بخشی از مقاله
چکیده
امروزه برای تخمین رواناب حوضه آبریز از سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور استفاده میگردد، زیرا مدلهای بارش - رواناب هر 2 تغییرات ژئومورفولوژی و مکانی را شامل میشوند. در این پژوهش نقشه کاربری اراضی حوزه شامل 6 کلاس کشاورزی، جنگل، اراضی فاقد پوشش گیاهی، مرتع، باغات و اراضی مسکونی با استفاده از تصویر ماهوارهای لندست 8 سال 2013 تهیه شده است، سپس نقشه گروههای هیدرولیک خاک حوزه تهیه گردید.
برای تعیین شماره منحنی از ابزار sara در محیط GIS که ارتفاع و حجم رواناب براساس NRCS ارائه شده، استفاده گردید. نقشه شماره منحنی از تلفیق نقشه کاربری اراضی، نقشه زیرحوزهها و نقشه گروه-های هیدرولوژیکی خاک تهیه شده که در نتیجه این عمل نقشهای با واحدهای کوچکتر بدست امد که هر واحد ریز دارای یک نوع گروه هیدرولوژیکی با کاربری مشخص است. براساس نتایج این تحقیق، بیشترین و کمترین مقدار شماره منحنی برآورد شده برای منطقه مورد مطالعه به ترتیب 94 و 36 میباشد.حداکثر شماره منحنی مربوط به اراضی بایر و مسکونی و حداقل آن مربوط به جنگلها می-باشد.
مقدمه
از آنجایی که مسأله پیشبینی و برآورد رواناب حاصل از بارشهای جوی و درک کمی از فرایندهای مختلف تولید آن به عنوان یکی از مباحث مهم، اساسی و بنیادی در دانش هیدرولوژی به شمار می رود، لذا دستیابی به میزان کمی و کیفی آن با نگرش سیستمی از این نظر حائز اهمیت است که پایه و مبنای مطالعاتی طرحهای عمرانی را در زمینههای مختلف توسعه و بهرهبرداری در منابع آب و سازههای آبی و یا سایر عرصههای محیطی در حوضههای آبخیز تشکیل می دهد. [1]
روشهای مرسوم اندازهگیری رواناب در ایران به خاطر در دسترس نبودن اکثر حوضههای آبخیز، یک امر پرهزینه، وقتگیر و مشکل است. علاوه بر این در بیشتر حوضههای آبخیز ایران، ایستگاههای اندازهگیری رواناب وجود ندارد و یا دادههای موجود ناقص میباشند. دادههای کامل و قابل اطمینان نیز یکی دیگر از مسائل جدی در طراحی و تحقیقات مربوط به هیدرولوژی است. بنابراین استفاده از ابزارهایی برای تهیه دادههای پایه منابع آب و حفاظت خاک در طرحهای آبخیزداری، یک نیاز ضروری و اساسی میباشد.
برآورد رواناب به وسیله شماره منحنی توسط سرویس حفاظت منابع طبیعی دپارتمان کشاورزی ایلات متحده آمریکا پیشنهاد شده است و به روش NRCS یا SCS معروف است. که در بین روشهای تجربی برآورد ارتفاع رواناب به صورت دقیقتر و مطمئنتر کاربرد فراوانی در اقالیم مختلف دنیا دارد و به صورت گسترده و جهانی مورد استفاده هیدرولوژیستها و طراحان پروژههای منابع آب و آبخیزداری قرار گرفته است در این روش، تهیه نقشه شماره منحنی یا CN نیاز اولیه میباشد که از اطلاعات مربوط به نفوذپذیری و پوشش گیاهی استفاده می شود.
تاکنون تحقیقات زیادی در مورد روش شماره منحنی صورت گرفته است اما در این مورد، شرمن [2] اولین شخصی بود که رابطه بارندگی و رواناب را بطور تجربی و در قالب هیدروگراف واحد پیشنهاد نمود به دنبال این مطالعات سرویس حفاظت خاک آمریکا درسال 1954 روشی را برای محاسبه بارش مازاد ارائه نمود که به روش شماره منحنی - CN - موسوم گشت. برمبنای این روش در یک رگبار همیشه بارش اضافی یا رواناب مستقیم کوچکتر یا مساوی بارش کل می باشد .[3]
آخوندی - 1380 - روش شماره منحنی را در برآورد سیل با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی در حوضه کارون شمالی بکار برد .پس از تلفیق نقشهها و اطلاعات نقشه، شماره منحنی حوضه محاسبه شد و با داشتن اطلاعات مربوط به رگبارها - دبی و ارتفاع بارش - و با در نظر گرفتن شماره منحنی هر رگبار، ارتفاع رواناب و دبی حداکثر سیلاب محاسبه شد .نتایج حاصله نشان داد که با افزایش محاسبه حوضه، ضریب همبستگی بین دبیهای مشاهدهای و برآوردی کاهش می یابد.[4]
پاندی و همکاران - 1999 - ، با استفاده از تصاویر ماهواره ای IRS-1B، نقشه کاربری اراضی حوضه آبخیز رمی را تهیه کردند و سپس با تلفیق نقشههای کاربری اراضی، پوشش زمین و نقشه خاک منطقه، گروههای هیدرولوژیکی خاک را تعیین کرده و نهایتا با توجه به اطلاعات موجود و جدول استاندارد CN برای هند، شماره منحنی وزنی حوضه با توجه به مساحت تعیین گردید. نتایج این پژوهش نشان داد که چون شرایط لازم برای پایش رواناب در حوضه آبریز رمی وجود ندارد بنابراین می توان از روش شماره منحنی scs برای پیش بینی رواناب استفاده نمود.[5]
محمدی و همکاران - 1385 - چگونگی نتایج حاصل از برآورد مشخصه تبدیل بارندگی به بارندگی مازاد تحت عنوان شماره منحنی - CN - با دو روش مختلف، استفاده از روش وزنی SCS و استفاده از دادههای مشاهداتی، منقطه قلعه چای استان آذربایجان شرقی را مورد بررسی قرار دادند. در روش مشاهداتی 2 روش استفاده از لایه-های بارش درونیابی شده و نقشه ارتفاع رواناب و همپوشانی لایهها و دیگری با استفاده از لایههای مشاهداتی باران و دبی که برای سیلابهای مختلف برآورد شد مورد توجه قرار گرفت.[6]
اکبرپور و شریفی - 1385 - با استفاده از دادههای ماهواره لندست ETM+، نقشه کاربری اراضی کامه که در شمال شهرستان تربت حیدریه واقع شده است را به روشهای فازی، دولایه و سه لایه و همچنین روش حداکپر احتمال، تهیه کرده و نتایج آن را با هم مقایسه نمودند. نقشه شیب با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و تواناییهای ERDAS و نقشه وضعیت مراتع با کمک شاخص تسلدکپ تعیین و مراتع به سه کلاس متوسط و فقیر و خیلی فقیر تقسیم بندی نمودند. در نهایت به کمک نقشههای خاک، شیب، تشکیلات زمین شناسی و بازدیدهای صحرایی، نقشه گروههای هیدرولوژیکی خاک تهیه و با استفاده از جدول SCS و نرم افزار Arc View، نقشه شماره منحنی رواناب حوضه آبریز کامه تعیین گردید.[7]
براتی قهفرخی و همکاران - 1388 - با تهیه نقشه شماره منحنی حوزه آبخیز حوزه قلعه شاهرخ با استفاد از تصاویر ماهواره ای ETM+ سال 2002 نقشه کاربری حوزه را با 6 کلاس تعیین کردند. سپس نقشه گروه هیدرولوژیک خاک و نقشه CN حوزه را تهیه و در محیط ERDAS نقشه کاربری اراضی را بدست آوردند. براساس نتایج این تحقیق، مقدار شماره منحنی برآورد شده برای منطقه مورد مطالعه در شرایط رطوبتی متوسط برابر 87,24 می باشد. حداکثر شماره منحنی مربوط به نقاط صخرهای، مراتع شخم خورده و دیمزارها و حداقل آن مربوط به مراتع با پوشش متوسط میباشد.[8]
یعقوبزاده و همکاران - 1389 - در تحقیقات خود، نقشه شماره منحنی رواناب را با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی و تصاویر ماهواره لندست در 8 زیرحوضه از استان گلستان تهیه نمودند. نقشه شماره منحنی با تلفیق نقشههای پوشش گیاهی، کاربری اراضی و گروه هیدرولوژی خاک و با استفاده از جدول SCS و نرم افزارهای GIS تهیه شد .میانگین وزنی شماره منحنیهای بدست آمده برای هر زیرحوضه نشان دهنده این بود که در چه زیرحوضههایی، حجم رواناب احتمالی و پتانسیل سیل خیزی بیشتر خواهد بود.[9]
یعقوب زاده و همکاران - 1390 - ، در مطالعهات خود، نقشه شماره منحنی رواناب با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی و تصاویر ماهواره لندست - ETM+ - برای 2 حوزه آبریز، منصورآب اد خراسان جنوبی و ناورود گیلان را براساس فاکتورهایی مانند گروه هیدرولوزی خاک، کاربری اراضی و پوشش گیاهی تعیین کردند. برای ارزیابی صحت شماره منحنی بدست آمده، دبی حداکثر سیلاب در هر 2 حوزه آبریز به کمک مدل HEC-HMS محاسبه و با مقدار مشاهدهای مقایسه گردید.
نتایج نشان داد که متوسط وزنی شماره منحنی رواناب حوضه آبخیز منصورآباد خیلی بیشتر از حوضه آبخیز ناورود می باشد که این امر می تواند سبب بروز سیلابهای مخرب در هنگام وقوع رگبارهای فراوان شود.[10] هدف این مطالعه، تهیه نقشه شماره منحنی - - CNحوزه آبخیزمحمدآباد، به منظور بررسی و تخمین رواناب در منطقه مورد مطالعه بوده که بدین منظور، ازنقشههای کاربری اراضی،گروه هیدرولوژی خاک،پوشش گیاهی منطقه وجدول SCS استفاده گردید.
مواد و روش ها: منطقه مورد مطالعه:
حوضه آبخیز محمد آباد با مساحتی در حدود 16724 هکتار در جنوب استان مازندران در محدوده بین 53 14 ' 30" و 20 ' 30" 53 طول شرقی و 35 59 ' 30" و 36 12 ' 30" عرض شمالی واقع شده است. در شکل 1 موقعیت حوزه آبخیز مورد مطالعه در ایران و استان نشان داده شده است. با استفاده از نقشه های توپوگرافی 1:25000 و با توجه به محل ایستگاه هیدرومتری علی آباد و بر اساس هدف مورد مطالعه مورد نظر، حوضه به 4 زیر حوضه تقسیم گردید.
پس از رقومی کردن مرز حوضه و زیرحوضهها، مساحت کل حوضه مورد مطالعه 10,88 کیلومترمربع بدست آمد. اختلاف ارتفاع بین پایین ترین و بالاترین نقطه حوضه 2201 متر میباشد که حداکثر ارتفاع 2847 متر از سطح دریا و حداقل ارتفاع 646 متر از سطح دریا و ارتفاع متوسط کل حوضه 1593,89 متر است.شیب متوسط حوضه 20 درصد میباشد. میانگین بارندگی حوضه 775,9 میلیمتر، متوسط دبی سالانه 14,6 مترمکعب بر ثانیه، میانگین درجه حرارت سالانه 15 درجه سانتیگراد، گرمترین ماه سال مرداد ماه و سردترین ماه سال بهمن ماه میباشد. تعداد 543 دهنه چشمه دائمی و 7 دهنه چشمه فصلی و 11 رودخانه در این حوضه جریان دارد.
روش تحقیق
بهمنظورتهیه نقشه شماره منحنی رواناب منطقه مورد مطالعه ازاطلاعات سنجنده OLI ماهواره لندست 8 مربوط به سال 2013،نقشههایتوپوگرافی 1:25000 رقومی وکاغذی سازمان نقشهبرداری،نقشههای زمینشناسی،جداول استاندارد SCS ودیگراطلاعات رقومی و چاپ شده موجود منطقه، نرم-افزارهای ArcGIS،Arcview،Erdasو غیره استفاده گردیده است. دراین مطالعه اطلاعات کلی موردنیازدرحین عملیات صحرائی جمعآوری ونقشههای لازم با استفاده از نرمافزارههای فوق تهیه و نقشه شماره منحنی رواناب طی مراحل زیرتهیه گردید.
نقشه کاربری اراضی
کاربری اراضی یک خصوصیت مهم در پروسه رواناب می باشد که برروی نفوذ، فرسایش و تبخیر وتعرق اثر میگذارد. مدلهای هیدرولوژیکی توزیعی به دادههای مکانی کاربری اراضی حوضه که به طور گسترده توسط تکنیکهای RS وGIS تعیین میشوند، احتیاج دارند. [11] جهت تهیه نقشه کاربری اراضی از تصاویر ماهواره لندست استفاده گردید. قبل از استفاده از تصاویر ماهوارهای، ابتدا تصحیحات رادیومتریک QUAC صورت گرفته سپس با استفاده از فنون ادغام، عملیات ادغام بر روی باندهای طیفی انجام شد. تصویری که از ادغام باندهای ماهواره لندست حاصل شده دارای قدرت تفکیک پایین 30 متر می باشد به همین منظور با استفاده از باند PAN ماهواره، قابلیت تفکیک تصویر به 14 متر افزایش یافت. طبقه بندی تصاویر، نظارت شده و با استفاده از روش حداکثر احتمال انجام گردید.
با توجه به قدرت تفکیک مکانی و طیفی تصاویر سنجنده OLI و نیز تاریخ تصاویر، 6 کلاس کشاورزی، جنگل، اراضی فاقد پوشش گیاهی، مرتع، باغات و اراضی مسکونی تعریف شدند و نمونه برداری به روش نمونه برداری ساده - SRS - بود. این نمونهها از نقاطی برداشت شد که تا شعاع 30 متری یک تیپ همگن از پوشش اراضی را در بر داشتند. در نهایت به منظور تعیین میزان تفکیک پذیری کلاسها از یکدیگر از شاخص Jefferies Matusita استفاده شد. در مورد این شاخص هرچه عدد آن بین دو کلاس به 2 نزدیکتر باشد میزان تفیکیک پذیری آن دو کلاس بالاتر است و چنانچه مقدار این شاخص بیشتر 9/1 باشد بیانگر تفکیک پذیری خیلی خوب و اگر بالای 7/1 باشد بیانگر تفکیک پذیری نسبتا خوب کلاسها میباشد. جدول 2 تفکیک پذیری کلاسها را نشان می دهد.
پس از مشخص نمودن میزان تفکیک پذیری کلاسها نسبت به طبقه بندی به صورت نظارت شده و با الگوریتم حداکثر احتمال اقدام شد. برای برآورد دقت کلی و دقت تک تک کلاسها از عاملهای آماری ماتریس خطا یعنی دقت تولید کننده، دقت کاربر، خطای گماشته شده و خطای حذف شده استفاده شد. دقت تولید کننده، به احتمال اینکه یک پیکسل در تصویر کلاسه بندی شده، در همان کلاس در روی زمین قرار گیرد گفته میشود و دقت کاربر، احتمال اینکه یک کلاس مشخص در روی زمین در همان کلاس بر روی تصویر طبقه بندی شده قرار بگیرد، است. نتایج حاصل از ترکیبات مختلف باندها نشان داد که ترکیب باندهای، 6,7,MNF1 با ضریب کاپای 87/0 و صحت کلی 95درصد بالاترین ضرایب را ارائه می دهد.
گروه های هیدرولوژیک خاک
نقش خصوصیات خاک در پیدایش رواناب با یک عامل هیدرولوژیکی بیان می گردد که حداقل سرعت نفوذپذیری در حالت مرطوب بودن طولانی مدت خاک می باشد. خاکها بر اساس پتانسیل ایجاد رواناب بر طبق تقسیمبندی سازمان حفاظت خاک آمریکا - S.C.S - به چهار گروه اصلی A، B، C و D تقسیمبندی میشوند. در تحقیق حاضر نقشه گروههای هیدرولوژیک برای منطقه مورد مطالعه از اداره منابع طبیعی استان مازنداران تهیه شد.
نقشه شماره منحنی رواناب
در دهههای اخیر توسعه مدلهای هیدرولوژیکی مبتنی بر سیستم اطلاعات جغرافیایی در جهان مورد توجه محققان و دانشمندان قرار گرفته است یکی از این ابزارها SARA است که جهت تعیین شماره منحنی، ارتفاع و حجم رواناب بر اساس روش NRCS ارائه شده است. لایههای اطلاعاتی مورد نیاز SARA برای تعیین CN شامل جدول Index و لایه هیدرولوژیکی وکاربری است که این لایهها به روشهای زیر تهیه شدند.
لایه هیدرولوژیکی با اجرای عملیات Intersect از دو لایه کاربری اراضی و لایه گروه هیدرولوژیکی خاک در محیط GIS تهیه شد. که در نتیجه این عمل نقشهای با واحدهای کوچکتر به دست آمد که هر واحد ریز دارای یک نوع گروه هیدرولوژیکی با کاربری مشخص است. جدول Index در محیط Excel قابل ویرایش و تغییر است و می توان آن را با توجه شرایط محلی تغییر داد. در این جدول مقدار شماره منحنی برای هریک از گروههای هیدرولوژیکی خاک با توجه به نوع کاربری اراضی بر اساس منابع موجود استخراج گردید. سپس اطلاعات این جدول به صورت توصیفی در محیط GIS اضافه گردید.
نتایج:
نتایج بهدست آمده در تحقیق حاضر، شامل تعیین ضرایب کاپا و صحت کلی برای ترکیب باندهای مختلف، میزان تفکیکپذیری کلاسهای کاربری اراضی تعیین شده در منطقه مورد مطالعه و مقادیر شاخصهای آماری جهت ارزیابی دقت و صحت کلاسهای تفکیک شده در روش مورد نظر، در جداول 1 تا 3 ارائه گردیده است. همچنین، در شکل2، نقشه کاربری اراضی منطقه مورد مطالعه، در شکل 3، نقشه گروههای هیدرولوژیک خاک و در شکل 4 ، نقشه شماره منحنی برای حوزه آبخیز مورد مطالعه نشان داده شده است.
