شناسايي و الويت بندي مناطق سيل خيز در يك حوضه آبخيز
مراحل متوالي‌انجام كار
تهيه نقشه حوضه: با استفاده از نقشه‌هاي توپوگرافي 50000 :1 ابتدا مرز حوضه آبخيز براساس‌بلندترين خط الرأس‌ها و خط تقسيم آب مشخص مي شود سپس با توجه به محل ايستگاههاي‌هيدرومتري و براساس هدف مورد نظر حوضه به تعدادي زير حوضه تقسيم مي شود .
شبكه آبراهه: كليه آبراهه‌هاي اصلي و فرعي موجود در حوضه و زير حوضه‌ها از روي نقشه‌هاي‌توپوگرافي بعنوان لايه ديگر از مشخصات فيزيكي حوضه آبخيز رقومي تهيه مي شود. طول و شيب‌آبراهه‌هاي اصلي در هر زير حوضه و حوضه اصلي ،مساحت هر يك از زير حوضه‌ها و سايرپارامترهاي مورد نياز در همين قسمت با استفاده از سيستم رقومي تعيين مي گردد
چنانچه در مطالعه سيل قصد استفاده از روش SCSباشد (به دليل محاسبه خصوصيات فيزيكي حوضه در سيستم رقومي معمولا اين روش مناسب تر از روش هاي ديگر است) لازم است نقشه گروههاي هيدرولوژيكي خاك و نقشه كاربري اراضي يا نقشه پوشش گياهي‌تهيه شود آنگاه با استفاده از تلفيق دو نقشه گروههاي هيدرولوژيكي خاك و كاربري اراضي، نقشه CN حوضه تهيه مي شود.
سيلابهاي مشاهده شده: در حوضه مورد مطالعه كليه داده هاي‌سيل هاي ثبت شده بايد مورد بررسي قرار گيرد (اين داده ها از طريق بايگاني سازمان آب منطقه‌اي قابل حصول است)
داده‌هاي بارش ساعتي و روزانه: پس از شناسايي روزهاي سيلابي درحوضه مورد مطالعه، بايد نسبت به‌تهيه و جمع آوري رگبارهاي مربوط به اين سيلابها اقدام شود. از آنجا كه‌در حوضه هاي بزرگتر معمولا تداوم سيلابها در پاره‌اي ازموارد طولاني و حتي بيش از يك روز است، در جمع آوري رگبارهاي همزمان با روزهاي سيلابي،آمار بارش روزهاي قبل و بعد از تاريخ سيل همزمان نيز جمع آوري مي شود
از آنجا كه غالبا در اكثر ايستگاههاي هواشناسي و هيدرومتري گسيختگي و نواقص اماري وجود دارد بايد نسبت به بازسازي و رفع نواقص آمار اقدام شود اين كار بصورت زير عمل مي شود.
- كنترل كيفيت آمار
قبل از ورود به بحث تجزيه و تحليل داده‌ها، لازم است آمار جمع‌آوري شده از جهات گوناگون مورد بررسي قرار گيرد تا صحت و سقم داده‌ها معين شود. از آنجا كه اين موضوع پايه و اساس مطالعه براي تحليل‌هاي بعدی و ساير آيتم‌هاي مرتبط قرار مي‌گيرد پرداختن به اين امر و استفاده از انواع آزمون‌ها براي كنترل آمار كه يكي از مهمترين بخش‌هاي هر تحقيق محسوب مي‌شود ضرورت داشته و بايد به آن توجه كافي مبذول شود. هر گونه اشتباه و يا سهل‌انگاشتن اين امر كه موجب بروز كوچكترين خطايي شود تمام تحليل‌های بعدي را تحت تأثير قرار خواهد داد. لذا براي پرداختن به اين موضوع انواع آزمون‌هاي لازم و ضروري بكار گرفته مي شود. ابتدايي‌ترين كار كنترل اعداد خيلي بالا و پايين داده‌ها مي‌باشد كه در بسياري از گزارشات فقط بطور نظري و بصري انجام مي‌شود.
- آزمون داده‌هاي پرت (Outlier) برای دبی های حداکثر سالانه و لحظه ای
به‌منظور كنترل‌آمار و حذف داده‌هاي پرت از آزمون‌اوت‌لاير استفاده‌مي شود در اين روش كه توسط انجمن منابع آب آمريكا ارائه شده و براي ابقاء يا حذف داده‌هاي پرت استفاده مي‌شود ابتدا چولگي داده ها محاسبه مي‌شود چنانچه مقدار چولگي از 4/0+ بيشتر بود آزمون براي داده‌هاي پرت بالا انجام مي‌شود و چنانچه از 4/0- كمتر بود آزمون براي داده‌هاي پرت از پايين شروع مي‌شود. اگر مقدار چولگي در دامنه دو حد فوق قرار گيرد آزمون مربوطه براي هر دو وضعيت داده‌هاي بالا و پايين انجام مي‌شود.
براي تعيين آستانه اوت‌لايرهاي بالا از رابطه زير استفاده مي‌شود.
YHـ آستانه اوت‌لاير بالا
kn ـ ضريبي است كه از جدول مربوطه به تعداد داده‌ها انتخاب مي‌شود.
Sy ـ انحراف از معيار داده‌ها
مقدار به‌دست‌آمده پس از آنتي‌لگاريتم گرفتن با بزرگترين داده‌ها مقايسه مي‌شود چنانچه داده‌هاي مشاهده شده بزرگتر از YH بود حذف مي‌شوند در غير اين صورت داده‌‌اي از بالا حذف نمي‌شود.
براي آزمون داده‌هاي پايين از معادله زير استفاده مي‌شود.
YL ـ آستانه اوت‌لايرهاي پايين به صورت لگاريتمي
در اين قسمت هم پس از مقايسه مقدار YL با داده‌هاي پايين مشاهده شده، چنانچه داده‌هاي مشاهداتي از YL كمتر باشند حذف مي‌شوند در غير اين صورت داده‌ها به همان وضعیت اوليه براي تجزيه و تحليل‌هاي بعدي باقي مي‌مانند.
- تعيين تعداد سالهاي مجاز براي تطويل آمار
يكي از مسائلي كه كمتر بدان توجه مي‌شود تعيين طول مجاز سالهاي تطويل آمار مي‌باشد در هر مطالعه‌اي براي تطويل آمار هيدرومتري يا اقليمي بايد مشخص شود كه تا چند سال مجاز به تطويل و توليد آمار مي‌باشيم، براي اين كار روابطي معرفي شده است
- تطويل و تكميل داده‌ها
پس از انجام آزمون‌هاي شرح فوق و تأييد يكنواختي و تصادفي بودن داده‌ها براي تطويل و تكميل آنها، ابتدا از كل آمار موجود از ابتداي تأسيس ايستگاه يا ايستگاههاي مورد مطالعه تا سال پاياني جمع‌آوري آمار ماتريس همبستگي ايجاد مي شود در اين ماتريس همبستگي سطوح معني دار بودن دو به دوي ايستگاهها مشخص مي شود. با مشخص شدن ضريب همبستگي و استفاده از فرمول هاي برشمرده فوق تعداد سالهاي مجاز براي تطويل آمار تعيين مي شود و متعاقب آن با استفاده از روابط رياضي رگرسيوني به دست آمده آمار مربوطه تا سقف مجاز (از بالا يا پايين) گسرتش داده مي شود.
- توزيع مكاني رگبار در سطح حوضه (Spatial Distribution of Precipitation):
يكي از آسان‌ترين روشهاي محاسبه شدت و پيوستگي رگبارهاي گذشته، در ايستگاههاي مختلف باران سنجي براي يك حوضه آبخيز، تهيه منحني جرم است. منحني جرم با ترسيم باران تجمعي در دوره‌هاي زماني مشخص، بر حسب زمان به دست مي‌آيد. در ايستگاههايي كه به صورت خودكار باران را بر حسب زمان ثبت مي‌كنند، منحني جرم مستقيماً به دست مي‌آيد. در ايستگاههاي باران سنجي معمولي كه قرائت ها نه بطور پيوسته بلكه فقط در زمان‌هاي مشخصي از روز صورت مي‌گيرد، جمع بارندگي كل در حد فاصل دو مشاهده متوالي معلوم است، اما تغييرات شدت آن، در اين فاصله زماني، مستقيماً مقابل حصول نيست. هر چند اگر تعدادي ايستگاه اندازه گيري يا باران سنجي خودكار (ثبات) در منطقه موجود باشد منحني جرم (تغييرات شدت بارندگي در مدت زمان نزول رگبار( ايستگاههاي غير خودكار را نيز از منحني جرم ايستگاههاي ثبات مجاور مي‌توان به دست آورد، اما عواملي كه ممكن است الگوي بارندگي در ايستگاه مورد نظر را نسبت به ايستگاههاي مجاور تغيير دهد بايد در نظر گرفت.
با داشتن منحني جرم براي تمامي ايستگاههاي موجود در سطح حوضه و يا نزديك مرز حوضه كه مي‌توانند بخشي از سطح حوضه آبخيز را تحت تأثير قرار دهند، مي‌توان سطح تأثير گذاري هر يك از ايستگاهها را در كل حوضه تعيين كرد. از اين طريق توزيع مكاني رگبارها تا حدودي مشخص مي‌شود. هر قدر تعداد ايستگاهها بيشتر باشد توزيع مكاني رگبار و حتي جهت حركت رگبار در داخل حوضه بطور دقيق‌تر مشخص مي‌شود. يكي از روشهاي كار آمد، روش تيسن(Thissen) است. در اين روش با اتصال ايستگاههاي اندازه‌گيري با خطوطي مستقيم و رسم عمود منصف‌هاي آنها، تعدادي چند ضلعي بدست مي‌آيد. هر يــك از ايــن چند ضلعي‌ها مـــعرف سطــح تأثير ايستگاهي است كه در آن چند ضــلعي واقــع شده است. نمونه اي از اين نقشه هاي رقومي در شكل هاي زير براي حوضه آبخيز دماوند نشان داده شده است.
- توزيع مكاني رگبار در سطح حوضه (Spatial Distribution of Precipitation):
يكي از آسان‌ترين روشهاي محاسبه شدت و پيوستگي رگبارهاي گذشته، در ايستگاههاي مختلف باران سنجي براي يك حوضه آبخيز، تهيه منحني جرم است. منحني جرم با ترسيم باران تجمعي در دوره‌هاي زماني مشخص، بر حسب زمان به دست مي‌آيد. در ايستگاههايي كه به صورت خودكار باران را بر حسب زمان ثبت مي‌كنند، منحني جرم مستقيماً به دست مي‌آيد. در ايستگاههاي باران سنجي معمولي كه قرائت ها نه بطور پيوسته بلكه فقط در زمان‌هاي مشخصي از روز صورت مي‌گيرد، جمع بارندگي كل در حد فاصل دو مشاهده متوالي معلوم است، اما تغييرات شدت آن، در اين فاصله زماني، مستقيماً مقابل حصول نيست. هر چند اگر تعدادي ايستگاه اندازه گيري يا باران سنجي خودكار (ثبات) در منطقه موجود باشد منحني جرم (تغييرات شدت بارندگي در مدت زمان نزول رگبار( ايستگاههاي غير خودكار را نيز از منحني جرم ايستگاههاي ثبات مجاور مي‌توان به دست آورد، اما عواملي كه ممكن است الگوي بارندگي در ايستگاه مورد نظر را نسبت به ايستگاههاي مجاور تغيير دهد بايد در نظر گرفت.
با داشتن منحني جرم براي تمامي ايستگاههاي موجود در سطح حوضه و يا نزديك مرز حوضه كه مي‌توانند بخشي از سطح حوضه آبخيز را تحت تأثير قرار دهند، مي‌توان سطح تأثير گذاري هر يك از ايستگاهها را در كل حوضه تعيين كرد. از اين طريق توزيع مكاني رگبارها تا حدودي مشخص مي‌شود. هر قدر تعداد ايستگاهها بيشتر باشد توزيع مكاني رگبار و حتي جهت حركت رگبار در داخل حوضه بطور دقيق‌تر مشخص مي‌شود. يكي از روشهاي كار آمد، روش تيسن(Thissen) است. در اين روش با اتصال ايستگاههاي اندازه‌گيري با خطوطي مستقيم و رسم عمود منصف‌هاي آنها، تعدادي چند ضلعي بدست مي‌آيد. هر يــك از ايــن چند ضلعي‌ها مـــعرف سطــح تأثير ايستگاهي است كه در آن چند ضــلعي واقــع شده است. نمونه اي از اين نقشه هاي رقومي در شكل هاي زير براي حوضه آبخيز دماوند نشان داده شده است.
بــراي تحليل دقيق‌تر)بويژه در مناطق كـــوهستاني) لازم است نقــشه همباران(Isohyetal map) منطقه براي رگبارهاي مورد نظر تهيه شود. از نقشه همباران، متوسط وزني باران در هر چند ضلعي تيسن تعيين مي‌شود كه اين مقدار، در مقايسه با مقادير به دست آمـــده از ايــستگاههاي اندازه‌گيري، تصوير دقيق‌تري از بارندگي متوسط در داخل چند ضلعي را به دست مي‌دهد[1] اين نكته قابل ذكر است كه براي پيش بيني ميزان سيلاب، تحليل و مطالعه رگبارهاي شديدي كه در گذشته اتفاق افتاده كافي نيست، بلكه بررسي شديدترين رگبار احتمالي در آينده نيز لازم است. زيرا امكان دارد كه حوضه آبخيز، به طور تصادفي، در مركز رگبارهاي شديد و غير معمول گذشته قرار نگرفته باشد اما در آينده قرار بگيرد.
[1] - قدسيان، مسعود، 1377 . مهار سيلاب و مهندسي زهكشي، )ترجمه) انتشارات دانشگاه تربيت مدرس
.توزيع زماني بارش در سطح حوضه (Temporol Distribution of precipitation ):
براي محاسبه هيدروگرافي كه تغييرات جريان را با زمان نشان دهد، نياز به اطلاعاتي در مورد تغييرات بارش در زمان نزول مي‌باشد.چنانچه ايستگاههاي ثبات به تعداد كافي در منطقه مطالعاتي موجود باشد دسترسي به هيتوگراف بارش براي ورود اطلاعات به مدلهاي بارش-رواناب (مثلا مدل HEC-HMS) بسادگي امكان‌پذير است گرچه براي بعضي از انتخاب‌هاي (option)مدل چنانچه يك يا دو ايستگاه ثبات در بين ايستگاههاي باران سنجي وجود داشته باشد محاسبه هيدروگراف انجام مي‌گيرد. در ايستگاههاي ثبات بارش‌هاي ساعتي به دو طريق قابل دسترسي است يا مستقيماً داده‌هاي ساعتي موجود است و يا اينكه داده‌هاي مورد نظر را مي‌توان از كاغذهاي باران نگار بدست آورد. چنانچه ايستگاههاي موجود در حوضه از نوع باران سنجي وزارت نيرو بوده و فقط بارش روزانه را در اختيار قرار دهند با استفاده از رابطه زير تغييرات بارش ساعتي آنها را از داده‌هاي ساعتي نزديكترين ايستگاه ثبات مي توان بدست آورد.
به اين ترتيب با استفاده از روابط معرفي شده براي هر يك از حوضه‌هاي آبخيز مورد مطالعه و براي هر يك از بارش هاي روزانه ايستگاههاي باران سنجي‌توزيع بارش را مي توان بر اساس بارش ساعتي ايستگاه سينوپتيك مربوطه بدست آورد.
رگبار طرح :(Design Storm)
رگبار طرح معمولاً به عنوان يك رخداد بارندگي موضعي كه داراي دوره بازگشت، عمق و الگوي توزيع زماني معيني مي‌باشد تعريف مي‌شود.اين رگبار همچنين داراي حركت، پيشرفت، توسعه و انهدام است. اهميت هر كدام از اين ويژگيها با توجه به نوع كاربري و خصوصيات حوضه آبخيز تغيير مي‌كند. در واقع رگبار طرح عبارتست از تخمين و يا تعيين يك هيتوگراف بارش با يك دوره بازگشت يا فراواني معين كه با استفاده از آن مي‌توان رواناب حاصله را با دوره بازگشت مشابه رگبار طرح برآورد نمود. چنين هيتوگرافي داراي يك الگوي معيني از زمان، شدت، مدت و حجم بارندگي است. به بياني ديگر يك رگبار طرح، يك رگبار يا طوفان واقعي اندازه‌گيري شده از رخدادهاي واقعي نيست، زيرا چنين رگباري ممكن است هرگز رخ نداده، يا احتمال وقوع آن درآينده نيز بسيار كم باشد. اما بيشتر رگبارهاي طراحي ويژگيهايي را دارا مي‌باشند كه بيانگر ميانگين ويژگيهاي رگبارهايي است كه در گذشته اتفاق افتاده است، از اين رو ويژگيها و خصوصيات رگبارها و طوفانهايي كه ممكن است در آينده رخ دهد شباهت بسياري با ويژگيهاي رگبار طراحي خواهند داشت. روانابي كه با استفاده از اين رگبار بدست مي‌آيد سيلاب طرح ناميده مي‌شود. برآورد سيلاب طراحي نيزيكي از اجزاي مهم مطالعات هيدرولوژي است بنابراين براي محاسبه سيلاب طراحي در يك منطقه لازم است با استفاده از داده‌هاي باران نگاري موجود در آن منطقه اقدام به انتخاب رگبار طرح نمود.با توجه به اينكه شديدترين سيلاب از باراني ناشي مي‌شود كه تداوم آن برابر زمان تمركز حوضه آبخيز باشد و از طرفي زمان تمركز نيز يك پارامتر فيزيكي بوده كه مقدار آن براي هر حوضه متفاوت است لذا بايد حداكثر شدت بارندگي را در تداوم‌هايي كه مقدار آن برابر زمان تمركز حوضه باشد در دست داشته باشيم. بدين جهت داشتن رابطه يا نموداري كه از روي آن بتوان به ازاء تداوم‌هاي مختلف مقدار شدت بارندگي را تخمين زد از ملزومات عمده است كه در طراحي سازه‌هاي آبي از آن استفاده مي‌شود. از طرف ديگر سازه‌هاي آبي مانند پل، سيل‌بند، سد، زهكش، كانال‌هاي جمع‌آوري آب و امثال آن بر حسب اهميت و حساسيت به تخريب و يا مقدار هزينه‌اي كه صرف احداث آن مي‌شود و يا خطراتي كه ممكن است به لحاظ جاني و مالي در اثر خراب شدن به بار آورد با دوره بازگشت مشخص طراحي مي‌شوند. بنابراين شدت يا مقدار بارندگي كه به ازاء يك تداوم معين در طراحي از آن استفاده مي‌شود)رگبار طرح) بايد مربوط به دوره بازگشت مورد نظر باشد. تغييرات شدت بارندگي نسبت به دوره باز گشت يك تابع آماري -احتمالاتي است كه براي هر منطقه اقليمي مقدار متفاوتي دارد. داشتن اين رابطه نيز از ملزومات طراحي در كارهاي آبي است. از تلفيق روابط فوق مي‌توان به توابع يا نمودارهاي واحدي دست يافت كه بتوان از روي آن مقدار شدت بارندگي را در تداوم‌ها و دوره‌هاي بازگشت مختلف برآورد نمود.اين توابع و نمودارها كه در حال حاضر براي ايستگاههاي سينوپتيك توسط سازمان هواشناسي كشور استخراج شده‌اند به نحوي ارائه شده است كه مقادير شدت بارندگي را در تداوم 5 دقيقه تا 12 ساعت و در دوره‌هاي بازگشت 2، 5، 10، 20، 50 و 100 سال بدست مي‌دهند. با استفاده از روابط و ضرائب معرفي شده، حداكثر شدت رگبار در تداوم‌هاي مورد نظر و در دوره برگشت‌هاي مختلف براي تحليل‌هاي هيدرولوژيكي قابل محاسبه است.
منبع:سایت دکتر خسروشاهی
نویسنده وبلاگ وحید کاظمی کارشناسی ارشد مهندسی آبخیزداری می باشد.این وبلاگ در زمینه های مهندسی منابع طبیعی- کشاورزی-سنجش از دور و سایرعلوم مرتبط مطلب خواهد نوشت .لذا از بازدیدکنندگان گرامی دعوت می شود جهت غنی تر شدن این وبلاگ با نظرات ارزنده خودما را همراهی نمایند.گرفتن مطلب از این وبلاگ باذکر منبع مجاز است. با تشکر