مديريت سيلاب شهري از طريق شبيه‌سازي ‏رواناب سطحي با استفاده از مدل SWMM در شهر گرگان، استان گلستان

Urban flood management by simulation of surface runoff using SWMM model in Gorgan city, Golestan Province-Iran

سابقه و هدف: سيستم‌هاي جمع‌آوري و دفع آب‌هاي سطحي ناشي از بارندگي از اجزا مهم برنامه‌ريزي و عمران مناطق شهري هستند و هر گونه سهل‌انگاري در طراحي صحيح آن‌ها مي‌تواند براي جوامع بشري مشكل‌آفرين باشد. در طراحي شبكه جمع‌آوري آب‌هاي سطحي با افزايش و وسيع‌تر شدن سطح شبكه مقدار خطاهاي طراحي افزايش مي‌يابد. براي كاهش اين خطا نياز به طراحي دقيق شبكه مي‌باشد. استفاده از مدل‌هاي رايانه‌اي كمك شاياني به طراحي دقيق نموده و در به‌دست آوردن طرح اقتصادي نقش بسيار مفيد دارند. مواد و روش‌ها: در اين مطالعه به‌منظور تعيين ابعاد بهينه شبكه زهكشي شهر گرگان از مدل هيدرولوژي- هيدروليكي SWMM استفاده شده است. در اين مطالعه براي واسنجي مدل از چهار واقعه بارندگي در تاريخ‌هاي 22/11/1390، 30/11/1390، 1/12/1390، 2/12/1390 استفاده شد و سرعت رواناب متناظر در خروجي زيرحوزه‌هاي منتخب برداشت شد. شاخص‌هاي كارايي مدل در اين پژوهش شامل ناش- ساتكليف، ريشه مربع خطا و باياس در برآورد دبي اوج و حجم جريان نيز مي‌باشد. يافته‌ها: نتايج حاصل از واسنجي مدل نشان داد كه دبي اوج و حجم جريان شبيه‌سازي انطباق خوبي با مقادير مشاهداتي دارد (7/0NS=، 006/0RMSE=، 44/11BIAS%=) و از نتايج به‌دست آمده در فرايند واسنجي براي برآورد مقدار بهينه پارامترها استفاده شد. به‌منظور ارزيابي و تست اعتبارسنجي مدل از دو واقعه 2/2/1391 و 16/2/1391، استفاده شد نتايج حاصل از ارزيابي، كارايي و دقت مدل را تاييد مي‌كند كه در مورد هر دو واقعه مذكور شاخص‌هاي كارايي مدل، در حد قابل‌قبولي است (69/0NS=، 00043/0RMSE=، 1/8BIAS%=)، پس از ارزيابي كارايي مدل، بارش طرح با دوره بازگشت‌هاي طراحي محاسبه شد و مدل با دوره بازگشت‌هاي طراحي با توجه به پارامترهاي بهينه و ابعاد شبكه زهكشي موجود اجرا گرديد. دبي اوج عبوري از مجاري، براساس شدت بارش‌هاي طراحي مشخص شد و با توجه به نتايج حاصل از مدل براساس وجود و يا عدم وجود اضافه بار و شرايط سيلابي در محل گره‌ها و مجاري، كفايت شبكه موجود براي انتقال رواناب سطحي با دوره‌هاي بازگشت طراحي ارزيابي گرديد با توجه به نتايج حاصل از مدل، در دوره بازگشت‌هاي دو، پنچ و ده سال به‌ترتيب 48/12، 58/30 و 11/ 40 درصد از طول مجاري شبكه زهكشي موجود شرايط بحراني و سيلابي نيز دارند. در نهايت ابعاد بهينه مجاري سيلابي براي هر كدام از دوره بازگشت‌هاي طراحي با توجه به تيپ ابعاد بهينه از طريق آزمون سعي و خطا توسط مدل تعيين گرديد. نتيجه‌گيري: نتايج اين پژوهش بيانگر آن است كه مدل SWMM دقت مورد نياز را براي شبيه‌سازي رواناب شهري را دارد و از اين مدل مي‌توان براي طرح‌هاي مديريت رواناب شهري و طراحي شبكه جمع‌آوري و دفع آب‌هاي سطحي استفاده نمود.

Background and Objectives: Water collection systems and disposal of superficial rain runoff are of the important components of urban planning and development, and any negligence in the system design could be problematic for human societies. In the superficial water collection networks design, design errors increase with the increment and extension of the network. To reduce the error, the network design should be accurate. Computer models have greatly contributed to the accurate design and play a very useful role in achieving economical plan. Materials and Methods: A study was done to determine the optimum dimensions of Gorgan city drainage network using hydrologic-hydraulic model SWMM. In this study, to calibrate the model, four rainfall events in dates 22/11/1390, 30/11/1390, 12/01/1390, 12/02/1390, were used and the speed of the corresponding runoffs in the chosen sub basin were recorded. In this study, Nash-Sutcliff, square root of error and bias error were used as model performance indices in the estimating peak discharge and flow volume. Results: The model calibration results showed that the simulated peak discharge and flow volume are in good correspondence with the observed values (BIAS%=11.44, RMSE=0.006 and NS=0.70) and the calibration results were used for the optimum values of parameters. To evaluate and test model validation, two rainfall events in dates 2/02/1391, 16/02/1391, were used. The evaluation of results confirmed the efficiency and accuracy of the model, so that the model performance indices were acceptable in both cases (BIAS%=8.01, RMSE=0.00043 and NS=0.69). After evaluating model performance, design rainfall with return period was calculated and model with design return period was performed in respect to the optimal parameters and dimensions of the drainage network. Peak discharge passing through the channels was identified based on design rainfall intensities. The adequacy of existing network to carry runoff with design return period was assessed with regard to model results based on presence or absence of added load and flood conditions at the nodes and channels. According to the model results, 40.11, 58.30 and 48.12 percent of drainage network channels possess critical and flood conditions in 2, 5 and 10 return periods respectively. Finally, the optimal dimensions of flood channels were determined by the model through trial and error test according to the type of optimal dimensions for each design return period. Conclusion: The results of the study indicate that the model has the accuracy required for urban runoff simulation and it can be used for urban runoff management plans and designing superficial water collection and disposal networks.