مدل HEC-HMS

تعیین مناطق مولد سیل و اولویت بندی زیرحوضه ها از نظر پتانسیل سیل خیزی می تواند در مدیریت بهتر آبخیزهای بزرگ، نقش مهمی داشته باشد. حوزه آبخیز مارمه به علت وقوع سیل های متعدد در آن، جهت این تحقیق انتخاب شد. در این مقاله با تلفیق GIS و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، بر اساس روش SCS CN میزان سهم هر کدام از زیرحوضه ها در سیل کل حوضه، تعیین شده است. به این منظور با استفاده از روش تکرار حذف انفرادی زیرحوضه ها در محیط مدل HEC-HMS، زیرحوزه های آبخیز مارمه از نظر پتانسیل سیل خیزی اولویت بندی شده اند. نتایج حاصل نشان می دهند که سهم زیرحوضه ها در پتانسیل سیل خیزی کل حوضه، تنها تحت تاثیر مساحت آن ها نیست و عواملی چون موقعیت مکانی زیرحوضه ها و روندیابی سیل در رودخانه اصلی نیز در رژیم سیلابی حوضه تاثیر مهمی دارند. در نهایت مشاهده شد که زیرحوضه جوچین، بیشترین سهم را در سیل کل حوضه دارد و زیرحوضه چال سرباز دارای کمترین پتانسیل سیل خیزی می باشد.

در مدیریت یکپارچه حوضه های آبریز، پیش بینی، مهار و کاهش خسارت های ناشی از سیل اهمیت ویژه ای دارد. با اقدامات مناسب می توان شدت خسارات ناشی از سیل در حوضه را کاهش داده و در برنامه ریزی، طراحی و پیاده سازی سیستم هشدار سیل استفاده کرد. حوضه آبریز رودخانه کشکان واقع در استان لرستان دارای پتانسیل بالای سیل خیزی می باشد. در این پژوهش سعی شده است با کمک مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، میزان رواناب حاصل از بارش در این حوضه را شبیه سازی نمود. در این راستا، ابتدا مدل HEC-HMS توسط داده های ثبت شده بارش-رواناب روزانه طی دوره ترسالی، واسنجی و پارامترهای موردنیاز بهینه شدند. سپس کارآیی این مدل در پیش بینی سیلاب های تاریخی (با دوره بازگشت های 2 تا 1000 ساله) با وارد نمودن بارش با دوره بازگشت های مختلف به عنوان ورودی مدل، موردبررسی قرار گرفت. برای مقایسه نتایج مدل، تحلیل فراوانی سیلاب داده های حداکثر دبی لحظه ای ثبت شده در ایستگاه هیدرومتری نیز انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان داد که مدل HEC-HMS دارای کارآیی بالایی در شبیه سازی رواناب روزانه طی دوره ترسالی و همچنین در حداکثر دبی لحظه ای سیلاب به ازای دوره بازگشت های کمتر از 300 سال را دارد. لذا به خوبی می توان از این مدل هیدرولوژیکی در شبیه سازی رواناب روزانه و حداکثر دبی لحظه ای سیلاب به ازای دوره بازگشت های کوچک در حوضه موردمطالعه استفاده نمود. اما به ازای دوره بازگشت های بالاتر از 300 سال، فاصله بین دبی های سیلاب پیش بینی شده توسط مدل با مقادیر به دست آمده از تحلیل فراوانی بیشتر می شود. بنابراین برای پیش بینی سیلاب های تاریخی بزرگ توسط مدل HEC-HMS، باید ضریب اطمینان لازم را منظور و یا با توجه به عوارض ژئومورفولوژیک که شواهد عینی شرایط هیدرولوژیک حاکم بر رودخانه طی دوران متمادی می باشند، ضریب اصلاحی لازم را برای افزایش دقت مدل اعمال نمود.

برای ارزیابی سیل خیزی حوضه مطالعاتی و شبیه سازی بارش- رواناب از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS و اکستنشن HEC-GeoHMS در بستر نرم افزار ArcGIS بهره گرفته شد. برای تهیه نقشه خطر سیلاب (سیل گیری) حوضه ی مطالعاتی 10 متغیر موثر بر وقوع سیلاب با کاربست منطق فازی در بستر سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) ترکیب شدند. در راستای اهداف تحقیق از نقشه های زمین شناسی، تصاویر DEM، تصاویر ماهواره ای Sentinel-2 و Google Earth، نقشه گروه های هیدرولوژیک خاک، داده های اقلیمی و هیدرومتری همراه با هیدروگراف ها و هایتوگراف های حوضه مطالعاتی بهره گرفته شد. نتایج نشان دهنده کارایی بالای رویکرد مورد استفاده در شناسایی پهنه های سیل خیز و سیل گیر می باشد. مناطق سیل خیز منطبق بر زیرحوضه های قسمت های میانی حوضه آبریز زنوزچای می باشند. وجود سازندهای زمین شناسی و خاک های با نفوذپذیری اندک، شیب زیاد، فقدان یا ضعف پوشش گیاهی، زمان تمرکز و زمان تاخیر اندک از جمله مهم ترین دلایل بالا بودن رواناب و هدایت سریع رواناب های ناشی از بارش در این زیرحوضه هاست. پهنه های سیل گیر منطقه مطالعاتی عمدتا منطبق بر دشت های سیلابی مجاور آبراهه های اصلی و راس مخروط افکنه زنوزچای می باشند. مجاورت با رودخانه، شیب ملایم، تراکم زهکشی بالا، مقادیر پایین شاخص تحدب سطح زمین، مقادیر بالای شاخص عمق دره و به هم پیوستن دو آبراهه اصلی حوضه مطالعاتی، پخش سیلاب در این پهنه ها را مساعدت می کنند. وجود مناطق مسکونی در مجاورت آبراهه های اصلی منطقه و مکان گزینی تمامی یا بخشی از آنها بر روی دشت های سیلابی منطقه، خطرات ناشی از سیلاب را به طور قابل توجهی افزایش داده است.

در پژوهش حاضر خطر سیلاب در سطح حوضه آبریز قلعه چای مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. برای پهنه بندی خطر سیلاب هشت متغیر شامل ارتفاع، شیب، تحدب سطح زمین، عمق دره، تراکم زهکشی، فاصله از رودخانه، کاربری اراضی و پوشش گیاهی با کاربست منطق فازی در بستر سیستم اطلاعات جغرافیایی ترکیب شدند. کاربرد منطق فازی برای پهنه بندی سیلاب شامل دو گام اساسی نرمال سازی لایه ها با استفاده از توابع مختلف فازی ساز و روی هم گذاری فازی آنها می باشد. برای روی هم گذاری فازی لایه های مربوطه از اپراتور گامای فازی استفاده شد. همچنین، برای ارزیابی تولید رواناب در سطح حوضه از شبیه سازی بارش- رواناب با مدل HEC-HMS استفاده گردید. بر اساس نقشه پهنه بندی خطر سیلاب با کاربست گامای فازی در حدود 7/7 درصد از سطح حوضه از خطرپذیری بسیار بالایی نسبت به سیلاب برخوردار است. پهنه های مذکور عمدتا منطبق بر دشت های سیلابی حاشیه رودخانه بوده که بستر سکنی گزینی و فعالیت های انسانی منطقه می باشند. این امر، باعث افزایش مخاطره سیلاب در سطح حوضه مطالعاتی شده و آسیب پذیری جوامع ساکن حوضه را به شدت افزایش می دهد. شبیه سازی بارش- رواناب نشان می دهد که بارش های با دوره بازگشت بالاتر می توانند باعث ایجاد دبی های سیلابی شوند. زیرحوضه های میانی حوضه به دلیل عواملی مانند پوشش گیاهی ضعیف، گستردگی زیاد خاک های گروه D، شماره منحنی (CN) بالا، فراوانی برونزدهای سنگی، شیب زیاد، کشیدگی اندک، زمان تمرکز و تاخیر پایین از سیل خیزی بالایی برخوردار می باشند.

سیلاب ها جزو فراوان ترین و مخرب ترین بلایای طبیعی هستند که همه ساله موجب خسارات جانی و مالی سنگینی می شوند. خسارت های سیلاب به دلیل دستکاری انسان در سیستم های رودخانه ای و ساخت و ساز در حریم رودخانه ها دارای روند صعودی است. در این رابطه، یکی از مهم ترین اقدامات غیرسازه ای در جهت کاهش خسارات سیلاب تهیه نقشه های پهنه بندی خطر سیل و استفاده از آنها در برنامه ریزی های مکانی است. در پژوهش حاضر خطر سیلاب در حوضه آبریز نیرچای واقع در استان اردبیل مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا، از مدل HEC-HMS برای شبیه سازی بارش- رواناب و شناسایی پهنه های سیل خیز و از منطق فازی به منظور روی هم گذاری لایه های موضوعی و تهیه نقشه خط سیلاب استفاده شد. نتایج شبیه سازی نشان دهنده کارایی بالای مدل HEC-HMS در شبیه سازی بارش- رواناب حوضه آبریز نیرچای و برآورد دبی های پیک سیلاب می باشد. تبدیل بارش به رواناب در سطح حوضه نیرچای عمدتا در کنترل ژئومورفومتری و پوشش زمین می باشد. بیشترین ارتفاع رواناب و دبی های پیک حوضه نیرچای در زیرحوضه های بالادست است. این امر به دلیل شیب زیاد، نفوذپذیری اندک خاک، فراوانی سطوح غیرقابل نفوذ و CN بالاست. ترکیب لایه های موضوعی با استفاده از منطق فازی نشان داد که در حدود 6/8 درصد از سطح حوضه در پهنه های با خطر بسیار بالای وقوع سیلاب واقع شده اند. این پهنه ها عمدتا منطبق بر دشت سیلابی رودخانه نیرچای می باشند. این اراضی به علت کم عرض بودن دره و شیب کم همیشه در معرض سیلاب هستند. اکثر سکونتگاه های منطقه مطالعاتی در پایین دست حوضه مستقر شده اند. این امر باعث افزایش مخاطرات ناشی از سیلاب شده است.

سیلاب ها جزو فراوان ترین و مخرب ترین بلایای طبیعی هستند که همه ساله موجب خسارات جانی و مالی سنگینی می شوند. خسارت های سیلاب به دلیل دستکاری انسان در سیستم های رودخانه ای و ساخت و ساز در حریم رودخانه ها دارای روند صعودی است. در این رابطه، یکی از مهم ترین اقدامات غیرسازه ای در جهت کاهش خسارات سیلاب تهیه نقشه های پهنه بندی خطر سیل و استفاده از آنها در برنامه ریزی های مکانی است. در پژوهش حاضر خطر سیلاب در حوضه آبریز نیرچای واقع در استان اردبیل مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا، از مدل HEC-HMS برای شبیه سازی بارش- رواناب و شناسایی پهنه های سیل خیز و از منطق فازی به منظور روی هم گذاری لایه های موضوعی و تهیه نقشه خط سیلاب استفاده شد. نتایج شبیه سازی نشان دهنده کارایی بالای مدل HEC-HMS در شبیه سازی بارش- رواناب حوضه آبریز نیرچای و برآورد دبی های پیک سیلاب می باشد. تبدیل بارش به رواناب در سطح حوضه نیرچای عمدتا در کنترل ژئومورفومتری و پوشش زمین می باشد. بیشترین ارتفاع رواناب و دبی های پیک حوضه نیرچای در زیرحوضه های بالادست است. این امر به دلیل شیب زیاد، نفوذپذیری اندک خاک، فراوانی سطوح غیرقابل نفوذ و CN بالاست. ترکیب لایه های موضوعی با استفاده از منطق فازی نشان داد که در حدود 6/8 درصد از سطح حوضه در پهنه های با خطر بسیار بالای وقوع سیلاب واقع شده اند. این پهنه ها عمدتا منطبق بر دشت سیلابی رودخانه نیرچای می باشند. این اراضی به علت کم عرض بودن دره و شیب کم همیشه در معرض سیلاب هستند. اکثر سکونتگاه های منطقه مطالعاتی در پایین دست حوضه مستقر شده اند. این امر باعث افزایش مخاطرات ناشی از سیلاب شده است.

در طی چند دهه اخیر تغییر کاربری اراضی تحت تأثیر عوامل محیطی و انسانی سبب بروز اثرات جدی بر محیط زیست، اقتصاد و اجتماع شده است. مدلهای هیدرولوژیکی نمایش ساده شده ای از سیستم هیدرولوژی واقعی هستند که به مطالعه درباره کارکرد حوضه می پردازد بنابراین انتخاب مدل، نیاز به تشخیص قابلیت و محدودیت مدل های هیدرولوژی حوضه دارد. در تحقیق حاضر تجزیه و تحلیل تغییرات کاربری ارضی و تاٌثیر آن بر روی رواناب حوضه قره-چای با استفاده از مدل های HEC-HMS انجام شد. به منظور بررسی تغییرات کاربری اراضی بر تأثیر در تغییرات رواناب حوضه، بارش سالانه 2020 حوضه با ویژگی های کاربری اراضی 2001 به مدل معرفی گردید. نتایج مربوط به تغییرات کاربری اراضی نشان می دهد که بیشترین تغییرات در کاربری اراضی شامل تغییرات مربوط به اراضی فاقد پوشش گیاهی به صورت کاهشی و مخلوط زراعت آبی و دیم به صورت افزایشی می باشد. در شبیه سازی حوضه آبریز قره چای در مدل HEC-HMS واسنجی حوضه در شش زیرحوضه براساس اوج رواناب، ارتفاع رواناب و حجم رواناب مورد بررسی قرار گرفت که نتایج محاسبه شده با نتایج مشاهده شده به طور میانگین در عنصر ارتفاع رواناب 40/94 درصد و در عنصر اوج رواناب با 12/95 درصد و در عنصر حجم رواناب با 5/97 درصد مطابقت اجرای صحیح مدل بر روی حوضه را نشان می دهد. بنابراین می توان گفت که تغییر کاربری اراضی در حوضه آبریز قره چای باعث افزایش اوج و حجم رواناب شده و در نهایت به افزایش رواناب در این حوضه منجر شده است.

روش هایی که برای شناسایی، تفکیک و اولویت بندی مناطق سیل خیز به کار گرفته شده است، اغلب کل حوضه آبخیز را به صورت یکپارچه در نظر گرفته و یا به صورت منطق ه ای و بدون در نظر گرفتن مرزهای فیزیکی حوضه ها و یا زیرحوضه ها انجام ش ده است. حوضه زرچشمه هونجان در استان اصفهان و ش هرستان ش هرضا واقع گردیده است که هر ساله سیل های مخرب به بخش های وسیعی از زمین ها و باغات حاشیه رودخانه آسیب وارد می کند. شناسایی و پیش بینی حجم سیلاب این زیرحوضه که بدون شک زمین های پایین دست را متأثر می کند و مشخص نمودن اولویت و حساسیت زیرحوضه های آن برای اجرای برنامه های کنترل سیل امری لازم و ضروری است. در این پژوهش از روش شبیه سازی هیدرولوژیکی توسط نرم افزار HEC-HMS برای بازسازی مدل حوضه و بررسی و روند یابی هیدروگراف های سیل در آن و نیز برای تحلیل حساسیت دبی سیلابی حوضه نسبت به تغییر سه پارامتر قابل مدیریت ژئومورفولوژی در سیلاب شامل: CN، شیب و مساحت در هریک از زیرحوضه ها و در گستره منطقی خود استفاده شده است. محاسبات حاصل از این تحقیق نشان می دهد، نحوه مشارکت زیرحوضه ها در سیل خروجی، لزوماً متناسب با دبی اوج زیرحوضه ها نبوده و زیرحوضه های با دبی اوج بیشتر، ضرورتا تأثیر بیشتری در سیل خروجی حوضه ندارد. لذا برای هرگونه عملیات کنترل سیل و یا کاهش دبی اوج در خروجی حوضه، باید ن حوه تأثیر هر یک از زیرحوضه ها را پس از رون دیابی آن ها در آبراهه های اصلی تعیین کرد و سپس با توجه به سهمی که در ایجاد سیل خروجی به عهده دارند، آنها را تفکیک و اولویت بندی ن مود. با اجرای روش حذف انفرادی زیرحوضه ها در مدل حوضه زرچشمه هون جان توس ط نرم افزار HEC-HMS مشخص گردید، زیرحوضه S13 بیشترین اثر کاهشی و زیر حوضه S3 کمترین اثر کاهشی روی دبی اوج خروجی حوضه دارد. همچنین افزایش CN در زیرحوضه های S13-S5-S11-S12-S10-S15-S6 موجب افزایش دبی اوج شده است و در سایر زیرحوضه ها تأثیر معکوس داشته است. زیرحوضه های S12-S13-S5-S10 نسبت به تغییر مس احت حساسیت ب یشتری از خ ود ن شان دادن د. ه مچنین اف زایش ش یب در زی رحوض ه های S2,S4,S5,S7,S10,S12,S13,S15,S16,S17,S21,S22,S24 در افزایش دبی اوج خروجی تأثیر مستقیم داشته و در سایر زیرحوضه ها تأثیرمعکوس داشته است.