کاربرد GIS در هیدرولوژی (قسمت اول)

سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) به ابزاری مفید و مهم در هیدرولوژی (hydrology) و برای هیدرولوژیست ها در مطالعه علمی و مدیریت منابع آب تبدیل شده است. تغییرات آب و هوا و تقاضاهای بیشتر بر روی منابع آب نیازمند آگاهی بیشتری از یکی حیاتی ترین منابع ما یعنی آب است .همانطور که هر هیدرولوژیستی می داند، آب به طور مداوم در حال حرکت است. از آنجا که ظهور آب در طول چرخه هیدرولوژیکی (hydrologic cycle) از جهت فضایی و زمانی تغییر می کند، مطالعه تغییرات آن با استفاده از GIS امری کاملا عملی است. سیستم های GIS قبلا عمدتا کار آن ها نمایش جغرافیایی از عوارض هیدرولوژیکی بود. امروزه، GIS به طور فزاینده ای پویا شده، و شکاف میان داده های تاریخی و داده های کنونی از واقعیت های هیدرولوژیکی را کاسته است.

در چرخه اصلی آب، ورودی برابر با خروجی به اضافه یا منهای مقدار تغییر در ذخیره سازی است. هیدرولوژیست ها در زمان مطالعه حوضه های آبخیز (watershed) از یک بودجه هیدرولوژیکی استفاده می کنند. حوضه آبخیز یک منطقه فضایی است و وجود آب در سراسر فضای آن با گذشت زمان تفاوت می کند. در بودجه هیدرولوژیکی، ورودی هایی مانند بارش (precipitation)، جریان های سطحی به درون حوزه ، و جریان آبهای زیرزمینی به درون حوزه وجود دارند. خروجی ها نیز تبخیر و تعرق (evapotranspiration)، نفوذ (infiltration)، رواناب (runoff) سطحی، و جریان آبهای سطحی / زیرزمینی به بیرون هستند. همه این مقدارها، از جمله مقدار ذخیره سازی، می تواند اندازه گیری و یا تخمین زده شود، و ویژگی های آن ها نیز می تواند به صورت گرافیکی در GIS نمایش داده شده و مورد مطالعه قرار گیرد.

به عنوان زیر مجموعه ای از هیدرولوژی، هیدروژئولوژی (hydrogeology) با بروز، توزیع، و حرکت آبهای زیرزمینی سروکار دارد. علاوه بر این، hydrogeology با شیوه ای که در آن آب های زیرزمینی ذخیره می شود و نحوه در دسترس بودن این آب ها نیز در ارتباط است. ویژگی های آبهای زیرزمینی به آسانی می تواند ورودی GIS برای مطالعات بیشتر و مدیریت منابع آب باشد. از آنجا که 98 درصد از آب شیرین موجود در جهان آبهای زیرزمینی است، لازم است تا نگاه دقیق تری به نحوه آرایش و صورت بندی آن داشته باشیم.

کاربرد جی.آی.اس (GIS) در مدیریت منابع آب های سطحی
برای دسترسی به داده های گذشته و حال حاضر از منابع آب های سطحی می توان از اینترنت استفاده نمود. در GIS لایه هایی هستند که موقعیت آبراهه ها، گیج های اندازه گیری و یا سایت های اندازه گیری و کنترل را نشان می دهند. همچنین این امکان وجود دارد تا داده های سنجش از دور (Remote Sensing) نیز به GIS لینک شوند. داده های تاریخی و داده های آنی را می توان از USGS در شکل ارتفاع گیج و میزان جریان آبراهه ها یا تخلیه آب در واحد فوت مکعب در ثانیه اخذ نمود. در GIS، این امکان وجود دارد که با لینک مستقیم، از طریق اینترنت به اطلاعات در زمان واقعی دسترسی پیدا کرد. منابع دیگری از داده ها نیز برای اطلاعات مربوط به سیل و کیفیت آب از طریق سرویس ملی آب و هوا (NWS) و آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده آمریکا (EPA) قابل دسترس و استفاده هستند. همه این داده ها برای تجزیه و تحلیل در GIS حاضر هستند، و نمایشی فضایی از آنچه در قالب جدول است ارائه می کنند.
توانایی GIS بیشتر در نمایش داده های مکانی (Spatial) است تا داده های زمانمند (Temporal). توسط GIS، برای مثال نرم افزار ArcGIS ، می توان حوزه آبریز (watershed) را تعیین و ترسیم کرد. داده های مدل رقومی ارتفاع (DEM) به وسیله داده های هیدروگرافی طبقه بندی می شوند تا بدین وسیله مرزهای حوضه تعیین شود. تعیین حوزه به هیدرولوژیست ها یا مدیران منابع آب کمک می کند تا بفهمند رواناب (runoff) حاصل از بارش (precipitation) و ذوب برف در نهایت در کجا تخلیه خواهد شد. در مورد ذوب برف، پوشش برف ممکن است از ایستگاه زمینی و یا از طریق سنجش از دور تعیین شده و به عنوان ورودی به سیستم GIS وارد شود تا مقدار آب در دسترس برای استفاده در شهرها، استفاده در کشاورزی، و استفاده در زیستگاه های محیط زیست تعیین و یا پیش بینی شود.
یکی دیگر از کاربردهای مفید GIS مربوط به بارش است، اما در مورد بقیه داده های هیدرولوژیکی (تبخیر و تعرق، نفوذ، و آبهای زیرزمینی) نیز قضیه به همین ترتیب است. بارش یک رویداد منطقه ای است که با استفاده از داده هایی که در موقعیت های نقطه ای اخذ شده اند اندازه گیری می شود. مشکل استفاده از داده های نقطه ای در برونیابی (extrapolation) این اندازه گیری های نقطه ای و تشکیل سطح از آن ها نهفته است یکی از روش های مفید در برونیابی داده ها، ساخت چند ضلعی های Thiessen است که فاصله و هندسه را از نقاط در یک سطح دو بعدی ارزیابی می کند و محدوده هایی را تعیین می کند که به هرکدام از آن ها مقدار بارش خاصی تخصیص می یابد. نرم افزارهای GIS مانند نرم افزار ArcGIS قادر به ساخت پلیگون Thiessen هستند، و روش های دیگر تعیین بارش برای هر منطقه نیز از طریق GIS قابل اجرا می باشد.
پس از تجزیه و تحلیل و انتخاب داده های هیدرولوژیک که دارای نمایش مکانی هستند، گام بعدی که از لحاظ پیچیدگی نیز در سطح بالاتری قرار دارد عبارت است از نمایش نسخه ای معرف از واقعیت هیدرولوژیکی و احتمالا ادغام آن با یک مدل عددی و یا هر مدل دیگری که به پیش بینی آنچه ممکن است اتفاق بیافتد کمک می کند. مثلا فرض کنید X مقدار بارش باران رخ می دهد. حال سوال این است که رواناب حاصله پس از عبور از یک سیستم آب و هوایی معین چه مقدار خواهد بود؟ یک روش برای انجام این کار اتصال مدل داده GIS به یک مدل شبیه سازی خواهد بود. مدل داده GIS همه عوارض سطحی مربوط به آب به همراه فیلدهایی توصیفی که بیانگر داده های هیدرولوژیکی گذشته و حال است را دارا می باشد. این مدل داده همه داده های لازم برای رسیدن به تصویری که معرف واقعیت هیدرولوژیکی جهت نمایش و تجزیه و تحلیل باشد را در خود دارد. یکی از این مدل های داده که این امر را انجام می دهد ArcHydro است که توسط ESRI و با همکاری مرکز تحقیقات منابع آب (CRWR: Center for Research in Water Resources) در دانشگاه تگزاس ایجاد شده و برای کار در کنار نرم افزار ArcGIS قرار داده شده است. شایان توجه است که بدانیم این مدل داده پیش بینی نمی کند بلکه پیش بینی کار مدل شبیه سازی است که به آرک هیدرو (Arc Hydro) داده می شود. بحث از مدل های شبیه سازی بسیار پیچیده و فراتر از محدوده این نوشته است.
با ترکیب تکنولوژی GIS با داده های هیدرولوژیکی، امکان نمایش، توضیح و تفسیر اثرات تغییر کاربری زمین و پوشش گیاهی در مقیاس حوضه های آبریز مهیا شده است. به عنوان مثال، با فشارهای فزاینده ای که برروی منابع آب وجود دارد تمایلات برای اطلاع از نحوه تاثیر گسترش جنگل بر بازده آبی نیز فزونی سافته است. GIS و سنجش از دور بررسی تغییرات طولانی مدتی که در پوشش جنگل در سراسر ایالات متحده آمریکا رخ داده است را بر اساس عکس های هوایی موجود از اوایل دهه 1930 میسر می سازند. حتی قبل تر از دهه 1930، USGS اندازه گیری سیستماتیک بسیاری از حوضه های آبخیز را در سراسر آمریکا آغاز کرده است. اگر روند پوشش گیاهی در بلند مدت در حوضه های آبریز سنجیده شود، می توان تغییرات دراز مدت پوشش گیاهی را با تغییرات در کاربری اراضی مقایسه آماری کرد تا برای مثال، تعیین کنیم که آیا گسترش جنگل واقعا آنطور که تصور می شود جریان آب های سطحی را کاهش داده است یا خیر. در نتیجه با استفاده از داده های GIS همراه با داده های هیدرولوژی می توان تصمیم گیری مناسبی برای منابع آب داشت؛ تصمیم گیری ای که هزینه های به مراتب کمتری نسبت به روش های سنتی دارد.
کاربرد جی.آی.اس (GIS) در مدیریت منابع آب های زیرزمینی
همانطور که قبلا ذکر شد، 98 درصد از منابع آب های شیرین (منهای یخ های قطبی و یخبندان) که برای استفاده انسان و محیط زیست در دسترس است آبهای زیرزمینی است. در ایالات متحده، در حدود ¼ از منابع آبی که برای مصارف شخصی، تجاری / صنعتی، و آبیاری استفاده می شود از آبهای زیرزمینی می آید. با افزایش مطالبات از منابع آب سطحی، به احتمال زیاد تقاضا برای آبهای زیرزمینی نیز افزایش خواهد یافت. در بعضی از نقاط، این منابع در حال حاضر به شدت مورد بهره برداری، و حتی سوء مدیریت قرار گرفته است. نمونه ای از این قضیه، مساله کاهش سطح آب در حوضه رودخانه Republican River در ایالت های نبراسکا و کانزاس است که در آن پمپاژ بیش از حد آبهای زیرزمینی جهت آبیاری در نبراسکا باعث پایین رفتن سطح آب های در دسترس در پایین دست و در ایالت کانزاس شده است و نتیجه آن طرح شکایتی است که این ایالت در دادگاه علیه نبراسکا اقامه کرده است است. اگر چه جریان آبهای زیرزمینی مثل جریان آب های سطحی آشکار نیست، با این حال آبهای زیرزمینی نیز می تواند به عنوان یک مسئله مکانی در GIS مشخص شده و توسط دانشمندان و مدیران منابع طبیعی مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.
می توان گفت که ارائه تصویری از آبهای زیرزمینی پیچیده تر از نمایش آب های سطحی است. این دو منابع مطمئنا جدا از هم نیستند، زیرا می دانیم که آب های سطحی آبهای زیرزمینی را شارژ می کنند و آبهای زیرزمینی نیز زمانی که جریان می یابد آب های سطحی را تامین می کنند و این از جنبه های مهم چرخه هیدرولوژیکی است. آبهای زیرزمینی بسیار آهسته تر از سطح آب حرکت می کند، تقریبا کمتر از یک متر در هر روز تا شاید صد متر در هر روز، و جریان آن نیز 3 بعدی است. در مقابل، جریان آب های سطحی بسیار سریعتر و دو بعدی است. جریان آب های زیرزمینی، تابعی از زمین شناسی و کل انرژی پتانسیل موجود در یک مکان است. آب های زیرزمینی از ارتفاع بالاتر به ارتفاع پایین تر و در طول مسیر دیکته شده توسط زمین شناسی جریان می یابد. مقدار فشار، خصوصیات زمین شناسی، جهت جریان آب زیرزمینی، حتی ارتفاع جدول آب (water table) و محل آبخوان ها از جمله ورودی هایی است که می تواند به طور مکانی در GIS ارائه شده و برای تجزیه و تحلیل، مدیریت در دسترس بودن آب و کیفیت آب، و فعالیت های کاربری اراضی مورد استفاده قرار گیرد.
مقدار بسیار زیادی داده در مورد چاه ها موجود است مانند موقعیت، عمق آب، چینه شناسی زمین، کیفیت آب ، ویژگی های آبخوان (aquifer)، و الی آخر. این حجم داده ها را می توان در یک سیستم GIS مدیریت کرد و برای نمایش ویژگی های مکانی که برای تجزیه و تحلیل و برنامه ریزی منابع آب مهم هستند، آن ها را دستکاری و کم و زیاد نمود. برای مثال، در یکی از کاربردهای ساده GIS، اثر یک چاه جدید را می توان در آبهای زیرزمینی موجود و آب های سطحی مورد مطالعه قرار داد. تصمیم گیرندگان می توانند نتایج حاصل از این مطالعه را استفاده کنند تا ببینند آیا باید حفاری را ادامه داد یا نه. یکی از کاربردهای مفیدGIS ، مربوط به کیفیت آب در آبهای زیرزمینی است. برای ساخت و ساز/مکانیابی کارخانجات صنعتی، محل های دفن زباله، فعالیتهای کشاورزی، و منابع بالقوه دیگر آلودگی آبهای زیرزمینی، مهم است که بدانید چگونه منابع آبهای زیرزمینی موجود تحت تاثیر قرار می گیرند و یا در معرض تاثیرپذیری خواهند بود. علاوه بر این، در مورد آلودگی آبهای زیرزمینی و نیاز به مهار و پاکسازی از آلاینده، چارچوب موجود از سیستم آبهای زیرزمینی در برنامه ریزی اقدامات بازسازی بسیار با ارزش خواهد بود. جی.آی.اس (GIS) می تواند حلقه نهایی در شبیه سازی مدل آبهای زیرزمینی باشد؛ مدلی که برای جذب کامل آلاینده ها ابداع شده است. مثالی دیگر از کاربرد GIS، مشکل شایعی است که در ارتباط با پمپاژ آب های زیرزمینی و فرونشست زمین و یا تعدی به حریم مناطق ساحلی وجود دارد. مناطقی که بیش از حد پمپاژ آبهای زیرزمینی در آن ها رخ دهد ممکن است فروکش کرده، و هنگامی که در نزدیکی دریا این عمل واقع شود، ممکن است باعث سیل شود. همچنین، پمپاژ بیش از حد آبهای زیرزمینی در مناطق ساحلی ممکن است مشکلات دیگری نیز به ارمغان بیاورد، از جمله مورد کالیفرنیا که در آن نفوذ آب شور باعث به خطر افتادن آبخوان شده بود. به طور کلی، گسترش آب شور از ساحل در زیر سطح زمین بستگی به فاصله از ساحل دارد. پمپاژ بیش از حد آبهای زیرزمینی می توانند آب شور را به موقعیتی بالاتر بکشاند و آبخوان را آلوده سازد. مطالعه دقیق و مدیریت آبهای زیرزمینی در GIS و یا با داده هایی که در GIS مدل شده اند می تواند از این مشکلات جلوگیری کرده یا آن ها را کاهش دهد.

کتاب آموزش جامع و عملی ArcGIS مقدماتی و پیشرفته/ همراه با داده های تمرینی و نرم افزار
مولفان سعید جوی زاده/ منیژه براهیمی / مسلم شمشیری/ میلاد قمرزاده
انتشارات آکادمیک
تلفن تماس سفارش کتاب: 09382252774
وبسایت آموزشی: www.gisland.org
لینک سفارش کتاب: https://ketabpage.ir/shop/