توسعه مدل توزيعي زمان تمركز حوزه‌هاي آبخيز با استفاده از GIS و برنامه‌نويسي شي‌‌گرا

Development of a distributed model for catchment time of concentration using GIS and object oriented programming

در محاسبه زمان تمركز حوضه‌ها، اغلب از معادلات زمان تمركز به‌صورت يك‌پارچه استفاده مي‌شود كه در نتيجه امكان دسترسي به اين پارامتر در مكان‌هاي مختلف حوضه وجود ندارد. در اين تحقيق، با استفاده از زبان‌هاي برنامه‌نويسي شي‌گرا و در محيط GIS، يك مدل توزيعي طراحي‌شده، كه قادر است زمان تمركز سلول‌هاي حوضه را، تا سلول خروجي محاسبه نموده، آن‌را به‌صورت يك نقشه رستري توليد نمايد. اطلاعات ورودي مدل شامل لايه مدل ارتفاعي رقومي زمين، لايه شدت بارندگي، لايه ضريب مانينگ و لايه شبكه آبراهه‌اي حوضه است. از مهم‌ترين لايه‌‌هاي اطلاعاتي خروجي آن مي‌توان لايه‌هاي شيب، لايه الگوي جهت جريان آب، لايه تجمعي جريان آب و لايه سطوح هم‌تمركز حوضه را نام برد. در اين مدل، سلول‌هاي حوزه آبخيز به دو دسته كلي شامل سلول‌هاي آبراهه‌اي و سلول‌هاي سطح حوضه طبقه‌بندي مي‌شوند. از معادلات كرپيچ و موج سينماتيك به‌ترتيب براي محاسبه زمان تمركز سلول‌هاي آبراهه‌اي و سطح حوضه استفاده شده است. همچنين از مدل بارش-رواناب RAFTS به‌منظور ارزيابي صحت برآورد زمان تمركز حاصل از مدل TC استفاده شده است. نتايج حاصل از مدل زمان تمركز، نشان مي‌دهد كه زمان محاسبه شده به‌وسيله مدل TC، انطباق مناسبي با زمان واقعي، كه از طريق به‌كارگيري وقايع مشاهده‌اي در مدل هيدرولوژيكي RAFTS انجام شده، داشته است. نظر به اين‎كه پاسخ حوضه براي كليه وقايع مورد استفاده در مدل هيدرولوژيكي مذكور، بر‌اساس شدت‌هاي مختلف بارندگي و زمان تمركز يكسان شكل مي‌گيرد، لذا بروز رفتارهاي متفاوت در هيدروگراف‌هاي سيل منطقي به‌نظر مي‌رسد.

In calculation of catchments time of concentration, TC, lump equations are often used. Therefore, TC is not accessible for different parts of the catchments. In this research, using object oriented programming in the GIS environment a fully distributed model has been designed and developed. The model is able to calculate the time of concentration for any parts of the catchment to its outlet in a raster map. Model input layers are DEM, rainfall intensity, Manning’s roughness coefficient and catchment stream network. The most important outputs of the model are slope, flow direction and flow accumulation layers and isochronal surfaces. In the presented model, catchment cells are divided into two basic classes including channel cells and overland flow cells. Kirpitch and Kinematic wave equations have been used to calculate the time of concentration for the channel and overland flow cells respectively. In addition, rainfall-runoff hydrologic software, RAFTS-XP, has been used to evaluate the accuracy of TC model results. The result of TC model shows that calculated travel time had suitable synchronization to real time, which has been estimated using observed events and the calibration of RAFTS-XP. Considering the point that catchment response for all events which used by RAFTS-XP is based on different rainfall intensities with identical time of concentration, so observing different behaviors in flood hydrographs seems reasonable.