این یادداشت ها به عنوان رئوس مطالبی برای درک و مقایسه روشهای مختلف هیدرولوژیکی در نظر گرفته شده اند. اینها در درجه اول برای در نظر گرفتن مفاهیم و فنون مختلف هیدرولوژیکی طراحی شده اند تا تفاوتها (و شباهتها) آنها بهتر درک شود. این یادداشت ها نباید به عنوان تنها پایه برای استفاده از این روش ها استفاده شود. متون زیادی در دسترس است که اطلاعات دقیق در مورد مشخصات هر یک از روش ها را ارائه می دهد. قبل از اقدام به استفاده از هر یک از این روش ها، باید با این منابع مشورت شود.

منبعی که بسیار توصیه می شود راهنمای تجزیه و تحلیل هیدرولوژیک با استفاده از روش های SCS توسط Richard H. McCuen است. منابع دیگر شامل انتشار فنی SCS شماره 55 (TR-55) و Basic Hydrology توسط Sharp & Sawden است.

رابطه شدت، مدت زمان و فراوانی

منحنی های IDF بر اساس مشاهدات بارندگی، منحنی های IDF برای هر مکان قابل تنظیم هستند:

این منحنی رابطه بین شدت (i) و مدت زمان (d) یک رویداد بارشی با یک دوره بازگشت داده شده (T) را نشان می دهد.

به جای دوره بازگشت، دقیق تر است که از نظر احتمال وقوع (p) بررسی کنید، جایی که p = 1/T. بنابراین، یک "طوفان 25 ساله" در واقع یک رویداد بارشی را تعیین می کند که احتمال وقوع آن در هر سال 4٪ است.

روش منطقی برای پیش بینی رواناب

از روش منطقی ممکن است برای پیش بینی اوج رواناب طبق فرمول استفاده شود:

    q=CIA

    q=Peak Runoff [CFS]

    C=Runoff Coefficient

    i=Rainfall intensity [in/hr]

    A=Area [acres]

نام این روش از این واقعیت گرفته شده است که واحدها "منطقی" شده اند. یعنی:

1 CFS = 1.01 in-ac/hr

اگرچه روش منطقی ساده به نظر می رسد، اما کاملاً به انتخاب "صحیح" C و i بستگی دارد:

• C بر اساس خاک، سطح زمین و سایر عوامل است.
• i از منحنی IDF محلی برای یک دوره بازگشت و مدت زمان مشخص بدست می آید.

یکی از مهمترین چالشهای روش منطقی انتخاب مدت زمان صحیح است. مدت زمان باید به اندازه کافی طولانی باشد تا حداکثر رواناب رخ دهد. مدت زمان طولانی تر، شدت کمتری از منحنی IDF و در نتیجه رواناب کمتری ایجاد می کند.

برای یک زیرشاخه واحد، مدت "صحیح" معمولاً برابر با زمان تمرکز است. با این حال، هنگامی که چندین زیرشاخه در یک سیستم زهکشی کامل ترکیب می شوند، مدت زمان صحیح می تواند بین کوتاهترین و طولانی ترین Tc مقداری داشته باشد.

روش منطقی فقط برای تعیین اوج رواناب در نظر گرفته شده است. این رواناب تجمعی (حجم) ندارد و بنابراین در صورت نیاز به مسیریابی حساس به حجم بعدی، نمی توان از آن استفاده کرد.

توزیع های طوفان SCS

توزیع بارندگی SCS را می توان با مطالعه اطلس های فروانی بارندگی اداره هواشناسی، سرویس حفاظت خاک تعیین کرد که کل کشور را تنها با چهار توزیع باران بدون بعد و به مدت 24 ساعت نشان داد. هر توزیع به صورت یک منحنی جرم بیان می شود که نشان می دهد در هر زمان کسری از کل بارش 24 ساعته کاهش یافته است.

این منحنی ها از همان داده های عمق-مدت-فروانای استفاده شده برای منحنی های IDF ساخته شده اند. با استفاده از 30 دقیقه افزایش، بارندگی افزایشی برای مدت زمان 30 دقیقه تا 24 ساعت محاسبه می شود. به عنوان مثال، عمق 30 دقیقه ای از عمق یک ساعت و عمق یک ساعت از عمق ½1 ساعت کم شد.

سپس بیشترین 30 دقیقه افزایش در وسط طوفان فرضی قرار می گیرد که 12 ساعت است. دومین عمق افزایشی 30 دقیقه ای در 30 دقیقه بعدی و سومین عمق 30 دقیقه قبل قرار می گیرد. این فرآیند تکرار می شود تا زمانی که کل منحنی 24 ساعته ایجاد شود.

مهمترین ویژگی توزیع طوفان SCS این است که هر منحنی شامل اطلاعات عمق برای وقایع در تمام مدت تا 24 ساعت است.

علاوه بر این، توزیع SCS بارندگی تجمعی را در هر زمان ارائه می دهد، بنابراین آن را برای محاسبات مسیریابی وابسته به حجم مناسب می کند.

 معادله رواناب SCS

مطالعات انجام شده توسط SCS منجر به رابطه تجربی زیر برای رواناب شد:

به عبارت دیگر، با توجه به تعداد منحنی و بارش تجمعی در هر برهه از زمان، ما از حجم رواناب حاصل آگاهی داریم. با این حال، ما نمی دانیم که چه زمانی رواناب رخ می دهد.

توجه: تعداد منحنی بر اساس نوع خاک، سطح زمین و سایر عوامل تعیین می شود. تعیین CN موضوعی جداگانه است که در اینجا به آن پرداخته نخواهد شد. کافی است بگوییم که اعداد منحنی زیاد (تا 100) نشان دهنده رواناب کامل با احتباس کم و تعداد کم نشان دهنده ماندگاری زیاد و کاهش رواناب است. CN معادل تقریبی مقدار C است که در روش منطقی استفاده می شود. (اینجا را ببینید).

تعیین زمان تمرکز

برای تعیین نحوه توزیع رواناب در طول زمان باید یک عامل وابسته به زمان معرفی کنیم. زمان تمرکز یا Tc برای روش های SCS استفاده می شود.

 Tc اغلب به عنوان زمان مورد نیاز برای حرکت یک ذره آب از دورترین نقطه آب حوضه آبخیز تا نقطه جمع آوری خروجی تعریف می شود. روشهای مختلفی برای محاسبه Tc در دسترس است که یکی از آنها روش تأخیر است:

سایر روشهای معمول شامل:

• ورق TR-55
• جریان متراکم کم عمق TR-55
• جریان کانال (براساس سرعت منینگ)
• روش Upland (توصیف شده در NEH-4)

تمام این تکنیک ها توسط HydroCAD ارائه شده است. این امکان انتخاب روش (های) مناسب برای هر موقعیت را فراهم می کند.

 هیدروگراف واحد بدون بعد SCS

هیدروگراف واحد نشان دهنده رواناب حاصل از:

• یک اینچ مازاد بارش
• تولید یکنواخت در حوضه آبریز
• با نرخ یکنواخت
• برای مدت زمان D

هیدروگراف با بیان:

• به عنوان کسری از q_p تخلیه اوج
• محور زمان به عنوان کسری از T_p زمان اوج

با تجزیه و تحلیل مقدار زیادی از داده های اندازه گیری شده، SCS یک هیدروگراف واحد بدون بعد متوسط تولید کرد:

برای اندازه گیری محور زمانی UH از روابط زیر استفاده می کنیم:

T_p = 5D   و   T_p = 2/3 Tc    آنگاه  D = T_c / 7.5

Tp=Time to peak [hours]

Tc=Time of concentration [hours]

D=Burst duration [hours]

این اجازه می دهد تا مدت زمان D و مدت زمان کلی UH فقط بر اساس زمان تمرکز تعیین شود.

برای اندازه گیری دستورات UH می توانیم از رابطه زیر بین حجم و اوج UH استفاده کنیم:

q_p = 484 AQ/T_p    =  726AQ/T_c

q_p=Peak discharge [CFS]

484="Peak factor"

A=Area [sq-miles]

Q=Precipitation excess (runoff) [inches]

این اجازه می دهد تا دستورات UH بر اساس میزان بارندگی موثر (Q) ابعاد شوند، همانطور که قبلا توسط معادله رواناب SCS تعیین شده بود.

بحث: اساس TR-20

هیدروگراف واحد، هنگامی که اندازه گیری می شود، به ما می گوید که رواناب برای یک رخداد بارندگی چه خواهد بود. برای تعیین رواناب برای کل طوفان، ما باید یک جمع شدن هیدروگراف واحد را با میزان بارش موثر انجام دهیم. این به سادگی جمع بسیاری از هیدروگراف های واحد است که هر کدام نشان دهنده یک رخداد رواناب است.

این فرایند به شرح زیر است:

• برای اولین رخداد (با مدت زمان D) ما بارش موثر را تعیین می کنیم و یک واحد هیدروگراف مربوطه ایجاد می کنیم.
• برای رخداد بعدی، مقدار اضافی بارش را که در فاصله D رخ می دهد تعیین می کنیم که (Q = Q(t + D) -Q(t است. ما UH مربوطه را ایجاد می کنیم، آن را با مدت زمان D ترجمه می کنیم و به نتیجه قبلی اضافه می کنیم.
• مرحله 2 برای تمام مدت زمان D مورد نیاز برای ایجاد کل طوفان 24 ساعته تکرار می شود.

هیدروگراف حاصل، رواناب کل طوفان را نشان می دهد. این روش اساسی است که توسط TR-20 برای پیش بینی رواناب استفاده می شود.

توجه داشته باشید که اگر T_c = 7.5 دقیقه، D = 1 دقیقه و طوفان 24 ساعته شامل 1440 رخداد باشد که تعداد مساوی هیدروگراف واحد تولید می کند. اگر UH از 100 مختصات تشکیل شده باشد، باید حدود 140،000 مختصات جمع شود تا هیدروگراف کامپوزیت تولید شود! بدیهی است که چنین تکنیکی را نمی توان با دست انجام داد.

TR-55 و روش جدول

به دلیل نیازهای بسیار زیاد محاسباتی TR-20 مهندسان SCS روش جدول ساده را به عنوان پایه TR-55 بدست آوردند.

روش جدولی شامل تعدادی هیدروگراف ترکیبی است که با TR-20 تولید می شوند و سپس مقیاس بندی و درون یابی می شوند تا نتایج حاصل با خود TR-20 تولید شود.

برای اینکه تعداد جداول به حداقل برسد، مقادیر متوسط ​​برای متغیرهای مختلف مورد استفاده قرار می گرفت. سپس معادلات TR-55 برای معرفی مجدد وابستگی به این پارامترها طراحی می شود.

دو فرض اصلی TR-55 شماره منحنی 75 و رواناب 3 اینچی است. انتظار می رود TR-20 و TR-55 با بی اعتبار شدن این فرضیه ها منحرف شوند.

تعدادی از شرایط دیگر نیز استفاده از TR-20 را نشان می دهد:

• Tc <.1 ساعت یا Tc> 2 ساعت
• مناطق فرعی زهکشی با ضریب 5 یا بیشتر متفاوت هستند
• کل هیدروگراف برای مسیریابی مورد نیاز است
• حجم های دقیق برای مسیریابی لازم است

 تقریب های TR-55 کافی است تا SCS هشدارهای زیر را در اسناد قرار دهد:

"این روش (TR-55) تقریبی TR-20 است، این روش هیدروگرافی دقیق تری است. اگر حوضه آبخیز بسیار پیچیده باشد یا درجه بالاتری از دقت لازم باشد، از TR-20 استفاده کنید."

 این امر به ویژه برای طراحی حوضچه های نگهداری که به تغییرات هیدروگراف ورودی بسیار حساس هستند، اعمال می شود. باز هم به نقل از TR-55:

"اگر خطایی در ذخیره سازی 25 درصد قابل تحمل نباشد، نباید از روش (TR-55) برای انجام طراحی نهایی استفاده شود. توسعه دقیق تر هیدروگراف و مسیریابی اغلب هزینه های ساخت را کاهش می دهد."

هنگام ارزیابی TR-55، به خاطر داشته باشید که این محصول فقط برای استفاده دستی ساخته شده است. هنگامی که رایانه در دسترس است، روش اصلی TR-20 ترجیح داده می شود.

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