بخشی از مقاله
چکیده
افزایش جمعیت در تمامی نقاط جهان، ایجاد توسعه را به دنبال خود میطلبد این توسعه محل، به معنی تغییر در ماهیت موجود زمین بوده و به تبع آن تغییر در پارامترهای موجود هیدرولوژی را به دنبال خواهد داشت. مهمترین پارامتری که در توسعه تغییر میکند نفوذناپذیری بوده که مقدار این پارامتر متناسب با رشد جمعیت افزایش مییابد. افزایش حجم رواناب، کاهش زمان تمرکز، سرعت حرکت بیشتر آب و دیگر پدیدهها را میتوان به تغییر در نفوذپذیری زمین مرتبط دانست. معمولا جهت جبران اثرات منفی توسعه بر چرخه هیدرولوژیکی و تعیین راهکاری برای هدایت و مهار آبهای سطحی از شبکه زهکشی بهره برده میشود که این سیستم به علت نقص در طراحی، محدودیتهای جانبی اعمال شده، عدم جانمایی توسعههای بعدی و سازگار نبودن آن با محیطزیست معمولا با مشکل مواجه شده و عبور حجم عظیم رواناب از محدوده توسعه یافته و تشکیل سیلاب مخرب شهری را بهدنبال خواهد داشت.
با بروز سیلاب شهری سیستمهای حمل و نقل، امدادرسانی و سایر خدمات شهری مختل شده و ممکن است خسارتهای جبران ناپذیری را بهبار بیاورد. چرا که این سیستمها برای مواجهه با سیلاب آمادگی کامل را نداشته و بهشدت آسیبپذیر میباشند
تحقیق حاضر به کمک سیستم اطلاعات مکانی GIS به شناسایی نوع کاربری اراضی در دو دوره زمانی مختلف مورد مطالعه در شهر سنندج پرداخته و به تعیین میزان نفوذپذیری هر سطح میپردازد. از آنجایی که برای تعیین میزان تغییر در حجم سیل نیاز به مدلسازی حوضه سنندج میباشد نرم افزار SWMM برای شبیهسازی رواناب در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته که توسط آژانس حفاظت محیطزیست آمریکا - EPA - ارائه شده است. جهت تعیین بهترین الگوی بارش در مدل انتخابی، پس از برازش و تعیین بهترین الگوی توزیع، خروجیهای حاصل از این کار آماری، به مدل معرفی شده است.
مقدمه
رشد جمعیت و مهاجرت به سوی مناطق شهری باعث تغییر کاربری اراضی و توسعه شهرنشینی در سرتاسر جهان شده است. به طوری که پیشبینی شده است در سال 2050 میلادی حدود 70 درصد از جمعیت جهان شهرنشین خواهند شد.[1] به عنوان مثال بر آورد شده است که جمعیت انگلستان طی 25 سال آینده 9,6 میلیون نفر افزایش یابد یعنی در سال 2037 انگلستان حدود 64 میلیون نفر جمعیت خواهد داشت .
این افزایش جمعیت در انگلستان و سایر کشورهای جهان که با نرخ مثبت جمعیت مواجهه هستند. به معنی نیاز مسکن بیشتر میباشد. همواره اعمال این افزایش مسکن در مناطق موجود شهری امکانپذیر نبوده و بخشی از شهر میبایست به نقاط محیطزیست نیمه شهری1 و روستاهای اطراف ملحق شود.
این عرضه مسکن میبایست به دقت مورد بررسی قرار گرفته و تبعات ناشی از آن مورد مطالعه قرار گیرد. چرا که شهرنشینی به همراه خود همواره طیف وسیعی از چالشهای زیستمحیطی در مقیاسهای از حداقل مقیاس محلی و گسترده از آن را به ارمغان میآورد. از اثرات مستقیم این توسعه میتوان به تغییرات شیمیایی و فیزیکی در سیستم هیدرولوژیکی نام برد
از دست دادن سطوح قبلی - قبل از توسعه - باعث کاهش نفوذپذیری به خاک خواهد شد. این درحالی است که شبکه زهکشی مصنوعی، جایگزین مسیر اصلی رودخانه و جریان سطحی خواهد شد. اگر این دو اثر به صورت همزمان در نظر گرفته شود نتیجه آن تغییر قابل توجهی در پاسخ هیدرولوژیکی منطقه در مقابل بارش میباشد.
هرچند که تاثیر توسعه شهرنشینی بر چرخه هیدرولوژیکی را به طور مستقیم با توسعه سطوح نفوذناپذیر مرتبط میدانند اما عواملی دیگر از جمله نوع ساخت، و مشخصات طبیعی حوزه نیز بیتاثیر نمیباشند.
از جمله این تغییرات میتوان به تغییر در جریان رودخانه، تغییر در دبی اوج، عدم مطابقت نفوذ و تغذیه آب زیرزمینی اشاره کرد.[9,8] بسیاری از اطلاعات موجود دربارهی تغییرات طولانی مدت چرخه هیدرولوژیکی مربوط به یک حوزه که از شهرنشینی ناشی میشود به کمک مدلهای کامپیوتری هیدرولوژیکی بهدست میآید.
این مدلها، تغییرات مکانی و زمانی را به منظور رسیدن به اثرات ناشی از این تغییرات در پاسخ هیدرولوژیکی منظور میکنند. از مهمترین اثراتی که میتوان در یک مدل کامپیوتری، کرد تغییرات کاربری اراضی - LUC - 2 و رشد و توسعه سطوح نفوذناپذیر میباشد.
مروری بر ادبیات موضوع:
سیلاب از مولفههایی است که هماینک نیز در سراسر دنیا با نگرانی به آن نگاه میکند تغییرات آب و هوایی فعلی ضرورت استفاده از مدل برای پیشبینی را بیشتر خواهد کرد.[11] تغییرات کاربری اراضی نیز باعث اصلاح فرآیندهای هیدرولوژیکی در مقیاس زمانی و مکانی خواهد بود. چرا که تغییر در فاکتورهای هیدرولوژیکی، می-تواند بر نوع رواناب تاثیر بگذارند. در مقیاس یک حوزه آبریز، تغییرات هیدرولوژیکی به طور قابل توجهی اکوسیستم، محیطزیست و اقتصاد محلی را نیز تحت تاثیر قرار میدهد. بنابر این درک بهتر و ارزیابی تغییر کاربری اراضی از اهمیت زیادی برای پیشبینی پتانسیل سیل و همچنین کاهش خطر داشته و تبدیل به مسئله مهمی برای برنامهریزی، مدیریت و توسعه پایدار محل میباشد.
انتخاب متدلوژی موثر برای شناسایی اثرات بالقوه تغییر کاربری اراضی در میزان رواناب در حال حاظر نیز با مشکلاتی مواجه است که میبایست با سرعت بیشتری حل گردد.
سناریوهای مبتنی بر تجزیه و تحلیل تا حد زیادی مورد پذیرش واقع شدهاند در برخی از مدلها، شرایط کنونی و شرایط پیشین کاربری اراضی برای تعیین میزان تغییر در حجم رواناب ملاک ارزیابی قرار گرفته و به عنوان ورودی مدل از آنها استفاده شده است .[14,13] این الگو و روش میتواند بیشترین شباهت و یا احتمال با درصد قابل قبولی از پاسخ هیدرولوژیکی منطقه برای وضع فعلی و آینده ارائه دهد.
در این تحقیق الگوهای مختلفی از بارش مورد بررسی قرار گرفته تا بهترین الگو گزینش شود و متدهای محاسبه رواناب مورد بحث قرار میگیرند. هرچند مدل یکپارچه که در این تحقیق به کاربرده میشود میتواند با دقت قابل قبولی، پاسخ هیدرولوژیکی منطقه علی-الخصوص تغییرات رواناب را در مقابل رشد جمعیت و به تبع آن تغییر کاربری اراضی برآورده کند اما ممکن است این تعیین توزیع و تغییر هیدرولوژیکی برای شرایط بحرانی پاسخگو نباشند. همچنین برای ارزیابی طولانی مدت تغییرات رواناب با وجود محدودیت داده ممکن است نیاز به استفاده از دادههای گسسته به عنوان ورودی احساس شود.
مبحث اثرات گسترش و توسعه فیزیکی شهر بر خصوصیات هیدرولوژیکی، تولید سیلاب و نحوه کنترل و زهکشی آبهای سطحی درون شهری انجام گرفته است که در ذیل به تعدادی از آنها اشاره میشود:
کانالگذاری شهری و مهندسی آب و تغییر کاربری اراضی که از طریق سطوح نفوذناپذیر عبور میکرد از پارامترهای اصلای است که در مراجع حال حاظر جای گرفته است که این مهم توسط محققانی چون هاپکینسون در سال 1980 رینولدز و سایمون در سال 1982 و پریگل در سال 2001 مورد بررسی قرار گرفته و در مجامع علمی عرضه گردید.
در خصوص اثرات گسترش و توسعه شهرسازی بر تولید سیلاب مطالعاتی با استفاده از روش ژئومرفولوژی تاریخی و تلفیق آن با روشهای تجربی برای شهر مشهد انجام شده که نتیجه آن افزایش پتانسیل سیلخیزی شهر، ضعف طراحی شهری و شبکه زهکشی آن بوده است.[16] با روش تقسیمبندی شهر و حوضههای بالادست شهر اردستان به واحدهای هیدرولوژیکی کوچکتر راهها و شیوههای مختلفی برای کنترل سیلاب و زهشکی آبهای وارد شده به این شهر ارائه شده است.
برخی محققان استفاده از روشهای تحلیلی- توصیفی و بهرهگیری از نرمافزار سیستمهای اطلاعات جغرافیایی را برای استفاده از روش پایش محیطی به عنوان راهکاری در مدیریت سیلابشهری پیشنهاد کردهاند.[18] در همین راستا برای کنترل سیلابشهری از سیستم اطلاعات جغرافیایی و روابط تجربی دیکن و کوک برای برآورد حداکثر دبی سیلابی شهر داراب استفاده گردیده است نتایج نشان دهنده افزایش %25 دبی روش کوک نسبت به روش دیکن بوده است و در این راستا استفاده از دبی حداکثر سالانه برای طراحی پلها و کانالهای انتقال آب این شهر پیشنهاد شده است
در تحقیقی دیگر از مدلهای تحلیلی در برآورد رواناب حوزههای آبخیز شهری استفاده شده و از مهمترین نتایج آن میتوان به برتری مدل تحلیلی بر اساس نفوذپذیری به مدل تحلیلی بر اساس ضریب رواناب اشاره کرد.[20] در برآورد رواناب اثر کاربرد نتایج نقشههای رقومی متفاوت در مدل سوات1مقایسه شده و نتایج تقریباً مشابهی علیرغم برآوردهای متفاوت از مشخصات فیزیوگرافی بدست آمده است
با استفاده از تصاویر ماهوارهای در تجزیه و تحلیل و پیشبینی رواناب سطحی درحوزههای شهری به این نتیجه رسیدهاند که افزایش سطوح نفوذناپذیر2ISA در این حوزهها بیشترین تأثیر را بر تولید رواناب دارد.[22] در موردی دیگر اثرات کمی توسعه سطوح نفوذناپذیر و همچنین توسعه شهر بر تولید رواناب و خطر سیل برای حوزه حاجی گوشان در شمال ایران بررسی شده است، نتایج حاصل نشاندهنده آنست که پتانسیل تولید رواناب در این حوزه به دلیل توسعه شهری در طول چهل سال گذشته افزایش یافته است
در یک کار تحقیقی دیگر سیلاب شهری ساحلی با استفاده از روش اجزا محدود، سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور برای شهر نرول در ایالت ناومومبی هند مدلسازی شده است آنها با استفاده از شبیهسازی پنج رویداد بارش نتیجه گرفتند که دبی پیک محاسبه شده از این روش برای آبهای سطحی و کانالها از روش مانینگ بیشتر است لازم به ذکر است برای محاسبات کلی از اصل بقای جرم استفاده شده است.[24] برای تعیین ویژگیهای بارش- رواناب در منطقه شهری حوزه آبریز سونگای کریونگ در کوالالامپور بخصوص زمان تمرکز حوزههای شهری به این نتیجه رسیدند که معادله برانسبی- ویلیامز3 برای محاسبه زمان تمرکز مناطق شهری مناسب نمیباشد.
- اسپی1 و همکاران - 1996 که در تحقیق خود روی زمان تاخیر مطالعه نمودند و به این نتیجه رسیدند که تغییر کاربری اراضی و شهرنشینی باعث شده که زمان اوج کاهش و دبی سیلاب افزایش پیدا کند. - چو2 و بال - 2002، به منظور واسنجی پارامترها از شبیهساز SWMM و GIS و تکنیکهای بهینهسازی استفاده کردند که نتیجه تحقیق آنها، بیانگر قابلیت روش بکار گرفته در برآورد دقیق پارامترهای کنترلکننده توزیع مکانی برای استفاده در سیستمهای مدلسازی است. - جنگ3 و همکاران، - 2007 در مرکز تحقیقات مدیریت بلایای سیلاب شهری کشور کره از SWMM به عنوان ابزاری برای ارزیابی تاثیرات هیدرولوژیکی استفاده نمودند، آنها وضعیتهای قبل و بعد از توسعه شهری را با استفاده از SWMM بررسی نمودند. مقایسه این روش با روشهایی کهقبلاً مورد استفاده قرار گرفته بود حاکی از بهتر بودن نتایج و دقیقتر بودن محاسبات نسبت به سایر روشهای تجربی پیشین بوده است.
مواد و روشها
روشهای مختلفی برای محاسبه حداکثر دبی سیلاب در حوزهها توصیه شده است، این روشها با توجه به حوزههای دارای اندازهگیر و حوزههای فاقد اندازهگیر متفاوت خواهد بود.
در حوزههای دارای اندازهگیر با توجه به کافی بودن دادههای در دسترس نیز روشهای مختلفی وجود دارد. استفاده از این روابط مستلزم تحقیقات و بررسیهای محلی جهت استخراج و تنظیم و تعدیل روابط بوده و اساساً بر شرایط و ویژگیهای محلی استوار است. خصوصیاتی که در این روابط کاربرد دارند معمولاً شامل مساحت و شیب حوزه، طول و شیب آبراهه یا سیلابرو، شدت بارش با تداوم و دوره بازگشت معین و نوع کاربری اراضی میباشد. این روشها جریان را به خصوصیات حوزه و همچنین مشخصات بارش نسبت میدهند.
توابع توزیع احتمال بارندگی
در بررسیهای هیدرولوژی سعی میشود دادهایی که به صورت تجربی اندازهگیری و ثبت شدهاند با توابع توزیع تئوری برازش داده شده و بهترین تابعی که با دادهها مطابقت دارد به عنوان تابع توزیع احتمال، برگزیده شود تا از روی آن به ازای هر احتمال مورد نظر مقدار متغیر هیدرولوژی بدست آید.
در آمار و احتمالات تعداد بسیار زیادی توابع توزیع احتمالاتی وجود دارد که در هیدرولوژی برای متغیرهای پیوسته بکار میرود توزیعهای نرمال، لوگ - نرمال، پیرسون تیپ 3 ، لوگ پیرسون تیپ3 و گامبل از مهمترین و کاربردیترین توزیعها به شمار میآیند.
آزمون کایمربع این آزمون از نوع ناپارامتری یا ناپارامتریک است و برای ارزیابی هم- قوارگی متغیرهای اسمی به کار رفته و به صورت زیر تعریف می- گردد.
محاسبه میزان نفوذناپذیری
این پارامتر مستقیما به سطوح نفوذناپذیر مرتبط است. اما سطوح نفوذناپذیر به مکانهایی اطلاق میگردد که آب موجود در این سطوح مستقیما به شبکه زهکشی یا سیستم فاضلاب منتقل میشود. در حالت ایدهآل این پارامتر را با تعیین درصد سطوحی مانند پشتبام، خیابان و سایر سطوح غیرقابل نفوذ تعیین میشود. در صورتی که این امکان موجود نباشد میتوان از سایر تقریبها بهره برد.
انتخاب ضریب رواناب یکی از سادهترین و البته محافظه کارانهترین این تقریب به شمار میرود. در تحقیق حاضر مراحل زیر برای برآورد این پارامتر به کار رفته است
-1 شناسایی کاربری اراضی هر زیرحوزه
-2 تعیین مساحت هر کدام از کاربریهای معرفی شده
-3 تعیین میزان ضریب رواناب برای کاربری اراضی معرفی شده - جدول - 1 برای هر زیرحوزه -4محاسبه میزان نفوذناپذیری برای هر زیرحوزه
جدول شماره:1 تعیین ضریب نفوذپذیری بر حسب کاربری مسکونی / کاربری اراضی
چگونگی محاسبه رواناب سطحی در مدل SWMM
چگونگی تولید رواناب سطحی مورد استفاده توسط SWMM به این صورت است که هر زیرحوزه مانند یک مخزن مطابق شکل - 4 - - 14 عمل میکند که جریان ورودی به آن شامل نزولات جوی و ذوببرف میباشد و جریان خروجی شامل تبخیر، نفوذ و رواناب سطحی خروجی میباشد.
