بررسی کارایی مدل SWMM در شبیه‌سازی و ارزیابی ظرفیت کانال‌های شهری کلات نادری جهت عبور جریان‌های سیلابی

جغرافیا و مخاطرات محیطی

مقاله 3، دوره 13، شماره 3 - شماره پیاپی 51، آبان 1403، صفحه 56-74   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/geoeh.2023.82144.1357

نویسندگان

زینت حصامی¹؛ محمدتقی دستورانی^{* 2}؛ فاطمه رضایی³

¹دانش‌آموخته کارشناسی ارشد علوم و مهندسی آبخیز، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

²استاد دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

³دکترای علوم و مهندسی آبخیز، کارشناس شرکت آب منطقه‌ای شهرستان کلات نادر، خراسان رضوی ایران

چکیده

توسعه شهری و صنعتی‌شدن جوامع و همچنین عدم وجود سیستم زهکشی مناسب و نابسامانی کانال‌ها و مسیل‌ها تأثیرات نامطلوبی بر حوزه‌های شهری داشته و سبب آبگرفتگی معابر سطح شهر و ایجاد سیلاب می‌گردد. در این تحقیق که در منطقه‌ای از شهر کلات انجام شد، ابتدا مشخصات فیزیکی حوزه (مساحت، شیب، عرض معادل، درصد مناطق نفوذناپذیر و سایر پارامترها) برآورد و پس از تعیین سرعت متوسط آب، زمان تمرکز منطقه موردمطالعه با توجه به طول بزرگ‌ترین آبگذر تعیین گردید. سپس با استفاده از پارامترهای بارندگی همچون شدت- مدت- فراوانی و توزیع زمانی و مکانی بارش مدل مذکور برای دوره بازگشت‌های مختلف شبیه‌سازی، آنالیز حساسیت و ارزیابی گردید. با انجام آنالیز حساسیت مشخص شد از بین 8 پارامتر استفاده شده بیشترین تأثیر را درصد مناطق نفوذناپذیر روی میزان دبی اوج دارد. برای واسنجی و ارزیابی مدل از 5 واقعه اندازه‌گیری شده استفاده شد و نتایج آن با دبی محاسبه شده توسط مدل مقایسه شد. سه واقعه برای واسنجی مدل استفاده شد و جهت تجزیه‌وتحلیل نتایج از عوامل معیار  Nash،RMSE ،BIAS% و KGE استفاده گردید. نتایج حاصل از واسنجی مدل نشان داد که شبیه‌سازی سه واقعه انتخاب شده انطباق خوبی بین رواناب شبیه‌سازی‌شده و مشاهده‌ای وجود دارد که مقدار NS برای وقایع بیشتر از 0.5 می‌باشد. دو واقعه نیز برای ارزیابی مدل استفاده شد و جهت تجزیه‌وتحلیل نتایج از عوامل معیار ذکر شده در مرحله واسنجی استفاده شد. همچنین مقادیر RMSE برای وقایع شبیه‌سازی حاصل از واسنجی مدل SWMM به ترتیب برابر 0.01، 0.003 و0.01 مترمکعب بر ثانیه و برای وقایع شبیه‌سازی حاصل از ارزیابی مدل 0.04،0.04 مترمکعب بر ثانیه شد که نشان‌دهنده‌ی نتایج قابل‌قبول مدل است. درنتیجه می‌توان گفت انطباق خوبی بین رواناب شبیه‌سازی‌شده و مشاهده‌ای وجود دارد و این موضوع نشان می‌دهد که مدل SWMM  دقت موردنیاز برای شبیه‌سازی رواناب شهری را دارد و می‌توان از این مدل برای طرح‌های مدیریت رواناب شهری و طراحی شبکه زهکشی رواناب شهری با تعیین اثرات مهم‌ترین پارامترهای تأثیرگذار بر میزان رواناب شهری در منطقه موردمطالعه استفاده نمود. با توجه به اینکه حوزه آبخیز بالادست منطقه مطالعاتی نفوذپذیری مناسبی داشته و همچنین وسعت زیادی ندارد کانال‌ها برای دوره بازگشت‌های 2 تا 50 ساله دارای ابعاد مناسب هستند.

کلیدواژه‌ها

رواناب شهری؛ مدل SWMM؛ سیستم زهکشی؛ تحلیل حساسیت؛ شبیه‌سازی بارش-رواناب؛ کالیبراسیون و ارزیابی

مراجع

Afshari Azad, M. R., & Pourkey, H. (2012). The Urban Morphology and Passages Flooding of Rasht City. Environmental Based Territorial Planing(Amayesh), 5(17), 25-40. [In Persian]

Ahmadzadeh, H., Saeedabadi, R., & Nouri, E. (2015). A Study and Zoning of the Areas Prone to Flooding with an Emphasis on Urban Floods (Case Study: City of Maku). Hydrogeomorphology, 2(2), 1-24. [In Persian] https://dorl.net/dor/20.1001.1.23833254.1394.2.2.1.0

Ainlou, F. (2014). The effect of land use change and urban development on runoff production (case study: Zanjan city). Master's thesis, Faculty of Natural Resources, University of Tehran. [In Persian]

Alizadeh, A. (2015). Principles of Applied Hydrology (40th ed.). Mashhad: Imam Reza University Press. [In Persian]

Arabi, M., Govindaraju, R. S., & Hantush, M. M. (2002). A probabilistic approach for analysis of uncertainty in the evaluation of watershed management practice. Journal of Hydrology, 333, 459–471. [In Persian] https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2006.09.012

Arman, N., Shahbazi, A., Faraji, M., & Dehdari, S. (2019). Effect of urban development on runoff generation by SWMM, case study: Khuzestan Province, Izeh, Watershed Engineering and Management, 11(3), 750-758. [In Persian] https://doi.org/10.22092/ijwmse.2018.115272.1353

Chen, J., Hill, A. A., & Urbano, L. D. (2009). A GIS-based model for urban flood inundation. Journal of Hydrology, 373(1-2), 184-192. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.04.021

Choi, K. S., & Ball, J. E. (2002). Parameter estimation for urban runoff modelling. Urban Water, 4,31–41. http://dx.doi.org/10.1016/S1462-0758(01)00072-3

Dongquan, Z., Jining, C., Haozheng, W., Qingyuan, T., Shangbing, C., & Zheng, S. (2009). GIS-based urban rainfall-runoff modeling using an automatic catchment-discretization approach: a case study in Macau. Environmental Earth Sciences, 59, 465-472. https://doi.org/10.1007/s12665-009-0045-1

Fallah Zawareh, F., Kamali, B., & Mirzaei, M. (2013). Investigating the influence of rainfall time pattern in SWMM and HEC-HMS models. In Proceedings of the 6th National Congress On Civil Engineering, Semnan University, Semnan. [In Persian] https://civilica.com/doc/120602/

Ghanavati, E., Karam, A., & Aghaalikhani, M. (2013). Flood risk zonation in the farahzad basin (Tehran) using Fuzzy model. Geography and Environmental Planning, 23(4), 121-138. [In Persian] https://dorl.net/dor/20.1001.1.20085362.1391.23.4.8.2

Hejazizadeh, Z., Khosravi, F., & Naserzadeh, M. H. (2011). Crisis management in the new city of Baharestan by using geographic information system, relying on flood and determining suitable urban drainage routes for disposal of surface water. Applied Researches in Geographical Sciences, 11(20), 31-50. [In Persian] http://jgs.khu.ac.ir/article-1-594-fa.html

Huber, W. C., & Dickinson, R. E. (1992). Storm water management model user’s manual. Georgia: Environmental Protection Agency.

Istomina, M. N., Kocharyan, A. G., & Lebedeva, I. P. (2005). Floods: genesis. socioeconomic and environmental impacts. Water Resources, 32(4), 349–358. https://doi.org/10.1007/s11268-005-0045-9

Jinkang, D., Shunping, X., Youpeng, X., Xu, C. Y., & Singh, V. P. (2007(. Development and testing of a simple physically-based distributed rainfall-runoff model for storm runoff simulation in humid forested basins. Journal of Hydrology, 336(3-4), 334–346. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.01.015

Khorsandi Kouhanestani, Z., & Zolfaghary, M. (2016). An Investigation of the Effect of Pervious Surfaces Distribution on Flood Hydrograph Peak in Urban Regions. International Bulletin of Water Resources and Development, 4(1), 237-245. [In Persian]  https://www.magiran.com/p1549663

Lhomme, J., Bouvier, C., & Perrin, J. L. (2004). Applying a GIS-based geomorphological routing model in urban catchments. Journal of Hydrology, 299(3–4) ,203–216. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.08.006

Lin, S. S., Hsieh, S. H., Kuo, J. T., Liao, Y. P., & Chen, Y. C. (2006). Integrating legacy components into a software system for storm sewer simulation. Environmental Modelling & Software, 21(8), 1129-1140. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2005.05.012

Ogden, F. L., Pradhan, N. R., Downer, C. W., & Zahner, J. A. (2011). Relative importance of impervious area, drainage density, width function, and subsurface storm drainage on flood runoff from an urbanized catchment. Water Resource Research, 47(12). https://doi.org/10.1029/2011WR010550

Paron, P., Di Baldassarre, G., & Shrodor, J. F. (2023). Hydro-Meteorological Hazards, Risks and Disaster. Elsivier. https://shop.elsevier.com/books/hydro-meteorological-hazards-risks-and-disasters/paron/978-0-12-819101-9

Phillips, B. C., Yu, S., Thompson, G. R., & De Silva, N. (2005). 1D and 2D modelling of urban drainage systems using XP-SWMM and TUFLOW. In 10th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, Denmark, 21-26.

Rostami Khalaj, M. (2012). Sensitivity analysis of variables affecting on urban flooding using SWMM model. Journal of Watershed Management Research, 3(5), 81-91. [In Persian] http://jwmr.sanru.ac.ir/article-1-56-fa.html

Santhi, C., Arnold, J. G., Williams, J. R., Dugas, W. A., Srinivasan, R., & Hauck, L. M. (2001). Validation of the SWAT model on a large river basin with point and nonpoint sources. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 37(5), 1169-1188. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.2001.tb03630.x

Shahbazi, A., Khaliqi Sygarodi, S., Malekian, A., & Salajegheh, A. (2014). Selection of the best empirical formula to estimate time of concentration in urban watersheds (Case study: Mahdasht town). Journal of Range and Watershed Managment, 67(3), 419-435. [In Persian] https://doi.org/10.22059/jrwm.2014.52835

Sheng, J., & Wilson, J. P. (2009). Watershed urbanization and changing flood behavior across the Los Angeles metropolitan region. Natural Hazards, 48, 41–57. https://doi.org/10.1007/s11069-008-9241-7

Soleimani, M., Behzadian, K., & Ardeshir, A. (2016). Evaluatiopn of Strategies for Modifying Urban Storm Water Drainage System Using Risk-based Criteria. Journal of Water and Wastewater, 26(6), 16-29. [In Persian] https://www.wwjournal.ir/article_11135.html

Sourisseau, S., Bassères, A., Périé, F., & Caquet, T. (2008). Calibration, validation and sensitivity analysis of an ecosystem model applied to artificial streams. Water research, 42(4-5), 1167-1181. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.08.039

Temprano, J., Arango, O., Cagiao, J., Suarez, J., & Tejero, I. (2006). Storm water quality calibration by SWMM: a case study in Northern Spain. Water SA, 32(1), 55–63. https://doi.org/10.4314/wsa.v32i1.5240

Tsihrintzis, V., & Hamid, R. (1998).  Runoff quality prediction from small urban catchments using SWMM. Hydrol Process, 12(2), 311–329. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-1085(199802)12:2%3C311::AID-HYP579%3E3.0.CO;2-R

Yarahmadi, Y., Yousefi, H., Jahangir, M. H., & Sadatineghad, S. J. (2019). Evaluation of the network performance of surface water collection and guidance using the SWMM Hydrological Model (Case Study: District 6 of Tehran Municipality). Iranian journal of Ecohydrology, 6(2), 415-429. [In Persian] https://doi.org/10.22059/ije.2019.277930.1071

Zoppou, C. (2001). Review of urban storm water models. Environmental Modelling & Software, 16(3), 195