شبیه‌سازی دو بعدی سیل با استفاده از مدل Nays 2D Flood و مقایسه آن با تصویر ماهواره سنتینل2 (مطالعه موردی: سیل اسفند 1398 در بازه انتهایی رودخانه ارازکوسه، استان گلستان)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 هیئت علمی دانشگاه گرگان

2 گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 هیات علمی/ دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

10.22069/jwsc.2020.17618.3325

چکیده

شبیه‌سازی دو بعدی سیل با استفاده از مدل Nays 2D Flood و مقایسه آن با تصویر ماهواره سنتینل2 (مطالعه موردی: سیل اسفند 1398 در بازه انتهایی رودخانه ارازکوسه، استان گلستان)
چکیده
سابقه و هدف: وقوع سیلاب با دوره بازگشت‌های نادر در بیشتر مناطق کشور و اثرات زیان‌بار جانی و مالی ناشی از آن‌ که اغلب نیز به دلیل اقدامات انسانی تشدید می‌شوند، باعث شده تا به مقوله مدیریت سیلاب بیش‌ازپیش پرداخته شود. در این راستا شبیه‌سازی پهنه سیلاب یکی از اقدامات مؤثر در کاهش میزان این خسارات می‌باشد. به‌منظور شبیه‌سازی این پهنه مدل‌های متعدد هیدرولیکی توسعه‌یافته‌اند. مدل‌های عددی هیدرولیکی می‌توانند یک‌بعدی، دوبعدی و سه‌بعدی باشند. ازآن‌جهت که در اجرای اقدامات مهندسی و مدیریتی مربوط به سیل، لازم است تا پهنه آن با دقت کافی و با هزینه کم شبیه‌سازی شود، در تحقیق حاضر از یک مدل هیدرولیکی دوبعدی با عنوان Nays 2D Flood استفاده ‌شده است.
مواد و روش‌ها: مدل فوق در بازه کوتاهی از شاخه ارازکوسه قبل از الحاق آن به رودخانه گرگان‌رود برای رخداد سیل 26 اسفندماه 1398، به عنوان یک واقعه نادر، مورداستفاده قرار گرفت. بدین منظور یک لایه DEM با قدرت‌تفکیک یک متر و هیدروگراف سیل با گام زمانی یک ساعت به مدل معرفی گردید. پس از انتخاب شبکه سلولی مناسب و تهیه نقشه زبری کانال و دشت سیلابی از روی تصاویر Google Earth، مدل مذکور اجرا گردید.
یافته‌ها: نتایج این شبیه‌سازی شامل نقشه‌های عمق، پهنه سیل و سرعت جریان می‌باشد. ارزیابی نتایج مربوط به پهنه‌بندی در پژوهش حاضر از طریق محاسبه ضریب F و مقایسه پهنه شبیه‌سازی‌شده توسط مدل با تصاویر مشاهده‌شده از آن که توسط ماهواره سنتینل2 در تاریخ 16 فروردین 1398 ثبت گردیده است، صورت پذیرفت. میزان آماره F در تحقیق حاضر 78/0 محاسبه گردید. این رقم گواه این است که تطابق قابل‌قبولی بین پهنه محاسبه‌شده توسط مدل و پهنه مشاهده‌شده توسط ماهواره مذکور وجود دارد. مساحت پهنه سیل در تصویر ماهواره‌ای 95/13 هکتار می‌باشد، در حالیکه پهنه شبیه‌سازی‌شده توسط مدل 30/14 هکتار برآورد گردید. جهت ارزیابی نتایج مربوط به عمق، از داده‎های منحنی سنجه استفاده گردید. میزان عمق محاسبه‌شده، توسط مدل در تاریخ 16 فروردین 1398 برابر 22/6 متر می‌باشد. در همین تاریخ عمق آب طبق منحنی سنجه معادل 63/6 متر، مشاهده شده است. میزان خطا در این ارزیابی 18/6 درصد محاسبه گردید.
نتیجه‌گیری: این نتایج، حاکی از این است که مدل Nays 2D flood عملکرد قابل‌قبولی داشته است و می‌توان از آن در تحقیقات آینده نیز استفاده کرد. با توجه به اینکه حرکت سیل در دشت سیلابی در طول و عرض می‌باشد، مد‌ل‌های دو بعدی که این واقعیت را لحاظ می‌کنند بر مدل‌های یک بعدی ارجحیت پیدا می‌کنند. نتایج این تحقیق و تحقیقات مشابه، نشان از دقت خوب این مدل‌ها در شبیه‌سازی پهنه سیل در خارج از مجرای رودخانه می‌باشند. مدل مذکور با در اختیار داشتن یک لایه DEM با قدرت تفکیک بالا بدون نیاز به داده‌های مقاطع کانال در مواقعی که سیل از بستر رودخانه خارج شده باشد، با دقت مناسب قابل استفاده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

2D Flood Simulation Using the Nays 2D Flood Model and Comparison with the Sentinel 2 Satellite Image (Case Study: Flood of March 2019 at the end of Arazkuse River, Golestan Province)

نویسندگان [English]

  • Abdolreza Bahremand 1
  • Fateme Jamali 2
  • Choobhi Bayram Komaki 3
1 Faculty member, Watershed Management Department,, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
2 Watershed Management Department,,, Range and Watershed Management Faculty, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Faculty member / Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

2D Flood Simulation Using the Nays 2D Flood Model and Comparison with the Sentinel 2 Satellite Image (Case Study: Flood of March 2019 at the end of Arazkuse River, Golestan Province)
Abstract
Background and Objectives: Flooding occurrence with rare return periods in most regions of the country, and its harmful human and financial effects which are intensifying often due to human actionshas brought the issue of flood management under more attention. Numerous numerical models have been developed to simulate flooding. These hydraulic models are three types, i.e., one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional. Due to the fact that it is necessary to simulate inundation accurately with low cost, a two-dimensional horizontal hydraulic model called Nays 2D Flood was used in the present study.

Materials and Methods: aforementioned model was used for a short period of time, it's before joining the Gorganrood River for the flood event occurred on March 20, 2019, as this phenomenon is one of the rare floods for region. For this purpose, a DEM with one meter resolution and flood hourly hydrograph were given to the model. Then an appropriate grid was determined and the roughness of the channel and flood plain were mapped using the Google Earth images in the model software environment.

Results: The results of this simulation include maps of depth and flood zone and flow rate. The results were evaluated by computing the F coefficient and comparing the area calculated by the model with the images recorded by Sentinel2 satellite on the same date. The F statistic was calculated to be 0.78 in the present study. This number indicates that there is an acceptable match between the area calculated by the model and the area observed by the satellite. The flood area is 13.95ha in the satellite image, while the simulated area was estimated 14.30ha by the model. To evaluate depth results, from rating curve data were used. The depth calculated by the model is 6.22 m on 5 April 2019. At that date, the depth of water was observed according to the rating curve measuring 6.63 meters. The error rate in this evaluation was calculated 6.18%.

Conclusion: These results suggest that the Nays 2D flood model has an acceptable function and it can also be used in future research. Since the flood movement in the flood plain is in length and width, two-dimensional models that take into account this fact are preferred one-dimensional models. The results of this study and similar research indicate the good accuracy of these models in simulating the flood zone outside the river channel. Having a high resolution DEM, the model can be used successfully without channel sections data when the flood has spread out of the channel bed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Two-dimensional flood hydraulic simulation
  • Nays 2D Flood
  • Golestan Province flooding of March 2019
  • Sentinel 2 imagery