEC-RAS نسبت به مدل یک‌بعدی، کمترین خطا را در مقایسه با سایر پارامترهای هیدرولیکی جریان سیلابی دارد. مدل دوبعدی HEC-RAS، بیشترین میزان خطا را در پارامتر سرعت جریان با مدل یک‌بعدی نشان داد. به‌علاوه مدل دوبعدی HEC-RAS ۵.۰.۷، سطح پهنه سیل‌گیر را ۱۲/۴۶ درصد بیشتر از مدل یک‌بعدی HEC-RAS نشان می‌دهد که تطبیق پهنه‌های حاصل روی وضع موجود رودخانه و مقایسه با عکس هوایی سال ۱۳۴۶ رودخانه، گویای دقت بالاتر مدل دوبعدی HEC-RAS در تخمین پهنه‌ سیلابی رودخانه است.

مدل‌های هیدرولوژیک برای ارزیابی و پیش¬بینی میزان آب قابل استحصال حوضه‌ها، تحلیل فراوانی سیل و تدوین استراتژی¬های مقابله با سیلاب‌ها روز به روز در حال گسترش است. در این مطالعه از مدل HEC-HMS  و الحاقیه‌های HEC-GeoHMS وArc Hydro  در محیط ArcGIS برای شبیه‌سازی هیدروگراف‌های سیلاب طراحی در حوضه آبریز آیدوغموش واقع در شمال غرب ایران استفاده شد. برای محاسبه تلفات بارش، تبدیل بارش به رواناب، روندیابی و جریان پایه به‌ترتیب از روش -CN SCS، -UH SCS، ماسکینگهام و مدل ثابت ماهانه استفاده شد. در واسنجی مدل با دو رخداد واقعی سیل، میانگین مقادیر قدر مطلق باقیمانده‌ها، مجموع مربع باقیمانده‌ها و مجذور پیک وزنی میانگین مربعات خطا، برای حجم سیلاب به‌ترتیب برابر ۲/۷۵، ۵/۹۱ و ۵/۳۲ و برای دبی اوج به‌ترتیب برابر ۸/۹، ۸/۰ و ۸/۰  به‌دست آمد. صحت‌سنجی مدل نیز با مقدار یک درصد خطا در دبی اوج و ۱۹ درصد خطا در حجم سیلاب مناسب ارزیابی شد. برای بارش‌های حداکثر ۲۴ ساعته، توزیع لوگ پیرسون تیپ ۳ به‌عنوان مناسب‌ترین توزیع در نرم‌افزار SMADA تعیین و بارش‌های طراحی با دوره‌های بازگشت مختلف استخراج شد. به این ترتیب برای دوره بازگشت ۲ تا ۱۰۰۰ سال دبی اوج و حجم سیلاب طراحی به‌ترتیب برابر ۱۸/۸ تا ۴۱۵/۶ مترمکعب بر ثانیه و ۵/۷ تا ۸۷/۹ میلیون مترمکعب شبیه‌سازی شد.

امروزه در پی تغییر اقلیم و گرم‌شدن کره زمین و باتوجه‌به تغییراتی که در نوع بارش‌ها اتفاق افتاده و عموماً از برف به باران تبدیل شده، مشکلات مربوط به سیل و آبگرفتی به‌ویژه در مناطق شهری افزایش یافته و به دنبال آن توجه به مدل‌های شبیه‌سازی بارش – رواناب به‌منظور مدیریت، کاهش و حل این مشکلات نیز افزایش یافته‌است. در این پژوهش با استفاده از نرم‌افزار SewerGEMS، سناریو‌های مختلف با هدف عملکرد این مدل باتوجه‌به مساحت و تعداد زیر‌حوضه‌ها (۲ و ۸)، دوره‌های بازگشت مختلف (۲ و ۵ساله) و همچنین مقایسه چهار روش محاسبه زمان تمرکز (SCSlag، Kirpich، Bransby Williams، Carter) برای شبیه‌سازی هیدروگراف سیلاب در شهر شهرکرد بررسی شد. نتایج حاکی از آن است که با تغییر دوره بازگشت از ۲ به ۵ سال، دبی اوج تقریباً در همه سناریو‌ها افزایش یافته‌است. همچنین باتوجه‌به میزان خطای پیوستگی محاسبه‌شده، روش Kirpich در برآورد زمان تمرکز برای تعداد زیر‌حوضه‌های بیشتر با مساحت‌های کوچکتر، ارجحیت دارد. برای سناریوی ۲ زیر‌حوضه، ۴ درصد برای دوره بازگشت ۲ ساله و ۱۹ درصد برای دوره بازگشت ۵ ساله، میزان خطای پیوستگی محاسبه شده‌است. روش SCSlag در برآورد زمان تمرکز برای تعداد زیر‌حوضه‌های کمتر با مساحت‌های بزرگتر، ارجحیت دارد. در سناریوی ۸ زیر‌حوضه، ۱۶درصد برای دوره بازگشت ۲ ساله و ۱۱ درصد برای دوره بازگشت ۵ساله، محاسبه شده ‌است.

رواناب شهری به‌دلیل شهرنشینی و تغییرات آب‌وهوایی به‌عنوان یک مسئله جدی دارای اهمیت است و به این دلیل توجه به مدل‌های شبیه‌سازی بارش - رواناب برای مدیریت و کاهش پیامدهای ناگوار مهم است. در پژوهش حاضر با استفاده از نرم‌افزار SewerGEMS، حالت‌های مختلف برای بررسی عملکرد این نرم‌افزار بر اساس تعداد و مساحت زیرحوضه‌ها در دو حالت نه و هفده زیرحوضه و مدت بارندگی مختلف ۶ و ۱۲ ساعته و همچنین مقایسه عملکرد سه روش محاسبه زمان تمرکز (کرپیچ، برنس‌بای - ویلیامز، کارتر) به‌منظور شبیه‌سازی هیدروگراف سیلاب در شهر میناب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که میزان حجم کل رواناب تولیدی در حالت نه زیرحوضه، ۴ درصد نسبت به حجم کل رواناب تولیدی در حالت هفده زیرحوضه بیشتر است. همچنین مقدار بیشینه دبی اوج رواناب در حالت نه زیرحوضه، ۲۰ درصد نسبت به بیشینه دبی اوج رواناب در حالت هفده زیرحوضه بیشتر است. همچنین برای محاسبه زمان تمرکز از سه روش کرپیچ، برنس‌بای - ویلیامز و کارتر استفاده شد که نتایج نشان داد، میزان خطای پیوستگی نرم‌افزار در همه حالت‌ها برای روش برنس‌بای - ویلیامز کمتر از دو روش دیگر است و روش کارتر بیشترین خطای پیوستگی را دارد. اما از آنجایی که مقدار زمان تمرکز محاسبه شده از این روش در بعضی از زیرحوضه‌ها بیشتر از مدت بارندگی ۶ ساعته است، بین داده‌های دبی اوج حاصل از روش کرپیچ و روش برنس‌بای – ویلیامز، آزمون t-Test انجام شد و باتوجه‌به اینکه داده‌های دو روش در سطح ۹۵ (۰/۰۵ >p) درصد با یکدیگر اختلاف معناداری نداشته و همچنین روش کرپیچ برای محاسبه زمان تمرکز در حوضه‌های کوچک کاربرد خوبی دارد، برای محاسبه زمان تمرکز در حالت مقایسه بین دو حالت نه و هفده زیرحوضه از روش کرپیچ استفاده شد. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده مشاهده شد که با ادغام زیرحوضه‌ها و کاهش تعداد آن‌ها از هفده به نه زیرحوضه و در نتیجه افزایش مساحت زیرحوضه‌ها، حجم کل رواناب تولیدی از حدود ۱۲۳۸۳۹ مترمکعب به ۱۲۸۴۴۶ مترمکعب و بیشینه دبی اوج رواناب از حدود ۲/۴۰۰ مترمکعب بر ثانیه به ۲/۸۸۴ مترمکعب بر ثانیه می‌رسد که نشان‌دهنده افزایش حجم کل رواناب تولیدی و بیشینه دبی اوج رواناب است.