بخشی از مقاله
تهيه مدل پهنه بند ي سيلاب با استفاده از نرم افزار WMS (مطالعه موردي حوضه آبريز دز)
چکيده
سيل يکي از مخرب ترين بلاياي طبيعي در تمام دنيا است . در دهه گذشته ميزان وقوع سيلاب هاي مخرب به دليل افزايش دما، گستر ش شهرسازي و تغيير خصوصيا ت حوضه آبريز همراه با ايجاد تغيير در کاربري اراضي و استفاده نادرست از زمين افزايش يافته است . با وجود تحقيقا ت زيادي که در زمينه پيش بيني ، کنترل و مهار سيلاب انجام شده است ، اين پديده همچنان باعث خسارت هاي فراواني در اکثر نقا ط دنيا مي شود. مديريت سيلاب و پيش بيني ميزان گستر ش آن مهمترين و ضروري ترين بخش مهار و کنترل آن محسوب مي شود. با توجه به سيلاب هاي مهمي که در چند دهه اخير در استان خوزستان رخ داده است ، هد ف از اين تحقيق تهيه مدل پهنه بندي سيلاب رودخانه دز با استفاده از نرم افزار WMS مي باشد. در اين مطالعه ابتدا با توجه به جانمايي حوضه آبريز رودخانه دز در سيستم UTM و موجود بودن نقشه DEM با دقت ٥٠ متر، خروجي حوضه تا ايستگاه تله زنگ به ٣ زيرحوضه تفکيک گرديد و در مرحله بعد با توجه به داده هاي منطقه و اطلاعا ت بارش هاي ثبت شده ، هيدروگراف سيلاب در زيرحوضه ها توسط مدول معرو ف بار ش -رواناب ١-HEC براي دو سيل بوقوع پيوسته در منطقه شبيه سازي ، صحت سنجي و سپس واسنجي گرديد. سپس با استفاده از مدول هيدروليکي HEC-RAS، رونديابي رودخانه دز در حد فاصل ايستگاه تن پنج تا تله زنگ انجام پذيرفت . در نهايت نقشه پخش سيلاب در نرم افزار WMS ترسيم و ميزان صحت و دقت اين تحقيق از طريق مقايسه نتايج با داده هاي مشاهده اي انجام پذيرفت . نتايج اين تحقيق بيا گر ميزان دقت ، کارايي و سهولت استفاده از نرم افزار WMS براي پهنه بندي سيلاب در رودخانه ها، امکان انجام پيوسته چندين فرآيند شبيه سازي مستقل توسط مدول هاي مختلف موجود در نرم افزار WMS و امکان هشدار به موقع براي کاهش اثرات وقوع سيلاب است . نتايج اين تحقيق مي تواند در پيش بيني و مديريت سيلاب در ساير نقا ط سي ل خيز مورد استفاده قرار گيرد.
واژه هاي کليد ي: شبيه سازي سيلاب ، پهنه بندي سيلاب ، مدل بار ش - رواناب ، نرم افزار WMS
مقدمه
سيل يکي از مهمترين بلاياي طبيعي در جهان به شمار مي رود. در مقيا س جهاني توفان و سيل مخرب ترين وقايع به شمار مي روند که موجب تلفا ت بسيار بالايي شده است [١]. از جمله خسارات ناشي از سيل مي توان از تلفا ت جاني ، تخريب ساختمان ها، ابنيه و راه ها، فرسايش خاک و از بين رفتن زمي ن هاي مرغوب کشاورزي و انتقال آلودگي به شهرها و آبادي ها را نام برد. در ايران بر طبق آمار موجود بين سال هاي ١٣٦٩ الي ١٣٨٢ مجموع سيل هاي رخ داده ٦١٥ مورد بوده است [٢]. متوسط سيل در اين دوره يک سيل در هر ٨ روز بوده است . بررسي آمار خسار ت سيل در سال هاي گذشته پتانسيل بالاي وقوع سيلاب در مناطق مختلف کشور را نشان مي دهد. با توجه به مشکلات بسيار در طي وقوع هر سيل ، وسعت ميزان خسارات به مناطق شهري و غير شهري و اختصا ص سالانه حدود ٧٠ درصد اعتبارات ستاد حواد ث غير مترقبه کشور به خسار ت احتمالي سيل [٣]، ميتوان نتيجه گرفت که شبيه سازي، پيش بيني و در نتيجه مهار سيلاب از اهميت ويژه اي برخوردار است . از زمان ارائه طرح شبيه سازي سيلاب توسط فريز و هارلان در سال ١٩٦٩، اين فرآيند دچار تحولا ت زيادي شده است ، که مهمترين آن ها پيدايش GIS، نقشه هاي رقومي ارتفاعي(DEM) و مدل هاي هيدرولوژيکي و هيدروليکي در سال هاي اخير مي باشد که نقش چشمگيري در پيشرفت آن ايفا کرده اند[٤].
مدل هاي بار ش - رواناب ، شبيه سازي سيلاب و ايجاد نقشه هاي پخش سيل با دقت بالا و همچنين چگونگي پخش آن در سيلاب دشت با توجه به توانايي اين مدل ها در پيش بيني سيلاب هاي آتي از موثرترين پارامترهاي تصمي گيري در مديريت سيلاب تلقي مي شود [٥]. اين مدل ها قادر به پيش بيني شد ت ، زمان و ميزان سيلاب و چگونگي پخش آن با استفاده از اطلاعا ت بارندگي مي باشند. همچنين با شبيه سازي سيلاب ، ميتوان عمق و سطح آبگرفتگي در منطقه موردنظر را مشخص نمود. اين نقشه ها ابزاري مهم در جهت مشخص نمودن مناطق پرخطر و امکان تخليه مناسب در زمان وقوع سيلاب مي باشند. استفاده از اين نقشه ها ميتواند نقش موثري را در کاهش خطرا ت سيلاب ايفا کند. در نتيجه استفاده از رو ش هاي جديد در تخمين و شبيه سازي سيلاب با در نظر گرفتن هزينه و زمان کمتر و دقت بيشتر ضروري است . با توجه به وقوع سيلاب هاي متعدد و مخرب در استان خوزستان و بالابودن خسارات ناشي از آن ، اين منطقه براي تحقيق انتخاب شده است . هد ف از اين تحقيق تهيه مدل جامع سيلاب با دقت بالا براي زيرحوضه رودخانه دز واقع در بالادست سد مخزني دز است . تهيه مدل جامع سيلاب از زمان شروع بار ش تا وقوع سيل نيازمند استفاده از مدل هيدرولوژيکي - هيدروليکي و امکانا ت فرآيند پخش سيل به طور هم زمان ميباشد به نحوي که نتايج حاصل از هر مدل به مدل بعدي منتقل و مورد استفاده قرار م گيرد.
نرم افزار WMS که قابليت ارتبا ط مدل هاي هيدرولوژيکي- هيدروليکي را به محيط سامانه اطلاعا ت جغرافيايي (GIS) دارا ميباشد براي انجام اين تحقيق انتخاب شده تا بتوان توسط آن فرآيند پيچيده بار ش - رواناب و در نهايت سيل را بصور ت يکپارچه وپيوسته مدل نمود. اما اين نتايج مطلوب زماني بدست خواهد آمد که اطلاعا ت اوليه از دقت و صحت مناسبي برخوردار باشد. مدل سازي سيلاب وپيش بيني آن مستلزم در دستر س بودن نقشه رقومي ارتفاعي با دقت زير١٠ متر براي منطقه مورد نظر است [٦]. متاسفانه فقدان نقشه هاي رقومي ارتفاعي (DEM) با دقت بالا در ايران از مهمترين و اساسي ترين موانع درامر شبيه سازي سيلاب و تهيه نقشه هاي خطر سيلاب با دقت قابل قبول است . از اي ن رو در اين تحقيق با استفاده از قابليت نرم افزار WMS، نقشه رقومي ارتفاعي منطقه با دقت ٥٠ متر که قالي ت استفاده در امر شبيه سازي را ندارد، با مقاطع نقشه برداري شده منطقه با دقت بالا تصحيح و امکان استفاده از اين نقشه ها در امر شبيه سازي سيلاب فراهم شده است . به اين ترتيب با استفاده از اين نرم افزار، شبيه سازي و انتقال نتايج در مراحل مختلف بدون نياز به نرم افزار واسطه در مدل هاي هيدرولوژيکي - هيدروليکي وپخش سيل بر روي نقشه DEM با دقت بالا انجام مي شود که باعث صرفه جويي در وقت ، هزينه و کاهش خطا در برآورد نتايج مي شود. با استفاده از نرم افزار WMS در شبيه سازي سيلاب ، نتايج حاصله با دقت بالا و کمترين خطا برآورد خواهد شد.
متن اصلي
منطقه موردمطالعه
استان خوزستان با برخورداري از پنج رودخانه بزرگ (کارون ، دز، کرخه ، جراحي و هنديجان ) از سيل خيزي بسيار بالايي برخوردار است . آمار و اطلاعا ت گذر سيلاب هاي متعدد با توان تخريب بالا را نشان مي دهد. حوضه آبريز دز تا ايستگاه تله زنگ با مساحت km٢ ١٥٨٥٨ يکي از زيرحوضه هاي حوضه آبريز کارون در استان خوزستان است که به عنوان منطقه مورد مطالعه در اين تحقيق انتخاب شده است (شکل ١). درمنطقه مورد مطالعه سه ايستگاه هيدرومتري که عبارتند از تن پنج (بختياري)، تنگ پنج (سزار) و تله زنگ و دو ايستگاه بارندگي با نام هاي بختياري و سزار که موقعيت آنها در نقشه نشان داده شده است ، موجود مي باشد. رودخانه دز از کوه هاي زاگر س سرچشمه م گيرد و حوضه آبريز آن از بالادست تا ايستگاه تله زنگ کوهستاني و با شيب بسيار تند است .
سيلاب هاي شبيه سازي شده در اين تحقيق ناشي از بارندگيهاي اسفند ١٣٧١ و آذر ١٣٨٠ ميباشند. اطلاعا ت استفاده شده در اين تحقيق داده هاي بارندگي، اطلاعا ت ايستگه هاي هيدرومتري، نقشه رقومي ارتفاعي و مقاطع عرضي نقشه برداري شده مي باشند. اطلاعا ت بارندگي مورد استفاده از دو سازمان تحقيقا ت منابع آب و سازمان آب و برق خوزستان تهيه شده است ، اطلاعا ت سه ايستگاه هيدرومتري تن پنج (بختياري)، تنگ پنج (سزار) و تله زنگ و مقاطع عرضي نقشه برداري شده درحد فاصل ايستگاه هاي مذکور از شرکت مهندسين مشاور دزآب و در نهايت نقشه رقومي منطقه با دقت ٥٠ متر از مرکز تحقيقا ت حفاظت خاک و آبخيزداري تهيه شده است .
شکل -١: نقشه منطقه مورد مطالعه
شرح مد ل
نرم افزار WMS توسط آزمايشگاه هيدروليک دانشگاه برينگهام ارائه شده است . اين بسته نرم افزاري قابليت ارتبا ط مدل هاي پشتيباني شده را به ابزار GIS دارد و با دريافت شبکه نامنظم مثلثي (TIN) و يا مدل رقومي ارتفاعي (DEM) قادر به پرداز ش و شبيه سازي دقيق عوار ض زمين ، شبکه آبراهه ، الگوي جريان و تعيين مرز زيرحوضه ها و ارائه کليه خصوصيا ت زيرحوضه به طور دقيق مي باشد. از جمله مدل هاي حوضه آبريز که توسط اين مدل پشتيباني مي شوند ميتوان از مدل هاي ١-HEC،HSPF ،HEC-RAS ، ٢٠-TR،HEC-HMS و غيره نام برد. با استفاده از اين نرم افزار کاربر قادر به بکارگيري طيف وسيعي از داده هاي ورودي در مدل هاي مختلف مي باشد. با توجه به محدوديت داده هاي در دستر س و دقت نامطلوب نقشه هاي رقومي ارتفاعي در بسياري از مناطق و اهميت بالاي تعيين دقيق پهنه سيلاب که جزء اساسي ترين گام در مديريت ريسک و تعيين حريم رودخانه و سيلاب مي باشد، استفاده از نرم افزاري که قابليت تصحيح داده ها و تعيين پهنه سيلاب با دقت بالا را دارا باشد، امري اجتناب ناپذير است . از مهمترين کاربردهاي اين نرم افزار در مهندسي رودخانه استفاده از نقشه رقومي ارتفاعي و يا شبکه نامنظم مثلثي(TIN)، تعيين حريم رودخانه ، استخراج مقاطع عرضي رودخانه و انتقال آن به مدل هيدروليکي، امکان تصحيح مقاطع با استفاده از مقاطع نقشه برداري شده ، انجام شبيه سازي هيدروليکي، انتقال نتايج به نقشه رقومي ارتفاعي تصحيح شده و توليد نقشه هاي خطر سيل با دقت قابل قبول است . کليه شبيه سازيهاي هيدرولوژيکي و هيدروليکي در اين نرم افزار به طور يکپارچه امکا پذير بوده و نتايج از هرمدل به مدل ديگر به راحتي قابل انتقال است .
روش انجام تحقيق
تهيه نقشه خطر سيلاب نيازمند شبيه سازي هيدرولوژيکي، هيدروليکي و انتقال نتايج به نقشه توپوگرافي است . روندنماي بکار رفته جهت شبيه سازي سيلاب در اين تحقيق در شکل ٢ نشان داده شده است . به همين منظور آمار بارندگي منجر به سيل در دو سال ١٣٧١ و ١٣٨٠ براي ايستگاه هاي باران سنجي موجود در منطقه مورد مطالعه گردآوري شد و سپس با استفاده از نقشه DEM منطقه ، مدل حوضه پس از پرداز ش هايي تهيه و به سه زير حوضه تفکيک گرديد. در نهايت کليه مشخصا ت فيزيکي حوضه ها به طور خودکار محاسبه شد. در ادامه براي تبديل بار ش به رواناب از رو ش هاي موجود در مدل ١-HEC استفاده گرديد. به اين منظور در تعيين مدل بارندگي از دو رو ش وزني و بارندگي متوسط به منظور تهيه هيتوگرا ف استفاده شده است . در رو ش وزني (چندضلعي تيسن ) ابتدا ايستگه هاي همجوار بهم متصل ميشوند تا تعدادي مثلث ايجاد گردد. با رسم عمودمنصف هاي اضلاع اين مثلث ها، چند ضلعي و يا پليگون هايي حاصل ميگردد که هر ايستگاه در داخل يکي از اين چندضلعيها قرار ميگيرد. برطبق اندازه اين پليگون ها که هرکدام درصدي از کل مساحت حوضه را در بر ميگيرند، نسبتي از بارندگي براي هر قسمت اختصا ص م گيرد. محاسبا ت مربو ط به اين قسمت به طور خودکار توسط نرم افزار WMS محاسبه ميشود، که برحسب شرايط حوضه توسط کاربر قابل تغيير است . اين مزيت نقش بسزايي در صحت و دقت بيشتر نتايج در مقايسه با زماني که اين نسبت ها توسط کاربر به صور ت تخميني تعيين مي شود داراست . محاسبه تلفا ت با استفاده از رو ش SCS انجام ميشود، سپس با تکيه بر رو ش هيدروگرا ف واحد، رواناب حاصل از بار ش شبيه سازي ميشود. استفاده از اين رو ش نيازمند محاسبه زمان تاخير حوضه مي باشد که نرم افزار WMS با استفاده از نقشه رقومي ارتفاعي آنرا به طور خودکار و دقيق محاسبه مي کند. اين پارامتر در ديگر مدل ها به صور ت دستي توسط کاربر با دقت کمتري تخمين زده مي شود. درمرحله بعد با استفاده از رو ش ماسکينگام رواناب بدست آمده تا ايستگاه تنگ پنج رونديابي ميشود. نتايج بدست آمده با هيدروگرا ف سيلاب مشاهده اي مقايسه شده و مدل واسنجي ميشود. سپس ميزان دقت نتايج با استفاده از رو ش هاي آماري استاندارد تعيين مي شود. دبي حداکثر بدست آمده از اين دو رو ش براي هر دو سيل در همه ايستگاه هاي هيدرومتري موجود در منطقه تعيين شده و براي شبيه سازي هيدروليکي
