مفاهیم و مبانی

دوره بازگشت به برآورد احتمال روی‌دادن یک پدیده طبیعی مثل سیل یا تغییرات دبی رودخانه گفته می‌شود. معمولاً محاسبه و برآورد دوره بازگشت بر پایه اندازه‌گیری آماری داده‌های تاریخی به منظور دست‌یابی به میانگین زمان تکرار پدیده در یک دوره زمانی است و برای تحلیل خطر بروز یک پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. شامل تصمیم گیری در مورد اینکه آیا اجازه می دهد پروژه در منطقه ای از ریسک خاص پیش برود یا طراحی ساختارها برای مقاومت در برابر حوادث با یک دوره بازگشت خاص، مجاز است. تجزیه و تحلیل زیر فرض می کند که احتمال وقوع این رویداد به مرور تغییر نمی کند و مستقل از وقایع گذشته است.

با توجه به وقوع سیلاب‌های فروردین ماه ۹۸، برخی گمانه‌زنی‌ها بر این است که بهار ۹۹ نیز این تجربه تکرار خواهد شد؛ ولی به اعتقاد محققان بارش‌های بهار ۹۹ در شرایط نرمال و همراه با رعد و برق‌های زیاد است، ضمن آنکه به گفته آنها در حال حاضر به دلیل عدم رعایت حریم رودها و ساخت و ساز در دشت‌های سیلابی، کشور همچنان از وقوع سیل آسیب‌پذیر است که لازم است با آموزش‌های همگانی و برآورد وقوع سیل و مدل‌سازی سیلاب‌های کشور، ریسک ناشی از مخاطرات سیل را کاهش داد.

مهندسین ارتش آمریکا (USACE) در حال ساخت قابلیت های جدید شبیه سازی و تجزیه و تحلیل کیفیت آب در برنامه های موجود در رودخانه  مخزن و شبیه سازی رواناب موجود در حوضه ها (HEC-RAS ،HEC-ResSim و HEC-HMS) هستند که مورد استفاده گسترده ای از طرف USACE است. و سازمان های دیگر این قابلیت ها نیاز به بازسازی، مدیریت و ارزیابی اثرات اکوسیستم اقتصادی مبتنی بر علمی را پشتیبانی می کنند. ترمیم اکوسیستم یکی از مأموریت های اصلی USACE است. هدف از فعالیت های مرمت اکوسیستم USACE، بازگرداندن عملکرد، ساختار و فرآیندهای قابل توجه اکوسیستم است که تخریب شده است. تلاش های ترمیم اکوسیستم شامل بررسی مشکلات موجود در تخریب سیستم و توسعه ابزارهای جایگزین برای حل آنها است.

توجه: این مطلب در راستای تایید محاسبات یک گزارش 400 صفحه ای در تحلیل و پیش بینی سیلاب حوضه آبریز خرم آباد نوشته شده است. این محاسبات و گزارش پیش از سال 1398 انجام شده است که به درستی سیل فروردین ماه لرستان را با دقت بالایی پیش بینی می کند.

به عنوان یک روش دیگر در بررسی درستی محاسبات گزارش هیدرولوژی پروژه جامع، می توان دبی سیل 11ام و 12ام فروردین 1398 در ایستگاه هیدرومتری دوآب-خرم آباد (مشاهداتی شرکت آب منطقه ای)، که درست بر نقطه خروجی مرز بسته شده حوضه منطبق است را با هیدروگراف قابل استخراج از هیدروگراف واحد مصنوعی اشنایدر کل حوضه، مورد مقایسه قرار داد. با توجه به مساحت و شکل حوضه، پیش از این درستی انتخاب هیدروگراف اشنایدر از بین دیگر روش های تهیه هیدروگراف واحد مصنوعی، در گزارش اصلی تحلیل شده است.

مدل سه بعدی حوضه آبریز خرم آباد

توجه: این مطلب در راستای تایید محاسبات یک گزارش 400 صفحه ای در تحلیل و پیش بینی سیلاب حوضه آبریز خرم آباد نوشته شده است. این محاسبات و گزارش پیش از سال 1398 انجام شده است که به درستی سیل فروردین ماه لرستان را با دقت بالایی پیش بینی می کند.

در این گزارش به منظور محاسبه درستی و صحت یابی خروجی مطالعات هیدرولوژی آبریز حوضه خرم آباد، منحصرا در بخش دبی های با دوره بازگشت معین، در اینجا دوره بازگشت سیل در ایستگاه های هیدرومتری فیزیکی (موجود در حوضه آبریز)، با عناصر مدل بارش-رواناب HEC-HMS، درست در محل این ایستگاه ها مورد مقایسه واقع شده است. بعلاوه در انتها یک مقایسه نیز با ارقام دبی سیلابی فروردین ماه 1398 صورت گرفت.

با هدف مدیریت سیلاب و جریان‌های سطحی؛

مدیرعامل شرکت آب منطقه‌ای گلستان از انجام مطالعات پس از سیلاب در پنج محور حوضه‌های آبریز "گرگانرود"، "قره‌سو" و "اترک" خبر داد. "علی نظری" با اعلام این خبر گفت: مطالعات پیش‌بینی سیلاب، مدیریت ریسک و ساماندهی رودخانه‌های حوضه‌ آبریز گرگانرود، قره‌سو و اترک با هدف مدیریت سیلاب و جریان‌های سطحی توسط تیم‌های مشاوره‌ای خبره انجام می‌شود.

در طول زمان آب و هوا، توپوگرافی سطح زمین را از طریق تعامل بین بارندگی، رواناب و فرسایش در حوضه های زهکشی شکل می دهد. مشخصات طولی یک رودخانه (ارتفاع در مقابل فاصله از پایین دست) یک ویژگی مهم مورفولوژیکی است که تاریخچه تکامل حوضه زهکشی را منعکس می کند، بنابراین شکل آن باید تشخیصی منطقه ای آب و هوا و تعامل آن با سطح زمین بدست دهد. اما، هر دو تشخیص اثرات اقلیمی در پروفایل های طولی و رمز گشایی در ساز و کارهای آب و هوایی توسعه آنها به دلیل فقدان داده های جهانی مربوطه و همچنین اثرات متغیر تکتونیک، سنگ شناسی، خصوصیات سطح زمین و فعالیت های انسانی چالش برانگیز بوده اند. در اینجا ما مجموعه ای از مجموعه داده های 333502 پروفایل طولی رودخانه را ارائه می دهیم، و از آن برای کشف تفاوت های شکل کلی (مقعر) در مناطق آب و هوایی استفاده می کنیم.

تغییرات آب و هوا منجر به نگرانی در مورد افزایش سیلاب های رودخانه ای شده است که ناشی از ظرفیت بیشتری برای نگهداری آب در یک جو گرم است. این نگرانی ها با شواهدی مبنی بر افزایش خسارت های اقتصادی ناشی از سیل در بسیاری از نقاط جهان، از جمله اروپا تقویت می شود. هرگونه تغییر در سیلاب رودخانه می تواند پیامدهای ماندگار در طراحی اقدامات حفاظت از سیلاب و پهنه بندی خطر سیل داشته باشد. با این حال، مطالعات موجود قادر به شناسایی یک سیگنال تغییر آب و هوایی در مقیاس قاره پایدار در مشاهدات تخلیه سیل در اروپا نیستند، به دلیل محدود بودن فضای مکانی و تعداد ایستگاه های هیدرومتریک. در اینجا ما الگوهای آشکار منطقه ای از افزایش و کاهش در سیلاب رودخانه مشاهده شده در پنج دهه گذشته در اروپا را نشان می دهیم، که مظاهر تغییر آب و هوا هستند.

مدل های ریاضی آب و هوا جهانی می توانند جنبه های بسیاری از سیستم آب و هوایی فیزیکی را تولید کنند. مدل های گردش عمومی (GCM) فرآیندهای ساختاری را در جو، اقیانوس و سطح زمین شبیه سازی می کنند. سناریوهای پیش بینی شده در مورد تغییرات آب و هوا برای مدل های منتخب GCM اعمال می شود و از خروجی آنها در شبیه سازی های هیدرولوژیکی PRMS استفاده می شود.

نقشه سیلاب رودخانه مدینه در نزدیکی بندرا، تگزاس

ابزار جدیدی برای آمادگی سیلاب در حال حاضر برای رودخانه مدینا در نزدیکی بندرا، تگزاس، از سازمان زمین شناسی ایالات متحده، اداره رودخانه بندر شهرستان و منطقه زیرزمینی و شورای توسعه آب تگزاس در دسترس قرار گرفته است. منابع شامل دو ایستگاه جدید جیپیاس جریان واقعی USGS در بالادست از بندرا، مجموعه ای از نقشه های طغیان سیل برای یک کشش 23 مایل در امتداد رودخانه مدینا و ابزار ارتباطی آنلاین است.

این نرم افزارها و مواد مرتبط (داده ها و اسناد و مدارک) توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) جهت منافع عمومی و پیشرفت علم استفاده کنندگان در دسترس قرار گرفته است. شما ممکن است، بدون هیچ گونه هزینه یا با پرداخت هزینه از این ابزارها استفاده، کپی برداری، اصلاح، یا توزیع توسط یک نرم افزار و هر آثار مشتق شده از آن، و اسناد آن نمایید. این موضوع را به توجه به حقوق نرم افزاری USGS کاربران، باید بررسی کنید.

شما می توانید دیگر نسخه های الکترونیکی و یا چاپی گزارش USGS و اسناد و مدارکی که در توزیع نرم افزار گنجانده شده است از اینجا دریافت کنید.

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.

شرحی کلی از 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 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

انواع مدل های شبیه ساز

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 دارد. یک مثال از مدل های فیزیکی حوضه های آبخیز، شبیه سازهای 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 تغییرناپذیرند، 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.

بررسی گزارش های حداکثر بارش محتمل (PMP) در منطقه

به منظور اخذ مقادیر میانگین حداکثر بارش محتمل در منطقه باید کلیه گزارش های مطالعات PMP سدهای موجود، در دست اجرا و یا مطالعه و همچنین گزارش های حداکثر بارش محتمل سازمان هواشناسی کشور جمع آوری و مورد بررسی قرار گیرد. از نتایج این بررسی ها می توان در انتخاب طوفان های شدید و فراگیر برای واسنجی مدل بارش - رواناب استفاده نمود.

معمولا گزارش های هواشناسی و هیدرولوژی به تجزیه و تحلیل داده های ماهانه و سالانه پارامترهای اقلیمی و هیدرولوژیکی می پردازد. از نتایج آن ها می توان در شناخت سال های پرباران که احتمال وقوع بارش های شدید و فراگیر در آن ها بیش تر است، استفاده نمود. با توجه به تاریخ وقوع طوفان های شدید و فراگیر در طول دوره آماری، می توان دوره و یا فصل وقوع شدیدترین طوفان ها و همچنین فراوانی وقوع آنها را تعیین کرد.

لازم به ذکر است روش محاسبه PMP، طی دستورالعمل دیگری توسط طرح تهیه ضوابط و معیارهای فنی صنعت آب کشور در دست تهیه است و علاقه مندان برای اطلاع از فرآیند محاسبه PMP، می توانند به دستورالعمل مذکور مراجعه نمایند.

الف- روش نقطه‌ای 

در این شیوه، نتایج نقطه‌ای آنالیز دبی متوسط سالانه طولانی مدت ایستگاه‌های آب سنجی انتخابی، به منطقه مطالعاتی تعمیم داده می‌شود. این روش ممکن است بدو صورت انجام گیرد:

1- ضریب جریان (Runoff Coefficient :C)

در صورتی که ایستگاه هیدرومتری مجاور حوضه دارای شرایط هیدروکلیماتیکی، پدولوژیکی و ژئومورفولوژیکی مشابه با منطقة مورد مطالعه باشد، می‌توان ضریب جریان محاسبه شده برای ایستگاه را جهت برآورد میزان آبدهی حوضه فاقد آمار استفاده نمود که از رابطه ذیل برای برآورد آبدهی در این مناطق استفاده می‌شود:

شناسایی و به دست آوردن داده های اولیه

قبل از برنامه ریزی و انجام بازدیدهای صحرایی باید با بررسی مجموع های از اطلاعات اولیه و نقشه های عمومی از منطقه با محدوده مطالعاتی آشنایی پیدا کرد. شناسایی داده های مورد نیاز و یا داده های که باید از بازدیدهای مقدماتی به دست آید، کار جمع آوری اطلاعات را در مراحل بعدی آسان تر می سازد. هرچه داده های بیش تری در دسترس قرار گیرد، اعتماد بیش تری به محاسبات و تحلیل های نهایی برای برآورد حداکثر سیل محتمل وجود خواهد داشت. نمودار مراحل تهیه آمار و اطلاعات و بررسی های اولیه آن ها در شکل ذیل آمده است. این مراحل شامل موارد زیر می باشد.

نقشه های توپوگرافی و یا محلی

نقشه های توپوگرافی با مقیاس های 1:250000 و 1:50000 از منطقه و در موارد خاص نقشه های با مقیا س بزرگ تر، مانند 1:25000 ، باید جمع آوری شود. این نقشه ها باید موقعیت پروژه، جاده های دسترسی، جانمایی سد و محدوده حوضه را نشان دهند. نقشه های توپوگرافی ویژه از قبیل نقشه هایی که در طی طراحی سدها مورد استفاده قرار گرفته اند، اغلب از سازمان های ذیربط و یا از شرکت های مهندسین مشاور قابل دسترس هستند. شکل زیر برای نمونه نقشه بخشی از حوضه آبریز رودخانه بختیاری را نشان می دهد که با استفاده از کلیه نقشه های همجوار آن می توان حوضه رودخانه بختیاری را تا محل مورد نظر برای پروژه مشخص (مثلا محل ساختگاه سد بختیاری) مرزبندی نمود.

می توان گفت PMF یک احتمال وقوع مشخص ندارد، هر چند برخی مانند ICOLD دوره بازگشت یک در یک میلیون سال و یک در ده میلیون سال را برای آن قایل هستند. اگر کلیه فاکتور های دخیل به طور مجزا بیشینه شود، مقادیر PMF اغلب به طور قابل ملاحظه ای بزرگ تر از مقداری که در حالت معمول محاسبه می شود، به دست می آید. در شرایطی که PMF براساس PMP برآورد شود، تعیین شرایط پیشین بارندگی، جریان، رطوبت خاک و مانند آن باید توسط مهندس هیدرولوژیست به طور منطقی قبل از آغاز PMP تعیین شوند. واضح است که اگر PMP که خود احتمال وقوع فوق العاده اندکی دارد، با شرایط پیشین مبتنی بر نفوذ صفر که آن نیز احتمال وقوع خیلی کمی دارد ترکیب شود، برآورد PMF حاصل به طور غیرمعقولی می تواند بالا باشد.

برخی از سوالات اساسی در برآورد PMF را می توان به شرح زیر طبقه بندی نمود.

مقدمه

هدف از این توضیحات، این است که کاربران یاد بگیرند تا چگونه به محاسبه هایتوگراف بارش مازاد بر اساس هایتوگراف بارش کل و با استفاده از اصول سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) و مشخصا شماره منحنی رواناب (CN) بپردازند. در این مراحل فرض می شود که کاربر در حال حاضر دارای یک باران نمود بارش کل در محیط اکسل است و این باران نمود بارش در مجموع برای یک رویداد واحد می باشد. و سپس از آن به عنوان ورودی برای جداسازی بارندگی انتزاعی و یا تلفات با استفاده از روش SCS CN استفاده می شود. دو خروجی از این مرحله، از جمله بارش انتزاعی و باران نمود بارش مازاد وجود دارد. این توضیحات نیز مستلزم آن است که CN برای ناحیه مطالعاتی شناخته و محاسبه شده باشد.

بر طبق توضیحات و آموزش های SCS در کل یک بارش جامع (P) از سه بخش مجزا تشکیل شده است:

1- Initial abstraction یا Ia

2- Continuous abstraction یا Fa

3- Excess rainfall یا Pe

بخش اول مشخص کننده مقدار بارشی است که باید ببارد تا خاک تا مرحله جاری شدن رواناب از نفوذ ارضاء شود. عموما این مقدار به شکل 20٪ از حداکثر ذخیره سازی در کل یا احتباس حوضه (S) محاسبه می شود. بنابراین، Ia = 0.2S در نظر می گیریم. در ادامه بخش دیگری از بارش صرف اقناع ذخیره خاک می شود که با Fa آن را شناختیم. که در این حالت عبارت ذیل برای محاسبه Fa با استفاده از مقدار کل بارش (P) و حداکثر احتباس (S) بکار گرفته می شود.