HEC-HMS

یکی از راه هایی که می توان خسارت ناشی از سیلاب را کاهش داد، تعیین مناطق مولد سیلاب و اعمال روش های مناسب کنترل آن می باشد. در این پژوهش، با تلفیق GIS و شبیه آب شناسی HEC-HMS، میزان مشارکت زیر حوضه های بالادست ایستگاه آب سنجی چم چیت واقع در حوضه آبریز دالکی در سیل خروجی کل حوضه بر اساس دوره برگشت های 2، 50 و 100 ساله تعیین می شود. بدین منظور با استفاده از روش تکرار حذف انفرادی زیر حوضه ها و در محیط شبیهHEC-HMS ، زیر حوضه های آبریز بالادست ایستگاه آب سنجی چم چیت ازنظر سیل خیزی اولویت بندی می شوند. نتایج این پژوهش نشان می دهد که میزان مشارکت زیر حوضه ها دربده خروجی کل حوضه تنها تحت تأثیر مساحت و بده اوج زیر حوضه نمی باشد و عواملی مانند موقعیت مکانی زیر حوضه ها، فاصله تا خروجی، ضریب CN و نقش روندیابی در رودخانه اصلی تأثیر بسزایی در سیل خیز بودن زیر حوضه ها دارند. علاوه بر این تغییری در اولویت بندی سیل خیزی زیر حوضه ها در دوره برگشت های مختلف دیده نشد.

تحقیق حاضر به اولویت بندی مکانی سیل خیزی زیرحوضه های آبخیز بهشت آباد با استفاده از نرم افزار HEC-HMS پرداخته است. در این تحقیق از روش شمارة منحنی برای برآورد تلفات بارش، از روش SCSبرای شبیه سازی تبدیل بارش-رواناب در سطح زیرحوضه ها و از روش ماسکینگام به منظور روندیابی هیدروگراف سیل خروجی حوضه استفاده شد. سپس، با روش حذف متوالی، میزان مشارکت زیرحوضه ها در دبی اوج خروجی حوضه تعیین شد و اولویت بندی زیرحوضه ها از نظر دبی اوج سیل و کاهش دبی به ازای واحد سطح صورت گرفت. روندیابی سیل در آبراهه ها نشان داد که میزان مشارکت زیرحوضه ها در سیل خروجی متناسب با دبی اوج زیرحوضه ها نیست. لذا، به منظور حذف اثر مساحت در اولویت بندی زیرحوضه ها، میزان تأثیر هر واحد سطح زیرحوضه در سیل خروجی نیز محاسبه شد. نتایج اولویت بندی از نظر دبی اوج، بر اساس سهم مشارکت هر زیرحوضه در محل خروجی حوضه نشان دهندة این است که زیرحوضه های درکش ورکش و بهشت آباد به ترتیب با 16/29 و 5/2 درصد، بیشترین و کمترین سهم را در دبی اوج سیلاب خروجی از حوضه بر عهده داشته است. نتایج اولویت بندی براساس کاهش دبی به ازای واحد سطح نشان دهندة این است که زیرحوضة بهشت آباد با داشتن کمترین مساحت نسبت به بقیة زیرحوضه ها بیشترین و زیرحوضة تنگ دهنو کمترین تأثیر را داشته است.

علاوه بر تغییر اقلیم، تغییر کاربری اراضی به عنوان یک عامل جانبی اثرات مهمی بر سیلاب دارد. لذا پیش-بینی اثر این دو پارامتر بر وضعیت سیلاب دهه های آتی، راهگشای مقابله با این پدیده خواهد بود. هدف از مطالعه حاضر پیش بینی وضعیت هیدرولوژیکی حوزه آبخیز اسکندری در دهه آتی تحت اثر تغییر اقلیم و تغییر کاربری اراضی می باشد. جهت بررسی تغییرات اقلیمی دهه ۲۰۲۰، برونداد مدل HadCM۳ تحت سناریوهای A۲ و B۱ توسط مدل LARS-WG ریزمقیاس گردید. پس از بررسی تغییرات کاربری-اراضی گذشته، دو سناریو جهت پیش بینی تغییرات آن در آینده طراحی شد. در انتها با تغییر هایتوگراف بارش و کاربری اراضی در مدلHEC-HMS که برای دوره گذشته کالیبره و اعتبارسنجی شده، اثر تغییر اقلیم و کاربری اراضی بر سیلاب منطقه مطالعاتی مورد بررسی قرار گرفته شد. نتایج نشان دهنده افزایش ۲/۷ تا ۹/۱۰ درصدی بارش متوسط سالانه دهه ۲۰۲۰ می باشد. افزایش توأمان دمای حداقل و حداکثر منطقه مطالعاتی در تمامی ماه ها موجب افزایش ۸۲/۰ تا ۰۲/۱ درجه سانتی گرادی دمای متوسط سالانه خواهد شد. افزایش دبی اوج و حجم سیلاب در ماه های مارس، اکتبر و فوریه و کاهش آن در ماه آوریل پیش بینی شده است. به طوری که در صورت تغییر کاربری اراضی همراه با تغییر اقلیم این افزایش شدیدتر خواهد بود.

استفاده از مدل های هیدرولوژیکی یکی از روش های رایج در تجزیه وتحلیل کمی حوضه های آبخیز است. پیشرفت های اخیر در زمینه سازی های بارش –رواناب که انعطاف بیشتری در حل مسائل و پدیده های هیدرولوژیکی دارند، آن ها را جایگزین مناسبی به جای روابط تجربی کرده است. به طور مرسوم در پژوهش های صورت گرفته پیشین مبتنی بر بهینه سازی مدل در همان مقیاس محلی موردبررسی قرارگرفته که فاقد عمومیت مکانی است. هدف این مطالعه ارائه پارامترهایی با اندازه معین است تا در سطح عمومی تری برای تمام زیرحوضه ها پاسخ قابل قبولی را ارائه دهد. بدین منظور پارامترهایی از مدل هیدرو گراف سیلاب که در هیدروگراف سیلاب نقش دارند، در مقیاس زیرحوضه ای و بزرگ مقیاس مورد مقایسه قرارگرفته است. در این مطالعه از مدلHEC-HMSبرای مدل سازی رواناب زیر حوضه ها و میزان رواناب خروجی از حوضه استفاده شده است؛ برای ساختار مدل از عوامل شماره منحنی SCS برای روش تلفات و هیدروگراف واحد SCS جهت روش انتقال استفاده شد. به منظور واسنجی ابتدا بهینه سازی پارامترها در هریک از زیرحوضه ها به صورت جداگانه انجام گرفت و سپس مقدار عمومی پارامترها با به دست آوردن اندازه ثابتی از پارامترهای حساس که در همه زیر حوضه ها پاسخ قابل قبولی ارائه دهند، انجام شد. یافته های تحقیق نشان می دهد که گرچه کارایی مدل در واسنجی با پارامترهای محلی برتر از واسنجی با استفاده از پارامترهای بزرگ مقیاس است، ولی ایستایی پارامترهای عمومی بهتر است. به منظور ارزیابی کارایی مدل از شاخص Nash-sutcliffeاستفاده گردید که این شاخص برای کالیبراسیون محلی ۸۵/۰ و کالیبراسیون بزرگ مقیاس ۶۵/۰ به دست آمد که در دامنه مطلوبی برای شبیه سازی قرار دارد.

تعیین پتانسیل سیل خیزی حوضه های آبخیز و اولویت بندی زیرحوضه ها، یکی از مهم ترین اقدامات در مطالعات آمایش سرزمین محسوب می شود. در تحقیق حاضر اولویت بندی پتانسیل سیل خیزی زیرحوضه ها در آبخیز پل شاه در استان کرمانشاه انجام شد. بدین منظور ابتدا داده ها و لایه های مختلف از قبیل کاربری اراضی، اقلیم و هیدروگراف سیلاب و بارش متناظر منطقه مطالعاتی تهیه گردید. سپس با کنترل داده های متناظر بارش و سیلاب، دو رویداد در مرحله واسنجی (22/08/1391 و 06/09/1391) و یک رویداد در مرحله اعتبارسنجی (20/12/92) بکار گرفته شدند. به منظور شبیه سازی بارش-رواناب از روش SCS و برای تعیین تلفات اولیه از روش شماره منحنی از نرم افزار HEC-HMS استفاده شد. ارزیابی مدل با ضریب ناش-ساتکلیف انجام شد. همچنین به منظور تعیین بارش طرح، از توزیع های آماری در نرم افزار SMADA در دوره آماری 1377-1394 استفاده گردید. نتایج نشان داد ضریب کارایی مدل بعد از واسنجی برای هر دو رویداد مثبت بوده و به 872/0 و 173/0 ارتقاء یافته اند. همچنین درصد خطای دبی اوج نیز صفر شد. در مرحله اعتبارسنجی بر اساس میانگین مقادیر اصلاح شده شماره منحنی و تلفات اولیه نیز، ضریب کارایی برابر 336/0 و خطای دبی اوج، 8 درصد شد که دقت و صحت مدل سازی به اثبات رسید. در بررسی پتانسیل سیل خیزی مشخص شد که بارش طرح با مقدار 93 میلی متر قادر است سیلابی با دبی اوج m3/s 200 در خروجی حوضه ایجاد نماید. با بررسی سهم مشارکت زیرحوضه ها مشخص شد که زیرحوضه های خروجی به دلیل وضعیت زمین شناسی و پوشش، پتانسیل سیل خیزی بیشتری داشته و زیرحوضه های بالادست سیل خیزی کمتری دارند

از معتبرترین مدلهای هیدرولوژیکی جهت برآورد بارش-رواناب حوضه های آبریز، مدل HEC-HMS است که برای برآورد حجم و دبی سیلاب ها کاربرد فراوانی دارد. در این پژوهش به کمک قابلیت های این مدل و با آمار و اطلاعات ایستگاه های هواشناسی و آب سنجی حوضه آبریز روانسر در دوره زمانی 18 ساله از 1368 تا 1386 اقدام به برآورد و شبیه سازی فرآیند بارش – رواناب سیلاب های حوضه گردید. در ادامه به کمک نرم افزار Hyfa دوره بازگشت حداکثر دبی سیلاب لحظه ای محاسبه شد. برای مدل سازی پنج واقعه بارش- رواناب انتخاب شد. درفرآیند محاسبات مدل، جهت محاسبه ی تلفات رواناب حوضه، از روش شبکه ای SCS، جهت تبدیل فرآیند بارش مازاد به جریان سطحی، از روش هیدروگراف واحد SCS و از مدل ثابت ماهانه برای محاسبه جریان پایه و برای روندیابی سیلاب در مقاطع مختلف رودخانه از روش روندیابی هیدرولوژیکی ماسکینگام استفاده شد. در بخش مدل هواشناسی برای تحلیل داده های بارندگی از روش هیتوگراف سفارشی و برای داده های تبخیر و تعرق از میانیگن ماهانه آن بهره گرفته شد. نتایج نشان داد که داده های محاسباتی اختلاف فاحشی با داده های مشاهداتی دارند. به همین دلیل با استفاده از تابع هدف درصد خطای دبی اوج پارامترهای متغییر مدل مورد واسنجی قرار گرفت. پس از واسنجی، نتایج هیدروگراف های محاسباتی انطباق حداکثری با هیدروگراف های مشاهداتی نشان دادند. برای بررسی صحت این نتایج، مدل به کمک سه واقعه بارش جدید، اعتباریابی شد. نتایج حاصله از اعتباریابی،صحت پارامترهای واسنجی شده را تایید کرد. این مدل با میانگین خطای 7/0 درصد در برآورد دبی اوج و با میانیگن خطای 33/3- در محاسبه حجم سیلاب در حوضه قابلیت اجرایی را دارد

مناطق خشک به لحاظ بارش های رگباری یکی از آسیب پذیرترین بخش های جهان از نظر وقوع سیلاب می باشند، که ویژگی های رگباری پیش بینی سیلاب را در این مناطق دشوار می سازد. این پدیده در مناطق خشک و نیمه خشک ایران که داده های باران و رواناب ناقص می باشند شرایط پیش بینی را دشوارتر می گرداند. در این تحقیق حوضه آبریز سد میناب به عنوان نمونه ای از این مناطق، به دلیل دارا بودن داده ها، جهت شبیه سازی بارش – رواناب با استفاده از نرم افزار HEC-HMS استفاده شده است. در فرآیند محاسبات مدل جهت محاسبه ی تلفات رواناب حوضه از روش SCS، جهت تبدیل فرآیند بارش مازاد به جریان سطحی از روش هیدروگراف واحد SCS ، کلارک و اشنایدر و از مدل ثابت ماهانه برای محاسبه جریان پایه بهره گرفته شد. پارامترهای مدل بر اساس پنج هیدروگراف مشاهده ای مورد واسنجی و بر اساس دو هیدروگراف مشاهده ای دیگر اعتبارسنجی شد، که منجر به تنظیم پارامترهای حوضه آبریز گردید. تحلیل حساسیت مدل، نسبت به پارامترهای مختلف روش SCS نیز مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به درصد اختلاف کمتر بین دبی اوج مشاهداتی و محاسباتی روش هیدروگراف واحد SCS به عنوان روش مناسب برای حوضه مورد مطالعه تعیین شد. مقادیر RMSE برای هر سه مدل SCS، کلارک و اشنایدر به ترتیب برابر با 353/0، 75/117 و 620/79 می باشد. همچنین تحلیل حساسیت مدل نسبت به پارامترهای مختلف نشان داد که تاثیرگذارترین عامل بر مدل به ترتیب CN با مقدار 591/1، تلفات اولیه با مقدار حساسیت 335/1 و زمان تاخیر با مقدار 813/0 می باشند.

مدل های ریزمقیاس، نمایی در پیش بینی عناصر اقلیمی دارای کاربرد اساسی است. یکی از کاربردهای نتایج ریز مقیاس نمایی مدل های گردش عمومی هوا [1](GCM)، استفاده در پیش بینی های هیدرولوژیکی حوضه های آبریز است. بدین منظور در این تحقیق از داده های بارندگی ایستگاه باران سنجی مشکان در دوره مشاهداتی 1971-2010 و دوره نرمال 1971 تا 2000 استفاده و شرایط تغییر اقلیم آینده با مدل [2]SDSM و داده های [3]HadCM3 با سناریوA2 در حوضه آبریز خوانسار یزد ریزمقیاس نمایی گردید. شبیه سازی هیدرولوژیکی و پیش بینی رواناب حوضه در دوره 30 ساله 2011-2040 با استفاده از نرم افزار WMS[4] و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS[5] انجام گرفت. نتایج نشان می دهد علی رغم اینکه بارندگی در دوره پیش بینی دارای افزایش 6 درصدی نسبت به دوره نرمال بوده، اما میزان رواناب حوضه از 3/19میلیون متر مکعب در دوره 30 ساله (نرمال اقلیمی) 1971-2000، به 4/17 میلیون متر مکعب در دوره 30 ساله 2011 تا 2040 می رسد که حدود 9 درصد کاهش دارد. بیشتر کاهش رواناب به ماه های فصل بهار اختصاص داشته که این کاهش ناشی از اثرات تغییر در توزیع زمانی بارش است.  

بارش یکی از اصلی ترین عوامل وقوع سیلاب هاست که به علت عدم پراکندگی مناسب ایستگاه های باران سنجی و تازه تأسیس بودن برخی از این ایستگاه ها در اکثر حوضه های کشور، استفاده از داده های بارش با چالشی جدی روبروست. ازاین رو روش های دورسنجی می توانند یکی از گزینه های مورداستفاده در این زمینه باشند. در پژوهش حاضر، داده های بارش بازتحلیل شده برای حوضه آبریز کشف رود در گام های زمانی روزانه و ماهانه مورد ارزیابی قرار گرفت و سپس هیدروگراف و پهنه سیلاب آن، با استفاده از داده های بارش ایستگاه زشک و پارامترهای مربوط به حوضه آبخیز زشک در نرم افزارهای HEC-HMS و HEC-RAS ، موردبررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که داده های بارش ERA5 دارای کم برآوردی می باشد و داده های بارش در گام زمانی ماهانه ([0.92-0.68]= R ) دقت بالاتری نسبت به روزانه ([0.081-0.52]= R ) داشت و هیدروگراف جریان آن در مقایسه با هیدروگراف مشاهداتی غیرقابل قبول (0.47- NSE= و 55.16-= PBias ) بود. پهنه سیلاب دبی داده های بارش بازتحلیل شده نیز نسبت به پهنه سیلاب دبی مرجع معادل 0.19- به دست آمد که به دلیل کم برآوردی داده های بارش و به دنبال آن کم برآورد شدن دبی اوج هیدروگراف آن در مدل HEC-HMS این نتیجه به دست آمده است. مطالعات آینده می توانند در خصوص ارزیابی پهنه سیلاب حاصل از داده های بارش محصولات مختلف در نرم افزار HEC-RAS باشند.

در سال های اخیر تصرف روزافزون بستر و حریم رودخانه ها و تغییر کاربری آن ها نه تنها تهدیدی برای دسترسی به آب سالم محسوب می شود، بلکه باعث شده است که با وجود تداوم دوره های خشک سالی، مخاطرات سیل افزایش یابد. مدیریت منابع آب و بهره گیری از سیل و تبدیل آن به یک موهبت الهی بدون شناخت و تحلیل واکنش مؤلفه های هیدرولوژی به تغییر اقلیم و دخالت های انسانی ازجمله تغییر کاربری اراضی بستر و حریم رودخانهها میسر نیست. این پژوهش در سال 1396 در مشهد مقدس و در حوضه ی رودخانه ارداک انجام گرفت. برای ترسیم حوضه ی آبخیز و استخراج پارامترهای فیزیکی آن از تصاویر ماهوارهای ASTER و نرم افزار HEC-GeoHMS استفاده شد. نقشه ی بستر موجود رودخانه و حاشیه ی آن تهیه و به عنوان یک لایه ی جدید به نقشه ی کاربری اراضی حوضه اضافه شد. با هم پوشانی نقشه های کاربری اراضی و گروه هیدرولوژیکی خاک حوضه در محیط GIS، نقشه ی CN حوضه ی آبخیز و متوسطCN  هر زیرحوضه محاسبه گردید. پس از ورود اطلاعات به مدلHEC-HMS ، مدل اجرا و سیلاب با دوره ی بازگشت های مختلف شبیه سازی شد. نقشه های کاربری اراضی و گروه هیدرولوژیکی خاک برای شرایط تغییر کاربری بستر رودخانه اصلاح و نقشه ی جدید CN و سپس متوسطCN  هر زیرحوضه تعیین و به مدل معرفی شد. مدلHEC-HMS مجدد برای شرایطی که CN متوسط زیرحوضه ها تغییر و سایر مشخصات آن ها ثابت می مانند، اجرا گردید. نتایج نشان داد که با تغییر بستر رودخانه به کاربری باغی و زراعی، دبی حداکثر سیلاب و حجم رواناب کاهش می یابد که نرخ این کاهش با افزایش دوره ی بازگشت سیلاب کم تر می شود؛ به طوری که برای سیلاب با دوره ی بازگشت 25 ساله در اثر تغییر کاربری اراضی بستر رودخانه، دبی حداکثر سیلاب و حجم رواناب به ترتیب 3/3 و 6/2 درصد کاهش را نشان می دهد.

ه دف این مطالعه، شبیه سازی رواناب حاصل از ذوب ب رف در حوضه ی ش هرچای، با استفاده از دو مدل SRM و HEC-HMS است. بدین منظور، ابتدا با وارد کردن داده های پوشش برف، متغیرهای هواشناختی و پارامترهای لازم به مدلSRM ، رواناب ناشی از ذوب برف شبیه سازی شد. در مدل HEC-HMS نیز پس از ایجاد مدل حوضه با نرم افزار HEC-GeoHMS در محیطGIS  و ایجاد مدل هواشناختی و واردکردن پارامترهای لازم مانند تلفات، روندیابی و ذوب برف شبیه سازی انجام شد. ضریب تعیین (R2) مدل SRM معادل 9/0 و درصد خطای حجمی آن (DV) 96/1 به دست آمد. از طرفی مدل HEC-HMS نیز با دقت رضایت بخش (ولی کمتر از SRM) شبیه سازی رواناب ناشی از ذوب برف را انجام داد. به طوری که ضریب تعیین ( R2) آن 85/0 و درصد خطای حجمی آن (DV) 1/2 درصد به دست آمد. صرف نظر از دقت بالای مدل SRM یکی از نقاط قوت مدل HEC-HMS، استفاده از داده های دما و بارش است؛ در صورتی که مدل SRM علاوه بر این پارامترها نیازمند داده های مساحت سطح پوشش برف است که از تصاویر ماهواره ای به دست می آید. نتایج نشان داد که مقدار کل رواناب در منطقه ی  مورد مطالعه با مدل SRM ، معادل 106×9/129 متر مکعب بود. در حالی که این رقم با مدل HEC-HMS معادل با 106×6/129 متر مکعب به دست آمد. با مقایسه ی  این ارقام با مقدار مشاهداتی (یعنی 106×4/132 متر مکعب) می توان نتیجه گرفت که عملکرد مدل SRM در مقایسه با مدل HEC-HMS نسبتأ خوب است.

در محاس بات هیدرولوژیکی ی ک حوضه تعیین ارتباط بین بارش- رواناب بسیار م هم است. محاسبه ی دقیق بارش -رواناب در سطح حوضه به شناخت مؤلفه ها و متغیرهای شکل دهنده ی آن و همچنین استفاده از یک مدل مناسب وابسته است. در این مطالعه، بارش-رواناب پیوسته ی حوضه ی شهرچای ارومیه با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS شبیه سازی شد. برای این منظور ابتدا مدل حوضه ی آبخیز با استفاده از نقشه ی DEM منطقه ی مورد مطالعه با استفاده از الحاقیه ی HEC-GeoHMS در محیط GIS ساخته شد. بعد از ایجاد مدل حوضه، برای محاسبه ی پارامترهای تأثیرگذار در مدل HEC-HMS اقدام شد و برای تلفات از روش رطوبت خاک (SMA)، برای روندیابی رودخانه از روش ماسکینگهام و برای جریان پایه از روش بازگشتی استفاده شد. با به دست آمدن مدل حوضه و ایجاد مدل های هواشناسی، کنترل و وارد کردن سایر پارامترهای لازم، مدل اجرا شد. شبیه سازی در دوره ی 2013-2004، انجام شد که دوره ی پایه به دو دوره ی واسنجی (2010-2004) و اعتبارسنجی (2013-2011) تقسیم شد. مدل با دقت نسبتاً بالایی شبیه سازی را انجام داد. به طوری که ضریب تعیین برای دوره ی واسنجی 72/0 و برای دوره ی اعتبارسنجی 78/0 بود. نتایج پژوهش حاضر دلالت بر توانایی مدل HEC-HMS در شبیه سازی رفتار هیدرولوژیک حوضه ی شهرچای و همچنین قابلیت استفاده از سامانه ی اطلاعات جغرافیایی به منظور دقت در تأمین ورودی های مدل را دارد.