بخشی از مقاله
خلاصه
عدم توجه به طراح ی مناسب شبکه جمع آوري آبهاي سطحی در یک شهر اثرات نامطلوبی از جمله آبگرفتگی معابر، کانال ها، مشکلات زیست محیطی، ترافیک، تخریب و غیره را بهمراه دارد. بررسی میزان مشارکت زیرحوضه هاي مختلف ی ک آبخیز در تعیین حجم سیلاب و تاثیر آن برخروجی حوضه هاي آبخیز شهري یکی از مهمترین روشهاي مدیریت حوضه هاي آبخیز بشمار م ی رود که تاکنون توجه کمتري به آن شده است. در این تحقیق بمنظور بررسی اثرات حوضه هاي بالادست شهري و تاثیر آن بر شبکه جمع آوري آبهاي سطحی از یک مدل شبیه سازي پیوسته بنام ArcSwat استفاده شد که به عنوان Extension در محیط GIS کار می کند. براي برآورد میزان رواناب خروجی از حوضه هاي بالادست از روشهاي مختلف از جمله روش استدلالی، محنی پوش کریگر و مدل SWAT2009 استفاده گردید و سپس با بررسی اثرات ناشی از حوضه هاي بالادست مقطع مناسب براي شبکه جمع آوري آبهاي سطحی پیشنهاد شد.
کلمات کلیدي: حوضه هاي بالادست ، شبکه جمع آوري آبهاي سطحی، ArcSwat، روش استدلالی، منحنی پوش کریگر
-1 مقدمه
بیش از نیمی از جمع یت جهان در شهر ها زندگی می کنند که این امر به مدیریت جامع شهر اهمیت ویژه اي می دهد. سیستم جمع آوري آبهاي سطحی و کنترل سیلاب موضوع قابل توجهی است و جزئی از روند برنامه ریزي شهري محسوب می شود. در صورت جدي نگرفتن موضوع سیلاب، شاهد خسارات مال و جانی بسیاري خواهیم بود. امروزه مشخص شده است که مهار همه سیلاب ها امکانپذیر نیست و تنها می توان با مدیریت آنها خسارات را به حداقل ممکن رساند. بررسی علت بوجود آمدن سیلاب و همچنین نحوه کنترل آن یک ی از اقدامات مهم بشمار می رود. همانطور که در اکثر حوضه هاي آبخیز ، زیر حوضه ها نقش عمده اي در سیلاب و رواناب خروجی از حوضه را دارند در حوضه هاي شهري نیز این موضوع مطرح می باشد.
در اکثر طراحی هایی که براي سیستم هاي جمع آوري آبهاي سطحی در شهرها صورت می پذیرد، فقط محدوده شهر مد نظر قرار می گیرد و به ضوع ورود رواناب از حوضه هاي مجاور خصوصاً حوضه هاي بالادست توجه کمتري شده است.تحقیق در مورد شنا سایی رفتار هیدرولوژیک حوضه و بررسی سهم مشارکت زیر حوضه هاي مختلف در سیلاب مورد توجه بسیاري از محققین قرار گرفته است. Foody و همکاران - 2004 - از مدل HEC-HMS براي شبیه سازي سیلاب در ممنطقه اي در غرب مصر استفاده کردند و خروجی هاي زیر حوضه هایی که بیش ترین دبی اوج را تولید می کردند ، به عنوان مناطق حساس در مقابل سیلاب معرفی نمودند.
خسروشاهی و ثقفیا ن 1384 - و - 1382 در دو تحقیق جداگانه بررسی میزان مشارکت زیر حوضه هاي آبخیز دماوند و اولویت بندي مکانی مناطق سیل خیز و زیر حوضه هاي مختلف در سیلاب خروجی از حوضه را با بهره گیري از مدل هیدرولوژیک یHEC-HMS و تکنیک حذف افرادي تاثیرزیر حوضه ها انجام دادند. نتایج تحقیق آنها نشان داد لزوما زیر حوضه هایی که دبی بیشتري دارند بیشترین سهم در سیلاب خروجی حوضه را ندارند چرا که عوامل روندیابی آبراهه ها و موقعیت مکانی زیر حوضه ها در نحوه مشارکت در سیلاب حوضه موثر می باشد.بهرام ملک محمدي - 1383 - در مقاله اي نحوه استفاده از برنامه MIKE SWMM در طراحی شبکه هاي جمع آوري آبهاي سطحی در مناطق شهري و نحوه انجام طراحی با استفاده از شبیه ساز هیدرولوژیکی و هیدرولیکی را ارائه کرد و با استفاده از این برنامه و قابلیتهاي آن ضمن انجام طراحی اقتصادي توانست مناطق سیل گیر در منطقه شهري را تشخیص داده و تمهیدات لازم را براي آنها بکار برد.
محمد پیشکو - - 1386 در بررسی سیستم حرکت آبهاي سطحی شهر فارسان با محاسبات علمی و مد نظر قرار دادن مفروضات مهندسی از وضعیت هیدرولوژیکی شهر فارسان و زیر حوضه آبخیز دست یافت و آنرا در مدیریت جامع شهري در طراحی سیستم آبهاي سطحی پیشنهاد داد.وان لیو و همکاران - 2003 - توانایی مدل SWAT در تخمین شدت جریان تحت شرایط آب و هوایی مختلف را در سه زیر حوضه از ایالت اوکلاهوماي آمریکا بررسی کردند و دریافتند که مدل SWAT می تواند به خوبی مقدار رواناب روزانه در هر زیرحوضه را تحت شرایط خشک، معتدل و مرطوب پیش بینی کند .
هدف از این پژوهش بررسی میزان رواناب ناشی از حوضه هاي بالادست به حوضه ي شهري و طراحی مقطع مناسب براي عبور این سیلاب می باشد. حوضه مورد بررسی، حوضه هاي بالادستی شهر کرج در استان البرز می باشد. شبکه جمع آوري آبهاي سطحی شهر کرج توسط دانشگاه امیرکبیر در سال 1377 مطالعه و طراحی شده است و در این تحقیق مقادیر دبی طراحی و ابعاد کانال ها مورد بررسی قرار خواهند گرفت.براي بررسی تاثیر، مرزبندي و نقاط خروجی حوضه هاي بالادست از نرم افزارArcSwat2009 استفاده شد و سپس با استفاده از روش هاي مختلف برآورد رواناب، از جمله مدل SWAT2009 ، روش استدلالی و منحنی پوش کریگر ، آورد خروجی از زیر حوضه ها محاسبه گردید و بمنظور طراحی و مقایسه با مقاطع شبکه جمع آوري آبهاي سطحی موجود بکار رفت.
-2 مشخصات حوضه مورد مطالعه
محدوده مورد مطالعه حوضه هاي بالادست شهر کرج می باشد.این حوضه ها بین دو حوضه ي رودخانه کرج و رودخانه کردان قرار می گیرند و در استان البرز به مرکزیت شهر کرج قرار دارند. کرج با 162 کیلومترمربع وسعت در 35 کیلومتري غرب تهران و در دامنه جنوبی رشته کوه البرز قرار گرفتهاست. این شهر از نظر موقعیت جغرافیایی در بین عرض جغرافیایی 50o 01' تا 51o 55' و طول جغرافیایی 35o 48' تا 36o 53' قرار دارد و از شمال به استان مازندران، از جنوب به شهرستان شهریار و استان مرکزي، از غرب به شهرستان ساوجبلاغ و استان قزوین و از شرق به شهر تهران محدود است. شهر کرج به علت قرار گرفتن در ناحیه شمالی کوه هاي البرز مرکزي ، میان درههاي پرپیچ وخم رشته کوه البرز، دره چالوس و رودخانه کرج در فصول سرد سال تحت تاثیر سیستم هاي شمالی، شمال غربی، غربی، به ویژه جنوب غربی بوده و داراي هواي مرطوب و خنک است.
ارتفاع متوسط شهر کرج 1320 متر از سطح دریا می باشد ولی نواحی شمالی شهر کرج را کوه هاي البرز مرکزي پوشانیده که به ارتفاع آن روبه شمال افزوده می شود و بلندترین قله این شهر به نام کوه ونتار به ارتفاع 3941 متر از سطح دریا در البرز مرکزي واقع گردیده است. در شرق شهر کرج رودخانه کرج جریان دارد و در قسمت شمال غربی حوضه کرج ، حوضه رودخانه کردان قرار دارد. این رودها از قلل مرتفع البرز سرچشمه گرفته و در پایاب خود به رود شور در شرق منطقه تبخیري اشتهارد می ریزند.شبکه جمع آوري آبهاي سطحی در شهر کرج به شکلی می باشد که رواناب قسمت شرقی شهر به رودخانه کرج و رواناب قسمت میانی و غربی شهر بسمت نهر حسین آباد هدایت می شود. نهر حسین آباد که از شرق به غرب شهر می باشد بعد اتصال به نهر دلمبر که در غرب شهر بصورت شمال به جنوب است، رواناب قسمت شمالی شهر را به خارج حوضه هدایت می کنند.
-3 معرفی ArcSwat و مدل SWAT
مدل SWAT یک مدل جامع و کامل در مقیاس حوضه اي می باشد که توسط سرویس تحقیقاتی کشاورزي آمریکا - Agricultural Research Service - براي پیش بینی تأثیر روش هاي مدیریتی متفاوت بر جریان، رسوب، عناصر غذایی و بیلان مواد شیمیایی در حوضه هایی با خاك وکاربري اراضی متفاوت براي دوره هاي زمانی طولانی ارائه شده است . مزایاي این مدل این است که حوضه هایی که فاقد داده هاي برداشت شده می باشند نیز قابل شبیه سازي هستند و همچنین شبیه سازي حوضه هاي بزرگ و پیچیده و با راهکارهاي مختلف مدیریتی بدون صرف زمان زیادي قابل اجراست.
مدل SWAT2009 داراي یک رابط گرافیکی با عنوان ArcSwat2009 می باشد که به عنوان یک Extension در محیط Arc Map از سري نرم افزارهاي GIS کار می کند. در واقع اطلاعات ورودي به مدل و مراحل مدلسازي تماما در محیط گرافیکی ArcMap صورت می پذیرد. ابتدا براي معرفی حوضه، نقشه توپوگرافی به شکل DEM در خواهد آمد و به مدل معرفی می گردد، سپس مدل با آنالیز این نقشه مسیر جریان در حوضه را مشخص خواهد کرد و تعداد زیر حوضه ها و مرز حوضه مشخص خواهد شد. بعد از معرفی نقشه رقومی خاك ، کاربري اراضی و کلاسه بندي شیب حوضه، می توان زیر حوضه ها را به قسمت هاي کوچکتر به نام HRU تقسیم می کند. HRU ها واحدهاي واکنش هیدرولوژیکی می باشند که داراي خاك، پوشش گیاهی، شیب و مدیریت تقریبا یکسانی می باشند.
-4 معرفی روش هاي برآورد رواناب
براي طراحی سیستم جمع آوري آبهاي سطحی نیاز به تخمین میزان رواناب تولیدي در حوضه می باشد. با توجه به نبود ایستگاه هاي آبسنجی در تمام زیر حوضه ها و همچنین لزوم اطلاع از میزان رواناب حوضه استفاده از روابط و مدل هاي بارش-رواناب را ضروري می نماید. در این مطالعه سعی شده است که از چند روش براي برآورد رواناب استفاده گردد که این روشها هرکدام مزایا و معایب خود را دارند.
الف- استفاده از مدل : SWAT2009
مدل SWAT براي شبیه سازي فرایندهاي هیدرولوژیکی در حوضه هاي آبخیز پیچیده و وسیع با توجه به تغییرات خاك، کاربري اراضی و شرایط آب و هوایی مختلف، در دوره هاي طولانی مدت کاربرد دارد. این مدل از نظر محاسباتی کارآمدي مناسبی دارد و داراي قابلیت اتصال به سیستم هاي GIS می باشد و با دریافت داده هاي ورودي نظیر هواشناسی، توپوگرافی، کاربري اراضی و خاك بصورت لایه هاي اطلاعاتی، فرآیندهاي هیدرولوژیکی حوضه آبخیز را به صورت پیوسته شبیه سازي می نماید. مدل هیدرولوژیکی SWAT براي شبیه سازي براساس معادله بیلان آبی پایه ریزي شده است و روندیابی جریان از دو روش ماسکینگهام و ذخیره متغییر انجام می شود. این مدل با استفاده از دو روش شماره منحنی CN و رابطه نفوذ گرین-آمپ رواناب سطحی را شبیه سازي می کند.
ب- روش استدلالی:
یکی از روش هاي متداول براي محاسبه رواناب حوضه هاي کوچک و بدون آمار اندازه گیري می باشد. در روش استدلالی بارندگی روي حوضه یکنواخت بوده و مدت بارش مساوي زمان تمرکزحوضه می باشد. چنانچه شدت بارندگی را معادل i - cm/h - ، مساحت حوضه A - km2 - و ضریب رواناب برابر C باشد، حداکثر دبی لحظه اي برابر با رابطه شماره - 1 - خواهد بود. 2.78
