تحلیل حساسیت مدل دوبعدی HEC-RAS نسبت به معادلات حاکم در پهنه‌بندی خطر سیل: مطالعه موردی رودخانه خرم‌آباد

ویس کرمی, ایرج; حقی زاده, علی; فتح آبادی, ابوالحسن

doi:10.22111/jneh.2025.50364.2086

تحلیل حساسیت مدل دوبعدی HEC-RAS نسبت به معادلات حاکم در پهنه‌بندی خطر سیل: مطالعه موردی رودخانه خرم‌آباد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوای دکترای علوم و مهندسی آبخیزداری، گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان

² دانشیار ، گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان

³ دانشیار گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس

10.22111/jneh.2025.50364.2086

چکیده

علیرغم پیشرفت‌های قابل‌توجه در مدل‌های هیدرولیکی، عدم درک کامل فرآیندهای سیلاب و تغییرات مکانی-زمانی ورودی‌های مدل (مانند توپوگرافی و زبری سطح)، دقت پیش‌بینی سیلاب را محدود کرده است. در پژوهش حاضر، تأثیر معادلات محاسباتی بر دقت مدل HEC-RAS در تهیه نقشه خطر سیل بررسی شد. به همین منظور متغیرهای جریان آب برای دبی‌های 15، 34 و ۱۰۰۰ مترمکعب بر ثانیه در یک بازه ۳ کیلومتری از رودخانه پایین‌دست شهر خرم‌آباد شبیه‌سازی شدند. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که این مدل به عواملی نظیر ضریب زبری مانینگ، ابعاد شبکه محاسباتی و روش حل معادلات حاکم بر جریان حساسیت بالایی دارد. در میان خصوصیات هیدرولیکی مختلف، تراز سطح آب کمترین حساسیت را نسبت به معادلات محاسباتی نشان داد. عملکرد مدل در شبیه‌سازی جریان اندازه‌گیری شده در ماه فروردین و آبان ۱۴۰۳، با استفاده از روش حل موج پخشیده، به‌مراتب بهتر بود. در مقابل، برای سیلاب فروردین ۱۳۹۸، روش حل معادلات موج دینامیک نتایج بهتری را ارائه داد. تحلیل‌های انجام‌شده از طریق ارزیابی پارامترهای اندازه‌گیری شده (عمق، سرعت و عرض گسترش جریان) و نتایج شبیه‌سازی چهار مقطع مشاهداتی، با استفاده از شاخص‌های آماری RMSE و MAPE، انجام گردید. نتایج نشان داد که در اکثر مقاطع، سیلاب به کرانه‌ها گسترش یافته و در مقطع پل (مقطع D) به دلیل محدودیت عرضی، عمق و سرعت بیشتری به ثبت رسیده است. به طور کلی، در شرایطی که کانال مقطع پر ظرفیت مناسبی برای دبی ورودی داشته باشد، روش حل موج پخشیده انتخاب بهتری است. در مقابل، برای دبی‌های با دوره بازگشت بالا و در شرایطی که جریان به سمت سیلاب‌دشت گسترش می‌یابد، انتخاب معادلات موج دینامیک برتر خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

هیدرولوژی و هیدروژئولوژی

عنوان مقاله [English]

Sensitivity Analysis of the Two-Dimensional HEC-RAS Model to Governing Equations in Flood Hazard Mapping: A Case Study of Khorramabad River

نویسندگان [English]

Iraj Vayskarami ¹
Ali Haghizadeh ²
Aboalhasan Fathabadi ³

¹ Ph.D. student of Watershed Management Engineering, Department of Range and Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources, Lorestan University, Khorramabad, Iran

² Associate Professor, Department of Range and Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources, Lorestan University, Khorramabad, Iran

³ Associate Professor, Department of Range and Watershed Management Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Gonbad Kavous University, Gonbad, Iran

چکیده [English]

Despite significant advances in hydraulic models, the incomplete understanding of flood processes and the spatial-temporal variations of model inputs (such as topography and surface roughness) has limited the accuracy of flood predictions. In this study, the impact of computational equations on the accuracy of the HEC-RAS model in mapping flood hazard zones was examined. To this end, water flow variables for discharges of 15, 34, and 1000 cubic meters per second were simulated over a 3-kilometre stretch of the downstream river of Khorramabad. The sensitivity analysis results indicated that this model is highly sensitive to factors such as Manning's roughness coefficient, the dimensions of the computational grid, and the method used to solve the governing flow equations. Among various hydraulic properties, water surface elevation exhibited the least sensitivity to the computational equations. The model's accuracy in simulating the discharge measured in March and November 2024 was significantly better when using the wave dispersion method. Conversely, for the flood event in March 2019, the dynamic wave method yielded more accurate results. The analyses were conducted by evaluating the measured parameters (depth, velocity, and flow width) and the simulation results of four observation sections, using statistical indicators RMSE and MAPE. The results indicated that in most sections, the flood extended to the banks, and at the bridge section (Section D), greater depth and velocity were observed due to lateral constraints. Overall, when the channel cross-section has a sufficiently high capacity for the inflow discharge, the wave dispersion method is the preferred choice. Conversely, for high-recurrence discharges and in situations where the flow extends into the floodplain, the dynamic wave equations would be the superior choice.

کلیدواژه‌ها [English]

HEC-RAS model
Model sensitivity
Uncertainty
Hydrodynamic equations

مراجع

بهروز، معصومه، علی‌محمدی، سعید و عطاری، جلال (1393). تحلیل حساسیت عدم قطعیت‌های هیدرولوژیکی، هیدرولیکی و اقتصادی در طراحی سیستم‌های کنترل سیلاب. تحقیقات منابع آب ایران، (10)2، 81-69.

پورنبی درزی، سمیه، وفاخواه، مهدی و رجبی، محمدرسول. (1400). پهنه بندی خطر سیل با استفاده از مدل هیدرولیکی HEC- RAS و Arc GIS مطالعه موردی: حوزه آبخیز چشمه کیله شهرستان تنکابن. مخاطرات محیط طبیعی، (28)10، 15-28. doi: 10.22111/jneh.2021.28694.1603

جمال عبدالرحیم، پروان علی، والی زاده داریوش. (1400). پهنه‌بندی خطر سیلاب در رودخانه ایرانشهر با استفاده از مدل‌سازی عددی دوبعدی و GIS. مجله علوم آب و خاک، ۲۳ (۴)، ۸۳-۷۱

حسینی، سید موسی، اشتری، نفیسه و شعبانی عراقی، عارفه. (1400). تاثیر توان تفکیک DEM و ضریب زبری مانینگ بر کارآیی مدل HEC-RAS-WMS در تعیین پهنه‌های مخاطره سیلاب مطالعه موردی رودخانه کشکان، استان لرستان، ایران. مجله آمایش جغرافیایی فضا, 11(41)، 95-110. doi: 10.30488/gps.2020.230991.3247

شرافتی، احمد و ذبیهون، باقر. (1392). تحلیل عدم قطعیت و تولید آماری الگوی رگبار حوضه سیمره. مجله پژوهش آب ایران، (7)13، 108- 97.

علیان، نرگس، احمدی، محمد مهدی، بختیاری، بهرام (۱۳۹۸). تحلیل عدم‌ قطعیت در براورد خسارت مورد انتظار سالیانه به‌منظور ارزیابی ریسک سیلاب (مطالعه موردی: دشت کوهپایه - سگزی از حوضه آبریز زاینده‌رود). مجله علوم آب و خاک، ۲۳ (۴)، ۱۵۲-۱۴۱.

علیزاده، امین (1388). اصول هیدرولوژی کاربردی، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، ویرایش نوزدهم

کریمی فیروزجایی، محمد، عبدالهی، عطالله، جلوخانی نیارکی، محمدرضا (1396). تهیه نقشه خطر سیل مبتنی بر انرژی جریان با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی، مطالعه موردی: رودخانه نکا. پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، (5)4، 159- 175.

مغربی، محمود و اسلامی تبار، مهدیه. (1402). مدل‌سازی و تحلیل دو بعدی هیدرولیک رودخانه کارده با استفاده ازHEC-RAS . هیدروفیزیک، 9(1): 145-131.

نوروزی، امیر، غواصیه، احمدرضا (1385). مروی بر مفاهیم کمی عدم قطعیت، قابلیت اعتماد و ریسک، کارگاه فنی همزیستی با سیلاب.

Alfonso, L., Mukolwe, M. M., Di Baldassarre, G. (2016). Probabilistic flood maps to support decision-making: Mapping the value of information. Water Resources Research, 52(2), 1026-1043. https://doi.org/10.1002/2015WR017378

Amrei, D., Britta, S. (2020). Flood hazard analysis in small catchments: Comparison of hydrological and hydrodynamic approaches by the use of direct rainfall. Journal of Flood Risk Management, 13, 26. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.02.010

Arcement, G. J., Schneider, V. R. (1989). Guide for selecting Manning’s roughness coefficients for natural channels and flood plains (U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2339). U.S. Geological Survey. https://doi.org/10.3133/wsp2339

Costabile, P., Costanzo, C., Ferraro, D., Macchione, F., & Petaccia, G. (2020). Performances of the new HEC-RAS version 5 for 2-D hydrodynamic-based rainfall-runoff simulations at basin scale: Comparison with a state-of-the-art model. Water, 12(9), 2326. https://doi.org/10.3390/w12092326

Dalledonne, G., Kopmann, R., Brudy-Zippelius, T. (2019). Uncertainty analysis of floodplain friction in hydrodynamic models. Hydrology and Earth System Sciences Discussions. https://doi.org/10.5194/hess-2019-159

Garcia, M., Foster, K. (2023). Assessing Uncertainty in Flood Inundation Models: A Case Study. Environmental Modelling & Software, 166, 104871

Haces‐Garcia, F., Kotzamanis, V., Glennie, C. L., Rifai, H. S. (2025). Improving Manning's n in flood models using 3D point clouds, flume experiments, and deep learning. Water Resources Research, 61(3), e2024WR037665.

Koo, H., Iwanaga, T., Croke, B. F., Jakeman, A. J., Yang, J., Wang, H. H., Chen, M. (2020). Position paper: Sensitivity analysis of spatially distributed environmental models—A pragmatic framework for the exploration of uncertainty sources. Environmental Modelling & Software, 104857.

Lee, T., Kim, S. (2021). Quantifying Uncertainty in Hydraulic Models for Flood Risk Assessment. Water Resources Research, 57(11), e2021WR030852.

Merwade, V., Olivera, F., Arabi, M., Edleman, S. (2008). Uncertainty in flood inundation mapping: Current issues and future directions. Journal of Hydrologic Engineering, 13(7), pp 608–620.

Peng, J., Zhang, J. (2022). Urban flooding risk assessment based on GIS-game theory combination weight: A case study of Zhengzhou City. International journal of disaster risk reduction, 77, 103080.

Pinos, J., Timbe, L. (2019). Performance assessment of two-dimensional hydraulic models for a generation of flood inundation maps in mountain river basins. Water Science and Engineering, 12(1), pp11–18. https://doi.org/10.1016/j.wse.2019.03.001

Rampinelli, C. G., Smith, T. J., Araújo, P. V. (2024). Addressing Uncertainty in Flood Hazard Mapping under a Bayesian Approach. Journal of Hydrologic Engineering, 29(3), 04024004.

Roberts, S., Nielsen, O., Gray, D., Sexton, J., Davies, G. (2015). ANUGA user manual. Commonwealth of Australia (Geoscience Australia) and the Australian National University.

Smith, J., Johnson, R. (2022). Uncertainty in Flood Prediction: A Review of the Influence of Hydrological Models. Journal of Hydrology, 604, pp 127-134

Teng, J., Jakeman, A. J., Vaze, J., Croke, B. F., Dutta, D., Kim, S. J. E. M. (2017). Flood inundation modelling: A review of methods, recent advances and uncertainty analysis. Environmental modelling & software, 90, pp 201-216.

Trinh, M. X., Molkenthin, F. (2021). Flood hazard mapping for data-scarce and ungauged coastal river basins using advanced hydrodynamic models, high temporal-spatial resolution remote sensing precipitation data, and satellite imageries. Natural Hazards, 109, pp 441–469. https://doi.org/10.1007/s11069-021-04843-1

Yeou-Koung, T., Chi-Leung, C. (2016). Sensitivity and uncertainty analysis of hydrologic/hydraulic model for Shenzhen River and Northern New Territory Basin in Hong Kong. 12th International Conference on Hydroinformatics, HIC 2016.

Yildirim, E., Just, C., Demir, I. (2022). Flood risk assessment and quantification at the community and property level in the State of Iowa. International journal of disaster risk reduction, 77, 103106.

Yin, J., Guo, S., Gentine, P., Sullivan, S. C., Gu, L., He, S., Chen, J., & Liu, P. (2021). Does the hook structure constrain future flood intensification under anthropogenic climate warming? Water Resources Research, 57(2), pp 1–22.