توضیحات

پایان نامه هیدرولوژی

پایان نامه کامل هیدرولوژی : عمران -آب

بررسی تغییرات مکانی شماره منحنی بر هیدروگراف سیلاب و پدیده روانش

از آنجایی­که هیدروگراف بدست آمده در مطالعات هیدرولوژیک یکی از اساسی­ترین ارکان برنامه­ریزی در طرح­های آبی بوده

و برنامه­های طولانی و کوتاه مدت بر اساس آن بنا می­شوند، به همین جهت تدقیقو به واقعیت نزدیک­تر نمودن این

هیدروگراف از جمله مواردی است که هیدرولوژیست­ها و مهندسان آب را همواره به چالش برمی­انگیزد. یکی از موارد این تدقیق، برآورد میزان تلفات به­وسیله تحلیل توزیعی عوامل مؤثر بر نفوذ می­باشد. برخی از این عوامل عبارتن

د از بارش، شماره منحنی[۱] و عوامل مربوط به ساختار هیدرولوژیکی خاک که همگی در مکان توزیعی بوده و با

استفاده فن­آوری­های مدرن قابل استخراج می­باشند. بنابراین با افزایش دقت وحجم اطلاعات ورودی به مدل­های

بارش­رواناب باید انتظار تغییراتی در مفاهیم و روند محاسباتی اینگونه مدل­ها داشت. یکی از این تغییرات نحوه استفاده از رابطه معروف دفتر حفاظت خاک[۲] و منابع طبیعی ایالات متحده[۳]در سال۱۹۷۲ می­باشد

موضوع این پایان نامه:بررسی تغییرات مکانی شماره منحنی بر هیدروگراف سیلاب و پدیده روانش

فصل اول ـ کلیات طرح ۱

۱-۱- بیان مساله ۱

۱-۲- ضرورت و اهمیت ۴

۱-۳- اهداف و ساختار تحقیق ۵

فصل دوم ـ سوابق تحقیق ۸

مقدمه : ۸

۲-۱-توزیع مکانی پارامتر شماره منحنی ۹

۲-۱-۱-کاربری اراضی ۱۰

۲-۱-۲-گروه هیدرولوژیکی خاک ۱۰

۲-۲- مدلهای توزیعی و نیمه توزیعی بارش- رواناب ۱۱

۲-۲-۱- مدل کلارک ۱۲

۲-۲-۲- روش مادکلارک ۱۵

۲-۳- روانش ۱۷

۲-۳-۱-آزمایشات تجربی و استخراج روابط شهودی ۱۷

۲-۳-۲- تحلیل تئوریک روانش ۱۹

۲-۳-۳-توسعه روابط تئوریک و تحلیل توزیعی روانش ۲۱

۲-۴- جمع­بندی ۲۲

مقدمه: ۲۳

۳-۱-برآورد تلفات ۲۴

۳-۱-۱- روش SCS 24

۳-۲- مدل بارش رواناب ۳۱

۳-۲-۱-ماد کلارک ۳۱

۳-۲-۱-۱-هیستوگرام زمان ـ مساحت ۳۱

۳-۲-۱-۲- ضریب ذخیره مخزنی ۳۷

۳-۲-۱-۳-زمان تمرکز ۳۹

۳-۳- ترکیب روش مدکلارک وSCS در این تحقیق ۴۱

۳-۴- روانش ۴۴

۳-۵- توسعه روش زمان­ـ مساحت توزیعی با روشSCS  و لحاظ روانش ۴۵

۳-۶- حل یک مثال کاربردی ۴۶

۳-۵- مطالعات موردی ۵۰

۳-۵-۱- حوضه مستطیلی ۵۱

۳-۵-۲- حوضه کتاب­باز ۵۲

۳-۶- مدل مونت­کارلو ۵۴

۳-۷- شاخصهای تحلیل نتایج ۵۵

۳-۷-۱- شاخص تغییرات دبی اوج یا Q* 56

۳-۷-۲- شاخص تغییرات حجم رواناب حداکثرV* 56

پایان نامه هیدرولوژی

۳-۷-۳- شاخص تغییرات ضریب رواناب C* 57

۳-۷- معرفی نرم افزار تولید شده R-Calc1.01 59

۳-۷-۱- ورودیهای مدل ۶۰

فصل چهارم ـ نتایج ۶۲

مقدمه: ۶۲

۴-۱- شماره منحنی یکنواخت ۶۳

۴-۱-۱- حوضه مستطیل شکل ۶۳

۴-۱-۲- حوضه کتاب­باز ۶۶

۴-۲- تغییرات تدریجی شماره منحنی ۶۸

۴-۲-۱- حوضه مستطیل شکل ۶۸

۴-۲-۲- حوضه کتاب­باز ۷۱

۴-۳- مدل مونت کارلو ۷۳

۴-۴- تحلیل تغییرات دبی اوج ۷۴

۴-۴-۱- حوضه مستطیلی شکل ۷۴

۴-۴-۲- حوضه کتاب­باز ۷۹

۴-۵- تحلیل تغییرات حجم رواناب ۸۱

۴-۵-۱- حوضه مستطیلی شکل ۸۱

۴-۵-۲- حوضه کتاب­باز ۸۴

۴-۶- بررسی تغییرات ضریب رواناب (شاخص C*) 87

۴-۶-۱- حوزه مستطیلی شکل ۸۷

۴-۲-۶- حوزه کتاب­باز ۹۰

فصل پنجم ـ نتیجه گیری ۹۳

مقدمه ۹۳

۵-۱- لزوم نگرش توزیعی در مدلهای هیدرولوژیکی ۹۳

۵-۲- شرایط لحاظ پدیده روانش در مدلهای بارشرواناب ۹۴

۵-۳- پیشنهادات بعدی جهت توسعه مدل ۹۶

فهرست منابع: ۹۸

چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………………………………………………………

-۳- اهداف و ساختار تحقیق

این تحقیق به­طور مستقیم به تأثیرات تغییرات مکانی شماره منحنی روش SCS و تأثیر آن

بر هیدروگراف و پدیده نوظهور روانش که نتیجه تغییرات مکانی عوامل نفوذ است، می­پردازد و با بررسی چگونگی تأثیر پدیده روانش بر هیدروگراف خروجی نتایج حاصل را مورد تحلیل و بررسی قرار می­دهد.

نحوه تحقیق بدین صورت است که ابتدا روابط بنیادی و مورد استفاده استخراج گردیده و

سپس روانش در محاسبات لحاظ می­گردد. بعد از ارائه یک فرمولاسیون کلی، مدل نرم افزاری توسعه یافته [۱]R_Clac  معرفی گشته و ورودی­های لازم جهت اجرای مدل معرفی می­گردد. بعد از تشریح مطالعات موردی و نحوه جمع­آوری اطلاعات و اجرای مدل در قالب روش مونت­کارلو[۲]، نتایج و حساسیت مدل به هر کدام از پارامترها تحلیل می­شود.

 دو رویکرد کلی در ارتباط با مطالعه موردی مد­نظر قرار دارد:

• · مطالعاتی که رویکردی تعیینی[۳] داشته و فقط بر تأثیر ماهیت پدیده روانش بر هیدروگراف ناشی از رواناب دلالت دارند.
• · مطالعاتی که میزان تلفات ناشی از روانش را در شرایط مختلف با استفاده از یک رویکرد آماری[۴] برآورد می­نمایند.

منظور از شرایط مختلف تغییر مکرر پارامترهای مؤثر در یک مدل بارش­- رواناب خواهد بود که در نهایت منجر به تحلیل حساسیت مدل نسبت به هر یک از این پارامترها خواهد شد.

 برای ارائه این تحلیل­ها از مدل مونت کارلو استفاده خواهد شد و نتایج اجرای مدل

در قالب چند نمودار ترکیبی که بیان کننده تغییرات پارامترهاست بیان می­شود. از آنجا که پارامترهای یک حوضه آبریز بسیار زیاد و متنوع می­باشند و توجه به آنکه شماره منحنی مؤثرترین عامل نفوذ در روش SCS می­باشد در این تحقیق نگاه ویژه­ای به شماره منحنی و چگونگی استخراج آن از منابع موجود شده می­شود.

مطابق ساختار کلی این تحقیق در فصل دوم ، پیشینه تحقیق و مطالعاتی که تاکنون در زمینه توزیع مکانی شمار منحنی و پدیده روانش مطرح شده بررسی خواهد شد، سپس در فصل سوم متدولوژی و روش تحقیق و نحوه استخراج اطلاعات و روابط مورد نیاز از قبیل استخراج شماره منحنی و روابطی ترکیبی که منجر به تأثیر روانش در محاسبات مربوط به مدل بارش – رواناب می­شود بررسی خواهد شد.

در فصل چهارم نتایج حاصل از مدل در دو رویکرد تعیینی و آماری ارائه خواهند شد. در رویکرد تعیینی از تغییرات مکانی تدریجی شماره منحنی و در رویکرد آماری از مدل مونت کارلو استفاده می­شود. در فصل پنجم به مهم­ترین سوال این تحقیق که، در چه مواردی انتظار می­رود روانش بیشترین تأثیر­گذاری را داشته باشد پاسخ داده و در آخر پیشنهاداتی جهت توسعه­های بعدی مدل ارائه خواهد شد.

فصل دوم ـ سوابق تحقیق :

مقدمه :

با توجه به نوین بودن مفوم روانش و محاسبات توزیعی در مدل­های بارش و رواناب مفاهیم مورد بحث در این تحقیق دارای پیشینه­های مفصل و کلاسیک نیست به نحوی­که مطالعات مربوط به موضوع روانش و تحلیل توزیعی آن از سال ۲۰۰۰ به بعد گزارش شده است. اولین تلاش­های شبیه­سازی روانش توسط موگلن[۵] در پی مقاله

ای جهت روشن نمودن تأثیرات شماره منحنی و تأثیرات مکانی آن بر هیدروگراف سیل آغاز شد. در این بخش ابتدا به بررسی پارامترهای مورد نیاز جهت برآورد روانش و تاریخچه مربوط به پارامترهای مورد نیاز مدل خواهیم پرداخت، سپس منابع موجود در زمینه روانش بررسی خواهند شد.

شماره منحنی اساساً پارامتری تجربی است و با پتانسیل خاک در تبدیل بارش به رواناب مرتبط است.

مفهوم شماره منحنی اولین بار توسط سازمان حفاظت منابع طبیعی ایالات متحده در قالب یک پارامتر یکپارچه مطرح گردید. به تدریج با پیشرفت­های علوم جغرافیایی تمامی اطلاعات مکانی جهت استخراج شماره منحنی توزیعی امکان­پذیر شد به گونه­ای­که در حال حاضر این پارامتر برای اکثر نقاط دنیا با تفکیک ۳۰ متر قابل دسترس می باشد.]۱۶[

در ادامه ابتدا به توضیح پارامترهای لازم جهت استخراج شماره منحنی و سپس تاریخچه توزیعی شدن

آنها خواهیم پرداخت و سپس به طور خلاصه به تاریخچه تدوین مدل­های نیمه­توزیعی و توزیعی پرداخته و روند تکاملی آنها و مزیت­های هر کدام بیان خواهد شد. درآخر به پدیده روانش و رویکردهای مختلف جهت آشکار نمودن تأثیرات روانش در یک مدل بارش و رواناب مورد توجه قرار می­گیرد.

۲-۱-توزیع مکانی پارامتر شماره منحنی

  بحث توزیع مکانی شماره منحنی و اثرات آن بر روی هیدروگراف سیلاب اولین بار توسط موگلن مطرح گردید و حل تحلیلی چند مدل توسط وی مورد بررسی قرار گرفت. موگلن به بررسی تأثیرات توزیع مکانی شماره منحنی و تأثیرات آن در میزان رواناب خروجی پرداخت و اساس کار خود را بر رابطه مشهور و شناخته شده سازمان حفاظت خاک ایالات متحده (SCS) قرار داد. یکی از دلایلی که وی رابطه مذکور را اساس کار خود در زمینه بررسی پراکندگی و توزیع مکانی آن در نظر گرفت محاسبه مسقیم رواناب و دخالت دادن شماره­منحنی[۶] در این رابطه می­باشد.CN  یا شماره منحنی در حقیقت گویای پتانسیل تبدیل بارش به رواناب است که از یک (برای مناطق با نفوذ­پذیری بسیار بالا) تا ۱۰۰(برای مناطق بسیار نفوذ­ناپذیر) متغیر است و میزان آن را از نیز می­توان از جداول مربوطه به دست آورد. وی در کل  شماره منحنی را وابسته به عوامل زیر دانست:

• کاربری اراضی
• گروه هیدرولوژیکی خاک

هاوکینگز[۷] و همکاران روش نوینی را جهت استخراج شماره منحنی در بستر GIS معرفی نمودند اما به جهت محدودیت اطلاعاتی در آن زمان این روش به صورت گسترده مورد استقبال و استفاده قرار نگرفت. امروزه تمامی این موارد به صورت کاملاً توزیعی با استفاده از تکنولوژی­های مدرن­تر قابل بررسی بوده و نتیجتاً می­توان شماره منحنی را به صورت یک پارامتر کاملاً توزیعی در مکان ارائه داد.]۴[

۲-۱-۱-کاربری اراضی

 در واقعیت یک حوضه از دیدگاه کاربری اراضی شامل طیف گسترده­ای از از کاربری­ها از قبیل مراتع، جنگل­ها ، مناطق مسکونی ، تجاری، کشاورزی و مناطق بدون پوشش می­باشد.

در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی کاربری اراضی اغلب به صورت چند ضلعی­ها نمایش داده می­شود. تقسیم­بندی در مقوله کاربری اراضی کاملاً متنوع است و بر حسب قرار­داد ممکن است مقدار ثابتی نباشد اما رایج­ترین آن را اندرسون[۸] استفاده نمود بطوری­که کاربری اراضی را به گروه­های     ۱- شهری ۲-کشاورزی ۳-­ جنگلی ۴- حوضه­های آبریز تقسیم نمود.

بسیاری از داده­­های عددی کاربری اراضی معمولاً از دقت کمتری نسبت به داده ­های ارتفاعی برخوردار هستند و طبق آمار ارایه شده توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده این عامل معمولاً  دارای دقت ۲۰۰ متر می­باشد.

۲-۱-۲-گروه هیدرولوژیکی خاک

سازمان حفاظت منابع طبیعی آمریکا در سال ۱۹۵۴نوع بافت هیدرولوژیکی خاک را با توجه به ظرفیت نفوذ آن به چهار دسته A ،B ،C وD  تقسیم کرد. برای مثال خاکهای متعلق به گروه A عموماً از نوع شن و قلوه سنگ و سنگریزه بوده و دارای بیشترین ظرفیت نفوذی می­باشند. خاک­های گروه D عموماً متعلق به خانواده رس­ها می­باشند و دارای ظرفیت نفوذپذیری بسیار پایینی هستند. میلر و کرونشلی[۹] در یک مطالعه بیش از ۴۰۰۰ نوع تیپ مختلف خاک را در سرتاسر مناطق ایالات متحده معرفی و دسته­بندی نمودند که رالیسون[۱۰] طی آن تقسیم­بندی نوین­تری را بر مبنای گروه هیدرولوژیک خاک ارائه نمود.]۵[

 STATSGO[11]و SSURGO[12] از جمله مراجعی با بالاترین دقت و بیشترین دسترسی می­باشند. این اطلاعات در مقیاس ۱:۲۰۰۰ و ۱:۲۵۰۰۰ موجوند که در حوضه­های آبریز کوچک قابل استفاده می­باشند.]۴[

۲-۲- مدلهای توزیعی و نیمه توزیعی بارش- رواناب

با توجه به این که هر مدل بارش – رواناب در انجام رویکرد خاص خود را دارد، بنابرین انتخاب نوع این مدل جهت هدف نهایی تحقیق که بررسی پدیده روانش است از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. در یک تقسیم­بندی کلی می­توان مدل­های بارش­ـ­­­رواناب را به دو دسته مدل­های توزیعی و یکپارچه تقسیم نمود.

 از آنجایی­که محاسبات در برآورد روانش در یک فضای ماتریسی و توزیعی بررسی می­شود، بنابراین در گام اول توجه به مدل­های توزیعی معطوف می­شود. در ادامه سوابقی از مدل­های بارش رواناب کلارک[۱۳] و ماد­کلارک[۱۴] که به ترتیب از نظر گستردگی مکانی به مدل­های نیمه­توزیعی و توزیعی تقسیم­بندی می­شوند مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

۲-۲-۱- مدل کلارک

اولین روش­های ریاضی برای پیش­بینی پاسخ حوضه آبریز به بارش یک دسته فرمول­های تجربی بودند که فقط حداکثر شدت جریان خروجی را محاسبه می­کردند. این معادلات بر اساس خصوصیات متنوع فیزیکی حوضه از قبیل مساحت و شیب حوضه شکل گرفته بودند.

از این دسته روابط می­توان به مک مت[۱۵] ، فولر[۱۶]، مایر[۱۷] وهمچنین فرمول استدلالی کوییچلینگ و دیویس[۱۸] و در نهایت مولوانی­[۱۹]  اشاره نمود که غالباً حداکثر دبی جریان را بدست می­دادند و بعضی از آنها هنوز هم مورد استفاده قرار می­گیرند. معمولاً این­گونه روش­ها مبتنی بر ضرایبی هستند که از آزمایش­های تجربی بدست می­آیند و برآورد آنها  وابسته به فاکتورهای متعددی می­باشد.]۲[

کلارک روش خود را در سال ۱۹۴۵ تحت عنوان متد تجربی دوره­ها[۲۰] معرفی نمود. مدل کلارک جهت استخراج هیدرگراف واحد داری دو جز اصلی‌ بود. این اجزاء عبارت بودند از: هیستوگرام انتقالی[۲۱] و مخزن خطی که از این دو جزء جهت استخراج هیدرگراف کل استفاده نمود.]۶[

پونس[۲۲] و میدمانت[۲۳] و سینگ[۲۴] روندیابی زمان­مساحت را در جریان سطح­الارضی بکار گرفتند که از مزایای آن دخالت پارامترهای هیدرولوژیک به صورت نیمه­توزیعی بود. به تدریج در توسعه تدریجی‌ مدل کلارک در روش مادکلارک این روند کامل­تر شده و تبدیل به یک الگوریتم کاملاً توزیعی جهت تبدیل بارش به روناب گردید.]۷[

 اساس این مدل بر مفهوم ایزوکرون­ها یا خطوط هم­پیمایش بنا شده بود. به عبارتی این خطوط حوضه را به مساحت­هایی مجزا تقسیم می­کنند که هر کدام با اختلاف زمانی که معمولاً به اندازه بازه زمانی ایزوکرون­ها در نظرگرفته می_­شد به نوبت تخلیه می­شدند و هیستوگرام انتقالی یا زمان-­مساحت را می­ساختند.