تولید ‌هیدروگراف واحد مصنوعی بر پایه ویژگی‌های ﻓﺮاﻛﺘﺎﻟﻲ حوضه‌ی رودخانه‌ای (مطالعه‌ی موردی‌: حوضه‌ی کلان ملایر همدان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه ملایر.

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه ملایر.

10.22034/gmpj.2021.283724.1269

چکیده

یکی از روشهای کمی و تجربی در بررسی روابط اشکال مربوط به شبکه زهکشی‌ و هیدروگراف استفاده از بعد فراکتال است‌ هدف یافتن روابطی برای زمان تمرکز بر اساس بعد فراکتال با تولید هیدروگراف واحد مثلثی فراکتالی در زیر‌حوضه های رودخانه کلان ملایر است‌. بر این اساس، تمام زیر حوضه‌ها و آبراهه‌های حوضه با استفاده از نرم‌افزار GIS ARC تفکیک و با الگوریتم شمارش جعبه‌ای آنالیز و پردازش تصویر شدند. سپس با برازش منحنی بعد فراکتال حوضه با زمان تمرکز محاسباتی به روش کرپیچ‌، زمان تمرکز جدید با‌ توجه به‌ بعد فراکتال به‌دست آمد. در نهایت با استفاده از زمان تمرکز جدید هیدروگراف واحد مثلثی فراکتالی تولید و مقایسه شدند‌بررسی و مقایسه ‌هیدروگراف واحد NRCS و هیدروگراف واحد فراکتالی در زیر‌حوضه‌های 8 گانه حوضه سد کلان ‌نشان می‌دهد‌ که ‌به جز زیر‌حوضه‌هایی که رده آبراهه پایینی دارند، مانند زیر‌حوضه (B‌) و ‌(E‌) به‌ترتیب با مقدار‌ RMSE 98/0 و 96/0 ‌و در‌صد‌ خطای دبی پیک 83/33 و 48/17 هیدروگراف‌ها انطباق‌ خوبی با هم دارند. به‌صورتی‌که در برخی زیر‌حوضه‌ها نمودار‌ها‌ی بعد فراکتال و هیدروگراف NRCS کاملأ منطبق بوده و بین بعد فراکتال و هیدروگراف NRCS‌ و مشاهداتی تطابق قابل قبولی وجود دارد‌. نتایج نشان می‌دهد که هر چه اختلاف ارتفاع‌ حوضه بیشتر باشد تطابق هیدروگراف واحد NRCS و هیدروگراف واحد مثلثی کمتر است بررسی‌ها نشان می‌دهد که هیدروگراف‌های فراکتال ‌در تمام زیر‌حوضه‌ها زمان تمرکز را نسبت به شبکه هیدروگرافی اصلاح نموده است‌. پیشنهاد می‌شود که هیدروگراف واحد فراکتالی با سایر پارامتر‌های هیدروژئومورفولوژیکی مانند ضریب شکل حوضه‌، انجام و با هیدروگراف HEC–HMS‌بررسی شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Production of artificial unit hydrograph based on fractal characteristics of river basin (Case study: Malayer Kalen Basin of Hamadan)

نویسندگان [English]

  • Alireza Ildoromi 1
  • parisa shahsavand 2
1 Faculty of Natural Resources and Environment, Malayer University
2 Faculty of Natural Resources and Environment, Malayer University
چکیده [English]

Extended Abstract

Introduction
One of the quantitative and experimental methods that has been used by researchers in recent decades to study the relationship between drainage network and hydrograph forms is the use of fractal dimension. Some hydrogeological and morphometric parameters of watersheds that have a special geometric shape can be studied more accurately with fractal geometry and by calculating the fractal dimension of each of the characteristics of the river basin, new parameters can be prepared for watersheds that can Explain more features of watersheds in terms of flooding, erosion, runoff estimation, and sediment. (Ildoromi et al. 2019).
Mohammadi Khoshoei et al. (2020) Comparing fractal dimension and geomorphological features in Aqda watershed management showed that there are significant relationships between fractal dimensions of basin shape and drainage network with geomorphological features, and the highest correlation coefficient belongs to regression relationships. Drainage network can be seen between the total length of the drainage network and the fractal dimension Dutta et al. (2014) in the study of glacial landforms in Himalia using multi-fractal analysis showed that with fractal analysis, landforms created by different processes can be separated. Hui et al. (2017) in examining the relationship between the fractal dimension of the drainage network and the evolutionary stages of erosion of the China Yellow Basin showed that the fractal values of the drainage network have a positive and linear relationship with the sediment delivery and runoff values of the basin. The purpose of this study is to find relationships for concentration of time based on the fractal dimension by producing a fractal triangular unit hydrograph under the basins of the River basin kalan Malayer in Hamadan province.

Methodology
The Kalan Basin is located in the branches of Karkheh watershed.In this study, to extract the geomorphological parameters of the watershed from the GIS, DEM map, elevation difference, basin slope, flow direction layers, cumulative flow direction, flow length layers and streams categories and river chanal map, River Networks length the original was extracted and prepared for each sub-basin. In this research, the results of fractal dimension by box counting method, the results of drawing NRCS triangular unit hydrograph, the results of drawing fractal unit hydrograph, the results of comparing NRCS unit hydrograph and fractal unit hydrograph in all sub-basins kalan has been validated and the relationship between river basin concentration of time and its fractal properties has been evaluated based on computational error including peak flow error rate (CFS), peak time error percentage (Hr), and base time error percentage (Hr). The sub-basin hydrograph has been modified.

Results and Discussion
The results show that the greater the difference in basin height, the less the agreement between the NRCS unit hydrograph and the triangular unit hydrograph and shows that fractal hydrographs in all sub-basins have improved the concentration time relative to the hydrographic network .Below basin C, there is an acceptable agreement between the fractal dimension and the NRCS hydrograph, which indicates the accuracy of the results of the fractal dimension analysis of the drainage network. It can be concluded that the NRCS unit hydrograph and the fractal unit hydrograph are well matched .However, in the river basins B and E, the hydrograph of the NRCS unit of the fractal unit does not match well, which is due to the low level of the River Networks, (drainage network). The results showed that the greater the height difference, the less the agreement between the NRCS unit hydrograph and the triangular unit hydrograph. This study confirms the error percentage of fractal hydrograph and NRCS parameters related to each sub-basin.

Conclusion
Production of artificial unit hydrograph based on concentration time, main river networks, length, height difference and geomorphological characteristics is one of the important and accurate tools in this regard that can be used to produce artificial unit hydrograph based on fractal timec enter and corrected. The results of artificial unit hydrograph production based on fractal characteristics of the kalan basin river basin showed that the NRCS triangular unit hydrograph can be plotted and estimated only by having a morphological image of the chanals and without the need for complex calculations. Examination and comparison of fractal unit hydrograph and NRCS unit hydrograph showed that the fractal dimension hydrograph provided a relatively good agreement with NRCS.This raises the accuracy and efficiency of the fractal dimension hydrograph using geomorphological indicators in particular, the drainage network, especially in river basins without a measuring station shows. Examination and comparison of fractal unit hydrograph and NRCS unit hydrograph showed that the fractal dimension hydrograph provided a relatively good agreement with NRCS and this issue of accuracy and efficiency of fractal dimension hydrograph using geomorphological indicators, especially drainage network, in river basins without indicates the measuring station. It is suggested fractal unit hydrograph with other hydrogeomorphological parameters such as basin shape coefficient should be performed and checked with HEC-HMS hydrograph.

Keywords: Fractal, Geomorphology, Triangular Unit Hydrograph, Time Center, Kalan

کلیدواژه‌ها [English]

  • fractal
  • geomorphology
  • triangular unit hydrograph
  • time center
  • Kalan
  • اصغری سراسکانرود­، ص­.، و زینالی،­ ب.، 1394. بررسی الگوی پیچان­رودی رودخانه­ی گرمی چای استان آذربایجان شرقی با استفاده از روش­های ژئومورفولوژی و تحلیل فراکتال­ تحقیقات­ جغرافیایی، ­شماره­ی119­، صص 64 تا 79 .
  • ایلدرمی­، ­ع. ر.، و سپهری ، م.، 1397. فرسایش­پذیری سازندهای زمین شناسی با استفاده از تحلیل بعد فرکتال شبکه­ی زهکشی (مطالعه­ی موردی: دامنه­های شمالی همدان)، دوره­ی 6، شماره­ی 4­، صص 70-87
  • باباعلی­، ح. ر.، ­رامک­، ز.، و سپهوند­، ر.، 1397. برآورد سیلاب طرح حوضه­ی آبخیز با به‌کارگیری تئوری فرکتال و مدل بارش- رواناب HEC-HMS (مطالعه­ی موردی: حوضه­ی آبخیز رودخانه خرم‌آباد)، نشریه آب و خاک­، دوره­ی 32، شماره­ی 6­، صص 1097-1107.
  • برزگری دهج، و­.، ­زارع،­ م.ح ، و­ اختصاصی­، م. ر.­، ­1398. مقایسه شاخص بدون بعد تراکم شبکه­ی زهکش و بعد فراکتال شبکه­ی زهکشی در جدا‌سازی واحد­های سنگ­شناسی (­منطقه­ی مورد مطالعه­: حوضه­ی آبخیز تفت، یزد)، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی­، دوره­ی 8، شماره­ی 3 ، صص 80-96 .
  • سپهر­، ع.، خسروی، ع.، عبداله زاد، ز.، 1395. رفتار فرکتالی و ارتباط آن با خصوصیات هیدرومورفومتری حوضه­های آبریز دامنه شمالی بینالود، نشریه هیدروژئومورفولوژی، ­دوره­ی­ 3­، شماره­ی­ 9 ، صص 20-32.
  • سلطانی­، ش.،­ قهرودی تالی­، ­م­.، و صدوق­، س. ح.، 1398. کاربرد سنجش از دور و مدل ریاضی فراکتال در بررسی رفتار و تغییرات لندفرم­های ژئومورفولوژیکی رودخانه ارس، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، دوره­ی 7، شماره­ی 4­، صص 73-92.
  • مصطفی‌زاده، ر­.، ذبیحی­، م.، و ادهمی، م .، 1396. تحلیل زمانی و مکانی تغییرات بارش ماهانه در استان گلستان به‌کمک بعد ‏فرکتالی، نشریه مهندسی و مدیریت آبخیز­، دوره­ی 9، شماره­ی 1، صص 45-34.
  • مصطفی­زاده،­ ر.، بهره­مند، ­ع.، و سعدالدین­، ا .، 1388­. شبیه­سازی هیدروگراف رواناب مستقیم با مدل هیدروگراف واحد لحظه­ای کلارک (مطالعه موردی: آبخیز جعفرآباد استان گلستان)، پژوهش­های حفاظت آب و خاک (علوم کشاورزی و منابع طبیعی)، ­­دوره­­­ی­ 16­، شماره­ی­ 3 ، صص122-105.
  • علمی زاده، ه.، ماه پیکر، ا .، و سعادتمند، ­م .، 1393. بررسی نظریه­ی فرکتال در ژئومورفولوژی رودخانه­ای: مطالعه­ی موردی زرینه رود، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال3، شماره­ی2، صص 141-130.
  • علمی زاده، ­ه.، ماه پیکر، ا .،1396 . ­بررسی نظریه­ی فرکتال در رودخانه­ی زرینه رود با استفاده از روش شمارش جعبه­ای، ­فضای جغرافیای، ­دوره­ی­ 17­، شماره­ی 59­، صص 255 270­.
  • علی­مرادی­، م.، ­اختصاصی­، م. ر.،­ تازه­، م.، و کریمی­، ح.، 1397. محاسبه­ی بعد فراکتال سازندهای زمین‌شناسی و بررسی ارتباط آن با حساسیت‏ سازندها­، ­پژوهش­های جغرافیای طبیعی­، دوره­ی­50، شماره­ی­ 2،­ صص253-241.
  • فتاحی، م. ه.­، و طالب زاده، ز.، ­1396. ارتباط بین ضریب فشردگی حوضه­ی آبریز با ویژگی­های فرکتال آن، تحقیقات منابع آب ایران، سال13، شماره­ی 1، صص191-203.
  • فتاحی­، م. ه­.، و جهانگیری­، ح.، 1393. ­بررسی ارتباط ویژگی‌های برخال شبکه­ی‌­ رودخانه و سری‌های زمانی جریان رودخانه­، نشریه­ی مهندسی آب­، دوره­ی 7، شماره­ی 20 ، صص 1-10.
  • فتاحی، م.، و طالب زاده­، ز.، 1396.تولید آب نگار واحد مصنوعی بر پایه ویژگی های فراکتال حوضه آبخیز ، نشریه مهندسی منابع آب­، دوره­ی­­10­، شماره­ی ­32 ، صص 87 - 97 .
  • کرم، ا.­، و صابری، ­م.­، 1394. محاسبه­ی بعد فرکتال در حوضه­های زهکشی و رابطه­ی آن با برخی خصوصیات ژئوموفولوژیکی حوضه) مطالعه موردی: حوضه­های آبریز شمال تهران(، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 4، شماره­ی 3، صص167-153.
  • کامیاب، ­س.، و فتاحی، م، ه.، 1397­. انطباق سنجی خواص ژئومورفولوژیک حوضه­ی آبریز و ویژگی­های چند فراکتال شکل آبراهه، نشریه­ی تحقیقات منابع آب ایران­، دوره­ی­ 14­، شماره­­ی5­، صص 311 - 326.
  • محمدی، م.، اختصاصی م. ر.، طالبی ، ع­.، ­و حسینی­، س.، 1398. ­بررسی رابطه بین بعد فراکتال و ویژگی های مورفومتریک شبکه زهکشی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز دشت یزد-اردکان)، نشریه­ خشک بوم­، دوره­ی  9 ، شماره­ی­ 2­، صص 1 - 16 .
  • محمدی خشویی­، م.، و اختصاصی، ­م. ر.، 1398. مقایسه­ی بعد فراکتال و ویژگی­های ژئومورفولوژیک در مدیریت حوضه­ی آبخیز عقدا، ­پژوهش­های فرسایش محیطی، دوره­ی ­9­، شماره­ی ­1­، صص 62 –
  • نظری صارم­، م.، دبیری ، ر.، ­انصاری­، م. ر.، و وثوقی عابدینی­، م.، 1399. برآورد ﺑﻌﺪ ﻓﺮاﻛﺘﺎﻟﻲ ژئومورفولوژی کرانه‌های شمال خلیج فارس ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از روش ﺷﻤﺎرش ﺟﻌﺒﻪای، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی­، دوره­ی 9، شماره­ی 2­، صص 159-174.
  • V. A., ­Jiménez-Hornero, F., Gutiérrez de Ravé, E. (2013). Multi-fractal analysis applied to the study of the accuracy of DEM-based stream derivation, Geomorphology, 197, 85-95.
  • Baas, A.C. (2002). Chaos, fractals and self-organization in coastal geomorphology: simulating dune landscapes in vegetated environments. Journal of Geomorphology, 48(1), 309-328.
  • Bartolo, S.G., Veltri, M., & Primavera, L. (2006). Estimated generalized dimensions ofriver networks. Journal of Hydrology, 322, 181–191.
  • Ben-Zion, Y., & C. G. Sammis. (2003). Characterization of fault zones.  Pure and Applied Geophysics, 160 (3 - 4), 677 – 715.
  • Bi, L., He, H., Wei, Z., & Shi F. (­2012). Fractal properties of landform in the Ordos block and surrounding areas. Journal of China Geomorphology, 175:151-162.
  • Donadio, C., Magdaleno, F., Mazzarella, A., & Kondolf, G, M. (2014). Fractal dimension of the ­hydrographic pattern  of  three  large  rivers  in  the  Mediterranean  morphoclimatic System:  geomorphologic  interpretation  of  Russian  (USA),  Ebro  (Spain)  and  Volturno (Italy) Fluvial Geometry. Pure and Applied Geophysics, 172, 1975-1984.
  • Fac-Beneda, ­ J.  (2013). Fractal­ structure­ of  the  Kashubian  hydrographic  system.  Journal  of Hydrology, 488, 48 – 54.
  • Gloaguen, R., Marpu, P.R., & Niemeyer, I. (2007). Automatic extraction of Faults and Fractal analysis from remote sensing date, Nonlinear processes Geophys,14, 131-138.
  • Gloaguen, R., Kabner, A., Wobbe, F., Shahzad, F., & A. Mahmood. ­(2008). Remote sensing analysis  of  crustal deformation  using river  networks,  Paper  presented  at  the  Geoscience  and Remote Sensing Symposium, IGARSS 2008. IEEE International.
  • Hui, ­Y.,­ & S.­ Changxing. (2017).­­ The­ Fractal­ Characteristics­ of Drainage  Networks  and Erosion Evolution Stages of Ten Kongduis in the Upper Reaches of the Yellow River, China. Journal of Resources and Ecology, 8 (2), 165 – 174.
  • Kusak, M. (2014). Methods of fractal geometry­ used in the study of complexgeomorphic netwoks. AUC Geographica, 49(2), 99–110.
  • Kutlu, T., Ersahin, S., & Yetgin, B. (­2008). Relations between solid fractal dimension and somephysical properties of soils formed over alluvial and colluvial deposits, J Food Agri Environment, 6: 445-449
  • Kumar, A. (2014). Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph Based Hydrologic Response Models for Ungauged Hilly Watershed in India, Water Resources Management, DOI 10.1007/s11269-014-0848-z.
  • Li,  J.,  Du,  Q.,  &  Sun,  C.  (2009).  An  improved  box-counting  method  for  image  fractal  dimension  estimation, Pattern Recognition, 42(11), 2460-2469.
  • Mandelbrot, B. B. (1967). How long is the coast of Britain.­ science, 156 (3775), 636 – 638.
  • Mandelbrot, B. B. (1983). The fractal geometry of nature/Revised and enlarged edition, NewYork, WH Freeman and Co., 495p.
  • Molteno, T.C.A. (1993). Fast O (N) box-counting algorithm for estimating dimensions, Physical Review E, 48 (5), R3263– R3266.
  • Valders, J.B., Fialloand, Y., & Rodriguez-Iturbe, I. (1979). A rainfall–runoff analysis­­ of­ geomorphologic IUH. Water Resour. Res, 15(­6), 1421–1434.