کاربرد مدل‌های یک و دو‌بعدی جریان سطحی و نفوذ برای حوضه آبریز دره مارون استان فارس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری عمران آب، بخش مهندسی راه، ساختمان و محیط زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز

2 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

به­منظور شبیه­سازی جریان سطحی و برآورد عمق جریان بر روی سطح حوضه و مقدار دبی جریان خروجی، مدل هیدرولوژیکی جدید با ساختار عددی طراحی و ارائه شده است. در این مدل، معادلات سنت- ونانت حاکم بر جریان سطحی به­صورت یک­بعدی و دو­بعدی، به­همراه مدل نفوذ پارلانگ، با استفاده از روش عددی تفاضل محدود و تقریب موج سینماتیک، با اعمال طرح ضمنی، حل شده است. به­منظور حل دستگاه معادلات غیر­خطی حاصل از گسسته­سازی معادلات جریان و نفوذ از روش نیوتن رافسون استفاده شد. الگوریتم و برنامه این مدل در حالت یک­بعدی و دو­بعدی، با استفاده از نرم­افزار متلب تهیه و نتایج آن مورد تحلیل قرار گرفت. برای بررسی دقت و صحت مدل عددی ارائه شده، در برآورد ارتفاع و حجم جریان سطحی، این مدل بر روی حوضه آبریز دره مارون فارس اجرا شد. وضعیت توپوگرافی و شیب سطح حوضه در معادلات جریان سطحی و پارامترهای مورد نیاز معادله نفوذ با استفاده ازنقشه­های سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدل­های ارتفاعی تهیه و در اختیار مدل عددی قرار گرفته است. مقایسه هیدروگراف­های محاسباتی مدل عددی و مقادیر مشاهداتی در ایستگاه هیدرومتری خروجی حوضه و بررسی ضرایب آماری محاسبه شده از نتایج، شباهت و دقت خوبی را در شبیه­سازی هیدروگراف­های جریان توسط این مدل عددی نشان داد. همچنین، در این تحقیق، موج سینماتیک در پیش­بینی مقدار و زمان دبی اوج سیلاب­های انتخابی تقریب سازی مناسبی را دارا بود. دقت متوسط مدل عددی یک­بعدی و دو­بعدی در پیش­بینی مقدار دبی اوج سیلاب­های انتخابی و زمان وقوع آن به­ترتیب 3/97 و 2/97 درصد و 45/95 و 47/98 درصد محاسبه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of One- and Two-Dimensional Surface Runoff and Infiltration Models for Maroon Valley Watershed in Fars Province

نویسندگان [English]

  • F Aghaei 1
  • MJ Khanjani2 2
چکیده [English]

In order to simulate surface runoff and depth of flow on surface area of watershed and outflow rate, a new hydrological model with numerical structure has been designed and presented. In this model, surface flow governing Saint- Venant equations in one- dimensional and two- dimensional forms along with the Parlang infiltration model parameters, have been solved using a finite difference numerical method, for the kinematic wave approximation using an implicit scheme. In order to solve the system of nonlinear equations resulting from discretization of the flow and infiltration equations, the Newton Raphson method was used. An algorithm and program of this model in one- and two-dimensional modes have been developed by using MATLAB software and their results have been analyzed. For checking the accuracy of the presented numerical model in estimation of the height and volume of the surface flow, the model was implemented for the Maroon valley watershed in Fars province. Topographic condition and slope of the basin surface used in the surface flow equations and the parameters required in infiltration equation have been prepared using the GIS maps and elevation models for feeding the numerical model. Comparison of the model computational hydrographs with the observed results at the hydrometric station in the basin outlet and also investigation of the statistical coefficients calculated from the results showed similarities and good accuracy in simulation of the flood hydrographs by the numerical model. Also, the kinematic wave had a good approximation in predicting the amount and occurrence time of the selected floods peak discharges. The average accuracies of the one- and two- dimensional models in predicting the amount and occurrence time of the selected floods peak discharge were c 97.3 and 97.2 percent and 95.45 and 98.47 percent, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geographic Information System (GIS)
  • Hydrograph
  • Hydrological model
  • Kinematic wave
  • Maroon valley watershed
  • numerical model
  • Surface runoff
منابعمورداستفاده
آقایی دانشور ف، 1386. تخمین مقدار بده جریان سطحی و بار رسوب با دو مدل SWAT و KINEROS2 در حوضه آبریز بافت و چشمه عروس کرمان و ارائه مدل عددی حل معادلات هیدرودینامیکی جریان و نفوذ در حوضه آبریز دره مارون فارس. پایان­نامه کارشناسی ارشد سازه­های آبی، دانشکده کشاورزی بخش مهندسی آبیاری دانشگاه شهید باهنر کرمان.
بی نام، 1381. خلاصه­ای از گزارش ارزیابی سیمای حوضه آبخیز رودخانه خشک شیراز. اداره ارزیابی و اطلاعات جغرافیایی، وزارت جهاد کشاورزی، سازمان جهاد کشاورزی و مدیریت آبخیزداری، فارس.
طیبی­پور ف، 1385. گزارش آماری حوضه معرف پسکوهک سال آبی 84 - 1383. دفتر آب­های سطحی معاونت مطالعات منابع آب، شرکت سهامی آب منطقه­ای، فارس.
Abbott MB and Fang CS, 1967. On the numerical computation of nearly horizontal flows. Journal of Hydraulic Research 5(2): 97-117.
Akan AO and Houghtalen RJ, 2003. Urban Hydrology, Hydraulics, Storm Water Quality Engineering Applications and Computer Modeling. John Wiley & sons INC.
Amein M and Fang CS, 1970. Implicit flood routing in natural channels. Journal of the Hydraulics Division (ASCE) 96(12): 2481-2500.
Chaudhry YM and Contractor DN, 1973. Application of the implicit method to surges in open channels: Water Resources Research 9(6): 1605-1612.
Chow VT, 1964. Handbook of Applied Hydrology. McGraw-Hill Book Co, New York.
Chow VT and Ben-Zvi A, 1973. Hydrodynamic modeling of two-dimensional watershed flow. Journal of Hydraulics Division ASCE 99(11): 2023-2039.
Govindaraju RS, Jones SE and Kavvas ML, 1988. On the diffusion wave model for overland flow 1. Solution for steep slopes. Water Resources Research 24(5): 734-744.
Hantush MM, Kalin L, 2003. Modeling uncertainty of runoff and sediment yield using a distributed hydrologic model. Pp. 325-331. 1st Interagency Conference on Research in the Watersheds (ICRW).
Henderson FM and Wooding RA, 1964. Overland flow and ground-water flow from a steady rainfall of finite duration. Geophysical Research 69(8): 1531-1540.
Kawahara M and Yokoyama T, 1980. Finite element method for direct runoff flow. Journal of Hydraulic Engineering 106 (4): 519-534.
Liggett JA and Cunge JA, 1975. Numerical methods of solution of the unsteady flow equations. Pp. 89-180. In: Mahmood K and YevjevichV (eds) Unsteady Flow in Open Channels. Water Resources Publications, Fort Collins, Colorado, USA.
Morris EM, 1979. The effect of the small slope approximation and lower boundary conditions on solutions of the Saint-Venant equations. Journal of Hydrology 40: 31-47.
Morris EM and Woolhiser DA, 1980. Unsteady one-dimensional flow over a plane: partial equilibrium and recession hydrographs. Water Resources Research 16(2): 355-360.
Moussa R and Boequillon C, 2001. Fractional step method solution of diffusive wave equation. Journal of Hydrologic Engineering 6(1): 11-19.
Nash JE and Suttclifle TE, 1970. River flow forecasting through conceptual models part I, a discussion of principles. Journal of Hydrology 10(3): 282-290.
Parlange JY, Lise I, Braddock RD and Smith RE, 1982. The three parameter infiltration equation. Soil Science 133(6): 337-341.
Ponce VM, Simons DB, and Li RM, 1978a. Applicability of kinematic and diffusion models. Journal of Hydraulics Division ASCE 104(3): 353–360.
Ponce VM, Simons DB, and Indlekofer H, 1978b. Convergence of four-point implicit water wave models. Journal of the Hydraulics Division (ASCE) 104(7): 947–958.
Price RK. 1974. Compression of four numerical methods for flood routing. Journal of the Hydraulics Division (ASCE) 100(7): 879-899.
Rawls WJ, Brakensiek DL and Saxton KE, 1982. Estimation of soil water properties. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 25(5): 1316-1328.
Rawls, WJ and Brakensiek DL, 1982. Estimating soil water retention from soil properties. Journal of Irrigation and Drainage engineering 108(2): 166-171.
Semmens DJ, Goodrich DC, Unkrich CL and Smith RE, 2004. KINEROS 2 Modeling Framework. Agricultural Research Service ARS, U.S. Dept. of Agriculture, Tucson, Ariz.
Smith RE and Goodrich DC, 2000. Model for rainfall excess patterns on randomly heterogeneous areas. Journal of Hydrologic Engineering 5(4): 355-362.
Tayfur G, Kavvas ML, Govindaraju RS, and StormDE, 1993. Applicability of st-venant equations for two-dimensional overland flows over rough infiltrating surfaces. Journal of Hydraulic Engineering 119(1): 51-63.
Tayfur G and Singh VP, 2004. Numerical model for sediment transport over nonplanar, nonhomogeneous surfaces. Journal of Hydrologic Engineering 9(1): 35-42.
Woolhiser DA and Liggett JA, 1967. Unsteady, one-dimensional flow over a plane the rising hydrograph. Water Resources Research 3(3): 753-763.
Zhang W and Cundy TW, 1989. Modeling of two-dimensional overland flow. Water Resources Research 25(9): 2019-2035.