کلید واژه ها
ضریب رواناب بالقوه (PRC) ، GIS ، سنجش از دور ، گروه هیدرولوژیکی خاک (HSG) ، مدل رقومی ارتفاعی (DEM) ، کاربری اراضی
1. مقدمه
در مناطق خشک، کمبود داده های مورد نیاز برای فرآیندهای هیدرولوژیکی وجود دارد که توسط [ 1 ] ذکر شده است. در این مناطق سیل ناگهانی رخ داده و هم انسان و هم زیرساخت ها را تحت تاثیر قرار می دهد. روش موثر برای کاهش خسارات ناشی از سیل، پیشبینی مکانهای بحرانی متاثر از سیل ناگهانی برای هواپیماهای مدیریتی است. بخشی از بارندگی که به دلیل کاربری زمین و پارامترهای هیدرولوژیکی خاک به رواناب تبدیل می شود به عنوان ضریب رواناب [ 2 ] تعریف می شود. همچنین ممکن است به عنوان نسبت بین عمق رواناب و عمق بارندگی تعریف شود [ 3 ]. محاسبه منطقی رواناب حاصل از بارندگی کلید برآورد سیل است [ 4 ] [ 5 ]] . تعریف رابطه بارش-رواناب منجر به محاسبه خواص سیل مانند عمق رواناب، دبی اوج، سرعت رواناب و حجم رواناب می شود. استخراج ویژگی های سیل برای برنامه ریزان و تصمیم گیرندگان برای جلوگیری از اثرات مخاطره سیل مهم است. هنگامی که سوابق داده های دبی سیلاب از دست می رود، رویکردهای زیادی برای تخمین عمق و حجم رواناب بر اساس ویژگی های خاک و سطح حوضه وجود دارد. این رویکردها را می توان در سه گروه خلاصه کرد، مدل های ساده، متوسط و پیچیده همانطور که توسط [ 4 ] بیان شد. عدد منحنی (CN) یکی از مدلهای همدستی متوسط است و به طور گسترده برای تخمین سیل استفاده میشود. مدل CN توسط وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA)، خدمات حفاظت از منابع ملی (NRSC) در سال 1969 توسعه یافت [ 6 ]] . این یک مدل تجربی با مفروضات به وضوح بیان شده و نیازهای کمی داده است [ 7 ]. CN یک روش مفهومی پایدار برای پیشبینی عمق رواناب مستقیم با استفاده از شدت بارش طوفان، کاربری زمین و ویژگیهای هیدرولوژیکی خاک یک حوضه است.
تصاویر سنجش از دور منبع اصلی دادههای مکانی بهویژه برای مناطق وسیع یا زمانی که بررسیهای زمینی در دسترس نیست در نظر گرفته میشوند. آنها می توانند برای تهیه نقشه های کاربری زمین، خاک و زمین شناسی مورد نیاز برای برآورد سیل استفاده شوند. سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) یک ابزار قدرتمند در مدلسازی هیدرولوژیکی به دلیل توانایی آن در مدیریت حجم زیادی از داده های مکانی و ویژگی است. ترسیم حوضه های آبریز، همپوشانی و تحلیل نقشه که از اصول اولیه نرم افزار GIS است، به استخراج و تجمیع پارامترهای هیدرولوژیکی از داده های ورودی مانند DEM، نقشه خاک، نقشه کاربری اراضی و داده های بارندگی کمک می کند. تصاویر سنجش از دور (RS) و تکنیکهای سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) در مطالعات خطر سیل توسط بسیاری از محققین مورد استفاده قرار گرفتهاند، به عنوان مثال [ 8 ] – [ 18 ].
هدف اصلی این مقاله، تعیین ضریب رواناب بالقوه برای جده، عربستان سعودی با استفاده از مدل CN و با استفاده از تکنیکهای سنجش از دور و GIS است.
2. منطقه مطالعه
جده دومین شهر اصلی عربستان سعودی است. این در میانه ساحل شرقی دریای سرخ است و نشان دهنده بندر مهم تجاری است. جمعیت آن بر اساس (اداره مرکزی آمار و اطلاعات 2010) بیش از 3.4 میلیون نفر است که با نرخ رشد سالانه 3.5 درصد، جمعیت آن از 4.2 میلیون نفر فراتر می رود. وضعیت آب و هوای آن به عنوان گرم طبقه بندی می شود. شدت بارندگی 80 و 124 میلی متر در روز به ترتیب در نوامبر 2009 و ژانویه 2011 به جده رسید که توسط [ 19 ] ذکر شد. مرجع [ 20 ] اشاره کرد که این سیلاب های گاه به گاه نمونه هایی از وقوع سیل ناگهانی هستند که با مدت زمان کوتاه و نتایج مخرب مشخص می شوند. حوضه ای که شهر را تحت تاثیر قرار داده است، همانطور که در ( شکل 1 نشان داده شده است) بین (21˚15′ شمالی، 21˚50′ شمالی) و (39˚0’E، 39˚35’E) واقع شده است.).
شکل 1 . موقعیت منطقه مورد مطالعه.
3. داده ها و روش
دادههای بارندگی موجود برای جده از دو ایستگاه بارانسنجی J134 که توسط وزارت آب و برق (MOWE) و 41024 (ایستگاه فرودگاه) که توسط ریاست هواشناسی و محیطزیست (JMPE) اداره میشود، است [ 21 ]. داده ها نشان دهنده مشاهدات ثبت شده برای یک دوره 42 ساله از ژانویه 1971 تا دسامبر 2012 است. هیچ داده ای برای سال های اخیر در دسترس نبود. حداکثر بارندگی روزانه سالانه برای دو ایستگاه در ( شکل 2 ) نشان داده شده است). تصویر ماهواره ای با وضوح بالا SPOT5 (چند طیفی 2.5 متر) از شهر ملک عبدالعزیز برای علم و فناوری (KACST) به دست آمد و از نقشه کاربری اراضی تولید شد. داده های توپوگرافی با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) ماموریت توپوگرافی رادار شاتل (SRTM) به دست آمد و برای استخراج داده های شیب و شبکه جریان استفاده شد. داده های خاک با استفاده از نقشه کلی خاک عربستان، وزارت کشاورزی و آب 1986 به دست آمد.
روش مورد استفاده برای تعیین ضریب رواناب بالقوه برای منطقه مورد مطالعه با استفاده از سنجش از دور و GIS در نمودار جریان در ( شکل 3 ) نشان داده شده است. با اسکن و ارجاع جغرافیایی نقشههای خاک با استفاده از ArcMap 10.4 شروع میشود، چند ضلعیهای خاک دیجیتالی شدند و هر نوع خاک به یک گروه خاک هیدرولوژیکی (HSG) بر اساس [ 22 ] اختصاص داده شد. ابزار طبقه بندی تصاویر در ArcMap 10.4 برای طبقه بندی و تبدیل تصویر SPOT به نقشه موضوعی کاربری زمین با استفاده از تکنیک طبقه بندی نظارت شده استفاده شد. DEM برای تولید نقشه شیب با استفاده از ابزار تحلیل سطح، و برای تولید پارامترهای شبکه جریان و حوضه با استفاده از HEC-GeoHMS استفاده شد. جدول مراجعه تعداد منحنی رواناب بر اساس نقشه کاربری اراضی و [ 22] . سپس همه داده ها روی هم قرار گرفتند
شکل 2 . داده های بارندگی برای دو باران سنج.
شکل 3 . فلوچارت متدولوژی.
محیط ArcGIS برای تولید ضریب رواناب. در نهایت، فرمول های سیل برای محاسبه پارامترهای سیل با استفاده از ماشین حساب میدانی در ArcMap 10.4 اعمال شد.
3.1. تجزیه و تحلیل کاربری زمین
تصویر SPOT (2.5 متر) برای سال 2010 از شهر ملک عبدالعزیز برای علم و فناوری (KACST) به دست آمده است. طبقهبندی نظارتشده با استفاده از امضاهای طیفی جمعآوریشده از نمونههای آموزشی (چند ضلعیهایی که مناطق نمونه متمایز از انواع مختلف پوشش زمین را نشان میدهند) روی تصویر انجام شد. پس از آمادهسازی فایل امضا، طبقهبندیکننده حداکثر احتمال، برچسبهایی را با توجه به پارامترهای آموزشدیده به تمام پیکسلهای تصویر چسباند تا نقشه پوشش زمین تولید شود. نقشه پوشش زمین به شش طبقه اصلی طبقه بندی شد: آب، پوشش گیاهی، سنگ، خاک برهنه، و منطقه ساخته شده همانطور که در ( شکل 4 ) نشان داده شده است.
3.2. تجزیه و تحلیل نوع خاک
نقشه کلی خاک عربستان سعودی منبع داده های خاک مورد استفاده در این مطالعه بود. نقشه کلی خاک اسکن و زمین ارجاع شد سپس انواع مختلف خاک در ArcMap 10.4 دیجیتالی شد. هر نوع خاک به گروه خاک هیدرولوژیکی مناسبی که توسط سرویس حفاظت از خاک ایالات متحده (SCS) توسعه یافته است، اختصاص داده شد. بر اساس SCS، تمام خاک ها بر اساس نفوذپذیری و نفوذ به 4 گروه A، B، C و D تقسیم می شوند. سپس نقشه خاک به گروه های خاک هیدرولوژیکی (HSGs) طبقه بندی شد که در شکل 5 نشان داده شده است.
3.3. تجزیه و تحلیل شیب
سرعت رواناب و فرسایش خاک نسبت مستقیمی با درجه دارد
شکل 4 . نقشه کاربری اراضی.
شکل 5 . نقشه گروه های هیدرولوژیکی خاک
شیب. مدل رقومی ارتفاع (DEM) به دست آمده از SRTM برای تولید نقشه شیب همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است استفاده شد . تجزیه و تحلیل DEM برای حذف سینک ها و مناطق مسطح برای حفظ تداوم جریان به خروجی های حوضه انجام شد. GIS برای آماده سازی DEM با پر کردن نواحی سینک استفاده می شود.
4. ضریب رواناب بالقوه
از آنجایی که سیل ناگهانی در جده با بارندگی بیش از 80 میلی متر و مدت طوفان باران از 3 ساعت تجاوز نکرد، مهم است که تخلیه سیل مورد انتظار دوره های بازگشت را به طور قابل اعتماد برای حفاظت و تحولات آتی برآورد کنیم [ 23 ]. از دادههای بارندگی برای پیشبینی عمق بارندگی در دورههای بازگشت مختلف استفاده شد. در میان بسیاری از توابع چگالی احتمال، مطالعات متعدد تابع Gumbel یا Extreme Value Type I (EV1) را توصیه میکنند زیرا بهترین تناسب را در بیشتر موارد نشان میدهد و بهترین پیشبینی عمق بارندگی را ارائه میدهد. عمق تخمینی بارندگی برای دوره های مختلف بازگشت برای دو ایستگاه باران سنج برای JPME (41024) و J134 در جدول 1 نشان داده شده است.
پارامترهای خطر سیل مانند ذخیره سازی حوضه، عمق رواناب و حجم رواناب محاسبه شد. روش CN معادله (1) برای محاسبه عمق رواناب [ 22 ] استفاده شد.
Q = 2 ( P− 0.2 S) / ( پ+ 0.8 S)Q=2(P−0.2S)/(P+0.8S)(1)
اس= 25400 / Cن– 254S=25400/CN−254(2)
جایی که
Q: عمق رواناب مستقیم (میلی متر)،
شکل 6 . نقشه شیب.
جدول 1 . برآورد بارندگی روزانه (میلی متر) برای دوره های مختلف بازگشت.
P: عمق بارش برای یک دوره بازگشت خاص (میلی متر)،
S: ذخیره حوضه (mm) و با استفاده از رابطه (2) قابل محاسبه است.
CN: عدد منحنی.
حجم رواناب برای زیرحوضه ها برای نشان دادن اثر محلی رواناب و همچنین برای حوضه های اصلی برای نشان دادن حجم کل رواناب محاسبه شد. حجم رواناب را می توان با استفاده از رابطه (3) محاسبه کرد.
Vس= Q ⋅ AVQ=Q⋅A(3)
جایی که
V Q : حجم رواناب (m 3 )،
س: عمق رواناب (متر)،
A: مساحت حوضه (m2 ) .
5. نتایج
مشخصات سیل با استفاده از عمق بارندگی (P) برابر با 106.3 میلی متر برای یک دوره بازگشت 100 ساله همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، محاسبه شد . این ویژگی ها شامل مساحت، طولانی ترین طول جریان و حجم رواناب حوضه های اصلی در حوزه آبخیز جده همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که 7 حوضه اصلی و 5 حوضه فرعی در جده وجود دارد که در ( شکل 7 ) نشان داده شده است. مناطق از
شکل 7 . حوضه ها و نهرهای اصلی.
جدول 2 . پارامترهای مورفومتریک و سیلاب حوضه ها.
محدوده حوضه های اصلی از 59.04 تا 555.5 کیلومتر مربع و طولانی ترین مسیرهای جریان آنها بین 12.7 تا 77.4 کیلومتر است، در حالی که مساحت حوضه های فرعی از 6.9 تا 15.5 کیلومتر مربع و طولانی ترین مسیرهای جریان آنها بین 7.48 تا 10.23 کیلومتر است. حجم کل رواناب بیش از 136 میلیون متر مکعب محاسبه شد.
با داوری ( جدول 2 ) می توان متوجه شد که عمق رواناب (Q) با عدد منحنی نسبت مستقیم و با شیب نسبت معکوس دارد و عدد منحنی تأثیر زیادی بر آن دارد.
روش پیشنهادی استفاده از سنجش از دور و GIS با استفاده از روش CN برای تخمین ضریب رواناب دارای مزایای زیادی نسبت به سایر رویکردها است. در مرحله اول، از یک نرم افزار برای انجام تمام مراحل رویه استفاده می کند. ثانیاً برای محاسبه پارامترهای رواناب فقط تصاویر ماهواره ای، نقشه های خاک و DEM مورد نیاز است. ثالثاً، تمام محاسبات مورد نیاز در محیط GIS با استفاده از محاسبات میدانی انجام می شود. چهارم، میتوان آن را با استفاده از سازنده مدل مدلسازی کرد، بنابراین، فرآیند تخمین پارامترهای رواناب میتواند کارآمد، سریعتر و به راحتی برای چندین سناریو دوره بازگشت و برای هر منطقه انجام شود.
6. نتیجه گیری
این مقاله پژوهشی رویکردی کارآمد برای تعیین دقیق ضریب رواناب بالقوه در شهر جده با استفاده از سنجش از دور و GIS ارائه کرده است. در محاسبه ضریب رواناب و در نتیجه عمق رواناب و حجم رواناب اثرات کاربری اراضی، خصوصیات هیدرولوژیکی خاک، شیب سطحی در نظر گرفته شد. نتایج تحقیق نشان می دهد که حجم کل رواناب برای عمق بارندگی 106.3 میلی متر 136.5 میلیون متر مکعب است . همچنین نتایج نشان میدهد که عوامل اصلی بر حجم کل سیلاب، مساحت حوضه و طول جریان تأثیر میگذارند. علاوه بر این، نتیجه گیری شده است که هر چه مقدار CN و درصد شیب بیشتر باشد، رواناب و خطر سیل بیشتر است.
منابع
بدون دیدگاه