شبیه ‌سازی سیلاب حوزه آبخیز‌ تجن با استفاده از مدل پیش‌ بینی وضع هوا (gfs) و مدل هیدرولوژیکی hec-hms

مقدمه و هدف: سیل به‎‎دلایل متعددی از جمله شدت بارندگی، تخریب پوشش گیاهی و تجاوز به حریم رودخانه‏ ها ایجاد می ‏شود. قدرت زیاد سیل‏ ها به ساختمان‌ها، پل‏ ها و سازه ‏های موجود آسیب وارد می‏ کند و ظرفیت بستر رودخانه را کاهش می‏ دهد. همچنین حجم بیش از حد آب، خسارات جانی، مالی و تخریب زیستگاه‏ های جانوران را نیز در پی دارد. برای مقابله با سیل و خسارات ناشی از آن، اقدامات سازه‏ای مانند احداث سد و اقدامات غیر سازه ‏ای مانند افزایش پوشش گیاهی، پیش‏ بینی و سیستم‏ های هشدار سیل انجام می ‏شود. پیش ‏بینی سیل، فرآیند برآورد زمان و مکان وقوع سیل و میزان حجم آب است و به‏ عنوان ابزاری کارآمد و کم ‏هزینه برای مدیریت سیلاب و کاهش خسارات ناشی از آن است که در سال ‏های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. مدل‏ سازی بارش رواناب از جمله اقدامات جهت مدیریت سیلاب است. جهت شناخت ارتباط بین پارامتر بارش و رواناب و هم‎چنین تعیین مقدار دبی اوج و زمان رسیدن به دبی اوج، شبیه ‏سازی از طریق مدل‏ های هیدرولوژیکی انجام می ‏شود. یکی از نرم ‏افزارهای هیدرولوژیکی در این زمینه، نرم ‏افزار hec-hms است. با استفاده از سه مولفه مدل حوضه، مدل هواشناسی و مشخصه‏ های کنترل، میزان تلفات، رواناب، جریان پایه و روندیابی با روش ‏های موجود محاسبه می‏ شود و در نهایت عملیات واسنجی جهت کاهش اختلاف هیدروگراف‏ های مشاهداتی و شبیه‏ سازی شده انجام می ‏گردد. بارش از مهم‏ترین پارامترهای ورودی جهت شبیه‎سازی سیلاب است. بنابراین، برآورد صحیح میزان آن امری ضروری و مهم تلقی می‏ گردد. با توجه به تعداد ایستگاه‏ های باران‏ سنجی و عدم وجود ایستگاه‏ های کافی در سطح کشور به‎خصوص مناطق کوهستانی، استفاده از اطلاعات مدل عددی هواشناسی و داده‏ های بارش ماهواره ‏ای در پیش ‏بینی سیل نقش مهمی دارد. مدل‏ های عددی هواشناسی با کمک مدل‏ های ریاضی، وضعیت آب و هوا را پیش ‏بینی می ‏کنند. پیش‏ بینی ‏ها به سه دسته کوتاه ‏مدت، میان‏ مدت و بلندمدت و مدل‏ های منطقه ‏ای و جهانی تقسیم می ‏شوند. یکی از این مدل‏ ها، مدل عددی هواشناسی gfs می باشد که داده ‏هایی مانند دما، باد و بارش را پیش ‏بینی و ارائه می‏ کند. بارندگی‏ های شدید، تخریب جنگل ‏ها، برداشت شن و ماسه و ساختمان‏ سازی در پهنه ‏های سیلابی از جمله دلایل وقوع سیل در مازندران و به ‏خصوص رودخانه تجن در سال‏ های اخیر هستند. هدف اصلی این پژوهش، برآورد مقدار دبی اوج سیل با شبیه‏ سازی وقایع سیلابی و ارزیابی نتایج حاصل از آن با استفاده از اطلاعات بارش مدل عددی هواشناسی gfs در حوضه رودخانه تجن واقع در شهر ساری در استان مازندران بوده است.مواد و روش‎ها: در این پژوهش، داده ‏های مورد نیاز ایستگاه ‏های هیدرومتری حوزه‏ آبخیز تجن شامل اندازه‏ گیری ‏های‏ ساعتی سیلاب‏ های ثبت‎شده و هم‎چنین اطلاعات مورد نیاز ایستگاه‏ های تبخیرسنجی و باران‏ سنجی در این حوضه شامل بارندگی حوزه آبخیز تجن از طریق شرکت آب منطقه ‏ای مازندران برای دوره 10 ساله 1400-1390 اخذ گردید. همچنین، اطلاعات بارش از طریق خروجی مدل عددی هواشناسی gfs نیز در دوره مذکور از سایت https://openweathermap.org دریافت شد. با استفاده از لایه ‏های کاربری اراضی و گروه هیدرولوژیک خاک در نرم ‏افزار arcgis، شماره‏ منحنی هر زیرحوضه تعیین و خصوصیات فیزیوگرافی حوزه آبخیز تجن با استفاده از الحاقیه hec-geohms استخراج گردید. با توجه به خصوصیات فیزیوگرافی زیرحوضه‏ ها، اطلاعات مربوط به بارش ایستگاه ‏های حوزه آبخیز تجن و دبی سیلاب اخذ شده از شرکت آب منطقه‏ ای مازندران، شبیه ‏سازی چهار واقعه سیل 1390/07/12، 1390/09/20، 1390/08/23 و 1396/09/10 در نرم ‏افزار hec-hms انجام شد. از روش شماره منحنی سازمان حفاظت خاک آمریکا برای محاسبه تلفات، جهت محاسبه رواناب از روش هیدروگراف واحد scs و روندیابی از روش روندیابی تاخیر مورد استفاده قرار گرفت. سپس برای تعیین میزان حساسیت پارامترهای شماره منحنی، زمان تاخیر و تلفات اولیه آنالیز حساسیت انجام شد. در فرآیند واسنجی، جهت تعیین مقادیر بهینه پارامترها از نه تابع هدف موجود در نرم ‏افزار hec-hms شامل میانگین قدر مطلق باقیمانده‏ ها، میانگین مربع باقیمانده‏ ها، انحراف معیار وزنی دبی اوج، توان متغیر وزنی دبی اوج، درصد خطای دبی اوج، مجذور میانگین مربعات خطا، مجموع قدر مطلق باقیمانده‏ ها، مجموع مربع باقیمانده ‏ها و انحراف معیار وزنی زمان اوج استفاده گردید. در گام بعد، صحت‏ سنجی (رویداد 1396/09/10) با استفاده از مقادیر بهینه‏ پارامترها انجام شد و در نهایت پس از واسنجی و صحت‏ سنجی نرم ‏افزار hec-hms، وقایع سیلابی مورد نظر با استفاده از داده‏ های مدل عددی هواشناسی gfs، شبیه ‏سازی شدند.یافته‎ها: نتایج، همبستگی بالای میان هیدروگراف ‏های مشاهده ‏ای و واسنجی شده را در سطح معنی‏ داری 95 درصد (0/9

flood forecasting of the tajan watershed using the output of the numerical weather prediction model (gfs) and the hec-hms hydrological model

background: floods are caused by several reasons, including rainfall intensity, vegetation destruction, and encroachment of rivers. the high power of floods damages buildings, bridges, and existing structures, and also reduces the capacity of the river bed. moreover, the excessive volume of water leads to human and financial losses and the destruction of animal habitats. structural measures (such as dam construction) and non-structural measures (such as increased vegetation coverage, forecasting, and flood warning systems) are carried out to deal with a flood and its damage. flood forecasting is the process of estimating the time and place of flood occurrence and the volume of water and, as an efficient and low-cost tool for flood management and damage reduction, has received a lot of attention in recent years. rainfall-runoff modeling is one of the measures of flood management. simulation is done using hydrological models to understand the relationship between rainfall and runoff parameters, as well as to determine the peak discharge value and the time to reach the peak discharge. one of the hydrological software packages in this field is the hec-hms software. by considering three components of the basin, meteorological, and control specification models, the value of losses, runoff, base flow, and routing are calculated using existing methods, and finally, optimization is performed to reduce the difference between observed and simulated hydrographs. precipitation is one of the most important input parameters in simulating floods. therefore, the correct estimation of its amount is considered necessary and important. considering the number of rain gauge stations and the lack of sufficient stations in iran, especially in mountainous areas, the use of numerical weather prediction model information and satellite rainfall data plays an important role in flood forecasting. numerical weather prediction models predict weather conditions using mathematical models. forecasts are divided into three short-range, medium-range, and long-range categories, and also, into regional and global models. one of these models is the numerical weather prediction model, called gfs, which predicts and provides data such as temperature, wind, and precipitation. heavy rainfall, destruction of forests, sand and gravel harvesting, and construction in floodplains are among the causes of floods in mazandaran province, especially the tajan river, in recent years. the main goal of this research was to estimate the value of peak discharge by simulating flood events and evaluating the results using the precipitation information of the gfs model in the tajan watershed located in sari city, mazandaran province.methods: in this research, data were collected from the hydrometric stations of the tajan watershed, including the hourly measurements of recorded floods, as well as the information required by the evaporation and rain gauge stations in this area, including precipitation obtained by the mazandaran regional water company for the 10-year period of 2011-2021. furthermore, precipitation data were received online (from the following webpage: https://openweathermap.org) through the output of the gfs numerical weather prediction model in the mentioned period. the curve number of each subbasin was determined using land use and soil hydrological group layers in arcgis software, and the physiographic characteristics of the tajan watershed were extracted using the hec-geohms extension. then, four events 04 october 2011, 01 december 2011, 14 november 2016, and 01 december 2017 were simulated using the physiographic characteristics of the sub-basins, the precipitation data of the tajan watershed, and the flood discharge obtained by the mazandaran regional water company in hec-hms software. the soil conservation service curve number method was used to calculate losses, the scs unit hydrograph method was used to calculate the runoff method, and the lag method was used for routing. subsequently, sensitivity analysis was performed to determine the sensitivity of the curve number, lag time, and initial abstraction parameters. the optimal values of the parameters in the optimization process were determined using nine objective functions available in the hec-hms software, including mean of absolute residuals, mean of squared residuals, peak-weighted root mean square error, peak-weighted variable power, percent error in peak discharge, root mean square error, sum of absolute residuals, sum of squared residuals, and time-weighted rmse. in the next step, validation was performed by event 01 december 2017 using the optimal values of the parameters. finally, after hec-hms software optimization and verification, the aforementioned flood events were simulated using the data of the gfs numerical weather prediction model.results: the results showed a strong correlation between observed and calibrated hydrographs. besides, the best objective function was peak-weighted variable power. the results of the sensitivity analysis showed that the peak discharge was more sensitive to the changes in the initial abstraction and curve number parameters. validation was performed to verify the validity of the results obtained in the calibration process, and the results indicated no significant differences between the averages of the two groups, viz. observed and calibrated flow rates. moreover, the simulation results using the gfs numerical weather prediction model showed no significant differences (at a 95% confidence level) between the observed and simulated hydrographs.conclusion: according to the results, using the precipitation data of the gfs numerical weather prediction model and the hec-hms rainfall-runoff software makes it possible to simulate the flood with acceptable confidence in predicting the peak discharge of floods.