آب و خاک

چکیده سیلاب به‌عنوان یکی از مخرب‌ترین بلایای طبیعی، هر ساله خسارات جانی و مالی فراوانی به جوامع وارد می‌کند. در این پژوهش، یک سامانه‌ی نرم‌افزاری یکپارچه Web-GIS برای پیش‌بینی و هشدار سیل طراحی و توسعه داده شده است. در این سامانه، از بستر نرم‌افزاری محبوب React برای توسعه رابط کاربری (GUI) بهره گرفته شده است. برنامه‌نویسی سمت سرور در زبان Python و کتابخانه تحت وب آن Django انجام شده و در همین بخش، پایگاه اطلاعاتی PostgreSQL و افزونه مکانی آن PostGIS برای ذخیره‎سازی اطلاعات استفاده شده است. سرویس‎دهنده نقشه نیز در این سامانه نرم‎افزار GeoServer انتخاب شده است. سامانه‌ یکپارچه پیش‌بینی و هشدار سیل، با استفاده از تلفیق مدل‌ پیش‌بینی بارش WRF، مدل‌ هیدرولوژیکی HEC-HMS و همچنین مدل هیدرولیکی HEC-RAS (2D)، به پیش‌بینی سیلاب و پهنه‌بندی آن می‌پردازد. این سامانه برای حوضه آبریز سیل‌خیز گرگانرود پیاده‌سازی شده است. حوضه آبریز گرگانرود، به دلیل ویژگی‌های جغرافیایی و اقلیمی خاص خود، در معرض سیلاب‌های مکرر و گسترده قرار دارد. مدل‌ پیش‌بینی بارش WRF برای تخمین بارش با افق زمانی پیش‌بینی 6 ساعت تا 48 ساعت آینده آماده‌سازی شده‌ است و به منظور بهبود دقت پیش‌بینی‌ها، پارامترهای نرم‌افزارها واسنجی و تحلیل حساسیت شده‌اند. این پژوهش با ترکیب مدل‌های پیشرفته، دقت پیش‌بینی‌ها را افزایش داده و ابزار مؤثری برای مدیریت بهتر سیلاب‌ها فراهم می‌آورد. این سامانه با فراهم آوردن افق پیش‌بینی ۴۸ ساعته برای وقوع سیل و همچنین غلبه بر چالش‌های محاسباتی از طریق به‌کارگیری زیرساخت پردازش قوی (HPC) و مدل‌سازی متمرکز بر نواحی کلیدی، می‌تواند به‌عنوان ابزاری عملیاتی برای مدیریت بحران در مناطق سیل‌خیز عمل نماید.

چکیده بارش یکی از مهم‌ترین پارامترهای ورودی در مدل‌های هیدرولوژیکی جهت شبیه‌سازی بارش-رواناب می‌باشد که به علت عدم پراکندگی مناسب ایستگاه‌های بارانسنجی و تازه تأسیس بودن برخی از این ایستگاه‌ها در اکثر حوضه‌های کشور، استفاده از این داده‌های بارش با چالشی جدی روبروست. از این رو استفاده از روش‌های سنجش از دوری می‌تواند یکی از گزینه‌های مورد استفاده در زمینه شبیه‌سازی جریان با استفاده از مدل‌های هیدرولوژیکی باشد. در پژوهش حاضر، داده‌های بارش بازتحلیل‌شده ERA5 برای حوضه آبریز کشف‌رود در گام‌های زمانی روزانه و ماهانه مورد ارزیابی قرار گرفت و سپس با استفاده از داده‌های بارش ایستگاه زشک و پارامترهای مربوط به حوضه آبخیز زشک در نرم‌افزار HEC-HMS، هیدروگراف جریان آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که داده‌های بارش ERA5 در گام‏های زمانی روزانه و ماهانه دارای کم‌برآوردی می‌باشند و نیز در گام زمانی ماهانه دقت این داده‏های بارش در تشخیص وقایع بارشی (از نظر شاخص‏های FAR، TS و POD) بالاتر از گام زمانی روزانه بود. همچنین داده‌های بارش بازتحلیل‌شده ERA5 در گام زمانی ماهانه، در ماه‌های گرم تابستان دقت پایین‌تری در تشخیص وقایع بارش نسبت به بقیه ماه‌های سال داشتند. هیدروگراف جریان حاصل از داده‌های بارش بازتحلیل ‌شده ERA5 نسبت به هیدروگراف مشاهداتی دارای کم‌برآوردی بود که علت آن کم‌برآورد کردن میزان بارش در موقعیت ایستگاه زشک در محدوده روزهای متناظر با واقعه 23/1/99 توسط ERA5 بود. همچنین هیدروگراف یادشده در مقایسه با هیدروگراف مشاهداتی در محدوده غیر قابل قبول (NSE≤0.5 و PBias≤±25) بود. به طور کلی دقت هیدروگراف جریان حاصل از این محصول نسبت به هیدروگراف جریان حاصل از داده‌های بارش ایستگاه زشک، نمی‌تواند منبع مورد اعتمادی در مدلسازی هیدرولوژیکی باشد.

چکیده تغییر کاربری اراضی و به طور کلی پوشش اراضی تأثیر مستقیمی بر تغییر رژیم هیدرولوژیکی دارد و ویژگی‌های سیل در هر منطقه می‌تواند تابع کاربری اراضی آن حوضه باشد. این تحقیق با هدف تعیین میزان تغییر کاربری اراضی طی 28 سال (1366 تا 1394) و تأثیر آن بر هیدروگراف سیل رودخانه کشف‌رود انجام شد. برای این منظور، نقشه کاربری اراضی با استفاده از نرم‌افزار Erdas Imaging 2014 از تصاویر لندست TM سال 1366 و OLI سال 1394 با دقت 3/87 و در 10 کلاس کاربری استخراج شد. سپس با تلفیق نقشه‌های کاربری اراضی و گروه‌های هیدرولوژیک خاک در محیط GIS نقشه شماره منحنی رواناب، حاصل شد. در مرحله بعد وقایع بارش-رواناب در مدل HEC-HMS با استفاده از روش SCS-CN شبیه‌سازی شد و پارامترهای هیدرولوژیکی مربوط به سال 1366 و 1394 واسنجی و اعتبارسنجی شد. نتایج نشان داد به علت تغییرات کاربری اراضی که در جهت کاهش مساحت مراتع متوسط و افزایش مساحت مراتع فقیر اتفاق افتاده است، متوسط شماره منحنی حوضه در این مدت از 5/77 به 4/78 افزایش یافته است. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که میزان دبی اوج و حجم سیلاب حوضه کشف‌رود طی دوره مورد مطالعه به طور متوسط به‌ترتیب 2/15 و 7/13 درصد افزایش یافته ولی زمان رسیدن به دبی اوج هیدروگراف سیل تغییری نداشته است.

چکیده شماره منحنی (CN) یک پارامتر هیدرولوژیکی با مبنای تجربی است که جهت پیش­بینی مقدار رواناب مستقیم و یا مقدار بارش مازاد نفوذ یافته در خاک استفاده می­شود. از بین ویژگی­های سطح زمین، پوشش گیاهی یکی از عوامل مؤثر بر مقدار دبی اوج و حجم سیلاب می­باشد. یکی از شاخص­های معرف وضعیت پوشش گیاهی، شاخص سطح برگ است که از طریق اطلاعات سنجش از دور در دسترس است. در این مطالعه با هدف بررسی رابطه شاخص سطح برگ و شماره منحنی در مقیاس حوضه آبخیز، هیدروگراف سیلاب حوضه آبخیز کره­بس با استفاده از مدل HEC-HMS شبیه­سازی و مقادیر شماره منحنی سالانه حوضه برآورد شد. فایل­های رستری شاخص سطح برگ نیز از پایگاه اینترنتی مودیس تهیه و برای برقراری رابطه­­ای بین شماره منحنی حوضه و شاخص سطح برگ استفاده شد. دقت شبیه­سازی هیدروگراف با استفاده از ضریب کارایی نش- ساتکلیف 72/0 نشان داد که رابطه به­دست آمده با تابع انتقال، شماره منحنی حوضه مورد مطالعه را به خوبی برآورد می­کند. همچنین نتایج این تحقیق نشان داد که با افزایش شاخص سطح برگ، مقدار شماره منحنی کاهش می­یابد. این نشان می­دهد که افزایش پوشش گیاهی در منطقه موجب کاهش دبی اوج و حجم سیلاب می­شود. مقایسه کلاس­های شیب نیز مبین آن است که این عامل توپوگرافی نیز بر دبی اوج و حجم سیلاب اثر مستقیم دارد.

چکیده مدیریت حوضه های آبریز مستلزم استفاده از الگوهای هیدرولوژیکی است که نقش مهمی را در پیش بینی پاسخ حوضه به فرآیندهای بارش-رواناب ایفا می کنند. از طرفی ارزیابی رفتار حوضه نیز با الگو های ریاضی هیدرولوژیکی مستلزم واسنجی مدل با هدف تخمین و برآورد پارامترهای حوضه با بیشترین تطابق خروجی مدل با مجموعه ای از مقادیر مشاهداتی است. مهم ترین هدف واسنجی الگو های بارش-رواناب یافتن مقادیر بهینه مدل به گونه‌ای که بتوان بهترین منحنی را برای آبنمود های مشاهداتی و محاسباتی برازش داد. در این پژوهش، مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS و الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) به عنوان مدل بهینه ساز عمل می کنند. مدل تلفیقی ارائه شده بر حوضه سد کارده واقع در استان خراسان رضوی مورد بررسی قرار گرفته است. واسنجی مدل در رویکرد تک هدفه و با دو تابع هدف NASH و RMSE به طور جداگانه در رخداد-های مختلف انجام گرفت. نتایج حاکی از قابلیت مدل در واسنجی رخدادها تا حد قابل قبولی بود. هم چنین نتایج واسنجی با چهار معیار متفاوت ارزیابی شد. اعتباریابی در انتها با دسته پارامترهای حاصل از واسنجی انجام شد. نتایج نشان داد که مدل عملکرد چندان مطلوبی ندارد. لذا پیشنهاد یک مجموعه پارامتر بر اساس واسنجی رخدادهای منفرد و صحت سنجی تک رخداد باقی مانده ممکن نیست.

چکیده یکی از روش‌های کارآمد مدیریت سیل، پهنه‌بندی شدت و نوع آن است. در این تحقیق پهنه‌بندی خطر سیل با تلفیق دو مدل توزیعی-مفهومی مادکلارک و مدل هیدرولیکی HEC-RAS انجام شد. اطلاعات مورد نیاز برای اجرای مدل مادکلارک در محیط HEC-HMS شامل نقشه‌های شبکه‌‌ای حوضه، شماره منحنی و بارش (شبکه‌های بارش راداری) با سیستم مختصات SHG و فرمت DSS بوده، که تهیه آن ها در کشورهای خارج از قاره آمریکا دشوار می باشد. برای حل این مشکل فایل‌های ورودی با استفاده از سیستم WMS، در ابعاد شبکه سلولی 200×200 متر تهیه گردید. سپس نقشه شماره منحنی شبکه ای و نقشه‌های بارش شبکه‌ ای (با گام‌ زمانی 15 دقیقه) تهیه شده در محیط PCRaster، با استفاده از بسته های نرم‌افزاری HEC-GeoHMS و asc2dss به فرمت DSS تبدیل و جایگزین فایل‌های نرم‌افزار WMS شدند. پس از واسنجی و اعتبارسنجی، مدل برای دوره بازگشت‌های مختلف اجرا گردید. دبی پیک هیدروگراف‌ها به‌همراه مشخصات هندسی رودخانه و مقاطع عرضی (316 نمونه) تهیه شده توسط نرم‌افزار HEC-GeoRAS و ضرایب زبری، وارد نرم‌افزار HEC-RAS شد و پس از اجرای مدل نقشه پهنه ی خطر سیل حوضه آبخیز سد بوستان تهیه گردید. نتایج ارزیابی نشان داد که با توجه به معیار درصد خطای دبی اوج با کمتر از 2/3 درصد خطا، مدل در شبیه سازی دبی اوج کارآیی خوبی دارد اما در برآورد حجم چندان موفق نبود. نتایج پهنه های سیل نیز نشان داد که از کل مساحت تحت تأثیر سیل 200 ساله، 94/96 درصد مستعد سیل‌گیری توسط سیل‌های با دوره ‌بازگشت 25 سال است و در واقع بخش عمده ای از خسارت به پهنه های دشت سیلابی زیر 25 سال وارد می گردد.