ارزیابی روش‌های برآورد زمان پیمایش جریان روزمینی و آبراهه‌ای در مدل PGIUHبه منظور شبیه‌سازی هیدروگراف سیل (مطالعه موردی: حوضه آبریز امامه، استان تهران)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 استادیار گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 استاد گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.22034/gmpj.2021.255354.1223

چکیده

ساختار مدل هیدروگراف واحد لحظه‌ای ژئومورفولوژیکی احتمالاتی( (PGIUH متشکل از سیستم رده‌بندی آبراهه‌ای استراهلر و قوانین هورتن و نیز زمانهای پیمایش جریان آب بر روی سطوح(جریان روزمینی) و آبراهه‌های رده‌های مختلف حوضه جهت پیش‌بینی هیدروگراف خروجی حوضه است. روابط تجربی گوناگونی جهت تخمین زمان پیمایش جریان‌های روزمینی و آبراهه‌ای در دنیا ارائه شده است. در این نوشتار پس از استخراج داده های مورد نیاز ، صحت محاسباتی تعدادی از روابط زمان پیمایش از طریق مقایسه آماری هیدروگراف‌های پیش‌بینی شده با تعداد 10 واقعه بارش-‌رواناب در حوضه امامه مورد آزمون قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که زمان پیمایش سطوح تاثیر قابل‌ملاحظه‌ای بر تخمین هیدروگراف حوضه نداشته است ولی تاثیر زمان پیمایش آبراهه‌ها و به‌خصوص آبراهه اصلی تعیین‌کننده بوده است. همچنین هیچ یک از روابط زمان پیمایش آبراهه‌ای قادر نبوده است تمامی وقایع را به خوبی شبیه سازی کند. برخی از روابط وقایع معمول و پرتکرارتر حوضه و تعدادی دیگر از روابط وقایع شدیدتر و با دبی اوج بالاتر را بهتر تخمین زده‌اند. همچنین نوع پارامترهای بکار رفته در روابط در نتایج به دست آمده تاثیرگذار بوده‌اند. بکارگیری پارامتر وسعت حوضه آبگیر(A) در یکی از روابط، میانگین نتایج جاصل از شبیه‌سازی 10 واقعه را بهبود بخشیده است و نیز پارامتر شدت بارش موثر(i_e ) در یکی دیگر از روابط باعث شده تا برخلاف سایر روابط، هم برخی از وقایع کم شدت و پرتکرار و هم تعدادی از وقایع پرشدت و دارای دبی اوج بالاتر در بین بهترین نتایج آن قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of methods estimating overland/streamflow travel-times for predicting flood hydrograph based on PGIUH model (Case Study: Amameh Watershed, Tehran Province)

نویسندگان [English]

  • Mahdi Amini 1
  • muosa hosseini 2
  • Shirin Mohammadkhan 3
  • ebrahim moghimi 4
  • Mojtaba Yamani 4
1 Department of Physical geography. Faculty of Geography. University of Tehran. Tehran. Iran
2 Department of Physical geography. Faculty of Geography. University of Tehran. Tehran. Iran
3 Department of Physical geography. Faculty of Geography. University of Tehran. Tehran. Iran
4 Department of Physical geography. Faculty of Geography. University of Tehran. Tehran. Iran
چکیده [English]

The hydrograph shape, volume, peak discharg, and time to peak are important factors that should be considered in flood prediction and surface - water management problems. Rainfall and watershed characteristics affect runoff, and thus, hydrograph aspects. Numerous models have been developed to estimate hydrographs based on a variety of parameters. The PGIUH model is a geomorphologically - based model that has a probabilistic structure applying Strahler ̓s stream ordering scheme and Horton's laws and overland/streamflow travel times of different overland/stream orders to predict hydrographs. In the hydrological literature, the watershed response time to the rainfall is commonly characterized by the concepts including " time of concentration", "lag time", and"travel time", and the latter is applied in the PGIUH model to refer to the time it takes water to travel from one location to another; both on overland surfaces(overlandflow travel time) and in streams(streamflow travel time). .Different physically and empirically - based relationships have been developed to estimate travel time. Regarding the invariable probabilistic structure of the model, one can test the computational accuracy of the various travel time relationships based on the results of the model runs in comparison with observatory rainfall-runoff data The aim of this paper is to assess 10 travel-time relationships (5 overlandflow and 5 streamflow relationships) by comparing the estimated hydrographs with 10 observatory hydrographs in the Amameh watershed, located in the Alborz mountains, northern Iran. To reach the goal, some observatory hourly rainfall-runoff data of the watershed were obtained from two companies related to Iran ҆ s Ministry of Energy and 10 appropriate data were separated. For each of the runoff data, the total runoff ordinates were separated from the baseflow to derive the direct runoff hydrograph (DRH). Knowing the runoff depth produced by each event, the hourly effective rainfall amounts of that event were determined using the 𝜙-index, so that the total of all effective rainfall amounts of the whole rainfall duration would be equal to the runoff depth.On the other hand, the geomorphologic, topographic, and hydraulic paramaters needed to be used in the probabilistic structure and travel time relationships were obtained from the 12.5 m digital elevation model (DEM), the Google Earth satellite images and the previous papers regarding the study area. Different combinations of travel time relationships were applied at numerous model runs (One overlandflow plus one streamflow relationships at each run) to derive various IUHs. The hydrograph ordinates were obtained by multiplying the hourly effective rainfalls by the IHUs` ordinates and were compared with observed hydrographs statistically using such criteria as root mean square error (RMS), coefficient of efficiency (CE), error of peak discharge (〖Eq〗_p), and error of time to peak discharge (〖Et〗_p). The results showed that overlandflow travel-times did not contribute significantly in the hydrograph characteristics (in terms of peak flow, time to peak, and runoff volume), however, the effect of streamflow travel times, especially those related to the main stream has been decisive. This could be due to the short water flow paths, and thus, travel times on the overland surfaces, and consequently, least contribution of the overlandflow in the time of concentration at each event as opposed to the streamflow Also, no of the streamflow travel time relationships has simulated all the events accurately. Some of the relationships (the Bransby-Williams and the Gupta et al with gamma of 0.6 to 0.7 relationships) have estimated more frequent normal rainfall-runoff events more precisely wich is represented in better mean statistical results of the 10 simulations and some others (the Kirpich, Johnston-Cross, and the Gupta et al with gamma of 0.2 to 0.4 relationships) have done the same for more intense less repeated events with higher peak discharges.This is because various events result in different streamflow velocities, and thus travel times, and various relationships have estimated streamflow travel times, especially those of the main stream, differently. Also, the the types of parameters used in the relationships have affected the results The watershed area (A) parameter involved in the Bransby-Williams relationship has led to more accurate average results obtained from the simulation of 10 rainfall-runoff events and the effective rainfall intensity (i_e ) parameter used in the Lee et al relationship has, unlike other relationships, led some of both the more frequent low intensity and more intense higher discharge events to be as of its best estimations. It is concluded,thus, that not a single streamflow travel time relationship can best estimate all the rainfall-runoff events in the PGIUH model, however, there may be one relationship that can be best adapted to the mean hydroclimatological conditions in a watershed and lead to best mean statistical results among others. For more rare events, other relationships whose results are far from mean hysroclimatological conditions of the watershed can be applied

کلیدواژه‌ها [English]

  • "PGIUH model"
  • "travel-time"
  • "overlandflow"
  • "streamflow"
  • "flood hydrograph"
ابراهیمی، ک.، محمدی­وند، م.، عراقی­نژاد، ش.، و مدرسی، ف.، 1397، مقایسه کارایی سه مدل هیدرولوژیکی AWBM، Sacramento و IHACRES در یک حوضه واحد (مطالعه موردی: حوضه معرف امامه)، اولین همایش ملی راهبردهای مدیریت منابع آب و چالش های زیست محیطی، ساری
ایلدرمی، ع.، و غلامیان، ح.، 1399، برآورد دبی حداکثر سیلاب، ظرفیت انتقال و رسوب حوضه آبریز سنقر با استفاده از دو مدل GIUH و  Win TR – 55، هیدروژئومورفولوژی، شماره 24، صص 18 - 1
بهرامی، ش.، یمانی، م.، و محمودی، ف.، 1386، ارزیابی مدل هیدروگراف واحد لحظه­ای ژئومورفولوژیکی(GIUH) در حوضه آبخیز کنگیر (ایوان غرب)، مجله پژوهش­های جغرافیایی، شماره 60، صص 14-1
حسین زاده، س. ر.، 1397، مبانی سیستم های اطلاعات جغرافیایی (GIS)، چاپ اول، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد
سلاجقه، ع.، سنجری، م.، موحد، س. م.، و ملکیان، آ.، 1397، تحلیل چند مقایسه مدل هیدروگراف واحد لحظه­ای ژئومورفولوژی (GIUH)، مجله منابع طبیعی ایران، دوره 71، شماره 4، صص 971- 963
شکوهی، ع.، و عزیزیان، ا.، 1392، ارزیابی اثر توان تفکیک مدل­های رقومی ارتفاعی و آستانه شکل­گیری آبراهه­ها بر نتایج مدل بارش – رواناب ژئومورفولوژیکی مبتنی بر موج سینماتیک (KW – GIUH)، مجله هیدرولیک، دوره 8، شماره 3
شکوهی، ع.، عزیزیان، ا.، جماعت، ر.، و سینگ، و. ج.، 1396، تحلیل حساسیت مدل مبتنی بر موج سینماتیک KW – GIUH نسبت به روش­های مختلف برآورد نفوذ و ضرایب زبری، نشریه مهندسی ومدیریت آبخیز، جلد 9، شماره 3، صص 275 - 262 
غلامی صومعه، ف.، 1389، مقایسه هیدروگراف­های سیلاب مستخرج از مدل­های مخزنی لوپز و ژئومورفولوژی تحلیلی (مطالعه موردی : حوضه لیقوان)، پایان نامه کارشناسی ارشد، استاد راهنما: احمد فاخری فرد، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز
غیاثی، ن.، 1375، واسنجی هیدروگراف واحد لحظه ای ژئومورفوکلیماتولوژی در حوضه آبخیز امامه، پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی ،دانشگاه تهران
فتاحی، ا.، فتاحی نافچی، ر.، صمدی بروجنی، ح.، و عبداللهی، خ.، 1392، ارزیابی هیدروگراف SCS و هیدروگراف واحد لحظه­ای ژئومورفولوژی (GIUH) در حوضه آبخیز جونقان، مجله پژوهش آب ایران، سال 7، شماره 13، صص 208 - 205
کریمی صحنه آرایی، ف.، و آخوندعلی، ع.، 1396، بررسی تاثیر مشارکت زیرحوضه­ها در تولید سیلاب (مطالعه موردی: حوضه آبریز امامه)، دومین کنفرانس ملی هیدرولوژی ایران، 20 و 21 تیرماه، دانشگاه شهرکرد
گلکاریان، ع.، نقیبی، س. ا.، و داودی مقدم، د.، 1393، ارزیابی کارایی روش ژئومورفولوژی در برآورد ابعاد هیدروگراف واحد لحظه­ای و مقایسه آن با روش­های اشنایدر، SCS و مثلثی (مطالعه موردی : حوضه آبریز جنگ کارده)، نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، جلد 28، شماره 2، صص 450-440
مشاری عشق آباد، س.، نوحه­گر، ا.، و امیدوار، ا.، 1391، شبیه سازی رواناب به روش هیدروگراف واحد لحظه ای ژئومورفولوژیک (مطالعه موردی : حوضه بار- خراسان رضوی)، فصلنامه پژوهش های فرسایش محیطی، شماره 6، صص 126 -115 
معتمد وزیری، ب.، پزشکی، م.، و احمدی، ح.، 1396، ارزیابی تغییر کاربری اراضی و تاثیر آن بر هیدروگراف سیل حوضه آبخیز امامه، مجله تحقیقات منابع طبیعی تجدید شونده، سال 8، شماره 2
وزارات نیرو، شرکت آب منطقه­ای­ استان تهران
وزارت نیرو، شرکت مدیریت منابع آب ایران
یمانی، م.، محمودی، ف.، عیوضی، ج.، و نصیری، ع.، 1383، برآورد سیل با استفاده از آنالیز GIUH، نشریه علوم جغرافیایی، جلد 3، شماره 3 و 4
یمانی، م.، و نصیری، علی.، 1388، تجزیه و تحلیل شبکه­های عصبی مصنوعی ژئومورفولوژیکی در برآورد رواناب مستقیم (حوضه جاجرود، زیرحوضه امامه)، پژوهش­های جغرافیای طبیعی، شماره 68، صص 33-44
Arekhi, S. and  Rostamizad, Gh., 2011. Sediment yield estimating from three microwatersheds by integrated KW – GIUH and MUSLE models. Advances in Environmental Biology, 5
(6), pp 1346 – 1358
Chow, V. T., 1959. Open-channel hydraulics. McGraw-Hill
Dabbaghian-Amiry, M. and Mohammadi, A. A., 2012. Regional model for peak discharge estimation in ungauged drainage basin using GIUH, Snyder, SCS and Triangular models. International Journal of Water Resources & Environmental Engineering, Vol a (4), pp 86 - 96
Eppert, S., 2005. Development and application of an event – based model using the GIUH approach for the simulation of discharge and solutes. Institut fur Hydrologie, Referent: Stefan Uhlenbrook, Albert – Ludwigs – Universitat Freiburg I. BR
Franchini, M. and O҆ Connell, P. e., 1996. An analysis of the dynamic component of the geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Journal of Hydrology, 175, pp 407 - 428
Gericke, O. J. and Smithers, J. C., 2014. Review of methods used to estimate catchment response time for the purpose of peak discharge estimation. Hydrological Sciences Journal, 59 (11)
Govindaraju, R. S. and Zhang, B., 2003. Geomorphology – based artificial neural networks (GANNs) for estimation of direct runoff over watersheds. Journal of Hydrology, 273, pp 18 - 34
Gupta, V. K., Waymire, E. and Wang, C. T., 1980. A representation of an instantaneous unit hydrograph from geomorphology. Water Resources Research, 16, pp 855 – 862
Hosseini, S. M., Mahjouri, N. and Riahi, S., 2015. Development of a direct geomorphologic IUH model for daily runoff estimation in ungauged watersheds. Journal of Hydrologic Engineering
Huang, e., Cao, Sh., Lee, K. T., Ho, J., Liu, X. and Yang, K., 2010. Analysis of runoff in ungauged mountain watersheds in Sichuan, China using kinematic-wave-based GIUH model. Journal of Mountain Science, 7, pp 157-166
Jain, S. K., Singh, R. D. and Seth, S. M., 2000. Design flood estimation using GIS supported GIUH approach. Water Resources Management, Kluwer Academic Publishers, 14, pp 369 – 376
Khaleghi, M. R., Ghodusi, J. and Ahmadi, H., 2014. Regional analysis using the geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) method. Soil and Water Resources, 9, pp 25 - 30
Lee, K. T. and Yen, B. Ch., 1997. Geomorphology and kinematic – wave based hydrograph derivation. Journal of Hydraulic Engineering, 123, 1 (73)
Masoud, M., Niyazi, B., Khan, A. A. and Basahi, j., 2020. Variability of the geomorphometric characteristics of Makkah Al-Mukaramah basins in Saudi Arabia and the impact on the hydrologic response. Journal of African Earth Sciences, 168, 103842
Lee, K. T. and Chang, Ch. H., 2005. Incorporating subsurface flow mechanism into geomorphology based IUH modeling. Journal of Hydrology, 311, pp 91 – 105
Lee, K. T. and Chang, Ch. H., 2017. Analysis of flow-sediment rating curve hysteresis based on flow and sediment travel time estimations. International Journal of Sediment Research, pp 171-182
Mohammadi, A. A., Ahmadi, H., Khaleghi, Sh., Salajegheh, A. and Soltani, S., 2013. Estimation of instantaneous peak discharge using GIUH, Snyder, SCS & Triangular models: A case study of Central Alborz Watershed. Desert, 18, pp 105 - 111
Najafi, M. R., Behbahani, S. M. R., Abdollahi, J. and Hosseini, S. M.,  2009. A comparative study of Geomorphological Artificial Intelligent model and GIUH for direct runoff computations. Iran Water Resources Research, 5 (2), pp 1 - 9
Najafi, M. R., Lee, K. T., and Hosseini, S. M., 2007. Ann modeling for estimation of surface and subsurface flows based on watershed geomorphology. Agricultural Sciences and Technology, 9, pp 305 – 316
NRCS National Engineering Handbook., 2010. Chapter 15
Pereira, M. L. F., Campo, G. F. N., Kobiyama, M. and Castro, N. M. R., 2016. Regionalization with hydraulic geometry and fractal: case study with geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Revista Brasileira de Recursos Hidricos, 21 (2), pp 347-359
Ouyang, W., Hao, F., Mingze, S., Xiaojun, G. and Huang, W., 2015. Coupling the Xinanjiang model with geomorphologic instantaneous unit hydrograph for flood forecasting in northeast China. International Soil and Water Conservation Research, 3, pp 66 - 76
Raghunath, H. M., 2006. Hydrology : principles, analysis, design. New Age International (P) Ltd
Raghuwanshi, N. S., Bhadra, A., Panigrahy, N., Singh, R., Mal, B. C. and Tripathi, M. P., 2008. Development of a geomorphological instantaneous unit hydrograph model for scantily gauged watersheds.  Environmental Modeling and Software, 23, pp 1013 – 1025
Rodriguez – Iturbe, I. and Valdez, J., 1979. The geomorphologic structure of hydrologic response. Water Resources Research, 15 (6)
Taghvaye Salimi, E., Nohegar, A., Malekian, A., Hoseini, M. and Holisaz, A., 2017. Estimating time of concentration in large watersheds. Paddy Water Environment, 15, pp 123 – 132
Singh, B. R., Singh, S., Singh, P. and Mishra, D. K., 2014. A study on geomorphological response for runoff prediction in small watershed. IOSR Journal of Computer Engineering (IOSR – JCE), 16, Issue 4, Ver. VI, pp 86 - 94
Van der Tak, L. D. and Bras, R. L., 1990. Incorporating hillslope effects into the geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Water Resources Research, 26 (10), pp 2393 - 2400
Yao, Ch., Zhang, K., Zhongbo, Y., Zhijia, L. and Qiaoling, L., 2014. Improving the flood prediction capability of the Xinanjiang model in ungauged nested catchments by coupling it with the geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Journal of Hydrology, pp 517, 1035 – 1048.