The Effect of Modifying the Existing Green Spaces Compared to Other Methods of Urban Flood Management in Reducing the Volume of Runoff (Case Study: Chahar-Cheshme River Basin, Mashhad)

Document Type : Case Study

Authors

• Amir Mohammad Danesh ¹
• Abolfazl Mosaedi ¹
• Alireza Farid Hoseini ¹
• Ali Ghiami Bajgirani ²

¹ Department of Water Science and Engineering, Agriculture Faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

² Department of Civil Engineering, Eqbal Lahoori Institute of Higher Education, Mashhad, Iran

10.22067/jwsd.v11i4.2406-1339

Abstract

Flood is one of the natural events that in recent decades, due to the expansion of urbanization and land use changes, causes many financial and human losses in different regions of the world, annually. Therefore, flood management in cities by low-impact development methods has become crucial. The current research compares the performance of the approaches of rain gardens, storage units, and bio-retention cells to directing surface runoff to green spaces using the SWMM model for the Chahar-Cheshme River basin of Mashhad city. Due to the lack of a hydrometric station in the city, precipitation and peak flow in the channel were measured for 20 rainfall events from April 2023 to May 2024. The evaluation index including RMSE, NS, and KGE shows the appropriate performance of the model for peak flow estimation. The sensitivity analysis of the model showed that impervious area, width, and impervious area’s roughness coefficient are the most effective parameters to the peak flood discharge, respectively. In terms of reducing the peak discharge and volume of the flood, bio-retention cells, runoff directing to green space, and rain gardens had the best performance, respectively. However, the bio-retention cells had the best performance, but considering operational and maintenance costs, and other conditions, modifying green spaces to direct surface runoff to these spaces is a better and more logical choice for flood management in the study area. 

Keywords

• Urban Flooding
• Low-Impact Development
• Runoff Modeling
• SWMM

Main Subjects

• Water, Ecosystem and Environment

---

References

ایزانلو، راضیه، و شیخ، واحدبردی. (1397). اولویت‌بندی سناریوهای مدیریت رواناب سطحی با استفاده از روش TOPSIS در حالت‌های مختلف وزن‌دهی (مطالعه موردی: شهر بجنورد). مجله آب و فاضلاب، 29(6)،15-26. https://doi.org/10.22093/wwj.2017.81822.2381
بدیع‌ زادگان، رضا. (1400). ارزیابی عملکرد سیستم‌های نگهداشت و نفوذ بر کنترل سیلاب شهری (مطالعه موردی: قسمتی از حوضه آبریز شهر تهران). رساله دکتری رشته مهندسی آب، دانشکده کشاوزری، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
بهبهانی، سید محمد رضا. (1388). هیدرولوژی آب‌های سطحی، جلد ۱. هیدرولوژی آب‌های سطحی. انتشارات دانشگاه تهران. چاپ دوم. تهران، ایران.
پناهی، قاسم، و اسماعیلی، کاظم. (1397). توصیه رویکردهای نوین در مدیریت سیلاب شهری. آب و توسعه پایدار، 5(1)، 93-100. https://doi.org/10.22067/jwsd.v5i1.62583
پورصاحبی، عطیه، ذاکری نیری، محمود، و معظمی گودرزی، صابر. (1395). ارزیابی کاربردهای توسعه کم اثر LID و بهترین روش‌های مدیریتی BMP بر کمیت و کیفیت سیلاب شهری مطالعه موردی منطقه 22 تهران. کنگره علوم و مهندسی آب و فاضلاب ایران. دانشگاه تهران، تهران، ایران.
تقی‏زاده، سودابه، و رجایی، طاهر. (1398). بررسی عملکرد و بهینه‏سازی جانمایی روش‏های نوین مدیریتی (LID-BMP) در بهبود کمیت رواناب سطحی شهر تهران- مطالعه موردی منطقه 22. زمین‌شناسی مهندسی، 12(4)، 1-21. https://sid.ir/paper/381460/fa
حسینی، سید محمد، و ابریشمی، جلیل. (1379). هیدرولیک کانال‌های باز، جلد ۱. هیدرولیک کانال‏های باز. انتشارات دانشگاه امام رضا (ع). چاپ نوزدهم. مشهد، ایران.
خداشناس، سعیدرضا، و عزیزی، جواد. (۱۳۹۸). بررسی تاثیر گسترش شهر مشهد بر سیلاب شهری بین سال‌های ۱۳۲۰ تا ۱۳۹۵. مجله علوم ومهندسی آبخیزداری ایران، ۱۳(۴۵)، ۱۱۸-۱۲۸. https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.20089554.1398.13.45.14.8
زاهدی خامنه، حامد، و خداشناس، سعیدرضا. (1400). بررسی عملکرد سیستم جمع‏آوری آب‌های سطحی و تحلیل حساسیت پارامترهای موثر بر آن ( مطالعه مناطق 10 و 11 مشهد). مجله آبیاری و زهکشی ایران، 15(5)، 1067-1080. https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.20087942.1400.15.5.7.5
سیدکابلی، حسام، معاضد، هادی، دل قندی، مهدی، و همتی، محمد. (1388). پیش‌بینی کمی و کیفی فاضلاب‌های سطحی در حوضه‌های شهری با استفاده از نرم‏افزار EPA SWMM. پنجمین همایش ملی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران (مدیریت پایدار بلایای طبیعی). دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ساری، ایران. 
صلواتی، پریسا، فاخری فرد، احمد، اسدی، اسماعیل، و اسدی، سهیل. (1396). تحلیل فرایند بارش- رواناب به منظور طراحی مخازن جمع آوری آب‌های سطحی برای توسعه فضای سبز شهری (مطالعه موردی: شهر تبریز). علوم مهندسی و آبیاری (مجله علمی کشاورزی)، 40(2)، 103-117. https://doi.org/10.22055/jise.2017.14365
صمیم، صمیم، حاجیان، فرهاد، و معظمی، دانیال. (1400). مدیریت سیلاب ناحیه هشتم شهر هرات افغانستان با استفاده از روش های توسعه کم اثر و ارزیابی آنها با مدل EPA-SWMM. آب و توسعه پایدار، 8(4)، 111-118. https://doi.org/10.22067/jwsd.v8i4.2108.1076
عقیلی مهابادی، نیلوفر، ظریف صنایعی، حامدرضا، و هاتفی، سیدمرتضی. (1400). اولویت‌بندی روش‌های توسعه کم‌اثر به منظور مدیریت رواناب سطحی شهری با استفاده از روش TOPSIS و Fuzzy TOPSIS (مطالعه موردی: شهرک سپاهان شهر اصفهان). مهندسی عمران امیرکبیر (امیرکبیر)، 53(11)، 4895-4912. https://doi.org/10.22060/ceej.2020.18619.6909
قشقایی زاده، نسیم، مرادی، عباس، ملکیان، آرش، حلی ساز، ارشک، و مهدوی، رسول. (1401). بهبود مدیریت رواناب شهری از لحاظ کمی و کیفی در بندرعباس با کمک رویکرد بهترین گزینه‌های عملیاتی (BMPs). مهندسی اکوسیستم بیابان، 11(37)، 85-99. https://doi.org/10.22052/deej.2023.248013.0
قنواتی، رویت، زارع، مریم، میدان شاهی، پارسا و پوست فروش فرد، یاسر. (1396). ارایه راهکاری نوین جهت کنترل و حفظ رواناب سطحی با استفاده از تکنیک مدرن BMP (روکش نفوذپذیر). دومین کنفرانس ملی هیدرولوژی ایران. دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.
لطفی، مرضیه، (1397). شبیه‌سازی رواناب سطحی در شهر بهارستان با استفاده از مدل کامپیوتری SWMM. پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد رشته مهندسی عمران گرایش آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید اشرفی اصفهانی، اصفهان، ایران.
محمدحسن نژاد، زهرا، قائینی حصاروئیه، مهناز، و فدائی کرمانی، احسان. (1403). طراحی سیستم جمع آوری رواناب شهری با استفاده از مدل SWMM (مطالعه موردی: شهرک ولی عصر(عج) شهر باغین، کرمان). نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، 14(4)، 33-52. https://doi.org/10.22125/iwe.2024.420970.1758
مهری، میلاد، هاشمی شاهدانی، سید مهدی، جوادی، سامان، موحدی نیا، مریم. (140۲). عملکرد واحدهای زیست‌ماند در بازیابی چرخه هیدرولوژیک حوضه‌های متراکم شهری. علوم آب و خاک، ۲۷(۳)، ۳۲۳-۳۳۵. https://doi.org/10.47176/jwss.27.3.39234
ناهید، مصطفی، زندمقدم، محمدرضا، و کرکه آبادی، زینب. (1400). سنجش و ارزیابی میزان تاب‏آوری در برابر سیلاب‌های شهری (مطالعه‌ی موردی: منطقه 4 تهران). نشریه علمی - پژوهشی مرتع و آبخیزداری, 74(1)، 189-205. https://doi.org/10.22059/jrwm.2021.323575.1589
یاراحمدی، یزدان، قضاوی، رضا، و قاسمیه، هدی. (1401). ارزیابی عملکرد شبکه ی جمع‏آوری رواناب‏های شهری مناطق نیمه خشک تحت تأثیر تغییر اقلیم. اکوهیدرولوژی، 9(4)، 783-795. https://doi.org/10.22059/ije.2022.345568.1661
Cunderlik, J., & Simonovic, S. P. (2004). Calibration, verification and sensitivity analysis of the HEC-HMS hydrologic model. Department of Civil and Environmental Engineering, The University of Western Ontario. Water Resources Research Report. 11. https://ir.lib.uwo.ca/wrrr/11
Damodaram, C., Giacomoni, M. H., Prakash Khedun, C., Holmes, H., Ryan, A., Saour, W., & Zechman, E. M. (2010). Simulation of Combined Best Management Practices and Low Impact Development for Sustainable Stormwater Management. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 46(5), 907–918. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.2010.00462.x
Fei, Y., Rene, E. R., Shang, Q., & Singh, R. P. (2023). Comprehensive effect evaluation of LID facilities implemented in sponge campuses: A case study. Ecological Indicators, 155, 110912. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2023.110912
Fernandez, P., Mourato, S., & Moreira, M. (2016). Social vulnerability assessment of flood risk using GIS-based multicriteria decision analysis. A case study of Vila Nova de Gaia (Portugal). Geomatics, Natural Hazards and Risk, 7(4), 1367-1389. https://doi.org/10.1080/19475705.2015.1052021
Frias, R. A., & Maniquiz-Redillas, M. (2021). Modelling the applicability of Low Impact Development (LID) technologies in a university campus in the Philippines using Storm Water Management Model (SWMM). In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 1153, No. 1, p. 012009), 23rd-25th January 2021. IOP Publishing, Johor, Malaysia. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1153/1/012009
Gündel, H., & Kalaycı Önaç, A. (2024). Simulating blue and green infrastructure tools via SWMM in order to prevent flood hazard in an urban area. Natural Hazards, 57(2), 1-25. https://doi.org/10.1007/s11069-024-06868-8
Gupta, H. V., Kling, H., Yilmaz, K. K., & Martinez, G. F. (2009). Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: Implications for improving hydrological modelling. Journal of hydrology, 377(1-2), 80-91. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.08.003
Khan, S. I., Hong, Y., Wang, J., Yilmaz, K. K., Gourley, J. J., Adler, R. F., Brakenridge, R., Policelli, F., Habib, S., & Irwin, D. (2010). Satellite remote sensing and hydrologic modeling for flood inundation mapping in Lake Victoria basin: Implications for hydrologic prediction in ungauged basins. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 49(1), 85-95. https://doi.org/10.1109/TGRS.2010.2057513
Kim, J., & Joo, J. (2018). Evaluation of low impact development using EPA SWMM-LID modeling. EPiC Series Engineering, 3, 1078-1074. https://doi.org/10.29007/k8gk
Li, J., Deng, C., Li, Y. et al. (2017).  Comprehensive Benefit Evaluation System for Low-Impact Development of Urban Stormwater Management Measures. Water Resour Manage 31, 4745–4758. https://doi.org/10.1007/s11269-017-1776-5
Nash, J. E., & Sutcliffe, J. V. (1970). River flow forecasting through conceptual models part I—A discussion of principles. Journal of hydrology, 10(3), 282-290. https://doi.org/10.1016/0022-1694(70)90255-6
Niazi, M., Nietch, C., Maghrebi, M., Jackson, N., Bennett, B. R., Tryby, M., & Massoudieh, A. (2017). Storm water management model: Performance review and gap analysis. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, 3(2), 04017002. https://doi.org/10.1061/JSWBAY.0000817
Nilawar, A. P., & Waikar, M. L. (2019). Impacts of climate change on streamflow and sediment concentration under RCP 4.5 and 8.5: A case study in Purna river basin, India. Science of the total environment, 650, 2685-2696. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.334
Rossman, L. A. (2010). Storm water management model user's manual, version 5.0. US Environmental Protection Agency. Washington, DC., USA.
Sui, X., & van de Ven, F. H. (2023). The influence of Low Impact Development (LID) on basin runoff in a half-urbanized catchment: A case study in San Antonio, Texas. Journal of Hydrology, 616, 128793. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128793
Suresh, A., Pekkat, S., & Subbiah, S. (2023). Quantifying the efficacy of Low Impact Developments (LIDs) for flood reduction in micro-urban watersheds incorporating climate change. Sustainable Cities and Society, 95, 104601. https://doi.org/10.1016/j.scs.2023.104601
Wang, Y., Li, Z., Tang, Z., & Zeng, G. (2011). A GIS-based spatial multi-criteria approach for flood risk assessment in the Dongting Lake Region, Hunan, Central China. Water resources management, 25, 3465-3484. https://doi.org/10.1007/s11269-011-9866-2
Yang, W., Brüggemann, K., Seguya, K. D., Ahmed, E., Kaeseberg, T., Dai, H., Hua P., Zhang J., & Krebs, P. (2020). Measuring performance of low impact development practices for the surface runoff management. Environmental Science and Ecotechnology, 1, 100010. https://doi.org/10.1016/j.ese.2020.100010