شبیه سازی سیلاب حوزه آبخیز تجن با استفاده از مدل پیش بینی وضع هوا (GFS) و مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: سیل به‎‎دلایل متعددی از جمله شدت بارندگی، تخریب پوشش گیاهی و تجاوز به حریم رودخانه ها ایجاد می شود. قدرت زیاد سیل ها به ساختمان ها، پل ها و سازه های موجود آسیب وارد می کند و ظرفیت بستر رودخانه را کاهش می دهد. همچنین حجم بیش از حد آب، خسارات جانی، مالی و تخریب زیستگاه های جانوران را نیز در پی دارد. برای مقابله با سیل و خسارات ناشی از آن، اقدامات سازهای مانند احداث سد و اقدامات غیر سازه ای مانند افزایش پوشش گیاهی، پیش بینی و سیستم های هشدار سیل انجام می شود. پیش بینی سیل، فرآیند برآورد زمان و مکان وقوع سیل و میزان حجم آب است و به عنوان ابزاری کارآمد و کم هزینه برای مدیریت سیلاب و کاهش خسارات ناشی از آن است که در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. مدل سازی بارش رواناب از جمله اقدامات جهت مدیریت سیلاب است. جهت شناخت ارتباط بین پارامتر بارش و رواناب و هم‎چنین تعیین مقدار دبی اوج و زمان رسیدن به دبی اوج، شبیه سازی از طریق مدل های هیدرولوژیکی انجام می شود. یکی از نرم افزارهای هیدرولوژیکی در این زمینه، نرم افزار HEC-HMS است. با استفاده از سه مولفه مدل حوضه، مدل هواشناسی و مشخصه های کنترل، میزان تلفات، رواناب، جریان پایه و روندیابی با روش های موجود محاسبه می شود و در نهایت عملیات واسنجی جهت کاهش اختلاف هیدروگراف های مشاهداتی و شبیه سازی شده انجام می گردد. بارش از مهمترین پارامترهای ورودی جهت شبیه‎سازی سیلاب است. بنابراین، برآورد صحیح میزان آن امری ضروری و مهم تلقی می گردد. با توجه به تعداد ایستگاه های باران سنجی و عدم وجود ایستگاه های کافی در سطح کشور به‎خصوص مناطق کوهستانی، استفاده از اطلاعات مدل عددی هواشناسی و داده های بارش ماهواره ای در پیش بینی سیل نقش مهمی دارد. مدل های عددی هواشناسی با کمک مدل های ریاضی، وضعیت آب و هوا را پیش بینی می کنند. پیش بینی ها به سه دسته کوتاه مدت، میان مدت و بلندمدت و مدل های منطقه ای و جهانی تقسیم می شوند. یکی از این مدل ها، مدل عددی هواشناسی GFS می باشد که داده هایی مانند دما، باد و بارش را پیش بینی و ارائه می کند. بارندگی های شدید، تخریب جنگل ها، برداشت شن و ماسه و ساختمان سازی در پهنه های سیلابی از جمله دلایل وقوع سیل در مازندران و به خصوص رودخانه تجن در سال های اخیر هستند. هدف اصلی این پژوهش، برآورد مقدار دبی اوج سیل با شبیه سازی وقایع سیلابی و ارزیابی نتایج حاصل از آن با استفاده از اطلاعات بارش مدل عددی هواشناسی GFS در حوضه رودخانه تجن واقع در شهر ساری در استان مازندران بوده است. مواد و روش‎ها: در این پژوهش، داده های مورد نیاز ایستگاه های هیدرومتری حوزه آبخیز تجن شامل اندازه گیری های ساعتی سیلاب های ثبت‎شده و هم‎چنین اطلاعات مورد نیاز ایستگاه های تبخیرسنجی و باران سنجی در این حوضه شامل بارندگی حوزه آبخیز تجن از طریق شرکت آب منطقه ای مازندران برای دوره ۱۰ ساله ۱۴۰۰-۱۳۹۰ اخذ گردید. همچنین، اطلاعات بارش از طریق خروجی مدل عددی هواشناسی GFS نیز در دوره مذکور از سایت https://openweathermap.org دریافت شد. با استفاده از لایه های کاربری اراضی و گروه هیدرولوژیک خاک در نرم افزار ArcGIS، شماره منحنی هر زیرحوضه تعیین و خصوصیات فیزیوگرافی حوزه آبخیز تجن با استفاده از الحاقیه HEC-GeoHMS استخراج گردید. با توجه به خصوصیات فیزیوگرافی زیرحوضه ها، اطلاعات مربوط به بارش ایستگاه های حوزه آبخیز تجن و دبی سیلاب اخذ شده از شرکت آب منطقه ای مازندران، شبیه سازی چهار واقعه سیل ۱۳۹۰/۰۷/۱۲، ۱۳۹۰/۰۹/۲۰، ۱۳۹۰/۰۸/۲۳ و ۱۳۹۶/۰۹/۱۰ در نرم افزار HEC-HMS انجام شد. از روش شماره منحنی سازمان حفاظت خاک آمریکا برای محاسبه تلفات، جهت محاسبه رواناب از روش هیدروگراف واحد SCS و روندیابی از روش روندیابی تاخیر مورد استفاده قرار گرفت. سپس برای تعیین میزان حساسیت پارامترهای شماره منحنی، زمان تاخیر و تلفات اولیه آنالیز حساسیت انجام شد. در فرآیند واسنجی، جهت تعیین مقادیر بهینه پارامترها از نه تابع هدف موجود در نرم افزار HEC-HMS شامل میانگین قدر مطلق باقیمانده ها، میانگین مربع باقیمانده ها، انحراف معیار وزنی دبی اوج، توان متغیر وزنی دبی اوج، درصد خطای دبی اوج، مجذور میانگین مربعات خطا، مجموع قدر مطلق باقیمانده ها، مجموع مربع باقیمانده ها و انحراف معیار وزنی زمان اوج استفاده گردید. در گام بعد، صحت سنجی (رویداد ۱۳۹۶/۰۹/۱۰) با استفاده از مقادیر بهینه پارامترها انجام شد و در نهایت پس از واسنجی و صحت سنجی نرم افزار HEC-HMS، وقایع سیلابی مورد نظر با استفاده از داده های مدل عددی هواشناسی GFS، شبیه سازی شدند. یافته‎ها: نتایج، همبستگی بالای میان هیدروگراف های مشاهده ای و واسنجی شده را در سطح معنی داری ۹۵ درصد (۰/۹ دبی اوج بود. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت نشان داد که دبی اوج نسبت به تغییرات پارامترهای تلفات اولیه و شماره منحنی حساسیت بیشتری داشت. برای تایید صحت نتایج به دست آمده در فرآیند واسنجی، صحت سنجی انجام شد. نتایج حاکی از آن است که میان میانگین های دو گروه دبی های مشاهده شده و واسنجی شده تفاوت معنی داری وجود نداشت (۰/۲۱۳ =P-value ). همچنین، نتایج شبیه سازی با استفاده از مدل عددی هواشناسی نشان دادند که میان هیدروگراف های مشاهده‎شده و شبیه سازی شده توسط داده های مدل عددی هواشناسی تفاوت معنی داری (در سطح معنی داری ۹۵ درصد) وجود نداشت. نتیجه‎گیری: مطابق با نتایج به دست آمده، با استفاده از داده های بارش مدل عددی هواشناسی GFS و نرم افزار بارش‎ رواناب HEC-HMS می توان شبیه سازی سیلاب را با نتایج قابل قبولی در پیش بینی دبی اوج سیل انجام داد.

کلیدواژه ها:

HEC-GeoHMS ، Modeling ، Numerical weather prediction model ، Peak discharge ، Sensitivity analysis ، آنالیز حساسیت ، دبی اوج ، مدل سازی ، مدل عددی هواشناسی ، HEC-GeoHMS