بخشی از مقاله
شبیه سازی فیزیوگرافیک و هیدرولوژیک حوضه آبخیزبا WMS
مطالعه موردی حوضه آبخیز گوده بستک
چکیده:
پیشرفت های علمی اخیر باعث پیدایش و تکامل مدل های هیدرولوژیکی متعددی در زمینه کنترل سیلاب، مدیریت منابع آب، بررسی تغییرات آب و هوایی و بررسی موارد گوناگونی در حوضه های آبخیز شده است. یکی از مدل هایی که قادر به مدل سازی هیدرولوژیکی حوضه های آبخیز می باشد، نرم افزار WMS است. نرم افزار WMS، یکی از نرم افزارهای شاخص و جامع در زمینه محاسبات و مدل سازی هیدرولوژیکی می باشد. در این مطالعه به منظور ارزیابی میزان توانمندی این نرم افزار ، حوضه آبخیز گوده بستک به عنوان مطالعه موردی انتخاب گردی و برای مدلسازی از تکنیک ارتفاع مجازی استفاده گردید . سپس به کمک نقشه های خاک و کاربری اراضی موجود مقدار شماره منحنی ترکیبی (CN) برای کل حوضه تخمین زده شد. نتایج حاصل ازشبیه سازی حوضه گوده بستک، نشان داد که تکنیک ارتفاع سازی مجازی در کنار بهتر شبیه سازی کردن حوضه، در بحث محیط و شیب حوضه خطاهایی هم تو لید میکند که البته قابل تصیح میباشند. همچنین در بخش هیدرولوژیک نتایج نشان داد، از میزان تاثیر مقدار شمار ه منحنی در دوره بازگشتهای بالا در تخمین دبی اوج سیلاب و حجم آن در محاسبات کاسته میشود. دلیل کم تاثیر شدن مقدار شماره منحنی در دوره بازگشتهای بالا این است که با افزایش دوره بازگشت، ارتفاع بارندگی افزایش یافته و سهم تلفات نسبت به کل بارندگی کاهش می یابد . کاهش یافتن سهم تلفات نسبت به بارندگی کل، در واقع کاهش تأثیر CN در دوره بازگشت های بالاتر است.
کلمات کلیدی: مدلسازی حوضه آبخیز ، نرم افزار WMS، شماره منحنی، تکنیک ارتفاع مجازی.
مقدمه
زندگی انسان و فعالیت هایش در زمینه خاک، آب و طبیعت همگی به شکل پیچیده ای متاثر از یکدیگر، به سیستم های منابع آبها ، طبیعت وحیات صدمات مهلکی وارد می کنند .(Singh,1995) به علاوه با توجه به رشد بالای جمعیت در جهان و اهمیت تأمین نیاز روز افزون به مواد غذایی، محیط زیست در یک شرایط هشدار دهنده قرار گرفته است. بنابراین توسعه حوضه های آبخیز به شکلی کارآمد، و استفاده بهینه و پایدار از آنها به عنوان یک وظیفه و تکلیف برای کارشناسان مربوطه به حساب می آید . قبل از اقدام به هر گونه فعالیت جدید در یک حوضه آبخیز و یا هر گونه برنامه ریزی به منظور چاره اندیشی برای حل مشکلات موجود، لازم است تصمیم گیرندگان و برنامه ریزان، نتایج نهائی این فعالیت ها را قبل از اجرا در حوضه مورد بررسی قرار دهند و تأثیرات هر نوع فعالیتی قبل از اجرا، در یک مزرعه آزمایشی مورد تحقیق قرار گیرد. البته قطعا این آزمایشات بسیار پر زحمت، وقت گیر و هزینه بر می باشند . تامسون و همکاران در سالًًٍُ (Thompson et al., 2004) اظهار داشتند، که مدل سازی روشی سریع و ارزان قیمت برای ارزیابی استراتژی های مختلف مدیریتی ، در جهت جلوگیری از پیش آمدن نتایج نامطلوب، هدف مند کردن توانایی مدیریت حوضه های آبخیز با منابع قابل دسترس و محدود، حفظ نیروی کار می باشد . همچنین اشاره شده است در مقایسه با مدل های تجربی، مدل هایی که بر مبنای اصول فیزیکی بنا شده اند، بعد از ورود داده ها وارتباط دادن آنها به خصوصیات فیزیکی حوضه (مانند توپوگرافی، طبقه بندی خاک، زمین شناسی و پوشش گیاهی)، نیازی به داده های بلند مدت هیدرومتئولوژی به منظور واسنجی، نیازی ندارند بنابراین میتوانند برای حوضه های غیر آزمایشی بکار برده شوند .(Abott et al.,1986a,b)یکی از ابزارهای مدلسازی برای حوضه های آبخیز نرم افزار WMS، میباشد. WMS مدل جامع و گرافیکی است که همه بخش های هیدرولژی و هیدرولیکی حو هض آبخیز را در بر می گیرد . امروزه کارشناسان در سرتاسر جهان برای مدیریت حوضه های آبخیز و پیگیری نتایج طرح های خود از نرم افزار WMS به علت داشتن مدل های متنوع هیدرولوژیکی و هیدرولیکی مناسب استفاده می کنند . مطا لعات متعددی در زمینه ارزیابی مدل WMS هم در ایران و هم در کشورهای مختلف صورت گرفته است. در زمینه شبیه سازی حوضه آبخیز وکیفیت مدل یک مطالعه توسط ایتورک و همکاران در سال ًًٍّ((Eturk et al., 2006 ، انجام شده که برای تصویر سازی مرزهای حوضه آبخیز دریاچه دالیان به کمک WMS بود. کاربرد WMS در این مطالعه نشان داد که این نرم افزار قادر به تجسم،نتایج در یک حوضه آبخیز به جهت مدیریت استراتژیک می باشد . مطلعه دیگر توسط اکبر پور و شریفی (ٌََُ) درزمینه کاربرد مدل WMS اتجام شد، توانمندیهای این مدل معرفی شدند. در آن تحقیق نتایج آنالیز حساسیت نشان داد که فاکتور مهم و تاثیر گذار در تخمین دبی پیک شرایط رطوبتی خاک است .عرفانی و شریفی (ٌََِ) به مقایسه دو مدل بارش- رواناب HEC1و HEC-HMS پرداختند . مطالعات آن ها نشان داد هر دو مدل از دقت یکسانی برخوردارند. در مطالعه ای دیگرکه توسط آورند و همکارا ن (ٌََّ) انجام گرفت مدل HEC-HMS در نرم افزارWMS برای هیدروگراف سیل مورد ارزیابی قرار گرفت و در بین روشهای استفاده شده روش SCS بهترین تطابق رابا هیدروگراف های سیل منطقه داشت . اوجاقلو و همکاران (ٌََْ) برای ارزیابی مدل WMS در زمینه تخمین هیدروگراف سیل در حوضه آبخیز کسیلیان به مطالعه پرداختند . نتایج نشان داد مقدار دبی اوج برخلاف حجم رواناب به شرایط رطوبتی خاک یستگی دارد . اسحق تیموری و همکاران (ٌَََ) به کمک مدل WMS به بررسی مقدار شماره منحنی در حوضه آبخیز خیرود در شهرستان نوشهر پرداختند. نتایج نشان داد مقدار شماره منخنی به شرایط رطوبتی خاک در تخمین دبی پیک حساسیت بالایی دارد.در مطالعات هیدرولوژیکی، آمار ایستگاه های هیدرومتری بهترین منبع اطلاعاتی محسوب می شود که مرجع محاسبات و مطالعات برای ارزیابی مدلها و فرمولهای تجربی قرار میگیرند تا درستی آنها مورد ارزشیابی قرار بگیرد. اما آنچه مسلم است تمام حوضه های کشور به تجهیزات هیدرومتری مجهز نبوده و پراکندگی آمارها و جمع آوری آنها همیشه با مشکلاتی روبرو بوده است. هزینه زیاد اجرای ایستگاههای هیدرومتری، نگهداری و بازبینی آنها ، صرف زمان زیاد برای بررسی نتایج آنها منجر شده است که از فرمولهای تجربی مناسب با مناطق و نظریات کارشناسی برای طراحی پروژه های عمرانی استفاده شود. بنابراین سالانه پروژه های عمرانی متعددی در حوضه های آبخیز بدون اشل در کشور برای توسعه پایدار آنها انجام میشود . میتوان گفت کی از راهای بر رسی این روابط تجربی و بررسی و تعدیل محاسبات مقاسیه آنها با نتایج مدلهای شبیه سازی هیدرولوژیکی است. به کار گیری اطلاعات تکنولوژی سنجش از راه دور((GIS واستفاده آنها در مدلهای هیدرولوژیکی میتواند روشی نوین برای بررسی حوضه های آبخیز بدون اشل باشد که با مقا یسه نتایج کارشناسی شده در حوضه های بحرانی میتواند به هر چه تعدیل شدن محاسبات و بررسی نتایج نا خواسته بعد از اجرای پروژه ها منجر گردد. مهمتر آنکه در زمان کوتاه و صرف هرینه کمتری میتوان به ارزیابی نتایج سناریوها با اهداف مورد نظر در منطقه پرداخته و برای پروژه های آتی با آگ اهی بیشتر به طراحی طرحهای عمران آب پرداخت. اوگاتودر سال ًًٍّ (Oogathoo,2006) با وجود کمبود برخی دادها برای مدل MIKE-
SHE به شبیه سازی حوضه آبخیزی در کانادا پر داخت و اعلام داشت بررسی نتایج مدلسازی برای توسعه پایدار حوضه آبخیز کاناگاگیگ (Canagagigue) برای اجرای سناریو های متعدد ارزشمند بوده است.در این تحقیق حوضه آبخیز گوده بستک در استان هرمزگان برای مدلسازی انتخاب شده است . سالانه برای توسعه پایدار این حوضه مط العاتی برای توسعه پایدار حوضه انجام میگیرد و گزارشات کارشناسی شده از منطقه ( مانند فیزیوگرافیک و هیدرولوژیک) آن برای اجرای طرح ها مبنای اجرا قرار داده میشود (آبراه ساز شرق،ٌََْ). بنابراین یکی از مهم ترین هدف این تحقیق، مدل سازی فیزیوگرافیک و هیدرولوژیک حوضه آبخیز گوده بستک به کمک نرم افراز WMS بوده است.
موادوروشها:
ٌ- معرفی نرم افزار WMS( Watershed Modeling System)
نرم افزار WMS، مدل جامع و گرافیکی است که همه بخش های هیدرولوژی و هیدرولیکی حوضه آبخیز را در بر می گیرد. این نرم افزار به کمک محققان دانشگاه برینگهام و با ه مکاری بخش مهندسین ارتش آمریکا تکمیل شده است.WMS، شامل ابزارهایی است که می توانند به صورت خودکار، محاسباتی از قبیل تعیین مرز حوضه آبریز، محاسبه پارامترهای هندسی و فیزیوگرافی حوضه و محاسبه پارامترهای موجود در لایه های GIS از قبیل شماره منحنی، ارتفاع بارندگی، ضریب زبری و موارد مشابه را انجام دهد . این نرم افزار دارای اکثر مدل های معتبر هیدرولوژیکی از قبیل HEC-1، TR20، TR55، روش استدلالی، NFF، MODRAT و HSPF می باشد. همچنین این نرم افزار، یک سری مدل های هیدرولیکی از قبیل-RAS HECو CE_QUAL_W2 را نیز شامل می شود.
ٍ- معرفی مدل HEC-1
HEC-1 (Hydrologic Engineering Center) مدلی است که توسط مهندسین بخش نظامی آمریکا برای شبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی در سال ٌَُّ تهیه شده است .(Feldman, 1995) این برنامه مدلی است برای پدیده بارش- رواناب که به مرور زمان از تکام ل یک سری برنامه های کوچک در جهت شبیه سازی بخش های مختلف فرآیند بارش- رواناب به وجود آمده است. این برنامه، حوضه آبخیزهایی را که در ابعادی بین یک کیلومتر مربع تا صد هزار کیلومتر مربع می باشند را مدل سازی می کند، و در کوتاه ترین زمان (تقریبا یک دقیقه) آن را به اجرا درمیآورد. با توجه به بخ ش های مختلف تلفات، مانند نفوذ آب در خاک، برگاب، آب نگهداشت سطحی، دو روش برای تعریف رواناب وجود دارد: الف ـ روش SCS یا هیدروگراف واحد. ب ـ روش موج سینماتیک .(Kinematic wave) این مدل میتواند با توجه به روش استفاده شده در شبیه سازی بر اساس مبانی فیزیکی یا تجربی اجرا شود.
َ- معرفی حوضه گوده بستک
منطقه مورد مطالعه بنام حوضه آبخیز گوده بستک، با وسعت ُْ/ًُ کیلومتر مربع می باشد که در محدوده شهرستان بستک و در بخش مرکزی آن واقع گردیده است (شکل ٌ). این منطقه بخشی از استان هرمزگان است که در غرب شهرستان بندرعباس قرار دارد. حوضه مورد مطالعه از نظر موقعیت جغرافیایی، در طول جغرافیایی ُِ درجه و ََ دقیقه تا ُِ درجه و ََ دقیقه و عرض جغرافیایی ٍْ درجه و ًٍ دقیقه و ًَ ثانیه تا ٍْ درجه و ٍْ دقیقه و ًَثانیه قرار گرفته است. بلندترین ارتفاع حوضه مربوط به کوه لومه ای در شمال شرقی آن با ارتفاعی در حدود ًٌَُمتر می باشد . از دیگر ارتفاعات مهم حوضه می توان به کوه های کرهدون و سوراخ اشاره نمود که ارتفاعات شمالی حوضه را تشکیل می دهند . پست ترین نقطه در حوضه مربوط به خروجی حوضه کوه لومه ای است که ارتفاعی در حدود ُُُ متر دارد. با توجه به اطلاعات فوق می توان گفت که حوضه در یک منطقه تقریبا کوهستانی قرار گرفته است. . متوسط بارندگی سالانه 247/4 میلیمتر گزارش شده است. در حو هض مطالعاتی چهار گروه هیدرولوژ یکی خاک مشاهده می گردد، ولی گروه هیدرولوژیکی C بیشتر از سایر گروه ها وجود دارد. از کل مساحت حوضه به وسعت
ُْ /ًُ کیلومتر مربع نزدیک به ٌَ/ٌُ کیلومتر مربع از گروه هیدرولوژیک C پوشیده شده است. از نظر خاکشناسی در منطقه کاربری اراضی موجود در منطقه بیشتر مراتع میباشند که بخش وسیعی از اراضی حوضه را پوشش داده است. مساحت مراتع در کل حوضه نزدیک به َِ کیلومتر مربع میباشد که حدود ٌَ درصد حوضه را پوشش داده است.
ُ- مدلسازی حوضه گوده بستک:
در این تحقیق، برای مدل سازی حوضه آبخیز ابتدا به کمک نرم افزار WMS اطلاعات و ورودی های مورد نیاز نرم افزار به جهت استفاده در مدل سازی جمع آوری شدند . بدین منظور، ابتدا اطلاعات نقشه ارتفاع رقومی (DEM) به مقیاس ًًًٌٍِْ،برای مدل سازی آبراهه ها و جریانات، مدل سازی حوضه آبخیز و محاسبات پارامترهای فیزیکی به مانند مساحت، محیط، شیب آبراهه، طول آبراهه و ... تهیه شد. سپس برای مدل سازی هیدرولوژیک، اطلاعاتی مانند گروه هیدرولوژیک خاک، کاربری اراضی، واطلاعات هواشناسی تهیه گشتند.در فاز اجرا مدل کردن آبراهه ها توسط دستور توپاز و محاسبات پارامترهای فیزیکی منطقه به کمک آن انجام شد. بعد از شبیه سازی آبراهه ها مدلسازیی حوضه آبخیز با تعریف خروجی حوضه انجام گرفت . در این تحقیق برای بررسی عملکرد نقشه رقومی ارتفاع و کیفیت شبیه سازی نرم افزار WMS، دو شبیه سازی صورت گرفت یکی کاملا خودکار به توسط نرم افزار WMS، و دیگری با ژئورفرنس کردن نقشه حوضه آبخیز توسط WMS که در گزارشات اجرای پرو ژه های عمرانی سازمان آب استان هرمزگان توسط کارشناسان معرفی شده است و برای اهداف آتی اجرای پروژه ها مبنای کار قرار گرفته است(آبراه ساز شرق،ٌََْ). بدین منظور برای بالا بردن دقت شبیه سازی بر اساس نقشه ژئورفرنس شده گزارشات سازمان آب استان هرمزگان از تکنیک د یواره سازی مجازی استفاده شد . این عملکرد کمک میکند که محاسبه پارامترهای حوضه و کیفیت شبیه سازی آبراهه ها و نهایتا حوضه آبخیزبا لا برود. بعد از اتمام مراحل شبیه سازی فیریوگرافیک حوضه آبخیز، برای مرحله هیدرولوژیک نقشه های خاک و کاربری اراضی موجود از منطقه ژئو رفرنس شد . در این مرحله مقدار شماره منحنی ترکیبی برای کل حوضه محاسبه گشت . نرم افزار WMS قادر است به کمک دو لایه تهیه شده گروه هیدرولوژیک خاک و کاربری اراضی برای حوضه مورد نظر، مقدارمتوسط شماره منحنی کل حوضه را محاسبه کند. سپس به کمک مدل HEC-1 هیدروگراف سیل برای منطقه به روش SCS مدل سازی شد ودبی اوج و حجم سیلاب مورد ارزیابی قرار گرفت.
بحث و نتیجه گیری
در این بخش بررسی نتایج بدست آمده توسط WMS، به دو صورت، انجام شده است . بخش فیزیوگرافیک که در آن خصوصیات فیزیوگرافیک حوضه بررسی شده و با گزارشات حاضر از منطقه مقایسه شده است و بخش هیدرولوژیک که در آن مقدار شماره منحنی برای کل حوضه براورد و با گزارشات از منطقه تطبیق داده شده است.
ٌ- بخش فیزیوگرافیک
مقاسیه رسم خودکار مرز حوضه آبخیز از روی نقشه مدل ارتفاع رقومی با نقشه ژئوررنس شده حوضه گوده بستک که مطابق اهداف آتی در گزارشات امده است تفاوت هایی در رسم مرز حوضه آبخیز ملاح ظه شده که این تفاوت ها به دلیل دقت نقشه های مدل ارتفاع رقمی، باز سازی، نحوه ویرایش آن ها، در مدل میباشد. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که بروز خطا در رسم خودکار مرز حوضه، در مناطقی چون دشتها، که مسطح می باشند و تغیرات ارتفاع در آنها کمتر است، بیشتر است (شکل ٍ). در حالی که در مناطق مرتفع، که خطوط توپوگرافی تراکم بالایی دارند، رسم مرز حوضه آبخیز، با دقت بیشتری انجام می گیرد . در نهایت استفاده از تکنیک ارتفاع مجازی با مقایسه تصاو یر ماهوارهای نتیجه خوبی داد ( شکل َ).با توجه به گزارش فیزیوگرافی حوضه آبخیز گوده بستک، مقادیر محیط و مساحت حوضه از گزارشات استخراج شده و در جدول شماره ٌ با هم مقایسه شدند . می توان نتیجه گرفت که WMS، تغیرات حاصله برروی نقشه رقوم ارتفاعی به روش دیواره سازی مجازی را در محاسبات محیط حوضه اعمال می نماید و این افزایش ارتفاع مجازی در مقدار محیط حوضه تاثیر گذار است، لذا می بایست مدل سازی به این روش را با احتیاط انجام داده و مقدار محیط حوضه را به کمک ابزار های اندازه گیری طول در خود نرم افزار، انجام داد.پارامترهای مهم فیزیوگرافیک دیگر مقادیر طول و شیب آبراه ی اصلی در جدول شماره ٍ آمد با هم مقایسه شدند.. بر طبق این تعاریف، طول آبراهه اصلی را به ترتیب با حروف L وLc نمایش می دهند (علیزاده،ٌَََ). بر اساس نتایج موجود در جدول ٍ می توان نتیجه گرفت که WMS با توجه به تکنیک دیواره سازی مجازی، توانایی خوبی در مدل سازی آبراهه ها و همچنین برآورد طول آبراهه اصلی و شیب آن مطابق گزارشات دارد.در جدول شماره َ شیب متوسط حوضه گوده بستک طبق گزارشات با شیب محاسباتی WMS ارزیابی شده است.بررسی دو مدل ساخته شده در نرم افزار WMS به دو روش (ٌ- تمام خودکار، ٍ- به کمک تکنیک دیواره سازی مجازی) و مقایسه شیب آن دو با گزارش شیب از منطقه نشان می دهد که بین روش دوم (تکنیک دیواره سازی مجازی) و سایر روش ها تفاوت روشنی وجود دارد . علت این که شیب متوسط حوضه در این گونه مدل سازی درWMS بیشتر از مقدار واقعی محاسبه می شود، افزایش ارتفاع مجازی است که روی مرز حوضه توسط این تکنیک صورت می گیرد، و باعث بروز خطا می شود.
ٍ- بخش هیدرولوژیک
در این بخش عملکرد نرم افزار WMS در سه مرحله مورد بررسی قرار گرفت .در مرحله اول با توجه به مطالعات انجام شده و گزارش های موجود از حوضه آبخیز گوده بستک و مقادیر دبی اوج سیلاب و حجم آن به کمک نرم افزار WMS محاسبه و با اعداد گزارش شده در گزارش هیدرولوژی منطقه مقایسه گردید . در مرحله دوم با توجه به شماره منحنی محاسبه شده توسط نرم افزار مقادیر دبی اوج سیلاب و حجم آن توسط نرم افزار WMS دبی اوج سیلاب و حجم آن به روش هیدروگراف بدون بعد SCS انجام گردیده و با نتایج گزارشات مقایسه گردید. در مرحله سوم مقادیر دبی اوج سیلاب و حجم آن به کمک نرم افزار WMS با دو مقدار مختلف شماره منحنی: محاسبه و با یکدیگر مقایسه گردید.
در مرحله اول ، مقدار شماره منحنی برابر آنچه که در گزارش هیدرولوژی بوده است، واسنجی شد. این امر بدین جهت می باشد که بتوان نتایج حاصل از نرم افزارWMS را با آنچه که در گزارش هیدرولوژی منطقه آمده است، مورد ارزیابی قرار داد و درستی و صحت نتایج حاصل از محاسبات WMS را
