مدل‌سازی سیلاب در مناطق خشک و نیمه خشک با بهره‌گیری از مدل HEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبریز سد استقلال میناب)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه رازی،

2 کرمانشاه- باغ ابریشم - دانشگاه رازی- دانشکده ادبیات و علوم انسانی - گروه جغرافیا

3 مرکز تحقیقات آموزش کشاورزی و منابع طبیعی کرمانشاه

چکیده

مناطق خشک به لحاظ بارش‌های رگباری یکی از آسیب‌پذیرترین بخش‌های جهان از نظر وقوع سیلاب می‌باشند، که ویژگی‌های رگباری پیش‌بینی سیلاب را در این مناطق دشوار می‌سازد. این پدیده در مناطق خشک و نیمه خشک ایران که داده‌های باران و رواناب ناقص می‌باشند شرایط پیش‌بینی را دشوارتر می‌گرداند. در این تحقیق حوضه آبریز سد میناب به عنوان نمونه‌ای از این مناطق، به دلیل دارا بودن داده‌ها، جهت شبیه‌سازی بارش – رواناب با استفاده از نرم‌افزار HEC-HMS استفاده شده است. در فرآیند محاسبات مدل جهت محاسبه‌ی تلفات رواناب حوضه از روش SCS، جهت تبدیل فرآیند بارش مازاد به جریان سطحی از روش هیدروگراف واحد SCS ، کلارک و اشنایدر و از مدل ثابت ماهانه برای محاسبه جریان پایه بهره گرفته شد. پارامترهای مدل بر اساس پنج هیدروگراف مشاهده‌ای مورد واسنجی و بر اساس دو هیدروگراف مشاهده‌ای دیگر اعتبارسنجی شد، که منجر به تنظیم پارامترهای حوضه آبریز گردید. تحلیل حساسیت مدل، نسبت به پارامترهای مختلف روش SCS نیز مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به درصد اختلاف کمتر بین دبی اوج مشاهداتی و محاسباتی روش هیدروگراف واحد SCS به عنوان روش مناسب برای حوضه مورد مطالعه تعیین شد. مقادیر RMSE برای هر سه مدل SCS، کلارک و اشنایدر به ترتیب برابر با 353/0، 75/117 و 620/79 می‌باشد. همچنین تحلیل حساسیت مدل نسبت به پارامترهای مختلف نشان داد که تاثیرگذارترین عامل بر مدل به ترتیب CN با مقدار 591/1، تلفات اولیه با مقدار حساسیت 335/1 و زمان تاخیر با مقدار 813/0 می‌باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Flood Modeling in Arid and Semi Arid Areas Using HEC-HMS Model (Case Study: Esteghlal Minab Basin)

نویسندگان [English]

  • Masoumeh Asadi 1
  • Iraj Jabbari 2
  • Homayoon Hesadi 3
1 Geography Dep., Department of Letters, Razi University,
2 Geography Dep., Faculty of Letters, Razi University, Bagh -e - Abrishem Bul. , Kemanshah
3 Kermanshah Agricultural and Natural Resources Research and Edgucation Center
چکیده [English]

Introduction
The Flash Floods occurrence are the main features of dry areas. Iran is not exception, because of locating in an arid and semi-arid region of the world, so that there have been registered 3700 damaging flood in the past 50 years (1330-1380). This situation is somewhat more critical in areas like Hormozgan Province. For example, two thousand billion rials have been damaged by only a 110 mm shower in Minab city on March 5, 2013. Arid areas are introduced as one of the most vulnerable parts of the world in terms of shower characteristics and unpredictable floods. Unprotectability character are going to be intensified in the arid and semi-arid regions like Iran where rainfall and runoff data are incomplete. The arid regions, especially the ones have large catchments, require to installation, setting up and maintenance of equipment and systems of flood recording and it isn’t easy to preparing such facilities. So, it is necessary to calibrate some methods that can be estimated the amount of runoff from rainfall in the lack or incomplete statistics basins for which flood forecasting are essential in hydrological studies and designs, water resources management.
So far, many methods have been considered by many researchers to simulate runoff rainfall to predict flood. Their development has led to the production of hydrological simulation models using computer models. One of the successful models in this field is the software HEC-HMS, by which many researchers have used to predict the flood.
In this research, the Minab dam basin has been used as an example of arid and semi-arid regions due to the presence of data to simulate rainfall-runoff using HEC-HMS software. It is located in the southwest of Kerman province and in the northeast of Hormozgan province. The basin is one of the largest and most important catchments in the southern coast of Iran with an area of 9845 square kilometers. Climate of the basin is hot and dry and it has a Mediterranean rain regime with a mean annual rainfall of 230 mm.
Material and Methods
The three methods studied in this study were implemented using a HEC-HMS software with the entry of the required values in the losses section and in the runoff and base water section. Three methods, SCS, Clarke and Schneider were compared and analyzed in the runoff section. In the loses section in all three methods, the SCS method was used and a fixed monthly model was used to calculate the base current. The parameters and their values required for each of these methods to using for simulation are: CN amount and the initial losses and delay time for the SCS method, the storage coefficient and the concentration time for the Clark method, and the standard lag time and the peak coefficient for the Schneider method.
After initial simulation to determine the optimal value of these parameters, calibration of the model was performed for five rainfall-runoff events. The peak discharge error percentage and Nelder and Mead searching method have been calculated during the calibration process of the model with the objective function, and then repeated correction of the parameters and the calculation of the best fit between calculated and observed hydrograph were performed. It was detected the value of the parameter obtained from the acceptance model calibration . by the suiting the fitness and production of the nearest hydrograph to the observed hydrograph.
Validation of the model was carried out based on two selected rainfall-runoff events that was not involved in calibration. In the validation section, flow simulation is performed with a new parameter, independent of the parameters used in the calibration step. The new parameters result from the numerical average of the calibrated parameters. The approximation rate of computational flow to the observational flow indicates that the model is valid. Otherwise, the accuracy and validity of the model will not be accepted. Finally, sensitivity analysis was performed to determine the effect of each of the parameters on simulation accuracy.
Results and Discussion
The results of this study showed that SCS unit hydrograph method was determined as the appropriate method for the studied basin, given the lower difference percentage between observational and computational peak discharge, so that the values of RMSE for each of the three SCS, Clark, and Schneider models are 353.0, 117.75, and 79.2920, respectively. Also, sensitivity analysis of the model to different parameters showed that the most influential factor on the model is CN with 591.191, initial losses with a sensitivity of 1/335 and delay time with the value of 0.813, respectively.
Conclusion
Since this area is located in a arid and semi-arid area, and many of the predictions of flood failure for arid areas based on SCS, it can be concluded that this model is considered a suitable model for drylands. This method can be more reliable for where have geomorphologic conditions similar to the upstream of the minab dam . However, the study of geomorphological characteristics and the emphasis on modeling based on these features can lead to accurate models and predictions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modeling
  • HEC-HMS
  • Minab
  • Esteghlal Dam
  • برخورداری، جلال؛ تلوری، عبدالرسول، غیاثی، نجفقلی، رستگار حسین،1385، بررسی قابلیت به‌کارگیری و ارزیابی روش‌های تهیه هیدروگراف واحد مصنوعی در برآورد سیلاب در حوضه آبخیز سیخوران استان هرمزگان، پژوهش و سازندگی در منابع طبیعی، شماره 71، صفحات 65-57.
  • پورحسین قادری، سیما؛  محمدنژاد، بایرامعلی ،1392، مدل‌سازی بارش- رواناب در حوضه آبخیز نازلوچای ارومیه با استفاده از مدل WMS/HEC-HMS، پنجمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران ، تهران، انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران، دانشگاه شهید بهشتی.
  • چیداز، آتنا؛  محسنی ساروی، محسن؛  وفاخواه، مهدی، 1388، ارزیابی مدل HEC-HMS به منظور برآورد هیدروگراف سیلاب در حوضه آبخیز کسیلیان، پژوهش‌های آبخیزداری، شماره 84، صفحات 71-59.
  • حسین‌زاده، محمد مهدی؛ ایمنی، سپیده ، 1395، مدل‌سازی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز قوچک-رودک با استفاده از مدل HEC-HMS، پژوهش‌های دانش زمین، سال هفتم،  شماره 25، صفحه 43-31.
  • حسینی، سید موسی؛ جعفربیگلو، منصور ؛ یمانی، مجتبی؛ گراوند، فاطمه ، 1394، پیش‌بینی سیلاب‌های تاریخی رودخانه کشکان با استفاده از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، سال چهارم، شماره 1.
  • حصادی، همایون؛ امیدی، نرگس؛ مسعودی تبار، رضا ، 1395، بررسی سیلاب حوضه ناودار به وسیله مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS، سومین کنگره علمی پژوهشی توسعه و ترویج علوم کشاورزی، منابع طبیعی و محیط زیست ایران، تهران، انجمن توسعه و ترویج علوم و فنون بنیادین.
  • خلیقی، ش ،1383، بررسی میزان تاثیر تغییر کاربری اراضی و مشخصات هیدرولوژیک آب‌های سطحی حوضه آبخیز باراندوز چای استان آذربایجان غربی، رساله دکتری، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، صفحه 218.
  • رادمنش، ف؛ پرهمت، ج؛ بهنیا، عبدالکریم؛ آخوندعلی، علی محمد، 1385، واسنجی و ارزیابی مدل HEC-HMS در حوضه آبخیز رود زرد، هفتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز.
  • رحیم‌زاده، زهرا؛ حبیبی، مینا ،1397، شبیه‌سازی هیدروگراف سیلاب با مدل هیدرولوژیک HEC-HMS و پیش‌بینی دوره بازگشت در حوضه روانسر کرمانشاه.جغرافیا و توسعه، شماره،  صفحات 194-175.
  • شکری کوچک، سعید؛ بهنیا، عبدالکریم؛ رادمنش، فریدون؛ آخوندعلی، علی محمد، 1390، تخمین آبنمود سیلاب حوضه آبخیز با استفاده از مدل HEC-HMS و سامانه اطلاعات جغرافیایی ( مطالعه موردی: حوضه ایدنک)، پژوهشنامه مدیریت حوضه آبخیز، سال سوم، شماره 5، صفحات 85- 63.
  • کریمی، مریم ؛ ملکی نژاد، حسین؛ عبقری، هیراد؛ عزیزیان، محمدصادق ، 1390، ارزیابی روش‌های مختلف شبیه‌سازی هیدروگراف سیل با استفاده از بسته نرم‌افزاری HEC-HMS (مطالعه موردی: حوضه آبخیز چهل گزی)، مجله پژوهش آب ایران، سال پنجم، شماره 9، صفحات 38-29.
  • کریمی، مریم؛ غفاری، گلاره؛ عزیزیان، محمدصادق ،1390، شبیه‌سازی فرآیند بارش-رواناب با استفاده از مدل HEC-HMS مطالعه موردی: حوضه آبخیز لیقوان، هفتمین همایش ملی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، صفحات 12-1.
  • مزیدی، احمد؛ کوشکی، سمیرا ،1394، شبیه‌سازی بارش-رواناب و تخمین سیل در حوضه آبریز خرم‌آباد با مدل HEC-HMS، جغرافیا و توسعه، شماره 41، صفحات 9-1.
  • محمودیان شوشتری، م؛ مجدزاده طباطبایی م،  یوسفی ع، 1381، بررسی و کاربرد مدل HEC-HMS در مهندسی رودخانه، بررسی موردی: رودخانه‌های کر و سیوند استان فارس، ششمین سمینار بین‌المللی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1068-1061 ص.
  • مهدی نسب، مهدی؛ طاووسی تقی ؛ میرزایی رضا ، 1393، پیش‌بینی احتمال وقوع سیل و حداکثر بارش متحمل زیر حوضه پلدختر با استفاده از روش سری های جزئی، اکوسیستم‌های طبیعی ایران، دوره 5، شماره 1، صفحات 109-97.
  • میر مهدی، م؛ جهانگیر، ع، 1378، واسنجی مدل ریاضی HEC-HMS و ارزیابی این مدل در پاسخگویی به سیلاب حوضه آبریز مارون، چهارمین کنگره ملی مهندس عمران، دانشگاه تهران، 7-1.
  • Azagra, E ., 1998. Rainfall runoff in the Guadalupe river basin-CE 397 GIS in Water Resources, Austin, Texas. www.ce.utexas.edu
  • Garcia, A., Sainz, A., Revilla, J. and Alvarez, C., 2008. Surface Water Resources Assessment in scarcely gauged basins in the north of Spain, Journal of Hydrology,V. 356, PP. 312-32.
  • Derdour, A. Bouanani and K .Babahamed., 2017. Hydrological modeling in semi-arid region using HEC-HMS model. Case study in Ain Sefra watershed, Ksour Mountains (SW-Algeria), Journal of Fundamental and Applied Sciences, , 1027- 1049, doi: 10.4314/jfas.v9i2.27.
  • Kafle, T.P., Hazarika, M.K., Karki, S., Shrestha, R.M., Sharma R., and Samarakoon, L .,2007. Basin scale rainfall runoff modeling for flood forecasts, 5th Annual Mekong flood Forum. Vietnam. PP.41.
  • Kathol J.P. Werner H.D. and Trooien T.P.,  2003. Predicting Runoff for Frequency based Storm using a Prediction Runoff Model. A.S.A.E. South Dakota. U.S.A.
  • Knebl, M.R., Yang, Z.L., Hutchison, K., Maidment, D.R., 2005. Regional Scale Flood Modeling using NEXRAD, Rainfall, GIS, and HEC-HMSRAS: A Case Study for the San Antonio River Basin Summer 2002 Storm Event, Journal of Environmental Management, 75: 325-336.
  • Laouacheria F. and Mansouri R., 2015. Comparison of WBNM and HEC-HMS for Runoff Hydrograph Prediction in a Small Urban Catchment. Water Resour Manage., 29, 2485-2501, doi 10.1007/s11269-015-0953-7
  • McColl, Ch. and G. Aggett ., 2006. Land use forecasting and hydrologic model integration for improved land use decision support. Journal of Environmental Management, September 2007, pages 49                                     
  • Meiling W., Lei Z., Thelma D B., 2016. Hydrological Modeling in A Semi-Arid Region Using HEC-HMS.Journal of Water Resource and Hydraulic Engineering., Vol. 5 Iss. 3, 105-115, doi: 10.5963/JWRHE0503004
  • Norhan A., Saud T., Fahad A., Kamarul A., 2016. Arid hydrological modeling at wadi Alaqiq, Madinah, Saudi Arabia. Jurnal Teknologi., 51-58, doi: 10.11113/jt.v78.4516
  • N S Romali. Z Yusop, and A Z Ismail,. 2018. Hydrological Modelling Using HEC-HMS for Flood Risk Assessment of Segamat Town, Malaysia, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 318 012029 doi:10.1088/1757-899X/318/1/012029
  • N. S. Romali,  Z. Yusop and A. Z .Ismail ., 2018.  Hydrological Modelling using HEC-HMS for Flood Risk Assessment of Segamat Town, Malaysia, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 318 012029 doi:10.1088/1757-899X/318/1/012029.
  • Razi, M.A.M, J.Ariffin, W.Tahir and N.AM Arish .,2010. "Flood estimation studies using hydrologic modeling system (HEC- HMS) for Johor river, Malaysia", Journal of Applide Sciences :N10: PP. 930-939.
  • Shah S. M. S., O'Connell P. E. and Hosking J. R. M., 1996. Modelling the effects of spatial
  • variability in rainfall on catchment response: Formulation and calibration of a stochastic
  • rainfall field model. Journal of hydrology, v. 175: 67-88.
  • Sampath D. S., Weerakoon S. B. and Herath S., 2015. HEC-HMS Model for Runoff Simulation
  • in a Tropical Catchment with Intra-Basin Diversions Case Study of the Deduru Oya River
  • Basin, Sri Lanka. J. ENGINEER, Vol. XLVIII, No. 01. 1-9. doi:
  • 10.4038/engineer.v48i1.6843.
  • Wheater H., Sorooshian S., Sharma K.D., 2008. Hydrological modelling in arid and semi-arid
  • areas. Cambridge University Press, Cambridge UK (Eds.), 223p. DOI:
  • 10.1017/CBO9780511535734
  • http://www.irna.ir/fa/News/81546913