بخشی از مقاله
کاربرد سامانه اطلاعات جغرافیایی در هیدرولوژي حوضههاي آبریز مطالعه موردي : زیر حوضه ایدنک در حوضه آبریز رودخانه مارون
چکیده
بسیاري از مطالعات در زمینه مدیریت جامع حوضههاي آبریز، نیازمند پارامترهاي مختلف هیدرولوژیکی در مقیاس وسیع میباشند. این پارامترها اغلب در ارتباط با پروسههاي سطح زمین هستند و اکثر آنها نقش بسیار مهمی را در مدلهاي هیدرولوژي ایفا میکنند. امروزه با استفاده از رایانههاي پیشرفته از نظر سرعت، قابلیت حجم زیاد ذخیره فایل و وجود نرم افزارهاي توانمند سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی می توان محاسبات لازم را با سرعت و دقت بسیار بیشتري انجام داد. دراین بررسی به عنوان نمونه مطالعات فیزیوگرافی حوضه آبریز در محیط GIS انجام شده است. با استفاده از نقشههاي تپوگرافی، مدل رقومی ارتفاعی تهیه و به کمک آن پارامترهاي فیزیوگرافی حوضه به طور دقیق محاسبه گردیده است. انجام کلیه محاسبات در محیط GIS بسیار دقیق تر و سریع تر انجام گردیده و علاوه بر آن ارزیابی، کنترل نتایج، نگهداري، بایگانی و انتقال آنها ساده تر است. در این مقاله روش انجام کار و تجربیات بدست آمده تشریح شده است.
واژههاي کلیدي: هیدرولوژي، حوضه آبریز، سامانه اطلاعات جغرافیایی، رودخانه ماروون
مقدمه
سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) بستري براي ذخیره ، نگهداري ، مدیریت و تجزیه و تحلیل اطلاعات جغرافیایی میباشد و در واقع مجموعهاي از نرم افزارها و سخت افزارهایی است که قابلیت اداره کردن، بهروز کردن آنالیزها، بازیافت، ذخیره و نمایش دادههاي جغرافیائی را دارا میباشند 2]،GIS [9 بعنوان یک ابزار با ارزش براي تحلیلهاي مهندسی در زمینههاي مختلف از جمله هیدرولوژي و هیدرولیک بشمار میرود. بسیاري از مطالعات در زمینه مدیریت جامع حوضههاي آبریز، نیازمند پارامترهاي مختلف هیدرولوژیکی در مقیاس وسیع میباشند. این پارامترها اغلب در ارتباط با پروسههاي سطح زمین هستند و اکثر آنها نقش بسیار مهمی را در مدلهاي هیدرولوژي ایفا میکنند. بنابراین هم در مقیاس کوچک و هم در مقیاس بالا، اندازهگیري آنها جهت کاربرد در مدلهاي مختلف لازم و ضروري استاخیراً. استخراج پارامترهاي توپوگرافی جهت کاربرد در مدل هاي هیدرولوژیک از مدل ارتفاعی رقومی ( (Digital Elevation Model در GIS، بعنوان یک روش بادوام نسبت به روشهاي مساحی قدیمی و ارزیابی دستی نقشههاي توپوگرافیک شناخته میشود .[1] در این زمینه اوکالاگان و مارك [8] و جنسون و دومینیکو((1988، روشهایی را جهت استخراج دقیق پارامترهاي هیدرولوژیکی با استفاده از DEM توسعه دادند، .[6] با این وجود کاربرد DEMهاي با دقت پائین در مدلهاي هیدرولیکی، عموماً براي نمایش عوارض در مقیاس بزرگ جهت تحلیل کانال رودخانه مناسب نمیباشند .[3] در این تحقیق به عنوان نمونه برخی مشخصات فیزیوگرافی زیر حوضه ایدنک در حوضه آبریز رودخانه مارون تعیین گردیده و روش انجام آن توضیح داده شده است.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه حوضه آبریز رودخانه مارون تا محل ایستگاه هیدرومتري ایدنک میباشد که در استان کهگیلویه و بویراحمد واقع شده است از الحاق سرشاخه و آبراهههاي مختلفی تشکیل شده است. از جمله سرشاخههاي این رودخانه میتوان به رودخانه سقاوه، شب لیز، رودخانه لوداب چاروسوق و رودخانه شور میتوان اشاره کرد. از ایستگاه هیدرومتري موجود بر روي رودخانه مارون ایستگاه ایدنک است که وسعت آبریز آن حدود 2751 کیلومتر مربع میباشد. بیشترین بخشهاي حوضه کوهستانی و مرتفع و رژیم بارش منطقه بارانی- برفی بوده و رودخانهها داراي آب دائمی میباشند. لیکن بخش عمده ریزشها بصورت باران میباشد. شکل (1) منطقه مورد مطالعه را نشان می دهد.
روش کار
تهیه مدل رقومی ارتفاع منطقه
ابتدا محدوده مورد مطالعه و اطراف آن را از نقشه هاي1:25000 سازمان نقشه برداري و با استفاده از نرم افزار AUTOCAD رقومی کرده و سپس خطوط ارتفاعی آن تفکیک گردیدهاند و بدین ترتیب فایل رقومی ارتفاعی محدوده حوضه و بخشهایی از حوضههاي مجاور محدوده تعیین گردید در مرحله بعد فایل رقومی تهیه شده را که ماهیت بردار (Vector) دارد به کمک نرم افزار Arc Map به ساختار رستري (Raster) و مدل رقومی ارتفاعی (Dem) تبدیل گردید. شکل (2) مدل رقومی ارتفاع بدست آمده از مرحله قبل که پایه و اساس محاسبات بعدي است را نشان میدهد.
ترسیم و استخراج زیرحوضه و شبکه آبراههها
اولین کاربرد GIS در مدلهاي هیدرولوژي، استفاده از پیکسلهاي رستري جهت ذخیره اطلاعات است. چرا که امکان تحلیل فضائی در GIS به مقدار بسیار زیادي افزایش مییابد. معمولترین نوع دادههاي رستري که جهت توصیف پارامترهاي هیدرولوژیکی بکار برده میشود، مدل ارتفاع رقومی یا DEM است. اعتبار و مقبولیت مدلهاي هیدرولوژیکی بر اساس ترسیم اتوماتیک GIS با استفاده از این نوع دادههاي رستري در ارتباط با دسترسی آسان و موثر به آنها، وجود انواع دقتها و همچنین افزایش قابلیتهاي GIS جهت تحلیل این دادهها میباشد. براي استخراج اطلاعات فیزیوگرافی و هیدرولوژیکی در محیط GIS برنامههاي مختلفی وجود دارد که در این مطالعه از دو برنامه الحاقی Arc Hydro وHEC-GEO HMS استفاده شده است.
قابلیت GIS در ارتباط با برخورد انواع مختلف دادهها و آسانی این مسئله که دادهها میتوانند تحلیل شوند و براي مطالعات مختلف بکار برده شوند، اساساً منجر به طرح یک سوال میشود؛ آیا یک مدل داده که بتواند اطلاعات را درون GIS در یک فرمت استاندارد ذخیره کند وجود دارد؟ و از طرف دیگر دامنه و مقیاس مشکلات در زمینه منابع آب باعث گردیده بود که متخصصین این بخش به ابزارهاي قوي اطلاعات جغرافیایی جهت حل این مسائل نیاز پیدا کنند. در این راستا مرکز تحقیقات منابع آب در تگزاس و موسسه تحقیقات سیستمهاي محیطی (ESRI) یک کنسرسیوم را
براي پاسخ به این سوال ایجاد کردند. تلاش این کنسرسیوم منجر به توسعه برنامه Arc Hydro گردید .[7]
Arc Hydro یک مدل دادهاي زمین مکانی((Geospatial براي منابع آب است که در محیط Arc GIS عمل میکند و میتواند جهت شبیهسازي مدلهاي هیدرودینامیک و هیدرولوژیک بکار برده شود. این برنامه مسیرهائی را جهت ساخت سیستمهاي اطلاعات هیدرولوژیکی و هیدرولیکی باز میکند، که قادر است دادههاي مکانی و زمانی منابع آب را جهت حمایت از آنالیز و مدلهاي هیدرولوژیکی سنتز نماید.
استخراج شبکه آبراهه حوضه با استفاده از Arc Hydro
شبکههاي آبراههاي به عنوان پایه اطلاعات علم هیدرولوژي از جهات مختلفی مورد بررسی قرار میگیرند. از آن جمله میتوان به تراکم شبکه آبراههاي در واحد سطح تاثیر شکل شبکه بر زمان تمرکز سیل و ... اشاره کرد. به مجموعه زهکش یا آبراهههائی که در سطح حوضه عمل تخلیه رواناب را بر عهده دارند، شبکه هیدروگرافی اطلاق میگردد.
Arc Hydro به خوبی قادر به استخراج پارامترهاي هیدرولوژیکی در محیط Arc GIS میباشد. این نرم افزار از مدل ارتفاع رقومی بعنوان تنها پارامتر ورودي جهت استخراج پارامترهاي حوضه و شبکه آبراههاي استفاده میکند. مفهوم کلیدي در اجراي آنالیز سطح زهکشی با استفاده از Dem ، مدل جریان هشت جهتی نقطهاي است. در این مدل نقطه جریان، یک پیکسل رستري تعریف میشود. که توسط هشت پیکسل دیگر احاطه شده است. در این شرایط جریان آب در این پیکسل براي مدل جریان آب بایستی به یکی از این پیکسلها در پر شیبترین مسیر راه پیدا کند.
استخراج و ترسیم مرز زیر حوضههاي هیدرولوژیکی
بیشتر مواقع در مطالعات مربوط به حوضه آبریز لازم است که پارامترها و ویژگیهاي فیزیکی، هیدرولوژیکی و...، بالادست ایستگاهها و یا نقاط خاصی از حوضه و یا منطقه مورد بررسی را بدست آورد. بنابراین جهت ایجاد زیر حوضه-هاي نقاط مورد نظر به عنوان مبناي استخراج پارامترهاي هیدرولوژیکی، از رستر جهت جریان، میتوان براي تعریف ناحیهي پیکسلهائی که زیر حوضه یک آبراهه را مشخص میکند، استفاده کرد. سطح زهکش براي هر نقطه در طول آبراهه با استفاده از این روش میتوان با استفاده از پیمایش معکوس در طول رستر جهت جریان بدست آورد. در این تحقیق جهت استخراج زیرحوضههاي بالادست ایستگاه هیدرومتري ایدنک از HEC-GEO HMS بهره گرفته شده است.
شکل((3 زیر مراحل مختلف پروسه استخراج شبکه آبراهه و زیر حوضهها، از فایلهاي رستري مدل ارتفاع رقومی بکار گرفته شده در این مطالعه را تشریح میکند:
شکل((3 مراحل پروسه استخراج شبکه آبراهه، حوضه و زیرحوضهها با استفاده از مدل ارتفاع رقومی .[4]
در سالهاي اخیر پیشرفت در زمینه GIS، فرصتهاي زیادي را جهت گسترش مدلهاي سیستم حوضههاي آبریز فراهم آورده است. یکی از برنامههاي دیگري که بعنوان یک ابزار زمین مکان در هیدرولوژي محسوب میگردد و توسط مرکز مهندسی هیدرولوژي (HEC) توسعه یافت، و در مطالعه اخیر مورد استفاده قرار گرفت HEC-GEO HMS است .[5]
HEC-GEO HMS بعنوان یکی از ابزارهاي قوي GIS در محیط Arc View محسوب میگردد که جهت محاسبه پارامترهاي هیدرولوژیکی در مدیریت منابع آب، بطور گستردهاي استفاده میشود. این برنامه توانائی تجسم اطلاعات فضائی، استخراج پارامترهاي حوضه و انجام تحلیلهاي فضائی را فراهم میکند و توانائی محاسبه طول آبراهه اصلی، مرکز ثقل و بیشترین طول جریان، و همچنین قابلیت برآورد پارامترهائی نظیر شماره منحنی حوضه با توجه به کاربري اراضی، پارامترهاي روندیابی ماسکینگام و زمان تمرکز و زمان تاخیر را داراست. نسبت به Arc Hydro در برآورد بعضی از پارامترهاي هیدرولوژیکی در سطح وسیع داراي مزیت نسبی میباشد. این برتري در برآورد پارامترهاي مختلف هیدرولوژیکی و ویژگیهاي حوضه در بالادست نقاط خاص کاملاً مشهود میباشد. در این مطالعه جهت محاسبه پارامترهاي فیزیکی حوضه از Arc Hydro استفاده گردید و برآورد پارامترهاي بالادست ایستگاههاي هیدرومتري با استفاده از HEC-GEO HMS صورت گرفت. شکل 4 نقشه زیر حوضههاي آبریز حاصل از استفاده از دو برنامه الحاقی Arc Hydro و HEC-GEO HMS و فایل Dem می باشد.
