مقدمه

این سند راهنمای مرجع فنی سیستم مدل سازی هیدرولوژیکی (HEC-HMS) است. این برنامه محصولی از برنامه تحقیق و توسعه مهندسان ارتش ایالات متحده است و توسط مرکز مهندسی هیدرولوژیک (HEC) تهیه شده است. این برنامه فرآیندهای مسیریابی رواناب و جریان مسیریابی کانال، طبیعی و کنترل شده را شبیه سازی می کند. این برنامه جانشین و جایگزین برای بسته بندی Flood Hydrograph HEC-1 - USACE، 1998 و برای نسخه های مختلف تخصصی HEC-1 است. این برنامه قابلیت های HEC-1 را بهبود می بخشد و قابلیت های دیگری را برای مدل سازی توزیع شده، شبیه سازی مداوم و تحلیل سیل های داخلی فراهم می کند.

روش شماره منحنی SCS روشی ساده، پرکاربرد و کارآمد برای تعیین مقدار تقریبی رواناب ناشی از بارندگی حتی در یک منطقه خاص است. اگرچه این روش برای یک رویداد طوفانی منفرد طراحی شده است، اما می توان مقادیر متوسط ​​رواناب سالانه را در مقیاس کوچک جستجو کرد. شرایط مورد نیاز برای این روش بسیار کم، میزان بارندگی و شماره منحنی است. عدد منحنی بر اساس گروه خاک هیدرولوژیکی منطقه، کاربری اراضی و وضعیت هیدرولوژیکی منطقه است. دو مورد اخیر از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

به منظور تخمین سیلاب با دورهای بازگشت مشخص، نظیر 2، 5، 10، 100 ساله و یا بیشتر، در حوضه های آبریزی که برای آنها به علل مختلف داده ای در دسترس نیست چه راهی وجود دارد؟ جواب این سوال در حیطه فعالیت های یک مهندس منابع آب است که بر طبق روابط گسترده هیدرولوژی، می تواند تنها با استفاده از یک لایه مدل رقومی ارتفاع (DEM) آماری جزئی، محاسبات را با دقت قابل قبولی تکمیل کند.

شکل دقیق انجام این مطالعات از حوصله این مطلب خارج بوده و جزییات ریاضی و روش را می توانید در لینک های زیر پیدا کنید. اما لازم است تا برای آشنایی کلی، شرحی بر روند تحلیل ها ذکر گردد. در یک ویدیوی آموزشی که بر روی خروجی های محاسبات مشابهی زده شده است، بیان می شود که می توان با استفاده از اطلاعات هیدروگراف های واحد، داده های باران سنجی، و لایه DEM، و همچنین تنها اطلاعات دبی سنجی حداکثر سالانه، به واسنجی مدل بارش روانابی از منطقه پرداخت که ارقام مشاهداتی آن توسط تحلیل های ریاضی استخراج شده است و نه دبی سنجی صحرایی. برای جزییات بیشتر، ویدیو زیر را ببینید:

روش های مطالعه

راهنمایی ذکر شده در بخش قبل، برنامه ریزان را راهنمایی می کند تا منافع FWS را ارزیابی کنند، اما چگونگی انجام این کار را تعیین نمی کند. یک روش مشترک استفاده از به اصطلاح منحنی روز (USACE ،1996) است که در شکل زیر نشان داده شده است.

بررسی اجمالی سیستم های هشدار دهنده سیل

سیستم هشدار سیل چیست؟ سیستم هشدار سیل (FWS) بسته ای یکپارچه از تجهیزات جمع آوری و انتقال داده ها، مدل های پیش بینی، برنامه ها و روش های پاسخ و منابع انسانی است. اینها با هم زمان هدایت هشدار سیل را افزایش می دهند. با افزایش زمان هدایت، مقامات دولتی و شهروندان می توانند برای کاهش خسارت و محافظت از زندگی اقدامی انجام دهند. FWS به عنوان یک جایگزین برای کاهش خسارت غیرساختاری طبقه بندی می شود: این امر باعث کاهش جریان سیل یا مراحل سیل نمی شود، بلکه باعث کاهش خسارت های ناشی از یک مرحله مشخص می شود. یک سیستم هشدار کامل سیل شامل مؤلفه هایی است که در شکل به صورت مفهومی نشان داده شده است.

سیستم مدل سازی هیدرولوژیکی (HEC-HMS) برای شبیه سازی فرآیندهای بارش-رواناب حوضه های زهکشی دندریتیک طراحی شده است. به گونه ای طراحی شده است که برای حل گسترده ترین مشکلات ممکن، در طیف وسیعی از مناطق جغرافیایی قابل اجرا باشد. این شامل تأمین آب بزرگ حوضه رودخانه و هیدرولوژی سیل و رواناب کوچک شهری یا آبخیزداری طبیعی است. هیدروگراف های تولید شده توسط این برنامه بطور مستقیم یا همراه با نرم افزارهای دیگر برای مطالعات در دسترس بودن آب، زهکشی شهری، پیش بینی جریان، تأثیر شهرنشینی در آینده، طراحی سرریز مخزن، کاهش خسارت سیل، تنظیم سیلاب و عملکرد سیستم ها استفاده می شوند.

CatchmentSIM یک بسته نرم افزاری قدرتمند برای آنالیز هیدرولوژیکی زمین است که شامل حوضه نقشه برداری، مسیرهای جریان و ادغام با مدلهای هیدرولوژیکی است. این نرم افزار قادر به کارهای مدتعددی است که به عنوان بخشی از پیش نیاز و یا اساس مطالعات پایه استفاده می شود. این موارد به صورت زیر قابل شرح است:

CSS توسط شورای هیلز شایر برای تهیه نقشه کلیه تراز وسط مسیر شهری در هیل شایر شورای LGA مشغول بود. هدف از این مطالعه، شناسایی کلیه سهمیه هایی است که ممکن است با یک مسیر جریان شهری طی شود و ممکن است در معرض کنترل های توسعه سیلاب باشد.

این پروژه با استفاده از DEM مفصل 2 متر در رابطه با نرم افزار CatchmentSIM ما تکمیل شد. اسکریپت های سفارشی CatchmentSIM برای تعیین نقاط شروع مناسب برای کلیه مسیرهای جریان زمینی بر اساس حداقل مقدار تخلیه حداکثر 100 ساله با اوج 100 سال و همچنین درجه برش زمین برای فعال کردن نواحی جریان ورقه ای و متمرکز، در کانال مشخص می شود.

CatchmentSIM یک پارامترساز توپوگرافی 3D-GIS و مدل آنالیز هیدرولوژیکی است. این مدل به طور خودکار مرزهای آبخیزداری و زیر آبگیری را مشخص می کند، پارامترهای ژئوفیزیکی را تعمیم می دهد و ابزارهای تجزیه و تحلیل عمیق را برای بررسی و مقایسه خواص هیدرولوژیکی زیرشاخه ها فراهم می کند.

ما خوشحالیم که از راه اندازی ماژول آنالایزر باران CatchmentSIM خبر بدیم. این ابزار همراهی کاملی با CatchmentSIM برای تهیه مدل های هیدرولوژیکی با درون یابی کامل مکانی بارشهای تاریخی است.

سیل ناگهانی، سیلی است موضعی،کوتاه‌مدت و ناگهانی با حجم زیاد. استمرار محدودی دارد که پس از چند ساعت (معمولاً کمتر از شش ساعت) بارندگی سنگین یا بیش از اندازه، ذوب سریع برف در اثر افزایش ناگهانی دما، یا پس از آزادشدن ناگهانی آب در اثر شکست سد یا سیل‌بند، یا شکستن توده یخ پدید می‌آید.

پیش‌بینی و هشدار به موقع سیل‌های ناگهانی، از اقدامات پایه برای کاهش ریسک‌ها در نواحی مستعد سیل به شمار می‌آیند. دشواری‌هایی در هشدار به موقع و دقیق سیل‌های ناگهانی، به دلیل موضعی‌بودن و زمان کوتاه پیش‌هشدار (lead time) وجود دارد. بسیاری از تکنولوژی‌های کنونی پیش‌بینی، به ویژه مدل‌های عددی پیش‌بینی آب و هوا، همیشه برای سیل‌های ناگهانی مناسب نیستند، چون در مقیاس‌های نامناسب مکانی و زمانی اجرا می‌شوند و داده‌های لازم با قابلیت تفکیک بالا برای بهبود مدل‌ها فراهم نیست. برای مقابله با این قبیل دشواری‌ها، همکاری ویژه‌ای میان نهادهای مسئول لازم است. آموزش و آگاهی‌بخشی مردم به منظور درک هشدارها و اقدام مناسب اهمیت دارد. بالابردن آمادگی و آگاهی، عوامل اساسی در افزایش کارآیی اقدامات غیر سازه‌ای به شمار می‌آیند. رویکرد مناسب باید بر پایه نیازها، الزامات، و ظرفیت‌های موجود انتخاب شود.

مختصات چهار ایستگاه سنجش بارش (A = (3،4) ،B = (9،4) ،C = (3،12 و (D = (912 است. مقدار بارش مشاهده شده در این سنج ها به ترتیب P_A = 15 میلی متر، P_B = 23 میلی متر، P_C = 10 میلی متر، P_D = 19 میلی متر است. این ایستگاه ها در یک حوضه مستطیل شکل قرار دارند که مرزهای آنها توسط مختصات (0،0)، (14،0)، (14،16)، (0،16) تعریف شده است. میانگین بارش در این حوضه را با استفاده از روش چند ضلعی Thiessen و روش میانگین حسابی محاسبه کنید.

نفوذ آب به داخل خاک را نفوذ گویند. نفوذ از یک نقطه به نقطه دیگر بسیار متغیر است، زیرا سرعت نفوذ آب در خاک بستگی به خصوصیات فیزیکی و شیمیائی خاک دارد. یکی از خصوصیات فیزیکی خاک، نفوذ آب به داخل خاک می‌باشد. نفوذ بر حسب تعریف عبارتست از وارد شدن آب از سطح زمین به داخل خاک. نفوذ یکی از مهم‌ترین پارامترهای خاک است. شرایط فیزیکی خاک مانند ساختمان خاک، بافت خاک، رطوبت اولیه خاک و شرایط فیزیولوژیک خاک مانند خلل و فرج ایجاد شده توسط کرمها و... و همچنین کیفیت آب خاک و دمای آب در نفوذ آب در خاک تأثیر دارند.

با استفاده از داده های جدول بندی شده زیر، برآوردی از Bifurcation Ratio ،R_B، نسبت طول، R_L و نسبت منطقه ای، R_A را بدست آورید. همچنین، برای همان داده ها ، الف) مساحت حوضه را تعیین کنید، ب) طول کل جریان ها، ج) تراکم زهکشی، D_d و د) طول متوسط ​​جریان زمینی، L_o را بدست آورید.

با استفاده از داده های زیر،Recession Constants آب زیرزمینی را به دست آورید. جدول زیر ساختار یک هیدروگراف کل جریان را نشان می دهد.

با فرض اینکه حوضه به عنوان یک مخزن خطی پاسخ می دهد، هیدروگراف به شرح زیر است:

مسیریابی سطح استخر به یکی از روش های مستقیم برای محاسبه جریان خروجی مخزن با توجه به هیدروگراف ورودی (زمان در مقابل جریان) به همراه اطلاعات مربوط به تخلیه حوضه نسبت به ارتفاع اشاره دارد. در اینجا اصطلاح مخزن در زمینه مهندسی فنی مورد استفاده قرار می گیرد و استفاده از این روش برای دریاچه های طبیعی کاربرد ندارد. این روش برای هرکدام از افراد قابل استفاده است که در آن می توانید یک رابطه یک به یک بین تخلیه و ارتفاع فرض کنید.

نمودار هیدروگرافی ورودی به یک کانال مستطیل شکل در زیر جدول بندی شده است. این کانال دارای عرض 100 فوت، شیب پایین 0.001 و ضریب مانینگ 0.035 است. طول کانال L = 25000 فوت است. با استفاده از موج Kinematic ، هیدروگراف خروجی را بدست آورید.

امواج سینماتیک هنگامی که نیروهای اینرسی و فشار از اهمیت برخوردار نیستند بر جریان حکم می کنند. بنابراین، در یک موج سینماتیک، گرانش و اصطکاک تعادل دارند، بنابراین جریان به میزان قابل توجهی شتاب نمی یابد. برای این نوع امواج، خط درجه انرژی موازی با ته کانال است.

معرفی

هنگامی که طوفان بزرگ یا مجموعه ای از طوفان ها در قسمت بالایی یک حوضه رودخانه اتفاق می افتد، اثرات طوفان (ها) بر سطح رودخانه در بخش آبخیز بالای رودخانه قبل از اثرات طوفان شناخته می شود. تا به قسمت های پایین دست حوضه رودخانه برسد. به عنوان مثال، اگر مجموعه اصلی طوفان های بارانی در مینسوتا وجود داشته باشد، اثرات سطح رودخانه می سی سی پی در سنت پاول از اوایل شناخته می شود. مسیریابی سیل امکان پیش بینی تخلیه قله، سطح اوج رودخانه و زمان رسیدن اوج در نقاط پایین دست رودخانه مانند راک آیلند، سنت لوئیس و حتی نیواورلئان را فراهم می کند. در این مقاله توضیحات کلی در مورد روش های مسیریابی سیلاب با استفاده از هیدروگراف های بالادست و پایین دست ارائه شده است. برخی از جزئیات در مورد معادلات مسیریابی سیل به روش محدب ارائه خواهد شد.

سیل صدساله سیلی است که هرساله ۱ درصد احتمال دارد که رخ دهد. سیل صدساله همچنین به ۱ درصد سیل که هرساله ممکن رخ دهد، اشاره دارد. سیل صدساله بطورکلی به عنوان یک نرخ صدساله بیان شده‌است. براساس نرخ جریان ۱۰۰ساله انتظار می‌رود که در یک نهر، رودخانه یا سیستم اب سطحی که انتظار می‌رود. سطح اب سیل می‌تواند به عنوان منطقه طغیان ترسیم شود. دشت سیلابی به دشت‌های سیلابی ۱۰۰ساله اشاره دارد که ممکن است شکل بگیرد و در نتیجه در دادن مجوزهای ساخت و ساز، مقررات زیست‌محیطی و بیمه سیل بسیار اهمیت دارد. برآورد نرخ جریان ۱۰۰ ساله و امار رودخانه‌های دیگر در ایالات متحده در دسترس است.

سیل 100 ساله چیست؟

اکثر مردم شرایط، سیل 100 ساله، طوفان 50 ساله یا سیل 200 ساله را به عنوان توصیف بزرگی از طوفان یا سیل شنیده اند. ما می دانیم که هر چه قبل از وقوع سیل سال قبل بیشتر باشد، تأثیر آن بر سطح رودخانه و هر چیزی که در جلگه رودخانه وجود دارد، بیشتر خواهد بود. همچنین، ما از کلمات 'سیل 100 ساله' می فهمیم که دوره بازگشت سیل 100 سال دارد یا به عبارت دیگر، فقط باید به طور متوسط ​​در هر 100 سال اتفاق می افتد. اما سؤالات باقیمانده این است که "آیا یک سیل 100 ساله ممکن است برای سال بعد هم رخ دهد؟"و" احتمال وقوع آن در هر دوره زمانی معین چقدر است؟ "

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.

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.