مفاهیم اساسی

بارش نیروی محرکه ای در تمام فرآیندهای هیدرولوژیکی است. به معنای دقیق، بارش شامل باران، برف، یخ و هر شکل دیگری از آب است که از جو خارج می شود و به سطح زمین می رسد. بدون بارندگی، هیچ نفوذی، تعرق، رواناب سطح، جریان، جریان کانال یا هر فرآیند هیدرولوژیکی دیگری وجود نخواهد داشت.

 

مکانیسم های بارش

در حالی که همه بارش ها به نوعی آب در حال ریزش از جو به سطح زمین است، بارش به دلایل مختلف شکل می گیرد. دو مکانیسم اصلی بارندگی همبستگی و سرمایش است.

 

انسجام

تحت مکانیسم انعقاد یا انسجام، وقتی دما زیر نقطه شبنم باشد، یک قطره آب در اطراف هسته تشکیل می شود. هسته ها می توانند ذره ای از گرد و غبار، دی اکسید کربن، ذره نمک یا هر ذره غیر آب موجود در هوا باشند. با افزایش مقدار آب انباشته شده در قطرات، قطره با یک سرعت افزایش یافته سقوط می کند. قطر آن تقریباً 7 میلی متر می شود. سپس قطرات شکسته می توانند هسته قطرات بیشتری تشکیل دهند. بسته به شرایط باد در جو، قطره قطره شدن ممکن است بارها رشد کرده و از هم پاشیده شود، قبل از آنکه به سرانجام برسد.

 

کاهش دما

تحت مکانیسم خنک کننده، بارش زمانی اتفاق می افتد که میزان رطوبت موجود در جو از ظرفیت اشباع هوا فراتر رود. هوای گرم می تواند آب بیشتری نسبت به هوای سرد داشته باشد. اگر هوای گرم و مرطوب به اندازه کافی خنک شود، آب بیش از ظرفیت اشباع به عنوان بارش کاهش می یابد. خنک کننده آدیاباتیک وقتی اتفاق می افتد که یک توده هوا در ارتفاع کم به ارتفاع بالاتر برود. خنک کننده جلو در امتداد مرز بین یک جبهه آب و هوای گرم و یک جبهه سرد اتفاق می افتد. خنک کننده تماس نتیجه دمیدن هوای گرم در دریاچه سرد است. سرانجام، سرمازدگی هنگام گرم شدن هوا رخ می دهد و آب تبخیر شده را جذب می کند، اما پس از آن در طول شب سرد می شود. هر یک از فرایندهای مختلف خنک کننده می تواند منجر به بارش شود. برخی از فرآیندهای خنک کننده ممکن است در بعضی از مواقع از سال احتمال بیشتری داشته باشد و همه فرایندها در هر حوزه آبخیز رخ ندهند.

 

انواع بارش

سه نوع بارندگی مختلف وجود دارد که توسط مکانیزم تولید طبقه بندی می شوند. انواع مختلف از نزدیک با الگوهای آب و هوا مرتبط هستند.

 

همرفت

بارندگی همرفت با افزایش هوای گرم و مرطوب در جو رخ می دهد. با افزایش ارتفاع، فشار کاهش می یابد و این باعث می شود درجه حرارت کاهش یابد. اگر جرم هوای مرطوب به ارتفاعی به اندازه کافی بالا برود، بارش باران متراکم می شود و سقوط می کند. انرژی فوق العاده ای که در رابطه با فرآیندهای همرفت وجود دارد، اغلب به میزان بارندگی بسیار شدید منجر می شود. با این حال، طوفان همرفتی معمولاً دارای منطقه کوچک و مدت زمان کوتاهی است. رعد و برق تابستان نمونه اصلی این نوع بارش است.

 

چرخه ای

بارش سیکلونیک زمانی اتفاق می افتد که هوای گرم و مرطوب در جبهه سرد و با فشار کم جذب شود. هوای گرم با ورود به ناحیه کم فشار بالا می رود و در معرض سرمایش آدیاباتیک قرار می گیرد. شدت بارندگی با بزرگی سیستم کم فشار و وجود یک توده هوای گرم و مرطوب تعیین می شود. طوفان های چرخه ای بسیار زیاد هستند و سرعت بارندگی با شدت متوسط ​​دارند. به دلیل بزرگ بودن آنها، تمایل به ماندگاری طولانی دارند. بیشترین بارش نتیجه فعالیت سیکلونی است.

 

اوروگرافیک

هنگامی که یک توده هوا برداشته می شود، هنگام مواجهه با موانع توپوگرافی، بارش باران نتیجه می گیرد. یک جبهه سرد معمولاً نیروی محرکه ای است که توده هوا را به سمت مانع سوق می دهد، معمولاً یک رشته کوه. هنگامی که جبهه سرد آن را در برابر یک رشته کوه مجبور می کند، جرم هوای مرطوب مرتفع می شود. جرم هوا در جایی بالا می رود که در آن خنک می شود و نتایج بارندگی را نشان می دهد. این مهم است که درک کنیم که بارش به طور خودکار از لحاظ هوایی مشخص نیست زیرا میزان بارش در کوه ها رخ می دهد. بارش جغرافیایی فقط هنگامی حاصل می شود که توده هوا عمود بر کوه ها حرکت کند. در داخل ایالات متحده، این طوفان ها اغلب در کوه های Cascade، Sierra Nevada و Rocky مشاهده می شوند.

 

اندازه گیری بارش

اندازه گیری دقیق بارش یکی از بزرگترین چالش های مهندسی منابع آب است. عدم وجود بارش اندازه گیری شده می تواند مانع قابل توجهی برای مدل سازی هیدرولوژیک باشد. اگر شرایط مرزی بارش نادرست باشد، پیچیدگی، دقت و استحکام یک مدل هیدرولوژی بی معنی است. با استفاده از نوعی از ایستگاه می توان میزان بارش را در یک نقطه اندازه گیری کرد یا می توان با استفاده از ابزاری مانند رادار به صورت مکانی اندازه گیری کرد.

 

اندازه گیری های نقطه از طریق Gages

هر یک از دستگاه های اندازه گیری بارش که در جدول زیر شرح داده شده است، بارندگی یا بارش برف را در یک محفظه ذخیره سازی که برای اتمسفر باز است، ثبت می کند. سپس عمق آب جمع آوری شده به صورت دستی یا اتوماتیک مشاهده می شود و از آن مشاهدات، عمق بارش در محل دهانه به دست می آید.

 

گزینه های نظارت بر زمینه برداشت (WMO، 1994)

 

گزینه	طبقه بندی
کتابچه راهنمای کاربر (همچنین به آن می گویند عدم ضبط، توتالایزر یا اجزای جمع کننده)	این داده توسط یک ناظر انسانی خوانده می شود. مثالی در شکل بالا نشان داده شده است. غالباً چنین داده های روزانه ای به صورت روزانه خوانده می شوند، بنابراین اطلاعات دقیق در مورد توزیع زمانی کوتاه مدت بارندگی در دسترس نیست.
ایستگاه رصد اتوماتیک هواشناسی	این نوع داده بارش را بطور خودکار مشاهده و ضبط می کند. به عنوان مثال می توان وزن توزین را با یک نقشه بردار داده های نمودار باریک نشان داد. با استفاده از این داده، توزیع زمانی شناخته می شود، زیرا یک رکورد زمانی مداوم در دسترس است. در HEC-HMS، داده ای که توزیع موقت در آن شناخته شده است به عنوان یک دستگاه ضبط نامیده می شود.
ایستگاه رصد هیدرومتری از طریق تلگراف	این نوع داده عمق بارش را مشاهده و منتقل می کند ، اما آن را به صورت محلی ذخیره نمی کند. به عنوان مثال، یک سیستم ALERT با استفاده از فرستنده رادیویی، صدای سطل را آشکار می کند.  از راه دور معمولاً ضبط می کند. شکل حاضر نمونه ای از چنین معیاری است.
ایستگاه مشاهده خودکار هیدرومتری از طریق تلگراف	این نوع داده به طور خودکار مشاهده، ثبت و انتقال می کند. این یک دستگاه ضبط است.

 

 

میزان بارش باران ماهانه.

 

سنجش بارش باران که از تکنیک اندازه گیری سطل برآمدگی استفاده می کند.

 

اندازه گیری های منطقه ای از رادار

شکل بالا یک وضعیت معمولی (اما بسیار ساده) را نشان می دهد. رواناب برای آبخیز نشان داده شده پیش بینی می شود. عمق بارش باران در گزارش دهک های A و B در حوضه آبخیز اندازه گیری می شود.

 

بارش محیط کانال می تواند به عنوان متوسط ​​وزنی از عمق در دمای A و B محاسبه شود.

 

از داده های مشخص شده، می توان میانگین بارش ناحیه ای (MAP) را به عنوان میانگین وزنی از اعماق مشاهده شده تخمین زد. وزن های تعیین شده ممکن است مثلاً بستگی به این داشته باشد که میزان از یک یا چند نقطه فهرست مشخص شده توسط کاربر در حوزه آبخیز بستگی دارد. در این مثال، اگر یک نقطه شاخص در مرکز حوزه آبخیز انتخاب شود، وزنه ها تقریباً برابر خواهد بود، بنابراین MAP با میانگین حسابی عمق مشاهده شده در A و B برابر خواهد بود.

MAP که از این طریق از شبکه gages تخمین زده می شود، نمایانگر خوبی از بارندگی در یک حوضه آبریز است اگر شبکه به اندازه کافی در مجاورت طوفان متراکم باشد. معیارهای نزدیکی طوفان نیز باید در حال کار باشند و نباید در معرض ناسازگاری های سهوی قرار بگیرند.

سرویس ملی هواشناسی دستورالعمل های مربوط به تراکم یک شبکه هجومی را ارائه می دهد. اینها نشان می دهد که حداقل تعداد مورد نیاز، N، برای شبکه محلی هشدار سیلاب به صورت زیر است:

N*A^0.33

که در آن A = مساحت در مایل مربع است. با این حال، حتی با وجود این شبکه بیش از حداقل تعداد، همه طوفان ها ممکن است به اندازه کافی اندازه گیری نشوند. آبشارهای بارش مانند نمونه هایی که در شکل های بالا نشان داده شده است به طور معمول قطر 8-12 اینچ (20-30 سانتی متر) دارند. بنابراین، در یک حوضه یک مایل مربع (2.6 کیلومترمربع) سطح رودخانه نمونه ای از بارش را در حدود 1/100,000,000th از کل حوزه آبخیز نشان می دهد. با این اندازه کوچک از نمونه، ممکن است طوفان های جدا شده به خوبی اندازه گیری نشوند اگر سلول های طوفان روی مناطقی واقع شوند که "گپ" در شبکه gage وجود داشته باشد یا اگر بارش واقعاً یکنواخت بر روی حوزه آبریز نبارد.

تأثیر این "گپ" با شکل نشان داده شده است. شکل (الف) حوضه را از شکل قبلی نشان می دهد، اما با طوفان پوشانده شده است. در این حالت، مشاهدات در آب و هوای A و B نشانگر بارندگی خوب به دلیل توزیع کانال میدان بارندگی نیست. MAP "واقعی" احتمالاً از MAP محاسبه شده به عنوان میانگین مشاهدات فراتر خواهد رفت. در این حالت، میزان رواناب پیش بینی می شود. به طور مشابه ، مشاهدات آبگرفتگی باران واقعی را در مورد نشان داده شده در شکل (ب) نشان نمی دهد. در آنجا، سلول طوفان بیش از آبشار الف است، اما به دلیل قرار گرفتن در دهانه رودخانه، نمونه خوبی از بارندگی برای این حوزه آبخیز نیست. بنابراین، در مورد دوم ممکن است میزان رواناب بیش از حد پیش بینی شده باشد.

 

کمبود پوشش می تواند تخمین MAP را پیچیده کند.

 

یکی از راه حل های احتمالی برای مشکل گپ در مشاهدات بارندگی، افزایش تعداد اندازه گیری در شبکه است. اما حتی با افزایش تعداد، نمی توان از اندازه گیری مناسب بارندگی برای همه وقایع طوفانی اطمینان داشت. مگر اینکه فاصله بین آنها از ابعاد اصلی یک سلول طوفان معمولی کمتر باشد، ممکن است میزان بارندگی در یک حوضه به طور نادرست تخمین زده شود. راه حل دوم استفاده از برآورد عمق بارندگی از رادار هوا است.

راهنمای WMO در مورد روش های هیدرولوژیکی (1994) چنین توضیح می دهد:

رادار مشاهده مکان و حرکت مناطق بارش را مجاز می داند، و انواع خاصی از تجهیزات راداری می توانند تخمین میزان بارندگی را در مناطقی در محدوده رادار ارائه دهند.

داده های رادار آب و هوا از واحدهای ملی نظارت بر هواشناسی (NWS) واحدهای نظارت هوایی رادار داپلر (WSR-88D) در بیشتر ایالات متحده در دسترس هستند. هر یک از این واحدها مساحت مدور 230 کیلومتری شعاع را پوشش می دهند. رادار WSR-88D سیگنال باند S را منتقل می کند که هنگام برخورد با قطره باران یا یک مانع دیگر در جو، منعکس می شود. قدرت سیگنال منعکس شده، که معمولاً از لحاظ بازتابی بیان می شود، در فرستنده در طول اسکن های 360º آزمایشی، با محوریت واحد رادار اندازه گیری می شود. در طی یک دوره 5 تا 10 دقیقه ای، اسکن های پی در پی با افزایش 0/5 در ارتفاع انجام می شود. مشاهدات بازتابی از این اسکن ها با گذشت زمان و مکان یکپارچه می شوند تا برآورد اندازه و تراکم ذرات در یک ستون جوی بیش از یک مکان خاص را انجام دهند. سطوح مختلف آنالیز ممکن است برای بررسی و اصلاح ناسازگاری در داده های اندازه گیری انجام شود. محصولات داده نهایی در قالب های دیجیتال متنوعی توزیع می شوند. سلول های شبکه به طور معمول به ترتیب 4 کیلومتر 4 کیلومتر هستند.

 

داده های برنامه مورد نیاز

فصل های بعدی جزئیات مدل های محاسبه رواناب سطح رواناب از بارش را ارائه می دهد: گزینه های دیگر اشکال مختلفی از روش های هیدروگرافی واحد و روش موج سینماتیک هستند. در مفهوم ذاتی در روش های هر دو نوع، فرض بر این است که میزان بارش به طور یکنواخت در حوضه آبریز توزیع می شود

مدت زمان n. این به نوبه خود مستلزم مشخص کردن خواص این بارندگی یکنواخت است. در برنامه، این خصوصیات شامل (1) عمق کل بارش حوضه آبریز، و (2) توزیع زمانی آن بارش است.

اکثر روش های بارش موجود در برنامه محاسبه یک نمودار نگاری بارش برای همه زیرگذرها در یک مدل حوضه است. هایتوگراف یک سری زمان بارش است، بنابراین هم عمق و هم زمان بارش را شامل می شود. توجه داشته باشید که عکسبرداری نشان دهنده یک شرایط بارندگی متوسط در زیر محور است. روش بارش باران گرما یک استثنا است. آن را به جای یک شرح نگار، شبکه های بارش بیش از هر مقدار زیر محوطه را محاسبه می کند. حتی با این وجود ، بارش ناخالص در اصل یک شرح برای هر سلول شبکه است.

 

ویدیو فارسی آموزش مدل بارش-رواناب HEC-HMS

 

کتاب مهندسی آب - بسته جامع هیدرولوژی

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