صحت‌سنجی رابطة‌‌ استدلالی بیشینة‌‌ رواناب به روش شدت - مدت - مساحت با استفاده از داده‌های‌‌ پوششی رادار؛ مطالعة‌‌ موردی: حوضة آبریز رامیان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه جغرافیای طبیعی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

2 استاد، گروه جغرافیای طبیعی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

3 استادیار، گروه جغرافیا، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران

چکیده

پیش‌بینی بیشینة رواناب حوضه به اطلاعات درست از حجم، شدت و پراکنش بارش نیاز دارد. در رابطة استدلالی
 برای پیش‌بینی رواناب حوضه، شدت بارش ثابت فرض شده است و مقدار بارش نیز در بخش‌های مختلف حوضه از روش‌های درون‌یابی به دست می‌آید؛ زیرا بارش، یک فراسنج بسیار متغیر و احتمال خطا در برآورد آن زیاد است. این روش استدلالی به روش مدت - مساحت مشهور است. در این پژوهش به کمک داده‌های پوششی رادار، حجم و شدت بارش بر فراز حوضه در گام‌های زمانی 30 دقیقه (روش شدت – مدت - مساحت) به دست آمد. منحنی‌های همزمان تمرکز حوضه در گام‌های زمانی 30 دقیقه در نرم‌افزار G.I.S تهیه شد. سپس مختصات محیط و مساحت منحنی‌ها برای رادار تعریف، برنامة اجرایی آن در محیط نرم‌افزار رادار نوشته و حجم و شدت بارش در گام زمانی لازم برآورد شد. در ادامه به دلیل استفاده از داده‌های حجم بارش در گام زمانی انتخابی، رابطة استدلالی تغییر یافت و بیشینة رواناب شبیه‌سازی و با بیشینة دبی مشاهداتی مقایسه شد. هنگام بارش‌های شدید و پرحجم یا مرطوب‌بودن خاک حوضه به دلیل بارش‌های پیشین، بیشینة دبی زیاد بود. در بارش‌های کم‌شدت و کم‌حجم شرایط متفاوت بود؛ اگر شدت بارش در ابتدا کم بود و سپس افزایش داشت، مقدار رواناب بیش از حد انتظار بود؛ اگر شدت بارش در ابتدا زیاد بود و سپس کاهش داشت، مقدار رواناب کمتر بود. تأثیر پراکنش زمانی و مکانی بارش نیز بر مقدار دبی بیشینه نشان داده شد. تأخیر زمانی بین بیشینة دبی مشاهداتی و بیشینة رواناب شبیه‌سازی در بارش‌های شدید و پرحجم، کوتاه و در بارش‌های معمولی و کم‌حجم، طولانی بود. نتایج نشان داد استفاده از ضریب رواناب ثابت در رابطة استدلالی، مقدار بیشینة رواناب را دقیق برآورد نمی‌کند. با توجه به ویژگی بارش (شدت، مقدار، مدت، پراکنش زمانی و مکانی) و همچنین ویژگی رطوبتی خاک حوضه باید از ضرایب مختلف بهره برد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Verification of Rational Method in Predicting Maximum Runoff using Radar Data (Case Study: Ramiyan Basin)

نویسندگان [English]

  • Parviz Panjekoobi 1
  • Seyed Abolfazl Masoodian 2
  • Abdolazim Ghangherme 3
1 PhD Candidate, Department of Physical Geography, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Professor, Department of Physical Geography, University of Isfahan, Isfahan, Iran
3 Assistant Professor, Department of Geography, University of Golestan, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Forecasting maximum discharge of the basin requires accurate information on the amount, severity and distribution of precipitation. For prediction of maximum runoff of a basin using relationship of
Q = 0.278 CiA, the rainfall intensity in the whole basin is considered constant. The amount of precipitation in different parts of a basin is obtained through interpolation methods. This method is known as duration-area. Because rainfall is a very variable parameter, probability of an unpredictable estimate of precipitation is high. In this study, using the radar data, the amount and severity of rainfall over the basin were obtained. (intensity-duration-area method). Basin concentration time lines were prepared in G.I.S. Software. Coordinates of environment and area of the curves were defined for radar and its implementation program was written in radar software. Then amount and severity of precipitation were estimated by the radar. Because volume was directly used, the relationship changed. The maximum runoff was simulated and compared with observation runoff. Maximum runoff was high in severe rainfall. If soils of basin were already wet, maximum runoff was high. Conditions were different in low rainfall. If the severity of the rainfall was low and then increased, the amount of runoff was more than expected. If the intensity was high and then decreased, the amount of runoff was lower. This was the result of the spatial and temporal dispersion of precipitation in maximum runoff. Time delay between maximum runoff and simulation in severe rainfall was short. And time lag in ordinary and low rainfall was long. Using a constant runoff coefficient does not estimate maximum runoff value accurately. Due to the characteristics of rainfall (intensity, amount, duration, spatial and temporal distribution) and soil moisture characteristics of the soil, various coefficients should be used.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Simulation
  • rational relationship
  • runoff
  • Radar and Ramiyan Basin

مقدمه

بارش از متغیرهای کلیدی چرخة آب است؛ از این رو اثر زیادی بر سامانه‌های رودخانه‌ای و ساخته‌شده دارد. برای مدیریت اجرایی آب و تنظیم و شناخت بهتر چرخة آب، دیدبانی متغیرهای آب‌شناختی اهمیت بسیاری دارد (Martins et al., 2013: 84). تغییرات بارندگی در مقیاس زمانی و مکانی زیاد است. ارائة اطلاعات دقیق و مناسب دربارة خشکسالی و سیل، مدیریت محصولات کشاورزی، پیش‌بینی هوا، مدیریت سدها، تشخیص و ارزیابی رخداد حداکثر بارش و همچنین مدیریت کاربردی دیگر منابع آب، همگی به اطلاع از مقدار بارش واقعی نیاز دارد. پژوهش‌های آب‌شناسی و علوم کاربردی به برآورد مطمئن و درست بارش و پیش‌بینی‌ها با درجة تفکیک زیاد نیاز دارد (Berne And Krajewski, 2013: 357).

تغییرات شدید در شدت، مدت و توزیع فضایی، جزو ذات بارش‌های رگباری ناشی از سلول‌های همرفتی است؛ بنابراین سنجش ناحیه‌ای و دقیق آنها با شبکة باران‌سنجی مشکل است؛ زیرا سنجش باران‌سنج، سنجشی نقطه‌ای است و ممکن نیست متوسط بارش را در سطح نمایش دهد (Zhu et al., 2014: 270). شرایط تشکیل و بزرگی سیل در هر مکانی یکسان نیست. یکی از راهکارهای مهم برای پیش‌بینی زمان رخداد سیل، برآورد درست و بهنگام بارش است که این نخستین مشکل درزمینة پیش‌بینی سیل محسوب می‌شود؛ به بیان دیگر مشخص‌کردن اطلاعات پراکنش زمانی و مکانی بارش در سطح حوضة آبریز کار مشکلی است. باران‌سنج‌ها هم که مقدار واقعی بارش را اندازه‌گیری می‌کنند، ممکن است به دلیل خیس‌شدن بدنه، پراکندگی نامنظم، موقعیت جغرافیایی، تغییرات باد و دیگر دلایل مکانیکی، خطای جالب توجهی داشته باشند (Yilmaz et al., 2005: 498)؛ بنابراین توزیع نامناسب باران‌سنج‌ها، برآورد درست بارش را ناممکن می‌کند و اندازه‌های بارش در مکان‌های گوناگون اشتباه برآورد می‌شود. با افزایش شمارگان باران‌سنج‌ها این مشکل برطرف خواهد شد؛ ولی این کار بسیار پرهزینه‌ است (Seed et al., 2002: 37).

رادار، ابزار توانمندی برای تولید داده‌های بارشی ارزشمند و با درجة تفکیک زمانی و مکانی مناسب است. رادار هواشناسی، برآوردی ناحیه‌ای از بارش در زمان واقعی ارائه می‌دهد که ایستگاه‌های باران‌سنجی امکان انجام آن را ندارند. این امر فرصتی مناسب برای توسعه و پیشرفت پیش‌بینی‌های جدید است و بهبود تکنیک‌های جدید پیش‌بینی کاربردی را فراهم می‌سازد (Cranston And Black, 2006: 51). رادار شبیه‌سازی رواناب را با استفاده از نرم‌افزار بهبود می‌بخشد (Nicholas Kouwen, 1998: 74).

رواناب به‌مثابة یکی از مؤلفه‌های بیلان آب حوضه اهمیت زیادی در آبخیزداری و مدیریت منابع آب دارد. بحث رواناب و رابطة بارندگی - رواناب، از مهم‌ترین و درواقع اساسی‌ترین موضوعات در هیدرولوژی آب‌های سطحی است. به‌طور کلی رواناب سطحی فوری درنتیجة ترکیب بارش شدید با زمین شیب‌دار یا خاک اشباع‌شده پدید می‌آید. دربارة پیش‌بینی سیل، مشخص‌کردن اطلاعات توزیع زمانی و مکانی بارش در سطح حوضة آبریز بسیار مهم است (Liechti te al., 2013: 3853). پیش‌بینی و تعیین میزان کمّی فرایندهای تولید رواناب و انتقال آن به نقطة خروجی حوضة آبریز اهمیت خاصی دارد. ویژگی‌های حوضة آبریز در ارتباط با ویژگی طوفان، نقش تعیین‌کننده‌ای در قابلیت تولید رواناب زیاد سیل دارد (Hernan et al., 2013: 1095) و در زمانی که خاک اشباع از آب باشد، تغییرات بارش حرکات سیل را کنترل می‌کند (Anquetin et al., 2010: 146). بیشینة جریان شبیه‌سازی به شدت و اندازة حوضه بستگی دارد و عدم اطمینان در شبیه‌سازی رواناب با افزایش اندازة حوضه به‌سرعت کاهش می‌یابد (Cunha et al., 2012: 1). عموماً در حوضه‌های بزرگ، توزیع مکانی بارندگی یکسان نیست و ممکن است بخشی از حوضه، بارش بیشتر و بخش دیگر، کمتر از میانگین داشته باشد؛ این امر رواناب سطحی را با استفاده از فرمول‌های تجربی با خطا همراه خواهد کرد.

سیل‌های یک منطقه با استفاده از روش‌های گوناگون پیش‌بینی می‌شود. برای پیش‌بینی ویژگی سیل یک مکان مشخص، بهتر است تعدادی از سیل‌های رخ‌داده در آن منطقه را اندازه‌گیری و ثبت کرد تا با تجزیه و تحلیل داده‌های آنها، وضعیت سیل‌هایی پیش‌بینی شود که در آینده رخ خواهد داد (علیزاده، 1391: 856).

 

پیشینة پژوهش

پژوهش جیانونی و همکاران[1] (2003) در حوضة آبریز رودخانة راپیدین[2] نشان داد ساختار طوفان و حرکت آن نقش مهمی در شناسایی توزیع زمانی بارش دارد که این عامل اولیه در شناسایی واکنش سیل‌های شدید بود.

اوریم و همکاران[3] (2009) با استفاده از رادار هواشناسی، بارش‌های سنگین هلند را بررسی کردند و منحنی شدت – مدت - فراوانی را به دست آوردند. بارش‌های رادار و تغییرات آن استخراج و با داده‌های بارش زمینی مقایسه شد. نتایج نشان داد با وجود زیادبودن خطاها برای دوره‌های طولانی‌مدت، داده‌های رادار برای استخراج منحنی‌های (شدت – مدت - فراوانی) مناسب بودند.

پارک و هر[4] (2012) با استفاده از پیش‌پردازش داده‌های رادار، روش کالیبراسیون اتوماتیک را برای شرایط رطوبت اولیه پیشنهاد کردند که بر تخلیة حوضه تأثیر دارد.

هرنان و همکاران[5] (2013) در واکاوی یازده حوضة کوهستانی منطقة کلرادو[6] در دو طوفان فصل گرم به این نتیجه رسیدند که بارش و ویژگی‌های حوضه‌ها، الگوهای پیش‌بینی سیل را در حوضه‌هایی با اندازه‌های مختلف تعیین می‌کنند و مهارت پیش‌بینی سیل و زمان پیش‌بینی سیل به ارتباط بین ویژگی‌های حوضه و بارش بستگی دارد.

پانزیرا و همکاران[7] (2016) آستانة مجموع بارش را با استفاده از 10 سال داده‌های رادار برای تهیة سیستم هشدار سریع در دامنه‌های آلپی سوئیس ارائه کردند. نتایج آنها نشان داد مقادیر آستانه‌ها با دورة زمانی و مناطق مختلف متفاوت است. درنهایت با استفاده از داده‌های رادار، سیستم هشدار سریع برای استفادة کاربران زیادی تهیه شد. پیش از آنکه مقدار مجموع بارش به مقدار آستانه برسد، سطح هشدار مشخص و صادر خواهد شد.

موسوی و همکاران (1378) در برآورد ضریب رواناب برای حوضه‌های دریای مازندران به این نکته اشاره داشتند که مقادیر ضرایب رواناب به‌دست‌آمده از روش استدلالی - احتمالی، کمتر از روش‌های تجربی چاو و همکاران[8] (1988) و مقادیر به‌دست‌آمده در دبی بیشینه از روش استدلالی- احتمالی، در عملکرد بهتر از روش چاو و همکاران بوده است.

نشاط و صدقی (1385) در برآورد میزان رواناب با استفاده از روش سازمان حفاظت خاک SCS[9] و HSC-HMS در حوضة باغ‌ملک استان خوزستان به این نتیجه رسیدند که به دلیل بروز شرایط مختلف در زمان وقوع هر سیلاب به‌ویژه شرایط شدت بارش، روش SCS توان تحلیل را نداشته است. همچنین مشخص شد تشکیل رواناب واقعی تا حدودی با روند محاسباتی روش SCS تفاوت داشته است.

نتایج پژوهش میرزایی و رئوف (1393) در بررسی زمان تمرکز نشان داد استفاده از فراسنج‌های بیشتر در محاسبة زمان تمرکز نتایج مطلوب‌تری به دنبال داشته است.

 

اهداف پژوهش

این پژوهش به کمک داده‌های پوششی رادار که گام زمانی 15دقیقه‌ای دارد و حجم و شدت بارش، متوسط و مجموع رواناب را برای منحنی‌های همزمان تمرکز محاسبه می‌کند، بیشینة رواناب حوضه را به دست می‌آورد و با مقایسة آن با دبی مشاهداتی حوضه به‌دنبال اهداف زیر است:

الف- تعیین زمان و مکان دقیق بارش در حوضة آبریز و در مناطقی که تعداد ایستگاه‌های زمینی کم است یا وجود ندارد؛

ب- آگاهی از شدت بارش، مجموع بارش و چگونگی پراکنش بارش به‌ویژه در بخش‌هایی از حوضة آبریز که امکان سنجش آن با شبکة باران‌سنجی فراهم نیست و ارائة مدل مناسب برای پیش‌بینی سیل احتمالی؛

ج- به‌دست‌آوردن ضریب رواناب بهینه با استفاده از داده‌های رادار و مقدار رواناب مشاهداتی در حوضة آبریز؛

د- تعیین ارتباط بین شدت و مدت‌زمان بارش با مقدار رواناب حاصل‌شده در حوضة آبریز.

 

روش‌شناسی پژوهش

داده‌های پژوهش

داده‌های استفاده‌شده در این پژوهش عبارت‌اند از:

1. داده‌های بارش ایستگاه‌های زمینی داخل حوضه یا پیرامون آن که از ادارة کل هواشناسی استان گلستان (بخش آمار) دریافت شد.

2. داده‌های رادار هواشناسی که از ادارة کل هواشناسی استان گلستان و مازندران (ادارة رادار) دریافت شد.

3. داده‌های دبی و رواناب حوضة آبریز رامیان که از واحد مطالعات آب سطحی ادارة کل امور آب استان گلستان دریافت شد. داده‌های دبی بین سال‌های 1390 تا 1396 و مواقعی که دبی رودخانه به دلیل بارش افزایش خوبی داشت و داده‌های راداری آن نیز برای این پژوهش در نظر گرفته شد. با این توضیح 12 بارش انتخاب شد.

 

روش پژوهش

مقدار بیشینة رواناب به روش استدلالی از رابطة (1) به دست می‌آید (علیزاده، 1391: 588).

(1)

 

در این رابطه، Q بیشینة رواناب برحسب مترمکعب بر ثانیه، C ضریب رواناب، i شدت بارش برحسب میلی‌متر بر ساعت و A مساحت حوضه برحسب کیلومترمربع است. ضریب 278/0 در این رابطه برای تبدیل واحد به کار گرفته شده است؛ زیرا دبی برحسب مترمکعب بر ثانیه است؛ در حالی ‌که در سمت راست این رابطه شدت بارش برحسب میلی‌متر بر ساعت و مساحت نیز برحسب کیلومترمربع است. این ضریب برای تبدیل مقیاس استفاده شده است. در سیستم متریک سطح برحسب مترمربع و زمان برحسب ثانیه است؛ بنابراین در تبدیل واحدها به سیستم متریک داریم: ، و نتیجة جاگذاری واحدها به شکل رابطة (2) خواهد بود.

(2)

 

(حجم بارش= شدت بارش × مساحت)، و چون در این پژوهش به کمک داده‌های پوششی رادار و به‌طور مستقیم از حجم بارش استفاده شد، به تبدیل مقیاس نیازی نبود و ضریب 278/0 از رابطة استدلالی حذف شد. مقیاس زمانی استفاده‌شده برای گام 30 دقیقه برآورد شده بود. درواقع این حجم بارش برآوردی رادار در مدت 30 دقیقه (1800 ثانیه) ایجاد رواناب کرده بود. برای برآورد رواناب برحسب مترمکعب بر ثانیه از رابطة (3) استفاده شد.

(3)

 

با به‌کارگیری حجم بارش برآوردی رادار با گام زمانی 30 دقیقه در رابطة (1)، این رابطه به‌صورت رابطة (4) نوشته شد.

(4)

 

در ادامة کار فایل محیط (پلیگون) حوضة رامیان در نرم‌افزار G.I.S (ساج) فراخوانی شد؛ محیط و مساحت حوضه به دست آمد و نقشة رقومی ارتفاع حوضه (DEM) نیز استخراج شد. سپس با استفاده از نقشة رقومی ارتفاع، شیب حوضه و شبکة رودخانة حوضه و همچنین طول رودخانة اصلی حوضه نیز محاسبه و استخراج شد؛ بنابراین با داشتن طول رودخانة اصلی و شیب متوسط آن و با استفاده از فرمول کرپیچ  زمان تمرکز حوضه محاسبه شد (علیزاده، 1391: 526). در آن ، زمان تمرکز حوضه و L، طول رودخانة اصلی و H، اختلاف بین بیشترین و کمترین ارتفاع است. زمان تمرکز حوضه برابر با 71/2 ساعت یا 163 دقیقه به دست آمد.

برای افزایش دقت کار، تصمیم بر آن شد منحنی‌های همزمان تمرکز 30 دقیقه محاسبه شود؛ بنابراین در نخستین گام زمانی، زمان تمرکز
21/2=5/0 – 71/2 به دست آمد. در مرحلة دوم با داشتن زمان تمرکز جدید و شیب حوضه، طول رودخانة اصلی برمبنای زمان تمرکز جدید به دست آمد و اختلاف آن با طول اولیة رودخانه، فاصلة مکانی زمان تمرکز 30 دقیقة حوضه را تا خروجی مشخص کرد. سپس مساحت بالادست نقطة‌ جدید محاسبه و از مساحت اولیة حوضه جدا شد. درواقع اختلاف مساحت به‌دست‌آمده به سمت خروجی زمان تمرکز 30 دقیقه دارد. با همین روش فایل (پلیگون) همزمان، تمرکز حوضة رامیان با گام زمانی 30 دقیقه تا دورترین فاصله نسبت به خروجی به دست آمد و حوضه به شش قسمت تبدیل شد (شکل 1 الف).

مختصات نقاط پیرامون هر قسمت از محدودة همزمان تمرکز در سیستم مختصات جغرافیایی به‌صورت طول و عرض جغرافیایی با دقت زیاد با استفاده از G.I.S به دست آمد. مختصات یادشده به‌صورت برنامة اجرایی برای نرم‌افزار رادار نوشته شد (شکل 2). پس از اجرای این برنامه در محیط نرم‌افزار رادار و با استفاده از داده‌های خام رادار، مجموع بارش، میانگین بارش، میانگین رواناب و حجم کل رواناب برای گام زمانی 30 دقیقه، برای هریک از قسمت‌های همزمان تمرکز، از ابتدا تا پایان هر بارش به دست آمد (شکل 1 ب).

 

 

شکل 1. الف: همزمان تمرکز حوضة رامیان با گام زمانی 30 دقیقه؛ ب: یک نمونه محاسبة بارش رادار بر فراز حوضه
(8 خرداد 93)؛ (منبع: نویسندگان، 1398)

شکل 2. نمونة فایل اجرایی در نرم‌افزار رادار برای مشخص‌کردن پیرامون حوضه

(منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

در روش استدلالی که با عنوان روش مدت – مساحت شناخته می‌شود، برای برآورد بیشینة رواناب، شدت بارش برای کل حوضه یکسان فرض می‌شود. درواقع توزیع فضایی و مکانی، شدت و مدت بارش متغیر است. در این پژوهش از داده‌های پوششی رادار با درجة تفکیک مکانی (رزولوشن) 500 متر و گام زمانی 15 دقیقه استفاده شد که در مقایسه با روش مدت - مساحت دقت زیادی داشت. در این روش، رادار متوسط بارش 15دقیقه‌ای را برای هریک از بخش‌های همزمان تمرکز حوضه محاسبه کرد و سپس با جمع مقدار بارش در دو گام 15دقیقه‌ای متوالی، مجموع بارش در گام زمانی 30 دقیقه به دست آمد. دقت این روش نسبت به روش مدت - مساحت بسیار بیشتر است و این در بارش‌های همرفتی که تغییرات زیادی دارند، بسیار مهم است. می‌توان از آن با عنوان شدت – مدت - مساحت نام برد. با شروع بارش پس از 30 دقیقه، فقط بارش در بخش همزمان تمرکز، 30 دقیقه در ایجاد رواناب دخالت دارد و بارش سایر بخش‌ها هنوز به خروجی حوضه نرسیده است. پس از 60 دقیقه، علاوه بر بارش منحنی همزمان تمرکز 30 دقیقة دوم که در قسمت اول باریده است، بارشی که در زمان 30 دقیقة اول در بخش دوم همزمان تمرکز 60 دقیقه باریده است نیز، از خروجی حوضه عبور خواهد کرد و در ایجاد رواناب نقش خواهد داشت؛ بنابراین بیشینة رواناب برای گام‌های زمانی 30دقیقه‌ای متوالی از روابط زیر به دست خواهد آمد (رابطة 5 تا 8):

(5)

    و  

(6)

 

(7)

 

(8)

 

 

مقدار ضریب رواناب با توجه به مقدار و نوع پوشش گیاهی و مقدار متوسط شیب حوضه در بخش‌های مختلف آن به روش زیر محاسبه شد (مقدار متوسط ضریب رواناب در حوضه‌های مختلف مطابق با جدول (1) در نظر گرفته می‌شود):


جدول 1. ضریب رواناب در حوضه‌های مختلف (علیزاده، 1391: 581)

نوع پوشش سطح حوضه

 

شیب زمین برحسب درصد

5 - 0

10 - 5

30 10

اراضی مرتعی

خاک شنی لومی

1/0

16/0

22/0

خاک رسی لومی

3/0

36/0

42/0

خاک رسی سنگین

4/0

55/0

60/0

اراضی جنگلی

خاک شنی لومی

1/0

25/0

3/0

خاک رسی لومی

3/0

35/0

5/0

خاک رسی سنگین

4/0

50/0

6/0

اراضی کشاورزی

خاک شنی لومی

3/0

4/0

52/0

خاک رسی لومی

5/0

6/0

72/0

خاک رسی سنگین

6/0

7/0

82/0

اراضی شهری

30% آسفالت

4/0

5/0

 

50% آسفالت

55/0

65/0

 

70% آسفالت

65/0

80/0

 

 

شکل 3. نقشة کاربری اراضی حوضة رامیان

 

 

از نقشة کاربری اراضی حوضه (شکل 3) مشخص شد 17/10 درصد مساحت حوضه اراضی کشاورزی، 6/2 درصد آن مرتع، 1/87 درصد آن پوشش جنگلی و 13/0 درصد نیز مسکونی بوده است. با درنظرگرفتن دامنة شیب حوضه در بخش‌های مختلف و با توجه به نوع خاک حوضه که جزو گروه خاک‌های سبک محسوب می‌شود، مقدار تقریبی ضریب رواناب به روش میانگین وزنی به‌صورت زیر محاسبه شد (رابطة 9):

(9)

 

این ضریب به‌مثابة پیش‌فرض در رابطة استدلالی (رابطة 4) به کار گرفته شد. با استفاده از داده‌های پوششی رادار برای مساحت‌های همزمان تمرکز 30دقیقه‌ای، مقدار بیشینة رواناب حوضه برای بارش‌های مختلف به دست آمد و با دبی بیشینة مشاهداتی مقایسه شد. در این پژوهش حجم بارش منحنی‌های همزمان تمرکز با استفاده از داده‌های پوششی رادار برآورد و در رابطة (4) جایگزین شد؛ بنابراین در موارد اختلاف مقدار بیشینة رواناب شبیه‌سازی با بیشینة دبی واقعی، می‌بایست ضریب رواناب حوضه تغییر می‌یافت تا رواناب بیشینة شبیه‌سازی با دبی برابر می‌شد. این کار با تغییر ضریب رواناب به روش آزمون و خطا انجام و مقدار بیشینة رواناب با دبی برابر شد.

 

محدودة پژوهش

این پژوهش در حوضة رامیان از زیرحوضه‌های گرگان‌رود انجام شد. مساحت این حوضه
245 کیلومترمربع و محیط آن 3/80 کیلومترمربع است. طول رودخانة اصلی آن 8/31 کیلومترمربع، بیشترین ارتفاع رودخانة اصلی آن 2283 کیلومترمربع، کمترین ارتفاع آن 199 متر و شیب متوسط رودخانة اصلی آن 6/6درصد است (شکل 4). زمان تمرکز حوضه به سه روش کالیفرنیا، کرپیچ و چاو به ترتیب برابر با 69/2، 73/2 و 53/2 ساعت و ضریب فشردگی آن 44/1 است.

 

 

شکل 4. موقعیت جغرافیایی حوضة رامیان

 

 

یافته‌های پژوهش

در این پژوهش 12 بارش بین سال‌های 1390 تا 1396 واکاوی شد؛ بارش‌هایی که در حوضة رامیان موجب افزایش رواناب شد و داده‌های رادار آنها نیز دردسترس بود. به ترتیب تاریخ رخداد، نخست 5 بارش شدید با دبی بیشینة بیش از 100 مترمکعب بر ثانیه و سپس سایر بارش‌ها با دبی بیشینة کمتر از 100 مترمکعب بر ثانیه واکاوی شدند. در این بارش‌ها بیشینة رواناب از رابطة استدلالی تغییریافته (رابطة 4) به دست آمد. حجم کل بارش برآوردی رادار از ابتدا تا پایان هر بارش به دست آمد. از تقسیم حجم بارش بر سطح حوضه، ارتفاع بارش برآوردی رادار نیز محاسبه شد.

 

بارش 26 تیرماه 1391 (16 جون 2012)

بارش 26 تیرماه 1391، یک بارش همرفتی تابستانه بود که با شروع ناگهانی موجب افزایش چشمگیر حجم بارش بر فراز حوضه شد؛ به‌طوری‌ که حجم بارش برآوردی رادار به حدود دو میلیون مترمکعب بر ساعت رسید. دبی رودخانه بیش از 131 مترمکعب بر ثانیه شد. شبیه‌سازی بیشینة رواناب حوضه با استفاده از داده‌های رادار در رابطة استدلالی بیش از دبی واقعی بود (شکل 5 الف). با جایگزینی ضریب رواناب 215/0 در رابطة استدلالی، مقدار رواناب شبیه‌سازی با دبی واقعی برابر شد (شکل 5 ب). ارتفاع بارش برآوردی رادار برای دو ساعت اول حدود یک میلی‌متر (246000 مترمکعب) بود؛ در حالی ‌که هیچ افزایش در دبی دیده نشد و این مقدار بارش صرف برگاب و افزایش رطوبت سطح خاک حوضه شد. با تداوم بارش به‌تدریج افزایش رواناب رخ داد. رادار حجم کل این بارش را 7810976 مترمکعب در مدت ده ساعت برآورد کرد. مجموع ارتفاع بارش برآوردی حوضه 9/31 میلی‌متر بود. بخش زیادی از این بارش در مدت چهار ساعت رخ داد که موجب افزایش دبی حوضه شد. پس از ساعت 21:30 رواناب شبیه‌سازی بیش از دبی واقعی دیده شد. واکاوی داده‌های پوششی رادار نشان داد پراکنش بارش در سرتاسر حوضه تقریباً یکنواخت و بنابراین شدت بارش کم بوده است (حدود 1/3 میلی‌متر بر ساعت) و باعث برآورد بیشتر رواناب شبیه‌سازی از دبی واقعی شد. تأخیر زمانی بین بیشینة رواناب شبیه‌سازی‌شدة رادار و بیشینة دبی مشاهداتی برای این بارش 90 دقیقه بود.

 

 

شکل 5. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
26 تیرماه 1391 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

بارش 30 تیرماه 1391 (20 جون 2012)

بارش 30 تیرماه 1391 نیز یک بارش همرفتی تابستانه بود که به‌طور ناگهانی شروع شد و مقدار حجم بارش برآوردی آن بر فراز حوضه به یک‌باره افزایش چشمگیری یافت. مقدار بیشینة حجم آب برآوردی رادار یک میلیون و 600 هزار مترمکعب بر ساعت بود که موجب ایجاد رواناب 211 مترمکعب بر ثانیه شد (شکل 6). رادار ارتفاع بارش برآوردی را در دو ساعت اول حدود 7/0 میلی‌متر (176000 مترمکعب) نشان داد که در این مدت هیچ افزایشی در دبی رخ نداد و این مقدار بارش درنتیجة برگاب و افزایش رطوبت خاک حوضه از چرخة تشکیل رواناب خارج شد. رادار کل حجم این بارش را 4057765 مترمکعب برآورد کرد که در مدت شش ساعت رخ داد. ارتفاع بارش برآوردی رادار بر فراز حوضه 6/16 میلی‌متر بود و چون در مدت کوتاهی رخ داد، به تشکیل رواناب زیادی منجر شد.

یک دلیل دیگر افزایش چشمگیر دبی این بارش، وضعیت رطوبتی خاک حوضه بود؛ چون در چهار روز پیش (26 تیرماه) بارش شدیدی در حوضه رخ داده بود؛ بنابراین سطح خاک حوضه مرطوب بود و با دریافت مقدار کمتری بارش به اشباع رسید. درنتیجه مقدار بیشینة رواناب ایجادشده بیش از حد انتظار بود (درقیاس با بارش سیل 26 تیرماه 1391).

شبیه‌سازی مقدار رواناب با استفاده از داده‌های پوششی رادار، مقدار بیشینة رواناب را کمتر از دبی واقعی نشان داد. با جایگزینی ضریب رواناب 45/0 در رابطة استدلالی، مقدار بیشینة رواناب با مقدار دبی مشاهداتی برابر شد. فاصلة زمانی بین بیشینة رواناب شبیه‌سازی‌شده و دبی مشاهداتی، 60 دقیقه بود.

 

 

شکل 6. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
30 تیرماه 1391 (منبع: نویسندگان، 1398)

 


بارش 8 خردادماه 1393 (25 می 2014)

بارش 8 خردادماه 1393، یک بارش همرفتی بسیار شدید بود که موجب افزایش بسیار زیاد رواناب حوضه شد. دبی بیشینة مشاهداتی حوضه 367 مترمکعب بر ثانیه بود. علاوه بر شدت، مدت‌زمان بارش نیز بیش از پنج ساعت بود. مقدار بیشینة بارش برآوردی رادار نزدیک به هفت میلیون مترمکعب بر ساعت بود. شدت بیشینة بارش حوضه حدود 28 میلی‌متر بر ساعت برآورد شد (شکل 7 الف). البته واکاوی جزئیات داده‌های پوششی رادار برای منحنی همزمان تمرکز 30 دقیقه و 90 دقیقه، بیشینة شدت بارش را به ترتیب 71 و 44 میلی‌متر بر ساعت نشان داد. مجموع حجم بارش برآوردی رادار در این مدت 26803756 مترمکعب شد. ارتفاع بارش برآوردی رادار بر فراز حوضه بیش از 109 میلی‌متر بود. در شبیه‌سازی بیشینة رواناب به کمک داده‌های پوششی رادار در رابطة استدلالی، مقدار بیشینة رواناب بیش از دبی واقعی بود؛ بنابراین با جایگزینی ضریب 18/0 در رابطة استدلالی، بیشینة رواناب شبیه‌سازی سیل برابر با بیشینة دبی مشاهداتی شد (شکل 7 ب). بیشینة رواناب برآوردی حوضه با بیشینة دبی مشاهداتی همزمان بود و تأخیر زمانی نداشت.

 

 

شکل 7. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
8 خردادماه 1393 (منبع: نویسندگان، 1398)


بارش 29 فروردین‌ماه 1395 (17 آوریل 2016)

بارش 29 فروردین‌ماه 1395، یک بارش شدید بهاری بود که 24 ساعت ادامه داشت. رادار مجموع بارش را در این مدت 11681827 مترمکعب برآورد کرد که ارتفاع بارش حوضه، 7/47 میلی‌متر بود. نکتة جالب این بارش این بود که با شدت کمتری شروع شد و شدت آن با گذشت زمان افزایش یافت. در دو ساعت اول بارش با وجود اینکه رادار ارتفاع بارش را 3/2 میلی‌متر (570000 مترمکعب) برآورد کرد، ولی افزایش دبی بسیار ناچیز بود. این مقدار بارش صرف برگاب و مرطوب‌کردن حوضه شد. شدت کمتر بارش در ساعات اولیه موجب مرطوب‌شدن و اشباع خاک حوضه شد و رواناب به‌تدریج افزایش یافت. پس از گذشت چهارده ساعت از آغاز بارش، شدت آن افزایش چشمگیری یافت و مقدار بیشینة حجم بارش به حدود یک میلیون و 600 هزار مترمکعب در ساعت رسید. بیشینة دبی مشاهداتی سیل به 185 مترمکعب بر ثانیه رسید (شکل 8 الف)؛ بنابراین در قیاس با بارش 26 تیرماه که با مقدار دو میلیون مترمکعب بر ثانیه فقط 131 مترمکعب بر ثانیه دبی بیشینه داشت، مقدار رواناب بیشینة این سیل بیشتر بود. این افزایش بیشینة رواناب تأثیر رطوبت پیشین خاک حوضه را در ایجاد رواناب نشان داد؛ زیرا پیش از اینکه بیشینة شدت بارش رخ دهد، به دلیل تداوم بارش، خاک حوضه کاملاً مرطوب و اشباع شده بود و درصد زیادی از افزایش بارش به رواناب تبدیل شد. شبیه‌سازی بیشینۀ رواناب به کمک داده‌های پوششی رادار در رابطۀ استدلالی، بیشینۀ رواناب را 117 مترمکعب بر ثانیه نشان داد که کمتر از دبی واقعی بود؛ بنابراین با جایگزینی ضریب 39/0 در رابطة استدلالی، مقدار بیشینة رواناب شبیه‌سازی با مقدار بیشینة دبی برابر شد
(شکل 8 ب). بیشینة دبی مشاهداتی 60 دقیقه پس از مقدار بیشینة شبیه‌سازی رخ داد.

 

 

شکل 8. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
29 فروردین‌ماه 1395 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

بارش 20 مردادماه 1396 (11 آگوست 2017)

بارش 20 مردادماه 1396، یک بارش همرفتی تابستانه بود که موجب افزایش دبی حوضه به مقدار 250 مترمکعب بر ثانیه شد. رادار مجموع بارش را در مدت پنج ساعت، 11245458 مترمکعب برآورد کرد و ارتفاع بارش برآوردی رادار برای حوضه، 9/45 میلی‌متر بود. مقدار بیشینة بارش برآوردی رادار حدود چهار میلیون مترمکعب بر ساعت (5/16 میلی‌متر بر ساعت) بود (شکل 9 الف). بیشینة شدت بارش در منحنی همزمان تمرکز، 120 دقیقه و به مقدار
21 میلی‌متر بر ساعت برآورد شد.

در دو ساعت آغازین بارش، با وجود اینکه رادار به‌طور متوسط 1/5 میلی‌متر (1250000 مترمکعب) بارش را بر فراز حوضه برآورد کرد، تغییراتی در دبی واقعی دیده نشد. این بارش درنتیجة برگاب و مرطوب‌کردن خاک خشک حوضه از چرخة تولید رواناب خارج شد. رادار شبیه‌سازی بیشینة رواناب را با رابطة استدلالی بیش از دبی واقعی نشان داد؛ بنابراین با جایگزینی ضریب 213/0 در رابطة استدلالی، مقدار بیشینة رواناب شبیه‌سازی با بیشینة دبی مشاهداتی برابر شد (شکل 9 ب). بیشینة رواناب شبیه‌سازی با استفاده از داده‌های پوششی رادار با بیشینة دبی مشاهداتی همزمان بود.

 

 

شکل 9. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
20 مردادماه 1396 (منبع: نویسندگان، 1398)

 


بارش 25 اسفندماه 1390 (13 مارس 2013)

بارش 25 اسفندماه 1390، بارشی شدید بود. بیشینة مقدار حجم بارش برآوردی رادار 400 هزار مترمکعب بر ساعت بود که موجب افزایش در مقدار دبی حوضه تا 9 مترمکعب بر ثانیه شد. در شبیه‌سازی بیشینة رواناب با استفاده از داده‌های پوششی رادار، مقدار بیشینة رواناب بیش از مقدار دبی واقعی به دست آمد (شکل 10 الف)؛ بنابراین با جایگزینی ضریب رواناب 085/0 در رابطة استدلالی، مقدار رواناب شبیه‌سازی با دبی واقعی حوضه برابر شد (شکل 10 ب). رادار مقدار کل حجم این بارش را 1196207 مترمکعب در مدت چهارده ساعت برآورد کرد. ارتفاع بارش برآوردی رادار در این مدت
9/4 میلی‌متر بود. افزایش دبی رودخانه به دلیل افزایش شدت بارش بود و به مقدار 400 هزار مترمکعب بر ساعت رسید. دبی بیشینة مشاهداتی حدود 150 دقیقه پس از بیشینة رواناب شبیه‌سازی رخ داد.

 

 

شکل 10. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
25 اسفندماه 1390 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

بارش 31 تیرماه 1391 (21 جون 2012)

بارش 31 تیرماه 1391، یک بارش شدید تابستانه بود. رادار، بیشینة حجم بارش برآوردی این بارش را حدود 600 هزار مترمکعب بر ساعت برآورد کرد. رادار مجموع حجم این بارش را 1607927 مترمکعب برآورد کرد که در مدت پنج ساعت رخ داد. در دو ساعت اول بارش، رادار ارتفاع بارش را 84/0 میلی‌متر (207000 مترمکعب) برآورد کرد، ولی اثر افزایشی بر دبی نداشت. البته چون روز قبل در حوضه بارش شدید رخ داده بود، انتظار بر این بود که خاک حوضه مرطوب باشد. اتلاف بارش بیشتر به دلیل برگاب بود. بیشینة دبی این بارش 13 مترمکعب بر ثانیه بود. در شبیه‌سازی بیشینة رواناب با داده‌های پوششی رادار، مقدار بیشینة رواناب بیش از دبی مشاهداتی بود (شکل 11 الف). با جایگزینی ضریب 075/0 در رابطة استدلالی، بیشینة رواناب شبیه‌سازی با دبی مشاهداتی برابر شد (شکل 11 ب). زمان رخداد بیشینة دبی مشاهداتی 30 دقیقه با بیشینة رواناب شبیه‌سازی اختلاف داشت.

 

 

شکل 11. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
31 تیرماه 1391 (منبع: نویسندگان، 1398)

 


بارش 3 مهرماه 1391 (24 سپتامبر 2012)

بارش 3 مهرماه 1391با شدت نسبتاً خوبی آغاز شد. بیشینة حجم بارش برآوردی رادار حدود 400 هزار مترمکعب بر ساعت بود. حجم کل بارش برآوردی رادار برای این بارش، 1706180 مترمکعب بود که در مدت 10 ساعت برآورد شد. دبی مشاهداتی آن در مقایسه با حجم بارش برآوردی رادار کم بود (شکل 12 الف). در دو ساعت اول بارش، رادار مجموع بارش را 03/3 میلی‌متر برآورد کرد؛ ولی افزایش دبی بسیار ناچیز بود. این اختلاف در افزایش رواناب به دلیل وجود برگاب و خاک نسبتاً خشک حوضه در این موقع از سال بود. واکاوی داده‌های ایستگاههای باران‌سنجی پیرامون حوضه نشان داد از زمان آخرین بارش بیش از 10 روز گذشته بود. از تاریخ 12 تا 23 شهریورماه 1391 به‌طور متوسط و به‌تناوب بین 20 تا 30 میلی‌متر بارش ثبت شده بود؛ در حالی ‌که مجموع تبخیر ده‌روزة سه ایستگاه هواشناسی علی‌آباد، گنبد کاووس و کلاله به ترتیب 42، 54 و 62 میلی‌متر بود؛ بنابراین خاک حوضه خشک بود و با این حجم بارش به زمان زیادی نیاز داشت تا به اشباع برسد و ایجاد رواناب کند؛ به همین دلیل اندک رواناب ایجادشده با تأخیر 150دقیقه‌ای نسبت به رواناب شبیه‌سازی از خروجی حوضه عبور کرد. درنتیجه باید انتظار داشت ضریب رواناب کوچک باشد. در شبیه‌سازی، بیشینة رواناب با دبی واقعی اختلاف زیادی داشت و بسیار بیشتر از مقدار واقعی بود که با جایگزینی ضریب 03/0 در رابطة استدلالی، مقدار رواناب شبیه‌سازی با دبی برابر شد (شکل 12 ب).

 

 

شکل 12. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
3 مهرماه 1391 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

بارش 5 اردیبهشت‌ماه 1392 (25 آوریل 2013)

بارش 5 اردیبهشت‌ماه 1392 با شدت خوبی آغاز شد؛ ولی حدود یک ساعت بعد شدت آن کاهش چشمگیری یافت (شکل 13 الف). حجم کل بارش برآوردی رادار 1280803 مترمکعب بود و در مدت 11 ساعت به ثبت رسید. بیشینة حجم بارش برآوردی رادار برای این بارش حدود 400 هزار مترمکعب در ساعت بود؛ ولی چون در ادامه شدت آن کم شد، افزایش رواناب خوبی ایجاد نکرد. به دلیل اتلاف بارش در فرایند برگاب، یک ساعت اول مجموع بارش برآوردی رادار 4/0 میلی‌متر بود که در این مدت افزایشی در دبی رخ نداد. بیشینة دبی مشاهداتی آن در حدود 4 مترمکعب بر ثانیه بود و 90 دقیقه پس از بیشینة رواناب شبیه‌سازی رخ داد. بیشینة رواناب شبیه‌سازی با استفاده از داده‌های پوششی رادار بسیار بیشتر از دبی واقعی بود (شکل 13 الف)؛ بنابراین با جایگزینی ضریب 033/0 در رابطة استدلالی، مقدار بیشینة رواناب شبیه‌سازی با بیشینة دبی مشاهداتی برابر شد (شکل 13 ب).

 

 

شکل 13. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
5 اردیبهشت‌ماه 1392 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

بارش 25 آذرماه 1394 (16 دسامبر 2015)

شدت بارش 25 آذرماه 1394 به‌تدریج افزایش یافت و مقدار بیشینة حجم بارش برآوردی رادار برای این بارش پس از گذشت پنج ساعت به مقدار 350 هزار مترمکعب بر ساعت رسید و به‌سرعت از شدت آن کاسته شد (شکل 14 الف). رادار مجموع بارش را 1550269 مترمکعب برآورد کرد که در مدت 13 ساعت به ثبت رسید. بیشینة دبی مشاهداتی 120 دقیقه پس از بیشینة رواناب شبیه‌سازی رخ داد. مقدار بیشینة رواناب شبیه‌سازی به کمک داده‌های پوششی رادار بیش از دبی واقعی بود (شکل 14 الف). با جایگزینی ضریب رواناب 06/0 در رابطة استدلالی، مقدار دبی مشاهداتی با رواناب شبیه‌سازی برابر شد (شکل 14 ب).

 

 

شکل 14. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
25 آذرماه 1394 (منبع: نویسندگان، 1398)


بارش 20 دی‌ماه 1394 (10 ژانویة 2016)

شدت بارش 20 دی‌ماه 1394 در 13 ساعت آغازین نسبتاً خوب بود. حجم بارش برآوردی رادار در این مدت حدود 100 هزار مترمکعب بر ساعت بود. سپس یک افزایش ناگهانی در حجم بارش برآوردی دیده شد و مقدار بیشینة حجم بارش برآوردی به بیش از 560 هزار مترمکعب بر ساعت رسید (شکل 15 الف). حجم کل بارش برآوردی رادار 2209560 مترمکعب بود که در مدت 24 ساعت به ثبت رسید. بیشینة دبی مشاهداتی این بارش
53 مترمکعب بر ثانیه بود که در قیاس با حجم بارش برآوردی رادار و نسبت به بارش‌های مشابه، افزایش بیشتری را نشان داد. برای توضیح آن به دو نکتة زیر باید توجه کرد:

1. پیش از آنکه بارش به مقدار بیشینه برسد، برای ساعات زیادی با شدت کمتری در حوضه دیده شد که به افزایش جزئی دبی حوضه نیز انجامید. این خود دلیلی بر اشباع‌شدن خاک حوضه بود؛ بنابراین در زمانی که شدت بارش زیاد شد، خاک حوضه کاملاً اشباع بود و تمامی افزایش بارش صرف ایجاد رواناب شد.

2. در واکاوی بیشتر مشخص شد در مدت یک هفته پیش از این بارش، در حوضه و پیرامون آن بارش‌های چشمگیری رخ داده است (جدول 2). مجموع تبخیر یک هفته پیش در چهار ایستگاه هواشناسی گنبد کاووس، کلاله، مینودشت و علی‌آباد که پیرامون حوضه جا دارند، به ترتیب 6/12، 4/9، 5/12 و 3/11 میلی‌متر و کمتر از متوسط بارش بود. این هم دلیل دیگری بر این ادعاست که خاک حوضه از پیش هم خشک نبوده و رطوبت کافی داشته است و با شروع بارش هرچند با شدت کم، افزایش رواناب در حوضه دیده شد. بیشینة دبی مشاهداتی 90 دقیقه پس از بیشینة رواناب شبیه‌سازی رخ داد. شبیه‌سازی بیشینة رواناب با استفاده از رابطة استدلالی و به کمک داده‌های پوششی رادار کمتر از دبی واقعی بود (شکل 15 الف). با جایگزینی ضریب 337/0 در رابطة استدلالی، مقدار دبی مشاهداتی با رواناب شبیه‌سازی برابر شد (شکل 15 ب).

 

 

شکل 15. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
20 دی‌ماه 1394 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

جدول 2. مجموع بارش ایستگاه‌های پیرامون حوضه از 13 تا 19 دی‌ماه 1394

نام ایستگاه

عرض

طول

بارش میلی‌متر

نام ایستگاه

عرض

طول

بارش میلی‌متر

نام ایستگاه

عرض

طول

بارش میلی‌متر

علی‌آباد

9/36

892/54

21

فاضل‌آباد

9/36

758/54

19

دوزین

125/37

584/55

45

مینودشت

224/37

383/55

40

مزرعة کتول

955/36

857/54

16

آب‌پران

25/37

653/55

40

گنبد کاووس

267/37

2/55

31

مازیاران

934/36

943/54

22

قلعه‌قافه

05/37

653/55

27

کلاله

456/37

384/53

41

محمدآباد

872/36

77/54

28

فارسیان

222/37

602/55

31

وطن

972/36

27/55

29

زرین‌گل

888/36

958/54

29

کیارام

224/37

638/55

38

آزادشهر

09/37

172/55

16

رامیان

017/37

15/55

35

گالیکش

272/37

435/55

30

خوش‌ییلاق

843/36

35/55

5

پاقلعه

908/36

101/55

32

ساسنگ

057/37

384/55

36

وامنان

004/37

553/55

9

قره‌چشمه

152/37

259/55

18

توسکاچال

2/37

525/55

38

(منبع: ادارة کل هواشناسی گلستان، 1397)

 

 

بارش 10 اسفندماه 1394 (29 فوریة 2016)

بارش 10 اسفندماه 1394 در ابتدا با شدت کم شروع شد و پس از گذشت چهار ساعت افزایش یافت و حجم بارش برآوردی رادار از ساعت چهارم و به مدت شش ساعت و با مقدار بیش از 100 هزار مترمکعب ادامه یافت. رادار حجم کل بارش را 1894120 مترمکعب برآورد کرد که در مدت
14 ساعت به ثبت رسید. رادار برای سه ساعت اول، ارتفاع بارش را یک میلی‌متر (246000 مترمکعب) برآورد کرد، ولی دبی حوضه هیچ تغییری نکرد. این مقدار بارش درنتیجة برگاب و مرطوب‌کردن خاک از چرخة ایجاد خارج شد (شکل 16 الف).

با توجه به بیشینة حجم بارش برآوردی رادار، مقدار دبی مشاهداتی اندکی بیش از حد انتظار بود. این موضوع از مقایسه با بارش‌های دیگر به‌خوبی مشخص بود. دبی 8 مترمکعب بر ثانیه برای بارشی که بیشینة حجم آن حدود 250 هزار مترمکعب بر ساعت بود، اندکی بیش از حد انتظار بود؛ زیرا بارش در چند ساعت اول بسیار شدید نبود و فقط تولید برگاب و خاک حوضه را مرطوب کرد. در این مرحله هیچ روانابی تولید نشد؛ ولی در ادامه با افزایش شدت بارش، درصد بیشتری از بارش به رواناب تبدیل شد. افزایش حجم کل بارش تأثیر زیادی بر افزایش دبی رودخانه داشت. داده‌های پوششی رادار که در رابطة استدلالی برای تعیین بیشینة رواناب به کار گرفته شد، رواناب را اندکی بیش از دبی واقعی نشان داد (شکل 16 الف). با جایگزینی ضریب 1/0 در رابطة یادشده، بیشینة رواناب شبیه‌سازی با دبی مشاهداتی برابر شد (شکل 16 ب).

 

 

شکل 16. الف: حجم بارش برآوردی، هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی؛ ب: هیدروگراف واقعی و شبیه‌سازی بهینة روز
10 اسفندماه 1394 (منبع: نویسندگان، 1398)

 

 

بحث

از آنجا که در این پژوهش از داده‌های پوششی رادار استفاده شد و حجم بارش در گام زمانی 30 دقیقه به دست آمد، رابطة استدلالی تغییر یافت و سپس بیشینة رواناب 12 بارش در حوضة رامیان شبیه‌سازی شد. بر این اساس نتایج زیر به دست آمد.

رابطة بین شدت بارش و بیشینة رواناب مستقیم بود و به‌طور کلی با افزایش شدت بارش، مقدار بیشینة رواناب افزایش یافت. در بارش‌های شدید با جایگزینی ضریب رواناب بزرگ‌تر، مقدار رواناب شبیه‌سازی با دبی واقعی برابر شد. برعکس در بارش‌هایی که شدت کمتری داشت، مقدار بیشینة رواناب کمتر از حد انتظار بود. در این بارش‌ها از ضریب رواناب کوچک استفاده و رواناب شبیه‌سازی با دبی برابر شد. تأثیر حجم بارش در ایجاد رواناب مانند شدت بارش بود. در بارش‌هایی که حجم کل آنها زیاد بود، مقدار رواناب افزایش داشت. در بارش‌های همرفتی تابستان به دلیل افزایش ناگهانی حجم بارش مقدار دبی افزایش یافت؛ ولی در سایر بارش‌ها، افزایش حجم بارش تأثیر خود را بر افزایش رطوبت خاک و اشباع‌شدن خاک حوضه نشان داد.

حجم کل بارش 20 دی‌ماه 1394 زیاد بود که در مدت 24 ساعت ثبت شد؛ زیرا در ساعات اولیه، بارش با شدت کم در حوضه وجود داشت، خاک حوضه اشباع شد و در ادامه با افزایش شدت، رواناب افزایش بسیار زیادی یافت. درواقع درصد زیادی از بارشی که بر فراز حوضه باریده بود، به رواناب تبدیل شد. البته شرایط رطوبتی پیش از بارش نیز مزید بر علت بود.

حجم کل بارش 29 فروردین‌ماه 1395 نیز بسیار زیاد بود (بیش از 11 میلیون مترمکعب) که در مدت 21 ساعت ثبت شد. شدت بارش در ساعات اولیه کمتر بود که موجب اشباع خاک حوضه شد. در ادامه با افزایش تدریجی شدت، رواناب افزایش زیادی یافت و زمانی که افزایش ناگهانی در شدت بارش رخ داد، بیشینة رواناب افزایش چشمگیری را نشان داد که بیش از حد انتظار بود.

تأثیر حجم بارش در بارش 10 اسفندماه 1394 نیز مشخص بود. در این تاریخ نخست بارش با حجم کمتر دیده شد و پس از گذشت چند ساعت افزایش یافت که موجب افزایش رواناب شد. در مقایسه با دو بارش 29 فروردین‌ماه 95 و 20 دی‌ماه 94، حجم این بارش کمتر بود؛ بنابراین تأثیر کمتری بر افزایش رواناب داشت. تأثیر وضعیت رطوبتی خاک پیش از بارش در شبیه‌سازی رواناب به‌خوبی نمایان بود. در بارش‌هایی که خاک حوضه به دلیل بارش پیشین مرطوب بود یا در یک بارش به دلیل طولانی‌شدن زمان بارش، خاک حوضه پیش از زمان رخداد بیشینة رواناب مرطوب و اشباع شده بود، مقدار بیشینة رواناب این بارش‌ها زیاد بود. این موضوع هم در بارش‌های همرفتی تابستان (30 تیرماه 1391) و هم در بارش‌های شدید سایر فصول (20 دی‌ماه 1394، 10 اسفندماه 1394 و 29 فروردین‌ماه 95) دیده شد. مقدار بیشینة رواناب این بارش‌ها در مقایسه با افزایش شدت و حجم بارش برآوردی رادار بیشتر بود و گفتة آنکویتین و همکاران (2010) در این بارش‌ها دیده شد؛ اینکه «در زمانی که خاک اشباع از آب باشد، تغییرات بارش حرکات سیل را کنترل می‌کند.».

تأثیر پراکنش زمانی بارش در ایجاد رواناب نشان داد در بارش‌هایی که شدت بارش در آغاز زیاد بود و سپس کاهش یافت، مقدار بیشینة رواناب کمتر بود (مانند بارش 3 مهرماه 1391 و 5 اردیبهشت‌ماه 1392). برعکس اگر در ابتدا بارش کم و در ادامه شدید شد، مقدار بیشینة رواناب بیشتر بود
(10 اسفندماه 1394). به‌طور کلی اختلاف زمانی بین دبی بیشینة مشاهداتی و بیشینة رواناب شبیه‌سازی در بارش‌های شدید کمتر و در بارش‌های کم‌حجم بیشتر بود. هیدروگراف سیل در بارش‌های شدید و پرحجم تابستانه بیشتر نوک‌تیز و در بارش‌های کم‌حجم و معمولی زمستانه پهن بود. مقدار اتلاف بارش در فرایند برگاب و مرطوب‌کردن خاک حوضه در زمان متراکم‌بودن پوشش گیاهی حوضه بیشتر بود. به‌طور مشخص مقدار اتلاف در بارش 20 مردادماه 1396، 1/5 میلی‌متر، در بارش 3 مهرماه 1392، 3 میلی‌متر و در بارش 29 فروردین‌ماه 1395، 3/2 میلی‌متر بود.

 

نتیجه‌گیری

نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد در یک حوضه با توجه به شرایط مختلف، ضریب رواناب متفاوت است و استفاده از یک ضریب رواناب ثابت برای تعیین (پیش‌بینی) بیشینة رواناب در رابطة استدلالی قابل اعتماد نیست. مقدار رواناب و بیشینة آن علاوه بر ویژگی حوضه (شکل، شیب حوضه، مساحت و... که معمولاً ثابت‌اند) و ویژگی محیطی (پوشش گیاهی و فصل)، به شدت، مدت، حجم، پراکنش زمانی و مکانی بارش و وضعیت رطوبتی خاک حوضه نیز بستگی دارد. نکتة مهم اینکه پراکنش شدت بارش بر فراز حوضه نقش بسزایی در چگونگی شکل‌گیری هیدروگراف سیل دارد. اینکه چه مقدار بارش و با چه شدتی و در کجای حوضه ببارد، برای تعیین مقدار دبی بیشینه بسیار مهم است. با استفاده از داده‌های پوششی رادار، تغییرات زمانی و مکانی شدت بارش، مقایسة چگونگی بارش در سیل‌های گذشته و تغییر ضریب رواناب می‌توان با دقت بیشتری مقدار بیشینة رواناب را پیش‌بینی و سیل احتمالی را مدیریت کرد.



[1] Giannoni et al

[2] rapidian

[3] Overeem et al

[4] Park And Hur

[5] Hernan et al

[6] Colorado

[7] Panzeira et al

[8] Chow et al

[9] Soil Conservation Service

منابع
علیزاده، امین، (1391). اصول هیدرولوژی کاربردی، چاپ 34 (ویرایش ششم)، انتشارات آستان قدس رضوی، دانشگاه امام رضا (ع).
موسوی، فرهاد، جمشیدنژاد، جعفر، اسلامیان، سید سعید، رستم‌افشار، ناصر، (1378). تخمین ضریب رواناب برای تعدادی از حوضه‌های دریای مازندران، علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، دورة 3، شمارة 2، 1-19.
میرزایی، سجاد، رئوف، مجید، (1393). مقایسة معادلات تجربی و روش تجزیة هیدروگراف سیلاب در برآورد زمان تمرکز (مطالعة موردی: حوضة آتشگاه - استان اردبیل)، نشریة علمی‌پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، دورة 6، شمارة 4، 14-407.
نشاط، علی، صدقی، حسین، (1385). برآورد میزان رواناب با استفاده از روش سازمان  HEC-HMS و مدل(SCS) حفاظت خاک در حوضة آبخیز باغ‌ملک - استان خوزستان، مجلة علمی‌پژوهشی علوم کشاورزی، دورة 12، شمارة 4، 787-798.
Anquetin, S., Braud, I., Vannier, O., Viallet, P., Boudevillain, B., Creutin, J.D., Manus, C., (2010). Sensitivity of the hydrological response to the variability of rainfall fields and soils for the Gard 2002 flash-flood event, Journal of Hydrology, Vol 394, Pp 134–147.
Berne, A., Krajewski, W.F., (2013). Radar for hydrology: Unfulfilled promise or unrecognized potential?, Advances in Water Resources, Vol 51, Pp 357–366.
Chow, V.T, Miadment, D.R., Mays., L.G., (1988). Applied Hydrology McGraw - Hill international Edition 596, Pp 147-150.
Cranston, M.D., Black, A.R., (2006). Flood warning and the use of weather radar in Scotland: a study of flood events in the Ruchill Water catchment, Meteorol, Appl, Vol 13, Pp 43–52.
Cunha, L.K., Mandapaka, P.V., Krajewski, W.F., Mantilla, R., (2012). Impact of radar-rainfall error structure on estimated flood magnitude across scales: An investigation based on a parsimonious distributed hydrological model, Water Resources Research, Vol 48, Pp 1-22.
Gad, M.A., Tsanis, I.K., (2003). A GIS methodology for the analysis of weather radar precipitation data, Journal of Hydroinfoinformatics, Pp 113-126 echnology.
Giannoni, A., Smith, A.S., Zhang, Y., Roth, G., (2003). Hydrologic modeling of extreme floods using radar rainfall estimates, Advances in Water Resources 26, Pp 195–203.
Hernan, A.M., Enrique, R.V., Dadid, J.G., (2013). Limits to Flood Forecasting in the Colorado Front Range for Two Summer Convection Periods Using Radar Nowcasting and a Distributed Hydrologic Model, Journal of hydrometeorology, Vol 14, Pp 1075-1097.
Liechti, K., Panziera, L., Germann, U., Zappa, M., (2013). The potential of radar-based ensemble forecasts for flash-flood early warning in the southern Swiss Alps, Hydrol, Earth Syst, Sci., Vol 17, Pp 3853–3869.
Martins, B., Cabus, P., De Jongh, I., Verhoest, N.E.C., (2013). Merging weather radar observations with ground-based measurements of rainfall using an adaptive multiquadric surface fitting algorithm, Journal of Hydrology 500 (2013), Pp 84–96.
Nicholas, Kouwen, (1998). Watflood, Micro-Computer Based Flood Forecasting System Based on Real-Time Weather Radar, Canadian Water Resources Journal, Pp 62-77.
Overeem, A., Buishand, T.A., Holleman, I., (2009). Extreme rainfall analysis and estimation of depth-duration-frequency curves using weather radar, Weter Resources Reserch, Vol 45, Pp 1-15.
Panziera, L., Gabella, M., Zanini, S., Hering, A., Germann, U., Berne, A., (2016). A radar-based regional extreme rainfall analysis to derive the thresholds for a novel automatic alert system in Switzerland, Hydrology, Earth System, Vol 20, Pp 2317–2332.
Park, J.H., Hur, Y.T., (2012). Development and application of GIS based K-DRUM for flood runoff simulation using radar rainfall, Journal of Hydro-environment Research 6 (2012) 209e219.
Seed, A., Siriwardena, L., Sun, X., Jordan, P., Elliott, J., (2002). On the Calibration of Australian Weather Radars, Cooperative Research Centre for Catchment Hydrology, (Technical Report 02/7, 2002).
Yilmaz, K.K., Hogue, S., Gupta, H.V., Wagener, T., (2005). Inter comparison of Rain Gauge, Radar, and Satellite-Based Precipitation Estimates with Emphasis on Hydrologic Forecasting, Journal of Hydrometeorology, Vol 6, Pp 497-517.
Zhu, D., Xuan, Y., Cluckie, I., (2014). Hydrological appraisal of operational weather radar rainfall estimates in the context of different modelling structures, Hydrology and Earth System Sciences, Pp 257-272.