کارایی HEC-RAS و GIS در شبیه‌سازی یک‌بعدی هیدرودینامیک جریان در رودخانه

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان

چکیده

مدل­سازی جریان رودخانه یکی از پیچیده­ترین مسائل هیدرولیک به­حساب می­آید و انجام آن در تمامی پروژه­های مهندسی رودخانه ضرورت دارد. تاکنون مدل­های متعددی جهت مدل­سازی هیدرولیک رودخانه ارائه شده­اند که می­توانند جریان را به‌صورت یک، دو و یا سه‌بعدی شبیه­سازی کنند. در این تحقیق با توجه به زمان­بر بودن اجرای مدل‌های دو و سه‌بعدی از مدل یک‌بعدی جهت شبیه­سازی جریان در رودخانه کارون و در حدفاصل ایستگاه ملاثانی تا فارسیات استفاده شده است. با توجه به ماهیت یک‌بعدی مدل ریاضی مورد استفاده و عدم دقت مناسب در بعضی از قسمت­های رودخانه که ماهیت جریان به صورت دوبعدی می­باشد، از تصاویر ماهواره­ای و شبیه­سازی مقاطع به صورت سه­بعدی استفاده گردید. براساس نتایج به­دست آمده، نه تنها تفاوت محسوسی در مدت زمان اجرای مدل یک­بعدی صورت نگرفته است، بلکه مدل توانسته است با توجه به توپوگرافی تعریف شده، مقادیر پارامترهای هیدرولیکی را در نقاط مختلف رودخانه ارائه دهد. نتایج شبیه­سازی جریان در ایستگاه اهواز که به­عنوان ایستگاه شاهد انتخاب گردید، نشان می­دهد که مدل ارتفاعی به­کار رفته در مدل ریاضی باعث افزایش دقت نتایج مدل­سازی گردیده است. یکی از موارد مهم در شبیه­سازی جریان مربوط به قوس­های رودخانه بوده که با استفاده از تکنیک به­کار گرفته شده، هیدرولیک جریان در قوس­ها با دقت مناسبی شبیه­سازی شده است. معیارهای آماری مورد استفاده در این تحقیق از قبیل جذر میانگین مربعات خطا و ضریب ناش- ساتکلیف نشان­دهنده دقت قابل قبول مدل ریاضی در شبیه­سازی جریان در رودخانه کارون می­باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

River Flow Simulation by Integrating Numerical Methods and Satellite Images

نویسندگان [English]

  • Javad Zahiri
  • Mehran Ashnavar
Department of Water Engineering, Agricultural Sciences and Natural Resources University of Khuzestan, Ahwaz, Iran
چکیده [English]

Numerical models have the ability to simulate river flow by using mathematical relations under certain initial and boundary conditions. Investigating the capability of different models for simulating flow characteristics in a river reach such as flow depth, velocity and shear stress in river banks are one of the basic needs in river engineering. However, from the practical point of view, the minimum need for field information, the small computation, and the degree of trust of the application of mathematical models in the conditions of natural rivers is of great importance. The aim of this study is to integrate GIS and HEC-GeoRAS with HEC-RAS model in order to simulate the hydraulic parameters of the Karun River in Khuzestan province.

کلیدواژه‌ها [English]

  • River flow simulation
  • numerical model
  • Satellite images
  • River Bend
  • Nash-Sutcliffe coefficient

پورحسین قادی م، حسینی م، سیفی­زاده م، عمادی ع ر، "پهنه‌بندی سیلاب رودخانه تجن با استفاده از مدل ریاضی HEC-RAS"، نهمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1391.

توکلی­زاده ا ع، "مدل‌سازی عددی هیدرودینامیکی و کیفی سیستم‌های رودخانه­ای"، پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1382.

حکمتی­فر ح، نظریها م، گیوه­چی س، "ارزیابی خسارات کشاورزی ناشی از سیلاب با استفاده از مدل‌سازی HEC-RAS و ARCView"، علوم و تکنولوژی محیط زیست، 11 (4)، 1388.

روشنفکر ع، "مدل‌سازی ترکیبی یک و دوبعدی دینامیک فلزات سنگین در سیستم‌های رودخانه‌ای"، پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی آب دانشگاه شهید چمران اهواز، 1386.

سپهری و، نورانی و، اعلمی م، "پهنه­بندی سیلاب با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی"، هشتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1388.

ظهیری ج، "مدل‌سازی یک‌بعدی انتقال رسوب در رودخانه کارون"، پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1386.

عزیزپناه ب، حکیمی د، غزنوی ا، "تعیین حدود بستر و حریم رودخانه با تلفیق نرم‌افزار GIS و مدل HEC-RAS"، دهمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1394.

ﻣﻌﺎوﻧﺖ ﻧﻈﺎرت راﻫﺒﺮدی وزارت ﻧﻴﺮو، "راهنمای طراحی، ساخت و نگهداری آبشکن­های رودخانه­ای"، نشریه شماره 516، 1388.

ناصری م، کاشفی پور م، "استفاده از مدل عددی در حل معادلات جریان و برآورد آلاینده‏­های کیفی رودخانه­ها (مطالعه موردی: رودخانه کرخه)"، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، 1391، 42 (3)، 51-60.

Ackerman C, “HEC-GeoRAS: An extension for support of HEC-RAS using ArcGIS. User’s manual”, US Army Corps of Engineers, Davis, California. 2005.

Ackerman CT, Jensen MR, Brunner GW, “Geospatial capabilities of HEC-RAS for model development and mapping”, 2nd Joint Federal Interagency Conference, Las Vegas, NV, 2010.

Andam KS, “Comparing Physical Habitat Conditions in Forested and Non-Forested Streams”, PhD Thesis, University of Vermont, US, 2003.

Barr T, “Application of tools for hydraulic power plant presentation. 105-Upper Gotvand Hydroelectric Power Project Feasibility Study”, Reservoir Operation Flood P, 2002.

Brunner G, “HEC-RAS river analysis system hydraulic reference manual, Version 5.0”, US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, 2016.

Casulli V, “A high‐resolution wetting and drying algorithm for free‐surface hydrodynamics”, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2008, 60 (4), 391-408.

Dey S, Saksena S, Merwade V, “Assessing the effect of different bathymetric models on hydraulic simulation of rivers in data sparse regions”, Journal of Hydrology, 2019, 575, 838-851.

Ezz H, “Integrating GIS and HEC-RAS to model Assiut plateau runoff”, The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, 2018, 21 (3), 219-227.

Johnson GD, Strickland MD, Buyok JP, Derby CE, Young DP, “Quantifying impacts to riparian wetlands associated with reduced flows along the Greybull River”, Wyoming. Wetlands. 1999, 19 (1), 71-77.

Maidment DR, Tate EC, “Floodplain mapping using HEC-RAS and ArcView GIS: Center for Research in Water Resources”, University of Texas at Austin, US, 1999.

Wu B, Wang Z, Zhang Q, Shen N, Liu J, “Modelling sheet erosion on steep slopes in the loess region of China”, Journal of Hydrology, 2017, 553, 549-558.

Zeleňáková M, Fijko R, Labant S, Weiss E, Markovič G, Weiss R, “Flood risk modelling of the Slatvinec stream in Kružlov village, Slovakia”, Journal of Cleaner Production, 2019, 212, 109-18.