Evaluation of the effects of constructed rehabilitation dams on maximum and volume of watershed discharge

Subject Areas : Analysis and design of watershed structures and water extraction

Reza Ghazavi ¹ , Ebrahim Omidvar ²

1 - Faculty of Natural Resources, University of Kashan, Isfahan, Iran
2 - Faculty of Natural Resources, University of Kashan, Isfahan, Iran

Received: 2023-07-10 Accepted : 2023-08-30 Published : 2023-09-09

Keywords: Check dams, Discharge peak, Flood, Khaveh,

Abstract :

In this study, the hydrological processes of Khaveh Watershed located in Markazi province, Iran were simulated and the effect of check dams on floods in this basin was evaluated. To assess the impact of watershed management structures on floods, flood volume and peak discharge with different return periods were calculated. In order to estimate the irrigation rate of Khaveh Watershed, in this study, the method of Justin was studied. Then, flooding situation of Khaveh Watershed was simulated using HEC-HMS model. For this purpose, the flood hydrographs resulting from the design storms with different return periods in the pre- and post-construction states of watershed management structures were compared with each other. The results showed that the constructed dams clearly reduced the peak discharge and flood volume of the region. Based on the results, the construction of corrective structures has reduced the peak flow, increased the base time of the hydrograph and increased the time to the peak of the hydrograph in different return periods. For the 5, 10, 20, 50, and 100-year return periods, the peak is 0.6 to 3.3, 4.9 to 2.7, 9.4 to 1.5, and 6, hours respectively. Discharge decreased to 0.8 and 22.4 to 12.4 cubic meters per second. Also, the base time of the hydrograph for the mentioned return periods increased from 6.8 to 11.2, 9.3 to 0.16, 2/10 to 17.5, 5/10 hours to 18.5 and 10.10 to 29.3 hours. The latency in time-to-peak for hydrographs due to the construction of structures was approximately 3.5 h.

References:

Ahmadipour, Z., & Yasi, M. (2014). Evaluation of Eco-hydrology-hydraulics Methods for Environmental Flows in Rivers (Case Study: Nazloo River, Urmia Lake Basin). Journal of Hydraulics, 9(2), 69-82. doi: 10.30482/jhyd.2014.8561.(In Persian).
Alemu, M. M. (2016). Integrated watershed management and sedimentation. Journal of Environmental Protection, 7(4), 490-494.
Gain, A. K., & Wada, Y. (2014). Assessment of future water scarcity at different spatial and temporal scales of the Brahmaputra River Basin. Water Resources Management, 28, 999-1012.
Li, D., Long, D., Zhao, J., Lu, H., & Hong, Y. (2017). Observed changes in flow regimes in the Mekong River basin. Journal of Hydrology, 551, 217-232.
Lu, W., Lei, H., Yang, D., Tang, L., & Miao, Q. (2018). Quantifying the impacts of small dam construction on hydrological alterations in the Jiulong River basin of Southeast China. Journal of Hydrology, 567, 382-392.
Mengistu, F., & Assefa, E. (2022). Local perception of watershed degradation in the upper Gibe basin, southwest Ethiopia: implications to sustainable watershed management strategies. International Journal of River Basin Management, 20(2), 235-254.
Mirzavand, M., Ghasemieh, H., Sadatinejad, S., Akbari, M. (2015). Comparison of Artificial Neural Network (ANN) and Multi Variable Regression Analysis (MRA) Models to Predict Ground Water Quality Changes (Case Study: Kashan Aquifer. Water and Soil Science, 25(2), 207-220. (In Persian).
Salehpour Jam, A., Mosaffaie, J., & Tabatabaei, M. R. (2021). Management responses for Chehel-Chay watershed health improvement using the DPSIR framework. Journal of Agricultural Science and Technology, 23(4), 797-811.
Saraie, B., Talebi, A., Mazidi, A., & Parvizi, S. (2020). Prioritization of Sardab-Rood watershed from flooding viewpoint using the SWAT model. Journal of Natural Environmental Hazards, 9(23), 85-98. doi: 10.22111/jneh.2019.29033.1500. (In Persian).
Sayyad, D., Ghazavi, R., & Omidvar, E. (2021). Preparation and analysis of flood risk map using HEC RAS and RAS MAPPER hydraulic model (Case study: Sok Cham river of Kashan). Journal of Geography and Environmental Hazards, 10(3), 19-37. doi: 10.22067/geoeh.2021.69554.1038. (In Persian).
Sultan, D., Tsunekawa, A., Haregeweyn, N., Adgo, E., Tsubo, M., Meshesha, D. T., .. & Ebabu, K. (2017). Analyzing the runoff response to soil and water conservation measures in a tropical humid Ethiopian highland. Physical Geography, 38(5), 423-447.
Werner, A. D., Bakker, M., Post, V. E., Vandenbohede, A., Lu, C., Ataie-Ashtiani, B., ... & Barry, D. A. (2013). Seawater intrusion processes, investigation and management: Recent advances and future challenges. Advances in Water Resources, 51, 3-26.
Zayyari, K., Ebrahimipoor, M., Pourjafar, M. R., & salehi, E. (2020). Explaining Strategies for Increasing Physical Resilience against Flood Case Study: Cheshmeh Kile River, Tonekabon River. Sustainable City, 3(1), 89-105. doi: 10.22034/jsc.2019.186626.1014.(In Persian).

Full-Text:



Technical Strategies in Water Systems https://sanad.iau.ir/journal/tsws ISSN (Online): 2981-1449 Summer 2023: Vol 1, Issue 1, 55-67 https://doi.org/10.30486/TSWS.2023.783138

 

Research Article

 

Evaluation of the effects of constructed rehabilitation dams on maximum and volume of watershed discharge

 

Reza Ghazavi*, Ebrahim Omidvar

 

Faculty of Natural Resources, University of Kashan, Isfahan, Iran.

*Corresponding Author email: [e-mail]

© The Author)s( 2023

 

 

Received: 10 July 2023

Accepted: 30 Aug 2023

Published: 09 Sept 2023

 

Abstract

In this study, the hydrological processes of Khaveh Watershed located in Markazi province, Iran were simulated and the effect of check dams on floods in this basin was evaluated. To assess the impact of watershed management structures on floods, flood volume and peak discharge with different return periods were calculated. In order to estimate the irrigation rate of Khaveh Watershed, in this study, the method of Justin was studied. Then, flooding situation of Khaveh Watershed was simulated using HEC-HMS model. For this purpose, the flood hydrographs resulting from the design storms with different return periods in the pre- and post-construction states of watershed management structures were compared with each other. The results showed that the constructed dams clearly reduced the peak discharge and flood volume of the region. Based on the results, the construction of corrective structures has reduced the peak flow, increased the base time of the hydrograph and increased the time to the peak of the hydrograph in different return periods. For the 5, 10, 20, 50, and 100-year return periods, the peak is 0.6 to 3.3, 4.9 to 2.7, 9.4 to 1.5, and 6, hours respectively. Discharge decreased to 0.8 and 22.4 to 12.4 cubic meters per second. Also, the base time of the hydrograph for the mentioned return periods increased from 6.8 to 11.2, 9.3 to 0.16, 2/10 to 17.5, 5/10 hours to 18.5 and 10.10 to 29.3 hours. The latency in time-to-peak for hydrographs due to the construction of structures was approximately 3.5 h.

Keywords: Check dams, Discharge peak, Flood, Khaveh

مقاله پژوهشی

ارزیابی اثرات احداث بندهای اصلاحی آبخیزداری بر دبی پیک و حجم سیلاب 

 

رضا قضاوی*، ابراهیم امیدوار

 

دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه کاشان، اصفهان، ایران

*ایمیل نویسنده مسئول: [e-mail]

© The Author)s( 2023

 

چاپ: 18/06/1402

پذیرش: 08/06/1402

دریافت: 19/04/1402

 

چکیده

 مهار سیلاب­ها از طریق احداث سدهای اصلاحی یکی از روش­های تامین آب شیرین است. در این مطالعه، تأثیر سدهای اصلاحی بر روی سیل در حوضه آبخیز خاوه واقع دراستان مرکزی مورد ارزیابی قرار گرفت. برای ارزیابی اثرات احداث سازه­های آبخیزداری، حجم سیلاب و دبی اوج با دوره بازگشت‏های مختلف محاسبه شد. به منظور برآورد میزان آب‏دهی حوضه آبخیز خاوه، در این مطالعه روش­هاي تورک، انجمن کشاورزي هند و جاستین بررسی شد. سپس با استفاده از مدل HEC-HMS وضعیت سیل­خیزی حوضه آبخیز خاوه شبیه­سازی شد. بدین­منظور هیدروگراف سیل حاصل از رگبارهای طراحی با دوره بازگشت­های مختلف در حالت­های قبل و بعد از اجرای سازه­های آبخیزداری با یکدیگر مقایسه شد. نتایج نشان داد که بندهای اصلاحی احداث شده به وضوح دبی پیک و حجم سیلاب­های منطقه را کاهش داده است. بر اساس نتایج حاصل احداث سازه­های اصلاحی باعث کاهش دبی اوج، افزایش زمان پایه هیدروگراف و افزایش زمان تا اوج هیدروگراف در دوره بازگشت­های مختلف شده است. به­طوری­که برای دوره بازگشت­های 5، 10، 20، 50 و 100 ساله دبی اوج به­ترتیب از 6/0 به 3/0، 9/4 به 7/2، 4/9 به 1/5، 6/14 به 0/8 و 4/22 به 4/12 متر مکعب بر ثانیه کاهش یافته است. همچنین زمان پایه هیدروگراف برای دوره بازگشت­های ذکر شده به ترتیب از 8/6 به 2/11، 3/9 به 0/16، 2/10 به 5/17، 5/10 به 5/18 و 8/10 به 3/29 ساعت افزایش یافته است. میزان تأخیر در زمان تا اوج برای هیدروگراف­ها در اثر احداث سازه­ها نیز حدود 5/3 ساعت بوده است. میزان آورد کل حوضه مورد مطالعه بر اساس محاسبات معادل 51/1 میلیارد مترمکعب و حجم رواناب مازاد بر ظرفیت خالی مخزن­ها در شرایط کنونی معادل 32/1 میلیارد مترمکعب برآورد شد.

          واژه‌های کلیدی: سدهای اصلاحی، دبی پیک، سیلاب، خاوه

1-مقدمه

با توجه به محدودیت و ثابت بودن میزان آب شیرین تجدیدپذیر در مناطق مختلف کره زمین، با افزایش جمعیت میزان سرانه آب شیرین قابل دسترس کاهش یافته است (Mirzavand et al., 2015). از طرفی با توسعه صنعت و تمدن بشر، میزان نیاز آبی انسان­ها نیز افزایش چشم‌گیری داشته است. از سوی دیگر، با وجود خشکسالی‌های شدید و کمبود جدی آب شیرین در کشور، هر ساله شاهد سیلاب‏های ویران­گر غیرطبیعی ناشی از تغییر کاربری اراضی و به­خصوص توسعه مناطق شهری هستیم که آثار زیان‌بار فراوانی در بخش‌های مهم عمرانی و اقتصادی کشور، از قبیل کشاورزی، دامداری، آب و برق، راه و ارتباطات، مسکن و منابع طبیعی و ... به جای می‌گذارد ( et al., 2021 Sayyad). در 40 سال گذشته بیشتر از 3700 واقعه سیل در کشور به ثبت رسیده است که از این بین 52 درصد آن مربوط به 10 سال اخیر است (Saraie et al., 2020). ایران در سیل سال 1397 و 1398 از بین 31 استان در کشور، 25 استان دچار سیل شده و 235 شهر خسارت دیده­اند (Zayyari et al., 2020). بیشترین تعداد سیل در بین شهرستان­های استان اصفهان مربوط به شهرستان­های اصفهان، اردستان و کاشان بوده است. در سال‏های اخیر با افزایش جمعیت و نتیجتاً با افزایش درخواست برای آب، میزان برداشت از منابع آب موجود در حوضه‌های آبخیز افزایش یافته و این امر موجب کاهش کمیت و کیفیت منابع آب، تخریب سرزمین و کاهش کیفیت آب و هوا شده است (Gain & Wada 2014)، ولی با گذشت زمان و حادتر شدن شرایط، همه مردم و دولت‌ها خواستار توقف روند تخریب هستند(Werner, 2013). در کشورهای توسعه یافته و به طور کم رنگ‌تر در کشورهای در حال توسعه، بسیاری از ساکنان حوضه‌های آبخیز با ایجاد تشکل‌های مردمی به سازمان‏هایی جهت محافظت از منابع طبیعی تبدیل شده‌اند و در پاسخ به فعالیت‌های عمومی، دولت‌ها نیز در حمایت از تلاش‌های محلی برای حفاظت از منابع طبیعی تلاش می‌کنند. در این بین سازمان­دهی تلاش‌ها در بخش‌های دولتی و مردمی نقش حیاتی در موفقیت فعالیت‌ها دارد و این مهم از طریق مدیریت استراتژیک حوضه‌های آبخیز، استفاده از متخصصان علمی و فنی موجود در ارگان‏های دولتی و غیردولتی و استفاده صحیح و به­جا از منابع محقق می‌شود (Alemu, 2016).

اجرای طرح­های آبخیزداری نقطه شروع حفاظت از منابع طبیعی هستند که ضمن تعدیل اثرات تغییرات اقلیمی و کنترل رواناب­های حاصل از بارندگی­های شدید، باعث اصلاح خصوصیات هیدرولوژیک حوضه­های آبخیز و جلوگیری از تخریب منابع ملی می­شوند (Ahmadipour & Yasi 2014). با ارزیابی کمی این طرح­ها می­توان میزان بازدهی این عملیات را در حوضه­های آبخیز بررسی نمود. بنابراین به منظور درک میزان اثربخشی طرح­های آبخیزداری اجرا شده در حوضه، باید این عملیات مورد ارزیابی قرار گیرد تا بتوان بر اساس نتایج به دست آمده ضمن تعیین راندمان این عملیات، در خصوص اجرای طرح­های مشابه در سایر حوضه­های آبخیز نیز تصمیم­گیری نمود. در مورد تأثیر احداث سدهای اصلاحی¹ بر بیلان آبی حوضه­های آبخیز مطالعات مختلفی در سطح جهان انجام شده است.Gain & Wada (2014)  در مطالعه­ای تأثیر سد فاراککا² را بر آستانه رژیم جریان هیدرولوژیک حوضه رودخانه گنگ³ مورد ارزیابی قرار دادند. آنها آستانه جریان را با استفاده از بیست و دو پارامتر محدوده تغییرپذیری⁴ محاسبه نمودند. در ادامه با مقایسه پارامترهای آستانه در دوره قبل از احداث سد (از سال 1934 تا 1974) و دوره پس از احداث سد (1975-2005) تأثیر سد بر جریان رودخانه را محاسبه نمودند. نتایج نشان داد که با توجه به انحراف آب توسط سد، پارامترهای آستانه مختلف از جمله میانگین ماهانه فصل خشک و حداقل جریان سالانه، به طور قابل توجهی تغییر یافته­است. Li et al. (2017) تغییرات رژیم جریان حاصل از ساخت سدها را در حوضه رودخانه مکونگ⁵ مورد بررسی قرار دادند. آنها داده‌های جریان را به سه دوره تقسیم کردند. دوره قبل از تأثیر (۱۹۶۰ - ۱۹۹۱)، دوره انتقال (۱۹۹۲ - ۲۰۰۹) و دوره پس از تأثیر (۲۰۱۰ - ۲۰۱۴). رژیم‌ جریان را با استفاده از معیارهای flow eco- و شاخص‌های تغییر هیدرولوژیک مورد بررسی قرار دادند. بر طبق نتایج این تحقیق ساختن و پر شدن سدهای بالادست، جریان سالیانه را در ایستگاه چیانگ سائن⁶ کاهش داد، در حالی که هیچ اثر مشخصی در ایستگاه پایین ‌دست ترنگ⁷ نداشت. ساخت سدها جریان رودخانه را در فصول مرطوب کاهش داده و در فصل‌های خشک افزایش داده­است، که منجر به تغییرات فصلی جریان رودخانه در ایستگاه هیدرومتری چیانگ⁸ در سال ۲۰۱۰ تا سال ۲۰۱۴ می­شود. در دوره انتقال تغییرات آب و هوایی جریان سالیانه را 29/28 درصد تغییر داده در حالی که فعالیت‌های انسانی در دوره پس از تأثیر جریان سالیانه را 88/61 درصد تغییر داده­است Sultan et al. (2017) اثر احداث سدهای اصلاحی بر کاهش دبی اوج سیلاب در حوضه آبخیز منشاد یزد را مورد مطالعه قرار دادند و بیان نمودند که نتایج شبیه سازی تأثیر سازه­ها بر کاهش دبی اوج به طور متوسط 82/9 درصد و بر حجم سیل 75/7 درصد بوده­است. از طرفی با افزایش دوره بازگشت سیلاب، تأثیر سازه­ها بر کاهش دبی اوج و حجم سیلاب کاهش یافته­است. 

 Lu et al. (2018)برای بررسی اثرات ساخت سدهای کوتاه بر روی تغییرات هیدرولوژیک دو رودخانه در حوضه جیولونگ⁹ از مدل هیدرولوژیک GBHM و روشpost bias correction method استفاده کردند. نتایج مطالعه آنها نشان داد که در رودخانه غربی شاخص­هایی همچون جریان پایه، حداقل جریان چند روزه و زمان دبی­های حداکثر افزایش یافته و حداکثر جریان چند روزه و تعداد دبی­های کم کاهش یافته­است. همچنین در رودخانه شمالی تعداد دبی­های کم افزایش و شاخص­های حداقل جریان چند روزه و زمان دبی­های کم کاهش یافته­است. Sultan et al. (2017) به منظور بررسی تأثیر عملیات حفاظت آب و خاک بر میزان رواناب در اتیوپی حوضه­های جفتی کاسیری (با عملیات حفاظتی) و آکوستی (بدون عملیات حفاظتی) را در نظر گرفتند. سپس به منظور بررسی اثر سناریوهای مختلف عملیات حفاظتی بر میزان رواناب در حوضه کاسیری از مدل شماره منحنی استفاده کردند. نتایج نشان داد که رواناب دو حوضه متفاوت است. از سوی دیگر، نتایج پیش­بینی مدل نشان داد که تحت عملیات حفاظتی فعلی در کاسیری، میزان رواناب فصلی 2/5 درصد کاهش می­یابد. آنها نتیجه گرفتند که اگر باند­های خاکی در زمین­های تحت کشت و ترانشه­ها بر روی چراگاه­ها و زمین­های کشت شده نصب  شود، رواناب حوضه آبخیز کاسیری می­تواند به میزان 34 درصد کاهش یابد. در مقابل، اجرای اقدامات حفاظتی در زمین­های بوته­کاری و جنگل­های طبیعی تأثیر کمی در کاهش رواناب دارد.

به­طور کلی هدف از فرآیند مدیریت حوضه‌های آبخیز این است که به مردم محلی و بهره­برداران اطمینان داده شود که منابع آب و منابع مرتبط به آن به شکلی مدیریت می‌شود که در نهایت ضمن تأمین سلامت محیط زیست، منافع اجتماعی و اقتصادی ذی­نفعان را نیز فراهم خواهد کرد(Mengistu et al. 2022). در فرآیند مدیریت راهبردی تلاش می‌شود تا با شناسائی نقاط ضعف و نقاط قوت موجود در سیستم، از فرصت‌های موجود استفاده کرده، تهدیدها را به حداقل رسانده و در نهایت در حد امکان تهدیدها نیز به فرصت تبدیل شوند(Salehpour Jam et al. 2021). از جمله عوامل انسانی موثر بر فرایندهای هیدرولوژیک حوضه­های آبخیز، اجرای طرح­های مختلف مدیریتی و اصلاحی آبخیزداری است. هدف از انجام این مطالعه ارزیابی اثرات هیدرولوژیک سدهای اصلاحی احداث شده در حوضه آبخیز خاوه واقع در استان مرکزی بر سیل­خیزی حوضه مورد مطالعه است.

2- مواد و روش

2-1- موقعیت جغرافیایی حوضه آبخیز مورد مطالعه

حوضه آبخیز خاوه در مرکز ایران، جنوب استان مرکزی و شمال­غربی شهرستان کاشان واقع شده است. این حوضه، از نظر مختصات جغرافیایی در حد فاصل ʺ17 ʹ54 ˚50 تـا ʺ35 ʹ58 ˚50 طول شرقی و ʺ28 ʹ03 ˚34 تـا ʺ02 ʹ09 ˚39 عرض شمالی واقع شده است. مساحت، محیط و طول حوضه آبخیز خاوه به ترتیب برابر با 30/2819 هکتار، 80/38 کیلومتر و 12/11 کلیومتر است. لذا با توجه به تقسیم­بندی‏های متداول، حوضه آبخیز خاوه جزء حوضه­های کوچک محسوب می­شود. میزان بارش در فصل ‏‏های پا‏ییز، زمستان، بهار و پا‏ییز در منطقه به ترتیب برابر 9/24، 49/38، 88/33 و 73/2 درصد بوده است. در منطقه مورد مطالعه بیشترین بارش در فروردین ماه و کمترین میزان بارش درمرداد ماه ثبت شده است.

        2-2- روش تحقیق

در این مطالعه جهت برآورد میزان آبدهی حوضه آبخیز مورد مطالعه از رویکرد منطقه­ای و روش جاستین استفاده شد. بر اساس تعریف در رویکرد منطقه­ای، پیش‏بینی رواناب در حوضه­های فاقد آمار از طریق انتقال اطلاعات از حوضه دارای آمار به حوضه فاقد آمار انجام می‏شود. در این روش فرض بر این است حوضه‏های با خصوصیات فیزیکی مشابه پاسخ هیدرولوژیکی مشابهی دارند. بنابراین این کار، با انتقال پارامتر‏های بهینه از حوضه دارای آمار به ‏حوضه فاقد آمار و بر اساس شباهت فیزیکی بین دو حوضه صورت می­گیرد.

روش تجربی جاستین، یكی از روش­هایی است که برای تخمین آورد سالانه در حوضه­های فاقد ایستگاه هیدرومتری استفاده می‏شود. این روش بر پیش­فرض عملكرد مشابه ‏حوضه‏ها استوار است. در این روش ابتدا در منطقه مجاور محدوده مطالعاتی، ‏حوضه­ای که دارای ایستگاه هیدرومتری باشد در نظر گرفته می‏شود و بر اساس داده‏های آن حوضه، ضریب منطقه­ای K می‏شود .سپس با فرض نمودن ضریب منطقه­ای K برای حوضه فاقد آمار، ارتفاع رواناب سالانه آن حوضه نیز به دست می­آید. با توجه به بررسی­های انجام شده، ایستگاه هیدرومتری بن­رود در منطقه دارای آمار کامل بود و طول دروره آماری داده­های موجود برای این ایستگاه نیز در برگیرنده طول دوره آماری داده­های هواشناسی استفاده شده در این مطالعه بود. بنابراین، این ایستگاه به عنوان ایستگاه مبنا برای محاسبه آورد حوضه آبخیز خاوه با استفاده از روش جاستین انتخاب شد. با قرار دادن مشخصات زیرحوضه­های حوضه آبخیز خاوه و ضریب K به­دست آمده در رابطه جاستین با استفاده از آمار ایستگاه بن رود، ارتفاع رواناب حوضه آبخیز خاوه به­دست آمد و بر اساس آن حجم رواناب و دبی متوسط سالانه محاسبه شد. برآورد مقدار سیلاب حداکثر حوضه‏های آبخیز، بخش مهمی از مطالعات هیدرولوژی در بررسی عملکرد فعالیت­های آبخیزداری است. در این ارتباط لازم است تأثیر اجرای عملیات آبخیزداری به­خصوص فعالیت­های سازه­ای بر تغییرات هیدروگراف سیل برای دوره‌های بازگشت­های مختلف در قبل و بعد از انجام عملیات آبخیزداری، مشخص شود. به منظور برآورد تغییرات دبی پیک سیل و شکل هیدروگراف می­توان از مدل­های هیدرولوژیکی استفاده کرد.

 در مطالعة حاضر با استفاده از مدل HEC-HMS وضعیت سیل­خیزی حوضه آبخیز خاوه شبیه­سازی شد. بدین­منظور هیدروگراف سیل حاصل از رگبارهای طراحی با دوره بازگشت­های مختلف در حالت­های قبل و بعد از اجرای سازه­های آبخیزداری با یکدیگر مقایسه شد. بر اساس مطالعات انجام شده وقتی سدهای احداثی روی آبراهه­ها از رسوب پر شود، شیب آبراهه اصلی به شیب حد (معادل یک دوم شیب آبراهه قبل از احداث سازه) می­رسد و با عنایت به این­که تقریبا همه سدهای احداث شده روی دو آبراهه موجود در حوضه خاوه تقریباً از رسوب پر شده­اند، در این مطالعه نیز زمان تمرکز برای حالتی که شیب آبراهه به نصف رسیده است محاسبه و هیدروگراف سیلاب بر اساس این شیب شبیه­سازی شد. در این حالت زمان تاخیر حوضه دو برابر حالت قبل از احداث سازه­ها شده است. مقادیر زمان تأخیر محاسبه شده برای زمان قبل و بعد از اجرای عملیات اصلاحی در جدول (1) ارائه شده است. براي آماده­سازي داده­هاي ورودي مدل HMS-HEC، شماره منحنی (CN) متوسط وزنی زیرحوضه­ها، با تلفیق نقشه کاربري اراضی و گروه هیدرولوژیکی خاك و با استفاده از جدول تعیین شماره منحنی به­دست آمد. همچنین مقادیر CN هر یک از زیرحوضه­ها و حوضه آبخیز خاوه نیز در جدول (1) ارائه شده است.

جدول 1. شماره منحنی، زمان­های تمرکز و تاخیر حوضه آبخیز خاوه در قبل و بعد از احداث سازه­ها

Table 1. Curve number, concentration times, and lag times of Khaveh watershed before and after construction of structures

زمان تاخیر ( دقیقه)		CN	نام واحد کاری
بعد از احداث سازه­ها	قبل از احداث سازه­ها
84/195	93/97	62/80	Kh1
8/109	94/54	66/80	Kh2
38/53	97/31	39/83	Khint
46/273	74/118	82/80	کل حوزه آبخیز

برای تعیین میزان بارش طرح در زمانی معادل زمان تمرکز ‏حوضه برای دوره بازگشت‏های مختلف از منحنی‏های شدت مدت فراوانی استفاده شد و مقدار بارش طرح با توجه به تداوم آن و دوره بازگشت آن مشخص گردید. با توجه به نتایج بررسی های فیزیوگرافی، زمان تمرکز ‏حوضه و زیرحوضه­های خاوه معادل مقدار محاسبه شده از روش برانسبی - ویلیامز در نظر گرفته شد تا همه ‏حوضه را پوشش دهد. میزان بارش در دوره بازگشت‏های مختلف و برای زمان تمرکز 298/3 ساعت برای ‏کل حوضه آبخیز خاوه در نظر گرفته شد (جدول 2).

جدول 2. بارش با دوره بازگشت­های مختلف در زمانی معادل زمان تمرکز حوضه آبخیز خاوه 

Table 2. Precipitation with different return periods at times equivalent to concentration times of Khaveh watershed

دوره بازگشت (سال)	5	10	20	50	100
ارتفاع بارش (mm)	19/16	37/24	76/29	91/34	53/41

 

پس از به­دست آوردنارتفاع بارش با تداوم برابر با زمان تمرکز در دوره بازگشت­هاي مختلف، به­منظور توزیع زمانی بارش طرح از الگوي توزیع زمانی بارش مناطق خشک و نیمه­خشک استفاده شد و بر این اساس هایتوگراف بارش برای ورود به مدل تهیه گردید.سپس با استفاده از مقادیر به­دست آمده بارش طرح، مدل HEC-HMS اجرا شد و هیدروگراف سیل در دوره بازگشت­هاي 5 تا 100 سال براي هر یک از شرایط قبل و بعد از انجام اقدامات آبخیزداري حاصل شد و میزان تغییر دبی اوج و حجم سیلاب و در نتیجه اثربخشی اقدامات صورت گرفته بر هیدروگراف سیل حوضه مورد مقایسه و بررسی قرار گرفت.

3- نتایج و بحث

3-1- برآورد حجم رواناب سالانه

دبی متوسط زیرحوضه‏های Kh1، Kh2 و Khint ( شکل 1) بر اساس روش جاستین به ترتیب برابر 15/36، 16/9 و 43/2 لیتر بر ثانیه و حجم رواناب سالانه زیر حوضه­ها به ترتیب برابر 14/1، 29/0 و 08/0 میلیون متر مکعب برآورد شده است. حجم رواناب سالانه کل حوضه آبخیز خاوه برابر با 51/1 میلیون مترمکعب برآورد می‏شود. دبی متوسط سالانه برای کل حوضه آبخیز خاوه معادل 50/47 لیتر بر ثانیه برآورد شده است.

 

شکل 1. زیر حوضه­های حوضه آبخیز خاوه

Fig 1. Sub-basins of the Khaveh watershed

 

3-2- برآورد دبی پیک سیلاب

پس از محاسبه دبی پیک سیلاب زیرحوضه‏های حوضه آبخیز خاوه، هیدروگراف سیل هر زیر حوضه و کل حوضه آبخیز خاوه بر اساس بارش طرح با دوره بازگشت­های مختلف، از روش SCS با استفاده از مدل HEC-HMS شبیه­سازی شد. شکل­(2) خروجی مدل حوضه آبخیز خاوه برای بارش طرح با دوره بازگشت 50 سال (91/34 میلیمتر) در وضعیت کنونی (بعد از احداث سازه­ها) را نشان می­دهد.

شکل 2. هیدروگراف سیل خروجی حوضه آبخیز خاوه برای دوره بازگشت 50 سال با وجود سدهای اصلاحی

Fig 2. Flood hydrograph for a 50-year return period in Khaveh watershed with existing corrective dams

بر اساس نتایچ حاصل، برای یک بارش 91/34 میلیمتری (بارش طرح در دوره بازگشت 50 سال)، حجم کل رواناب حاصل از این بارش 984 هزار مترمکعبی برابر 5/177 هزار مترمکعب برآورد شده که معادل 3/6 میلیمتر است. بنابراین ضریب رواناب نیز برای کل حوضه 18 درصد به دست آمد.

3-3- بررسی تأثیر سدهای اصلاحی بر بیلان

با توجه به ظرفیت ذخیره­سازی موقت آب توسط سدهای اصلاحی و کاهش شیب در آبراهه­هایی که روی آن سدها احداث شده­اند، دبی در هیدروگراف سیل در نقطه خروجی حوضه­ها کاهش می­یابد. به­منظور ارزیابی تأثیر سدهای اصلاحی، هیدروگراف سیل برای بارش­های با تداومی برابر با زمان تمرکز حوضه در دوره بازگشت­های مختلف در حالت قبل و بعد از احداث سازه­ها (با فرض زمان تاخیر دو برابر حالت قبل از احداث)، با استفاده از مدل HEC-HMS شبیه­سازی شد. شکل (3) هیدروگراف­های خروجی مدل برای دوره بازگشت­های 100 ساله را در حالت­های قبل و بعد از احداث سازه­ها را نشان می­دهد.

شکل 3- هیدروگراف سیل برای حالت قبل و بعد از احداث سدهای اصلاحی

Fig 3. Flood hydrograph comparison for pre- and post-construction states of corrective dams

بر اساس نتایج حاصل احداث سازه­های اصلاحی باعث کاهش دبی اوج، افزایش زمان پایه هیدروگراف و افزایش زمان تا اوج هیدروگراف در دوره بازگشت­های مختلف شده است. به­طوری­که برای دروه بازگشت­های 5، 10، 20، 50 و 100 ساله دبی اوج به­ترتیب از 6/0 به 3/، 9/4 به 7/2، 4/9 به 1/5، 6/14 به 0/8 و 4/22 به 4/12 متر مکعب بر ثانیه کاهش یافته است. همچنین زمان پایه هیدروگراف برای دوره بازگشت­های ذکر شده به ترتیب از 8/6 به 2/11، 3/9 به 0/16، 2/10 به 5/17، 5/10 به 5/18 و 8/10 به 3/29 افزایش یافته است (شکل­های 4 و 5). میزان تأخیر در زمان تا اوج برای هیدروگراف­ها در اثر احداث سازه­ها حدود 5/3 ساعت بوده است. این نتایج با نتایج Sultan et al. (2017) مبنی بر اثر احداث سدهای اصلاحی بر کاهش دبی اوج سیلاب در حوضه آبخیز منشاد یزد همخوانی دارد.

        شکل 4- تغییرات دبی اوج هیدروگراف سیل حوضه آبخیز خاوه برای دوره بازگشت­های مختلف قبل و بعد از احداث سدهای اصلاحی

Fig 4. Peak flow changes in flood hydrograph of Khaveh watershed for different return periods before and after construction of corrective dams

 

شکل 5- تغییرات زمان پایه برای دوره بازگشت­های مختلف قبل و بعد از احداث سدهای اصلاحی

Fig 5. Base time changes for different return periods before and after construction of corrective dams

 

 

 

 

3-4- تأثیر سدهای اصلاحی روی حجم سیلاب 

به منظور برری تأثیر احداث سدهای اصلاحی در حوضه آبخیز خاوه حجم مخزن سدها در دو سناریو خالی بودن کامل سدها و وضعیت کنونی (رسوب­گیری شده) مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور حجم آورد ماهانه هر یک از زیرحوضه­ها محاسبه شد و با فرض این­که تا ماه بعد رواناب ذخیره شده پشت سد نفوذ کرده یا تخلیه شده است، حجم سیلاب خروجی هر یک از زیرحوضه­ها محاسبه شد (حجم آورد ماهانه حوضه منهای مجموع حجم مخزن سدها). بر اساس محاسبات فصل سوم در گزارش شماره 2 حجم کل مخزن سدهای احداث شده روی آبراهه 1 (زیرحوضه Kh1) در حالتی که هیچ رسوبی تله­اندازی نشده بود (زمان احداث) برابر 99/19 هزار مترمکعب و در وضعیت کنونی رسوب­گیری شده) 77/0 هزار متر مکعب محاسبه شد. برای آبراهه شماره 2 (زیرحوضه Kh2) حجم مخزن خالی پشت سدها برابر 98/46 هزار مترمکعب و در وضعیت فعلی برابر 52/12 هزار مترمکعب محاسبه شد. با توجه به این­که روی آبراهه شماره 3 (زیرحوضه Khint) هیچ­گونه سد اصلاحی احداث نشده است، کل آورد آن به عنوان دبی خروجی از این زیرحوضه درنظر گرفته شد (جدول 3).

جدول 3. آورد ماهانه زیر حوضه­های حوضه آبخیز خاوه (هزار مترمکعب)

Table 3. Monthly discharge of sub-basins in Khaveh watershed (Thousand cubic meters)

Khint	Kh2				Kh1				ماه­ها
	حجم مازاد بر ظرفیت مخازن		حجم رواناب	حجم مازاد بر ظرفیت مخازن			حجم رواناب
حجم رواناب	وضعیت کنونی	سناریو خالی بودن مخزن		وضعیت کنونی		سناریو خالی بودن مخزن
80/4	87/4	59/29-	39/17	58/67		36/48	35/68	مهر
91/6	53/12	93/21-	05/25	69/97		47/78	46/98	آبان
52/9	98/21	48/12-	50/34	86/134		64/115	63/135	آذر
74/12	66/33	80/0-	18/46	76/180		54/161	53/181	دی
25/11	27/28	19/6-	79/40	56/159		34/140	33/160	بهمن
63/6	52/11	94/22-	04/24	71/93		49/74	48/94	اسفند
94/4	38/5	08/29-	90/17	61/69		39/50	38/70	فروردین
50/4	79/3	67/30-	31/16	34/63		12/44	11/64	اردیبهشت
39/4	38/3	08/31-	90/15	72/61		50/42	49/62	خرداد
90/4	24/5	22/29-	76/17	03/69		81/49	80/69	تیر
78/3	18/1	28/33-	70/13	07/53		85/33	84/53	مرداد
19/4	68/2	78/31-	20/15	99/58		77/39	76/59	شهریور
54/78	46/134	06/279-	70/284	91/1109		27/879	15/1119	مجموع

 

بر اساس نتایج حاصل از جدول 3 حجم کل آورد زیرحوضه Kh1 برابر با 2/1 میلیون مترمکعب بوده است که از این میزان حدود 240 هزار متر مکعب به وسیله سدهای اصلاحی در سناریو خالی بودن مخزن کنترل شده و حدود 879 هزار مترمکعب از این زیرحوضه به پایین­دست تخلیه شده است. در وضعیت کنونی که تقریباً کلیه سدهای احداثی روی این آبراهه از رسوب پر شده است حجم مخازن خالی باقی­مانده در مجموع 24/9 هزار متر مکعب براورد شده و بنابراین خروجی این زیرحوضه در حالت کنونی حدود 1/1 میلیون مترمکعب است.et al.(2017)  Li در مطالعه­ای اثر احداث سدهای اصلاحی بر روی رواناب و بار رسوبی حوضه هوانگ فوچوان¹⁰ در ميانه رودخانه زرد را مورد بررسی قرار دادند. براي شبيه­سازي رواناب ماهانه و بار رسوبي در سال­های 1990 تا 2012 از مدل SWAT استفاده کردند. نتایج نشان داد که در طول دوره 1990 تا 1999 رواناب و رسوب سالانه به ترتیب 8/24 و 7/27 درصد کاهش یافته است در حالی که در سال­های 2000 تا 2012 رواناب 2/65 درصد و رسوب 3/78 درصد کاهش داشته­است.

در زیرحوضه Kh2 حجم کل آورد سالانه زیرحوضه معادل 70/284 هزار متر مکعب و حجم مخازن سدها در حالت خالی بودن برابر 76/563 هزار مترمکعب برآورد شده ات و بنابراین در حالت خالی بودن مخازن حجمی معادل 06/279 هزار مترمکعب مازاد بر آورد حوضه وجود دارد. حجم آورد این زیرحوضه در حالت کنونی که تقریبا مخازن بیشتر سدها پر شده است معادل 46/134 هزار مترمکعب برآورد شده است. حجم کل آورد زیرحوضه Khint نیز که هیچ سدی روی آن احداث نشده معادل 54/78 هزار مترمکعب برآورد شده است.

میزان آورد کل حوضه بر اساس محاسبات معادل 51/1 میلیون مترمکعب و حجم رواناب مازاد بر ظرفیت خالی مخزن­ها در شرایط کنونی معادل 32/1 میلیون مترمکعب برآورد گردید. به­عبارتی 2/0 میلیون مترمکعب از رواناب کل حوضه می­تواند در پشت مخازن سد­ها ذخیره شود. باید توجه داشت که اگرچه ظرفیت حجمی مخازن به­دلیل پر شدن بیشتر سدها ناچیز است ولی سدها در تعدیل جریان و کاهش دبی پیک نقش اصلاحی خود را به طور کامل ایفا می­کنند.

4- نتيجه­گیري

بر اساس نتایج حاصل، احداث سازه­های اصلاحی باعث کاهش دبی اوج، افزایش زمان پایه هیدروگراف و افزایش زمان تا اوج هیدروگراف در دوره بازگشت­های مختلف شده است. به­طوری­که برای دروه بازگشت­های 5، 10، 20، 50 و 100 ساله دبی اوج به­ترتیب از 6/0 به 3/، 9/4 به 7/2، 4/9 به 1/5، 6/14 به 0/8 و 4/22 به 4/12 متر مکعب بر ثانیه کاهش یافته است. همچنین زمان پایه هیدروگراف برای دوره بازگشت­های ذکر شده به ترتیب از 8/6 به 2/11، 3/9 به 0/16، 2/10 به 5/17، 5/10 به 5/18 و 8/10 به 3/29 افزایش یافته است. میزان تأخیر در زمان تا اوج برای هیدروگراف­ها در اثر احداث سازه­ها حدود 5/3 ساعت بوده است.

5-  تضاد منافع نویسندگان

 

نویسندگان این مقاله اعلام می‌دارند که هیچ تضاد منافعی در رابطه با نویسندگی و یا انتشار این مقاله ندارند.

 

6- مراجع

Ahmadipour, Z., & Yasi, M. (2014). Evaluation of Eco-hydrology-hydraulics methods for environmental flows in rivers (Case study: Nazloo River, Urmia Lake Basin). Journal of Hydraulics, 9(2), 69-82. https://doi.org/10.30482/jhyd.2014.8561. (In Persian)

Alemu, M. M. (2016). Integrated watershed management and sedimentation. Journal of Environmental Protection, 7(4), 490-494.

Gain, A. K., & Wada, Y. (2014). Assessment of future water scarcity at different spatial and temporal scales of the Brahmaputra River Basin. Water Resources Management, 28, 999-1012.

Li, D., Long, D., Zhao, J., Lu, H., & Hong, Y. (2017). Observed changes in flow regimes in the Mekong River basin. Journal of Hydrology, 551, 217-232.

Lu, W., Lei, H., Yang, D., Tang, L., & Miao, Q. (2018). Quantifying the impacts of small dam construction on hydrological alterations in the Jiulong River basin of Southeast China. Journal of Hydrology, 567, 382-392.

Mengistu, F., & Assefa, E. (2022). Local perception of watershed degradation in the upper Gibe basin, southwest Ethiopia: implications to sustainable watershed management strategies. International Journal of River Basin Management, 20(2), 235-254.

Mirzavand, M., Ghasemieh, H., Sadatinejad, S., Akbari, M. (2015). Comparison of artificial neural network (ANN) and multi variable regression analysis (MRA) models to predict ground water quality changes (Case study: Kashan Aquifer. Water and Soil Science, 25(2), 207-220. (In Persian)

Salehpour Jam, A., Mosaffaie, J., & Tabatabaei, M. R. (2021). Management responses for Chehel-Chay watershed health improvement using the DPSIR framework. Journal of Agricultural Science and Technology, 23(4), 797-811.

Saraie, B., Talebi, A., Mazidi, A., & Parvizi, S. (2020). Prioritization of Sardab-Rood watershed from flooding viewpoint using the SWAT model. Journal of Natural Environmental Hazards, 9(23), 85-98. https://doi.org/10.22111/jneh.2019.29033.1500. (In Persian)

Sayyad, D., Ghazavi, R., & Omidvar, E. (2021). Preparation and analysis of flood risk map using HEC RAS and RAS MAPPER hydraulic model (Case study: Sok Cham river of Kashan). Journal of Geography and Environmental Hazards, 10(3), 19-37. https://doi.org/10.22067/geoeh.2021.69554.1038. (In Persian)

Sultan, D., Tsunekawa, A., Haregeweyn, N., Adgo, E., Tsubo, M., Meshesha, D. T., .. & Ebabu, K. (2017). Analyzing the runoff response to soil and water conservation measures in a tropical humid Ethiopian highland. Physical Geography, 38(5), 423-447.

Werner, A. D., Bakker, M., Post, V. E., Vandenbohede, A., Lu, C., Ataie-Ashtiani, B., ... & Barry, D. A. (2013). Seawater intrusion processes, investigation and management: Recent advances and future challenges. Advances in Water Resources, 51, 3-26.

Zayyari, K., Ebrahimipoor, M., Pourjafar, M. R., & salehi, E. (2020). Explaining strategies for increasing physical resilience against flood case study: Cheshmeh Kile River, Tonekabon River. Sustainable City, 3(1), 89-105. https://doi.org/10.22034/jsc.2019.186626.1014. (In Persian)

 

55

 

---

[1]  check dams

[2]  Farakka

[3]  Ganges

[4]  RVA

[5]  Mekong

[6]  Saen

[7]  Treng

[8]  Chiang

[9]  Jiulong

[10]  Huangfuchuan