مدل SWMM

یکی از پرکاربردترین مدل های شبیه سازی هیدرولوژیکی و هیدرولیکی جریان در شبکه دفع آبهای سطحی شهری، مدل SWMM است. این مدل همچون سایر مدل های جامع، در برگیرنده دامنه گسترده ای از داده ها و اطلاعات ورودی است. در چنین شرایطی احتمال دارد به دلیل عدم دسترسی به داده های واقعی یا پایین بودن دقت اندازه گیری آنها، نتایج مدل چندان قابل اطمینان نباشند. میزان این عدم قطعیت بسته به حساسیت مدل به داده های ورودی متفاوت است. هدف از پژوهش حاضر بررسی حساسیت مدل SWMM به الگوها و زیرمدل های مورد استفاده در آن می باشد. بدین ترتیب که ضمن بررسی تاثیر 5 تیپ توزیع مصنوعی الگوی بارندگی، 4 طول گام زمانی تعریف داده های بارش، 3 مدل نفوذپذیری و نهایتا 2 روش روندیابی هیدرولیکی بر دبی حداکثر سیلاب، حساسیت مدل به این الگوها و زیرمدل ها مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. به منظور تحلیل حساسیت مدل، از دو روش گرافیکی و آنالیز همبستگی استفاده گردید. بر اساس نتایج حاصله، بیشترین حساسیت مدل به طول گام های زمانی بارندگی تشخیص داده شد که در آن با تغییر گام زمانی از 15 دقیقه به 90 دقیقه، دامنه تغییرات نسبی دبی اوج به 5/26 % و 5/37 % هم رسید. بعد از آن مدل، با ضرایب اسپیرمن حدود 1، نسبت به معادله نفوذ انتخابی، از بیشترین حساسیت برخوردار بود اما میزان حساسیت مدل به تیپ الگوی توزیع بارندگی، بسته به شرایط تعریف شده برای شبیه سازی، متغیر تشخیص داده شد.

در مناطق شهری بخش زیادی از زمین به وسیله سطوح نفوذ ناپذیر پوشیده شده که این امر منجربه تشکیل رواناب سطحی و باعث بروز سیل و آب گرفتی در سطح شهرها می شود. برای انجام این تحقیق که در منطقه 12 شهرداری تهران انجام شد با استفاده از پارامتر بارندگی و ویژگی های فیزیکی حوزه از طریق مدل هیدرولوژی – هیدرولیکی، SWMM میزان رواناب سطحی در دوره بازگشت های مختلف برای سه کانال خیام، شهرداری و 17 شهریور در منطقه مورد مطالعه برآورد گردید. سپس از طریق 4 رخداد بارندگی در روزهای 21/8/94، 10/9/94، 20/11/94 و 30/1/95، مدل با استفاده از 3 آماره نش-ساتکلیف، ریشه مربع خطا و BIAS مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج نشان از کارایی مدل در برآورد رواناب سطحی دارد. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت نشان داد که درصد مناطق نفوذ ناپذیر بیشترین تاثیر و درصد مناطق نفوذ ناپذیر بدون ذخیره سطحی کمترین تاثیر را در ایجاد دبی های اوج دارند. از آنجایی که تونل 17 شهریور در شرقی ترین قسمت منطقه مورد مطالعه توان عبور رواناب با دوره بازگشت 20 سال به بالا را ندارد لذا ابعاد کانال باید مورد بازنگری قرار گیرد که از روش سعی و خطا حالت بهینه توان عبور جریان از کانال برآورد گردید. به طور کلی می توان نتیجه گرفت که مدل SWMM دقت مورد نیاز برای شبیه سازی رواناب شهری و به تبعیت از آن طرح های مدیریت رواناب شهری و طراحی شبکه جمع آوری آب های سطحی در مناطق شهری را دارد.

هدف این پژوهش شبیه سازی جمع آوری رواناب ناشی از رژیم های نامنظم بارندگی و رخداد کل بارش سالیانه در مناطق خشک می باشد. شبیه سازی با استفاده از مدل های هیدرولوژیکی در شهرستان اسلامشهر با اقلیمی خشک انجام شده است. دادهه های مورد استفاده شامل کلیه لایه های مربوط به زیرساخت های شهری سطحی و زیرسطحی جمع آوری رواناب می باشد که از منابع داده های مکانی در نرم افزار ARCGIS تهیه شده است. روش پژوهش در محاسبه رواناب اسلامشهر مدل SCS(CN) در بازه سال های 2005 و 2011 می باشد در این راستا  ابتدا مسیر هدایت و جمع آوری رواناب بر اساس داده های ارتفاعی و مشاهدات میدانی تعیین گردید و سپس میزان رواناب تولید شده در هر حوضه ارزیابی و هندسه کانال های آن با مدل شبیه سازی رواناب جوی باغچه در نرمافزار SWMM محاسبه شده است. نوآوری پژوهش شامل ترکیب مدل SCS(CN)   در تولید رواناب و مدل جوی باغچه در محیط SWMM می باشد که شیوه ای نو برای جمع آوری رواناب در بهترین نقطه تمرکز را ارائه نموده است به طوری که حداکثر رواناب تولید شده در حوضه های  3، 4 و 5 اسلامشهر وجود دارد. از طرف دیگر رواناب از حوضه های بالادست نیز به آن افزوده می شود لذا بهترین خروجی برای جمع آوری رواناب می باشد. همچنین مدل جوی باغچه به دلیل کاهش رواناب، پتانسیل آسیب پذیری اسلامشهر را در مواجه با خطرات رواناب شهری کاهش می دهد.

در این پژوهش گره های سیل گیر شبکه زهکشی در حوضه شهری خاکو (فقیره – خضر) همدان با استفاده از مدل SWMM واسنجی و ارزیابی شد. نتایج نشان داد مقادیر نفوذ و ارتفاع رواناب بارش طرح در روش SCS به ترتیب برابر 86/50 و 14/16 میلی متر می باشد و بیانگر این است که روش SCS مقادیر نفوذ و رواناب را برای آبخیز شهری همدان دقیق تر ارزیابی نموده واز کارایی قابل قبولی برخوردار است . نتایج نشان می دهد که از کل بارش 120 میلی متری، مقدار 33 میلی متر مربوط به تلفات نفوذ و 87 میلی متر مربوط به رواناب سطحی بوده و حجم جریان معادل 41/2 میلیون مترمکعب می باشد که 98/1 میلیون مترمکعب مربوط به زیرحوضه فقیره و 43/0 میلیون مترمکعب مربوط به زیرحوضه خضر است. با توجه به ضریب کارایی NS که برای دبی اوج 66/0 و برای حجم سیلاب 73/0 محاسبه شده و اعداد قابل قبولی است. نتایج نشان داد که بیشترین مقدار حجم رواناب بارش طرح با 28/1 میلیون متر مکعب مربوط به زیرحوضه فقیره به دلیل توسعه فیزیکی شهر همدان در سال های اخیر در این زیرحوضه و کمترین مقدار با 46/0میلیون مترمکعب مربوط به زیر حوضه خضرخاکو است. نتایج این پژوهش نشان داد که کاربری های مسکونی بیشترین سهم را در پتانسیل سیل خیزی محدوده مطالعاتی دارد.

توسعه شهری و صنعتی شدن جوامع و همچنین عدم وجود سیستم زهکشی مناسب و نابسامانی کانال ها و مسیل ها تأثیرات نامطلوبی بر حوزه های شهری داشته و سبب آبگرفتگی معابر سطح شهر و ایجاد سیلاب می گردد. در این تحقیق که در منطقه ای از شهر کلات انجام شد، ابتدا مشخصات فیزیکی حوزه (مساحت، شیب، عرض معادل، درصد مناطق نفوذناپذیر و سایر پارامترها) برآورد و پس از تعیین سرعت متوسط آب، زمان تمرکز منطقه موردمطالعه با توجه به طول بزرگ ترین آبگذر تعیین گردید. سپس با استفاده از پارامترهای بارندگی همچون شدت- مدت- فراوانی و توزیع زمانی و مکانی بارش مدل مذکور برای دوره بازگشت های مختلف شبیه سازی، آنالیز حساسیت و ارزیابی گردید. با انجام آنالیز حساسیت مشخص شد از بین 8 پارامتر استفاده شده بیشترین تأثیر را درصد مناطق نفوذناپذیر روی میزان دبی اوج دارد. برای واسنجی و ارزیابی مدل از 5 واقعه اندازه گیری شده استفاده شد و نتایج آن با دبی محاسبه شده توسط مدل مقایسه شد. سه واقعه برای واسنجی مدل استفاده شد و جهت تجزیه وتحلیل نتایج از عوامل معیار  Nash،RMSE ،BIAS% و KGE استفاده گردید. نتایج حاصل از واسنجی مدل نشان داد که شبیه سازی سه واقعه انتخاب شده انطباق خوبی بین رواناب شبیه سازی شده و مشاهده ای وجود دارد که مقدار NS برای وقایع بیشتر از 0.5 می باشد. دو واقعه نیز برای ارزیابی مدل استفاده شد و جهت تجزیه وتحلیل نتایج از عوامل معیار ذکر شده در مرحله واسنجی استفاده شد. همچنین مقادیر RMSE برای وقایع شبیه سازی حاصل از واسنجی مدل SWMM به ترتیب برابر 0.01، 0.003 و0.01 مترمکعب بر ثانیه و برای وقایع شبیه سازی حاصل از ارزیابی مدل 0.04،0.04 مترمکعب بر ثانیه شد که نشان دهنده ی نتایج قابل قبول مدل است. درنتیجه می توان گفت انطباق خوبی بین رواناب شبیه سازی شده و مشاهده ای وجود دارد و این موضوع نشان می دهد که مدل SWMM  دقت موردنیاز برای شبیه سازی رواناب شهری را دارد و می توان از این مدل برای طرح های مدیریت رواناب شهری و طراحی شبکه زهکشی رواناب شهری با تعیین اثرات مهم ترین پارامترهای تأثیرگذار بر میزان رواناب شهری در منطقه موردمطالعه استفاده نمود. با توجه به اینکه حوزه آبخیز بالادست منطقه مطالعاتی نفوذپذیری مناسبی داشته و همچنین وسعت زیادی ندارد کانال ها برای دوره بازگشت های 2 تا 50 ساله دارای ابعاد مناسب هستند.