مدل های شبیه سازی به دو گروه اصلی تقسیم می شوند: مدل های فیزیکی  و مدل های ریاضی . مدل فیزیکی، یک ارائه فیزیکی از دنیای واقعی است به نحوی که در ساختار، ساده تر ولی خصوصیاتی مشابه با دنیای واقعی  را دارد. یک مثال از مدل های فیزیکی حوضه های آبخیز، شبیه سازه های باران و حوضه های آزمایشگاهی است. مدل ریاضی (حاوی) یک نگرش یا برداشت ذهنی از دنیای واقعی است که خصوصیات مهم ساختاری واقعیت را حفظ می کند. از آنجا که مدل های فیزیکی در اصل تغییر ناپذیرند، در مقایسه با مدل های ریاضی از انعطاف کم تری برخوردارند. مدل های ریاضی اغلب توسط کامپیوتر اجرا می شوند و مدل های کامپیوتری نامیده می شوند. بیش تر مدل های کامپیوتری در سه دهه اخیر توسعه یافته اند. ساخت مدل های فیزیکی حوضه ها گران است و از کارایی محدودی برخوردارند. در حالی که مدل های ریاضی به آسانی در دسترس قرار می گیرند، از نظر تغییر ورودی ها به راحتی انعطاف پذیرند و نسبتا گران نیستند. بنابراین عجیب نیست که مدل های ریاضی برای حل مسایل حوضه ها بیش تر مورد استفاده قرار گیرد.

مدل های ریاضی انواع گوناگونی دارند. آگاهی از دسته بندی مدل ها به انتخاب مدل در کاربرد مورد نظر کمک می کند. معمولا یک مدل ریاضی حوضه آبخیز از چندین بخش تشکیل می شود. هر بخش اصلی، جزیی از فرآیندهای سیکل هیدرولوژیک را توصیف می کند. یک مدل ریاضی می تواند یکی از سه نوع نظری ، مفهومی   و یا تجربی   باشد. مدل های نظری و تجربی در معنی متضاد یکدیگرند و مدل مفهومی در بین این دو قرار می گیرد. علاوه بر این مدل ریاضی می تواند، قطعی  یا احتمالاتی   باشد. انواع دیگر طبقه بندی مدل های ریاضی شامل خطی  یا غیر خطی، ایستا یا غیر ایستا یکپارچه یا توزیعی، پیوسته یا گسسته، تحلیلی یا عددی و تک واقعه ای یا فرآیند پیوسته می باشند. 

مدل های یکپارچه در مقابل مدل های توزیعی

اصطلاح مدل پارامتر یکپارچه که به اختصار مدل یکپارچه نامیده می شود، به مدلی اشاره دارد که در آن پارامترها در همه نقاط داخل حوضه یکسان در نظر گرفته می شود. به عبارتی، کل حوضه به عنوان یک واحد یکپارچه و با پارامترهای یکنواخت شبیه سازی می شود، بنابراین پاسخ حوضه، تنها در خروجی حوضه برآورد می شود بدون آن که پاسخ در واحدهای کوچک تر داخل حوضه به صورت صریح به دست آید. هیدروگراف واحد نوعی از مدل های پارامتر یکپارچه است.

اصطلاح مدل با پارامتر توزیعی که به اختصار مدل توزیعی خوانده می شود، به مدلی اختصاص دارد که در آن پارامترها می توانند در فضای داخل حوضه متغیر باشند. به عبارت دیگر در این مدل می توان تغییرات مکانی پارامترها را در داخل حوضه در نظر گرفت. بنابراین یک مدل توزیعی می تواند پاسخ ها را در واحدهای داخل حوضه نیز محاسبه کند. در نتیجه یک مدل توزیعی، نسبت به یک مدل یکپارچه می تواند جزییات بیش تری از فرآیندهای هیدرولوژیکی حوضه آبریز را شبیه سازی کند و در اختیار کاربر قرار دهد. مدل های توزیعی امکان شبیه سازی تغییرات مکانی بارش و تغییرات مکانی سایر عوامل هیدرولوژیکی را فراهم می کنند. با این حال برای آنکه شبیه سازی توزیعی معنی دار باشد، باید کیفیت و کمیت داده های در دسترس متناسب با توانایی مدل در شبیه سازی جزییات باشد.

با وجود آنکه مفاهیم مدل یکپارچه و مدل توزیعی در معنی متضاد یکدیگرند، اما لازم نیست که این مدل ها حتما جدا از هم استفاده شوند. مدل های یکپارچه می توانند به عنوان اجزای مدل های بزرگ توزیعی مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان یک مثال، یک مدل یکپارچه (مثلا هیدروگراف واحد) برای تولید هیدروگراف یک زیرحوضه به کار می رود. ترکیبی از هیدروگراف های زیرحوضه ها با روندیابی در شبکه آبراهه ها و مخازن، هیدروگراف خروجی حوضه را تشکیل می دهد. از آنجا که پارامترها از یک زیرحوضه به زیرحوضه دیگر تغییر م یکنند و هیدروگراف ها در نقاط مشخصی از شبکه آبراهه با هم ترکیب می شوند، مدل شبکه ضرورتا یک ساختار نیمه توزیعی دارد. اصولا سطح شکست حوضه به اجزای مکانی، تعیین کننده نوع مدل خواهد بود. در سطح شکست به تعدادی زیرحوضه، مدل حاصل نیمه توزیعی است. ولی با شکست حوضه به وسیله یک شبکه سلولی مدل حاصل از نوع کاملا توزیعی می باشد.

مدل های تک واقعه ای در مقابل مدل های فرآیند پیوسته

مدل های حوضه می توانند، تک واقعه ای یا فرآیند پیوسته باشند. در این طبقه بندی مدل های تک واقعه ای، کوتاه مدت  هستند و برای شبیه سازی وقایع منفرد بارش-رواناب طراحی شده اند. هدف مدل های تک واقعه ای برآورد رواناب مستقیم است و تأکید این مدل ها بر نفوذ  و رواناب سطحی  می باشد. مدل های تک واقعه ای در محاسبه جریان سیلاب به کار می روند، به خصوص در مواردی که سهم عمده رواناب کل، مربوط به رواناب مستقیم باشد. طراحی مدل های تک واقعه ای به گونه ای نیست که بتوانند انتقال رطوبت بین دو بارش منفرد را در نظر بگیرند. بنابراین برای شبیه سازی جریان در مواقعی که بارش اتفاق نمی افتد (مانند جریان روزانه در کل سال)، مناسب نیستند.

برخلاف مدل های تک واقعه ای، مدل های فرآیند پیوسته مولفه های جریان شامل رواناب مستقیم (رواناب سطحی) و جریان غیر مستقیم شامل جریان زیرسطحی و جریان آب های زیرزمینی  را به صورت صریح محاسبه می کنند. مدل های فرآیند پیوسته، فرآیند درازمدت  هیدرولوژیکی، مانند تبخیر و تعرق که در زمان های بدون بارش بر روی انتقال رطوبت و موازنه رطوبت موثرند را در نظر می گیرند. هدف از مدل های فرآیند پیوسته، محاسبه موازنه آب و رطوبت  در کل حوضه در یک دوره طولانی مدت است. مدل های فرآیند پیوسته، برای شبیه سازی جریان های روزانه، ماهانه و فصلی مناسبند.

برای تبدیل PMP به PMF به کارگیری مدل های پیوسته و یا کاربرد مدل تک واقعه ای هیدروگراف واحد مطرح می باشد. در کشور استرالیا از مدل های پیوسته بیش تر استفاده می گردد که دلایل آن را چنین عنوان کرده اند: 1- امکان شبیه سازی فرآیندهای پیچیده و غیرخطی تولید رواناب، 2- امکان درنظر گرفتن تغییرات مکانی خصوصیات حوضه و فرآیندهای تبدیل بارش به رواناب و 3- امکان شبیه سازی تغییرات طبیعی یا مصنوعی در حوضه. ولی در کشور آمریکا به طور وسیعی از مدل های تک واقعه ای یا رویدادی مبتنی بر مدل هیدروگراف واحد برای تبدیل PMP به PMF استفاده می شود. مدل های جدیدتر هیدروگراف واحد مصنوعی مانند مدل توزیعی کلارک اصلاح شده، پس از واسنجی و اعتباریابی می تواند عمده مزایای بر شمرده بالا را که در مورد کلیه مدل های پیوسته مصداق ندارد، ارضا نماید. علاوه بر این، کاربرد گام زمانی کوچک برای شبیه سازی سیلاب ها همواره در مدل های پیوسته که براساس ذخیره بنا شده اند با دشواری روبرو است. مدل های تک واقعه ای این مزیت را دارند که روابط بین پارامتر های قابل اندازه گیری مستقیم را با رواناب برقرار کنند و یا پارامتر های کم تری به ویژه در فرآیند تلفات حوضه داشته باشند.

معیارهای انتخاب مدل

کارایی هر مدل بستگی به روش های مورد استفاده در آن دارد ولی به طور کلی، اثبات برتری یک روش بر دیگری بدون انجام مراحل واسنجی و اعتباریابی در حوضه مورد مطالعه امکان پذیر نمی باشد. یکی از معیارهای مهم، سازگاری و انطباق مدل با اقلیم سیلابی حوضه از یک طرف و قابلیت واسنجی پارامترهای مدل از طرف دیگر می باشد. اقلیم سیلابی حوضه از لحاظ علل ایجاد سیل نظیر بارش باران، بارش و ذوب برف در مواقع سیلابی می تواند حایز اهمیت باشد. در حوضه های برف گیر، به کارگیری مدل هایی که قابلیت شبیه سازی بارش و ذوب برف را دارند بر سایر مدل ها ارجحیت دارند. در مدل های با قابلیت شبیه سازی بارش و ذوب برف که به صورت یکپارچه و رویدادی عمل می کنند، معمولا محدوده زیرحوضه ها به تعدادی ناحیه ارتفاعی تقسیم و با توجه به دمای آن ناحیه و آستانه دما، شبیه سازی برای بارش و ذوب برف انجام می شود.

تمایل کاربران مدل های بارش-رواناب این است که با حداقل داده های موجود به بهترین جواب ها و تخمین ها نائل شوند. بنابراین در گزینش مدل مناسب تعداد و پیچیدگی بخش های مختلف لزوما گویای مناسب بودن آن نیست. کاربرد چنین مدل هایی با تخمین پارامترهای بیش تری همراه می گردد که در صورت کم بودن تعداد وقایع مناسب برای واسنجی و ناقص بودن اندازه گیری مستقیم پارامترها می تواند موجب ایجاد خطا در برآورد ها شود. پارامترهای مجهول به همراه محاسبات ساده تر دقت قابل قبولی را در مراحل واسنجی و اعتباریابی تامین می نماید.

عموما مدل های جدید به صورت کاربر دوست طراحی می شوند. در چنین حالتی امکان اشتباه در ورود و مدیریت داده ها به حداقل می رسد و نتایج به گویاترین شکل ممکن ارایه می گردد. علاوه بر آن محاسبات انجام شده در طول اجرای مدل به نحو مطلوب به کاربر منتقل می شود.

به طور کلی، برخی معیارهای مهم انتخاب مدل های بارش-رواناب عبارتند از:

1 - مبانی تئوری

2 - داده های مورد نیاز مدل و داده های در دسترس و قابل اعتماد حوضه مورد مطالعه

3 - سهولت کاربری

4 - هزینه و دسترسی به مدل

5 - سوابق کاربرد مدل در برآورد پارامترها

6 - تجربه کاربر

7 - استحکام مدل

8 - اندازه حوضه

در مجموع با تلاش برای ارضای غالب معیا رهای فوق و به ویژه با توجه به سوابق بسیار وسیع کاربرد مدل HEC-1 (نسخه جدید آن با عنوان HEC-HMS) در مطالعات PMF به کارگیری این مدل کامپیوتری توصیه می شود. در ادامه به برخی سوابق کاربرد مدل ها در مطالعات PMF اشاره می شود و در انتهای مطلب نیز ویژگی های اصلی مدل HEC-HMS ذکر می گردد.

مدل های پرکاربرد و سوابق کاربرد مدل ها در مطالعات PMF

در حال حاضر در ایالات متحده چندین مدل عمومی حوضه آبریز کاملا شناخته شده استفاده می شود. مدل HEC-HMS در ایالات متحده به عنوان یک مدل پایه در بخش های دولتی و خصوصی برای شبیه سازی سیلاب استفاده می گردد. HSPF مدل معیار و استانداردی است که به وسیله موسسه حفاظت محیط زیست (EPA) پذیرفته شده است. مدل های UBC و WATFLOOD در کانادا به منظور شبیه سازی هیدرولوژیک عمومیت دارند. مدل RORB و WBM به طور عمده در پیش بینی وقوع سیلاب، طراحی زهکش ها و ارزیابی تاثیر تغییر کاربری اراضی در استرالیا به کارگرفته می شود. TOPMODEL و SHE مدل های استاندارد در آنالیز هیدرولوژیک در بسیاری از کشورهای اروپایی محسوب می شوند. در کشورهای اسکاندیناوی مدل HBV، یک مدل معیار برای پیش بینی شناخته شده است. مدل های مخزنی در ژاپن مورد استفاده وسیع قرار دارد. مدل زیانگ جیانگ به طور عمده در چین استفاده می شود. در کشور فنلاند اکثر محاسبات سیلاب طراحی براساس روش آماری انجام می یابد ولی برای حوضه های آبریز بزرگ و پیچیده، از مدل های شبیه سازی هیدرولوژیکی (HEC-1) و مدل های دینامیکی جریان استفاده می گردد.

در کشور آمریکا هیدروگراف PMF حاصل از طوفان PMP با روش هیدروگراف واحد شبیه سازی م یگردد. مدل HEC-HMS رایج ترین مدل مورد استفاده در آمریکا می باشد که توسط رسته مهندسین ارتش آمریکا تهیه شده است. علاوه بر FERC اداره احیای آمریکا نیز استفاده از مدل HEC-1 را توصیه نموده است.

در استانداردهای عمومی کانادا مدل خاصی توصیه نشده است. دستورالعمل های ایالت آلبرتا توصیه می کند یک مدل تک واقعه ای که پارامترها و مولفه های آن تا حد ممکن به شرایط فیزیکی فرآیند های حوضه نزدیک است انتخاب گردد.

در جدول زیر برخی از مدل های رایج با توجه به اولویت هایی مانند امکان دسترسی به مدل، داده های مورد نیاز و موجود، سهولت استفاده از مدل و قابلیت کالیبراسیون خودکار مقایسه شده اند.

مقایسه برخی مدل های هیدرولوژیکی تک واقعه ای

تشریح مدل HEC-HMS 

سیستم مدل سازی هیدرولوژیکی برای شبیه سازی فرآیندهای بارش-رواناب در سیستم حوضه های آبخیز شجری  طراحی شده است. این مدل برای کاربرد در محدوده وسیعی از نواحی جغرافیایی جهت حل دامنه وسیعی از مسایل، شامل منابع آب و هیدرولوژی حوضه های بزرگ و رواناب و سیلاب حوضه های آبخیز طبیعی یا شهری کوچک، طراحی شده است. هیدروگراف های محاسبه شده توسط این مدل به طور مستقیم یا در تلفیق با نرم افزارهای دیگر برای اهداف مختلف مطالعات نظیر آبرسانی، زهکشی شهری، پیش بینی سیل و دبی جریان، تاثیر تغییر کاربری اراضی، طراحی سرریز سدها، مطالعات کنترل سیلاب و بهره برداری از سیستم مخازن به کار می رود.

مدل HEC-HMS نسخه توسعه یافته و تحت ویندوز مدل HEC-1 است. مدل HEC-1 ابتدا در سال 1967 توسط Leo R. Beard و دیگر اعضای مرکز هیدرولوژی مهندسی توسعه یافت. اولین نسخه از این مدل در اکتبر 1968 منتشر گردید. مدل فوق در سال های 1969 و 1970 توسعه و مجددا انتشار یافت. اولین نسخه نرم افزار، از مجموعه چند برنامه کوچک تر که قبلا به طور مجزا مورد بهره برداری قرار می گرفتند، تشکیل می شد.

برای ساده کردن ورودی های مورد نیاز و همچنین معنی دارکردن هر چه بیش تر خروجی های مدل، ساختار فرمت های ورودی و خروجی به طور کامل تغییر یافت تا اینکه از نسخه سال 1970 ، یک نسخه اصلی در سال 1973 حاصل گردید. در سال 1981 توانایی های محاسباتی ویژه نظیر شکست سد (HEC-1DB) بهینه سازی پروژه (HEC-1GS) و موج سینماتیک با هم ترکیب شدند و به مدل اضافه شدند. این امر باعث تولید یک بسته نرم افزاری با روش استفاده آسان گردید. در اواخر سال 1984 یک نسخه میکروکامپیوتری (نسخه مخصوص کامپیوترهای شخصی) از این نرم افزار توسعه یافت. این مدل قادر به بازسازی سیلاب ها با استفاده از اطلاعات هواشناسی بود. اصول محاسباتی بارش - رواناب این مدل روش یکپارچه و روش نیمه توزیعی موج سینماتیک بود. از نظر زمانی، مدل از نوع رویدادی و تنها قادر به شبیه سازی رواناب حوضه، فقط در صورت وقوع بارش و ایجاد سیل بود. به همین دلیل این مدل تحت عنوان نرم افزار سیل معروف است. برای محاسبه رواناب سطحی حوضه ناشی از بارش موثر، مدل HEC-1 از روش های شناخته شده هیدروگراف واحد استفاده می نمود.

آخرین نسخه HEC-1 نسخه 4، (سپتامبر 1990) ارائه کننده پیشرفت ها و توسعه هایی در توانایی های شبیه سازی هیدرولوژیکی همراه با interface ها و قابلیت ذخیره سازی داده در سیستم ذخیره داده ها (DSS) بود. توانایی DSS امکان ذخیره و بازیابی داده ها برای برنامه های کامپیوتری دیگر و همچنین ایجاد جداول و نمودارهای با کیفیت برای گزارشات را فراهم می کرد.

در سال 1994 مدل HEC-HMS جایگزین مدل HEC-1 گردید. امکانات جدیدی که برای مدل HEC-HMS تعبیه شد، عبارت از شبیه سازی پیوسته هیدروگراف در دوره های زمانی طولانی و محاسبه توزیعی رواناب بود. برنامه مشتمل بر، ارتباط گرافیکی با کاربر، اجزای تحلیل هیدرولوژیکی جامع، ابزار ذخیره و مدیریت داده ها و امکانات گرافیکی و تهیه گزارش بود. نسخه های اولیه مدل HEC-HMS فاقد قابلیت شبیه سازی ذوب برف بود که از نواقص عمده مدل به شمار می رفت. در نسخ ههای اخیر مدل علاوه بر اینکه این نقص برطرف گردیده است، از روش های غیرخطی برآورد ذوب برف نیز بهره گرفته شده است. تشریح مدل بر اساس نسخه در دسترس در زمان تهیه این نوشتار است.

اجزا مدل

مدل HEC-HMS در واقع سیستم یا مجموعه ای از مدل های ریاضی تلفات، تبدیل بارش-رواناب در زیرحوضه ها و روندیابی جریان در رودخانه و مخازن و نیز سازه های آبی است. این بسته نرم افزاری مشتمل بر یک برنامه اصلی و پنج زیر برنامه  می باشد. دو زیر برنامه وظیفه بهینه سازی هیدروگراف واحد، مقدار تلفات آب یا پارامترهای روندیابی جریان سطحی را در مرحله واسنجی اتوماتیک به عهده دارند. سایر زیر برنامه ها محاسبه هیدروگراف واحد، روندیابی و ترکیب هیدروگراف ها را انجام می دهند. در این مدل، شبیه سازی بارش-رواناب به صورت سیستمی از اجزای دارای ارتباطات درونی صورت می گیرد که هر جز یک جنبه از فرآیند بارش-رواناب را در یک زیرحوضه یا زیر ناحیه شبیه سازی می کند. به طور کلی این مدل دارای چهار بخش اصلی می باشد که عبارتند از:

1 - بخش شبیه سازی اجزای حوضه

2 - بخش تجزیه و تحلیل داده های هواشناسی

3 - بخش ویژگی های کنترلی

4 - بخش تخمین پارامترها

هر کدام از این بخش ها نیز خود دارای اجزای دیگری هستند که شرح مختصر آن ها در ادامه ارائه می گردد. در شکل زیر شمای کلی مدل HEC-HMS نشان داده شده است.

شمای کلی مدل HEC-HMS و قسمت های مختلف آن برای مد لسازی بارش - رواناب در بالادست ایستگاه تله زنگ، حوضه آبریز رودخانه بختیاری

بخش شبیه سازی اجزای حوضه

در این بخش عناصر هیدرولوژیکی حوضه و نحوه ارتباطات این عناصر با یکدیگر تعریف م یشوند. عناصر هیدرولوژیکی شامل زیرحوضه ها، آبراهه ها (بازه ها)، مخازن، اتصالات (تقاطع ها)، سازه های انحراف آب، چشمه ها و فروبرنده (چاه ها) می باشند که در این بخش باید تعداد، مشخصات و نحوه ارتباط آن ها با یکدیگر مشخص گردد.

زیرحوضه ها

هر حوضه به تعدادی زیرحوضه تقسیم می گردد که توپولوژی و نحوه ارتباط مکانی آ نها در محیط گرافیگی مدل ساخته می شود. ترکیب هیدروگراف خروجی زیرحوضه ها پس از روندیابی در آبراهه ها، هیدروگراف کل حوضه را به وجود می آورد. هر زیرحوضه که به نوبه خود یک حوضه کامل محسوب می شود، فرآین دهای تلفات، تبدیل بارش خالص به رواناب و جریان پایه را در بر م یگیرد. در هر زیرحوضه تنها می توان یک روش تلفات، یک روش تبدیل بارش خالص به رواناب و یک روش جریان پایه را فعال نمود.

روش های محاسبه تلفات زیرحوضه ها

در مدل مذکور سطح یک حوضه به دو قسمت نفوذناپذیر پیوسته مستقیم و نفوذپذیر تقسیم می شود. سطح نفوذناپذیر پیوسته مستقیم عبارتست از بخشی از حوضه که در آن کل بارش بدون هیچگونه نفوذ، گیرش گیاهی (برگاب)، تبخیر و یا سایر تلفات به رواناب تبدیل می شود. مقدار سطح نفوذناپذیر پیوسته یک زیرحوضه به صورت درصد نفوذناپذیری مشخص می شود. بارش در سطوح نفوذپذیر در معرض تلفات قرار دارد.

انواع روش های مختلف در مدل HEC-HMS برای محاسبه تلفات بارش موجود است که عبارتند از:

• (Deficit and Constant) یا روش کمبود و ثابت
• (Girded Deficit and Constant) یا روش کمبود و ثابت شبکه ای
• (Green and Ampt) یا روش گرین - امپت
• (Initial and Constant) یا روش اولیه و ثابت
• (SCS Curve Number) SCS یا روش عدد منحنی
• (Soil Moisture Accounting) یا روش محاسبه رطوبت خاک
• (Girded SCS Curve Number) شبکه ای SCS یا روش عدد منحنی
• (Girded Soil Moisture Accounting) یا روش محاسبه رطوبت خاک شبکه ای
• (Exponential) یا روش نفوذنمایی
• Smith-Parlange

بیش ترین کاربرد در شبیه سازی سیلاب ها مانند سیلاب PMF به روش های گرین - امپت، عدد منحنی یکنواخت، عدد منحنی شبکه ای و نفوذ نمایی اختصاص دارد.

روش های تبدیل بارش خالص به رواناب

رواناب مستقیم هر زیرحوضه پس از کسر تلفات را می توان توسط یکی از شش روش زیر در مدل شبیه سازی نمود.

• روش هیدروگراف واحد کلارک
• روش هیدروگراف واحد اشنایدر
• روش هیدروگراف واحد SCS
• روش هیدروگراف واحد معرفی شده توسط کاربر
• روش موج سینماتیک
• روش توزیعی کلارک اصلاح شده

از میان روش های فوق، هیدروگراف واحد کلارک، کلارک اصلاح شده و SCS از جمله روش های انتخابی در تبدیل بارش خالص به رواناب در سیلاب PMF به شمار می روند. در شکل زیر منوی ورود اطلاعات زیرحوضه ها نشان داده شده است.

منوی ورود اطلاعات زیر حوضه ها

جریان پایه

دو مولفه هیدروگراف جریان عبارتند از رواناب مستقیم سریع حاصل از بارش و جریان پایه. جریان پایه عبارت از رواناب پایدار حاصل از بار شهای قبلی که به صورت موقت در حوضه ذخیره شده، به اضافه رواناب تاخیری زیرقشری حاصل از بارش (رگبار) کنونی است. در مدل HEC-HMS برای جریان پایه سه گزینه مختلف وجود دارد که عبارتند از:

• مقدار ثابت ماهانه
• مدل فروکش نمایی
• مدل حجم مخزن خطی

در صورتی که هیچ کدام از گزینه ها مورد استفاده قرار نگیرند، جریان پایه معادل صفر در نظر گرفته می شود. عموما در مطالعات PMF یک مقدار ثابت دبی پایه به هیدروگراف رواناب مستقیم اضافه می گردد. در شکل زیر روش تفکیک جریان پایه در مدل فروکش نمایی نشان داده شده است.

تفکیک جریان پایه در مدل فروکش نمایی

آبراهه ها

گزینه هایی که در مدل جهت روندیابی رودخانه ای (آبراهه ای) وجود دارند عبارتند از:

• روش تاخیری (Lag)
• روش ماسکینگام
• روش پالس اصلاح شده (Modified Puls)
• روش ماسکینگام - کانج استاندارد
• روش ماسکینگام - کانج هشت نقطه ای
• روش موج سینماتیک
• روش متداول استگر (Straddle Stagger)

یک گزینه None نیز موجود است که با انتخاب آن هیچگونه روندیابی در آبراهه صورت نگرفته و هیدروگراف جریان ورودی به آبراهه همانند هیدروگراف جریان خروجی از آن می باشد. در مطالعات PMF، توصیه می شود از روش ماسکنیگام - کانج در صورت وجود مقاطع عرضی رودخان هها و یا روش ماسکنیگام در صورت عدم وجود مقاطع عرضی استفاده گردد. شکل زیر منوی ورود اطلاعات در روش ماسکینگام - کانج هشت نقطه ای را نشان می دهد.

منوی ورود اطلاعات در روش ماسکینگام - کانج 8 نقطه ای

مخازن یا حوضچه های ذخیره

بسیاری از حوضه ها در بردارنده گودال های طبیعی مانند دریاچه ها، حوضچه ها و تالاب ها هستند که آب در آ نها ذخیره می گردد. همچنین ممکن است در آن ها تاسیساتی چون مخازن و حوضچه های ذخیره وجود داشته باشد. برای شبیه سازی رفتار یک مخزن یا سازه ذخیره کننده آب در مدل HEC-HMS، باید رابطه ذخیره با جریان خروجی شناسایی گردد. این رابطه را می توان توسط یکی از سه روش زیر در مدل تعیین نمود:

• ذخیره - جریان خروجی
• ارتفاع - ذخیره - جریان خروجی
• ارتفاع - مساحت - جریان خروجی

بسط این رابطه بستگی به خصوصیات حوضچه یا مخزن، سازه خروجی و سرریز دارد. از مدل HEC-RAS یا سایر نرم افزارهای هیدرولیکی نیز در این امر می توان استفاده نمود.

سازه های انحراف

سازه های انحراف، المان هایی هستند با دو جریان خروجی که می توانند یک یا چند جریان ورودی داشته باشند. یکی از جریا نهای خروجی را اصلی و دیگری را انحرافی م ینامند. یک سازه انحراف معرف یک انشعاب با یک منحنی جریان ورودی - انحراف می باشد. شبیه سازی انحراف آب نیازمند این است که جریان کانال انحرافی به صورت تابعی از جریان کانال اصلی در بالادست سازه انحراف تعریف گردد. تنها پارامتر مورد نیاز جهت ورود به مدل، منحنی جریان - انحراف است. از المان انحراف معمولا جهت معرفی سرریزهای جانبی که قسمتی از مسیر اصلی را به کانا لها و فلو مها منحرف می کنند، استفاده می شود.

منبع (چشمه)

المان منبع یا چشمه، الما نهایی هستند که فاقد جریان ورودی بوده و دارای یک جریان خروجی م یباشند. چشمه ها در برخی از حوضه ها مشاهده می شوند. از یک عنصر منبع (چشمه) می توان برای نمایش نقط های که شبکه رودخانه را تغذیه م یکند، استفاده نمود. دو روش جریان ثابت و جریان متغیر جهت تعیین جریان منبع (چشمه) وجود دارد. داده های جریان باید به صورت یک ایستگاه هیدرومتری، قبل از اینکه بتوان از آن به عنوان یک جریان متغیر برای یک منبع استفاده نمود، به پروژه افزوده شوند.

فروبرنده (چاه)

المان چاه، المانی است که می تواند دارای یک یا چند جریان ورودی بوده، ولی فاقد هرگونه جریان خروجی باشد. عنصر فروبرنده را می توان برای شبیه سازی نقاطی که آب در آ نها فرو م یرود و جریان خروجی سطحی ندارند، به کار برد. این عنصر مانند یک عنصر انتهایی ساده در یک مدل حوضه است. هر فروبرنده تنها یک نام دارد و فاقد هرگونه پارامتری می باشد. از این المان جهت شبیه سازی نقاط پست موجود در سطح زهکش داخلی یا جریان خروجی از مدل حوضه استفاده می شود.

بخش تجزیه و تحلیل داده های هواشناسی

الف- بارش

تبدیل بارش به رواناب از طریق هیدروگراف های واحد یا موج سینماتیک صورت می گیرد. در کلیه روش ها فرض می شود که بارش در هر گام زمانی، بر روی سطح زیرحوضه به صورت یکنواخت برای یک زمان تداوم مشخص توزیع شده باشد. خصوصیات بارش هر زیرحوضه عبارتند از عمق کل بارش و توزیع زمانی آن. روش های محاسبه میانگین مکانی بارش زیرحوضه در مدل، شامل این موارد هستند:

• روش میانگین حسابی
• روش چندضلعی های تیسن
• روش خطوط همباران
• روش عکس مجذور فاصله

همچنین توزیع زمانی میانگین مکانی بارندگی نیز توسط الگوهای از پیش تعیی نشده یا الگوهای حاصل از بار شهای ثبت شده منطقه به مدل معرفی م یگردد. گزینه های متفاوتی جهت تعریف پراکنش زمانی و مکانی بارش در مدل وجود دارد. این گزینه ها عبارتند از:

• هیتوگراف تعریف شده کاربر (User Hyetograph)
• تعیین وزن هر باران سنج توسط کاربر (User Gauge Weighting)
• وزن دهی به روش عکس فاصله (Inverse Distance Weighting)
• بارش شبکه ای (Girded Precipitation)
• رگبار با دوره بازگشت (Frequency Storm)
• رگبار استاندارد پروژه (Standard Project)
• رگبار فرضی SCS Hypothetical Storm) SCS)

داده های بارش را با انتخاب یکی از روش های فوق می توان به مدل وارد نمود تا MAP منطقه به دست آید و در تبدیل بارش به رواناب مورد استفاده قرار گیرد. در شکل زیر منوی ورود اطلاعات در روش وزن دهی باران سنج معکوس فاصله نشان داده شده است.

منوی ورود اطلاعات در روش وزن دهی باران سنج معکوس فاصله

ب- بارش و ذوب برف

مدل سازی ذوب برف برای حوضه های برف گیر و مناطقی که بارش برف و یا ترکیب توام برف و باران وجود دارد، ضروری می باشد. روش های ذوب برف علاوه بر اینکه نوع بارش را از نظر باران و برف تعیین م یکنند، میزان ذوب برف و انباشت بیلان برفی را به صورت تجمعی محاسبه می کنند. دو روش یکپارچه و شبک های برای مدل سازی بارش و ذوب برف در HEC-HMS موجود است. در صورتی که از روش شبکه ای مادکلارک برای محاسبه رواناب سطحی استفاده شود، باید روش شبکه ای ذوب برف مورد استفاده قرار گیرد. در سایر روش ها، روش یکپارچه ذوب برف مورد استفاده قرار می گیرد. در روش یکپارچه، زیرحوضه به نواحی ارتفاعی تقسیم م یگردد و در این نواحی گرادیان دما ثابت در نظر گرفته می شود. همچنین جهت تعیین سری زمانی دمای هر ناحیه، گرادیان دما در هر زیرحوضه به مدل معرفی می شود. روش محاسباتی به کار رفته برای تعیین ذوب برف، روش شاخص حرارت م یباشد. این روش توسعه یافته روش درجه - روز است و نسبت به این روش نیاز به پارامترهای متعددی برای شبیه سازی دارد.

پ- تبخیر و تعرق

در کاربرد های معمول شبیه سازی سیلاب از محاسبه مولفه تبخیر و تعرق با توجه به ناچیز بودن این مولفه صر فنظر می شود. اما به طور کلی با توجه به قابلیت شبیه سازی پیوسته در مدل HEC-HMS، امکان محاسبه مولفه تبخیر و تعرق در کنار رطوبت خاک به طور پیوسته در زمان وجود دارد.

تنها گزینه موجود جهت شبیه سازی مجموع تبخیر و تعرق در مدل HEC-HMS، ب هصورت میانگین ماهانه است. از روش میانگین ماهانه می توان برای محاسبه تبخیر و تعرق برای هر ماه از سال استفاده نمود. یک ضریب تبخیر نیز برای تصحیح داده های تبخیر از طشتک مورد استفاده قرار می گیرد.

تشریح بخش ویژگی های کنترلی

ویژگی های کنترلی به همراه اجزای حوضه و هواشناسی برای مدیریت اجرای مدل فعال می شود. تاریخ و زمان شروع اجرای مدل و تاریخ و زمان پایان اجرای مدل در بخش مربوط به ویژگی های کنترلی تنظیم می شوند. تاریخ و ساعت شروع و اتمام یک پروژه، ه مچنین دسته بندی زمان محاسبات یا گام زمانی در این بخش معرفی می شود.

داده های ایستگاه ها (آب سنجی و باران سنجی) با توجه به گام زمانی انتخاب شده، درون یابی می گردند. اگرچه برخی روش ها یک گام زمانی داخلی را به کار می برند، بیش تر روش ها با استفاده از گام زمانی تعیین شده در ویژگی های کنترلی محاسبات خود را انجام م یدهند. در صورت نیاز، گزارش نتایج اجرای عناصر مجزای مدل نیز براساس گام زمانی ویژگی های کنترلی به صورت خطی درون یابی می شوند.

تشریح بخش برآورد پارامترها و بهین هسازی

مرحله واسنجی، از داده های بارش - رواناب مشاهده ای، در یک جستجوی نظام یافته برای برآورد پارامترهای مدل استفاده می کند. به نحوی که بهترین برازش بین نتایج شبیه سازی و مشاهده ای حاصل گردد. این جستجو اغلب به عنوان بهینه یابی خوانده می شود. بهینه یابی خود مشتمل بر تابع هدف (شاخص نیکویی برازش) و روش جستجو است و هر یک دارای گزینه های متفاوتی هستند.

برای مقایسه میزان تطابق هیدروگراف محاسباتی با هیدروگراف مشاهد های، مدل HEC-HMS مقدار یک شاخص نیکویی برازش یا تابع هدف را محاسبه می کند. الگوریتم های جستجوکننده، پارامترهایی را که بهترین مقدار شاخص (کم ترین خطا) را حاصل کنند، به عنوان مقادیر پارامترهای واسنجی شده معرفی می نمایند.

در مدل HEC-HMS شش تابع هدف وجود دارد که عبارتند از:

• مجموع خطاهای مطلق
• مجموع مجذور باقیمانده ها
• درصد خطا در دبی اوج
• خطای وزنی RMS دبی اوج
• درصد خطا در حجم
• خطای وزنی RMS زمان

روش های جستجوی موجود در مدل عبارتند از:

• الگوریتم جستجوی شیب یک متغیره
• الگوریتم ندلر و مید

در حین جستجو با هر کدام از الگوریت مهای فوق، مدل HEC-HMS در هر تکرار برای اطمینان از اینکه مقادیر آزمون پارامترها در دامنه قابل قبول باشند، کنترل می شود. اگر پارامترها در دامنه قابل قبول قرار نگیرند، مدل HEC-HMS مقادیر آزمون را تا رسیدن به حداقل افزایش داده و یا تا رسیدن به مقدار حداکثر کاهش م یدهد و سپس جستجو ادامه می یابد. از بین دو روش فوق روش اول، که روش پیش فرض مدل می باشد. این روش قادر به ارزیابی و تصحیح یک پارامتر در یک زمان م یباشد، لذا سایر پارامترها در آن زمان ثابت فرض می شود. در روش نلدر و مید، تمامی پارامترها به طور هم زمان ارزیابی و تصحیح می شوند.

مدل HEC-HMS علاوه بر این قیود غیر قابل تخلف، قیود نرم تعریف شده توسط کاربر را نیز در نظر می گیرد. این قیود، حدود مطلوب پارامترها را تعریف می کنند. پس از آن اگر حاصل جستجو پارامتری خارج از دامنه قید نرم باشد، تابع هدف در یک عامل جریمه ضرب خواهد شد. این عامل الگوریتم جستجو را ترغیب م یکند تا پارامترهایی را انتخاب کند که به دامنه قید نرم نزدیک تر باشند.

اگر قصد آموزش این مدل را دارید اینجا کلیک کنید. ویدئو + کتاب

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح