4.7 شناسایی (ساختن) یک مدل ریاضی

ما یادآوری می کنیم که یک مدل ریاضی مجموعه ای از روابط بین متغیرهای فیزیکی سیستم مورد تجزیه و تحلیل را نشان می دهد، که به صورت معادلات جبری، معادلات دیفرانسیل یا معادلات / سیستم معادلات مشتقات جزئی بیان می شود.

1.7 اصول کلی

از نظر تئوری، دو روش برای تجزیه و تحلیل سیستم وجود دارد:

• روش تحلیلی، شامل تقسیم یک سیستم در اجزای آن است که پس از آن یک به یک تجزیه و تحلیل می شود.
• روش سیستمیک، بررسی پدیده ها و فرآیندهای پیچیده به عنوان یک کل، دارای رفتار و ویژگی هایی که متعلق به اجزای سیستم نیستند بلکه متعلق به تعامل آنها هستند.

بیلان آب برگردان دو واژهٔ Water budget و Water balance است. بیلان آب بیانگر موجودی و تغییراتی است که در موجودی آب در یک محدودهٔ زمانی و مکانی بخصوص رخ می‌دهد. آب به دلیل حرکت در سه فاز جامد، مایع و گاز تحت انرژی‌های موجود در طبیعت، و همین‌طور تحولات مختلف طبیعی و انسانی، همواره در حال جابجایی است. اهمیت آب در حیات انسان و اکوسیستم‌ها موجب می‌شود تا مطالعه و ارزیابی وضعیت بیلان آب ضرورت یابد.

سیلاب و رانش زمین همراه با بارندگی بیشترین تعداد بلایای طبیعی را به خود اختصاص داده و بیش از هر نوع دیگر از بلایای طبیعی در سراسر جهان مردم را تحت تأثیر قرار می دهد. آژانس های آمریکایی و بین المللی و سازمان های غیردولتی به منظور درک تأثیرات انسانی و برنامه ریزی فعالیت های کاهش، به اطلاعات کمی دقیق در مورد وقوع سیل و رانش زمین به صورت جهانی نیاز دارند. پیشنهاد دهندگان اخیراً یک سیستم خطر جهانی (GHS) برای سیل و رانش زمین ایجاد کرده اند که از مشاهدات و مدل های ماهواره ای برای درک، نظارت و پیش بینی بهتر این نوع وقایع استفاده می کند. GHS از تجزیه و تحلیل بارش چندماهواره TRMM (TMPA) استفاده می کند که اطلاعات ده ماهواره را با هم ترکیب می کند، همه با تخمین باران از مأموریت اندازه گیری باران گرمسیری (TRMM) کالیبره می شوند.

1.4 هیدروگراف واحد

1.1.4 اصول و تعاریف

هیدروگراف واحد (UH) یک حوضه آبریز به عنوان هیدروگراف حاصل از بارندگی موثر 1 میلی متر به طور مساوی در حوضه در طول زمان D تعریف می شود. مشخصات اصلی زیر هیدروگراف واحد در نظر گرفته شده است (شکل 1.4):

6.3 نتیجه گیری

عملکرد تولید نقش مهمی در تعیین موج سیل ناشی از طوفان باران دارد. جز اصلی تلفات آب نفوذ است اما با این وجود سایر اجزای تعادل آب در شرایط خاص ممکن است مهم باشند. از میان روشهای ارائه شده در این فصل می توان دو دسته را از هم تفکیک کرد: مواردی که از نظر جسمی مبتنی هستند و روشهای تجربی. روش های دسته اول البته از نظر مفهومی اثبات شده اند اما ارزیابی پارامترهای آنها نیاز به مقدار زیادی داده حاصل از اندازه گیری ها و محاسبات هزینه بردار زمان دارد. علاوه بر این، پارامترهایی که نشانگر ویژگی های نفوذ پذیری هستند، به ایزوتروپی اشاره دارند، که در مورد حوضه های متوسط ​​و حتی کوچک اینگونه نیست. چنین رویه هایی ممکن است برای موارد خاص که ایزوتروپی بدون عواقب عمده ای بر صحت نتایج فرض می شود، استفاده شود.

5.3 روش SCS

این روش از این مشاهده شروع می شود که نقاط نمایانگر حجم جریان زمینی در بالای خطی با شیب واحد یافت می شوند. اگر نوع خاک و سایبان آن، API و مدت زمان بارندگی در نظر گرفته شود، ممکن است جریان زمینی استنباط شود. با شروع این سخنان، موکوس (Musy, 1998) رابطه ای را ارائه داد که پارامترها به صورت شاخص بیان می شوند.

3.3 روش های حاصل از فرآیند نفوذ

1.3.3 شرح روند نفوذ

نفوذ به فرآیند نفوذ آب از لایه های بالایی خاک به لایه های عمیق تر، زمانی که خاک باران می بارد یا در معرض سیل قرار می گیرد، است. در ابتدا، آب نفوذ کرده تقاطع های خاکی را که در سطح وجود دارد، برآورده می کند و سپس به دلیل جاذبه از طریق خاک نفوذ می کند. نفوذ در هر سه جهت xyz عمل می کند. در حالی که نفوذ در جهت افقی آشکار می شود، جز نیروی جاذبه ناچیز است و آب فقط تحت تأثیر نیروهای جذب حرکت می کند. در حالی که نفوذ به صورت عمودی آشکار می شود، هر دو نیروی مویرگی و نیروی ثقل فعال هستند. نفوذ در شدت تشکیل رواناب، بر روی میزان تبخیر و تعرق، رطوبت خاک و ذخیره آب زیرزمینی عمل می کند. تعاریف مکمل زیر ذکر می شود:

7.1 خصوصیات سیستم ها

یک سیستم به طور کلی دارای یک سری ویژگی های خاص است که از جمله موارد زیر است:

وابستگی متقابل اجزا

• جمع بودن و نهایی بودن: تعداد اجزای سیستم ممکن است بسیار زیاد باشد، اما محدود. براساس ویژگی جمع بودن، یک سیستم توسط تعداد محدودی از زیر سیستم ها تشکیل می شود.
• سلسله مراتب: سیستم برای اجزای خود یک سیستم بیش از حد است و در عین حال یک زیر سیستم در رابطه با سیستمی است که بخشی از آن است.

5.1 مفهوم Gray-box

با جمع آوری به موقع اطلاعات و دانش مربوط به سیستم، فرایندی از درک ساختار تحول و پیوندهای بین اجزای آن  در حال انجام است. W. Karplus در سال (1976) این روند را "روشنگری" جعبه سیاه خواند.

در نتیجه، سیستم در زیر سیستم ها (SS1، SS2، ...، SSn) تجزیه می شود، و توسط پیوندها متصل می شوند (شکل 5.1).

4.1. مفهوم جعبه سفید

اگر ساختار داخلی سیستم شناخته شده باشد، می توان روابطی را منعکس کننده تحولات پی در پی متغیرهای ورودی در داخل سیستم ایجاد کرد که درنهایت به متغیرهای خروجی منتهی می شوند. مانند مورد سیستم های جعبه سیاه، متغیرهای ورودی و خروجی با مقادیر عددی مشخص می شوند.

3.1 مفهوم جعبه سیاه

برای توصیف عمومی ترین روش یک سیستم، مهم نیست ماهیت آن چیست، از مفهوم جعبه سیاه استفاده می شود. این روش زمانی اعمال می شود که فقط ورودی و خروجی مشخص باشد. سیستم به عنوان یک کل نشان داده می شود، فرایندهای داخلی آن را نادیده می گیرد. این مفهوم که توسط N. Wiener فرموله شده است، براساس همبستگی بین مقادیر ورودی و خروجی است: در نتیجه استفاده از یک سیگنال شناخته شده در ورودی سیستم، یک سیگنال قابل اندازه گیری (یا یک محاسبه) در خروجی بدست می آید، بدون اینکه لازم باشد ساختار داخلی جعبه سیاه را بدانید.

3.9 اندازه گیری نفوذ

1.3.9 مانیتس انفیلومتر

این روش بر اساس اصل شارژ ثابت است. یک استوانه مدرج درون زمین قرار می گیرد و سطح آب را ثابت نگه می دارد (حدود 30 میلی متر). تغییرات سطح آب در یک بازه زمانی میزان نفوذ را تعیین می کند.

2.9 اندازه گیری تبخیر و تعرق

1.2.9 اواپرمومترها

فشار سنج

این ابزارها می توانند اندازه گیری مستقیم تبخیر را انجام دهند، ساده، ارزان و کار با آنها آسان است، اما سطوح متخلخل را که تبخیر از آنها انجام می شود تمیز کنید.

3.8 هیدروگراف جریان

هیدروگراف کل تاریخچه تغییر سرعت جریان از حوضه آبریز به دلیل یک رویداد بارشی را توصیف می کند. درک برخی از مولفه های ساده آن ضروری است.

1.8 تجزیه و تحلیل پاسخ هیدرولوژیکی

نحوه واکنش حوضه آبریز در هنگام مواجهه با یک رویداد بارشی، پاسخ هیدرولوژیکی نامیده می شود.

3.7 ذخیره آب در فاز جامد

1.3.7 پوشش برف

پوشش برف یکی از اجزای اساسی ذخیره در مناطق کوهستانی است. برف انباشته در حوضه آبریز یک منبع بالقوه مفید برای تأمین آب منطقه است.

6.6 انتقال رسوب

آبرفت ها ذراتی با اشکال و ابعاد مختلف هستند که توسط جریان جریان منتقل می شوند. آنها از لایه های خاک، از دامنه ها و همچنین از زمین نازک آمده اند. آبرفت ها از دامنه ها سنگ ریزه ها و تخته سنگ های کوچکی هستند که با برخورد قطرات باران یا عوامل جوی دیگر متلاشی شده و با جریان زمینی به نهرها منتقل می شوند.

5.6 جریان حاصل از ذوب شدن یخ و برف

جریان حاصل از ذوب شدن یخ و برف به طور کلی در یخچال های طبیعی و مناطق کوهستانی، جایی که آب و هوا سرد است، غالب است. روند ذوب برف لایه آب را بارگیری می کند و همچنین خاک را اشباع می کند. در بعضی موارد می تواند به جریان سطح کمک کند. افزایش جریان سطح به آب معادل برف یا لایه یخ، به رژیم ذوب و در نهایت به ویژگی های برف بستگی خواهد داشت.

2.6 رواناب (جریان زمینی)

جریان سرزمینی پدیده ای است که وقتی شدت باران از حداکثر ظرفیت خاک برای جذب آب بیشتر شود، ظاهر می شود. این ظرفیت در زمان کاهش می یابد تا زمانی که به یک مقدار ثابت برسد. در خاکهای همگن، با یک لایه عمیق زیرزمینی، این حداکثر ظرفیت برابر با هدایت هیدرولیکی در حالت اشباع است. خاکهای طبیعی با افزایش هدایت هیدرولیکی در آب و هوای معتدل و مرطوب دارای ظرفیت نفوذ کمتر از حداکثر شدت باران هستند.

1.6 رژیم هیدرولوژیکی

1.1.6 تعریف

رژیم هیدرولوژیکی جریان با استفاده از تغییرات جریان تعریف می شود، که معمولاً با میانگین نمودار ماهانه جریان (برای تعداد معینی از سال محاسبه می شود) نشان داده می شود. ضریب جریان ماهانه، گزارش ماهانه بین سالانه است که اجازه می دهد نمایندگی تقسیم مجدد، در صد، از جریان ماهانه در طول سال باشد.