بخشی از مقاله
چکیده
در طرح های مطالعات کاربردی و یا تحقیقاتی مرتبط با حوزه های آبخیز، داده های شبکه هیدروگرافی، از جمله مهم ترین داده های مورد استفاده در محاسبه پارامترهائی نظیر پارامترهای فیزیکی حوزه های آبخیز، رواناب، رسوب، فرسایش و غیره می باشند. این داده ها که در مقیاس و قالب های مختلف به شکل رقومی تهیه می شوند عمدتا" دارای نقائصی در پیوستگی شبکه و همچنین در نمایش جهت جریان آب بوده به نحوی که در مطالعات فیزیوگرافی، مشکلات عدیده ای را در محاسبه پارامترهای حوزه آبخیز ایجاد می نمایند.
در تحقیق حاضر، با بهره گیری از نتایج تحقیقات قبلی نگارنده در این زمینه و همچنین با استفاده از مفاهیم بکار گرفته شده در مدل های ArcSWAT و ArcHydroTools، مدل جدیدی در محیط GIS طراحی و ساخته شده است که علاوه بر رفع مشکلات نرم افزارهای GIS در تولید شبکه های هیدروگرافی مصنوعی - از نظر تعداد، موقعیت شاخه ها و تعریف حد آستانه - ، قادر است شبکه های هیدروگرافی گسسته رقومی را به شبکه های پیوسته تبدیل نموده به نحوی که تعداد و موقعیت آبراه های تولیدی با تعداد و موقعیت شاخه ها در شبکه هیدروگرافی اولیه برابر و جهت جریان آب در آن ها منطبق با الگوی جریان آب حوزه آبخیز اصلاح شده است.
مقدمه
در مطالعات فیزیوگرافی، هیدرولوﮊی و منابع آب، محاسبه پارامترهای شبکه های هیدروگرافی حوزه های آبخیز از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده، به نحوی که بسیاری از محاسبات مربوط به رواناب، رسوب، فرسایش و غیره بر پایه محاسبه پارامترهای شبکه هیدروگرافی حوضه انجام می شود.
پارامترهائی نظیر طول، شیب، تراکم، زمان تمرکز، رتبه بندی، تنها بخشیاز پارامترهای اولیه شبکه های هیدروگرافی مورد نیاز این گونه مطالعات بوده و از سوی دیگر، محاسبه و تجزیه و تحلیل صحیح این پارامترها مبتنی بر وجود شبکه هیدروگرافی پیوسته و منطبق با الگوی جهت جریان آب در حوزه آبخیز می باشد. بررسی های انجام شده در این زمینه نشان می دهد که شبکه های هیدروگرافی حوزه های آبخیز اغلب دارای اشکالاتی نظیر ناپیوستگی و عدم تطابق کامل با الگوی جریان آب
بوده که این امر، روندیابی مسیر جریان آبهای سطحی را در مدلهای رستری با مشکل مواجه می سازد. به منظور اصلاح یا ساخت شبکه های هیدروگرافی به صورت خودکار، تا کنون، تلاش های ارزشمندی صورت گرفته که عمدتا" به تولید شبکه های هیدروگرافی مصنوعی حوزه های آبخیز با بهره گیری از لایه های مکانی جهت و تجمع جریان آب٢ و همچنین تعریف یک حد آستانه از سوی کاربر در محیط GIS همراه بوده که در عین حالی که به تصحیح جنبه هائی از اشکالات فوق الذکر می پردازد ولی از سوی دیگر موجب ایجاد برخی اشکالات و محدودیت های دیگر گردیده که کاربرد این شبکه های مصنوعی را با محدودیت مواجه می نماید.
در ادامه، به بررسی اجمالی برخی از نتایج عرضه شده درتحقیقات مرتبطه و همچنین روش های بکار گرفته شده در مدل های هیدرولوﮊیکی در راستای تولید شبکه های هیدروگرافی حوزه های آبخیز پرداخته می شود. با تعریف یک حد آستانه در لایه تجمع جریان می توان سلولهائی که دارای تجمع زیاد جریان می باشند را بعنوان سلول های شبکه آبراه ای در نظر گرفت
برای تهیه نقشه های جهت جریان آب، در قالب یک نقشه رستری که نمایش دهنده جهت حرکت آب در بین سلولهای آن میباشد، از روش معروف به D8 میتوان استفاده نمود. در حال حاضر در نرم افزارهای GIS از این روش برای تهیه نقشه جهت جریان آب با در نظر گرفتن و لحاظ ارتفاع هر سلول و مقایسه آن با هشت سلول همسایه و با توجه به اینکه آب به یکی از سلولهای مجاور یا همسایه حرکت میکند استفاده می شود
در ارتباط با استخراج شبکه های هیدروگرافی مصنوعی حوزه های آبخیز، ] Hellweger٦[ روشی را بر اساس اصول AML٤ طراحی و به صورت یک برنامه رایانهای قابل اجرا در محیط GIS تحت عنوان ArcHydro ارائه نموده، که درآن، به منظور ترسیم اتوماتیک مرز زیر حوضه ها، تولید شبکه هیدروگرافی مصنوعی و غیره، ارتفاع سلول های مدل ارتفاعی رقومی زمین٥ در محل شبکه هیدروگرافی رقومی حوضه کاهش یافته و در مراحل بعد با تعیین یک حد آستانه با استفاده از لایه های جهت و تجمع جریان آب، شبکه هیدروگرافی مصنوعی جدیدی منطبق با الگوی جریان آب حوضه تولید می گردد
. درتحقیق دیگر، ] Saunders١٦[ با کاهش ارتفاع سلول های DEM در مسیر شبکه هیدروگرافی، لایه جهت جریان آب را در محل شبکه هیدروگرافی رقومی حوضه اصلاح نموده به نحوی که جهت جریان آب در سلول های این لایه با مسیر شبکه هیدروگرافی رقومی حوضه انطباق می یابد. همچنین ] Guy٥[ در روشی مشابه با روش Saunders و تحت Pixel به کوچکترین المان یک نقشه رستری گفته می شود
عنوان REA١ با تحمیل عوارض جاده ای، پل ها به لایه DEM نسبت به اصلاح جهت جریان سطحی٢ اقدام نمود.
در مدل ArcSWAT٣، Winchell و همکاران]۸۱[ روشی را تعریف نموده اند که با تحمیل لایه مکانی شبکه هیدروگرافی رقومی به DEM، ارتفاع سلول ها، در مناطقی به غیر از محل شبکه هیدروگرافی افزایش چشمگیری یافته و در نتیجه آن، امکان تولید شبکه های هیدروگرافی مصنوعی و ترسیم مرز زیر حوزه های آبخیز با مشخص نمودن یک حد آستانه ای فراهم می گردد.
از جمله ویژگی های تحقیقات یاد شده، تاکید آن ها در انطباق دادن لایه الگوی جریان آب با شبکه هیدروگراف رقومی بوده که همانطور که گفته شد با کاهش ارتفاع لایه DEM در مسیر شبکه هیدروگرافی رقومی انجام می گیرد. این مسئله در مناطق مسطح٤ که لایه DEM از دقت ارتفاعی کمتری برخوردار می باشد از اهمیت بیشتری برخوردار است. در تحقیقی دیگر، طباطبائی و همکاران]٢[ با طراحی و ساخت یک مدل شی گرا در محیط GIS، با محاسبه ارتفاع سرشاخه های آبراه ها و استفاده از نقشه های جهت جریان، توانستند شبکه های هیدروگرافی مصنوعی حوزه های آبخیز را به صورت خودکار تولید نمایند.
در رابطه با تاثیر کیفیت و قدرت تفکیک مکانی DEM در استخراج شبکه های هیدروگرافی حوزه های آبخیز، Murphy و همکاران]١٥[ تحقیقی را بر روی مدل های تولیدی حاصل از روش های مرسوم فتوگرامتری با قدرت تفکیک مکانی ۰۱ متر و روش Lidar٥ با قدرت تفکیک مکانی ۱ متر انجام داده و پس از انجام مقایسات بین شبکه های هیدروگرافی تولید شده از مدل های مذکور با شبکه هیدروگرافی حاصل از برداشت و مشاهدات زمینی نتیجه گیری نمودند که شبکه هیدروگرافی حاصل از روش Lidar دقیق تر و انطباق بیشتری با شبکه هیدروگرافی واقعی در مقایسه با شبکه هیدروگرافی تولیدی حاصل از تولید DEM به روش فتوگرامتری نشان میدهد. این امر نشان دهنده تاثیر مثبت بکارگیری هرچه بیشترعوارض ارتفاعی در ساخت DEM و در نتیجه آن افزایش کیفیت و دقت شبکه های هیدروگرافی استخراج شده از آن ها دارد.
در تحقیقاتی مشابه، طباطبائی و همکاران]١[ مدلی را در GIS طراحی نموده اند که میتواند بدون صرف هزینه و با سرعت زیاد، نقاط ارتفاعی جدیدی را در مسیرهای مورد نظر کاربر - مثلا رودخانه، آبراه و یا هر نوع عارضه خطی - در مناطق مسطح یا دیگر مناطق نقشه توپوگرافی با فواصل دلخواه و در محیط برداری تولید نماید. لایه نقاط ارتفاعی تولید شده به وسیله مدل، سپس میتواند به همراه نقشه توپوگرافی در تولید DEM دقیقتر منطقه مورد نظر مورد استفاده قرار گیرد.
از آنجا که مبنای اصلی محاسبات شبکه های هیدروگرافی در حوزه های آبخیز بر مدل DEM استوار می باشد لذا توجه به رفع خطاهای آن نظیر خطای گودال٦ نیز حائز اهمیت بوده و به این منظور الگوریتم های متنوعی تاکنون ارائه شده است که در بین آن ها الگوریتم DE٧ که توسط Hutchinson ارائه گردیده بسیار مشهور می باشد. این الگوریتم تحت برنامه ANUDEM ارائه گردید و هم اکنون مبنای کار نرم افزار ArcGIS در درون یابی نقشه های کنتور و تولید DEM هیدرولوﮊیکی را روشی در سنجش از دور، که بوسیله آن، ارتفاع نقاط زیادی از سطح زمین به همراه موقعیت آن ها برداشت می گردد
