نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• حمیدرضا باباعلی ¹
• مصطفی اکبری خیر آبادی ²
• تورج سبزواری ²

¹ گروه مهندسی عمران، واحد خرم آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، خرم آباد، ایران

² گروه مهندسی عمران، واحد استهبان، دانشگاه آزاد اسلامی، استهبان، ایران

چکیده

مقدمه
تخمین سیلاب حوزه‌های آبخیز بدون آمار برای طراحی سازه‌های هیدرولیکی بسیار حائز اهمیت است. جریان کل سیلاب در حوزه‌های آبخیز از دو بخش جریان سطحی و زیرسطحی تشکیل شده است. در حوضه‌های با نفوذپذیری بالا جریان زیرسطحی سهم مهمی در رواناب کل حوضه دارد و در این موضوع تحقیقات کمی انجام شده است. مکانیسم رواناب در حوضه‌ها به دو شکل مکانیسم هورتونی که خاک از بالا اشباع می‌شود و مکانیسم دانی بلاک که خاک از زیر اشباع می‌شود و در این تحقیق از مکانیسم دانی بلاک استفاده شده است.
 
مواد و روش‌ها
یکی از روش‌های پیش‌بینی هیدروگراف جریان سطحی و زیرسطحی حوضه‌ها، استفاده از روش هیدروگراف واحد لحظه‌ای ژئومورفولوژیک بر اساس اطلاعات ژئومورفولوژیک حوضه‌های فاقد آمار است. اطلاعات ژئومورفولوژیکی حوضه‌ها با استفاده از نرم‌افزار ArcGIS و الحاقیه‌های هیدرولوژیکی محاسبه می‌شوند. روش GIUH، قابلیت جداسازی جریان سطحی و زیرسطحی را از کل جریان دارد. مدل GIUH در تحقیقات گذشته بیشتر برای تخمین جریان سطحی استفاده ‌شده است، لذا معادلات این مدل گسترش یافته تا بتوان هیدروگراف جریان زیر سطحی کل حوضه را تخمین زد. در این پژوهش از مدل GIUH برای تخمین جریان سطحی و زیرسطحی دو حوضه کسیلیان در ایران و حوضه گاجاس در کشور هند استفاده شد.
 
نتایج و بحث
مدل هیدروگراف واحد لحظه‌ای ژئومورفولوژیکی (GIUH) ارائه‌ شده در این پژوهش و برای تحلیل جریان سطحی و زیرسطحی دو حوضه کسیلیان (ایران) و گاجاس (هند) به‌کار گرفته شد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی برای چهار رویداد بارندگی-رواناب در هر دو حوضه نشان داد که مدل توانایی مناسبی در تخمین هیدروگراف کل و مؤلفه‌های آن دارد. مقایسه دبی‌های پیک برآوردی و مشاهده‌ای در حوضه کسیلیان نشان داد که مقدار دبی پیک شبیه‌سازی‌شده در تاریخ ۱۰ می ۱۹۹۲ برابر با 10.1 مترمکعب بر ثانیه بوده، درحالی‌که مقدار مشاهده‌ای آن 11.8 مترمکعب بر ثانیه است. این اختلاف در دیگر رویدادها نیز در محدوده سه تا ۱۶ درصد قرار داشت که نشان‌دهنده دقت قابل‌قبول مدل در تخمین رواناب است. در حوضه گاجاس، مقدار حداکثر دبی کل جریان بین ۴۴ تا ۱۱۰ مترمکعب بر ثانیه متغیر بود و جریان زیرسطحی حدود پنج تا شش درصد از کل جریان را تشکیل می‌داد. در حوضه کسیلیان، مقدار دبی کل بین 1.6 تا ۱۲ مترمکعب بر ثانیه و مقدار دبی پیک جریان زیرسطحی بین ۳۵ تا ۶۰ لیتر بر ثانیه برآورد شد. بررسی ارتباط بین میزان بارندگی و دبی پیک جریان زیرسطحی نشان داد که کاهش بارندگی منجر به کاهش دبی پیک جریان زیرسطحی شده است. تحلیل حساسیت مدل نشان داد که ضریب هدایت هیدرولیکی خاک یکی از مؤثرترین پارامترها بر روی شبیه‌سازی جریان زیرسطحی است. در خاک‌های با ضریب هدایت هیدرولیکی بالا، جریان زیرسطحی سهم بیشتری از کل جریان را تشکیل داده و زمان تأخیر هیدروگراف افزایش می‌یابد. برای نمونه، در صورتی که ضریب هدایت هیدرولیکی خاک حوضه کسیلیان از 0.0025 به 0.0009 متر بر ثانیه کاهش یابد، مقدار دبی پیک جریان زیرسطحی از 0.35 به 1.3 مترمکعب بر ثانیه افزایش خواهد یافت. همچنین، بررسی تأثیر ضریب مانینگ صفحات نشان داد که کاهش مقدار این ضریب از 0.2 به 0.4، موجب کاهش ۳۱ درصدی مقدار دبی پیک سیلاب می‌شود. این یافته‌ها بر اهمیت ویژگی‌های هیدرولوژیکی و ژئومورفولوژیکی حوضه در برآورد دقیق رواناب و طراحی سازه‌های کنترل سیلاب تأکید دارد.
 
نتیجه‌گیری
در این پژوهش، مدل هیدروگراف واحد لحظه‌ای ژئومورفولوژیکی (GIUH) برای تخمین رواناب سطحی و زیرسطحی در دو حوضه کسیلیان (ایران) و گاجاس (هند) ارزیابی شد. نتایج نشان داد که مدل دقت مناسبی در برآورد دبی پیک دارد، به‌طوری که خطای تخمین در کسیلیان بین سه تا ۱۶ درصد و در گاجاس بین 1.6 تا ۱۲ درصد بود. همچنین، جریان زیرسطحی در حوضه‌های با نفوذپذیری بالا سهم قابل‌توجهی دارد و در حوضه گاجاس به‌طور میانگین پنج تا شش درصد از کل جریان را تشکیل داد. تحلیل حساسیت نشان داد که افزایش ضریب هدایت هیدرولیکی، پیک جریان زیرسطحی را افزایش می‌دهد، درحالی‌که کاهش ضریب مانینگ صفحات موجب افزایش پیک سیلاب شد. این یافته‌ها اهمیت ویژگی‌های ژئومورفولوژیکی و هیدرولوژیکی را در مدل‌سازی رواناب تأیید می‌کند. درنهایت، مدل GIUH می‌تواند ابزار مناسبی برای مدیریت سیلاب و ارزیابی پاسخ هیدرولوژیکی حوزه‌های آبخیز باشد.

کلیدواژه‌ها

• پیک جریان
• حوضه کسیلیان
• رواناب زیرسطحی
• رواناب سطحی
• گاجاس

عنوان مقاله [English]

Estimating the surface and subsurface flow of catchments using geomorphological instantaneous unit hydrograph method

نویسندگان [English]

• Hamidreza Babaali ¹
• Mostafa Akbari Kheirabadi ²
• touraj sabzevari ²

¹ Department of civil Engineering, Khorramabad Branch, Islamic Azad University, Khoramabad, Iran

² Department of civil Engineering, Estahban Branch, Islamic Azad University, Estahban, Iran

چکیده [English]

Introduction
Flood estimation in ungauged watersheds is crucial for designing hydraulic structures. The total flood flow in watersheds consists of surface and subsurface flows. In highly permeable watersheds, subsurface flow significantly contributes to total runoff, yet limited studies have addressed this aspect. Runoff mechanisms in watersheds generally follow two models: the Hortonian mechanism, where the soil saturates from the top, and the Dunne mechanism, where saturation occurs from below. This study adopts the Dunne mechanism for runoff generation.
 
Materials and methods
One method for predicting surface and subsurface hydrographs in ungauged watersheds is the Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph (GIUH), which utilizes geomorphological data. These data were derived using ArcGIS and hydrological extensions. The GIUH model can separate surface and subsurface flow components. While previous studies have primarily used GIUH for surface flow estimation, the model equations were expanded in this study to estimate the total watershed subsurface hydrograph. The GIUH model was applied to estimate surface and subsurface runoff in two watersheds: Kasillian in Iran and Gagas in India.
 
Results and discussion
The proposed GIUH model was used to analyze surface and subsurface flows in the Kasillian (Iran) and Gagas (India) watersheds. Simulation results for four rainfall-runoff events in each watershed demonstrated that the model effectively estimated total hydrographs and their components. A comparison of estimated and observed peak discharges in the Kasillian watershed showed that the simulated peak discharge on May 10, 1992, was 10.1 m³/s, whereas the observed value was 11.8 m³/s. The error margin across different events ranged from 3% to 16%, indicating an acceptable model accuracy in runoff estimation. In the Gagas watershed, total peak discharge varied between 44 and 110 m³/s, with subsurface flow contributing approximately 5%–6% of the total flow. In the Kasillian watershed, total discharge ranged from 1.6 to 12 m³/s, while peak subsurface discharge was estimated between 35 and 60 L/s. The relationship between rainfall and subsurface peak discharge revealed that lower rainfall led to reduced subsurface peak discharge. Sensitivity analysis showed that hydraulic conductivity was one of the most influential parameters in subsurface flow simulation. In soils with high hydraulic conductivity, subsurface flow accounted for a larger portion of total flow, and the hydrograph lag time increased. For example, reducing the hydraulic conductivity in the Kasillian watershed from 0.0025 to 0.0009 m/s increased subsurface peak discharge from 0.35 to 1.3 m³/s. Additionally, reducing the Manning’s roughness coefficient from 0.2 to 0.4 resulted in a 31% decrease in flood peak discharge. These findings highlight the importance of hydrological and geomorphological characteristics in accurate runoff estimation and flood control structure design.
 
Conclusion
This study evaluated the GIUH model for estimating surface and subsurface runoff in the Kasillian (Iran) and Gagas (India) watersheds. Results showed that the model provided accurate peak discharge estimates, with estimation errors ranging from 3% to 16% in Kasillian and 1.6% to 12% in Gagas. The subsurface flow played a significant role in highly permeable watersheds, contributing 5%–6% of total runoff in the Gagas watershed. Sensitivity analysis revealed that increasing hydraulic conductivity led to higher subsurface peak discharge, whereas reducing the Manning’s coefficient increased flood peaks. These findings confirm the importance of geomorphological and hydrological characteristics in runoff modeling. Ultimately, the GIUH model can serve as a useful tool for flood management and watershed hydrological response assessment.
 

کلیدواژه‌ها [English]

• Gagas
• Kasillian watershed
• Peak discharge
• Subsurface runoff
• Surface runoff