برآورد مقادیر ارتفاع و دبی حداکثر رواناب با استفاده از روش شماره‌ی منحنی (CN) (مطالعه‌ی موردی: حوضه‌ی آبریز سراب دره‌شهر)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه ژئومورفولوژی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

برآورد مقادیر معتبر ارتفاع و دبی حداکثر رواناب در مناطق خشک و نیمه‌خشک که فاقد داده­ها و یا داده­های کم است، اهمیت بسیاری در مدیریت سیل دارد. یکی از روش­­های برآورد مقدار ارتفاع رواناب، روش شماره­ی  منحنی (CN) مربوط به سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) است. در این پژوهش حوضه­ی آبریز سراب دره­شهر از نظر پتانسیل تولید رواناب و دبی حداکثر و عوامل مؤثر بر آن مورد بررسی قرار گرفته است. برای برآورد ارتفاع رواناب و دبی حداکثر هر کدام از زیرحوضه­ها، از روش شماره­ی منحنی استفاده شده است. ابتدا لایه­ها و اطلاعات مورد نیاز شامل لایه­ی کاربری اراضی، گروه­های هیدرولوژیک خاک و حداکثر بارش 24 ساعته برای حوضه تهیه گردید؛ سپس مقادیرCN ، نفوذ (S)، ارتفاع رواناب (Q) و دبی حداکثر (Q max) برای کل حوضه و هرکدام از زیرحوضه­ها محاسبه گردید. در نهایت جهت شناخت پارامترهای مؤثر بر دبی حداکثر هر کدام از زیرحوضه­ها، از روش تحلیل عاملی براساس 19 پارامتر محاسبه به عمل آمد. نتایج نشان داد، از بین پارامترهای مورد استفاده در زیر­حوضه­ها، دو پارامتر فیزیوگرافی (مساحت و تراکم زهکشی) تأثیر بیشتری در پتانسیل سیل­خیزی حوضه­ی آبریز سراب دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Estimation of Runoff Volume and Maximum Discharge by Using Curve Number (CN) Method (Case Study in Darrehshahr Drainage Basin)

نویسندگان [English]

  • Asdolla Hejazi 1
  • Mahdi Mezbani 2
چکیده [English]

 
 
A. Hejaci
 
M. Mezfani
 Abstract
A valid estimation of runoff volume and maximum discharge in the dried and semiarid regions which lack data is important for flood management. One of the estimating methods of runoff volume is related to curve number (CN) of American soil conservatives services (SCS). In this study, the drainage basin of Darrehshah Sarab has been studied with regard to its runoff volume potentiality, maximum discharge and effective factors. To estimate the runoff volume and maximum discharge of the sub-catchments, the curve number method has been used. First, the layers and the needed data including the land use, soil hydrological groups and a maximum 24 hours precipitation was prepared for basin. Then the CN values, infiltration (S), runoff volume (Q) and maximum discharge (Q max) were calculated for the entire basin and each sub-basin. Finally, factor analyses based on 19 parameters were used to identify the effective factors on maximum discharge at sub-basins. The results showed that among the used parameters in sub basins, two physiographic parameters (area and drainage density) were effective parameters in flooding potential of the drainage basin of Darrehshah Sarab.
 

مقدمه

سیل پدیده‌ای طبیعی و واقعه‌ای اجتناب­ناپذیر از دید جوامع بشری است؛ اما رویداد، اندازه و تکرار سیل، ناشی از عوامل متعددی است که بسته به شرایط اقلیمی، طبیعی و جغرافیایی هر منطقه تغییر می­کند. آنچه مسلم است سیلاب ناشی از بارندگی است؛ ولی مطالعات نشان می­دهد که رابطه­ی خطی و مستقیمی بین این دو عامل وجود ندارد (خسروشاهی،1380: 34). از جمله عوامل اصلی بر هم زننده­ی این رابطه علاوه بر شرایط جغرافیایی، ویژگی­های فیزیوگرافی، زمین­شناسی، خاک­شناسی، پوشش­گیاهی، کاربری­ اراضی و ژئومورفولوژی حوضه­ی آبریز را می‌توان نام برد؛ که این ویژگی­ها توأم با اختصاصات هیدرولوژیکی حوضه است. این مشخصه­ها بخصوص در حوضه­های فاقد آمار، مهم­ترین نقش را در برآوردهای هیدرولوژی دارند. به همین دلیل در بررسی سیلاب­های یک رودخانه علاوه بر ساختار بستر جریان، ویژگی­های محیطی کل حوضه نیز باید سریع ارزیابی شود (برایلی و فایرس[1]، 2005: 297).

روش­هایی که تاکـنون برای تعیین مناطق سـیل­خیز به کار رفته، بیشتر بر پایه­ی روش­های نـموداری و فرمول­های تجربی، تحلیل آماری داده­های سیلاب، داده­های دورسنجی و GIS، مدل­های ریاضی و رایانه­ای بارش و رواناب بوده و بیشتر از دیدگاه تولید سیل در سطح حوضه­ها مطرح شده است. سرویس حفاظت خاک آمریکا[2] در سال 1954، روش شماره منحنی[3] را برای محاسبه­ی بارش مازاد ارائه نمود؛ که بر مبنای آن در یک رگبار، همیشه بارش اضافی یا رواناب مستقیم کوچک­تر یا مساوی بارش کل می­باشد (چاو[4]، 1964: 343). در این روش، تعیین شماره­ی منحنی رواناب که تابعی از ویژگی­های خاک، کاربری اراضی و پوشش گیاهی است، ضروری می­باشد. این روش بیشتر در حوضه­های آبخیزی که داده­های اندازه­گیری دبی رواناب ندارند، به کار می­رود (اینسی تکل و همکاران[5]، 2006: 528).

ایم و همکاران[6] (2007) برای برآورد شماره­ی  منحنی در زمین­های شالیزاری مسطح و آبیاری شده، از داده­های اندازه­گیری شده بارش و رواناب استفاده کردند.سرنجی و همکاران[7] (2008) در پژوهشی با استفاده از مدل­های شماره منحنی و هیدروگراف واحد لحظه­ای ژئومورفولوژیکی (GIUH) به پیش­بینی سطح رواناب حوضه­های فاقد اندازه­گـیری در زیرحوضه­های بانهای[8] هند پرداختند. نـتایج نشان داد روش CN بـرای حوضه­ی فاقد اندازه­گیری با داشتن ویژگی­های ژئومورفولوژی یکسان کارآمدتر است. آمودا و پروچلون (2009)، با استفاده از روش شماره­ی منحنی رواناب سطحی زیر­حوضه­ی مالاتار[9] طی سال­های 2007-1971 را برآورد نمودند. ثروتی و همکاران[10] (1390)، با استفاده از روش شماره­ی منحنی در حوضه­ی آبریز لیان چای، به برآورد ضریب رواناب، حداکثر دبی سیل و به تبع آن عوامل و عناصر مؤثر در سیل‎خیزی و پهنه‌بندی آن پرداخته­اند. حسین‌زاده[11] (1391)، با استفاده از روش شماره­ی منحنی به برآورد ارتفاع و دبی اوج رواناب در وقوع فرسایش آبراهه­ای در منطقه­ی  کجور نوشهر پرداخت و به این نتیجه رسید که اراضی جنگلی دارای کمترین و اراضی مرتعی بیشترین توان تولید رواناب و وقوع فرسایش و تشکیل خندق در منطقه را دارند و دبی اوج در کلاس هیدرولوژیک D قرار دارد. لاجوردی و همکاران[12] (1392)، به پهنه‌بندی پتانسیل سیل­خیزی حوضه­ی آبریز مردق‌چای (آذربایجان­ شرقی) اقدام کردند. آن­ها در این پژوهش به برآورد ضریب رواناب و حداکثر دبی سیل، شناخت عوامل و عناصر مؤثر در سیل‌خیزی، به پهنه­بندی مناطق بر اساس شدت پتانسیل سیل‌خیزی حوضه­ی ­آبریز پرداخته­اند.

حوضه­ی مورد تحقیق به دلایلی همچون شیب زیاد بالا­دست حوضه، فقر پوشش گـیاهی، تخریب و از بین بردن مراتع و جنگل­ها، و... دارای پتانسیل سیل­خیزی بوده و با توجه به اینکه اکثر نقاط جمعیتی و بسیاری از اراضی کشاورزی مستعد که از لحاظ فرسایش بسیار آسیب‌­پذیرند، در امتداد مسیر زهکش اصلی در پایین­دست حوضه قرار دارند، برآورد مقدار ارتفاع و دبی حداکثر رواناب و شناسایی پهنه­های سیل­خیز ضروری است؛ که با انجام آن می‌توان قابلیت سیل­خیزی قسمت­های مختلف حوضه را مشخص و اولویت­بندی کرده و راهکارهای مقابله با آن را پیشنهاد نمود. بنابراین هدف این تحقیق برآورد ارتفاع و دبی حداکثر رواناب با استفاده از روش شماره­ی منحنی و همچنین تعیین پارامترهای تأثیرگذار در مقادیر دبی حداکثر زیر­حوضه­های سراب دره­شهر می­باشد.

ویژگی­های منطقه­ی مورد مطالعه

حوضه­ی  ­آبریز سراب دره­شهر از زیر­حوضه­های سیمره است که در مختصات جغرافیایی ²41 ¢18 °47 تا ²30 ¢23 °47 طول شرقی و ²44 ¢3 °33 تا ²18 ¢9 °33 عرض شمالی قرار گرفته است. این حوضه با داشتن 6 زیرحوضه، مساحت 2/3668 هکتار و ارتفاع متوسط 4/1007 متر در شهرستان دره شهر استان ایلام واقع شده است (شکل1). حداکثر ارتفاع حوضه 1941 متر و حداقل آن نیز 637 متر است. منطقه­ی مورد مطالعه در ضلع غربی رودخانه­ی  سیمره و 130 کیلو­متری جنوب شرقی ایلام قرار گرفته است که از شمال به دشت دره­شهر (دشت در جنوب رودخانه­ی سیمره واقع شده است) از جنوب به حوضه­ی آبریز آبدانان، از شرق به حوضه­ی آبریز شیخ مکان و از غرب به حوضه­ی آبریز سیکان محدود می­شود (مهندسان مشاور آبخیزان[13]، 1388: 5). حوضه دارای 6 مرکز جمعیتی شامل شهر دره­شهر و روستاهای جهانگیر­آباد، عباسی­آباد، سرخ­آباد، بهمن­آباد علیا و بهمن­آباد سفلی است که در حاشیه­ی رودخانه واقع شده‌اند. سراب دره‌شهر یکی از چشمه­های دایمی کبیرکوه است و سرچشمه­ی رودخانه­ی دره‌شهر را تشکیل می­دهد. این رودخانه ضمن تأمین آب آشامیدنی شهر دره‌شهر و روستاهای اطراف و تأمین آب زمین­های کشاورزی پایین دست، از مرکز شهر عبور نموده و پس از طی مسافتی به رودخانه­ی سیمره می­ریزد. شهر دره‌شهر در انتهای خروجی حوضه و در امتداد و موازات رودخانه رشد دارد (مهندسان مشاور آبخیزان، 1388: 6).

 

شکل (1) موقعیت جغرافیایی حوضه­ی  آبریز سراب دره­شهر به تفکیک 6 زیرحوضه­ی ­ مورد مطالعه

مواد و روش­ها

داده­ها و اطلاعات پژوهش

به منظور برآورد دبی حداکثر سیلاب و پتانسیل ­سیل­خیزی به روش شماره­ی منحنی، از داده‌ها و اطلاعات پایه و همچنین داده­ها و اطلاعات تـهیه شده (داده­های ثانوی) استفاده گردیـده است. حدود حوضه­­ی ­آبریز سراب دره­شهر با استفاده از نقشه­ی پایه­ی توپوگرافی برگه­ی دره­شهر زون 38 در مقیاس 1:50000 (سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح) استخراج گردید. حوضه­ی ­آبریز سراب دره­شهر از نقشه­ی پایه­ی زمین­شناسی برگه­ی کبیر­کوه با مقیاس 1:100000 استخراج و رقومی شد. همچنین به ­منظور تعیین نفوذپذیری هر یک از سازندهای موجود در حوضه از نقشه­ی زمین‌شناسی و بافت خاک استفاده گردید. گروه­های هیدرولوژیک خاک­های حوضه­ی آبخیز دره­شهر، از مطالعات خاک­شناسی حوضه­ی سیمره (مطالعات توجیهی آبخیزداری حوضه­ی ­آبریز سیمره) که توسط مهندسان مشاور سامانه­ی فرایندهای محیطی تهیه شده، استخراج گردیده است. همچنین کاربری­های اراضی (وضعیت اراضی بهره­برداری) حوضه­ی دره­شهر با استفاده از نقشه­ی  کاربری اراضی حوضه سیمره که توسط سازمان جنگل­ها، مراتع و آبخیزداری کشور تهیه و استخراج گردیده و هرکدام از کاربری­های موجود برای حوضه رقومی شده است. وضعیت پوشش گیاهی حوضه، تراکم مراتع و پوشش جنگلی، شدت چرا و میزان آتش­سوزی هریک از زیرحوضه­ها، با استفاده از عکس­های هوایی با مقیاس 1:20000 منطقه و پیمایش صحرایی و نمونه‌برداری مشخص شده است. در نهایت تمامی نقشه‌ها بر اساس پیمایش صحرایی به‌روزرسانی شدند. برای تعیین حداکثر بارندگی 24 ساعته نیز از آمار حداکثر بارندگی روزانه­ی 9 ایستگاه مجاور حوضه در طول دوره­ی آماری (1387- 1355) سازمان مدیریت منابع آب ایران استفاده گردیده است. برای تهیه­ی لایه­های اطلاعاتی و تجزیه و تحلیل آنها از نرم‌افزارهای SPSS، Arc GIS استفاده گردیده است.

ـ روش شماره منحنی SCS,CN

یکی از روش­های تخمین رواناب در حوضه­­های فاقد اندازه­گیری دبی، روش شماره­ی منحنی رواناب سازمان حفاظت خاک آمریکا است. در روش SCS تعیین شماره منحنی که تابعی از ویژگی­های خاک، کاربری اراضی، خصوصیات هیدرولوژیکی مانند رطوبت پیشین خاک می­باشد، ضروری است. روش SCS,CN به­ سبب سادگی، به سرعت به یکی از رایج­ترین روش­ها در میان مهندسان و کارشناسان تبدیل شد و اساساً برای حوضه­های کوچک شهری و کشاورزی، حوضه­های طبیعی متوسط و همچنین برای حوضه­هایی که در آنها داده­های اندازه­گیری دبی رواناب وجود ندارد، به کار می­رود (میشرا و همکاران[14]، 2006: 303). علاوه بر این، مدلی است پیش­بینی­کننده که ورودی­های محیطی را به­خوبی ثبت می­کند و روش تأیید شده­ای است که به طور گسترده در آمریکا و دیگر کشورها مورد پذیرش قرار گرفته است (کومار و همکاران[15]، 2010: 211). در این روش ارتفاع رواناب ناشی از باران بر اساس رابطه­ی (1) محاسبه گردید:

رابطه­ی  (1)    Q= (P-0.2S) ^2 / P+0.8S P> 0.2S

در رابطه­ی (1):

Q: ارتفاع رواناب به میلی­متر

P: ارتفاع بارندگی 24 ساعته به میلی­متر

S: مقدار ذخیره­ی سطحی خاک

S در رابطه با نوع پوشش و نحوه­ی بهره­­برداری از اراضی و وضعیت سطح خاک از نظر نفوذپذیری و داخل خاک از نظر انتقال[16] می­باشد. مقدار حداقل و حداکثر S بستگی به رطوبت قبلی خاک دارد. نتایج حاصل از اندازه­گیری­ها در حوضه­های مختلف نشان داد که به طور متوسط 2/0 از کل تلفات بالقوه­ی حوضه یا S، قبل از شروع جریان یافتن هرزآب به صورت تلفات اولیه عمل کرده و 8/0 بقیه در طول بارش، صرف نفوذ سطحی و عمقی در خاک می­شود. بنابراین در هر مورد، چنانچه ارتفاع بارندگی کمتر از 2/0 S باشد فرض می­شود که رواناب به وجود نخواهد آمد. مقدار تلفات کل یا S توسط رابطه­ای، با یک عامل بدون بعد[17] به ­نام CN (Curve Number) ارتباط می­یابد (رابطه­ی 2).

رابطه­ی  (2)        بر حسب میلی‌متر S= (25400 / CN) - 254

 مقدار CN بین صفر تا 100 متغیر است. در CN برابر صفر رواناب از بارندگی حاصل نیامده و در CN برابر 100، تمامی بارش در سطح زمین جریان یافته و ارتفاع رواناب برابر با ارتفاع بارندگی خواهد بود. محاسبه­ی  CN بر اساس گروه­های هیدرولوژیکی خاک، بهره­وری از زمین، وضعیت هیدرولوژیکی اراضی، و وضعیت رطوبت پیشین خاک[18] (A.M.C) منطقه صورت می­پذیرد (مهدوی، 1386: 158). رطوبت پیشین خاک یکی از عوامل مهم در کاهش شدت نفوذ و در نتیجه افزایش رواناب است. در روش شماره­ی منحنی، تغییرات S در رابطه با وضعیت رطوبت پیشین خاک بررسی شده و سه حالت مختلف در نظر گرفته شده است. در حالت اول مقدار S حداکثر بوده، رطوبت خاک کم و توان تولید رواناب آن ضعیف است. در حالت دوم، خاک رطوبت متوسطی دارد و در حالت سوم خاک تقریباً اشباع بوده،S ، کمترین مقدار خود را دارد و توان تولید رواناب زیاد است. عامل دیگری که باید در نظر گرفت، فعال یا غیرفعال بودن عمل تعریق گیاهی است که می­تواند رطوبت خاک را تا حدی کاهش دهد. بنابراین فصل رشد یا خواب گیاهی نیز باید در محاسبات لحاظ گردد. شرایط رطوبت قبلی خاک را می­توان از جدول 1 و بر اساس مجموع بارندگی طی مدت 5 روز قبل از روز مورد نظر به ­دست آورد.

 

 

جدول (1) وضعیت رطوبت پیشین خاک

فصل خواب

فصل رشد

گروه رطوبتی خاک

کمتر از 13 میلی متر

کمتر از 36 میلی­متر

I

28-13 میلی­متر

53-36 میلی­متر

II

بیش از 28 میلی متر

بیش از 53 میلی­متر

III

منبع: مهدوی، 1386: 158

در منطقه­ی مورد مطالعه با توجه به روشـی که برای تعیین رطوبت پیشین بـه کار رفته است، وضعیت رطوبتی خاک در گروه دوم قرار دارد. سپس مقادیر وزنی CN برای هر یک از زیر­حوضه­ها بر اساس رابطه­ی (3) محاسبه گردید.

رابطه­ی  (3)  

 

در رابطه­ی (3):

: میانگین وزنی CN حوضه و Ai : درصد مساحتی از حوضه که شماره ی  منحنی آن CNi است.

پس از تعیین ارتفاع رواناب سطحی ناشی از رگبار، دبی حداکثر با استفاده از رابطه­ی (4) محاسبه گردید:

رابطه­ی  (4)                     

در رابطه­ی (4):         

A مساحت حوضه به (هکتار)، R ارتفاع رواناب (میلی­متر)، Tc زمان تمرکز (ساعت) و QP دبی اوج رواناب (متر مکعب بر ثانیه) است.

ـ تحلیل عاملی (Factor analysis)

به منظور تعیین مهم­ترین پارامترهای مؤثر در سیل‌خیزی حوضه از تحلیل عاملی استفاده شده است. تحلیل عاملی از بهترین روش­ها برای گروه­بندی و در عین حال خلاصه کردن اطلاعات زیاد است، به طوری که از نظر مفهوم معنی­دار باشد (کلاین، 2001: 140). در این پژوهش به­ منظور تعیین مهم­ترین پارامتر­های تأثیرگذار در سیل­خیزی زیرحوضه­ها، از 19 پارامتر مختلف شامل میانگین بارش سالانه، 12 پارامتر فیزیوگرافی، درصد مساحت هر یک از کاربری­های اراضی (4 پارامتر) و درصد مساحت سازندهای زمین‌شناسی (2 پارامتر) استفاده شده است (جدول 8). جهت پرهیز از تأثیر واحدهای اندازه­گیری و عدم وابستگی به آنها، ابتدا مقادیر پارامترهای استخراج شده، استاندارد[19] شدند تا متغیرها تأثیر غیرمتجانسی بر اندازه­گیری فاصله نداشته باشند. روش Z-Score از متداول­ترین روش­های استانداردسازی است. اگر در هر مشاهده از یک متغیر تصادفی، میانگین داده­ها از آن کم شود و به انحراف معیار داده­ها تقسیم شود، مقدار به دست آمده را Z-Score  گویند، که از رابطه­ی (5) به دست می­آید.

رابطه­ی  (5)        Zi =( X1-Xm)/Sd

در رابطه­ی (5):

Zi: عدد استاندارد شده

X1: میانگین داده­ها

Sd: انحراف معیار داده­ها

سپس پارامترهای استاندارد شده مورد تجزیه و تحلیل عاملی قرار گرفتند و میزان همبستگی هر کدام از اجزای این پارامترها با دبی حداکثر بـه دست آمده از روش شماره­ی منحنی در عامل­های مختلف مشخص و مهم­ترین پارامترهای تأثیرگذار در پتانسیل سیل­خیزی حوضه تعیین شدند.

بحث و نتایج

ـ گروه­های هیدرولوژیک خاک و وضعیت هیدرولوژیکی اراضی حوضه

با توجه به نقش گرو­های هیدرولوژیک خاک در نشان دادن چگونگی و میزان نفوذ­ آب و تعیین ضریب هرزآب، جزء عوامل تعیین­کـننده­ در پتانسیل سیل­خیزی یک محدوده محسوب می‌شوند. بنابراین، برای بررسی خصوصیات حوضه­­ی ­آبریز مورد مطالعه در توانایی ایجاد رواناب و سیلاب­های سطحی با توجه به میزان بارندگی، از گروه­های هیدرولوژیکی خاک استفاده می­کنیم. سازمان حفاظت خاک آمریکا (1972)، تمام خاک­ها را از نظر توان ایجاد رواناب به چهار گروهD -C-B-A تقسیم نموده است. این تقسیم­بندی بر اساس کمترین شدت نفوذپذیری خاک بدون پوشش گیاهی کاملاً خیس بنا شده است (علیزاده، 1389: 524). حوضه­ی  آبریز سراب دره­شهر به سه گروه هیدرولوژیکی B، C و D تقسیم می­شود که گروه هیدرولوژیکی C با پتانسیل بالای رواناب، بیشترین مساحت را دارد، گروه هیدرولوژیکی D از نظر مساحت دوم و گروه هیدرولوژیک B دارای کمترین مساحت است (جدول 2)، (شکل 2).


جدول (2) معیار طبقه­بندی و مساحت گروه­های هیدرولوژیکی خاک حوضه­ی  آبریز سراب دره­شهر

ویژگی

گروه‌های هیدرولوژیک خاک

B

C

D

نرخ نفوذ

خیلی کم

کم

متوسط

طبقه

پتانسیل رواناب خیلی زیاد

پتانسیل رواناب زیاد

پتانسیل رواناب متوسط

مساحت (کیلومتر مربع)

15/12

4/20

12/4

منبع: (نگارندگان)

 

شکل (2) گروه­های هیدرولوژیک خاک حوضه­ی آبریز سراب

(منبع: نگارندگان)

 پس از تعیین گروه­های هیدرولوژیکی خاک، کاربری­های مختلف حوضه و مشخص کردن وضعیت هیدرولوژیکی هر یک از کاربری­ها ضروری است. با توجه به جدول شماره (3)، بیشترین مساحت حوضه که حدود 28 درصد از مساحت حوضه را شامل می­شود، کاربری مرتع با تراکم متوسط دارد و با تطابق با شکل شماره (2)، در گروه­­های هیدرولوژیکی C و D قرار دارد که از لحاظ تولید رواناب دارای پتانسیل بالایی هستند. کاربری­های جنگل کم تراکم و مرتع تنک در رتبه­های بعدی قرار می­گیرند که آنها نیز در گروه­های هیدرولوژیکی C و D قرار دارند. اراضی کشاورزی و شهری دارای کمترین مساحت بوده و در گروه هیدرولوژیک B قرار دارند (شکل3) و (جدول3).

وضعیت هیدرولوژیکی اراضی، بیانگر توان ایجاد رواناب در یک منطقه بوده و توان کم نشانگر شرایط هیدرولوژیکی خوب است. وضعیت هیدرولوژیکی اراضی در سه حالت ضعیف، متوسط و خوب در نظر گرفته می­شود (مهدوی، 1386: 151). از نظر وضعیت هیدرولوژیکی، حوضه­ی  مورد مطالعه به دو وضعیت ضعیف و متوسط تقسیم شده است. حدود 38/55 درصد حوضه دارای وضعیت هیدرولوژیکی ضعیف و 62/44 درصد دیگر در وضعیت هیدرولوژیکی متوسط قرار دارد. طبق جدول 3، اراضی شهری، اراضی کشاورزی، مراتع تنک و پوشش جنگلی کم تراکم در وضعیت هیدرولوژیکی ضعیف و مراتع متوسط و پوشش جنگلی با تراکم متوسط در وضعیت هیدرولوژیکی متوسط جای دارند.

 

شکل (3) کاربری­های اراضی حوضه­ی  آبریز سراب

منبع: (نگارندگان)

جدول (3) مساحت هر یک از کاربری­های حوضه­ی آبریز سراب و وضعیت هیدرولوژیکی هر کدام از آنها

نوع کاربری

مساحت کاربری( کیلومتر مربع)

درصد مساحت

وضعیت هیدرولوژیکی اراضی

اراضی شهری

79/2

62/7

ضعیف

اراضی کشاورزی

87/2

84/7

ضعیف

مرتع متوسط

24/10

28

متوسط

مرتع تنک

16/7

58/19

ضعیف

پوشش جنگل متوسط

07/6

61/16

متوسط

پوشش جنگل کم تراکم

44/7

34/20

ضعیف

منبع: (نگارندگان)

ـ تعیین مقادیر شماره­ی منحنی(CN) و S حوضه

در بسیاری از روابط CN برای محاسبه­ی  مقدار رواناب حاصل از بارش بر روی یک حوضه به کار می­رود. در این مرحله از تلفیق نقشه­ی کاربری اراضی و نقشه­ی گروه­های هیدرولوژیک خاک حوضه، با در نظر گرفتن رطوبت پیشین خاک در حالت متوسط و تعیین وضعیت هیدرولوژیکی برای هر محدوده، شماره­ی منحنی (CN) استخراج شده است (جدول4). نقشه­ی CN حوضه­ی  سراب دره­شهر از تلفیق نقشه­های کاربری اراضی و گروه­های هیدرولوژیک خاک در محیط GIS تهیه شده است (شکل 4).

جدول (4) مقادیر شماره منحنی (CN) حوضه­ی آبریز سراب دره­شهر

(CN) شماره منحنی

درصد مساحت

مساحت (km²)

گروه هیدرولوژیکی

نوع کاربری

96

6/7

8/2

B

اراضی شهری

76

7/2

1

B

اراضی کشاورزی

84

4/5

2

C

اراضی کشاورزی

79

9/1

72/0

B

مرتع تنک

86

5/16

6

C

مرتع تنک

89

7/0

26/0

D

مرتع تنک

79

6/17

4/6

C

مرتع متوسط

84

3/10

8/3

D

مرتع متوسط

77

7/14

4/5

C

جنگل کم تراکم

83

6/5

2

D

جنگل کم تراکم

73

6/0

23/0

C

جنگل متوسط

79

9/15

8/5

D

جنگل متوسط

منبع: نگارندگان

با توجه به نقشه و جدول CN حوضه­ی آبریز سراب دره­شهر دارای شماره­های منحنی 73 تا 96 می­باشد. همان طور که مشاهده می­شود، اراضی شهری به دلیل نفوذ­پذیری خیلی کم، بالاترین مـقدار CN را در حوضه دارد و بعد از آن مراتع تنک که در گروه­ هیدرولوژیکی D قرار گرفته­اند، دارای بالاترین مقادیر CN هستند. کاربری جنگل متوسط با گروه هیدرولوژیکی C به دلیل تراکم نسبی پوشش درختی، کمترین مقدار CN در حوضه­ی آبریز سراب دره­شهر را دارد. با توجه به نقشه­یCN ، قسمت­های پایین­دست حوضه CN بالاتری نسبت به بالادست حوضه دارند. همچنین، با توجه به CN وزنی به دست آمده 14/82 برای کل حوضه­ی  آبریز سراب دره­شهر، می­توان استنباط کرد که حوضه­ی آبریز دره­شهر از نظر ایجاد رواناب از پتانسیل بالایی برخوردار است.

پس از تهیه­ی  نقشه­ی CN، از طریق رابطه­ی شماره 2 و مقادیر به دست آمده از CN حوضه، مقدار S یا همان حداکثر توان نگهداری مربوط به انترسپشن، نفوذ در خاک و ذخیره­ی سطحی برحسب میلی­متر محاسبه شد. مقدار نفوذ حوضه از 5/10 تا 9/93 میلی­متر متغیر است. کمترین مقدار نفوذ در قسمت­های پایین­دست حوضه 5/10 میلی­متر با اراضی شهری منطبق است و در بالادست حوضه بیشترین مقدار نفوذ یعنی 9/93 منطبق با پوشش جنگلی متوسط محاسبه شده است (شکل 5).

 

               شکل (4) نقشه­ی شماره­ی منحنی (CN) حوضه                       شکل (5) نقشه­ی مقادیر نفوذ (S) حوضه

                                                  منبع:  (نگارندگان)                                                                                   منبع:  (نگارندگان)

به منظور محاسبه­ی حجم رواناب تولید شده در منطقه بر اساس روابط موجود، به حداکثر بارش 24 ساعته حوضه نیاز داریم. حداکثر بارش 24 ساعته یکی از متغیر­های مهم در تولید رواناب می­باشد و اختلاف در میزان آن باعث تفاوت پتانسیل سیل­خیزی حوضه­ها می‌شود. از آنجایی که حوضه­­ی مورد مطالعه فاقد ایستگاه هواشناسی است، به ­منظور تعیین بارندگی 24 ساعته از آمار بارش روزانه­ی  9 ایستگاه مجاور حوضه استفاده شده است که طی یک دوره­ی 32 ساله (1387-1355) حداکثر بارندگی 24 ساعته برای هر ایستگاه مشخص و سپس مقادیر آنها از طریق روش IDW به حوضه تعمیم داده شد (جدول 5).


جدول (5) حداکثر بارندگی 24 ساعته (میلی­متر) در ایستگاه­های اطراف حوضه (دوره آماری 1387 1355)

حداکثر بارش 24 ساعته

ارتفاع

عرض ج

طول ج

ایستگاه

77

1100

45/33

46/46

کنجانچم

80

230

02/33

6/46

خوشاب

94

970

75/33

25/47

هلیلان

80

650

18/33

43/47

چم ژاب (دره شهر)

77

650

16/33

71/47

پلدختر

100

440

96/32

8/47

جلوگیر

119.5

350

95/32

83/47

چم گز

78

880

38/33

2/47

تنگ سیاب

91

330

8/32

04/48

پل زال

منبع: سازمان مدیریت منابع آب ایران، 1389

ـ برآورد مقادیر ارتفاع رواناب (Q) و دبی حداکثر (Qmax)

با فراهم شدن نقشه­های حداکثر بارش 24 ساعته و مقادیر نفوذ حوضه و با استفاده از رابطه­ی شماره 1، ارتفاع رواناب بخش­های مختلف حوضه به دست آمد (شکل 6). با توجه به نقشه­ی پتانسیل تولید رواناب حوضه (شکل 6)، اراضی شهری بیشترین پتانسیل تولید رواناب یعنی 4/70 میلی­متر را دارد. همچنین، مراتع کم تراکم اطراف شهر دره­شهر که منطبق بر سازند­ گچساران است با رواناب 4/53 میلی­متر دارای پتانسیل رواناب بالایی است. پایین‌ترین مقادیر نـفوذ گویای نفوذپذیری کم این دو محدوده است (شـکل 5). بـه طور کلی می­توان گفت مناطق پایین دست حوضه ارتفاع رواناب بالاتری نسبت به بالا دست حوضه دارند.

پس از تعیین ارتفاع رواناب سطحی (Q) بخش­های مختلف حوضه­ی ­آبریز، دبی ­حداکثر (Qmax) قسمت­های مختلف حوضه­ی آبخیز با استفاده از رابطه­ی (4)، محاسبه شد. مقادیر دبی حداکثر حوضه از 7/0 تا 2/34 متر مکعب بر ثانیه است که بیشترین آن، منطبق بر مراتع تنک و متوسط حوضه با گروه هیدرولوژیکی C می­باشد که به ترتیب پتانسیل تولید دبی اوج 2/34 و 6/26 متر مکعب بر ثانیه را دارند. شهر دره­شهر نیز با دبی اوج 5/23 متر مکعب بر ثانیه نیز قابل توجه می­باشد (شکل7). مقادیر بالای دبی حداکثر برخلاف ارتفاع رواناب که مقادیر بالای آن بیشتر در پایین دست حوضه است، تقریباً در قسمت­های مختلف حوضه پراکنده است و علت آن دخالت دادن نقش مساحت در ضریب رواناب می­باشد.

  

            شکل (6) پتانسیل تولید رواناب (Q) حوضه­                   شکل (7)مقادیر دبی حداکثر (Qmax) حوضه

                                           منبع: (نگارندگان)                                                                                       منبع: (نگارندگان)        

در نهایت هر یک از پارامترهای گـفته شـده در روش SCS,CN بـه صورت وزنی نیز برای هر کدام از زیـرحوضه­ها محاسبه گردیـد. با توجه بـه جـدول (5) مقادیر دبی حداکثر در روش شـماره­ی  مـنحنی در زیر­حوضه­های 1 تا 6 به ترتیب 02/74، 18/51، 75/28، 72/37، 14/48 و 94/71 محاسبه شده است. جدول (6)، محاسبه­ی مقادیر وزنی CN، مقادیر نفوذ، حداکثر بارش 24 ساعته و ارتفاع رواناب هر کدام از زیر­حوضه­ها را نشان مـی‌دهد. هـمانطوری که مشاهده مـی­شود بیشتر مـقادیر CN مربوط بـه زیر­حوضه­های شماره 5 و 6 می­باشد.

جدول (6) مقادیر محاسبه شده پارامترهای مختلف روش شماره­ی منحنی در زیرحوضه­های حوضه­ی ­آبریز دره­شهر

عامل

مقادیر ویژه اولیه

درصد واریانس

مقادیر تجمعی واریانس%

کل

مقادیر تجمعی

1

7/8

58/43

06/27

06/27

2

1/5

31/69

06/24

12/51

3

8/2

34/83

01/24

14/75

4

3/2

88/94

59/12

74/87

5

02/1

100

25/12

100

منبع. نگارندگان

ـ تعیین پارامترهای تأثیرگذار در سیل­خیزی زیرحوضه­ها

در این پژوهش تحلیل عاملی بر روی 19 پارامتر تأثیرگذار در دبی حداکثر زیرحوضه­های دره­شهر انجام شده است. بر اساس پژوهش­های پیشین، پارامترهای با بار وزنی بزرگ­تر از 75/0 به عنوان پارامترهای تأثیرگذار انتخاب شده­اند (نصرتی و همکاران، 1383: 43). همچنین در بین عامل­های مختلف، عاملی را که بار وزنی دبی حداکثر آن بالاتر از عامل­های دیگر است، مد نظر قرار گرفته است. تحلیل عاملی نشان داد که در زیرحوضه­ها، بر اساس 5 عامل و 19 متغیر 100 درصد واریانس داده­ها توجیه شده است. در این پژوهش عامل دوم که دبی حداکثر آن، بار عاملی 964/0 را نشان می­دهد، مورد تحلیل قرار گرفته است که 06/24 درصد از واریانس کل را توجیه می­کند. این عامل نشان می­دهد که در بین پارامترهای منتخب دو پارامتر مساحت و تراکم شبکه زهکشی با بار عاملی به ترتیب 899/0 و 864/0 که جزء پارامترهای فیزیوگرافی می­باشند، با دبی حداکثر همبستگی مثبت بالایی دارند. در بین معیارهای نفوذ­پذیری و کاربری اراضی و متوسط بارش سالانه، هیچ کدام از پارامترها بار عاملی بالایی را نشان نداده است. بنابراین، می­توان گفت پارامتر­های مساحت و تراکم شبکه­ی زهکشی که جزء معیارهای فیزیوگرافی می­باشند، بین پارامترهای منتخب مورد بررسی، بیشترین تأثیر را در پتانسیل سیل­خیزی حوضه­ی آبریز سراب دره­شهر دارند (جدول7 و 8).

جدول (7) مقادیر ویژه و واریانس توجیه شده پارامترهای منتخب زیرحوضه­های دره­شهر

دبی­حداکثرm³)/sec)

ارتفاع رواناب(mm)

حداکثر بارش24ساعته

مقادیر نفوذ(S)

مقادیر ­وزنی (CN)

زیر حوضه

02/74

70/36

7/82

54/63

99/79

زیرحوضه1

18/51

37/37

7/82

88/61

41/80

زیرحوضه2

75/28

45/32

5/82

66/73

52/77

زیرحوضه3

72/37

90/35

1/82

26/64

81/79

زیرحوضه4

14/48

61/43

7/81

34/47

29/84

زیرحوضه5

94/71

18/48

3/81

66/38

79/86

زیرحوضه6

دبی­حداکثرm³)/sec)

ارتفاع رواناب(mm)

حداکثر بارش24ساعته

مقادیر نفوذ(S)

مقادیر ­وزنی (CN)

زیر حوضه

02/74

70/36

7/82

54/63

99/79

زیرحوضه1

18/51

37/37

7/82

88/61

41/80

زیرحوضه2

75/28

45/32

5/82

66/73

52/77

زیرحوضه3

72/37

90/35

1/82

26/64

81/79

زیرحوضه4

14/48

61/43

7/81

34/47

29/84

زیرحوضه5

94/71

18/48

3/81

66/38

79/86

زیرحوضه6

منبع: (نگارندگان)

 


جدول‌ (8) ماتریس دورانی واریماکس پارامترهای منتخب زیرحوضه­های دره­شهر

پارامتر استاندارد شده

عامل

1

2

3

4

5

دبی حداکثر به دست آمده از روش شماره منحنی

120/0

964/0

146/0

162/0

097/0

مساحت

141/0

899/0

413/0

008/0

042/0

شیب متوسط

919/0

357/0-

131/0-

031/0

099/0-

کمینه ارتفاع

707/0

238/0-

421/0-

417/0-

302/0-

بیشینه ارتفاع

968/0

154/0

040/0

054/0-

185/0-

ارتفاع متوسط

940/0

256/0

176/0

062/0

129/0-

طول آبراهه اصلی

071/0

494/0

854/0

033/0

131/0-

جمع کل آبراهه ها

279/0

698/0

639/0

095/0

131/0-

تراکم شبکه زهکشی

225/0

864/0

255/0

111/0

353/0-

نسبت انشعاب

151/0-

254/0-

952/0

078/0

021/0-

ضریب شکل هورتون

260/0-

134/0-

861/0-

268/0

317/0-

ضریب گراویلیوس

294/0-

047/0-

377/0

025/0-

877/0

زمان تمرکز( کرپیچ)

224/0-

435/0

843/0

034/0

223/0

درصد مساحت جنگل

245/0

236/0-

005/0-

890/0-

303/0-

درصد مساحت مرتع

113/0

154/0-

084/0-

950/0

231/0-

درصد مساحت اراضی شهری

498/0-

504/0

157/0

088/0

682/0

درصد مساحت اراضی کشاورزی

456/0-

523/0

066/0

058/0

715/0

درصد سازند با نفوذپذیری کم

593/0-

174/0

718/0

258/0

189/0

درصد سازند با نفوذپذیری زیاد

219/0

637/0-

356/0-

646/0-

046/0-

بارش متوسط سالانه

961/0

078/0

056/0-

134/0-

220/0-

منبع: (نگارندگان)

نتیجه­گیری

یکی از روش­های بررسی چگونگی شکل­گیری جریان سطحی (رواناب) در اثر بارندگی حاصله بر روی زمین، روش شماره­ی منحنی سازمان حفاظت خاک آمریکا است که در آن به شرایط خاک و پوشش گیاهی آن در تبدیل بارندگی به رواناب توجه شده است. در این پژوهش روش شماره­ی منحنی در سیل­خیزی زیر­حوضه­ها­ی سراب دره­شهر به اجرا درآمد و و پارامترهای تأثیرگذار در سیل­خیزی آن مشخص گردیدند.

با تلفیق لایه­های کاربری اراضی و گروه­های هیدرولوژیک خاک نقشه­ی CN حوضه تهیه شد. میانگین CN وزنی برای کل حوضه 14/82 به دست آمد که نشان­دهنده­ی پتانسیل بالای تولید رواناب حوضه است. مقادیر بالای CN و ارتفاع رواناب (Q) در پایین دست حوضه، نشان­دهنده­ی نفوذپذیری کم این ناحیه به دلیل وجود گسترش سطوح اراضی شهر، سازند گچساران و مراتع تنک در پایین دست حوضه است. مقادیر نفوذ حوضه از 5/10 تا 9/93 میلی­متر متغیر می­باشد. بالاترین مقادیر نفوذ حوضه بر پوشش جنگلی کم تراکم و قسمت­­هایی از اراضی کشاورزی آبی دارای مقادیر CN پایین، منطبق هستند. اراضی جنگلی با تراکم متوسط و همچنین اراضی مرتعی متوسط که در گروه هیدرولوژیکی D و C جای دارند، از لحاظ نفوذ­پذیری در رتبه­ی بعدی قرار گرفته­اند. به طور کلی می­توان گفت که بخش عمده­ی حوضه دارای نفوذپذیری بالای 50 میلی­متر است. پس از تهیه لایه­های مورد نیاز، ارتفاع رواناب و دبی حداکثر در روش شماره­ی منحنی به دست آمد. نتایج نشان داد اراضی شهری با 4/70 میلی­متر بیشترین پتانسیل تولید رواناب را دارد. بعد از اراضی شهری بیشترین مقادیر ارتفاع رواناب بـر مراتع تنک روی سازنـد گچساران منطبق است. با توجه بـه نقشه­ی ارتفاع رواناب می­توان گفت که قسمت­های پایین­دست حوضه ارتفاع رواناب بالاتری نسبت به بالا دست حوضه دارند، که گویای نفوذپذیری کم، پایین دست حوضه می­باشد. مقادیر دبی حداکثر حوضه نیز از 7/0 تا 2/34 متر مکعب بر ثانیه است که بیشترین مقدار آن منطبق بر مراتع کم تراکم و متوسط با گروه هیدرولوژیکی C می­باشد. همچنین محاسبه­ی  مقادیر وزنی دبی حداکثر هر کدام از زیر حوضه­ها نشان داد که زیر حوضه‌های 1 و 6 که نسبت به زیرحوضه­های دیگر از مساحت بیشتری برخودارند، دارای بالاترین مقادیر دبی حداکثر می­باشند. نتایج این مطالعه گویای تأثیر قاطع نوع کاربری اراضی و نوع خاک حوضه بر روی رواناب و فرسایش در منطقه است.



[1]- Brierley & Fuyirs

[2]- Soil Conservation Service, SCS

[3]- Curve Number, CN

[4]- Chow

[5]- Inci Tekel et al.,

[6]- Im et al.,  

[7]- Srangi et al.,

[8]- Banha

[9]- Malttar

[10]- Servati et al

[11]- Hoseinzadeh

[12]- Lajevardi et al

[13]- Watershed Consulting Engineers

[14]- Mishra et al.,

[15]- Kumar et al.,

1- Transmission

[17]- Dimensionless

[18]- Antecedent Moisture Condition

[19]- Standardize

منابع
- ثروتی، محمدرضا؛ رستمی، اکبر و خدادادی، فاطمه (1390)، «امکانسنجیوقوعسیلدرحوضه­یآبخیزلیلانچای (مراغه) به روش CN»، فصلنامه­ی جغرافیای سرزمین، شماره­ی 32، صص 81-67.
- جعفری گرزین، بهنوش؛ دودمهری، رضاعلی؛ صفایی، مهرداد و احمدیان، سید احمد (1386)، «معرفیمدل­هاییبرایپیش­بینیرشدحجمخندق(مطالعه­ی  موردی:حوضه­ی  آبخیزسرخآباد،مازندران)»، پژوهش و سازندگی در منابع طبیعی، شماره­ی 75، صص 119-109.
- حسین­زاده، محمدمهدی (1391)، «برآورد ارتفاع رواناب و دبی اوج رواناب در وقوع فرسایش آبراهه­ای در منطقه ی  کجور نوشهر- البرز شمالی»، پژوهش­های فرسایش محیطی، شماره­ی 7، صص 15-1.
- خسروشاهی، محمد (1380)، تعیین نقش زیرحوضه­های آبخیز در شدت سیل­خیزی حوضه (مطالعه موردی حوضه­ی  آبریز دماوند)، رساله­ی دوره­ی دکتری دانشگاه تربیت مدرس.
- علیزاده، امین (1389)، اصول هیدرولوژی کاربردی، چاپ 30، مشهد: انتشارات آستان قدس رضوی.
- لاجوردی، محمود؛ خالدی، شـهریار و ستاری، شاپور (1392)، «پهنه­بـندی پتانسیل سیل­خیزی حوضه­ی آبـریز مردق­چای (آذربایجان شرقی)»، نشریه­ی  علمی-پژوهشی جغرافیا و برنامه­ریزی، 17 (44): صص 273-255.
- ملکی، امجد؛ حصادی، همایون و پیروزی­نژاد، نوشین (1392)، «برآورد مقادیر سیلاب و ارائه مدل سیل­خیزی در حوضه­ی آبریز رازآور»، نشریه­ی علمی-پژوهشی جغرافیا و برنامه­ریزی، شماره­ی 46، صص 239-223.
- مهدوی، محمد (1386)، هیدرولوژی کاربردی، جلد دوم، تهران، انتشارات دانشگاه تهران.
- مهندسان مشاور آبخیزان (1388)، مطالعات تفصیلی ـ اجرایی آبخیزداری حوضه­ی  ­آبریز دره‌شهر.
- نصرتی، کاظم؛ محسنی ­ساروی، محسن؛ اسلامیان، سعید؛ شریفی، فرود و مهدوی، محمد (1383)، «تعیین مناطق همگن برای تحلیل فراوانی جریان کمینه»، مجله­ی منابع طبیعی ایران، جلد 57، شماره­ی1.
- Amutha, R. & Porchelvan, P. (2009), “Estimation of Surface Runoff in Malattar Sub-watershed Using SCSCN Method”, Photonirvachak, J, Indian Soc, Remote Sense, Vol. 37, pp. 291–304.
- Brierley, G.J. & Fryirs, K.A. (2005), Geomorphology and River Management Application of the River Styles Framework, Oxford, Blackwell Publishing.
- Chow, V. T. (1964), Handbook of Applied Hydrology, Mcgraw-Hill, N. Y.
- Im, S.; Park, S. & Jang, T. (2007), “Application of SCS Curve Number Method for Irrigated Paddy Field”, Journal of Civil Engineering, Vol. 11, pp. 51-56.
- Inci Tekel Y.; Akguül S.; Dengiz O. & Aküzüm T. (2006), “Estimation of Flood Discharge for SmallWatershedUsing SCS Curve Number andGeographic Information System”, River Basin Flood Management Journal, pp. 527-538.
- Kline, P. (2001), An Easy Guide for Factor Analysis, London: Routledge.
- Kumar, S.; Ranta, M.J.; Praveen, T.V. & Kumar, V. (2010), “Analysis of the Runoff for Watershed Using SCS-CN Method and Geographic Information Systems”, International Journal of Engineering Science and Technology, 2, 3947-3654.
- Mishra, S.K.; Tyagi, J.V.; Singh, V.P. & Singh, R. (2006), “SCS-CN-based Modeling of Sediment Yield”, Journal of Hydrology, Vol. 324, pp. 301–322.
- Srangi, A.; Singh, D.K. & Singh, A.K. (2008), “Evaluation of Curve Number and Geomorphology-based Models for Surface Runoff Prediction from Ungauged Watersheds”, Water Technology Centre, Indian Agricultural Research Institute, New Delhi 110 012, India, Current Science. Vol. 94. pp. 12- 25.