شبیه سازی سیلاب با مدل رخدادمحور HEC-HMS

رشد روز افزون جمعيت شهرها و تمركز فعاليت­هاي صنعتي و كشاورزي، افزايش نياز به آب براي مصارف مختلف را در بسياري از نقاط جهان و ايران به همراه داشته است. افزايش نيازها، بروز خشكسالي‌هاي مكرر و محدوديت استفاده مجدد از حجم قابل توجهي از منابع آب به دليل آلودگي‌ها و محدوديتهاي زيست محيطي، نياز به برنامه ­ریزی دقیق­تر در مديريت منابع آب را می­ طلبد. با توجه به محدودیت جریان رودخانه­ های کشور و وابستگی نیازهای آبی به جریان سطحی، برآورد جریان رودخانه­ ها از مهمترین عوامل تصمیم­گیری جهت مدیریت بهینه بهره­ برداری از رودخانه­ ها می ­باشد (Xie et al., 2007). به­ طوری که مشکل اکثر سیستم­های بهره ­برداری از رودخانه ­ها چه به صورت ذخیره‌ای (سدها) و چه به صورت مستقیم (بند انحرافی، ایستگاه پمپاژ) ناشی از عدم دقت در تخمین مقدار جریان رودخانه است. به عبارت دیگر مشکل اساسی در این راستا برآورد دقیق و یا حداقل نزدیک به دقیق میزان آورد رودخانه می­ باشد چرا که برآورد جریان رودخانه در یک حوزه آبریز به دلیل پیچیدگی سیستم از نظر ورودی­ها، خروجی­ها و عوامل مرتبط با آن مانند بارش، تبخیر، پوشش گیاهی، توپوگرافی، نفوذ و نوع سازندها بسادگی امکان پذیر نیست.

وجود عوامل اقلیمی (داده ­های هواشناسی)، سطح زمینی (پوشش گیاهی، خاکشناسی)، هیدرولوژیکی موثر در ایجاد جریان رودخانه و ارتباطات پیچیده و غیرخطی آنها نیاز به مدل جامعی را جهت تحلیل این پدیده به ویژه در حوضه­ های بزرگ مقیاس آشکار می­سازد. لذا استفاده از فرآیند مدلسازی که بتواند چرخه هیدرولوژیکی را با در نظر گرفتن متغیرهای غالب هواشناسی، خاکشناسی و هیدرولوژیکی دخیل در این چرخه به­ طور کامل شبیه­ سازی نماید، از اهمیت چشمگیری برخوردار می­باشد. در دهه­ های اخیر مدلهای هیدرولوژیکی (بارش-رواناب) متعدد و مختلفی توسعه داده شده است که از مهمترین و پرکاربردترین آنها به ویژه در زمینه مدلسازی سیلاب می توان به مدل HEC-HMS از سری نرم افزارهای HEC اشاره نمود.

سری نرم افزارهای HEC توسط مرکز مهندسی هیدرولوژی ارتش آمریکا در شاخه های مختلف هیدرولیک و مهندسی آب تهیه شده و در دنیا برای خود شهرت قابل توجهی کسب کرده است. اولین سری این نرم افزارها تحت عنوان HEC-1 مربوط به شاخه هیدرولوژی است که در سال 1968 ارائه شده و قادر است پاسخ حوضه آبریز در یک بارندگی را به صورت جریان سطحی و سیلاب شبیه سازی کند. در دهه 90 میلادی با گسترش سیستم عامل ویندوز روی رایانه های شخصی، بازبینی های عمده ای روی این نرم افزار به عمل آمد و نسخه گرافیکی آن، تحت عنوان HEC-HMS وارد عرصه مهندسی آب گردید. مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS بر اساس شبیه سازی بارش-رواناب در حوضه ها با استفاده از قابلیتهای گرافیکی بسیار قوی، جهت مطالعات آبرسانی حوضه های رودخانه های بزرگ، محاسبه رواناب حوضه ها، جمع آوری آبهای سطحی در شهرها، روندیابی سیلاب در رودخانه ها و مخازن، طراحی سریز مخازن، تحلیل هیدروگراف سیلاب های ناشی از شکست سد، تاثیر روند شهرسازی در هیدرولوژی حوضه ها، مطالعات کاهش خسارات سیلاب و . . . استفاده است. 

مدل بارش-رواناب HEC-HMS یکی از پرکاربردترین مدلهای هیدرولوژیکی رخداد محور برای شبیه ­سازی هیدروگراف سیلاب بشمار می­ آید و در رده مدل­های يکپارچه (Lumped) قرار داشته و در ابتدا تنها برای مدلسازی وقايع رخدادی (Event Based) مورد استفاده قرار می­گرفته ولی در سال­های اخير تلاش­هايی جهت وارد نمودن مدلسازی پيوسته (Continues) در مدل HEC-HMS شده است. هر چند اين تلاش­ها اغلب موجب توسعه معادلاتی شده که به علت وابسته بودن به پارامترهای متعدد چندان کاربردی نمی­باشند.

فرآیند مدلسازی هیدرولوژیکی در HEC-HMS

شبیه سازی پدیده بارش-رواناب با استفاده از مدل مذکور نیازمند فراهم آوردن سه مولفه اساسی به نامهای مدل حوضه، مدل هواشناسی و مشخصات کنترل می باشد. در ادامه به تشریح هر کدام از مولفه های مذکور پرداخته شده است.

مولفه مدل حوضه

خصوصیات فیزیوگرافی حوضه آبریز (مانند: مساحت و زمان تمرکز حوضه)، وضعیت شبکه آبراهه ها و نوع سازه های موجود در داخل حوضه همگی در بخش مدل حوضه بایستی مشخص و به مدل معرفی شوند. به عبارت بهتر در این مولفه بایستی ساختار کلی زیرحوضه ها، آبراهه ها و ارتباطات آنها با یکدیگر مشخص شود. المانهای هیدرولوژیکی موجود در مدل حوضه شامل چند المان مهم مانند: زیرحوضه (Subbasin)، مسیر رودخانه (Reach)، مخزن (Reservoir)، محل تقاطع (Junction)، سازه انحراف جریان (Diversion)، چشمه یا منبع (Source) و المان چاه (Sink) می باشد. فرآیند محاسبات همواره از المانهای بالادست حوضه شروع شده و به سمت المانهای پائین دست و نقطه خروجی حوضه ادامه پیدا می کند. محاسبات مربوط به میزان تلفات در حوضه، تبدیل بارش موثر به رواناب، مقدار جریان پایه و شبیه سازی جریان در کانالها و مخازن و همچنین روندیابی آنها در مدل حوضه انجام می پذیرد. محاسبات تلفات می تواند بر حسب انتخاب کاربر با یکی از روشهای زیر انجام گیرد:

مدل شرایط اولیه و نرخ ثابت تلفات (Initial and Constant Rate)

مدل کمبود جریان و نرخ ثابت تلفات (Deficit and Constant Rate)

مدل منحنی شماره منحنی SCS

مدل گرین-امپت

مدل توانی (همان مدل هورتون)

مدل لحاظ کننده رطوبت خاک (Soil Moisture Accounting-SMA)

برای تولید رواناب در هر کدام از زیرحوضه ها نیز روشهای مختلفی وجود دارد که کاربر میتواند برای هر زیرحوضه فقط از یک روش استفاده کند. از جمله مهمترین این روشها می توان به مدلهای هیدروگراف واحد کلارک، اشنایدر، SCS، مدل توزیعی ماد کلارک (Mod-Clarck) و مدل موج سینماتیک اشاره نمود. 

شبیه سازی جریان در رودخانه ها و کانالهای روباز و روندیابی آنها به روشها هیدرولوژیکی مختلف امکان پذیر است. روشهای روندیابی مورد استفاده در مدل HEC-HMS شامل روشهای تاخیر (Lag)، ماسکینگام، ماسکینگام-کانژ، موج سینماتیک و  پالس اصلاح شده می باشد. 

مولفه هواشناسی

داده های هواشناسی به ویژه بارش از جمله مهمترین ورودی های این مدل هیدرولوژیکی بشمار می آید. داده های بارش را میتوان به فرمتهای مختلف به مدل معرفی نمود که یکی از پرکاربردترین این روشها ایجاد سری زمانی شدت بارش (هایتوگراف بارش) برای معرفی بارش به مدل می باشد. در مجموع 7 روش برای معرفی بارش به مدل وجود دارد که عبارتنداز:

روش هایتوگراف سفارشی (User Hyetograph)

روش وزندهی به ایستگاه (Gage Weighting)

روش وزندهی ایستگاه با عکس فاصله (Gage Weighting Inverse Distance)

روش بارش روی شبکه (Gridded Precipitation)

روش فراوانی رگبار (Frequency Storm)

روش رگبار استاندارد پروژه (Standardad Project Storm)

روش رگبار فرضی SCS د(SCS Hypothetical Storm)

مولفه مشخصات کنترل

در این مولفه نیز تنظیمات همچون محدوده زمانی شبیه سازی، گام زمانی اجرا، تاریخ شروع و اتمام اجرا بایستی توسط کاربر تعریف شود.

قابلیت های مهم مدل بارش-رواناب HEC-HMS

مدل بارش-رواناب مذکور دارای ویژگی های متعددی می باشد که از مهمترین انها میتوان به موارد زیر اشاره نمود.

استفاده از محیط گرافیکی بسیار قوی و آسان برای شبیه سازی سیلاب

امکان گزارش گیری از نتایج به صورت نموداری و جدولی

استفاده از معادلات هیدرولوژیکی مختلف در محاسبات

شبیه سازی پیوسته جریان خروجی از حوضه در مقیاس زمانی روزانه

قابلیت اتصال به ArcGIS و پشتیبانی از لایه رستری مختلف

امکان واسنجی و بهینه سازی خودکار پارامترها

امکان انجام تحلیل عدم قطعیت با استفاده از ماژولهای موجود در مدل

امکان استفاده در سامانه های هشدار سیل 

با توجه به توضیحات فوق و در راستای برآورده کردن نيازهای جامعه مهندسين و دانشجويان کشور، گروه علمی- آموزشی آکادمی هيدرولرنينگ اقدام به تهيه دوره  “آموزش جامع و کاربردی مدل بارش-رواناب HEC-HMS” نمود.

مهمترين ويژگی های اين دوره آموزشی به شرح زير می باشد:

۱- بررسی تمامی جزئيات و نکات مربوط به روشهای برآورد نفوذ، محاسبه رواناب، دبی پايه و رونديابی جریان

۲- تشريح نحوه محاسبه پارامترهای مربوط به هر کدام از معادلات مورد استفاده در مدل

۳- بررسی و تشريح روشهای مختلف تعريف داده های هواشناسی و نحوه ساخت آنها

۴-  اجرای مدل و تجزيه و تحليل خروجی های مدل

ویدئوی معرفی مدل HEC-HMS

اگر می خواهید در زمینه هیدرولوژی مهندسی حرفه ای شوید با
آکادمی هیدرولرنینگ همراه باشید

شک نکن دوست من، با بسته آموزش جامع و کابردی مدل بارش-رواناب HEC-HMS میتونی به یک حرفه ای در زمینه مدلسازی هیدرولوژیکی و برآورد سیلاب تبدیل بشی. در حال حاضر خیلی از شرکتهای مهندسی مشاور به دنبال متخصصینی با این تخصص هستند. پس همین الان دست به کار شو و با تهیه این بسته ارزشمند یک قدم خودت رو به موفقیت کاری و حتی علمی نزدیک کن.

نکته 2: با پرداخت هزینه موردنظر تمامی لینکهای موردنظر نمایان شده و می توانید به راحتی اقدام به دانلود آنها نمائید. همچنین یک نسخه از لینکهای موردنظر به ایمیل شما ارسال خواهد شد.

پرداخت از طریق کلیه کارتهای بانکی

برای اطلاع از آخرین محصولات آکادمی هیدرولرنینگ، به کانال تلگرامی  ما مراجعه کنید