مدلسازی رواناب بارندگی
مطالعه موردی 1 : مدلسازی رواناب بارندگی
رواناب قسمتی از بارندگی است که از سطح زمین یا از طریق خاک به سمت آبهای سطحی (رودخانه ها، دریاچه ها، نهرها و غیره) جاری می شود. زمانی رخ می دهد که بارندگی از ظرفیت های رهگیری، تبخیر، نفوذ و ذخیره سطحی فراتر رود. رواناب تحت تأثیر مورفولوژی حوضه، خاک و پوشش گیاهی است. مثلا حوضه آبریز بزرگتر حجم رواناب کل بیشتری و نرخ رواناب اوج بالاتری نسبت به حوضه آبریز کوچکتر تولید می کند. حوضه آبریز طولانی تر و باریک به طور کلی نرخ رواناب کمتری نسبت به حوضه آبریز جمع و جورتر دارد زیرا طول می کشد تا رواناب از دورترین مناطق حوضه آبریز طولانی به خروجی برسد. حوضه‌ای با شبکه گسترده کانالهای شیب دار نسبت به حوضه‌ای با کانالهای کم یا حوضه‌ای با کانال‌هایی که شیب ملایم دارند، میزان رواناب بیشتری تولید می‌کنند. درک این نکته نیز دشوار نیست که حوضه ای با خاکهای عمیق و قابل نفوذ، رواناب کمتری نسبت به حوزه ای با خاکهای نازک و کمتر نفوذپذیر دارد. میزان و نوع پوشش گیاهی نیز بر رواناب تأثیر می گذارد. پوشش گیاهی به طور کلی حرکت آب رواناب را کند کرده و آب را کاهش می دهد. میزان و حجم رواناب رواناب معمولاً به عنوان تابعی از میزان بارندگی و پارامترهای تعیین شده بر اساس ویژگی های حوضه آبریز از جمله اندازه، شکل، توپوگرافی، خاک و پوشش گیاهی مدلسازی می شود. مدل رواناب بارندگی توسعه یافته و برای پیش‌بینی چگونگی واکنش رواناب سطحی به بارندگی استفاده می‌شود. به معنای واقعی کلمه هزاران مدل مفهومی رواناب بارندگی در ادبیات وجود دارد. بسیاری از آنها تغییرات مکانی و ژئومورفولوژیکی را در نظر می گیرند. آنها عمدتاً برای گسترش سوابق جریان رودخانه، برای برآورد حوضه آبریز، در دسترس بودن آب منطقه ای یا قاره ای، برای پیش بینی یا ارزیابی جنبه های سیلاب، برای کمک به پیش بینی حمل و نقل آلاینده های ناشی از آب، و برای تخمین جریان ورودی به مدل های سیستم رودخانه استفاده می شوند. به یکی از محبوب ترین مدل های رواناب بارندگی، مدل شماره منحنی SCS است که توسط سرویس حفاظت خاک (SCS) (در حال حاضر سرویس حفاظت از منابع طبیعی، NRCS) وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA) توسعه یافته است. این از تجزیه و تحلیل تجربی رواناب از حوضه های کوچک و قطعات شیب تپه توسعه یافته است. مدل حجم رواناب حوضه های کوچک را با استفاده از معادلات زیر (USDA 1986) برآورد می کند :
که در اینجا Q عمق رواناب سطحی (میلی متر)، P بارندگی طوفان (میلی متر)، S ذخیره آبگیر یا حداکثر اختلاف پتانسیل بین P و Q است، ثابت 254 یک عامل تبدیل واحد برای اینچ به میلی متر و CN عدد منحنی رواناب است. CN بدون بعد است، بر اساس گروه خاک هیدرولوژیکی، کاربری زمین، شرایط هیدرولوژیکی و شرایط رطوبت قبلی تعیین می شود. این مقدار بین 1 تا 100 متغیر است. مقدار CN 100 نشان دهنده حوضه ای با پوشش کامل زمین غیر قابل نفوذ است، بنابراین S برابر صفر است. مقدار CN صفر به این معنی است که حوضه آب کاملاً نفوذ پذیر است. هرچه مقدار CN بیشتر باشد، حوضه آبریز نفوذ ناپذیرتر و رواناب بیشتر است. USDA (1986) مقادیر CN را برای کاربری ها/پوشش های مختلف زمین، گروه های خاک هیدرولوژیکی و شرایط هیدرولوژیکی ارائه می کند.
(ملسه و شیه، 2002) مدل شماره منحنی SCS را برای برآورد عمق رواناب برای زیر حوضه S-65A حوضه رودخانه Kissimmee در فلوریدا جنوبی به کار گرفتند. این حوضه به دلیل احداث کانالها و مخازن از سال 1962 تا 1971، مقدار قابل توجهی از کانالهای رودخانه و سیلابهای دشتی را از دست داد و از سال 1962 شروع به کار کرد، کار بازسازی برای بازسازی تالابهای از دست رفته و دشتهای سیلاب آغاز شد. هدف از این تحقیق بررسی تأثیرات تغییرات فیزیکی و اکولوژیکی بر هیدرولوژی زیر حوضه با بررسی پاسخ رواناب به تغییرات کاربری زمین در زیر حوضه که طی بیست سال از 1980 تا 2000 انجام شده است می باشد. آنها از تصاویر ماهواره ای برای استخراج زمین استفاده کردند. پوشش داده و مدل شماره منحنی SCS را در GIS پیاده سازی کرد. شکل 10-1روند حل آنها را برای نقشه برداری از عمق رواناب ترسیم می کند. به طور خاص این مطالعه شامل موارد زیر است :
- به دست آوردن تصاویر Landsat برای سال 1980 (تصاویر MSS) ، 1990 (تصاویر TM) و 2000 (تصاویر+ ETM)
- تصحیح رادیومتری و هندسی تمام تصاویر
- طبقه بندی تصاویر با استفاده از روش طبقه بندی بدون نظارت ISODATA (بخش 6-5 را ببینید) و تجزیه مجدد نتایج در هفت کلاس پوشش زمین برای ایجاد لایه های پوشش زمین برای 1980 ، 1990 و 2000
- صحت طبقه بندی بر اساس داده های چهار ضلعی Quartergle Digital Orthophoto برای همان سالها
- تهیه نقشه های خاک منطقه مورد مطالعه و تبدیل آنها به لایه های رستری 30 متری
- پوشاندن لایه های رستر خاک با لایه های پوشش زمین برای ایجاد خاک- لایه های پوشش زمین
- محاسبه مقادیر CN بر اساس اطلاعات خاک و پوشش زمین برای هر سلول شبکه در لایه های پوشش خاک و زمین طبق دستورالعمل NRCS 1972 National Engineering Handbook (NEH 4) و ایجاد لایه های CN برای 1980، 1990 و 2000 .
- استفاده از معادله های 10-1 و 10-2 برای لایه های CN برای محاسبه عمق رواناب در مورد بارندگی 5/190 میلی متر که بارندگی ده ساله 48 ساعته برای زیر حوضه S-65A است.
- مقایسه توزیع مکانی عمق رواناب برای سه سال، تجزیه و تحلیل تغییرات و ارتباط این تغییرات با تغییرات کاربری اراضی که در دوره بیست ساله رخ می دهد.
تغییر در توزیع مکانی CN و عمق رواناب نشانه تغییر پاسخ رواناب حوضه آبریز به دلیل تغییر کاربری زمین است. نتایج حاصل از مطالعه نشان داد که در سال 2000 در مقادیر CN و حجم رواناب افزایش یافته است، در مقایسه با مواردی که در 1980 و 1990 وجود داشت که به دلیل افزایش مناطق تحت پوشش آب و تالاب است. این نشان می‌دهد که تالابهای از دست رفته و دشتهای سیل‌زده در زیرحوضه S-65A در نتیجه کار بازسازی بازیابی شدند.
بدون دیدگاه