تولید آب‌نگار واحد مصنوعی بر پایه‌ی ویژگی‌های فراکتال حوضه‌ی آبخیز

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 6، دوره 10، شماره 32، خرداد و تیر 1396، صفحه 87-97   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمد هادی فتاحی^* ؛ زهرا طالب زاده

گروه مهندسی عمران، واحد مرودشت، دانشگاه آزاد اسلامی، مرودشت، ایران

تاریخ دریافت: 16 اردیبهشت 1395،  تاریخ بازنگری: 29 خرداد 1395،  تاریخ پذیرش: 29 خرداد 1396 

چکیده

زمان تمرکز یکی از اصلی ترین مباحث در مطالعات گیتانگاری و آبشناسی حوضه‌های آبخیز می باشد، که تأثیر نسبتا زیادی را در محاسبۀ دیگر فراسنجهای آبشناسی، خصوصاً بده اوج سیلاب، و در نهایت استخراج آب‌نگار واحد حوضه  دارد .هندسه‌ی فراکتال، می‌تواند به عنوان ابـزار کمی مناسب جهت بررسی زمین‌ریخت‌شناسی رودخانه ها و شبیه‌سازی بسیاری از پدیده‌های پیچیده‌ی طبیعی بکار گرفته شود. مهمترین ویژگی فراکتالی، که در مورد این پدیده ها تحلیل مـی‌شـود، بعد فراکتال است که اهمیت را زیادی در شناخت رفتار و پیش بینی تغییرات رودخانـه دارد.این مقاله نیز با هدف یافتن روابطی برای زمان تمرکز بر اساس بعد فراکتال به تولید آب‌نگار واحد مثلثی فراکتالی در تمام زیر حوضه های حوضه‌ی وال نات گولچ می پردازد. بر این اساس، تمام زیر حوضه ها و آبراهه های حوضه ی وال نات گولچ با استفاده از نرم افزار ARC GIS تفکیک شد؛ زیر حوضه ها پردازش تصویری گردیدند و پردازش مربوط به آبراهه ها با الگوریتم شمارش جعبه ای تحلیل و بعد فراکتال محاسبه شد. سپس با برازش دادن منحنی بعد فراکتال حوضه با زمان تمرکزی که با کاربرد روش کرپیچ محاسبه شد، و زمان تمرکز جدید با توجه به بعد فراکتال بهدست آمد. در نهایت، با استفاده از زمان تمرکز جدید آب‌نگار واحد مثلثی فراکتالی تولید شد . نتایج نشان دادند که آب‌نگارهای واحد مثلثی تولید شده تطابق نسبتا خوبی را با آب‌نگار واحد مثلثی NRCS  داشتند، به جز در مواردی که، یک: رده‌ی آبراهه پایین باشد، مانند حوضه های 4 و 15 و دو: این‌که ، گسترش ، در راستای بلندترین طول آبراهه و اختلاف ارتفاع حوضه زیاد باشد، مانند حوضه های 1 و 10.

کلیدواژه‌ها

فراکتال؛ بعد فراکتال؛ زمین‌ریخت‌شناسی؛ آب‌نگار واحد مثلثی؛ وال نات گولچ

عنوان مقاله [English]

Synthetic Unit Hydrograph Based on Fractal Characteristics of Watersheds

نویسندگان [English]

Mohammad Hadi Fattahi؛ zahra talebzadeh

چکیده [English]

Time of concentration is one of the main topics of physiographic and hydrology studies in watersheds, and it has relatively large impact in calculation of other hydrology parameters, especially flood peak discharge. Moreover, it is used to derive the unit hydrograph of watershed. Fractal geometry can be used as a qualitative tool in order to examine the geomorphology of rivers and also modeling of complex natural phenomena. The most important feature which is analyzed about the phenomena is the fractal dimension that has a great importance to understand and predict the behavior of river changes. This article is aimed to find relationships for time of concentration based on fractal dimension using the production of fractal triangular unit hydrograph of Walnut Gulch watershed. Accordingly, all sub-watersheds and waterways of Walnut Gulch watershed were separated using the GIS software, image of sub-watersheds were digital image processed and the fractal dimension of waterways were calculated using box counting method. Then, by fitting the curve of watershed fractal dimension with the concentration time, which had been calculated by the Kirpich method, a new time of concentration relation was obtained based on the fractal dimension. Finally, fractal triangular unit hydrograph was developed using the new time of concentration. Results showed that the developed triangular unit hydrographs had a relatively appropriate match with NRCS triangular unit hydrograph.

کلیدواژه‌ها [English]

fractal, Fractal dimension, synthetic unit hydro-graph, Geo-morphology, Walnut Gulch Watershed

مراجع

منابع:

1)       علمی زاده ه، ا ماه اوجر و م سعادتمند . 1393. بررسی نظریه ی فراکتال در ژئومورفولوژی رودخانه ها (مطالعه ی موردی زرینه رود).پژوهش های زمین‌ریخت‌شناسی کمی. صص 141-130: 3.

2)       فتاحی م.ه و ح جهانگیری. 1393. بررسی ارتباط ویژگی‌های برخال شبکه ی رودخانه و سریهای زمانی جریان رودخانه، مجله ی مهندسی منابع آب. صص 10-1 :7.

3)       علی زاده ا. 1394. اصول آبشناسی کاربردی ،چاپ چهلم ،انتشارات دانشگاه امام رضا(ع)،مشهد، صص 670-615 .

4)       Ariza V.A,F Jiménez-Hornero & E Gutiérrez de Ravé. 2013. Multi-fractal analysis applied to the study of the accuracy of DEM-based stream derivation, Geomorphology. 197:85-95.

5)       Baas A.C.W. 2002. Chaos, fractals and self-organization in coastal geomorphology: simulating dune landscapes in vegetated environments. Geomorphology. 48: 309 – 328.

6)       Bi L, H He, Z Wei & F Shi. 2012. Fractal properties of landform in the Ordos Block and surrounding areas, China Geomorphology. 175:151–162.

7)       Li J, Q Du &C Sun. 2009. An improved box-counting method for image fractal dimension estimation. Pattern Recognition. 42: 2460-2469.

8)       Mandelbrot B. 1967. How long is the coast of Britain? Statistical self-similarity and fractional dimension. Science. 156: 636 – 638.

9)       Molteno T.C.A. 1993. Fast O (N) box-counting algorithm for estimating dimensions. Physical Review.  48: R3263– R3266.

10)   Nikora V. I. 1991. Fractal structures of river plan forms. Water Resour. 27: 1327-1333.

11)   Nikora V. I, V.B Sapozhnikov & D.A Noever. 1993. Fractal geometry of individual river channels and its computer simulation. Water resource. 29:3561-3568.

12)   Phillips J.D. 2002. Interpreting the fractal dimension of river networks. In: N.S.N Lam & L Decola (eds.): Fractals in geography. PTR Prentice-Hall, Inc., New Jersey: 142–157.

13)   Rodriguez-IturbeI and A Rinaldo. 1997. Fractal river basins, chance and Self-Organization, Cambridge: Cambridge University Press.

14)   Shen XH, L Zou &H Li. 2002. Successive shift box counting method for calculating fractal dimension and its application in identification of fault.  Acta geologica sinica. 76:257-263.

15)   Sherman LK. 1932. Streamflow from rainfall by the unit Graph Method. Engineering news-record.108: 501-505.

16)   Turcotte D.L. 2007. Fractal and chaos in geology and geophysics. Cambridge University Press, Cambridge, 398.

17)   Zhu J, X Yu, J Li & Z Zhang. 2009. Improved method for computing fractal dimension of river networks based on image analysis and its application. Geo-Information Science.11:610-616.