نوع مقاله : پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار جغرافیا و برنامهریزی شهری، دانشگاه محقق اردبیلی،
2 دانشیار جغرافیای طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی ، ایران
3 دانشجوی دکتری تغییرات آب و هوایی، دانشگاه تبریز، ایران
چکیده
سیل از جمله مخاطرات ناشی از تغییرات اقلیمی و کاربری اراضی در اکثر نقاط دنیاست که سالانه خسارات بسیار زیادی بر جوامع تحمیل میکند. برای مدیریت و پیشبینی سیل خیزی یک منطقه، تخمین پتانسیل ارتفاع رواناب نقش مهمی دارد؛ در این راستا سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) یکی از مؤثرترین روش ها را ارائه داده است که برای حوضه های فاقد آمار بسیار مناسب میباشد. مطالعه ی حاضر نیز با هدف محاسبه و تحلیل پتانسیل سیل خیزی در داخل شهر مشکین شهر و حوضهی پیرامونی با استفاده از روش (SCS) انجام شد. با توجه به اینکه محدوده ی مورد مطالعه شامل داخل شهر و حوضه ی پیرامون است و تنوع کاربری بالایی دارد؛ تخمین ضریب رواناب با روشهای دستی به سختی امکان پذیر است. بنابراین به منظور سرعت و دقت در انجام کار، از نرمافزار ArcGIS و الحاقیه های Arc-Hydro و ArcCN-Runoff استفاده گردید. در گام اول نقشهی کاربری اراضی منطقه با جدول شاخص مقایسه و با اطلاعات گروه هیدرولوژیکی خاک تلفیق شد، سپس شماره ی منحنی (CN) که یک عامل مهم در روش SCS است به دست آمد. در گام بعد با لحاظ میانگین بارش و CN، پتانسیل رواناب محدوده محاسبه گردید و نتایج به صورت دو نقشه CN و ارتفاع رواناب، پهنه بندی شد؛ که CN از شمارهی منحنی 32 تا 98 (میانگین 88/76) در 5 کلاس و ارتفاع رواناب نیز از صفر تا 99/0 (با میانگین 28/0 برای کل منطقه و 31/0 برای محدودهی داخل شهر)، در 5 کلاس طبقه بندی گردید.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Estimation of Curve Number and Runoff in ArcGIS (A Case Study of Meshkin Shahr City)
نویسندگان [English]
- Ata Ghafari Gilandeh 1
- Behrooz Sobhani 2
- Elnaz Ostadi Babakandi 3
1 Assosiate Professor, Department of Geography, University of Mohaghegh Ardabali
2 Assosiate Professor, Department of Geography, University of Mohaghegh Ardabali, Iran
3 Phd Student, Department of Geography, University of Tabriz, Iran
چکیده [English]
Flooding is a major natural disaster. This phenomenon becomes more important when it is occurring especially in the city. Therefore, prevention of the communities from the impacts is inevitable. The high level of awareness of potential runoff area for flood management is important. Given this importance, this paper deals with the calculation of runoff with SCS method in Meshkinshahr city and its surrounding area, For this purpose, we used GIS software and the accession of the ARC-HYDRO, especially Arc-CN-RUNOFF software. Finally, the layers of soil hydrologic group, the integration of land use and rainfall averages were compared with the index table, then the resulting map was obtained. Curve number Map (CN), which was proportional to the permeability of the 20 classes. Curve No (32) for areas with high permeability and low runoff and curve number is high (98) for areas with low permeability and high runoff. Dimensional map of the height map is runoff from zero to areas with very high permeability and high runoff starts 99/0, including the use of low permeability to continue. Check the map showed that both CN and RUN-OFF lot to do with the type of the user, so that the use of man-made and synthetic runoff curve number and height are more.
کلیدواژه‌ها [English]
- Arc CN-Runoff accession
- SCS method
- Curve Number
- Meshkin Shahr
از مهمترین مخاطرات طبیعی در جهان و از جمله در ایران چه از نظر خسارات مالی و چه خسارات جانی، سیل[1] میباشد. در مقایسه با سایر مخاطرات طبیعی، سیلابها با فراوانی زیاد و در فضایی گسترده اتفاق میافتند (گرین[2] و همکاران، 2013: 3؛ وارد[3] و همکاران، 2014: 1). وقوع سیل و اثرات آن در زمانهای اخیر بیسابقه بوده، به ویژه با تغییرات آب و هوایی و تغییرات پیوسته در سطح آب دریا به وضوح از اهمیت جهانی برخوردار میباشد (Nkwunonwo و همکاران، 2015: 3898). کشور ما ایران نیز کشوری بلاخیز در جهان است و از این قاعده مستثنی نمیباشد. علاوه بر ایران جاری شدن سیل در مناطق شهری یک مشکل اجتنابناپذیر برای بسیاری از شهرها در کشورهای آسیایی است (اپیرومانکول و مارک[4]،2001: 101). تغییر کاربری و توسـعهی شهری با حذف پوشش گیاهی، پاکسازی زمین، ساخت راهها و ساختمانها، جریان زیرسطحی را کاهش و رواناب سطحی را افزایش میدهد (کریستوفر[5] و همکاران، 2002: 5). از این رو، جلوگیری از جاری شدن سیل در مناطق شهری به یک مسئلهی مهم تبدیل شده است (آدیمو و همکاران، 2008: 1). نقشههای منتشر شده از طرف سازمانهای بینالمللی نیز حاکی از افزایش سیلابهای شهری، به ویژه در کلانشهرها میباشند. افزایش شدت سیلابها در شهرها سبب شده که استراتژیهای متعددی در مدیریت سیلابهای شهری تدوین گردد (قهرودیتالی، 167-168:1388).
از ابزارهایی که برای این منظور استفاده میشود سامانهی اطلاعات جغرافیایی است؛ اطلاعات مربوط به ارتفاع و حجم رواناب و شمارهی منحنی حوضهی مورد نظر نیز از جمله اطلاعاتی است که از ترکیب لایههای اطلاعاتی در محیطGISبه دست میآید و در مطالعات مربوط به رواناب مورد استفاده قرار میگیرد.
برای تخمین رواناب روشهای زیادی مورد استفاده قرار میگیرد، یکی از مهمترین روشها، روش سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) است. این روش تابعی از میانگین بارش و نوع کاربری اراضی میباشد. استفاده از عامل کاربری اراضی به منظور دستیابی به پارامتر مهمی در این روش است؛ این پارامتر شمارهی منحنی[6] (CN) نامیده میشود که نمایهی خصوصیات حوضه از نظر نفوذپذیری است (آذری و همکاران، 1388: 45 به نقل از علیزاده، 1388).
با توجه به اهمیت موضوع مطالعات فراوانی در این زمینه انجام شده است، از جمله این مطالعات میتوان به کارهایی که توسط اجمال[7] و همکاران (2015)، ویجی[8] و همکاران (2015)، باسکار و سوربابو[9] (2014)، اوزتورک و باتوک[10] (2011)، ژئون[11] و هـمکاران (2014)، عزیزاعباس و هاشـیم[12] (2014)، در ایـران نیز بـه پژوهشهایی که توسط امیراحمدی و همکاران (1390)، محمدی مطلق و همکاران (1392)، زربازو و همکاران (1392)، ملکی و همکاران (1393) انجام شده اشاره کرد. در این مطالعه نیز با توجه به این که شهر مشکینشهر هر از چندگاهی در معرض سیلابهای شدید قرار میگیرد و خسارات فراوانی برجای میگذارد، سعی شد با استفاده از قابلیتهای نرمافزار ArcGIS، شمارهی منحنی و ارتفاع رواناب منطقهی مورد مطالعه محاسبه و در قالب نقشه ارائه گردد.
معرفی محدودهی مورد مطالعه
منطقهی مورد مطالعه قسمتی از شهرستان مشکینشهر میباشد که با مساحت حدود 3900 کیلومتر مربع در ²52¢38°47 تا ²31¢42°47 طول شرقی و ²16¢22 °38 تا ²10¢25°38 عرض شمالی در شمالغرب ایران و در 20 کیلومتری شمال قلهی مشهور سبلان قرار دارد (ولیزاده و همکاران، 1391: 41). از نظر توپوگرافی ارتفاع شهر بین 1300 تا 1625 متر از سطح دریا قرار دارد. در سمت شرق، درهی عمیق خیاوچای قرار گرفته که رودخانهی خیاوچای در آن جریان دارد. این رود که از عناصر مهم ژئومورفولوژیک به شمار میرود، از جنوب به شمال در درهای عمیق جریان دارد که به صورت مانعی طبیعی جهت گسترش و توسعهی کالبدی شهر عمل میکند (طرح جامع مشکینشهر، 1377: 9؛ کاظمی و بابایی، 1391: 35). از نظر آب و هوایی میانگین بارندگی سالانهی مشکینشهر 6/ 376 میلیمتر میباشد. در طی دورهی آماری 1374 تا 1392حداکثر بارش ثبت شده 3/520 میلیمتر بوده که متعلق به سال 2004 است. در این دورهی آماری میانگین دمای ماهانه مشکین شهر از 6/0- درجه سانتیگراد در ماه دی تا 4/21 سانتیگراد در ماه مرداد در نوسان بوده است. با توجه به اینکه محدوهی مورد نظر در مجاورت با رودخانهی خیاوچای میباشد و حوضهی آبخیز این رودخانه شهر را در برگرفته است؛ در این مطالعه، محدودهی حوضهی مذکور با الحاقیه ArcHYDRO مشخص و در تمام مراحل انجام پژوهش محدودهی شهر در داخل محدودهی حوضه بررسی شد (شکل 1).
شکل(1) موقعیت محدودهی مورد مطالعه
مواد و روش
در مطالعهی حاضر اطلاعات کاربری اراضی، پوشش گیاهی، گروه هیدرولوژیکی خاک و میانگین سالانهی دادههای بارش منطقه در دورهی آماری 1374 تا 1392 استفاده شد. لایههای مذکور در محیط نرمافزار ArcGIS10.1 و الحاقیههای ArcHYDRO 10.1 و ArcCN-Runoff فراهم و میانگین دادههای بارش در Excel محاسبه شد.
شکل(2) نقشه کاربری ارضی منطقه
ـ کاربری اراضی
تخریب نواحی بالادست حوضه بـه صورتهای مختلف از جمله تخریب پوشش گیاهی و جادهسازی، همچنین گسترش بیرویه اراضی شهری و صنعتی، سبب کاهش نفوذ و افزایش رواناب میگردد (لطفی و جعفری، 1390: 290). در برآورد شمارهی منحنی و محاسبهی بارش مازاد آگاهی از کاربری اراضی منطقه اهمیت فراوانی دارد؛ لذا در تحقیق حاضر با استفاده از نقشهی کاربری داخل شهر، نقشهی پوشش گیاهی و تیپ اراضی اقدام به تهیهی نقشهی کاربری شد (شکل 2).
ـ شماره منحنی (CN)
برای محاسبهی اینکه چه مقدار از بارش به داخل خاک و یا زیرزمین نفوذ کرده و چه مقدار به رواناب تبدیل میگردد اقدام به برآورد شمارهی منحنی میشود. در این حالت شمارهی منحنی بالا به معنی رواناب بیشتر و نفوذپذیـری کـمتر است (مناطق شـهری)، در حالی که شـمارهی منحنی پایین، نشاندهندهی رواناب کمتر و نفوذپذیری بالا میباشد (خاکهای خشک) (ژان و هوانگ[13]، 2004: 1؛ شادید و المصری[14]، 2010: 2). برای محاسبهی شمارهی منحنی منطقهی مورد مطالعه، الحاقیه ArcCN-Runoff استفاده شد. محاسبهی شمارهی منحنی و رواناب برای هر پلیگون به صورت جداگانه از ویژگیهای این ابزار است (محمدی و همکاران، 1392: 4). ورودی اولیه این ابزار بدین صورت میباشند:
1- لایهی Landsoil: این لایه با اجرای عملیات تلفیق (Intersect) دو لایهی کاربری ارضی با ستون (SubCLASS) که حاوی نوع کاربری میباشد و لایهی خاک با ستون (HYDGRP) که حاوی گروههای هیدرولوژکی خاک است به دست میآید.
2- جدول شاخص (Index): این جدول حاوی گروههای هیدرولوژیکی خاک با توجه به نوع کاربری اراضی و شرایط رطوبتی است (ژان و هوانگ، 2004). برگرفته از جداول خاص در این زمینه ([15]USDA، 1986: 3-2، 5-2 و 6-2؛ علیزاده، 1387).
نقشهی CN با تلفیق دو نقشه کاربری و گروه هیدرولوژیکی خاک در محیط نرمافزار GIS Arcو با استفاده از الحاقیه Arc-CN به دست آمد (شکل 3). نقشهی CN به دست آمده متناسب با میزان نفوذپذیری در 5 کلاس طبقهبندی شد، هر طبقه با یک عدد که شمارهی منحنی آن طبقه میباشد مشخص میشود، شمارهی منحنی کمتر (در این محدوده از 32 شروع میشود) مربوط به مناطق با نفوذپذیری بالا و رواناب کم و شمارهی منحنی بالا (98) مربوط به مناطق با کمترین نفوذپذیری و بالاترین رواناب که بیشتر شامل سطوح آسفالتی و مناطق ساختمانی در داخل شهر میباشد.
شکل (3) نقشه CN منطقه
ـ ارتفاع رواناب
رواناب یکی از متغیرهای هیدرولوژیکی بسیار مهم و مورد استفاده در تحلیل پتانسیل سیلخیزی میباشد. پیش بینی قابل اطمینان از کیفیت و نسبت رواناب سطح زمین در داخل جریانهای رودخانهها سخت میباشد و برای حوضههای آبریز فاقد دادههای اندازهگیری شده، زمان زیادی باید صرف شود تا این پیشبینی به دست آید (نایاک و جیسوال 2003 به نقل از مهدیزاده). ارتفاع رواناب در یک حوضه بستگی زیادی به میزان بارندگی، نفوذپذیری و ویژگیهای حوضهی آبریز دارد و میتواند در مقیاس زمانی روزانه، ماهانه و سالانه اندازهگیری شود. با توجه به اهمیت آگاهی داشتن میزان ارتفاع رواناب حوضه روشهای زیادی برای برآورد این فاکتور وجود دارد که روش سازمان حفاظت خاک آمریکا از مهمترین آنهاست. این روش با توجه به سادگی، انعطافپذیری و تطبیقپذیری آن در تفسیر مدیریت منابع آب و برنامهریزی برای مناطق آبریز استفاده میشود. گروههای هیدرولوژیکی خاک، شمارهی منحنی خاص هر نوع خاک را تعیین میکنند که میتواند در روش SCS استفاده شود (ادهم و همکاران، 2014: 1). این روش در سال 1972 ابداع شد. روش SCS به طور گسترده و با دقت مناسب برای پیشبینی رواناب به کار میرود. در این روش از رابطهی زیر استفاده میشود (الجباری و همکاران، 2009: 1216؛ زنده و همکاران، 2014: 510):
|
رابطهی (1) |
در رابطهی (1):
Q: ارتـفاع رواناب. S: ضریب نـگهداشت بر حسب اینچ که خود بـرابـر است با
|
رابطهی (2) |
P : بارش 24 ساعته بر حسب اینچ.
ارتفاع رواناب در این مطالعه با نرمافزار Arc-CN محاسبه شد؛ روش مورد استفاده در این نرم افزار نیز روش SCS است، به این صورت که با وارد کردن مقدار میانگین بارش سالانه و نقشهی کاربری اراضی که مشخصکنندهی میزان نگهداشت سطحی نیز است، نقشهی ارتفاع رواناب برای منطقه به دست آمد (شکل 4). به دلیل این که میانگین دقیق بارش محدودهی قابل محاسبه نبود، میانگین نقشهی همبارش تهیه شده برای منطقه در محیط نرمافزار ادریسی محاسبه شد و با عدد حاصل از محاسبات در Excel مقایسه و در نهایت عدد به دست آمده (202/1 اینچ=58/366 میلیمتر) وارد نرمافزار شد و نقشهی ارتفاع و حجم رواناب بر حسب مقدار بارش استخراج شد. ارتفاع رواناب (درصدی از بارندگی که در سطح جریان دارد) برای این محدوده، از صفر که برای مناطق با نفوذپذیری خیلی زیاد است شروع میشود تا ارتفاع 99/0 که شامل کاربریهای با کمترین نفوذپذیری (بیشتر قسمتهای داخل شهر) است ادامه مییابد.
شکل (4) نقشهی ارتفاع رواناب منطقه(به درصد)
بحث و نتیجهگیری
دامنهی خساراتی که وقوع سیل میتواند به یک منطقه تحمیل کند به حدی وسیع و مهم میباشد که مطالعهی سیل را از دیرباز مورد توجه قرار داده و اکنون نیز از اهمیت آن کاسته نشده است. از سوی دیگر پیشبینی و مدیریت سیل میتواند در کاهش خسارات مؤثر واقع شود. روشهای متفاوتی برای برآورد پتانسیل سیل ارائه شده است که بیشتر متناسب با شرایط و دادههای اطلاعاتی هر منطقه میباشد. یکی از کارآمدترین روشها از سوی سازمان حفاظت خاک آمریکا پیشنهاد شده است که از جمله برای حوضههای فاقد آمار به فراوانی مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش از اطلاعات رطوبت خاک، نوع کاربری و بارش منطقه استفاده شده و پتانسیل ارتفاع رواناب پیشبینی میشود. در مطالعهی حاضر نیز سعی شد در چارچوب روش SCS میزان بارش مازاد در محدودهی شهر مشکینشهر و حوضه پیرامونـی (شکل 1) مـحاسبه و پتانسیل سـیلخیزی منطقه بـه صورت نقشهی پهنهبندی شده ارائه گردد. با وجود اختلاف شدید نوع کاربری در داخل شهر و مناطق حاشیهای (شکل 2)، محاسبه دستی ضریب رواناب برای هر کاربری ناممکن بود، بنابراین برای محاسبه و به تصویر کشیدن اطلاعات از قابلیتهای نرمافزار GIS Arc استفاده شد؛ لایههای اطلاعاتی گروه هیدرولوژیکی خاک و کاربری اراضی با الحاقیه ArcCN-Runoff در محیط GIS تلفیق شدند و فاکتور شمارهی منحنی (CN) برای محاسبهی ارتفاع رواناب با روش SCS به دست آمد. در ادامه با جایگذاری میانگین بارش 19 ساله منطقه و دادههای CN در فرمول SCS(رابطهی 1) ارتفاع رواناب حاصل شد. با پهنهبندی خروجی CN (شکل 3) و ارتفاع رواناب (شکل 4) به صورت نقشهی طبقهبندیشده در چند کلاس، مشاهده و تفسیر پتانسیل سیلخیزی محدوده به راحتی امکانپذیر شد. مقایسهی دو نقشهی مذکور (شکل 3 و 4) با نقشهی کاربری اراضی نشان داد که هر دو در ارتباط مستقیم با نوع کاربری اراضی میباشند؛ به طوری که در هر منطقهای با کاربریهای نفوذناپذیر ارزش عددی CN بالاتر است، بخصوص در مناطق داخلی شهر، شمارهی منحنیهای بالاتر از 80 بیشتر دیده میشود. برعکس در مناطق حاشیهای شهر که باغ، فضای سبز و به طور کلی مناطق نفوذپذیر را شامل میشود، شمارهی منحنیهای کمتری وجود دارد. با وجود ارتباط و همبستگی مثبتی که CN با ارتفاع رواناب دارد، با فرض میانگین بارش مساوی در منطقه، مناطق با CN بالاتر درصد رواناب بیشتری نیز تولید میکنند، در مناطق داخلی شهر این میزان به بالاترین حد خود رسیده و ضریب رواناب بالاتر از 7/0 و حتی 99/0 به وضوح مشاهده میشود (شکل 5).
در این مطالعه از سویـی دیـگر با توجه بـه قابلیت نرمافـزارهای ArcGIS (آمادهسـازی و تـجزیه و تـحلیل اطـلاعات)، Arc-Hydro (ایـجاد مرز حوضـه و زیرحوضهها، تعیین مسیر آبراههها، و...)، و ArcCN-Runoff (تلفیق اطلاعات، تعیین CN، محاسبهی ارتفاع رواناب) عملیات مربوط به محاسبهی ارتفاع رواناب مازاد و تعیین شمارهی منحنی در مقایسه با روشهای دستی با دقت و سرعت بیشتری انجام شد که این امر میتواند در فرآیندهای مدیریتی و تصمیمگیری برای مقابله و پیشبینی سیلاب در حوضههای آبخیز و در مناطق شهری توسط متولیان امر بیش از پیش مورد استفاده قرار گیرد.
)