ارائه يك رابطه تجربي براي تخمين غلظت رسوبات سيلاب واريزه اي (مطالعه موردي: حوضه آبريز جيان جيا واقع در چين)

Proposing an Empirical Equation for Estimation of the Sediment Concentration of Debris Flow (Case Study: Jiangjia Gully in China)

سيلاب واريزه اي به عنوان يك فاجعه شديد زمين­ شناسي، هر ساله باعث ايجاد خسارات زيادي در مناطق كوهستاني مي­ شود. غلظت رسوب سيلاب واريزه­ اي بر روي دبي اوج سيلاب و زبري هيدروليكي جريان اثر دارد لذا تخمين غلظت رسوب براساس ويژگي­ هاي فيزيكي حوضه، رسوب و بارش ضروري است. هدف از مطالعه حاضر، ارائه مدل تجربي براي تعيين غلظت رسوبات سيلاب ­هاي واريزه­اي در منطقه مورد مطالعه با استفاده از پارامترهاي بارندگي است، بنحوي­كه ضعف برآورد مقدار ثابت غلظت روابط ارائه شده توسط محققان قبل را برطرف نمايد. بدين منظور روابط بين هر يك از پارامترهاي بارندگي تجمعي، بارش پيشين و بارش كل (مجموع پارامترهاي بارندگي پيشين و بارندگي تجمعي) با غلظت رسوبات سيلاب واريزه ­اي با استفاده از داده­ هاي بارندگي و وزن مخصوص سيلاب واريزه­اي ايستگاه تحقيقات بين­ المللي حوضه جيان­ جيا در محدوده سال­ هاي 2004-1999 ارزيابي شد. براي تعيين بهترين رابطه، از روش اعتبارسنجي متقابل استفاده شد و خطاي روابط توسط آماره ­هاي ضريب تبيين (R2)، ميانگين مطلق خطاي نسبي (MARE) و ضريب نش-ساتكليف (NSE) تعيين شد. نتايج نشان داد با استفاده از مجموع پارامترهاي بارندگي تجمعي و بارش پيشين (بارش كل)، براي تعيين غلظت رسوبات سيلاب واريزه ­اي، صحت بالاتري بدست مي ­آيد. مقدار شاخص­ هاي آماري مدل ارائه شده (06/0 mare =، 86/0= R2و 84/0= (NSE نشانگر توانايي بالاي آن در برآورد غلظت رسوبات سيلاب­ هاي واريزه است طوري­كه خطاي برآورد غلظت رسوبات توسط محققان ديگر را به صورت ميانگين تقريباً 80 درصد كاهش داده است. محدوده چگالي نسبي رسوبات بين 63/1-23/2 گرم در سانتي ­متر مكعب، بارندگي تجمعي بين 36/3-36/75 ميلي­ متر و بارش پيشين بين 772/0-59/92 ميلي­ متر متغير است. پس از واسنجي رابطه پيشنهادي اين تحقيق، مي­ توان آن را براي برآورد غلظت رسوبات سيلاب­ هاي واريزه­ اي ساير حوضه­ هاي مستعد رخداد سيلاب واريزه­ اي و داراي رگبارهاي مشابه سيل آسا استفاده كرد.

Debris flow, as a severe geological disaster, causes huge damages in the mountainous areas every year. The peak discharge of flood and the hydraulic roughness of flow are affected by sediment concentration of debris flow. Therefore, the estimation of sediment concentration based on physical characteristics of basin, sediment and precipitation are necessary. The aim of this study is proposing an empirical equation for the determination of the sediment concentration of the debris flows in the study area using the rainfall parameters, so that the weakness of applying the fixed value for the debris flow concentration proposed by previous researchers can be removed. For this purpose, the relations between each of the parameters including cumulative rainfall, antecedent rainfall and the total rainfall (sum of cumulative and antecedent rainfalls) parameters with sediment concentration of the debris flows were investigated by using of the rainfall and the debris flow density recorded in the international research station, Jiangjia Gully, for the period of 1999-2004 years. To derive the best equation, cross validation method was used and the relations error were determined by statistical indicators including coefficient of determination, R2, Mean Absolute Relative Error (MARE) and Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) coefficient. Results showed that higher correctness was obtained using the sum of cumulative rainfall and antecedent rainfall parameters (total rainfall) for determining of the sediment concentration of debris flow. The statistical indices of the proposed model (MARE=0.06, R2=0.86 and NSE=0.84) represent the high ability of the proposed equation in the estimation of the sediment concentration of debris flows where the estimation error of the sediment concentration was reduced on average about 80% comparing to other researchers’ equations. The range of the relative density of sediment is between 1.63-2.23 gr/cm3. Moreover, the range for the cumulative rainfall and the antecedent rainfall are varied between 3.36-75.36 and 0.772-92.59 mm, respectively. After calibration of the proposed equation of this research, it can be used for estimation of the sediment concentration of debris flow in the other prone basins, which have the similar storms.