4.3 روش های حاصل از مفهوم ضریب همبستگی

1.4.3 پیشینه کلی

به طور کلی ترین ضریب رواناب به عنوان نسبت بین عمق رواناب (بارندگی خالص ذکر شده h_n) و عمق بارندگی (بارندگی جهانی ذکر شده h_b) تعریف می شود، بنابراین:

در هر حوضه آبریز ضریب رواناب به میزان بارندگی، شدت آن و شرایط اولیه رطوبت خاک، یعنی رطوبت خاک قبل از موج سیلاب باعث بارندگی بستگی دارد. با شروع از این مفهوم، نتیجه می گیرد که رابطه بین رواناب و بارندگی، که از طریق ضریب رواناب بیان می شود، فقط از عناصر ورودی حاصل می شود و از اجزای داخلی فرایند فیزیکی تشکیل رواناب غافل می شود. در این حالت ضریب رواناب به صورت ساده به عنوان یک مقدار ثابت در نظر گرفته می شود که باعث کاهش باران در طول کل مدت زمان آن و صرف نظر از توزیع زمان آن می شود. اگرچه این نوع مدل مفهوم ساده ای را نشان می دهد، اما اغلب در برنامه های عملی با موفقیت مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، گروه بزرگی از هیدرولوژیست های عملی توصیه می کنند که ضریب رواناب به عنوان یک مقدار ثابت در هنگام بارندگی تحریک کننده، عملکرد پارامترهای حوضه آبریز به عنوان مثال پوشش زمین، کاربری زمین و / یا شیب حوضه استخراج شود.

به منظور بهبود این مدل، مفهوم ضریب رواناب متغیر زمان معرفی شده است. بارندگی تحریک کننده در مقادیر گسسته در فواصل زمانی Δt₁, Δt₂,... Δt_n (به شکل هیستوگرام) با شدت های پی در پی I₁, I₂ , …I_n تقسیم می شود. در ابتدای اولین فاصله زمانی، رطوبت اولیه خاک به میزان رسوبات پیشین که در حوضه افتاده بستگی دارد. ضریب رواناب در اولین بازه زمانی به رطوبت اولیه خاک W₁ و شدت بارش I₁ بستگی دارد. بنابراین، شدت رواناب در مرحله اول Δt₁ برابر R₁=α₁I₁ خواهد بود و رطوبت خاک در پایان اولین بازه زمانی با بارندگی باقی مانده که در آن زمان به خاک نفوذ می کند، افزایش می یابد. مقدار جدید ضریب رواناب در فاصله Δt₂ به شرایط تازه تولید شده در ابتدای زمان دوم بستگی دارد و این متفاوت از آن است که در اولین بازه زمانی تعیین شده است و دلیل آن برای مراحل بعدی بعدی است. بنابراین، در این مدل ضریب رواناب به عنوان یک مقدار متغیر در کل مدت بارش که موج سیلاب را تولید می کند در نظر گرفته شده است.

با در نظر گرفتن این دو گزینه، روشهای حاصل از رواناب یا بارندگی موثر (خالص) بیشتر بعنوان روشهای ضریب رواناب ثابت و ضریب رواناب متغیر رفتار می شوند.

2.4.3 روش های حاصل از ضریب رواناب ثابت

یکی از ساده ترین رابطه ها برای به دست آوردن ضریب رواناب ثابت بر اساس مقدار کل سرب بارش است و به شکل زیر است: (Jaton,1982):

که در آن a و b ضرایب خط رگرسیون هستند، معادله آن به صورت زیر نوشته شده است:

این معادله چیزی غیر از معادله رگرسیون بین باران تجمعی و باران تجمعی موثر Pn نیست. ضریب رواناب به صورت زیر نوشته می شود:

سپس، رابطه ای که در لحظه t بارندگی موثر را ایجاد می کند:

به منظور نشان دادن استخراج ضریب رواناب، بر اساس سوابق بارندگی و حوادث رواناب مربوطه، مثالی در زیر آورده شده است (Musy, 1998). مجموعه ای از حوادث رواناب بارندگی که در حوضه های آبریز پاریمبوت (37 رویداد بین آوریل 1984 و اکتبر 1987)، Haute Mentue به صورت (30 رویداد بین مه 1987 و اکتبر 1988) و L'Arbogne به صورت (36 رویداد بین اکتبر 1984 و جولای 1988) ثبت شده است مورد توجه قرار گرفته است (Consuegra, 1992).

با توجه به معادله حاضر، برای هر رویداد و میزان بارندگی جهانی که برای رواناب ایجاد می شود، رابطه مستقیم بین ضرایب رواناب مشخص شد و پراکندگی زیادی از نقاط را نشان می دهد. این پراکندگی با عدم وجود شرایط رطوبت پیشین خاک در این رابطه توضیح داده شده است.

می توان بین بارش جهانی انباشته و بارندگی موثر انباشته (رواناب) یک رگرسیون ایجاد کرد. بنابراین یک رابطه خوب بدست می آید و پس از آن می توان تابع ضریب رواناب بارش جهانی تجمع یافته را تعیین کرد، همانطور که در رابطه 3.15 آورده شده است.

یک مدل بهبود یافته برای به دست آوردن ضریب رواناب ثابت، رابطه با هر دو میزان نزولات آسمانی در یک رویداد تولید رواناب و شاخص شاخص بارش های پیشین است. تابعی از بارش های قبلی که قبل از وقوع بارندگی باعث تحریک موج سیل می شود، نمایانگر شاخصی از وضعیت رطوبت خاک قبل از وقوع طوفان باران است. فرضیات بیشتر در نظر گرفته می شود:

• برای یک فصل خاص، ممکن است تبخیر و تعرق شبه ثابت در نظر گرفته شود.
• به دلیل تراوش، طبق یک منحنی در حال کاهش میزان بارندگی کاهش می یابد و رواناب حاصل از باران قبلی از مقدار کم می شود از این یکی

با در نظر گرفتن این دو فرض نتیجه می گیرد که هرچه بارش قبل از آن زودتر باشد، تأثیر آن کمتر است. به دنبال این استدلال، هر بارش مقدماتی باید با ضریب وزنی کاهش یابد، زیرا در زمان طولانی تر شدن بارش، کوچکتر می شود. این مفهوم منجر به مفهوم "شاخص بارش پیشین" می شود که به عنوان API اشاره شده و بیانگر احتباس آب در خاک در لحظه وقوع بارندگی است. روابط متداول برای استخراج API در زیر آورده شده است (Stanescu و همکاران، 1983):

جایی که:

•  API شاخص بارش پیشین در زمان t = 1، 2 ،… متر، به طوری که t = 1 مربوط به روز قبل از موج سیلاب باعث بارندگی و غیره شود، m<10 روز (usually, m=5 days)،
•  C ثابت برابر با 0.9 تا 0.95،
•  k پارامتر برای حوضه در نظر گرفته شده،
•  (S_a(t عمق رواناب که از بارش قبل (P_a(t حاصل می شود.

طبق گفته های Jaton & Chambouni در سال (1984) فرمولی مکرر برای ارزیابی API به شکل زیر است:

که در آن K = 0،8 - 0،9

نویسندگان دیگر سه وضعیت با محدودیت مشخص برای API را ارائه دادند، به شرح زیر:

• نوع I: وضعیت خشک: API <50 میلی متر؛
• نوع II: وضعیت طبیعی: 50 mm <API <100 mm؛
• نوع III: وضعیت مرطوب: API> 100 میلی متر.

Befani و Kalinin در سال (1983) رابطه ای بین ضریب رواناب، مقدار کل بارندگی (P_b) و API را پیشنهاد کردند. این رابطه در شکل 3.9 آورده شده است.

شکل 9.3 رابطه بین ضریب رواناب، بارندگی کل و API.

Girard در سال (1970) عبارت تحلیلی زیر را ارائه داد:

Stanescu در سال (1983) رابطه ای بین ضریب رواناب، مقدار کل بارش و API را در نظر گرفت، به شرح زیر:

جایی که: a ،b و c پارامترها هستند.

نوع دیگری از نمودار که ضریب رواناب ثابت را ارائه می دهد نمودار از نوع هم محوری است، که در آن ضریب رواناب به بسیاری از پارامترهای هواشناسی بستگی دارد، یعنی:

• فصل سال؛
• مدت زمان بارندگی D و میزان بارندگی h_p؛
• API شاخص بارش پیشین.

نمودار نوع کواکسیال در شکل 10.3 ارائه شده است.

شکل 10.3 نمودار هم محوری برای تعیین میزان بارندگی موثر.

در این نمودار تلفات من به صراحت تعیین می شود، به طوری که ضریب رواناب:

پس از تعیین ضریب رواناب به عنوان مقدار ثابت، از روش های زیر برای کاهش بارندگی جهانی به میزان بارندگی موثر استفاده می شود.

3.4.3 روش شاخص Φ

شاخص Φ به عنوان ظرفیت متوسط ​​نفوذ تعریف می شود که برای یک بارندگی خاص، به عنوان یک مقدار ثابت در زمان در نظر گرفته می شود. بالاتر از این ظرفیت نفوذ، مازاد بارش به عنوان بارندگی موثر در نظر گرفته می شود. همانطور که در شکل 11.3 دیده می شود، این شاخص با ترسیم یک خط موازی با آبسیسای زمانی بدست می آید تا ناحیه هایتوگراف بالای این خط نمایانگر میزان بارش موثر باشد. این شاخص تمام تلفاتی را که در روند تشکیل رواناب اتفاق می افتد ادغام می کند: رهگیری، نگهداری، تبخیر و نفوذ. برای مقادیر بارندگی که دارای عمق قابل توجهی هستند، ممکن است رهگیری و احتباس در فرو رفتگی ها نادیده گرفته شود.

شکل 11.3 روش شاخص Φ.

4.4.3 روش شاخص W (توزیع متناسب)

توزیع متناسب با تخصیص تلفات در طول رویداد بارندگی متناسب با مقادیر بارش افتاده در هر بازه زمانی Δt است. افزایش بارندگی م effectiveثر با کاهش افزایش بارندگی جهانی توسط ضریب رواناب بدست می آید، همانطور که ​​در شکل 3.12 نشان داده شده است.

شکل 12.3 روش شاخص W (توزیع متناسب تلفات).

5.4.3 روش شاخص حداقل W

با دستیابی به شرایط اشباع خاک، ظرفیت نفوذ ثابت می شود. بعلاوه، ظرفیت نگهداری حوضه آبریز حداقل می شود و شاخص Φ و W تقریباً برابر است. در این مشاهده الکسیف روشی را پیشنهاد داد که در آن تلفات اولیه به عنوان تابعی از میزان نفوذ متوسط ​​و یک پارامتر آب و هوایی γ بیان می شود. تلفات اولیه شامل پر کردن حفره های ریز خاک، رطوبت خاک و نفوذ است. به گفته نویسنده روش، تلفات اولیه L₀ برای "خاکهای سیاه" جنگل و استپ بین 15-20 میلی متر تشکیل شده است. پارامتر 1 / γ ممکن است مدت زمانی را نشان دهد که ظرفیت نفوذ حوضه برابر با مقدار متوسط ​​آن است.

با توجه به متوسط ​​ظرفیت نفوذ، رابطه زیر نوشته شده است:

که در آن γ پارامتر آب و هوایی است که بین 0.03 و 0.06 در مناطق مورد مطالعه توسط الکسیف متفاوت است. ظرفیت متوسط ​​نفوذ برای خاکهای رسی بین 0.2-0.3 میلی متر در دقیقه و برای خاکهای شنی 1.5 میلی متر در دقیقه متفاوت است. برای انواع دیگر خاک، عمق تلفات اولیه در Remenierasدر سال (1965) ارائه شده است.

کاربرد روش شاخص حداقل W در شکل 13.3 ارائه شده است. ابتدا ضررهای اولیه در ابتدای باران کم می شود. سپس، ظرفیت نفوذ در اشباع i_m اعمال می شود و پس از آن بارندگی جهانی با تلفات متناسب کاهش می یابد تا کل تلفات با ضریب رواناب نشان داده شود.

شکل 13.. روش W_min (الکسیف)

6.4.4 روش مشتق شده از ضریب رواناب متغیر

این روش بر اساس مدل SSARR (شبیه سازی جریان و تنظیم مخزن) ساخته شده توسط مهندسان ارتش ایالات متحده (1960) است. با توجه به این روش در طول هر فاصله زمانی Δt میزان بارندگی موثر به عنوان بخشی از (α(t از میزان بارش جهانی تعیین می شود. (شکل 14.3).

شکل 14.3 منحنی های SSARR.

قسمت ضریب رواناب متغیر تعیین شده از یک رابطه تجربی به عنوان تابعی از شدت بارندگی جهانی (میلی متر بر ساعت) در یک بازه زمانی و میزان رطوبت خاک (میلی متر) در ابتدای هر بازه زمانی است.

در هر مرحله زمان شدت بارندگی م (ثر (میلی متر) با این رابطه مشخص می شود:

در اولین مرحله از شروع بارندگی رطوبت اولیه خاک برابر با API در نظر گرفته می شود، که توسط یکی از فرمول های فوق ارائه شده محاسبه شده است. برای لحظات بعدی t:

و محاسبه ادامه می یابد.

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