بخشی از مقاله
چکیده
در طی دهه اخیر در سطح استانهای شمالی کشور بخصوص شرق استان مازندران و استان گلستان شاهد بروز سیلابهای متعدد و وقوع خسارات جانی و مالی بوده ایم. به منظور جلوگیری از چنین وقایع و تامین امنیت جانی و مالی مردم روشهایی برای فرار از سیلاب و یا کاهش خطر سیلاب وجود دارد. یکی از روشهای مدیریتی در فرار از سیلاب پهنه بندی سیلاب و تعیین حریم رودخانه ها می باشد.
از روشهایی که برای کاهش خطر سیلاب می توان استفاده نمود تاسیس سدها یی در بالادست حوزه های آبریز است. در این تحقیق از قابلیتهای سیستم اطلاعات جغرافیایی برای پهنه بندی سیلاب در مقطعی از رودخانه هراز واقع در شهرستان آمل و همچنین طراحی و مطالعه تاثیر یک سازه در کاهش دبی اوج و حجم سیلاب در یکی از زیر حوزه های حوزه سد گلستان استفاده شد.
برای روند یابی هیدرولیکی در رودخانه هراز از الحاقیه HEC-GeoRAS - شبیه سازی ژئو متری بستر و دشت سیلابی رودخانه - و برای ارائه مدل بارش رواناب از الحاقیه - HEC-GeoHMS شبیه سازی خصوصیات فیزیکی حوزه آبریز - و مدل هیدرولوژیک HEC-HMS استفاده شد. تحقیق حاضر حاکی از دست یابی به نتایج مطلوب با دقت بالادر زمانی کوتاه، با بکارگیری سیستم اطلاعات جغرافیایی می باشد، اما این امر مشروط به استفاده از داده های ورودی صحیح می باشد.
مقدمه
سیلاب یکی از بلایای طبیعی است که هر ساله موجب وارد آوردن خسارات جانی و مالی فراوانی در نقاط مختلف کشور می شود. اطلاع از دبی اوج سیلاب و برآورد دقیق آن و محدوده هایی که در سیلاب به زیر آب خواهند رفت در مدیریت بحران و آمادگی برای مقابله با خطر سیلاب تاثیر چشمگیری دارد. با برآورد دبی اوج سیلاب و بررسی خطر سیلاب می توان تدابیری برای کاهش خسارات ناشی از آن اتخاذ نمود.
سامانه اطلاعات جغرافیایی1 قابلیت بالایی در شبیه سازی ژئومتری آبراهه ها و رودخانه ها دارد - غلامی و همکاران، . - 1384 کریستوفر و همکاران - 2001 - در مطالعه ای به کمک سامانه اطلاعات جغرافیایی و نرم افزار HEC-HMS با ایجاد شبکه آنالیز هیدرولوژیکی در حوزه های آبریز، مدلهای توزیعی، نیمه توزیعی و یکپارچه را مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که مدلسازی نتایج قابل قبولی را در مقایسه با سیلاب مشاهده ای و حجم کل رواناب نشان می دهد.
استون - 2001 - ، با استفاده از پیش پردازشگر CRWR-PREPRO اقدام به تولید ورودی های مدل حوزه نمود و در سیستم مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS عملیات کالیبراسیون مدل را اجرا و یک مدل هیدرولوژیک برای تجزیه و تحلیل سیل طراحی کرد. خلیقی - 1383 - ، از روش شماره منحنی برای تبدیل بارش به رواناب و از روش ماسکینگام در محیط نرم افزار HEC-HMS برای روندیابی استفاده نمود. اسمیت و همکاران - 2000 - ، از یک مدل هیدرولوژیکی توزیعی برای شبیه سازی رواناب استفاده نمودند. سووان وراکامترون - 1994 - ، از سامانه اطلاعات جغرافیایی برای شبیه سازی خصوصیات فیزیکی مدل هیدرولوژیکی بهره جستند.
آزاگرا و همکاران - - 1999، به منظور پهنه بندی سیلاب در حوزه آبریز رودخانه وادو در شهر آستین ایالت تگزاس آمریکا، جهت تهیه و پردازش نقشه های پهنه بندی سیل از مدل هیدرولیکی HEC-RAS به همراه عکسهای هوایی استفاده نمودند.
هیل - 2001 - ، مزایایی متعددی برای استفاده از الحاقیه - Arcview-GIS - HEC-GeoRAS و نرم افزار HEC-RAS به منظور پهنه بندی سیلاب ذکر نمود. هیالمارسون - - 1998، به بررسی فرسایش در بستر، کناره های رودخانه و رسوبگذاری در سیلابها پرداخت. بیر - - 2002، یکی از مهمترین مزایای استفاده از الحاقیهHEC-GeoRAS و سیستم اطلاعات جغرافیایی را دقت و صرفه جویی در هزینه و اعمال بهترین روش مدیریتی در منطقه بر شمرد. کارسون - - 2006، اقدام به شبیه سازی رفتار هیدرولیکی رودخانه و بررسی خطر سیلاب و فرسایش کناری رودخانه ای در ایالات متحده - یوتا - نمود. بین کا و همکاران - - 2006، در مطاله ای به بررسی اثرات برداشت شن از سواحل در هلند اقدام نمودند. هدف از تحقیق حاضر بررسی برخی قابلیت های سیستم اطلاعت جغرافیایی در علم هیدرولوژی و مدیریت خطر سیلاب در البرز مرکزی می باشد.
مواد و روشها
تحقیق حاضر در مقطعی از رودخانه هراز بطول 3250 متر در بالادست شهر آمل و همچنین در زیر حوزه ای از حوزه گرگان رود واقع در استان گلستان با بکاریگری سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدل های هیدرولوژیک و هیدرولیکی انجام پذیرفته است. این تحقیق در دوبخش الف- پهنه بندی سیلاب رودخانه هراز به منظور تعیین حریم رودخانه و ب - طراحی سازه و بررسی میزان تاثیر آن در کاهش خطر سیلاب در حوزه گرگان رود انجام گرفت.
الف- کاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی در ارائه مدل هیدرولوژیک و مطالعه سازه ها
مدل بارش - رواناب از بخشهای مختلف شامل خصوصیات فیزیکی حوزه آبریز، اطلاعات بارش، شاخص های کنترل و سایر مباحث تشکیل شده است. مر حله ابتدایی شبیه سازی خصوصیات فیزیکی یا ژئومتری حوزه های آبریز می باشد. دراین تحقیق برای بررسی اثر یک سدخاکی در دبی خروجی یک زیر حوزه از زیر حوزه های حوزه گرگان رود - شکل - 1 از الحاقیه HEC-GeoHMS در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی برای شبیه سازی خصوصیات فیزیکی حوزه آبریز و از مدل HEC-HMS برای ارائه یک هیدرولوژیک استفاده شد.
خصوصیات فیزیکی حوزه آبریز به مدل HMS وارد شد. برای ارائه مدل هیدرولوژیک از روش شماره منحنی و برای روندیابی هیدرولوژیک از روش Lag استفاده شد. یک واقعه سیلاب برای ارائه مدل و چند واقعه برای اعتبار یابی مدل بکارگرفته شد. پس از اعتبار یابی، بارش مولد سیلاب تاریخی سال 1381 برای مدل و برای ارزیابی تاثیر سد خاکی طراحی شده در نظر گرفته شد . مدل حوزه در شکل شماره 2 مشاهده می شود. برای شبیه سازی سازه از روش Elevation- Aera استفاده شد که در این روش برای محاسبات حجم مخزن سد، - TIN مدل سه بعدی - ساخته شده از نقشه های رقومی - پلان - مخزن سد در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی بکارگرفته شد و حجم مخزن برای ارتفاعات مختلف محاسبه و در شکل شماره3 در قالب یک نمودار ارائه شده است.
ب - کاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی در شبیه سازی رفتار هیدرولیکی رودخانه
برای شبیه سازی رفتار هیدرولیکی رودخانه ها از قابلیتهای سیستم اطلاعات جغرافیایی در شبیه سازی ژئو متری کف بستر و حاشیه رودخانه ها یا کانالهای باز می توان استفاده نمود. در ابتدا با بکارگیری نقشه های رقومی پلان رودخانه در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی یک TIN ساخته و بعد با بکارگیری این TIN و الحاقیه HEC- GeoRAS، به شبیه سازی ژئومتری کف بستر رودخانه و حاشیه آن اقدام می شود - کناره ها، مقاطع عرضی و ... - .
این اطلاعات به محیط نرم افزار HEC-RAS برای روندیابی هیدرولیکی وارد شد و اطلاعات مربوط به ضرایب زبری، مقاطع عرضی، دبی ها مورد نظر و نوع رژیم جریان اعمال شده و مدل اجرا شد. ضرایب زبری مانینگ و مقاطع عرضی با مطالعات صحرایی و دبی ها با دوره بازگشتهای مختلف با آزمودن توزیع های آماری مختلف در محیط نرم افرار Smada تعیین شدند که در نهایت توزیع لوگ پیرسون نوع سوم بعنوان بهترین توزیع مورد استفاده قرار گرفت. در نهایت نتایج اجرای مدل هیدرولیکی به محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی برای تهیه نقشه های پهنه بندی سیلاب واد شد.
نتایج
همان طوری اشاره شد ابتدا یک مدل بارش - رواناب برای زیر حوزه ه ای در حوزه سد گلستان ارائه و اعتبار یابی شد. سپس محاسبه حجم مخزن سد توسط روش Elevation-Aera در محیط GIS با بکارگیری TIN ساخته شده از نقشه های توپوگرافی مخزن بالادست سد انجام پدیرفت - شکل . - 3 شبیه سازی سازه با در نظر گرفتن ابعاد آن، ابعاد سریز و ضریب سرریز صورت گرفت و مدل اجرا گشت. نتایج درغالب هیدروگراف سیلاب حوزه آبریز بالادست سد و هیدروگراف سیلاب ورودی و خروجی سد به ترتیب در اشکال شماره 4 و 5 ارائه گردیده است.
در بخش دیگر تحقیق با بکاریگیری الحاقیه HEC-GeoRAS - Arcview-GIS - برای شبیه سازی بستر و دشت سیلابی رودخانه هراز و مدل هیدرولیکی HEC-RAS برای روند یابی هیدرولیکی اقدام به شبیه سازی رفتار هیدرولیکی رودخانه هراز در سیلابها با دروه بازگشتهای مختلف شد. ژئو متری شبیه سازی شده با بکارگیری سیستم اطلاعات جغرافیایی برای روند یابی هیدرو لیکی رودخانه هراز در اشکال شماره 6 و 7 مشاهده می شود. همچنین در شکل شماره 8 پهنه های سیلاب با دوره بازگشتهای مختلف که در واقع نتایج روند یابی هیدرولیکی است که در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی بصورت نقشه ای به نمایش درآمده است مشاهد می شود.
شکل - 1 - موقعیت سد خاکی و زیر حوزه مورد مطالعه.
