روش‌های اندازه‌گیری جریانات سطحی و تحلیل هیدروگراف

۱. روش‌های اندازه‌گیری جریانات سطحی (هیدرومتری)

برای مدیریت منابع آب سطحی، نیازمند اندازه‌گیری دقیق دبی رودخانه ($Q$) هستیم. روش‌های اصلی عبارتند از:

الف) روش سرعت-مقطع (Velocity-Area Method):

این رایج‌ترین روش برای رودخانه‌هاست. مقطع عرضی رودخانه به چندین نوار عمودی تقسیم می‌شود. مساحت هر نوار ($A_i$) محاسبه شده و سرعت آب در آن نوار ($V_i$) با استفاده از دستگاهی به نام مولینه (Current Meter) اندازه‌گیری می‌شود. دبی کل از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$Q = \sum_{i=1}^{n} A_i \times V_i$$

ب) استفاده از سازه‌های هیدرولیکی (Weirs and Flumes):

در کانال‌های کوچک‌تر یا ایستگاه‌های دقیق، از سازه‌هایی مانند سرریزها (Weirs) یا فلوم‌ها استفاده می‌شود. دبی جریان با اندازه‌گیری ارتفاع آب ($H$) روی سازه محاسبه می‌شود. برای مثال در سرریز مستطیلی:

$$Q = C \times L \times H^{3/2}$$

ج) منحنی سنجه دبی (Rating Curve):

اندازه‌گیری روزانه دبی با مولینه دشوار است. بنابراین، در ایستگاه‌های هیدرومتری، یک دستگاه «اشل» یا حسگر، ارتفاع آب (اشل یا Stage) را ثبت می‌کند. با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده قبلی، رابطه‌ای بین ارتفاع آب ($h$) و دبی ($Q$) به شکل زیر استخراج می‌شود که به آن منحنی سنجه می‌گویند:

$$Q = a(h - h_0)^b$$

۲. تحلیل هیدروگراف (Hydrograph Analysis)

هیدروگراف نموداری است که تغییرات دبی جریان ($Q$) را در برابر زمان ($t$) در یک نقطه مشخص از رودخانه نشان می‌دهد. این نمودار، پاسخ حوضه آبریز به یک رویداد بارش است.

اجزای اصلی هیدروگراف:

1. شاخه صعودی (Rising Limb): بخشی که دبی با رسیدن رواناب‌های سطحی به رودخانه افزایش می‌یابد.
2. اوج سیلاب (Peak Discharge): بالاترین دبی ثبت شده در رویداد سیل.
3. شاخه نزولی (Recession Limb): کاهش تدریجی دبی پس از پایان بارش و تخلیه آب از حوضه.
4. جریان پایه (Baseflow): جریانی که از تخلیه تدریجی آب‌های زیرزمینی به رودخانه تامین می‌شود و ربطی به بارش مستقیم اخیر ندارد.
5. رواناب مستقیم (Direct Runoff): حجم آبی که مستقیماً از بارش اخیر ناشی شده است (حجم کل زیر هیدروگراف منهای جریان پایه).

جداسازی جریان پایه (Baseflow Separation):

برای تحلیل سیلاب، باید رواناب مستقیم را از جریان پایه جدا کنیم. روش‌های مختلفی مانند روش خط مستقیم، روش افت ثابت و روش تعمیم شاخه نزولی برای این کار وجود دارد.

هیدروگراف واحد (Unit Hydrograph):

یکی از مهم‌ترین مفاهیم هیدرولوژی که توسط شرمن (Sherman) ارائه شد. هیدروگراف واحد، هیدروگرافِ رواناب مستقیمی است که ناشی از $1$ سانتی‌متر (یا ۱ اینچ) بارش مازاد (بارش موثر) با شدت یکنواخت در یک مدت زمان مشخص (مثلاً ۲ ساعت) بر روی کل حوضه آبریز باشد.

از هیدروگراف واحد برای پیش‌بینی دبی سیلاب ناشی از هر رگبار با هر شدتی در آن حوضه آبریز استفاده می‌شود (با استفاده از اصول تناسب و جمع‌پذیری).