پایان نامه شبیه سازی هیدرولوژیک فرایند تشکیل جریان سطحی در حوضه آبریز

پایان نامه شبیه سازی هیدرولوژیک فرایند تشکیل جریان سطحی در حوضه آبریز

چکیده : 

در هیدرولوژی کاربردی، پیش بینی پیک سیلاب یـک آبراهـه یـا رودخانـه بـه علـت وابسـتگی زمـانی و مکـانیمتغیرهای هیدرولوژیکی نظیر پارامترهای هواشناسی و تغییر پـذیری مکـانی توپـوگرافی، نـوع خـاك و کـاربریاراضی فرایندی بسیار پیچیده است. در مدل های هیدرولوژیکی یکپارچه برای دسترسی بـه یـک شـرایط سـاده ،خصوصیات حوضه آبریز در کل گستره آن بطور یک جا در نظر گرفته می شود و میـانگین یـا براینـد هـر یـک ازپارامترها برای ورود به مدل و محاسبات مورد استفاده قرار می گیرد. حـال آنکـه مـدل هـای تـوزیعی، تغییـراتمکانی کلیه خصوصیات حوضه آبریز را در سراسر آن مورد توجه قرار می دهنـد . در سـال هـای اخیـر اسـتفاده ازمدل های توزیعی در پیش بینی سیلاب و محاسبات بارش رواناب رشـد چشـمگیری داشـته اسـت. پیشـرفت درسرعت پردازش داده ها و بکارگیری مدل رقومی ارتفاعی(DEM) ، داده هـای نـوع خـاك و کـاربری اراضـی درقالب سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) ، زمینه مناسبی را در تحقیقات هیدرولوژیکی برای نگرش مکانمنـد بـهمسائل مرتبط با چرخه هیدرولوژیکی و حل معادلات ریاضی حاکم بر آن فراهم ساخته است. 

در مدل های هیدرولوژی با ساختار رستری، حوضـه توسـط شـبکه ای از سـلول هـا بـه اجـزاء کـوچکتر تقسـیممی شود و پارامترهای مدل بر پایه خصوصیات فیزیکی زمین، خاك و پوشش گیاهی که در هر سلول وجـود داردبه آن نسبت داده می شود. بارندگی و سایر داده های هواشناسی نیز بر هر سلول اعمال شده و رواناب حاصـله درمسیر جریان تا آبراهه روندیابی می شود. با این روش مدل توزیعی قادر اسـت فراینـدهای هیـدرولوزیکی حوضـه آبریز را با در نظر گرفتن تغییرات مکانی و زمانی پارامترها مورد پردازش قرار دهد. 

در این تحقیق سعی بر آن است تا ضمن بیان معادلات حاکم بر مدل های توزیعی و نحوه عملکرد آنها، چگـونگیبکارگیری مدل توزیعی در برآورد سیلاب حوضه های آبریز بر پایه سامانه اطلاعـات جغرا فیـایی (GIS) و توانـاییاین مدل ها در پیش بینی سیلاب و محاسبات بارش رواناب مورد مطالعه قرار گیرد.  

فهرست مطالب 

عنوان                                                                                                                                                             صفحه 

چکیده ..................................................................................................................................................................1

فصل اول: کلیات ................................................................................................................................................2

1-1-  مقدمه .......................................................................................................................................................  3 

1-2-  فواید مدل سازی به روش توزیعی ......................................................................................................              4 

1-3-  معرفی مدل توزیعی ..............................................................................................................................                           5 

1-4-  بیان ریاضی مدل توزیعی .....................................................................................................................    7 

1-5-  فرایند تشکیل جریان سطحی .............................................................................................................       9 

1-5- 1- مازاد نفوذ ...............................................................................................................................                             9 

1-5- 2- مازاد اشباع ............................................................................................................................                            12 

1-6- زبری هیدرولیکی ...................................................................................................................................                     13 

1-7-  شبکه آبراهه ای و قدرت تفکیک مکانی ...........................................................................................                        14 

1-8-  توزیع مکانی بارش .................................................................................................................................                       14 

1-9-  واسنجی مدل توزیعی ...........................................................................................................................  15 

1-10- اهداف تحقیق ......................................................................................................................................                  15 

فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته ..........................................................................................................          17 

2-1-  مقدمه .......................................................................................................................................................  18 

2-2-  استفاده از مدل های توزیعی در شبیه سازی فرایند تشکیل جریان سطحی ............................  18 

2-2- 1- سابقه تحقیق در زمینه مدل توزیعی GSSHA .............................................................  21 

2-3-  سابقه تحقیق در زمینه مقایسه مدل های توزیعی و یکپارچه ......................................................  23  

فصل سوم: مبانی RS ،GIS وکاربرد آنها در مدل های توزیعی ...............................................................  25 

3-1-  مقدمه .......................................................................................................................................................  26 

3-2-  سیستم اطلاعات جغرافیایی (_GIS) ...................................................................................................                27 

3-2- 1- تعریف .....................................................................................................................................                     27 

3-2- 2- ساختار داده ها در GI_S .......................................................................................................            30 

3-2- 3- تصویر سازی ..........................................................................................................................   31 

3-2- 4- مدلهای ارتفاعی رقومی .......................................................................................................            32       

3-2- 5- استخراج شبکۀ آبراهه ها از DEM ....................................................................................      33 

3-3-  ماژولهای ارائه شده برای پردازش داده های هیدرولوژیک ............................................................. 34 

3-3- 1- ماژولهای هیدرولوژیک ARC/INFO ..............................................................................            34 

35     ....................... GRASS (Geographic Resource Analysis Support System) -2 -3-3

36     ............................................................................ HEC-GeoHMS و HEC-GeoRAS -3 -3-3

36     .............................................................................. CRWR-PrePro و HECPREPRO -4 -3-3

37     ......................................................... ^{TOPographic ParameteriZation (TOPAZ)} -5 -3-3

 37  ................................................................... Watershed Modeling System (WMS)  -6 -3-3

3-4-  مدلهای توزیعی حوضه های آبریز ........................................................................................................           38 

39                          ......................................................................................................................... AGNPS 98 -1 -4-3

39  ............................................................................................................................. CASC2D -2 -4-3

41  ................................................................................................................................ GSSHA -3 -4-3

41     .............................................................................................. HEC-HMS و HEC-RAS -4 -4-3

42     ............................................................. ^{Systéme Hydrologiaue Européen (SHE)} -5 -4-3

43     .................................................................................................................................. SWAT  -6 -4-3

44     .................................................................................................................... TOPMODEL -7 -4-3

3-5-  سنجش از دور ( RS ) .........................................................................................................................    44 

3-5- 1- تعریف .....................................................................................................................................                     44 

3-5- 2- مزایای سنجش از دور .........................................................................................................          45 

3-5- 3-  علائم طیفی پدیده ها ........................................................................................................           46 

3-5- 3-1- انعکاس طیفی گیاهان ..............................................................................................  47 

3-5- 3-1-1- شاخص گیاهی تفاضلی نرمال شده ( _NDVI ) ......................................             48 

3-5- 3-2- انعکاس طیفی خاك .................................................................................................  49 

3-5- 3-3- انعکاس طیفی آب .....................................................................................................  50 

3-5- 4- سیستم های سنجش از دور ..............................................................................................                     51 

3-5- 4-1- سری ماهواره های لندست ......................................................................................  51 

3-5- 5- تهیه تصاویر رنگی ترکیبی .................................................................................................                  52  

3-5- 6-  استخراج اطلاعات مفید از داده های دور سنجی ..........................................................  54 

3-5- 6- 1- تفسیر چشمی ............................................................................................................       54 

3-5- 6- 2-  تجزیه و تحلیل رقومی ............................................................................................  54 

3-5- 6- 2-1- طبقه بندی نظارت شده .....................................................................................      55 

3-5- 6- 2-2- روشهای طبقه بندی بدون نظارت ....................................................................                       57  

فصل چهارم: مدل سازی فرایند تشکیل رواناب سطحی ...........................................................................             58 

4-1-  مقدمه .......................................................................................................................................................  59  

4-2-  مدل توزیعی GSSHA ..........................................................................................................................  59 

4-2- 1- روندیابی صریح جریان در کانال ....................................................................................      62 

4-2- 2- روندیابی جریان سطحی ..................................................................................................                 64 

4-2- 3- مدل نفوذ گرین و امپت ...................................................................................................                67 

4-3-  مدل یکپارچه کلارك ............................................................................................................................                          69 

4-3- 1- روش نفوذ سازمان حفاظت خاك (SCS) ........................................................................  70 

4-3- 2- روندیابی رواناب .....................................................................................................................  70 

4-4-  مدل شبه توزیعی کلارك توسعه یافته  ............................................................................................                       72 

4-5-  شبیه سازی بارش در مدل توزیعی ....................................................................................................               74 

4-5- 1- روش وزن دهی معکوس فاصله .........................................................................................  75 

4-6- واسنجی و اعتبارسنجی .........................................................................................................................  77 

4-6-1-  تابع هدف ...............................................................................................................................                            78 

4-6-2-  واسنجی دستی .....................................................................................................................    79 

4-6-3-  واسنجی خودکار ...................................................................................................................      81 

فصل پنجم: منطقه مطالعاتی ..........................................................................................................................  82

5-1-  معرفی منطقه مطالعاتی ........................................................................................................................  83

5-2-  برآورد نفوذپذیری و شماره منحنی بصورت توزیعی .......................................................................  84

5-2-  بارش و سیلاب .......................................................................................................................................  89

5-2- 1- دادههای همزمان بارش– رواناب .......................................................................................  91 

فصل ششم: شبیه سازی رواناب سطحی در منطقه مطالعاتی با استفاده از مدل های GSSHA،             

101 ................................................................................................................................... Clark و ModClark

6-1- مقدمه ....................................................................................................................................................... 102

6-2- اجرای مدل توزیعی GSSHA در منطقه مطالعاتی .....................................................................                   102

6-3- اجرای مدل شبه توزیعی ModClark در منطقه مطالعاتی .......................................................  108

6-4- اجرای مدل یکپارچه Clark در منطقه مطالعاتی ..........................................................................              111

6-5- واسنجی مدل ها .....................................................................................................................................  113

6-5- صحت سنجی مدل ها ...........................................................................................................................  130 

فصل هفتم ...........................................................................................................................................................  135

7-1-  نتیجه گیری ............................................................................................................................................  136

7-1-  پیشنهادات ...............................................................................................................................................  137 

منابع

منابع فارسی

منابع لاتین