ارزیابی عملکرد مدل بارش رواناب در شبیه‌سازی هیدروگراف سیلاب فروردین ماه 1398؛ مطالعه موردی حوضه آبریز کرخه

زمینه و هدف: بارش‌های سنگین و پیاپی در ابتدای سال 1398 به بروز سیلاب‌های شدید در بخش‌های وسیعی از کشور به ویژه در حوضه کرخه منجر شد که با خسارت‌های بسیاری همراه بود. میانگین بارش در حوضه سد کرخه در رویداد بارش 4 تا 7 فروردین 1398 در حدود 87 میلی متر و در رویداد بارش 11 تا 17 فروردین ماه 1398 نزدیک به 108 میلی متر گزارش شده است. در مدیریت سیلاب توسط مخزن، برآورد دبی پیک و هیدروگراف سیل به منظور پیش‌بینی رفتار هیدرولوژیک حوضه اجتناب‌ناپذیر است. مدل‌های بارش- رواناب که برای شبیه‌سازی هیدروگراف سیلاب به کار برده می‌شوند یکی از روش‌های برآورد رواناب و ابزار مناسبی برای بررسی و ارزیابی فرایندهای هیدرولوژیک، منابع آب و مدیریت سیلاب به شمار می‌روند.روش پژوهش: از آنجایی‌که برآورد دبی پیک و هیدروگراف سیل به منظور پیش‌بینی رفتار هیدرولوژیک حوضه و اخذ تدابیر لازم برای کاهش خطر سیلاب از اهمیت زیادی برخوردار است؛ در این پژوهش، ضمن استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی (gis) از مدل hec-hms برای شبیه‌سازی فرایند بارش رواناب رویدادهای بارشی دوره زمانی 1386 تا 1398 در حوضه آبریز کرخه استفاده شده است. برای این منظور، با استفاده از توانمندی مدل hec-hms و داده‌های ایستگاه‌های هیدرومتری و آب و هواشناسی پراکنده در سطح حوضه به برآورد حجم و دبی پیک سیلاب‌ها در دوره زمانی یاد شده اقدام گردید. به دلیل شروع آبگیری سد سیمره در حوضه مذکور از سال 1392، دو مدل حوضه مجزا توسعه داده شده و برای اجرای مدل، 11رویداد سیلاب استخراج و سپس پارامترهای مدل براساس 6 هیدروگراف مشاهداتی واسنجی و براساس 5 هیدروگراف دیگر ارزیابی شد. در فرایند ساخت مدل حوضه از روش شماره منحنی scs برای محاسبه تلفات رواناب حوضه و تبدیل بارش به رواناب، از روش هیدروگراف واحد کلارک و روش جریان بازگشتی برای محاسبه جریان پایه، از روش ماسکینگام برای روندیابی هیدرولوژیک و از روش میانگین وزنی برای تحلیل مکانی داده‌های بارندگی استفاده شد.یافته‌ها: مقایسه نتایج اولیه شبیه‌سازی مدل یاد شده با مقادیر مشاهداتی در خروجی حوضه و برخی از ایستگاه‌های هیدرومتری منتخب حوضه (9 زیرحوضه) مذکور نشان داد که مدل هیدروگراف جریان را بیشتر برآورد می‌کند. از این رو، با استفاده از تابع هدف مجموع مجذور باقی مانده، پارامترهای حوضه (cn، زمان تمرکز، ضریب ذخیره، جذب اولیه و ثابت بازگشتی) مورد واسنجی قرار گرفتند. پس از واسنجی پارامترها، نتایج حاکی از انطباق مناسب هیدروگراف‌های محاسباتی با مشاهداتی در سدهای کرخه و سیمره و برخی از ایستگاه‌های منتخب بودند؛ اما در برخی از نقاط مد نظر هیدروگراف‌های محاسباتی کمتر برآورد شدند. در ادامه، برای بررسی صحت و تایید نتایج، مدل به کمک 5 واقعه بارش جدید اعتبارسنجی شد. همچنین برای ارزیابی کارایی مدل مورد استفاده در این مرحله از آماره‌های ضریب همبستگی، ناش ساتکلیف و ضریب واریانس شبیه‌سازی شده استفاده شد.نتایج: مقایسه نتایج مدل با مقادیر مشاهداتی سیلاب (دبی اوج) با استفاده از ضریب همبستگی (r2) نشان داد که برای زیر حوضه‌های 5، 2، 7 و 1 تطابق نسبتا خوبی برقرار است (به ترتیب، 0.92، 0.73، 0.73 و 0.70). همچنین، مقادیر شاخص کارایی مدل در مرحله اعتبارسنجی برای شاخص‌های ناش- ساتکلیف (0.99- 0.33) و ضریب واریانس شبیه‌سازی (0.73-0) برای نقاط منتخب زیرحوضه‌های 9، 6، 5، 1 و 8 مطلوب بوده و مدل hec-hms به طور نسبی می‌تواند برآورد قابل پذیرشی از هیدروگراف سیلاب ارایه دهد و از این رو می‌توان نحوه شکل گیری رویدادهای سیلابی حوضه آبریز کرخه را به خوبی تحلیل نمود. همچنین، تحلیل حساسیت پارامترهای مدل نشان داد که پارامتر شماره منحنی(cn) نسبت به سایر پارامترهای حوضه تاثیر بیشتری بر تغییرات تابع هدف دارند.

evaluation of rainfall-runoff model in the simulation of flood hydrograph in april 2018; a case study of karkheh basin

background and aim: heavy and consecutive rains at early april of 2018 led to severe floods in large parts of iran, especially in the karkheh basin, which was accompanied by huge damages. the average rainfall in the karkhe dam basin for the event of april 4-7, 2018 was about 87 mm, and for the event of april 11-17, 2018, it was nearly 108 mm. for the flood management by the reservoir, estimation of the peak discharge and flood hydrograph is essential in order to predict the hydrological behavior of the basin. rainfall-runoff models that are used to simulate flood hydrographs are one of the methods of estimating runoff and a suitable tool for investigating and evaluating hydrological processes, water resources, and flood management.method: since the estimation of peak discharge and flood hydrograph has great important to predict the hydrological behavior of the basin and also to take the necessary measures to reduce the flood risk, the present study was conducted by using hec-hms model to simulate the rainfall-runoff events during 2007-2018 in the karkheh basin .by using this model capabilities and the data from some hydrometric and meteorological stations in the basin, the volume and peak discharge of floods in that period were estimated. because seymareh dam impoundment has started since 2013; two separate basin models were developed and for running the model, 11 flood events were obtained then, the basin parameters were calibrated based on six events and the others were used for validation. in the process of developing the basin model, the scs curve number method is used to calculate basin runoff losses and convert rainfall to runoff, the clark unit hydrograph method and the return flow method to calculate the base flow, the muskingum method for hydrological routing, and the weighted average method for spatial data analysis of rainfall. the outlet structure method was used for routing the reservoirs of karkheh and seymareh dams.results: comparing the initial simulation results of the model with the observed values at the outlet of the basin and some hydrometric stations of the basin showed that the hydrograph model overestimates the flow. therefore, using the residual squaredsum objective function, basin parameters (cn, time concentration, storage coefficient, initial absorption, and recession constant) were calibrated. after calibration of parameters, the results showed that the calculated hydrographs were in good agreement with the observational hydrographs in the karkheh and seymareh dams. next, to check the accuracy and confirm the results, the model was validated by the five new rainfall events and to evaluate the efficiency of the model used in this stage, the nash-sutcliffe indices and the simulated variance coefficient were used.conclusion: comparing the calculated results with the flood observational values (peak discharge) using the correlation coefficient (r2) showed that there is a relatively good agreement between simulation and observation in sub-basins 5, 2, 7, and 1 (0.92, 0.73, 0.73 and 0.70, respectively). also, the model efficiency index values in the validation period for the nash-sutcliffe index (0.33-0.99) and simulation variance coefficient (0-0.73) for the outlet of sub-basins 9, 6, 5, 1, and 8 are favorable and the hec-hms model approximately can provide an acceptable estimation of the flood hydrograph. so, it can be well-analyzed how the way flood events are formed in the karkheh basin. also, the sensitivity analysis of the model parameters showed that the curve number parameter (cn) has a greater effect on the changes in the objective function than other basin parameters.