روند¬يابي سيلاب حوزه آبخيز با استفاده از مدل HEC-HMS(مطالعه موردی:¬حوزه آبخیز اوره نطنز)

 








         سید میثم داودی
         کارشناس ارشد آبخیزداری

چکیده:
پیش بینی انواع خسارات وارده ناشی از وقوع سیل، از جمله خسارت­های کشاورزی در مبحث مدیریت صحیح سیل، جایگاه ویژه­ای دارد. اگر چه ایران به لحاظ برخور­داری از موقعیت کوهپایه­ای و آب و هوای خشک و نیمه خشک، بارش­های کمی را شامل می­شود؛ ولی به دلیل بارش­های با شدت و دبی زیاد و نیز نبود پوشش گیاهی مناسب، این بارش­ها به سیلاب تبدیل شده و خسارات هنگفتی را به بار می­آورد. منطقه مورد مطالعه نیز از این حیث مستثنی نبوده و هر چند سال یکبار سیلاب­هایی را در پی دارد. مدل­هاي بارش­-­­رواناب، مدل­هاي مناسبي براي شبيه­سازي هيدرولوژيك حوزه­های آبخیز مي­باشند. در اين راستا به منظور تخمين سيلاب حوزه آبخيز اوره واقع در شهرستان نطنز، از مدل هيدرولوژيکی بارش­-­رواناب HEC-HMS  استفاده شده است. برای مطالعه این حوزه ابتدا با استفاده از نرم افزار GIS، حوزه مورد مطالعه به شش زیر حوزه تقسیم و داده­های مورد نیاز (شامل زمان تمرکز، زمان تاخیر، شماره منحنی، بارندگی­های کوتاه مدت، تلفات و...) جهت وارد کردن به مدل HEC-HMS، استخراج گردید و با استفاده از مدل مذکور، هيدروگراف خروجي حوزه آبريز شبیه­سازی و مشاهده گردید عواملی چون شیب حوزه، ساختار زمین­شناسی و فقر پوشش گیاهی از مهمترین عوامل موثر بر تشکیل میزان سیلاب خروجی حوزه مورد مطالعه می­باشند.
واژه های کلیدی: حوزه آبخیز، سیل، شبیه سازی، هیدروگراف، GIS.
 
مقدمه:
سطح وسيعي از کشور تحت تأثير طغيان آب رودخانه­ها و جاري شدن سيلاب قرار دارد و در اثر آن تأسيسات عمراني، امکانات ارتباطي،  زمين­هاي کشاورزي، شهرها و روستاها تخريب مي­گردد. استفاده بي رويه از منابع طبيعي و تخريب آن افزون بر اقليم خشک و نيمه خشک حاکم بر کشور، موجب گرديده تا سيلاب­ها، چه از نظر تعداد دفعات و چه از نظر شدت خسارات، افزايش چشمگيري داشته باشند. دخالت انسان در چرخه طبيعي آب از طريق تخريب پوشش گياهي در عرصه­هاي آبخيز، کاربري غير اصولي اراضي، توسعه سطوح غير قابل نفوذ و امثال آن، احتمال سيل­خيزي را در مناطق گوناگون افزايش داده است. در تحقيقات و پژوهش­هاي مرتبط با سيل­خيزي و تعيين مناطق سيل­خيز در نقاط مختلف دنيا روش واحدي به کار گرفته نشده است. روش­هايي که براي تعيين مناطق سيل­خيز استفاده شده، بيشتر بر پايه فرمول­هاي تجربي، تحليل آماري داده­هاي سيلاب و [1]GIS استفاده از داده­هاي سنجش از دور و مدل­هاي رياضي رايانه­اي بارش­ـ­رواناب بوده و عمدتاً از ديدگاه توليد سيل در سطح حوزه­ها به صورت يکپارچه استفاده شده است. رواناب يکي از مهمترين متغير­هاي هيدرولوژيک است که در مطالعات منابع آب مورد استفاده قرار مي­گيرد. به منظور پيش­بيني رواناب در مناطق فاقد آمار، مدل­هاي تعريف شده همگي نيازمند داده­هاي هيدرولوژيک و هواشناسي هستند. سنجش از دور و سيستم اطلاعات جغرافيايي در ترکيب با مدل­هاي بارش­ـ­رواناب ابزاري ايده ال جهت برآورد حجم رواناب، دبي اوج و هيدروگراف مي­باشند(1).
 
مواد و روشها:
حوزه آبخیز اوره نطنز، به مساحت حدود 40 کیلومتر مربع در استان اصفهان، با مختصات جغرافيايي طول بين 573000 و 584000 و عرض جغرافيايي بين 3702000 و 3711000 يکي از سه زير حوزه­هاي حوزه شهري نطنز را شامل مي­شود؛ (شکل(1) موقعيت محدوده مورد مطالعه را نشان می­دهد). بیشترین، کمترین و ارتفاع میانگین حوزه، به ترتیب، 3910، 1700 و 2805 متر می­باشد. میانگین شیب حوزه 10 درصد، میانگین شیب آبراهه اصلی 13 درصد، و طول آبراهه اصلی 3/13 کیلومتر می­باشد. مجموع میانگین بارندگی سالانه حدود 3/183 میلیمتر و اقلیم منطقه طبق ضریب ایوانف، استپی، طبق ضریب خشکی دومارتن، خشک و طبق نمودار اقلیم نمای آمبروژه، خشک و سرد می­باشد. کل سطح حوزه، دارای پوششی از صخره­ای، مرتع فقیر، کشاورزی و منطقه شهری می­باشد.
 

شکل (1): موقعيت محدوده مورد مطالعه
 
در این تحقیق، ابتدا حوزه آبخیز به شش زیر حوزه تقسیم شده (شکل(2))، سپس اطلاعات فیزیوگرافی، هواشناسی، هیدرولوژی و زمین­شناسی منطقه، مورد مطالعه قرار گرفت. هر مولفه ‌مدل ‌يك‌ جنبه‌ از فرآيند بارش­-­رواناب ‌را در داخل ‌بخشي‌ از حوزه‌ كه‌ معمولاً به ‌عنوان ‌زير حوزه‌ در نظر گرفته ‌مي‌شود، شبيه ‌سازي ‌مي‌كند. به عبارت ‌ديگر مولفه­هاي ‌مختلفي ‌براي‌ شبيه‌سازي ‌سيستم‌ فيزيكي‌ حوزه‌ تركيب ‌مي‌شوند و هر مولفه ‌قسمتي ‌از محاسبات ‌لازم ‌را براي ‌يك‌ هيدروگراف‌ كامل‌ انجام ‌مي‌دهد.
 

شکل (2): حوزه و زیرحوزه­های مورد مطالعه
 
اطلاعات جهت وارد کردن داده­ها به مدل، مورد بررسی قرار گرفت. داده­های مورد نیاز جهت وارد کردن به مدل شامل مساحت، زمان تمرکز، زمان تاخیر، شماره منحنی (که با ترکیب نقشه­های کاربری اراضی و هیدرولوژی خاک انجام می­شود)، بارندگی کوتاه مدت بر اساس دوره بازگشت 25 سال و... می­باشد که دوره بازگشت 25 سال مطابق جدول(1) در این تحقیق استفاده شده است. روش­های مختلفی برای محاسبه و شبیه­سازی اجزاء در مدل وجود دارد که روش­ها و اجزاء بکار گرفته شده در این مدل در جدول(2) آورده شده است. همچنین پوشش سطح حوزه و مساحت هر یک در جدول(3) (کاربری اراضی) آورده شده است.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
جدول (1): بارش­هاي کوتاه مدت حوزه آبخیز اوره(ميليمتر)

دوره برگشت(سال)						زمان(دقیقه)
100	50	25	10	5	2
2/24	5/21	7/18	15	1/12	8/7	30
7/30	2/27	7/23	19	3/15	9/9	60
35	1/31	1/27	7/21	4/17	3/11	90
4/38	1/34	7/29	8/23	1/19	4/12	120
3/43	8/38	3/34	2/28	2/23	4/15	180
1/47	3/42	3/37	6/30	2/25	7/16	240
5/50	3/45	40	8/32	27	9/17	300
5/53	48	4/42	8/34	6/28	19	360
59	9/52	7/46	3/38	6/31	9/20	480
8/63	2/57	6/50	5/41	2/34	6/22	600

 
جدول (2): روش­های بکار برده شده در اجزاء مدل

اجزاء مدل	روش مدل­سازی
تلفات	SCS Curve Number
تبدیل بارش به رواناب	SCS Unit Hydrograph
روند­یابی رودخانه	Lag
مـدل ‌بــارش‌	SCS Storm

 
جدول (3): مساحت انواع کاربری اراضی حوزه و زیر حوزه­ها

کاربری	زیر حوزه 1	زیر حوزه 2	زیر حوزه 3	زیر حوزه 4	زیر  حوزه5	زیر حوزه 6	کل حوزه
صخره­ای	36/10	9/4	3	6/1	9/1	0	9/21
مرتع	1/0	2	3/3	2/4	8/1	1/3	4/15
کشاورزی	0	0	01/0	6/0	15/0	7/0	44/1
شهری	0	0	03/0	09/0	01/0	62/0	77/0

 
نتایج و بحث:
از آنجاييكه هر حوزه آبخيز از يك نظام سيبرنتيك تبعيت مي­كند لذا بارش و يا تغييرات بارش در هر منطقه از سطح حوزه تغييراتي در هيدروگراف سيل خروجي را در پي خواهد داشت در نتيجه هيدروگراف سيل هر حوزه آبخيز مبين عكس العمل حوزه نسبت به وقوع بارش مي­باشد.
در شبيه­­سازي بارش رواناب نخست بايد المان­هاي[2] هيدرولوژيكي در يك شبكه شاخه­اي تعريف شده و به هم متصل شوند. شکل(3) نمایی از اتصال المان­ها و مدل­سازی صورت گرفته توسط این نرم افزار و شکل(4) هیدروگراف حوزه آبخیز اوره نشان می­دهد.
 

شکل (3): مدل­سازی حوزه جهت مشاهده نتایج در هر المان
 

شکل (4): هیدروگراف حوزه
 
میزان جریانات ورودی و خروجی زیر حوزه­ها را در هر پیوند[3] مشخص شده­اند؛ در محل پیوند زیر حوزه­ها با ادغام زیرحوزه­ های بالادست، یعنی محل اتصال هر المان، نتایج جریان خروجی اضافه شده از زیر حوزه­های بالا دست را در مدل، به خوبی نشان می­دهد.
جدول(4) خلاصه نتایج کلیه المان­ها اعم از سطح زهکشی، دبی اوج و حجم کل جریان را در هر زیر حوزه نشان می­دهد. همانگونه که در این جدول و در شکل(3) دیده می­شود، با برخورد دو زیر حوزه 1و3  (به دلیل وابسته بودن زیر حوزه 3 به زیر حوزه 1) سطح زهکشی و به تبع آن حجم کل جریان پیوند1 افزایش پیدا کرده است. بعد از آن، جریان خروجی از زیر حوزه­های 1و3 به جریان خروجی از زیر حوزه 2 پیوسته و در پیوند2 رقم­های مذکور زیاد شده­اند. بدین ترتیب این روند ادامه پیدا کرده تا رواناب حاصله از کل حوزه خارج شود. در انتها حجم کل جریان خروجی از شش زیر حوزه در دوره بازگشت 25 سال برابر 8/331 هزار متر­مکعب بر ثانیه برآورد می­شود.
 
جدول (4): خلاصه نتایج کلیه المان­ها

المان هیدرولوژیکی	سطح زهکشی (KM2)	دبی اوج M3/S))	حجم کل جریان (mm)	حجم کل جریان (1000m3)
زیرحوزه 1	43/11	0/6	07/8	2/92
زیرحوزه 3	43/6	7/3	08/8	0/52
پیوند 1	86/17	7/9	07/8	2/144
زیرحوزه 2	9/6	0/3	07/8	7/55
پیوند 2	76/24	7/12	07/8	8/199
زیرحوزه 4	54/6	1/5	10/9	5/59
پیوند 3	3/31	9/17	28/8	3/259
زیرحوزه 5	84/3	1/2	24/8	6/31
پیوند 4	14/35	9/19	28/8	0/291
زیرحوزه 6	42/4	7/3	25/9	9/40
پیوند 5	56/39	6/23	39/8	8/331

 
در صورت قطع هر یک از المان­ها در مدل، می توان شاهد کاهش دبی اوج بود. با قطع المان­های هر زیر حوزه می­توان به میزان سیلاب تولیدی هر زیر حوزه پی برد. با توجه به این موضوع، با قطع المان­های هر زیر حوزه مشخص شد که زیر حوزه­های 1 و 4 دارای دبی اوج بالاتری نسبت به بقیه زیر حوزه­ها می­باشند (جداول(4و5)). با قطع المان زیر حوزه 1، دبی اوج خروجی حوزه از 6/23 متر­مکعب بر ثانیه به 6/17 متر­مکعب بر ثانیه و کل جریان خروجی حوزه از 8/331 هزار متر­مکعب به 6/239 هزار متر­مکعب و سپس با قطع المان زیر حوزه 4، دبی اوج خروجی حوزه از 6/17 متر­­مکعب بر ثانیه به 4/12 متر­مکعب بر ثانیه و کل جریان خروجی حوزه از 6/239 هزار متر­مکعب به 1/180 هزار متر­مکعب رسیده است. بدین ترتیب می­توان گفت زیر حوزه­های مذکور جهت انجام اقدامات آبخیزداری و ایجاد بندهای کنترل سیل از نظر مدیریت سیلاب، در اولویت می­باشند. بیشترین سطح در بر­گرفته زیر حوزه 1 از نظر کاربری اراضی، صخره­ای بوده و بیشترین سطح در بر­گرفته زیر حوزه 4 مرتع فقیر است. با اینکه زیر حوزه­های 2 و 5 دارای ترکیبی از این دو کاربری می­باشند، در اولویت­های آخر قرار می­گیرند. از طرفی پیشرفت منطقه شهری در زیر حوزه 6 که بیشتر از زیر حوزه 4 می­باشد، باعث نشده که این زیر حوزه را در اولویت قرار دهد؛ تطابق این پژوهش، با پژوهش­های (2)، (3) و نیز (7) می­باشد که به این موضوع اشاره نموده و بیان می­دارند که سيل­خيزي حوزه، تنها تحت تاثير مساحت آن ها نيست و عواملي چون موقعيت مكاني زيرحوزه­ها و رونديابي سيل در رودخانه اصلي نيز در رژيم سيلابي حوزه نقش مهمي دارند.
 
جدول (5): میزان سیلاب خروجی حوزه

پارامتر	دبی پیک خروجی (M3/S)	حجم کل جریان خروجی (mm)	حجم کل جریان خروجی (1000m3)
کل حوزه و زیر حوزه­ها	6/23	39/8	8/331
قطع المان زیر حوزه 1	6/17	52/8	6/239
قطع المان زیر حوزه­های 1و4	4/12	34/8	1/180

 
با توجه به کافی نبودن اطلاعات حوزه مورد مطالعه از لحاظ آمار بارندگی در ایستگاه سینوپتیک و آمار سیلاب (نبود ایستگاه هیدرومتری) اتفاق افتاده در حوزه، از روش منحنی شدت­-­مدت با دوره بازگشت­های مختلف استفاده شده است. این درحالی است که اگر آمار بارندگی 24 ساعته حوزه ثبت و وجود داشت، جهت اطمینان از درصد اعتبار و اعتماد به مدل، مقایسه­ای بین هیدروگراف محاسبه شده و هیدروگراف مشاهده شده صورت و مورد واسنجی قرار می­گرفت. طبق پژوهش­های انجام شده، استفاده از مدل بدون واسنجي و تکيه بر برآورد پارامترهاي مدل با استفاده از روابط تجربي، باعث ايجاد خطا در برآورد سيلاب مي­شود که اين مهم، ضرورت واسنجي مدل را نشان مي­دهد (واسنجی مدل، از مقدار درصد خطا می­کاهد). با این حال مطابق پژوهش­های مذکور، این درصد خطا در حدود 10 تا 20 درصد می­باشد که در خصوص مناطق فاقد آمار راهگشای بوده و ماهیت و کلیت موضوع را جهت مدیریت سیلاب، به مراتب تسهیل می­کند.
 
جمع بندی:
مطابق نتایج بدست آمده، سیل­خیزی حوزه مورد مطالعه تحت تاثیر تغییر کاربری اراضی نبوده و عواملی چون شیب، ساختار زمین­شناسی، ارتفاع و فقر پوشش گیاهی از مهمترین عوامل موثر در افزایش سیلاب می­باشند. البته نمی­توان تغییر کاربری اراضی را کاملا رد نمود؛ شاید بتوان گفت بدلیل موقعیت زمین شناسی و موقعیت مکانی حوزه، مساحت تغییر یافته در کاربری اراضی کم بوده و تاثیر آن در افزایش سیلاب، چشمگیر نمی­باشد.
با قبول برآورد آبدهی و حجم جریان متوسط سالانه در خروجی زیر حوزه مورد مطالعه، امکان کنترل و بهره برداری از رواناب­های سطحی غیر دائمی با بکارگیری روش­ها و تمهیدات فنی و مهندسی در محدوده مورد مطالعه میسر می­باشد. از جمله اصلی­ترین این روش­ها می­توان به ایجاد چکدم­ها در مقاطع مناسب آبراهه­ها جهت کنترل سیلاب اشاره نمود. در این راستا معاونت آبخیزداری اداره منابع طبیعی در زیر حوزه 1، چکدم­هایی را اجراء نموده است که با توجه به دارا بودن اولویت (مطابق این پژوهش) این زیر حوزه، عملکرد مذکور دارای توجیه فنی می­باشد.
با توجه به عدم دسترسی به مقادیر برخی پارامترها در حوزه مورد مطالعه، عملاً شبیه­سازی با ترکیبات مدلی متفاوت را غیر ممکن می­سازد و این عمل، محدود به روش­هایی می­گردد که اطلاعات مربوطه کم و بیش در دسترس باشند و یا اینکه با محاسبه بتوان آنها را به دست آورد. نمونه مشابه آن توسط زهتابیان، چیداز و نیز چارفنبرگ و همکارانشان می­باشد که به جهات ذکر شده، از روش SCS استفاده نموده­اند و نتایج بدست آمده در تحقیق حاضر و پژوهشگران نامبرده، سيل­خيزي حوزه، تنها تحت تاثير مساحت و کاربری آن­ها نبوده و عواملي چون موقعيت مكاني زيرحوزه­ها، شیب، ساختار زمین­شناسی و فقر پوشش گیاهی در رژيم سيلابي حوزه تاثير مهمي دارند.
با توجه به بکارگیری روش جدید حذف انفرادی زیر حوزه­ها در مدل، با حذف هر زیر حوزه در هر بار اجرای مدل، نقش آن زیر حوزه مورد بررسی قرار گرفت. با اعمال این روش زیر حوزه­های 1 و 4 دارای بیشترین میزان سیلاب خروجی می­باشند. میزان تشکیل سیلاب زیر حوزه 1 بیشتر تحت تاثیر شیب، ساختار زمین­شناسی، ارتفاع و فقر پوشش گیاهی و میزان تشکیل سیلاب زیر حوزه 4 بیشتر تحت تاثیر ساختار زمین­شناسی و فقر پوشش گیاهی می­باشد.
سوای از نبود اطلاعات کافی در حوزه، می­توان مطابق پژوهش­های صورت گرفته، روندیابی و شبیه­سازی سیلاب توسط مدل HEC-HMS را خوب و مناسب قلمداد نمود و در مواردی که ناچار به استفاده از مدل در مناطق بدون آمار می­باشیم، می­توان به داده­های بدست آمده از مدل با درصد خطای ناچیز، اعتماد و در صورت نیاز، مدیریت سیل نمود. در این راستا می­توان به پژوهش­های (8)، (9) و پژوهش­های دیگر ذکر شده در ایران، اشاره نمود؛ نتایج بدست آمده از مدل را عملکردی خوب و مناسب دانسته و در مواردی مناسب جهت براورد دبی اوج و زمان اوج و نیز روش هیدروگراف SCS را مناسب جهت برآورد سیل دانسته­اند.
 
منابع:
1. نصري، م.، سليماني ساردو، ف.1389. اولويت­بندي مناطق موثر بر دبي اوج سيلاب با استفاده از مدل هيدرولوژيک HEC-HMS درحوزه آبخيز سد شيخ بهايي. علوم و فنون منابع طبیعی. شماره3، صفحه 1-15.
2. زهتابيان، غ.، قدوسي، ج.، احمدي، ح.، خليلي زاده، م. 1388. بررسي اولويت پتانسيل سيل­خيزي زير حوزه­هاي آبخيز و تعيين مناطق مولد سيل در آن(مطالعه موردي: حوزه آبخيز مارمه­-­استان فارس). فصل نامه جغرافياي طبيعي. شماره 6، صفحه 1-13.
3. چيداز، آ.، محسني، س.، وفاخواه، م. 1388. ارزيابي مدل HEC-HMS به منظور برآورد هيدروگراف سيلاب در حوزه آبخيز كسيليان. پژوهش­هاي آبخيزداري(پژوهش و سازندگی). شماره3، صفحه 59-71.
4. تيموري مقدم، ع.، رهنما، ق.، احمديان، م. 1388. واسنجي مدل هيدرولوژيکي HEC-HMS در شبيه­سازي بارش­-­­­­­­رواناب حوزه آبريز ماهيدشت. همايش ملي مديريت بحران آب. مرودشت. دانشگاه آزاد اسلامي. اسفند1388. (11)صفحه.
5. کريمي، م.، ملکي نژاد، ح.، عبقري، ه.، عزيزيان، م.١٣٩٠. ارزيابي روش­هاي مختلف شبيه­سازي هيدروگراف سيل با استفاده از بسته نرم افزاري HEC-HMS (مطالعه موردي:حوزه آبخيز چهلگزي). مجله پژوهش آب ايران. سال پنجم. شماره9، صفحه 29-38.
6. نوري، ف.، بهمنش، ج.، محمد نژاد، ب.، رضايي، ح.1391. ارزيابي مدل WMS/HEC-HMS در پيش­بيني سيلاب حوزه آبريز قروه.پژوهش­هاي حفاظت آب و خاك. شماره چهارم، صفحه201-210.
7. Scharffenberg, W., Ely, P., Daly, S., Fleming, M., Pak, J.2010. “Hydrologic modeling system(HEC-HMS):physically-based simulation components”. 2nd Joint Federal Interagency Conference. Las Vegas, NV.June 27,2010.
8. Oloche OLEYIBLO, J., LI, Z.J.2010. “Application of HEC-HMS for flood forecasting in Misai and Wan’an catchments in China”. Water Science and Engineering, 3(1), pp. 14-22.
9. Kumar, D., Bhattacharjya, R.K.2011. “Distributed rainfall runoff modeling”. International Journal of Earth Sciences and Engineering. ISSN 0974-5904. 4(6), pp. 270-275.
10. Narasayya, K.2015. “A GEO-INFORMATIC Approach To Estimate Stream Flow Of An Undeveloped Catchment–A Hypothetical Research”. International Journal of Advancement in Remote Sensing, GIS and Geography. 3(1), pp. 22-31.
11. Shabani Bazneshin, A., Emadi, A., Fazlola,R.2015. “The Geometric and Hydraulic Simulation of Detention Dams by Integrating HEC-HMS and GIS (Case Study: Neka River Drainage Basin)”. Current World Environment 10(Special Issue 1), pp. 842-851.
12. Naddafy, A., Hosseini, M.2016. “A New Approach for Unit Flood Response Method for Spatial Prioritization of Flood Control Activities”. Journal of Ferdowsi Civil Engineering. 40(2), pp. 51-66.