توسعه و کاربرد شبه توزیعیGFHM در شبیه‌سازی آبنمای سیلاب، مطالعه‌ی موردی: حوضه‌ی آبخیز جعفرآباد، استان گلستانv

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 2، دوره 5، شماره 15، آذر و دی 1391، صفحه 13-30   

نویسندگان

مجتبی محمدی^{* 1}؛ واحد بردی شیخ²؛ امیر سعدالدین²

¹دانشجوی کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

²استادیار دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

تاریخ دریافت: 16 دی 1394،  تاریخ پذیرش: 16 دی 1394 

چکیده

شبیه‌سازی آبشناسی یک ابزار اصلی برای پیش‌بینی وقایع سیلابی و عکس‌العمل آبشناسی حوضه‌های آبخیز برای سناریوهای مختلف مدیریتی می‌باشد. در این مطالعه شبه (GIS-based Flood Hydrograph Modeling) GFHM برای شبیه‌سازی آبنمای سیل حوضه‌ی جعفرآباد با استفاده از زبان شبیه‌سازی محیط زیستی PCRaster تهیه و توسعه داده شد. شبه GFHM یک شبه آبشناسی توزیعی مکانی و زمانی می‌باشد. نقشه‌های DEM، کاربری اراضی، نوع خاک، همچنین آمار بارش حوضه‌ی آبخیز، داده‌های اصلی مورد نیاز شبیه‌ می‌باشند. این شبیه‌ قابلیت شبیه‌سازی آبنمای‌های سیلاب را با گامهای زمانی در حد ثانیه و دقیقه داشته، و با توجه به هدف محقق قابل تنظیم می‌باشد. برای توسعه‌ی این شبیه‌، ابتدا شبیه‌ مفهومی، روشها و روابط مورد استفاده جهت شبیه‌سازی فرایندهای آبشناسی، فرضیات و محدودیتهای روابط مورد استفاده تدوین گردیدند. این شبیه‌ جهت محاسبه‌ی بارش مازاد از روش شماره‌ی منحنی سازمان حفاظت منابع ملی، و جهت روند‌یابی از روش موج جنبشی بهره برد. جهت انجام واسنجی از روش واسنجی دستی استفاده گردید، و دو فراسنج شماره‌ی منحنی و ضریب مانینگ واسنجی شدند. از روش یک "فراسنج در هر بار " که یکی از ساده‌ترین و متعارفترین روشهای تحلیل حساسیت می‌باشد جهت بررسی تحلیل حساسیت فراسنجها استفاده گردید. به منظور ارزیابی کارایی شبیه‌ در دو مرحله‌ی واسنجی و اعتبارسنجی از شاخصهای ارزیابی متعددی بهره‌وری شد. برای دوره‌ی واسنجی متوسط ضریب ناش- ساتکلیف 718/0، و برای دوره‌ی اعتبارسنجی 777/0 به‌دست آمد. اختلاف مرحله‌ی زمانی میان آبنمای‌های شبیه‌سازی شده و آبنمای‌های مشاهداتی دلیل اصلی پایین بودن نسبی شاخصهای ارزیابی می‌باشد.
 

کلیدواژه‌ها

آبشناسی؛ شبیه‌سازی؛ GFHM؛ PCRaster؛ حوضه‌ی جعفرآباد

مراجع

1- مصــطفی زاده، ر. 1387. شـــبیهســـازی تـــاثیرات آبشناسی سـازه هـای اصـلاحی بـه منظـور ارزیـابی ستاریوهای سازه ای کنتر سیل در آبخیـز جعفرآبـاد. پایان نامه کارشناسی ارشد آبخیزداری. دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان. 108 صفحه

2- Abbott, MB., Bathurst, JC., Cunge,JA., O’Conell, PE., Rasmussen, EA .1986. An introduction to the European

Hydrological Model “SHE” – SystemHydrology Europe. Journal of Hydrology.87:45-77.

3- Amaguchi, H., Kawamura, A.,Olsson,J. and Takasaki, T. 2012.Development and testing of adistributed storm runoff event modelwith a vector-based catchment delineation.Hydrol. 420–421: 205–215.

4- Andjelkovic, I. 2001. Guidelines onnon-structural measures in urban floodmanagement. Inter Hydrolo Progr.Technical Document in Hydrology.50.

5- Arnold, J. G., Srinivasan, R., Muttiah,R. S. and Williams, J. R.1998. Largearea hydrologic modeling and assessment.

Part I: Model development. J.of the Am. Water Resour Assoc. 34:73-89.

6- Bahremand, A. 2006. Simulation theeffect of reforestation on floods usingspatially distributed hydrology modelingand GIS. Ph.D. thesis. VrijeUniversiteit Brussel. Belgium, 150 p.

7- Beven, K. 2001. Rainfall-runoff modelling.The primer. John Wiley andSons. Chichester, UK.

8- Beven, K., and Kirkby, M. 1979. Aphysically based variable contributingarea model of basin hydrology. Hydrol

Sci. Bull. 24: 43-69.

9- Boughton, W., and Chiew, F. 2007.Estimating runoff in ungaugedcatchments from rainfall, PET and the

AWBM model. Environ. Model. &Software 22: 476-487.

10- Burrough, P. A., 1998. Dynamic Modellingand Geocomputation. In: Longley,P.A., Brooks, S .M., McDonnel,R., MacMillan, B. (Eds.), Geocomputation:A Primer. Wiley, Chichester,pp. 165–191.

11- Buytaert, W., Reusser, D., Krause, S.and Renaud, J. P. 2008. Why can’t wedo better than Topmodel? Hydrol.

Proc 22: 4175-4179.

12- Chao, V. T. 1959 .Open channelhydraulics. McGrawHill, New York.

13- Chen, C. L. 1982. Infiltration formulasby curve number procedure. J. Hydr.Div., ASCE 108: 823–829.

14- Cowan, W. L., 1956, Estimatinghydraulic roughness coefficients. AgriculturalEngineering. 37: 473-475.

15- Cuartas, L., Tomasella, J., Nobre, A.,Nobre, C., Hodnettc, G., Waterloo, J.,Oliveira, S., de Cássia, R., Trancoso,R. and Ferreira, M. 2012. Distributedhydrological modeling of a microscalerainforest watershed inAmazonia: Model evaluation andadvances in calibration using the newHAND terrain model. J. of Hydrol.462–463:15–27. 

16- De Doncker, Troch, L., Verhoeven, P.R., Buis, K., Desmet, N. and Meire, P.2009. Importance of Manning’scoefficient for the calibration of thecoupled Strive model. River Res Appl.9: 549-567.

17- De Roo, Hazelhoff, A., L. andBurrough, P. A. 1989. Soil erosionmodelling using 'ANSWERS' and

Geographical Information Systems.Earth Surface. Processes andLandforms 14: 517-532.

18- De Roo, A., Wesseling, C. andRitsema, C. 1996. LISEM: a singleevent physically-based hydrologic andsoil erosion model for drainage basins.I: Theory, input and output. Hydrol.Processes. 10: 1107-1117.

19- De Roo, A., Wesseling, C. and VanDeursen, W. P. A. 2006. Physicallybasedriver basin modelling within aGIS: The LISFLOOD Model.http://www.geocomputation.org/1998/06/gc_06.htm

20- De Vos, N.J. and Rientjes, T.H.M.,2007. Multi objective performancecomparison of an artificial neuralnetwork and a conceptual rainfall–runoff model. Hydrological SciencesJournal, 52(3):3 97–413

21- Genovese, E., 2006. A Methodologicalapproach to land use-based flooddamage assessment in urban areas:Prague Case Study. Mission of theInstitute for Environment & Sustainability,European Commission. Pp.39.

22- Hjelmfelt, A. T. 1980. Curve-numberprocedure as infiltration method. J.Hydr. Div, ASCE 106: 1107–1110.

23- Hydrologic Engineering Center(HEC). 1998. HEC-1 Flood HydrographPackage. User’s Manual. CPD-1A. Version 4.1. US Army Corps ofEngineers, Davis. CA. 434 p.

24- IPCC. 2007. Summary for policymakers.Contribution of WorkingGroup II to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panelon Climate Change. Pp. 11.

25- Karimi, H. A., and B. H. Houston.1997. Evaluating strategies forintegrating Environmental models

with GIS: Current trends and futureneeds. Computer, environment andurban systems. Elsevier Science Ltd20: 413-425.

26- Karssenberg, D. 2002. The value ofenvironmental modelling languagesfor building distributed hydrologicalmodels. Hydrol. Processes,16: 2751–2766.

27- Karssenberg, D., O. Schmitz, P.Salamon, K. De jong, and M.Bierkens. 2010. A software frameworkfor construction of process-basedstochastic spatio-temporal models anddata assimilation. Environ, Model. &Software 25: 489–502.

28- Karssenberg, D.J. 1996, ManualPCRaster version2, Dept. PhysicalGeography, Utrecht University,Utrecht, Netherlands.

29- Kite, G., E. Ellehoj, and A. Dalton.1996. GIS for large-scale watershedmodelling. In: Singh, V.P. andFiorentino, M. (eds.). GeographicalInformation Systems in Hydrology.Kluwer, p 443.

30- Kraft, P., B. Kellie, Frede, H. andBreuer, L. 2011. CMF: A hydrologicalprogramming language extension forintegrated catchment models. Environ.Model. & Software. 26(6): 828-830.

31- Kumar, R., Chatterjee, C., Lohani, A.K., Kumar, S. and Singh, R.D. 2002.Sensitivity analysis of the GIUH basedClark model for a catchment. WaterResour. Manage. 16: 263–278.

32- Liu, Y. B., and De Smedt, F. 2004.WetSpa Extension, documentation anduser manual, department of hydrologyand Hydraulic Engineering, VrijeUniversiteit Brussel, Brussels.

33- Lull, H.W. 1964. Ecological andsilvicultural aspects 6.1- 6.30, In: Ven Te Chow (ed.), Handbook of appliedhydrology, McGraw-Hill. New York.

34- Morgan, R. P. C. 1995. Soil erosionand conservation. 2nd ed, LongmanGroup Unlimited, London, UK. 198p.

35- NRCS. 2004. Estimation of directrunoff from storm rainfall. Part 63.Hydrology National EngineeringHandbook. United States Departmentof Agriculture.Pp. 51.

36- PCRaster Team, 2011. PCRasterdocumentation. Release 3.0.1. Dept.Physical Geography, Utrecht University,Utrecht, the Netherlands.

37- Reed, S., Schaake, J. and Zhang, Z.2007. A distributed hydrologic modeland threshold frequency method forflash flood forecasting at ungaggedlocations. J. Hydrol. 337: 402-420.

38- Rowe, L. K. 1983. Rainfall interceptionby an evergreen beech forest.J. Hydrol. 66: 143-158.

39- Saltelli, A., Chan, K. and Scott, E. M.2000. Sensitivity analysis Wiley seriesin probability and statistics. JohnWiley & Sons. Chichester, England.427p.

40- Scharffenberg, W., and Fleming, M.2010. Hydrologic modeling systemHEC-HMS v3.2 user’s manual. Davis,USA, USACE-HEC.

41- Sheikh, v., 2006. Soil MoisturePrediction: Bridging Event andContinuous Runoff Modelling. PhdThesis. Wageningen-UR. TheNetherlands. 192pp.

42- Sheikh, V., Van Loon, E., Hessel, R.and V. Jetten. 2010. Sensitivity ofLISEM predicted catchment dischargeto initial soil moisture content of soilprofile. J. Hydrol. 393: 147-185.

43- Sheikh, V., Visser, S. and L.Stroosnijder. 2009. A simple model topredict soil moisture bridging eEvent

and continuous Hydrological (BEACH)modeling. Environ. Model. andSoftware 24: 542 – 556.

44- Sieber, A., and Uhlenbrook, S. 2005.Sensitivity analyses of a distributedcatchment model to verify the model

structure. J. of hydrol. 310: 216–235.

45- Singh, V. P. 1995. Watershedmodeling. (Chapter 1) In: Singh, V.P.(ed.). Computer Models of WatershedHydrology. Water ResourcesPublications. Colorado. US.

46- Smith, R. E. 1976. Approximations forvertical infiltration. Trans. ASAE 19:505–509.

47- Smith, R.E., Goodrich, D.C., Woolhiser,D.A., and Unkrich, C.L., 1995,KINEROS - A kinematic runoff anderosion model. Chap. 20 of ComputerModels of Watershed Hydrology,Singh, V. J., Ed., Water Resources

Pub., Highlands Ranch, Colo., pp.697-732.

48- Spears, D. D. 1995. SSARR model.(Chapter 11). In: Singh, V. P. (Ed.),Computer Models of WatershedHydrology. Water ResourcesPublications. Colorado. US

49- Sugawara, M., 1974. Tank Model withsnow component. National ResearchCenter for Disaster Prevention. Japan .293p.

50- Takasao, T., Shiiba, M., Tachikawa,Y. 1989. Quasi-three-dimensional sloperunoff model taking account ofTopography of a natural watershedand automatic generation of a basin(in

Japanese), Proc. Japanese Conf. onHydraul., 33, 139-144.

51- Thomas, M., D. King, D. Keogh, A.Apan, and S. Mushtaq. 2011. Resilienceto climate change impacts: areview of flood mitigation policy inQueensland, Australia. The Aust J.Emergency Manage. 26: 8-17.

52- United Nations. Department of Economicand Social Affairs, PopulationDivision, 2010. World UrbanizationProspects: The 2009 Revision.http://esaun.org/unpd/wup/index.htm.Data in digital form (POP/DB-/WUP/Rev.2009) (last consultedMarch 2012). 

53- Van Deursen, W.P.A., C. Wesseling,and D. Karssenberg. 2000. How do wegain control over GIS technology? In:Parks, B.O., Clarke, K.M., Crane,M.P. (Eds.), Int. Conf. Integrating G.I. S. and Environ. Model. Problems,Prospectus, and Needs for Research.Boulder: University of Colorado –Cooperative Institute for Research inEnvironmental Sciences, Denver: USGeologic Survey – Center for BiologicalInformatics, and Boulder:NOAA National Geophysical DataCenter - Ecosystem Informatics. Banff,Canada.

54- Van Dijck, S. 2000. Effects of agriculturalland use on surface runoff anderosion in a Mediterranean area. PhD

Thesis. Utrecht University. theNetherlands. Netherlands GeographicStudies Issue: 256-263.

55- Wan Deursen, WPA. 1995. GeographicalInformation Systems and DynamicModels: Development and application

of a prototype spatial modellinglanguage. PhD Thesis, Utrecht University,The etherlands. Netherlands Geographic

Studies, Issue 190, p206.

56- Wesseling, C. G., Karssenberg, D.,Burrough, P. A. and W. P. A. VanDeursen. 1996. Integrated dynamicenvironmental models in GIS: Thedevelopment of a dynamic modellinglanguage. Trans. GIS.1: 40-48.

57- Worboys, M., 1996. GIS: A computingperspective. Taylor and Francis.London, UK.

58- Yapo, P.O., Gupta, H.V. and Sorooshian,S., 1998. Multi-objective globaloptimization for hydrologic models.Journal of Hydrology, 204, 83–97.

59- Zhao, G., Hormann, G., Fohrer, N.,Gao, J., Li, H. and Tian, P. 2011.Application of a simple raster-basedhydrological model for stream flowprediction in a humid catchment withpolder systems. Water Resour:Manage. 25: 661–676.

60- Zinke, P.J, 1967. Forest interceptionstudies in the United States. pp.137-161. In: W.E. Sopper and H.W. Hull(eds.). International Symposium onForest Hydrology, Pergamon Press,Oxford