بخشی از مقاله
چکیده
با گسترش سیستمهای اطلاعات جغرافیایی، امکان دسترسی گسترده و مدیریت بر پارامترها و متغیرهای هیدرولوژیکی مکانی میسر گشته است. در این مطالعه با استفاده از مدل هیدرولوژیکی وتسپا1 وتکنیکهای سیستم اطلاعات جغرافیایی2، نقشههای ضریب رواناب پتانسیل و ظرفیت ذخیرهی چالابی حوزهی آبخیز خیاوچای مشکینشهر اردبیل با پیکسل اندازهی 30 متر تهیه گردید. بر اساس این نقشهها، متوسط ضریب پتانسیل رواناب حوزه 0/74 درصد و متوسط ظرفیت ذخیرهی چالابی 0/85 میلی متر بهدست آمد. از کاربردهای مفید این نقشهها این است که در مناطق سیلخیز میتوان با تهیهی این نقشهها، نقاط حادثهخیز را شناسایی کرده تا بتوان مدیریت ریسک را جایگزین مدیریت بحران نمود.
مقدمه
با داشتن برنامهریزی اصولی و مناسب، با جمعآوری آب حاصل از بارش می توان در جهت رفع مشکل کمبود آب، مصارف شرب، کشاورزی و صنعتی بهخصوص در شرایط خشکسالی اقدام نمود. در سالهای اخیر استفاده از تکنیکهای سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی بهمنظور تخمین پارامترهای هیدرولوژیکی و مدلسازی آنها در حوزهی آبخیز افزایش فراوانی یافته است. آگاهی از وضعیت منابع آب و نزولات جوی در حوزههای آبخیز مختلف برای اجرای طرحهای آبی و همچنین عدم وجود شبکهی قابل قبولی از ایستگاههای اندازهگیری پارامترهای هواشناسی و هیدرومتری، اهمیت استفاده از روشهای غیر مستقیم نظیر استفاده از مدلهای هیدرولوژیک در قالب یک سیستم اطلاعات جغرافیایی برای شبیه سازی جریان و نقشهبندی مکانهای با پتانسیل تولید رواناب و ذخیرهی آب در حوزههای آبخیز را بیش از پیش آشکار میسازد .[7]
به تبع مراحل شکلگیری رواناب، پتانسیلیابی مکان های مختلف یک حوزه جهت تولید رواناب و ذخیرهی چالابی نیز حائز اهمیت فراوان میباشد، زیرا اولاً با تعیین محلهای با پتانسیل بالای تولید رواناب و ذخیرهی چالابی به نوعی میتوان یک ارزیابی کلی از وضعیت سیلخیزی و منابع آبی منطقه بهدست آورد. ثانیاً آگاهی از این محلها، میتواند تهدیدها را به فرصت تبدیل کرده و برنامه ریزان و مدیران بخش منابع آب کشور را در اتخاذ تصمیمهای صحیح بهمنظور استفادهی به موقع از این منابع نامتعارف، در جهت جلوگیری از کمبود آب و خشکسالیها یاری رساند.[3] هنگامی که مقدار بارش مازاد یا بارش مؤثر از ظرفیت ذخیرهی چالابی تجاوز کند، رواناب در سطح زمین جاری میگردد.
در صورتی که سطح حوزه بهصورت یک شبکهای از سلولها فرض شود، رواناب خروجی از هر سلول بهعنوان رواناب ورودی به سلول مجاور در پائین دست آن قلمداد میگردد.[6] با توجه به این توضیح می توان پی برد که پتانسیل تولید رواناب در مناطق مختلف بر اساس نوع کاربری، جنس زمین و عواملی نظیر شیب سطح و غیره متفاوت است و این تغییرات در حوزههای نواحی کوهستانی و نیمهکوهستانی چشمگیرتر خواهد بود .
[12] رواناب تولیدی در مقیاس کوچک به حجم چالهها یا پستی و بلندیهای کوک سطح زمین نیز بستگی دارد. چالهها به یکدیگر متصل شده و چاله های بزرگتری ایجاد میکنند که حجم ذخایر آن ها با استفاده از ذخیرهی چالابی حداکثر محاسبه می شود. در حقیقت برای ایجاد رواناب بر روی زمین ابتدا چالهها بایستی از آب پر گردند. این مقدار، آستانه ی ذخیرهی چالابی منطقهی مورد مطالعه است و مقدار آن ثابت میباشد و هر قطره آب اضافه بر این آستانه به خارج از چالهها جریان مییابد .[8]
نامقی و همکاران [7] با استفاده از مدل هیدرولوژیکی، توزیعی-مکانی وتسپا وتکنیکهای سیستم اطلاعات جغرافیایی، نقشه های ضریب رواناب پتانسیل و ظرفیت ذخیرهی چالابی آبخیز اترک را با پیکسل سایز 100 متر تهیه کردند. و بر اساس این نقشهها، متوسط ضریب پتانسیل رواناب 0/37 درصد و متوسط ذخیرهی چالابی را 1/73 میلیمتر به دست آوردند. آذین مهر و همکاران [5] از مدل هیدرولوژیکی توزیعی مکانی وتسپا برای تهیهی نقشهی ظرفیت ذخیرهی چالابی حوزه آبخیز دینور با وسعت 1731/49 کیلومتر مربع واقع در استان کرمانشاه استفاده کردند. که این پارامتر در مدل وتسپا براساس سه نقشه پایه کاربری اراضی، خاک، شیب و با استفاده از جداول تلفیق کننده و جداول پیش فرض در مدل استخراج میگردد.
ایمانی و همکاران [4] پهنه بندی ضریب رواناب پتانسیل و ظرفیت ذخیرهی چالابی حوزه آبخیز بالخلوچای را با استفاده از مدل هیدرلوژیکی توزیعی وتسپا انجام دادند. نتایج ایشان رابطهی عکس این دوپارامتر را نشان داد به طوریکه مناطق شمالی، جنوب شرقی و جنوب غربی که ضریب پتانسیل رواناب بالایی داشتند، ظرفیت ذخیره چالای کمتری را نشان دادند. لذا مناطقی مانند جنوب شرق حوزه آبخیز که ضریب رواناب پتانسیل بالایی داشتند، توجه بالاتری را در راستای اقدامات مدیرتی میطلبیدند. لذا با توجه به اهمیت موضوع و همچنین سیلخیز بودن حوزهی آبخیز خیاوچای، در این تحقیق نقشهی پتانسیل تولید رواناب و ظرفیت ذخیرهی چالابی حوزهی آبخیز خیاوچای مشگین شهر اردبیل با مدل توزیعی- مکانی وتسپا و در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی تهیه گردید.
منطقهی مورد مطالعه
حوزهی آبخیز خیاوچای از دامنههای سبلان منشأ گرفته و در نقطه-ی خروجی به رودخانه قرهسو متصل میشود و از آنجا از طریق رودخانه بزرگ دره رود به ارس میپیوندد. طولانیترین مسیر هیدرولوژیِ سرشاخهی خیاوچای دارای طولی در حدود 42 کیلومتر میباشد. این حوزهی آبخیز در مختصات جغرافیایی 47 درجه و 38 دقیقه تا 47 درجه و 48 دقیقه ی طول شرقی و 38 درجه و 12 دقیقه تا 38 درجه و 24 دقیقهی عرض شمالی قرار دارد. مساحت آن در حدود 152/72 کیلومتر مربع و محیط آن در حدود 65900/94 متر و طول این حوزهی آبخیز 25 کیلومتر و ارتفاع حداکثر آن 4566 متر و ارتفاع حداقل 1377 متر میباشد.شکل 1 موقیت جغرافیایی حوزهی مورد مطالعه را نشان میدهد.
شکل :1 موقعیت جغرافیایی حوزهی خیاوچای مشکینشهر
عملکرد مدل وتسپا
مدل وتسپا اولین بار توسط وانگ و همکاران [15] ابداع و سپس توسط دی اسمیت و همکاران [11] و لیو و همکاران [13] توسعه پیدا کرده است. این مدل یک نوع مدل هیرولوژیکی توزیعی مکانی است که باران اصلیترین ورودی قسمت هیدرولوژیکی مدل است. از آنجا که مدل بر اساس شبکهی سلولی طراحی شده، برای هر شبکهی سلولی، 4 لایه در جهت عمودی در نظر گرفته میشود که عبارتاند از: لایهی تاج پوشش، زون ریشه، زون انتقال و زون اشباع .[9] مدل در هر شبکهی سلولی با توجه به میزان بارش، دما و تبخیر و تعرق، مقدار ذخیرهی برگابی گیاهان، ذخیرهی چالابی، نفوذ و رواناب تولیدی را شبیهسازی مینماید .[10]
ضریب رواناب پتانسیل
هر گاه شدت بارندگی از ظرفیت نفوذ آب به داخل خاک بیشتر باشد، بخشی از آب حاصل از بارندگی در سطح حوزه باقی میماند. این آب پس از پر کردن گودیهای سطح زمین در امتداد شیب جریان پیدا کرده و از طریق شبکهی آبراها و سپس رودخانهی اصلی از حوزه خارج میشود.. به این بخش از بارندگی که میتوان مقدار آن را در یک نقطه از مسیر رودخانه اندازهگیری کرد، رواناب سطحی میگویند.
[1] مقدار رواناب سطحی حاصل از بارش به فاکتورهای متعددی از قبیل مقدار بارش، شدت بارش، درصد پوشش گیاهی، نوع خاک و ساختمان آن، رطوبت خاک، میزان تبخیر و تعرق و شرایط پستی و بلندی زمین دارد .[2] از ضریب رواناب به عنوان پارامتری برای نشان دادن میزان رواناب تولیدی در حوزههای آبخیز استفاده میشود. مدل وتسپا از روش ضریب رواناب اصلاح شده - که تغییرات رطوبت خاک را نیز در نظر میگیرد - بهصورت رابطهی - 1 - جهت محاسبه رواناب در هر شبکهی سلولی استفاده میکند:
در رابطهی بالا R ارتفاع رواناب و C ضریب رواناب و بر اساس نوع کاربری اراضی، بافت خاک و شیب عرصه تعیین میشود و به عنوان ضریب رواناب معرفی شده که توسط اصطلاح با تغییرات رطوبت خاک و به نوعی با شدت بارندگی مرتبط میشود که در آن تخلخل خاک، رطوبت خاک و - - ضریبی است که نمادین که تأثیر شدت بارندگی بر میزان بارش مازاد میباشد. بارش و جذب اولیه شامل برگاب و ذخیره چالابی است. [14]
محاسبهی ظرفیت چالابی در مدل
بارش رسیده به سطح زمین ممکن است نفوذ کرده و یا تبخیر شود، یا اینکه در چالههای روی سطح زمین ذخیره گردد. پس از اینکه در چالههای روی سطح زمین ذخیره گردد. پس از اینکه شدت بارش از ظرفیت نفوذ بیشتر شود بارش مازاد شروع به پر کردن چالههای سطح زمین میکند. آب ذخیره شده در این چالهها یا تبخیر میشود و یا به رطوبت خاک افزوده میشود و به جریانهای زیر سطحی میپیوندد. ذخیرهی چالابی از اهمیت زیادی در چرخهی هیدرولوژیک برخوردار میباشد.
احداث تراس، کشت روی خطوط تراز و نظایر آن با افزایش ذخیرهی چالابی، خطر وقوع سیل را کاهش میدهد. عوامل مؤثر بر ذخیرهی چالابی عبارتند از شیب: هر چه درجهی شیب بیشتر باشد، مقدار ذخیرهی چالابی کمتر است. کاربری اراضی: پوشش درختی باعث افزایش ذخیرهی چالابی میشود. بارش پیشین: اگر رطوبت پیشین خاک زیاد باشد، ذخیرهی چالابی کاهش مییابد. زمان: با گذشت زمان ذخیرهی چالابی کاهش مییابد.
بهدلیل تغییرات زیاد عوامل مؤثر بر میزان ذخیرهی چالابی، برقراری رابطهی عمومی برای آن مشکل است. مدل وتسپا از یک رابطهی تجربی ساده ، رابطهی - 2 - استفاده میکند. - 2 - که در آن ذخیرهی چالابی سلول در زمان t بر حسب mmو ظرفیت ذخیرهی چالابی سلول بر حسب mm و بارش مازاد تجمعی روی سطح خاک بر حسب mm میباشد. مفهوم رابطهی فوق این است که جریان سطحی و ذخیرهی چالابی بهصورت همزمان اتفاق میافتند. یعنی حتی در شرایطی که بارش کمتر از ظرفیت ذخیرهی چالابی باشد، مقداری از جریان سطحی جاری می شود. مقادیر ظرفیت ذخیرهی چالابی با توجه به کلاسهای شیب، نوع کاربری اراضی و بافت خاک تعیین میگردد.
اجرای مدل وتسپا
در این تحقیق نقشهی مدل رقومی ارتفاع - شکل - 2 در محیط آرک جی آی اس با ابعاد سلولی 30 متر ، نقشهی کاربری اراضی - شکل - 3 با استفاده از نرم افزار گوگل ارث1 و در محیط آرک جی آی اس2 با ابعاد سلولی 30 متر شامل اراضی کشاورزی ، باغات، برونزدهای سنگی، پوشش جنگل، مراتع و مناطق مسکونی و همچنین نقشهی بافت خاک - شکل - 4 با استفاده از گزارشات موجود در قالب 6 کلاس تهیه گردید. در این مرحله با استفاده از جدولهای استاندارد مربوط به ضریب رواناب پتانسیل و ظرفیت ذخیرهی چالابی و همچنین نقشههای شیب - شکل - 5، کاربری اراضی و بافت خاک، نقشهی پارامترهای مذکور در محیط آرک ویو3 ساخته شدند.
