ارزیابی آثار هیدرولوژیک تغییر کاربری بر میزان رواناب سالانه در حوضه آبخیز قره سو با استفاده از مدل (L-THIA)

مقدمه

سیل، حجم عظیمی از آب است که از دبی متعارف رودخانه بیشتر است. در کشور ما وقوع سیل بیش از این که ناشی از بارشهای تند باشد، از بر هم خوردن تعادل طبیعی و شرایط جغرافیایی و فیزیولوژیکی منطقه متأثر است (امیدوار و کیانفر، 1389). یکی از مهم­ترین عوامل مؤثر بر سیل­خیزی یک منطقه افزایش تولید رواناب در آن است. عوامل زیادی در میزان رواناب حاصل از یک بارش تأثیر دارند که از مهم­ترین آنها می­توان به نوع کاربری زمین اشاره کرد. نوع کاربری با آثار مستقیم در سرعت رواناب، میزان نفوذپذیری و زمان تمرکز سیل را کنترل می­کند؛ در این بین تغییر کاربری­ از نوع کشاورزی یا مرتع به کاربری شهری تا مقادیر زیادی بر کاهش کیفیت آب و افزایش میزان رواناب حاصل از بارش تأثیر می­گذارد. افزایش رواناب به واسطه تغییر کاربری می­تواند شاخص خوبی برای تعیین احتمال بالقوه افزایش سیلاب در یک حوضه باشد (پرری و نواز، 2008: 4). تغییر کاربری و پوشش اراضی، بالطبع نتایج هیدرولوژیکی در مقیاسهای محلی، ناحیه­ای و جهانی به همراه دارد (فرج­زاده و فلاح 1387: 89). تأثیرات هیدرولوژیک کاربری اراضی و مدیریت پوشش گیاهی در قالب تغییر در عمق رواناب، دبی حداقل، دبی حداکثر، رطوبت خاک و تبخیر و تعرق آشکار می­شود (سیکا و همکاران، 2003).

افزایش تولید رواناب در یک منطقه خاص، علاوه بر افزایش پتانسیل سیل­خیزی تأثیرات دیگری را نیز به دنبال دارد که از آن جمله می­توان به موارد زیر اشاره کرد: کاهش میزان نفوذپذیری زمین در نتیجه افت سطح آبهای زیرزمینی، افزایش قدرت تخریب آب، افزایش قدرت حمل رسوب و خارج از دست­رس شدن خاکهای مناسب، افزایش قدرت حمل رسوب و پر کردن مخزنهای سدها، کاهش کیفیت آب و بسیاری از موارد دیگر. در سالهای اخیر، گسترش سامانه­های پشتیبان تصمیم[1]  (DSS) در قالب مدلها باعث روی آوردن دوباره به GIS[2] به عنوان ابزار تصمیم­گیری شد (غلامعلی­فرد، 1385: 4). زمینه اولیه تصمیم­گیری برای تغییر کاربری، ارزیابی آثار هیدرولوژیکی است که می­تواند شامل تغییر در کاربری کشاورزی یک منطقه یا تبدیل به کاربری­های غیرکشاورزی باشد. برای شبیه­سازی آثار تغییر کاربری یک منطقه یا حوضه آبخیز مدل­های هیدرولوژیکی زیادی وجود دارد که مدل L-THIA یکی از آنهاست و در ایران، تنها در یک مورد در منطقه چالوس و نوشهر اجرا شده است.

منطقه مورد مطالعه این پژوهش بخش­های بالایی از حوضه آبخیز قره­سو، بالاتر از فرودگاه اردبیل را شامل می­شود که از مهم­ترین زیرشاخه­های آن می­توان به هیرچای، سقزچی­چای، نمین چای و سولاچای اشاره کرد. وسعت حوضه مورد مطالعه معادل 1060 کیلومتر مربع و از زیر شاخه­های ارس است (شکل شماره 1). در طی چند دهه اخیر تغییرات زیادی در کاربری زمین در حوضه آبخیز قره­سو به ویژه در دشت اردبیل، در مراتع و ارتفاعات در اثر چرای مفرط و شخم زدن مراتع رخ داده است. شناسایی نقاطی که دچار تغییر کاربری و افزایش رواناب شده­اند و معرفی آنها به­عنوان نقاط بحرانی می­تواند به مدیریت بهتر حوضه و عملیات آبخیزداری در بخش­های بحرانی حوضه آبخیز منجر شود عدم شناخت در بسیاری موارد باعث تصمیم­گیری غلط و گرفتن نتیجه منفی در محیط می­شود.

شکل (1) نقشه موقعیت حوضه در استان اردبیل

در این پژوهش آثار تغییر کاربری 25 ساله (1987-2012) بر میزان رواناب سالانه در حوضه آبخیز رودخانه قره­سو به منظور شناسایی نقاط بحرانی و سیل­خیز و مدیریت بحران­های طبیعی مورد ارزیابی قرار گرفـته ­است. مدلی که برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته، مدل ارزیابی آثار درازمدت هیدرولوژیکی[3] (L-THIA) است. در همین راستا از مهم­ترین کارهای صورت گرفته در زمینه سیل و برآورد رواناب می­توان به موارد زیر اشاره کرد: سلمان ماهینی و همکاران (1391) با استفاده از مدل L-THIA آثار تغییر کاربری را در تولید رواناب در منطقه چالوس و نوشهر بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که در طی 14 سال 3/17 میلیمتر به ارتفاع رواناب سالانه افزوده شده است که معادل 79/7 میلیون متر مکعب رواناب می­شود. بهشتی و مددی (1391) با استفاده از مدل SCS-CN آثار تغییر کاربری در سیل­خیزی را در حوضه رودخانه بالخلو برای بارشهای حداکثر 24 ساعته انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که مساحت پهنه­های پر خطر تا سه برابر افزایش نشان می­دهد. رضوی­زاده و همکاران (1392) در پژوهشی تأثیر تغییرات کاربری زمین را در وقوع سیلاب مورد ارزیابی قرار دادند. بر اساس نتایج شبیه­سازی، به علت تغییرات کاربری اراضی، دبی اوج سیل در سال 1381 نسبت به 1366 کاهش متوسط 17/16 درصدی را نشان می­دهد و روند تغییرات کاربری اراضی منطقه مورد مطالعه به لحاظ سیل­خیزی مثبت ارزیابی شده است.

ویجی سکارا و همکاران (2012) در پژوهشی آثار تغییرات کاربری بر روی فرایندهای هیدرولوژیکی را در حوضه رودخانه البو مورد بررسی کردند. مدل هیدرولوژیکی به­کار رفته در پژوهش نشان داد که جریان آب به مقدار 7 درصد در مناطق بالادست افزایش یافته و یک کاهش 1، 12 و 3/2 درصدی به ترتیب در تبخیر وت عرق، جریان پایه و نفوذپذیری رخ داده است. اوزتورک و همکاران (2013) در پژوهشی تأثیر تغییرات کاربری اراضی را در هیدرولوژی حوضه­های آبخیز روستایی مدل­سازی کردند. نتایج نشان داد که حجم رواناب تولیدی به­شدت با تغییرات زمین از نوع جنگل به کشاورزی در ارتباط است و واکنش کمتری را در زمینهای با کاربری جنگلی دارد. آنها دریافتند که به طور کلی مدل­سازی ابزاری مفید برای ارزیابی تأثیر تغییرات کاربری اراضی بر هیدرولوژی یک است. چاتچایی و همکاران (2013)، در پژوهشی به بررسی تأثیر تغییرات اقلیم و کاربری اراضی در سیلابهای حوضه­های بزرگ حاره­ای پرداختند. مدل شبیه­سازی شده و آنالیزهای حساسیت نشان داد که احتمال عقلی وقوع سیلاب­های حداکثر در محل سد معادل 6311 مترمکعب در ثانیه است که تنها اندکی از سیلاب­های در نظر گرفته شده (6000 مترمکعب در ثانیه) بیشتر است. از دیگر کارها می­توان به پژوهش­های صورت گرفته توسط خلیقی و همکاران (1384)، قهرودی (1385)، غفاری و همکاران (1388)، یاراحمدی و نیکجو (1391)، ونگ و همکاران (2005) و کادن و همکاران (2006) یانگ و همکاران (2008)، اشاره کرد.

بررسی و جمع­بندی تحقیقات صورت گرفته با مدل فوق، نشان­دهنده رویکردی جدید در بررسی نحوه­ تأثیر تغییر کاربری بر مقادیر رواناب و برآورد رواناب سالانه در مقیاس حوضه است به گونه­ای که در کشورمان تنها یک مورد با استفاده از این مدل در منطقه چالوس و نوشهر صورت گرفته است و نمونه موردی دیگری وجود ندارد.

مواد و روشها

مدل استفاده شده در این پژوهش L-THIA است. مدل فوق ابزار مناسبی برای کمک به سنجش آثار بالقوه­ تغییر کاربری بر رواناب سطحی و آلودگی آب است (سلمان ماهینی، 1391) با این مدل می­توان مکانهای مناسب برای یک کاربری خاص را شناسایی نمود تا بتوان از این طریق آثار موجود بر محیط زیست را به حداقل رساند (حسین­نیا. 1387: 45). هسته اصلی این مدل بر مبنای روش شماره منحنی (CN) سازمان حفاظت خاک آمریکا  (SCS) است. مقادیر CN را بین 100-0 بیان می­نماید که در آن مقادیر بالا به کاربریهای شهری و مقادیر پایین برای مناطقی با نفوذپذیری بالا مثل تالابها و مراتع با تراکم پوشش گیاهی بالا تعلق می­گیرد. در واقع استفاده از CN در L-THIA یک جای­گرین ساده و مناسب برای مدل­های هیدرولوژیکی پیچیده­ای است که به داده­های زیادی نیاز دارند و اغلب برای بیشتر مناطق در دست­رس نیست (تانگ و همکاران، 2005: 43).

یکی از مزایای L-THIA عدم نیاز به کالیبراسیون مدل با داده­های واقعی منطقه است. در این سامانه مقادیر CN پیش­فرض برای کاربری­ها و ترکیب گروه­های هیدرولوژیکی خاک آماده شده است. همچنین دامنه­ای از مقادیر CN  برای هر کاربری و ترکیب گروه هیدرولوژیکی وجود دارد که وابسته به شرایط رطوبت پیشین خاک، تیپ پوشش و مدیریت سرزمین است. کالیبراسیون مدل به صورت خودکار با استفاده از ترکیب­های مختلف CN پیش­فرض موجود در L-THIA GIS صورت می­پذیرد و به این دلیل مورد توجه سیاست­گذارانی است که می­خواهند پیامدهای مدیریت بحران را شناسایی نموده و آثار نامطلوب آن را اصلاح نمایند (پرری و نواز، 2008: 10). شکل شماره 2 نحوه اجرای مدل را نمایش می­دهد.

شکل (2) اجرای مدل L-THIA

با توجه به مدل ارائه شده در بالا وجود لایه کاربری زمین و گروه­های هیدرولوژیکی خاک از موارد ضروری برای اجرای مدل است. برای تهیه نقشه کاربری زمین در دو دوره مختلف (سالهای 1985و 2012) از تصاویر سنجنده­های ETM و TM ماهواره لندست در سالهای 1985 و 2012 استفاده شده­است. با توجه به هدف پژوهش که بررسی تأثیر تغییرات کاربری اراضی بر تولید رواناب است برای سالهای 1987 و 2012 به طور جداگانه با استفاده از تصاویر ماهواره­ای لایه کاربری زمین تهیه شد تا در مدل­سازی مورد استفاده قرار گیرد. برای انجام این کار تـصاویر پس از آماده­سازی وارد مـحیط نـرم­افزار ENVI شـدند و با استفاده از روش طبقه­بندی نظارت نشده لایه کاربری زمین تهیه شد. لایه بعدی مورد استفاده شاخص پوشش گیاهی NDVI است که با استفاده از باندهای قرمز و مادون قرمز تصاویر ماهواره­ای در محیط نسخه 10 نرم­افزار Arc Map تهیه و با لایه کاربری زمین ترکیب شد تا طبقه­بندی کاربری اراضی به صورت مناسب­تری انجام گیرد. با ترکیب لایه NDVI و لایه کاربری، در نهایت لایه­های کاربری اراضی در هفت طبقه کاربری طبقه­بندی شدند (شکل 3 و 4) که اطلاعات مربوط به هرکدام در جدول شماره 1 ارائه شده است.

شکل (3) لایه کاربری زمین در سال 1987

شکل (3) لایه کاربری زمین در سال 1987

طبق اطلاعات جـدول بیشترین مساحت منطقه را در هر دو دوره زمانی کاربـری نوع کشاورزی تشکیل می­دهد. در رتبه بعدی زمینهای مرتعی با تراکم کمتر از 50 درصد قرار دارند که جزو مراتع فقیر و آسیب­پذیر محسوب می­شوند.

جدول (1) مساحت کاربری زمین

از لایه­های دیگری که در این مدل مورد استفاده واقع شده، داده­های مربوط به گروه­های هیدرولوژیکی خاک است. گروه‌های هیدرولوژیکی خاک معیاری است که برای تعیین مقدار رواناب حاصل از بارندگی در یک ناحیه به کار برده می‌شود، خاکهای مختلف توانایی ایجاد رواناب متفاوتی دارند. طبق تقسیم­بندی سازمان حفاظت خاک آمریکا، گروه‌های هیدرولوژیکی خاک‌ شامل چهار گروه A، B، C، D است که هر یک از گروه‌ها به ترتیب دارای پتانسیل تولید رواناب کم، متوسط، نسبتاً زیاد و زیاد است. به طور کلی شدت نفوذپذیری از گروه A بـه سمت گروه D کاهش مـی­یابد (بهشتی جاوید، 1390: 106). برای تـهیه این لایه از نقشه گروه­های هیدرولوژیکی خاک حوضه رودخانه قره­سو (مهندسان مشاور بوم آب، 1376) استفاده شده است. شکل شماره 4 نقشه گروه­های هیدرولوژیکی حوضه را نشان می­دهد. در جدول شماره 2 درصد مساحت هر کدام از این گروه­ها نشان داده شده است. طبق اطلاعات جدول هیدرولوژیکی A (با نفوذ پذیری بالا) با 37 درصد بیشترین بخش حوضه را در بر می­گیرد.

شکل (4) نقشه گروه­های هیدرولوژیکی خاک حوضه رودخانه قره­سو

جدول (2) مساحت گروه­های هیدرولوژیکی خاک به درصد

داده­های بارش

در مدلL-THIA  داده­­های سالانه بارش به­صورت بارش­های مجزا مورد استفاده قرار می­گیرد. با توجه به این امر لازم است برای ایستگاه­های باران­سنجی مورد نظر داده­های بارش به صورت روزانه تهیه شود. چهار ایستگاه باران­سنجی در مـحدوده حوضه وجود دارد (اردبیل، بیله­ورق، جعفرلو و فولادلو) با توجه به دوره آماری ثبت شده در آنها، سال­های 1994 تا 2007 به عنوان دوره آماری مشترک در نظر گرفته شده­اند. پس از آماده­سازی داده­های بارش روزانـه به جهت استفاده در مدل، داده­ها وارد مـحیط نرم­افزار Excel شـدند. پـس از تهیه لایه­های مذبور (آمار بارش روزانه، کاربری زمین و گروه­های هیدرولوژیکی خاک)، داده­ها در محیط نرم­افزار ARCMAP با استفاده از نرم­افزار تخصصیL-THIA  مدل­سازی شدند و در نهایت نقشه نهایی منطقه برای دو دوره 1987 (با استفاده از کاربری سال 1987) و 2012 (با استفاده از کاربری سال 2012) به دست آمد که ارتفاع رواناب سالانه را در بخش­های مختلف حوضه نشان می­دهد (شکل شماره 5 و 6). در ادامه با استفاده از همین نقشه­ها مقدار حجم رواناب تولیدی در واحد سطح و نیز سطح کل حوضه محاسبه شد.

شکل (5) نقشه حجم رواناب تولیدی در سال 1987

شکل (6) نقشه حجم رواناب تولیدی در سال 2012

بحث و نتیجه­گیری

با توجه به نقشه­های کاربری زمین و اطلاعات حاصل از آن، تغییرات کاربری اراضی در سال 2012 نسبت به سال 1987در جدول شماره 3 ارائه شده است. هما­ن­طور که جدول نشان می­دهد، درصد تغییرات کاربری­ها در هر طبقه نشانگر افزایش تولید رواناب در منطقه است. بیشترین تغییرات کاربری  با 6/67- درصد مربوط به مراتع با تراکم بیشتر از 75 درصد است. بررسی دو نقشه نشان می­دهد که تغییرات این کاربری در جهت تبدیل به مراتع با تراکم کمتر از 50 درصد و زمینهای کشاورزی بوده است. توسعه مناطق مسکونی مانند شهرها و روستاها از دیگر کاربری­هایی است که دست­خوش بیشترین تحول شده است. مناطق مسکونی به دلیل وجود آسفالت و مواد غیرقابل نفوذ از مناطقی هستند که مقدار تولید رواناب در آنها به بیشترین مقدار خود می­رسد. درصد تغییرات این کاربری در حدود 65 درصد نسبت به دوره قبل افزایش یافته است. در طی دوره زمانی مورد مطالعه حدود 4/23 درصد به مساحت زمین­های کشاورزی افزوده شده است که این توسعه ناشی از تخریب زمین­های مرتعی در نواحی پای کوهی شمال، شمال­شرق و شرق حوضه است. جنگلها از دیگر کاربری­های منطقه هستند. مناطق جنگلی حوضه در واقع ادامه جنگلهای هیرکانی شمال را تشکیل می­دهند. با توجه به این امر گستردگی کاربری در بخش­های شرقی و شمال شرقی حوضه بیشتر از مناطق دیگر آن است. تغییرات رخ داده در این کاربری نیز چشم­گیر است و حدود 1/13 درصد از مساحت این زمینها تخریب شده و از مساحت آن کاسته شده است.

جدول (3) مساحت کاربری زمین در سال­های 1987 و 2012 و تغیرات آنها

تأثیرات این تغییرات کاربری را به خوبی می­توان در نقشه حجم رواناب تولیدی مشاهده کرد. با توجه به اندازه سلول­­های نقشه نهایی (30*30متر) متوسط حجم رواناب در حوضه، با کاربری سال 1987 برابر با 4/59 مترمکعب در سال در سلول است. در نقشه عمق رواناب به دست آمده با استفاده از کاربری سال 2012 مقدار متوسط حجم رواناب در هر سلول به 4/59 مترمکعب افزایش یافته است. این آمار نشانگر افزایش تولید رواناب در بخش­های مـختلف حوضه است. در کل حوضه با توجه بـه افزایش متوسط 8/1 میلی­متری تولید حجم رواناب تولید شده در یک سال به مقدار 86/2 میلیون مترمکعب افزایش یافته است. جدول شماره 4 وضعیت حجم و عمق رواناب تولیدی در حوضه را نشان می­دهد.

جدول (4) وضعیت حجم و عمق رواناب در حوضه

     برای این که بتوانیم تحلیل مناسبی از تأثیرات تغییرات کاربری در بخش­های مختلف حوضه داشته باشیم، حوضه مورد مطالعه را به شش واحد کاری (شش زیرحوضه) تقسیم کردیم. بعد از این مرحله، وضعیت متوسط عمق و حجم رواناب و نیز حجم کل رواناب تولیدی در واحدها را برای هر دو دوره 1987 و 2012 استخراج کردیم (جدول شماره 5). با توجه به آمار استخراجی از بین شش زیرحوضه برخلاف کل حوضه در 2 زیرحوضه شماره 4 و 5  مقدار حجم رواناب تولیدی به ترتیب به مقدار 44/6 و 7/0 درصد کاهش یافته است. علت این امر ناشی از افزایش سطح زمین­های کشاورزی در منطقه است. به عنوان مثال در حوضه شماره 4 به دلیل قرارگیری بخش وسیعی از آن در منطقه دشت اردبیل، وسعت تمامی کاربری­ها به نفع زمین­های کشاورزی کاهش یافته است به گونه­ای که وسعت زمین­های کشاورزی از 65 درصد در سال 1987 به 84 درصد افزایش یافته است. این تغییرات باعث شده است که تولید رواناب در این زیرحوضه­ها کاهش یابد. شرایط مشابه این تحول را در حوضه شماره 5 نیز می­توان مشاهده کرد. با توجه به این امر تغییرات کاربری این دو زیرحوضه از نظر تولید رواناب و سیل­خیزی در جهت مثبت عمل کرده و از توان سیل­خیزی منطقه کاسته است. در سایر زیرحوضه­­ها به دلیل نوع تغییرات کاربری رخ داده همچون جنگل به مرتع یا مرتع متراکم به مراتع با تراکم کم، مقدار رواناب تولیدی افزایش یافته است. از این رو زیرحوضه شماره 3 با بیشترین تغییرات در تولید رواناب ، بیشترین تأثیر را از تغییرات کاربری زمین دریافت کرده و برای سیل­خیزی شرایط مساعدتری را دارد. جدول شماره 5 خلاصه­ای از شرایط هیدرولوژیکی زیرحوضه­ها را به همراه میزان تغییرات رخ داده در آنها نشان می­دهد.

جدول (5) خلاصه­ای از شرایط هیدرولوژیکی زیرحوضه­ها

نتایج حاصل از مدل در حوضه نشانگر افزایش متوسط 8/1 میلی­متری تولید رواناب است. این امر سبب افزایش 86/2 میلیون مترمکعبی حجم رواناب در منطقه شده است. تغییرات کاربری عمدتاً در جهت افزایش مناطق مسکونی، کاهش سطح زمینهای جنگلی و مراتع بوده است. در برخی از مناطق مثل دشت اردبیل به دلیل تبدیل مراتع به زمین کشاورزی تغییر کاربری در جهت مثبت عمل کرده و باعث افزایش نفوذپذیری زمین و متقابلاً کاهش تولید رواناب در این بخش از منطقه شده است. نتایج به دست آمده از تحقیق با نتایج پژوهش محققانی مانند سلمان ماهینی و همکاران (1391)، انجل[4] و همکاران (2003)، سعادتی و همکاران (1385) و غفاری و همکاران (1388) هم­خوانی دارد.

نتایج به دست آمده از مدل­سازی صورت گرفته بیانگر قابلیت بالای آن در ارزیابی تأثیرات کاربری زمین در شرایط هیدرولوژیکی حوضه است. ترکیب مدل فوق با مدلهای ارزیابی و هیدرولوژیکی جدیدتر می­تواند تا درجه زیادی بر دقت و صحت نتایج بیفزاید. نتایج این مدل اتفاقات رخ داده در سال مشخصی را پیش­بینی نمی­کند بلکه یک بینش کلی نسبت به آثار هیدرولوژیکی بلندمدت نسبی، حاصل از سناریوهای کاربری­های مختلف را ایجاد می­کند (پاندی[5] و همکاران، 2000: 6). نتایج به دست آمده از پژوهش مذکور را می­توان در جهت مدیریت سیلاب، شناسایی پهنه­های سیل­خیز و مدیریت کاربریها به کار برد. همچنین می­توان نتایج را در جهت الویت­بندی زیرحوضه­ها برای انجام اقدامات آبخیزداری در بخش­های آسب­پذیر کاربردی کرد.