2.2. ویژگی های حوضه آبخیز

1.2.2 مشخصه های فیزیکی

خصوصیات فیزیوگرافی یک حوضه آبخیز تا حدود زیادی تأثیرات هیدرولوژیکی آن و به ویژه رژیم جریان در طول سیل و دوره های خشکسالی را تحت تأثیر قرار می دهد. زمان تمرکز، که سرعت و شدت واکنش حوضه آبخیز به تنش (بارندگی) را مشخص می کند، تحت تأثیر خصوصیات مختلف مورفولوژیکی قرار دارد.

1.1.2.2 ژئومورفولوژی

حوضه آبخیز

حوضه آبریز منطقه پذیرش بارندگی و تأمین جریان آب است. خروجی بسته به سطح آن بستگی دارد. سطح یک حوضه آبخیز را می توان با استفاده از روش های مختلف اندازه گیری کرد: قرار دادن یک شبکه بر روی نقشه حوضه، با استفاده از یک متر سنج یا روش های دیجیتالی.

شکل یک حوضه آبخیز بر شکل هیدروگراف مشخصه آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، یک حوضه آبریز شکل بلند برای همان بارندگی، جریان خروجی کمتری ایجاد می کند، زیرا زمان تمرکز بالاتر است. یک حوضه آبخیز دارای شکل دایره زمان تمرکز کمتری دارد و جریان بالاتری ایجاد می کند.

شکل 4.2 تأثیر شکل حوضه در هیدروگراف [Musy ،2001]

اگر شکل یک حوضه آبخیز در نظر گرفته شود، می توان از شاخص های مختلف ژئومورفولوژیک استفاده کرد. شاخصی که بیشترین استفاده را می کند، شاخص Gravelius KG است که به عنوان رابطه بین محیط حوضه و دایره ای با سطح برابر با یک حوضه آبخیز تعریف می شود. مقادیر مختلفی از شاخص Gravelius برای اشکال مختلف حوضه آبخیز را می توان در شکل 5.2 یافت.

where:

  KG Gravelius's shape index

  A watershed area [km2]

  P watershed perimeter [km]

شکل 5.2 برخی از مقادیر KG برای اشکال مختلف حوضه آبخیز [Musy ،2001]

جهت گیری حوضه

جهت یک حوضه آبخیز بر سرعت ذوب برف تأثیر می گذارد. حوضه های آبخیز خصوصاً در جهت شمال و جنوب در معرض نور خورشید قرار دارند. سرعت ذوب برف در نتیجه از حوضه های آبخیز توسعه یافته به سمت شرق و غرب کمتر است. برای تعیین دقیق تأثیر جهت گیری حوضه آبخیز، دانستن جهت و فرکانس باد غالب ضروری است.

2.1.2.2 توپوگرافی

این مورد از طریق ویژگی های زیر بر واکنش حوضه تأثیر می گذارد:

منحنی هایپسوگرافی آبخیزداری

منحنی هایپسوگرافی آبخیز یک منظره کلی مصنوعی از برجستگی حوضه را نشان می دهد. این منحنی با در نظر گرفتن ارتفاع از آن، تقسیم مجدد حوضه را نشان می دهد.

شکل 6.2 منحنی هایپسوگرافی یک حوضه آبخیز [Musy ،2001]

منحنی هایپسوگرافی از کاربرد عملی در مقایسه حوضه های آبخیز یا بخشهای مختلف یک حوضه برخوردار است. منحنی هایپسوگرافی همچنین به تعیین میزان متوسط ​​بارندگی در حوضه آبخیز کمک می کند و می تواند اطلاعاتی راجع به رفتار هیدرولوژیکی و هیدرولیکی حوضه آبخیز و شبکه هیدروگرافی آن ارائه دهد.

ارتفاعات مشخصه حوضه آبخیز

• ارتفاعات شدید حوضه آبخیز، از جمله حداقل و حداکثر، به عنوان یک مرحله شروع برای نقشه های توپوگرافی بدست می آیند. حداکثر ارتفاع، ارتفاع بلندترین نقطه حوضه است، در حالی که حداقل ارتفاع، ارتفاع پایین ترین نقطه است، که عموماً قسمت خروجی حوضه است. این مقادیر دامنه ارتفاع سنجی حوضه را تعیین می کند و به محاسبه شیب کمک می کند.
• ارتفاع متوسط ​​یک حوضه آبریز - می تواند مستقیماً از منحنی هایپسوگرافی یا از خواندن نقشه توپوگرافی استنباط شود. از ارتفاع متوسط ​​یک حوضه آبخیز اغلب در ارزیابی برخی از پارامترهای آب و هواشناسی استفاده می شود و می تواند با رابطه زیر محاسبه شود.

• ارتفاع متوسط یک حوضه آبریز، میانگین محاسبه مقادیر حداکثر و حداقل ارتفاعات یک حوضه را نشان می دهد و با رابطه زیر بیان می شود.

where:

  Hm medium altitude of the watershed [m]

  Hmax maximum altitude of the watershed [m]

  Hmin minimum altitude of the watershed [m]

شیب متوسط آبخیزداری

شیب متوسط آبخیزداری اطلاعاتی را در مورد توپوگرافی حوضه آبخیز ارائه می دهد. این یک متغیر مستقل در نظر گرفته می شود. شیب متوسط حوضه آبخیز به طور اساسی بر مقدار زمان غلظت و به طور مستقیم، رواناب حاصل از بارندگی تأثیر می گذارد.

where:

  ia average slope of the watershed [m/km] or [‰]

  D the equidistance between two consecutive contour lines [m]

  L total length of the contour lines [km]

  A surface of the watershed [km2]

مجموعه ای از روش ها برای تخمین شیب متوسط حوضه انتخاب شده است. روش پیشنهادی (Carlier & Leclerc 1964) شامل محاسبه میانگین وزنی تمام سطوح ابتدایی است که بین دو خط کانتور وجود دارد.

3.1.2.2 هیدروگرافی

شبکه هیدروگرافی به عنوان مجموع تمام جریانهای آبی، طبیعی یا مصنوعی، دائمی یا موقتی تعریف می شود که به رواناب کمک می کنند. ویژگی های یک شبکه هیدروگرافی یک حوضه تحت تأثیر چهار عامل اصلی است: زمین شناسی، آب و هوا، امداد و محیط زیست. شبکه هیدروگرافی یکی از مهمترین ویژگیهای یک حوضه آبخیز است.

توپولوژی شبکه هیدروگرافیک

طبقه بندی مسیرهای آب توسط استرالر (1957) معرفی شد. ترتیب منابع آب میزان انشعاب شبکه هیدروگرافی از بالادست به پایین دست را منعکس می کند و بر اساس اصول زیر استوار است: [Musy ،2001]

• تمام مسیرهای آبی بدون انشعابات از درجه یک هستند.
• جریان آبی که از تلاقی دو جریان آب با نظم متفاوت تشکیل شده است، بالاترین مرتبه از این دو را حفظ خواهد کرد.
• جریان آبی که با تلاقی دو جریان آب از یک نظم تشکیل شده است، مرتبه ای بالاتر از یکی از دو مورد دیگر خواهد داشت.

شکل 7.2 سیستم طبقه بندی شبکه هیدروگرافی استرالر  [Musy ،2001]

دامنه ها و طول مشخصه برای شبکه هیدروگرافیک

شیب تند یک رودخانه باعث روان سازی و تسریع رواناب می شود، در حالی که یک شیب کوچک به آب زمان لازم را می دهد تا به طور کامل یا جزئی در خاک نفوذ کند. محاسبه شیب متوسط ​​از مشخصات طولی جریان اصلی و انشعابات آن بدست می آید.

شکل 8.2 مشخصات طولی یک شبکه هیدروگرافی [Musy ،2001]

متداول ترین روش مورد استفاده برای محاسبه شیب طولی یک جریان آبی شامل همبستگی اختلاف ارتفاع نقاط شدید جریان با طول آن است.

where:

  s1 longitudinal slope of stream [m/km] or [‰]

  ΔH difference of altitude of the extreme points of the stream [m]

  L total length of the stream between its extreme points [km]

درجه توسعه شبکه هیدروگرافیک

درجه توسعه شبکه هیدروگرافیک، معرفی شده توسط هورتون، با روابط بین طول کل شبکه هیدروگرافیک و سطح حوضه ارائه می شود.

where:

  Dd degree of development of the hydrographic network [km/km2]

  Li length of the stream [m]

  A watershed surface [km]

ثابت ثبات یک جریان، معرفی شده توسط شاوم، نشان دهنده نقطه مقابل درجه توسعه شبکه هیدروگرافی است.

4.1.2.2 عوامل زمین شناسی و کشت و زراعت

انواع خاک و پوشش گیاهی

نوع خاک بر میزان نفوذ، ظرفیت نگهداری و ضریب رواناب تأثیر می گذارد. درجه رطوبت خاک یکی از عوامل اصلی تعیین کننده زمان تمرکز است. اندازه گیری این پارامتر بسیار دشوار است زیرا دارای تغییرات زیادی در زمان و مکان است. اغلب پارامترهای دیگر استفاده می شود. آنها رطوبت خاک را منعکس می کنند و به راحتی می توان آنها را بدست آورد. یکی از اینها شاخص بارش مقدماتی (API) است که با رابطه بیان می شود:

where:

  API0 the API initial values [mm]

  APIt API values after t days [mm]

  t time [days]

  K regression factor (K<1), characteristic for each watershed and varies from one season to another [km]

نوع و تراکم پوشش گیاهی به طور مستقیم میزان آب رهگیری و حفظ شده توسط خاک را تعیین می کند. به عنوان مثال، جنگل قسمت خاصی از بارش را توسط سایبان درخت حفظ می کند. پوشش گیاهی رواناب را در شرایطی که از نظر هواشناسی طبیعی است منظم می کند. عملکرد آن در شرایط شدید (سیل و خشکسالی) نسبتاً کاهش می یابد. در موارد خاک بدون پوشش گیاهی ظرفیت احتباس آب کاهش می یابد، که منجر به رواناب طغیان و ظهور پدیده های فرسایش بستر رودخانه می شود.

برای تخمین تأثیر پوشش گیاهی، ضریب فرهنگ های مختلف باید محاسبه شود:

زمین شناسی آبخیزداری

برای برآورد واکنش هیدرولوژیکی حوضه باید زمین شناسی حوضه آبخیز شناخته شود. زمین شناسی بستر حوضه هر دو رواناب و جریان آب زیرزمینی را تحت تأثیر قرار می دهد. برای رواناب، ویژگی اصلی زمین شناسی نفوذپذیری بستر خاک است. در صورت بارندگی، حوضه ای آبریز که دارای یک بستر غیرقابل نفوذ است، در مقایسه با یک حوضه با بستر قابل نفوذ، سرعت رواناب سریعتر و خشن تری را نشان می دهد. یک حوضه آبریز با یک لایه نفوذ پذیر رواناب پایه ای را در دوره های خشک فراهم می کند که طولانی تر خواهد بود. زمین شناسی حوضه از طریق شناسایی مناطق کارستی برای جریان آب زیرزمینی ضروری است. این مناطق کارستی ممکن است حتی تحدید حدود واقعی حوضه آبخیز را اصلاح کنند.

2.2.2 خصوصیات هیدرولوژیکی

تجزیه و تحلیل رفتار هیدرولوژیکی یک حوضه به منظور بررسی واکنش هیدرولوژیکی حوضه در رابطه با بارندگی انجام می شود. این واکنش با مشاهده مقدار آبی که از سیستم تخلیه می شود اندازه گیری می شود. نمایش گرافیکی تکامل دبی Q در مقابل زمان را هیدروگراف می نامند. واکنش هیدرولوژیکی یک حوضه آبریز به یک بارندگی خاص با سرعت و شدت آن مشخص می شود. در شکل 9.2 مثالی از هیدروگراف حاصل از بارندگی مشخص آورده شده است.

شکل 9.2 هیدروگراف حاصل از بارندگی است [Musy ،2001]

1.2.2.2 زمان تمرکز

زمان تمرکز tc، در آب حوضه به عنوان حداکثر مدت زمان لازم برای ریزش قطره آب در سطح حوضه برای رسیدن به قسمت خروجی حوضه تعریف شده است. زمان غلظت از سه اصطلاح مختلف تشکیل شده است:

• t_h - زمان رطوبت - زمان لازم برای جذب آب از خاک
• t_r - زمان رواناب - زمانی که مربوط به جریان آب از سطح یا از اولین افق خاک به یک شبکه هیدروگرافی است
• t_a - زمان جابجایی - زمان لازم برای حرکت قطره آب از طریق شبکه هیدروگرافی به قسمت خروجی حوضه آبخیز

زمان تمرکز برابر است با حداکثر جمع سه عنصر:

زمان تمرکز ممکن است از طریق اندازه گیری های صحرایی استنباط شود یا با فرمول های تجربی تخمین زده شود.

2.2.2.2 ایزوکرون

ایزوکرون یک کانتور است که به نقاط متغیر زمان تمرکز مساوی آب در یک حوضه متصل می شود. دورترین ایزوکرون ها از قسمت خروجی نشان دهنده زمان سپری شده برای آن است که کل سطح حوضه آب پس از یک بارندگی یکنواخت به جریان به سمت قسمت خروجی کمک می کند.

بنابراین، ردیابی شبکه ایزوکرون امکان درک جزئی از رفتار هیدرولوژیکی یک حوضه و اهمیت نسبی هر یک از حوضه های فرعی آن را فراهم می کند.

شکل 10.2 نمایندگی ایزوکرون ها از یک حوضه آبخیز [Musy ،2001]

این منحنی ها برای فرضیه های مختلف امکان تعیین هیدروگراف حاصل از بارندگی در حوضه آبخیز را فراهم می کند.

منابع

Dingman, S. L. 1994. Physical Hydrology. Pearson Education Ltd., London, United Kingdom.

Musy, A. 1998. Hydrologie appliquée, Cours polycopié d'hydrologie générale, Lausanne, Suisse.

Musy, A. 2001. e-drologie. Ecole Polytechnique Fédérale, Lausanne, Suisse.

Shaw, E. M. 1988. Hydrology in practice. Van Nostrand Reinhold International, London, United Kingdom.

دسترسی به عناوین دیگر محتوای مرتبط با این بخش

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