پهنه‌بندی پتانسیل سیل‌گیری با استفاده ازمدل‌ منطق فازی در محیط GIS (مطالعه موردی حوضه رودخانه خیاوچای مشکین شهر)

مقدمه

سیل به حجم عظیمی از آب اطلاق می­شود که بیش از دبی متعارف رودخانه باشد. در کشور ما وقوع سیل بیش از آن­که ناشی از بارش­های تند باشد در رابطه با برهم خوردن تعادل طبیعی و شرایط جغرافیایی و فیزیولوژیکی منطقه می­باشد (امیدوار، کمال، 1389). مجموعه عواملی در طبیعت هستند که باعث می­شوند جریان رودخانه از آن حالت طبیعی و تعادل خود خارج شده و به یک عامل مخرب تبدیل شود. از مهمترین آنها تبدیل اراضی، تخریب پوشش گیاهی، درجه اشباع شدن خاک، تجاوز به حریم رودخانه­ها، شدت بارندگی، شیب و نفوذپذیری حوضه می­باشد (یمانی، عنایتی، 1384). در مواقعی که رودخانه نتواند رواناب تولید شده در حوضه را به­خوبی انتقال دهد شرایطی پیش می­آید که آب به زمین­های پیرامونی سرریز می­شود و سیل رخ می­دهد. هر قسمتی از حوضه پتانسیل معینی را در تولید رواناب و سیل دارد. پهنه­بندی پتانسیل سیل­گیری روشی است که با در نظر گرفتن این ویژگی­ها و همچنین میزان تولید رواناب در هر بخش، حوضه را بر اساس توان سیل­گیری پهنه­بندی می­کند.

با توجه به رژیم بارشی کشور، بارش‌های رگباری و نیز ذوب برف‌های زمستانه پدیده سیل و پیامدهای ناگوار آن را در مقیاس­های مختلف مشاهده می­کنیم. حوضه مورد مطالعه در ارتفاعات سبلان قرار گرفته ­است­ که بارش­هایی تا 600 میلی­متر را دریافت می­کند. وجود همین امر در محدوده و نیز با توجه به وسعت و توپوگرافی حوضه رودخانه خیاوچای که توان رواناب دارد و همچنین تولید بالایی را در تولید تبدیل کاربری­های زمین از مرتع به کشاورزی و از بین رفتن پوشش گیاهی،  زمینه مناسبی را برای تشدید سیلاب‌ها فراهم کرده است. قرارگیری روستاها و همچنین زمین‌های کشاورزی در حریم این رودخانه و از همه مهم‌تر عبور آن از شهر مشکین شهر در انتهای حوضه لزوم بررسی اجمالی در رابطه با تولید رواناب در منطقه را توجیه می­کند.

روش‌های مختلفی برای تعین میزان رواناب و پهنه­بندی پتانسیل ­سیل­گیری وجود دارد. اکثر این روش‌ها بر پایه روش‌های نموداری و استفاده از فرمول‌های تجربی، تحلیل آماری داده های سیلاب، تفکیک حوضه به تعدادی زیرحوضه، داده­های دورسنجی و GIS می­باشد. در این مطالعه از روشی به نام مدل فازی استفاده شده است که برای اولین بار توسط پرفسور لطفی­زاده در سال 1965 دررساله­ای به نام (مجموعه­های فازی -اطلاعات و کنترل) معرفی شد. در تئوری کلاسیک مجموعه­ها، یک عنصر یا عضو مجموعه است یا نیست  (صفر و یـک) تـئوری مجموعه­های فازی این مفهوم را گسترش داده و عضویت درجه­بندی شـده را مـطرح می­کند. به این ترتیب که یک عنصر می­تواند تا درجاتی، و نه کاملاً، عضو یک مجموعه باشد. به بیان دیگر یک مجموعه فازی، مجموعه­ای از عوامل با ویژگی­های مشابه است که در آن، مجموعه درجه­ای مشخص از صفر تا یک دارد. صفر به معنی عدم عضویت و یک به معنی عضویت کامل است (دومان و همکاران[1]، 2006).

برای این­که بتوانیم لایه­ها را در مدل فازی مورد استفاده قرار دهیم لازم است ابتدا تک تک لایه­ها با توجه به هدف مورد نظر بر اساس توابع عضویت، فازی سازی شوند. با داشتن توابع فازی می­توان با استفاده از برخی از توابع موجود در نسخه 10 نرم­افزار ARC GIS و یا به صورت فرمول نویسی در تحلیل­گرRasterCalculator لایه­ها را به­صورت لایه­های استاندارد شده در بازه ارزشی صفر تا 1 قرارداد. لایه­های وکتوری و پلیگونی نیز بدون نیاز به تابع با دادن کدهای بین صفر تا 1 و تبدیل به لایه رستری به حالت فازی تبدیل می­­شوند. هر کدام از این لایه­ها به تنهایی با توجه به ضابطه و نوع تابعی که برای آن در نظر گرفته شده است محدودیت و امکان سیلگیری را تعیین می کنند.

مطالعات بسیاری در ارتباط با سیلاب در سطح ایران و جهان صورت گرفته است، که از جمله می­توان به کارهای انجام شده به­وسیله وندرسن^[2] و همکاران (2003) اشاره کرد که با طبقه­بندی تصویر ماهواره­ای IKONOS-2 خطر و خسارات سیلاب با استفاده از مدل LISFLOOD در بخش­های جنوبی هلند طبقه­بندی نمودند. تأثیر حرکت سیلاب­ها در مراحل مختلف و بر اساس مدت زمان سیلاب بر روی توزیع پوشش گیاهی در حوضه آمازون به­وسیله مارتینز^[3] و همکاران (2007) با کمک تصاویر ماهواره­ای مورد بررسی قرار گرفته است. تأثیر داده­های توپوگرافیکی، پیکر بندی ژئومتریک و انواع روش­های مدل­سازی بر روی نقشه­کشی طغیان سیلاب به­وسیله کوک^[4] و همکاران (2009) مورد بررسی قرار گرفته است. باید افزود، در کنار مطالعات فوق کارهای دیگری در زمینه سیلاب به­وسیله افرادی چون سیناکودن[5]، بالدازارر[6] و همکاران، مرواده[7] و همکاران و والسکی[8] در سطح جهان انجام گرفته است. در ایران نیز کارهای بسیاری در زمینه سیلاب انجام شده که از جمله می­توان به کارهای زیر اشاره نمود: وهابی (1376) جهت مدل­سازی سیلاب از نرم­افزار HEC-1 و برای براورد سیلاب از روش CN است. قنواتی (1382) نیز جهت شناسایی عوامل مختلف هیدروژئومورفولوژیکی مؤثر برسیلاب در حوضه گاماسیاب از پارامترهای مورفومتریک حوضه بهره برده است. همچنین حسین­زاده و همکاران (1386) تأثیر گسترش شهر مشهد بر الگوی زهکشی طبیعی و تشدید سیلاب­های شهری را مطالعه کرده­اند و به این نتیجه رسیده­اند که گسترش شهر به­طور مستقیم و غیرمستقیم موجب تشدید سیل­خیزی در این شهر گردیده است. امیراحمدی و همکاران (1388) با استفاده از روش شبیه­سازی هـیدرولوژیکی HEC-HMS سیلاب را در دشت کرون مورد بررسـی قرار داده­اند. نـتایج نشان می­دهد که مشارکت زیرحوضه­ها در سیل خروجی لزوما متناسب با دبی اوج زیر حوضه­ها نمی­باشد. علاوه بر موارد فوق فرج­زاده و همکاران (1387)، ساعد (1387) مطالعاتی را بر روی پهنه­بندی و برآورد سیلاب انجام دادند. بنابر مطالعات انجام شده و قرار گرفتن شهر مشکین­شهر در پایین دست این حوضه و همچنین عدم پژوهشی جامع در این زمینه، پهنه­بندی سیل­گیری در حوضه خیاوچایی مشکین شهر را ضروری می­نماید.

معرفی منطقه مورد مطالعه

حوضه خیاوچای در استان اردبیل و از زیرشاخه­های رودخانه قره­سو می­باشد و از نظر مختصات جغرافیایی منطقه مورد مطالعه در ضلع شرقی مشکین شهر از توابع استان اردبیل واقع در موقعیت جغرافیایی به مختصات 47 درجه و 38 دقیقه و 12 ثانیه تا 47 درجه و 48 دقیقه و 13 ثانیه طول شرقی و 38 درجه و 12 دقیقه و 9 ثانیه تا 38 درجه و 24 دقیقه و 16 ثانیه عرض شمالی قرار دارد. رودخانه اصلی این حوضه خیاوچای نام دارد که از ارتفاعات سبلان (هزار میخ، آیی­قاری، دلی­آلی، جنوار داغی) سرچشمه می­گیرد و سرتاسر دره موئیل را طی نموده و به رودخانه قره­سو از زیر حوضه­های روخانه ارس می­ریزد. خیوچای‌ یا خیاوچای‌ از سرشاخه‌های‌ مهم‌ رودخانه‌ قره‌سو در شهرستان‌ مشکین‌شهر است‌ (شکل 1). از لحاظ زمین­شناسی منطقه بیشتر تحت تأثیر توده آتشفشانی سبلان و باتولیت بزغوش می­باشد که با توجه به این امر پوشش سنگی منطقه اغلب از نوع سنگ­های آتشفشانی و درونی است. رودخانه­های این حوضه به­دلیل مجاورت با ارتفاعات سبلان و بهره­گیری از نزولات جوی زیاد نسبت به نواحی مجاور خود در بیشتر روزهای سال جریان دارد. از لحاظ زمانی بیشترین سیلاب­های اتفاق افتاده در این حوضه به­دلیل ذوب ذخایر برفی ناشی از بارش زمستانی در فصل بهار می باشد. به علت موقعیت خاص شهرستان مشکین­شهر و قرار­گیری آن در کنار رود طغیانگر خیاوچای و کوهستان مرتفع سبلان، معمولاً در زمان بارش­های شدید، منطقه خسارات مالی و جانی بسیاری را متحمل می­شود. از جمله سیلاب­های مخرب که در اثر بارش شدید 45 دقیقه­ای در این حوضه به­ وقوع پیوست؛ سیل سال 1380 است که طی آن موجب خسارت­های فراوان جانی و مالی گردید.

شکل (1)موقعیت حوضه خیاوچای

مواد و روش­ها

در راستای اجرای مدل و انجام تحقیق از یک سری داده­های مربوط به اقلیم، خاکشناسی­، ژئومورفولوژی و پوشش سطحی زمین استفاده شده است. در سیل­گیری یک منطقه علاوه بر عامل رواناب پارامترهای فیزیوگرافی زیادی را می­توان در نظر گرفت که می­توانند تأثیرگذار باشند. با توجه به هدف تحقیق و نمونه کارهای قبلی صورت گرفته در این زمینه از 8 پارامتر طبیعی و انسانی برای اجرای مدل استفاده شده است. پارامترهای مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از: بارش ،کاربری زمین، فاصله از رودخانه­های اصلی،شیب دامنه ها، ارتفاع، شاخص پوشش گیاهی (NDVI)، تراکم شبکه زهکشی و سنگ­شناسی. جهت تهیه این لایه­ها از داده­های هواشناسی، لایهDEM منطقه، نقشه­های توپوگرافی و زمین شناسی سازمان جغرافیایی ارتش و سازمان زمین­شناسی و باندهای 3 و 4 تصاویر ماهواره لندست استفاده شده است. هر کدام از پارامترهای فوق بنابه ماهیت و عملکردشان در مدل پهنه­بندی پتانسیل سیل­گیری مورد استفاده قرار گرفته­اند. با توجه به این­که حوضه مورد مطالعه در ارتفاعات سـبلان واقع شده و بیشترین نوع سیل اتفاق افتاده از نوع ناگهانی می­باشد، سعی گردیده پهنه­بندی سیل­گیری حوضه مورد مطالعه بر مبنای پارامترهای فیزیوگرافی که با سیلاب رابطه نزدیک و کمترین زمان تمرکز رواناب ناشی از بارش را داشته باشد؛ استفاده شود. همچنین در انتخاب معیارهای فوق سعی گردیده از مطالعات میدانی و کارهای مشابه قبلی که برای پهنه­بندی در مناطق مختلف به­کار برده شده، استفاده گردد. برای تهیه نقشه شیب منطقه از نقشه­های توپوگرافی 1:50000 مربوط به سازمان جغرافیایی ارتش استفاده شده است به این صورت که پس زمین مرجع و رقومی نمودن نقشه­ها لایه رقومی ارتفاعی زمین تهیه و سپس از روی آن نقشه شیب حوضه به­دست آمد. بیشترین شیب حوضه معمولاً در ارتفاعات و در توده آتشفشانی سبلان است. جهت استفاده از لایه آبراهه، از تراکم زهکشی (بر حسب طول به متر) در واحد سطح (بر حسب مساحت به کیلومتر مربع) استفاده گردید این لایه از تقسیم طول آبراهه­ها بر مساحت به­دست می­آید. همچنین لایه فاصله از آبراهه، فاصله هر پیکسل از آبراهه ها را بر حسب متر نشان می­دهد. این لایه با استفاده از لایه آبراهه­ها در محیط ArcGIS تهیه شده است. این دو لایه بر مبنای لایه آبراهه های استخراج شده از نقشه توپوگرافی تهیه گردیده است. نقشه تراکم پوشش گیاهی به عنوان یک پارامتر تأثیر گذارد در تهیه پهنه­بندی سیلاب می­باشد. در تهیه این لایه از باندهای 3 و4 تصاویر ماهواره لندست (2012) استفاده شده ­است. در همین راستا شاخص تراکم پوشش گیاهی در محیط نرم­افزار ArcMAP10 بر روی تصاویر اجرا شد و لایه تراکم پوشش گیاهی به­دست آمد. رابطه (1) نحوه اجرای این شاخص را نشان می­دهد.

رابطه (1)     NDVI= (NIR- RED)/(NIR+ RED)

ارتفاع از عوامل بسیار مهم در پدیده­های هیدرولوژیکی می باشد. این لایه به­وسیله نقشه  DEM حوضه افزار تهیه شده است. برای تهیه لایه بارش حوضه مورد مطالعه از داده­های بارشی ایستگاه­های سینوپتیک محدوده مورد مطالعه در دو بازه آماری 30 ساله استفاده شده است. لایه بارش حوضه مورد نظر از طریق درونیابی نقاط مجهول با داده­های بارش نقاط معلوم ایستگاه­های سینوپتیک منطقه در محیط نرم­افزار تهیه شده است.

لایه لیتولوژی براساس نقشه زمین­شناسی حوضه تهیه شده است و انواع سنگ­های اصلی در حوضه براساس قابلیت­شان در  سیل­گیری با استفاده از نظرات کارشناسی امتیازدهی شده است. جدول (1) و شکل (2) وضعیت حوضه را از لحاظ لیتولوژی نشان می­دهد.

لایه کاربری زمین به­وسیله نرم­افزار ArcGIS و با کاربرد اطلاعات تصاویر ماهواره­ای ETM⁺، نقشه توپوگرافی، نقشه قابلیت اراضی حوضه و داده­های میدانی تهیه شده است، هفت نوع کاربری در روی نقشه مشخص شده است و به این کاربری­ها براساس تأثیرشان در سیل گیری در حوضه امتیاز داده شده است. جدول (2) و شکل (3) کاربری منطقه مورد مطالعه را نشان داده است.

                          شکل (2) نقشه لیتولوژی                                                       شکل (3)  نقشه کاربری زمین

جدول (1) مشخصات نقشه لیتولوژی حوضه خیاوچای

جدول (2) مشخصات نقشه کاربری اراضی حوضه خیاوچای

بحث و نتایج

به­طور کلی، اجرای مدل فازی شامل سه مرحله است: مرحله اول، فازی­سازی لایه­ها یا تعیین و اعمال توابع عضویت بر لایه­ها، مرحله دوم: اعمال عملگرهای جمع جبری و ضرب جبری بر لایه­ها، مرحله سوم: اعمال عملگر گامای فازی جهت تعدیل حساسیت بالای عملگر ضرب جبری و دقت کم عملگر جمع جبری. قبل از اجرای مدل فازی نیاز است که برای هریک از لایه­های اشاره شده توابع عضویت تعیین گردد (فرآیند استاندارد­سازی لایه­ها) و ارزش لایه­ها در بازه­ای بین (1/0) قرار گیرد، بدین منظور ابتدا رابطه هر یک از پارامترها با سیلاب مورد بررسی قرار گرفته و سپس توابع مربوطه ارائه می­شود. منظور از استانداردسازی و اعمال توابع به هر یک از لایه­ها این است که معیارها با واحدها و دامنه­های مختلف برای یک پدیده را به یک محدوده استاندارد و مشابه تبدیل می­کنیم. به­طوری­که سطوح با بیشترین تأثیر در رخداد سیل­گیری بالاترین مقدار عددی یعنی یک و سطوح با کمترین تأثیر در رخداد سیل­گیری پایین­ترین مقدار عددی یا صفر را پذیرفته است اشکال (4 تا 11) زیر لایه­های استاندارد شده برای پهنه­بندی سیل­گیری حوضه مورد مطالعه را نشان می­دهد.

    شکل (4) نقشه فازی شده فاصله از آبراهه اصلی                                        شکل (5) نقشه فازی شده تراکم پوشش گیاهی

          شکل(6) نقشه فازی شده شیب حوضه                                                     شکل(7) نقشه فازی شده تراکم پوشش گیاهی

           شکل(8)نقشه فازی شده ارتفاع                                                                   شکل(9) نقشه فازی شده بارش

             شکل (10) نقشه فازی شده لیتولوژی                                                         شکل (11) نقشه فازی شده کاربری اراضی

بعد از مرحله استانداردسازی، در نرم­افزار ArcGIS عملگرهای جمع جبری و ضرب جبری بر لایه­ها اعمال گردید. مقایسه این دو نقشه با هم نشانگر آن است که در نقشه به­دست آمده به­وسیله عملگر جمع جبری در مقایسه با نقشه به­دست آمده به­وسیله عملگر ضرب جبری سطوح با خطر زیاد وسعت بیشتری دارند در حالی که سطوح با خطر کم وسعت کمتری دارند. عملگر ضرب جبری موجب می­شود تا اعداد مجموعه­ها کوچک­تر شده و به سمت صفر میل کنند. اما عملگر جمع جبری موجب می­گردد تا اعداد به سمت یک میل نمایند. جهت تعدیل حساسیت خیلی بالای عملگر ضرب جبری و دقت خیلی کم عملگر جمع جبری عملگر دیگری به نام گاما شکل گرفته است. مقدار گامای تعدیل­کننده بین صفر و یک است که مقدار آن از طریق قضاوت کارشناسانه تعیین می­­شود. گامای صفر معادل ضرب فازی و گامای یک معادل جمع فازی است. جهت به­ دست آوردن نقشه نهایی پهنه­بندی سیلاب و تعدیل حساسیت نقشه­های به­دست آمده بر اساس عملگرهای  جمع جبری و ضرب جبری، از عملگرهای گاما استفاده شده است. انتخاب گاماهای مورد نظر (5/0، 7/0، 9/0) بر مبنای نقشه­های جمع جبری و ضرب جبری صورت گرفته است. همچنین انتخاب گاماهای مورد نظر از طریق قضاوت کارشناسی مبتنی بر نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل داده­های مشاهده شده و تجربیات موجود درباره موضوع مورد بررسی تعیین شد. به­دلیل عدم وجود داده­های میدانی جهت تعیین مناسب­ترین گاما در تعیین پهنه­های با قابلیت بالای سیل­گیری مقدار همبستگی بین لایه­های اطلاعاتی اولیه و نقشه­های نهایی گاما در نرم­افزارSPSS  به­دست آمد. نقشه گاما 7/0 بالاترین مقدار همبستگی را با لایه­های اطلاعاتی اولیه داشته است، بنابراین گاما 7/0 به­عنوان نقشه نهایی انتخاب گردیده است. طبقه­بندی نقشه نهایی طبق نظر کارشناسی با استفاده از قابلیت­های محیط کاریGIS  Arc و مطالعه سوابق کاری مشابه در پهنه­بندی­ها انجام گردید. این طبقه­بندی بر اساس متد شکستگی­های طبیعی پنج سطح انجام گردیده است. در این روش پس از تعیین تعداد طبقات، نرم­افزار با یک الگوریتم محاسباتی، سعی در به حداقل رساندن اختلاف بین داده­ها در هر طبقه و به حداکثر رساندن اختلاف بین طبقات می­کند (شکل 12).

شکل (12) نقشه پهنه­بندی خطر سیل­گیری در حوضه رودخانه خیاوچای مشکین شهر (گامای 7/0)

با توجه به شکل (12) پهنه­های با خطر سیل­گیری بسیار زیاد در پایین دست حوضه واقع گردیده­اند، این پهنه­ها منطبق بر دره اصلی رودخانه خیاوچای هستند. هر چه از جنوب حوضه به سمت شمال حوضه و از بالا دست به سمت پایین دست حوضه حرکت کنیم بر میزان قابلیت سیل­گیری در حوضه افزوده می­گردد. نواحی با خطر قابلیت بسیار بالا در تولید رواناب بر روی دره­ها و خط­القعرها با شیب کم و نواحی با خطر قابلیت پایین سیل گیری اغلب در ستیغ­ها و خط­الراس­ها که شیب بیشتری دارند واقع گردیده­اند. در شکل (12) محدوده های با خطر بسیار زیاد با رنگ قرمز نشان داده شده است که به­صورت چند ناحیه عمده در پایین دست حوضه مشاهده می­گردد و نواحی با خطر زیاد نیز بلافاصله بعد از پهنه بسیار سیل گیر منطقه واقع گردیده است.

جدول (3) مساحت خطر سیل­گیری در حوضه خیاوچای مشکین شهر

بر اساس جدول فوق کمترین مساحت منطقه مربوط به نواحی با قابلیت سیل­گیری با خطر بسیار کم با مساحت بالغ بر 73/6 کیلومتر مربع (43/5 درصد) می باشد و بیشترین مساحت نیز مربوط به سطوح با قابلیت سیل­گیری بسیار زیاد با مساحت 69/48 کیلومترمربع (26/39 درصد) می­باشد (شکل 13).

شکل (13) درصد خطر سیل­گیری در حوضه خیاوچای مشکین شهر

نتیجه­گیری

نتایج حاصله نشان می­دهد که مدل فازی با وجود پیچیدگی­هایی که دارد دارای مزایای بسیاری در مطالعه پدیده­های مختلف مرتبط با سطح زمین می­باشد. از جمله می­توان به صحت و دقت بالای نتایج حاصل از استفاده از این مدل اشاره کرد. از دیگر ویژگی­های این مدل قابلیت آن در تبدیل عبارت­های زبانی برگرفته از تجربه و دانش بشری در قالب ریاضی می­باشد و از این مدل می­توان برای مدل­سازی در زمان نبود قطعیت و صراحت در مسائل دنیای واقعی نظیر در دسترس نبودن داده­ها و اطلاعات دقیق مورد نیاز استفاده کرد. در برخی مدل­های به­کار رفته در زمینه پهنه­بندی نظیر AHP نظرات کارشناس در نتیجه و نقشه نهایی بسیار مؤثر می­باشد در حالی­که در مدل فازی تأثیر نظرات کارشناس به حداقل می­رسد و در واقع نتیجه نهایی حاصل برآوردهای پیچیده ریاضی و آماری می­باشد. این مدل دارای قابلیت اجرا در محیط ArcGIS می­باشد. با توجه به نقشه نهایی به­دست آمده از پهنه­بندی سیلاب و در راستای توسعه پایدار باید از ساخت و ساز در محدوده با خطر بسیار زیاد و زیاد ممانعت به­عمل آید. همچنین با توجه به احداث پل معلق بر روی رودخانه خیاوچای و  پارک جنگلی که به­عنوان تفرجگاه­های عامه مردم مشکین­شهر و گردشگران شناخته شده است و افراد بسیاری در ایام تعطیلآت این محل را به­عنوان مکانی برای گذراندن اوقات فراغت خود انتخاب می­کنند، درچنین شرایطی رخداد سیلاب با خسارات بسیاری همراه خواهد بود .بنابراین توصیه می­شود که اغلب اقدامات مدیریتی در ارتباط با کنترل خسارات سیلاب بر روی این مناطق صورت گیرد تا در مواقع بروز سیلاب حداقل خسارات جانی و مالی برای ساکنان پایین دست حوضه داشته باشد.