بخشی از مقاله
پهنه بندی سیلاب با تلفیق نرم افزارهای HEC-RAS و GIS (مطالعه موردی: بخشی از رودخانه چالوس)
چکیده
این پژوهش با هدف تلفیق مدل هیدرولیک رودخانه (HEC-RAS) و سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) از طریق الحاقیه (HEC-GeoRAS) جهت تعیین پهنه سیلاب رودخانه چالوس صورت گرفته است. برای این منظور، ابتدا با نرم افزار HYIFA، سیلاب با دورههای بازگشت ۲۵ و ۱۰۰ سال، در محدوده مطالعاتی برآورد و سپس با استفاده از نقشه هایی (مقیاس ۰ ۰ ۱:۱۰۰) در طول بازه مطالعاتی و با ورود اطلاعات از سامانه (GIS) به (HEC-RAS) که با استفاده از الحاقیه (HEC-GeoRAS) صورت گرفته و همچنین اعمال شرایط مرزی به مدل هیدرولیکی، پهنههای سیلاب و پروفیلهای سطح آب با دورههای بازگشت مذکور، تعیین شد. نتایج به دست آمده نشان از همخوانی رفتار رودخانه با دادههای خروجی مدل دارد. از این تحقیق، میتوان در سیستم هشدار سیل در محدودههای شهری و روستایی استفاده نمود.
واژههای کلیدی: پهنه بندی، سیلاب، رودخانه چالوس، GIS ،HEC-RAS. مقدمه یکی از مهم ترین بلایای طبیعی که بشر با آن درگیر می باشد، سیل و خسارات ناشی از آن است. سیل از متداولترین خطرها در بین خطرات زیست محیطی است که در گوشه و کنار جهان خسارات زیادی را به جوامع انسانی، ساختمانهای مسکونی و تجاری، جادهها، پل ها و سیستم تأمین آب شرب و دفع فاضلاب، تأسیسات، مراکز صنعتی و اراضی کشاورزی تحمیل می کند [۱]. اطلاع از دبی اوج سیلاب و برآورد دقیق آن و محدوده هایی که در زیر سیلاب به زیر آب خواهند رفت، در مدیریت بحران و آمادگی برای مقابله با خطر سیلاب تأثیر چشمگیری دارد. با برآورد دبی اوج سیلاب و بررسی خطر سیلاب، می توان تدابیری برای کاهش خسارات ناشی از آن اتخاذ نمود. بنابراین، اولین قدم جهت مدیریت سیلی، تشخیص مناطق حساس به سیلی، مناطق دارای پتانسیل سیلی خیزی و تهیه نقشه سیل گرفتگی می باشد. در گذشته برای رسیدن به این هدف از روش های دستی استفاده می شد اما وقت گیر بودن و محدودیت این روشی ها در استخراج پارامترهای هیدرولیکی دخیل در سیلی، سبب گردید تا این روش ها دقت کافی را در تهیه نقشه های سیلی گرفتگی نداشته باشند ۲ و ۳]. بناویدز و همکاران (۲۰۰۱)، روش های تجزیه و تحلیل کنترل سیلاب را برای حوزه آبریز کلیر کریک با استفاده از GIS و مدل های هیدرولوژیکی انجام دادند. آنها ابتدا حوزه آبریز مورد نظر را به شش ناحیه تقسیم و سپس پهنه های سیل با دورههای بازگشت مختلف را مشخص نمودند. آن ها در پژوهش های خود از نرم افزار های پیستوچی و مازولی (۲۰۰۲)، با استفاده از نرمافزارهای اثرات سیلاب در حوزه رودخانه روماگنا ، واقع در ایتالیا را پیش بینی نمودند. آنها در ابتدا پهنه سیلاب با دوره بازگشتهای مختلف را با مدل هیدرولیکی HEC-HMSتولید نموده و سپس با ساختن شبکه نامنظم مثلثی از منطقه مورد بررسی، نتایج به دست آمده از HEC-RAS را به رویه شبکه نامنظم مثلثی منتقل نمودند. در نهایت نقشه پهنه های سیلاب و سرعت آب در هر منطقه و خطر پذیری هر قسمت را ارائه نمودند [۳]. باربد و همکاران (۱۳۸۱)، پهنهبندی سیلاب رودخانه سفیدرود را با استفاده از نرم افزارهای HEC-RAS ،ATCVieW GIS و برنامه جانبی HEC-GeORAS انجام داده و در پایان نتیجه گرفتند که تلفیق GIS و مدل های هیدرولیکی، نه تنها عملی است بلکه موجب تسهیل محاسبات نیز خواهد شد [۴].
امروزه GIS به عنوان ابزاری قوی، توانایی ایجاد و آنالیز دادهها از منابع مختلف جهت مدیریت دشتهای سیلابی را داراست. توسعه و ایجاد برنامه جانبی HEC-GeORAS، محیط ArcVieW را با HEC-RAS مرتبط ساخته است، به طوری که برنامه جانبی مذکور قادر خواهد بود، مهندسین هیدرولیک را جهت استخراج پارامترهای مقاطع عرضی از مدل رقومی زمین، بدون نیاز به مساحی میدانی یاری دهد. ساختار مدل HEC-RAS نیازمند تعریف سطح زمین و دادههای جریان جهت مدل سازی و تعریف وقایع هیدرولیکی است. همچنین برای آنالیز هیدرولیکی کانال آبراهه و جریان آب، نیازمند دادههای هندسی، تعریف بازهها و آبراهه ها، ضریب زبری مانینگ، ضرایب جمع شدگی و بازشدگی و ساختارهای هیدرولیکی می باشد [۵ و ۶].
مواد و روشها
1) منطقه مرود مطالعه
منطقه مورد مطالعه منطقه مورد مطالعه، قسمتی از دشت سیلابی رودخانه چالوس میباشد. این حوضه، که بزرگترین حوضه آبریز استان مازندران است، مساحتی در حدود ۱۰۰۰ کیلومتر مربع دارد. سرشاخههای این رودخانه در بلندترین نقاط ارتفاعی دامنههای جنوبی البرز واقع است. پهنای بستر کلی رودخانه چالوس در همه جا یکسان نیست ولی بیشینه پهنای آن در حدود ۳۰۰ متر تخمین زده می شود. آب این رودخانه دائمی، در ماه اردیبهشت، پرآبترین ماه سال را داراست. مقدار آب سالانه آن بر اساسی میانگین اندازهگیری ۱۰ ساله، حدود ۳۷۲ میلیون مترمکعب و دبی متوسط آن ۱۳/۴ مترمکعب در ثانیه می باشد. به منظور شناخت بهتر خصوصیات هیدرولوژیکی و همچنین بکارگیری مدل های هیدرولیکی، این حوضه به ۵ زیر حوضه مطالعاتی تقسیم شده است. منطقه مورد مطالعه، شامل ۴ زیر حوضه (فقط رودخانه اصلی چالوس در مطالعه منظور شده) است و حدود ۷۰۰ کیلومتر مربع از مساحت حوضه را شامل می شود [۱۰]. همچنین از دادههای ایستگاههای هیدرومتری آبشار و ولی آباد که بر روی مسیر مطالعه قرار دارند، استفاده شده است. در جدول (۱)، خلاصه ای از محلی استقرار این ایستگاه ها آمده است.
۲) اطلاعات و مدلهای ریاضی طرح
در تحقیقی حاضر، به منظور پهنهبندی بخشی از رودخانه چالوسی، از دو نرم افزار 3.3 ArcVieW GIS و 4.0 HEC-RAS استفاده شده است. با استفاده از نرم افزار ArcVieW GIS و برنامه جانبی HEC-GeORAS، طرح شماتیک سیستم رودخانه و مقاطع عرضی با استفاده از نقشه توپوگرافی ۱:۱۰۰۰۰ ترسیم و ورودی مدل HEC-RAS تهیه گردید. سپس با استفاده از نرمافزار HEC-RAS مقاطع عرضی اصلاح و اطلاعات مربوط به مدل هیدرولیکی، تکمیل گردید. در این پژوهشی برای شبیه سازی سیل از الگوی جریان ماندگار و مقادیر دبی با دوره بازگشتهای ۲۵ و ۱۰۰ سال استفاده و شرایط مرزی معرفی گردید. با کمک نرم افزار HY FA، دبی با دوره بازگشتهای مختلف تعیین شد، که در جدول (۲) آمده است.
۳) مراحل انجام طرح
نمودار ارائه شده در ش
کل (۱)، نحوه ارتباط کلی مراحل انجام طرح را نشان میدهد. که به طور مختصر به توضیح برخی از مراحل، جهت آمادهسازی هندسی و هیدرولیکی پروژه پهنه بندی سیلاب رودخانه مذکور می پردازیم:
الف) شبیه سازی هندسی رودخانه (فایل ورودی HEC-RAS)
آماده سازی مدل
رقومی زمین" در مرحله نخست مطالعات، نقشههای توپوگرافی با مقیاس ۱:۱۰۰۰۰ از مسیر اصلی رودخانه و سیلاب دشتها به صورت رقومی به محیط ATCVieW GIS وارد گردید. ورود نقشه های مزبور به این نرم افزار با هدف تهیه اطلاعات توپوگرافی انجام می گیرد. با ورود اطلاعات توپوگرافی به نرمافزار ArcView GIS، که عموماً شامل منحنی های هم تراز میباشد، می توان مدل رقومی ارتفاع (DEM)، مسیر رودخانه به صورت لایه شبکه نامنظم مثلثی (TIN)، استخراج کرد. با استفاده از این لایه، می توان مدل ۳ بعدی رودخانه را نیز تهیه نمود. در شکل (۲)، مدلی (TIN) ساخته شده از منطقه مورد مطالعه را در محیط ATCVieW GIS نمایش داده شده است [۹].
تهیه خط مرکزی جریان" و سواحل" و پهنه سیلابی اولین گام در تهیه فایل ورودی HEC-RAS مشخص نمودن مسیر اصلی رودخانه توسط لایه خط مرکزی جریان است. از این لایه که از سمت بالادست به پایین دست می باشد، به منظور تعیین محدوده قرارگیری مقاطع، نمایش موقعیت رودخانه در مدل HEC-RAS و تعریف جهت جریان در رودخانه استفاده می شود. که برای جداسازی مجرای اصلی رودخانه از سواحل آن، از لایه سواحل رودخانه استفاده می شود. همچنین به منظور تعیین ابعاد مسیر
