نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

استفاده از روش‌های تغییرات و محاسبات درون سلولی با هدف افزایش سرعت مدلسازی سیلاب با استفاده از نرم افزار STE

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
2 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
3 گروه مهندسی آب دانشکده آب و خاک دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان،ۀ گرگان، ایران
چکیده
سیلاب‌های شدید و ناگهانی همواره منجر به خسارات جبران ناپذیری اعم از مرگ هزاران نفر و ضررهای اقتصادی بسیاری شده است. پهنه‌بندی سریع سیلاب یکی از مهمترین و اساسی‌ترین موارد در مدیریت بحران و کاهش خسارات ناشی از سیل است. برای کاهش خطرات، خسارات و اقدام به موقع، ضروری است که مناطق در معرض خطر سیلاب و آبگرفتگی را سریعاً شناسایی کرده و اقدامات لازم انجام شود. در این تحقیق، با توسعه بخش دوبعدی نرم‌افزار کاربر پسند STE اقدام به حل سریع تر معادلات آب کم عمق شده و با ارائه و بررسی روش‌های جدید شبکه‌بندی کلاسیک و تغییرات درون سلولی، به تسریع فرآیند پهنه‌بندی و شبیه سازی سیلاب پرداخته شده است. به منظور ارزیابی روش‌های ارائه شده اقدام به مدلسازی سیلاب اتفاق افتاده در سال 2017 توسط طوفان هاروی در ایالت تگزاس آمریکا در طول یک بازه 22 کیلومتری از رودخانه برازوس در نزدیکی شهر همپستد شده است. مقایسه نتایج بدست آمده از مدلسازی دقیق و طولانی مدت سیلاب با استفاده از دسته معادلات آب کم عمق با روش‌های سریع ارائه شده در تحقیق نشان می‌دهد روش‌های تغییرات درون سلولی می‌توانند ضمن حفظ دقت مدلسازی مدت زمان لازم برای اتمام مدلسازی سیلاب را از 1090 دقیقه به 17 الی 36 دقیقه (97 درصد) کاهش دهند. این در حالی است که پهنه سیلابی با دقت 94 درصد و مدلسازی عمق جریان با RMSE برابر 0.14 همراه بوده است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Utilizing Subgrid Variability and Computations to Improve the Speed of Flood Modeling Using STE Software

نویسندگان English

Reza Teimourey 1
Amir Ahmad Dehghani 2
Mehdi Meftah Halaghi 3
1 Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Professor., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources., Gorgan., Iran
3 Soil & Water Dep. university of Grgan natural resources & Agricultural science, gorgan,Iran;
چکیده English

Severe and sudden floods have always led to irreparable damages, including the deaths of thousands and significant economic losses. Rapid flood zoning is one of the most important and fundamental aspects of crisis management and reducing flood-related damages. To mitigate risks, damages, and take timely action, it is essential to quickly identify areas prone to flooding and inundation and take necessary measures. In this study, a new user-friendly module of STE software was developed to solve shallow water equations more rapidly. By introducing and examining new grid discretization and subgrid variability methods, the process of flood zoning and simulation has been accelerated. To evaluate the proposed methods, flood modeling was conducted for the flooding event caused by Hurricane Harvey in 2017 in the vicinity of Hempstead city, Texas, USA, along a 22-kilometer stretch of the Brazos River. The comparison of results obtained from accurate and long-term flood modeling using shallow water equations with the rapid methods presented in the study demonstrates that subgrid variability methods can significantly reduce the modeling time for flood simulation from 1090 minutes to 17 to 36 minutes (a 97% reduction) while maintaining modeling accuracy. This is achieved with a flood zone accuracy of 94% and a root mean square error (RMSE) of 0.14 for flow depth modeling.

کلیدواژه‌ها English

2D Flood Modeling
Subgrid Computation
Subgrid Variability
Shallow Water Equations
STE Software
تیموری، ر. و دهقانی، ا. ا. 1398. ارزیابی معادلات برآورد بار بستر در رودخانه‌های استان گلستان با استفاده از نرم افزار توسعه یافته STE. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر. 52(11): 2743-2760.
تیموری، ر. و دهقانی، ا. ا. 1398. مقایسه روشهای مختلف تخمین بار بستر در رودخانه بابل رود با توسعه نرم افزار STE. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 27(1): 229-236
صمدی،م. و عزیزیان، م. 1399. تاثیر مفهوم تغییرات درون سلولی، ابعاد شبکه محاسباتی و مقیاس نقشه توپوگرافی بر عملکرد مدل دوبعدی HEC-RAS در شبیه‌سازی پهنه‌های سیل گیر رودخانه‌ها (مطالعه موردی: رودخانه سرباز). حفاظت منابع آب و خاک. 9 (3): 1-12.
سلطانی، س.، یزدی، ج. و شاه سوندی، م. 1400. بررسی تاثیر ابعاد شبکه محاسباتی بر نتایج پهنه بندی سیلاب و زمان اجرای مدل MIKEFLOOD. چهاردهمین کنفرانس ملی مهندسی عمران، معماری و توسعه شهری،بابل. https://civilica.com/doc/1370021
Artichowicz, W. and Gąsiorowski, D. 2019. Computationally efficient solution of a 2D diffusive wave equation used for flood inundation problems. Water. 11(10): 2195.
Courty, L. G., Pedrozo-Acuña, A. and Bates, P. D. 2017. Itzï (version 17.1): An open-source, distributed GIS model for dynamic flood simulation. Geoscientific Model Development. 10(4): 1835-1847.
De Almeida, G. A. and Bates, P. 2013. Applicability of the local inertial approximation of the shallow water equations to flood modeling. Water Resources Research. 49(8): 4833-4844.
Gąsiorowski, D. 2014. Modelling of flood wave propagation with wet-dry front by one-dimensional diffusive wave equation. Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics. 61(4): 111-125.
Jamali, B., Haghighat, E., Ignjatovic, A., Leitão, J. P. and Deletic, A. 2021. Machine learning for accelerating 2D flood models: Potential and challenges. Hydrological Processes. 35(4): 14-64.
Neal, J., Villanueva, I., Wright, N., Willis, T., Fewtrell, T. and Bates, P. 2012. How much physical complexity is needed to model flood inundation?. Hydrological Processes. 26(15): 2264-2282.
Sinnakaudan, S. K., Ab Ghani, A., Ahmad, M. S. S. and Zakaria, N. A. 2003. Flood risk mapping for Pari River incorporating sediment transport. Environmental Modelling & Software. 18(2): 119-130.
Tanaka, T. and Yoshioka, H. 2017. Numerical stability analysis of the local inertial equation with semi-and fully implicit friction term treatments: assessment of the maximum allowable time step. Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering. 4(2): 162-175.