بررسی ویژگی های هیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های آبریز کلان شهر تهران با تأکید بر سیل‌خیزی

مقدمه

بررسی و شناخت ­ویژگی­های هیدروژئومورفولوژیک حوضه­ها در زمینه­ی مسایل مختلفی از جمله؛ تخمین آب­دهی حوضه­ها، پیش‌بینی روند سیلاب، مدیریت حوضه‌های آبریز در جهت کاهش خسارت ناشی از رخداد سیل، مدیریت منابع آب، برنامه­ریزی برای بهره­برداری از سدها، احداث پل­ها و سازه‌های تقاطعی و سایر پروژه‌های منابع آب و آبخیزداری حایز اهمیت می­باشد. در بین مخاطرات طبیعی، سیلاب­ها تهدیدآمیزتر از سایر مخاطرات در جهان هستند (هنونونین و همکاران[1]، 2010: 2). علاوه بر عوامل انسانی، زمین‌شناسی و نوع سازندها، خاک، پوشش‌گیاهی، میزان و نوع بارش، شکل حوضه، شیب حوضه، وضعیت شبکه‌های زهکشی و ویژگی‌های رودخانه‌ای، از مهم­ترین عوامل و پارامترهای هیدروژئومورفولوژیک هستند که در سیل‌خیزی حوضه­ها نـقش دارنـد. حـوضه­ی ‌آبریز، بـه عنوان یـک چارچوب و واحد ژئومورفولوژیک، در بـرگیرنـده­ی مورفوسیستم­­های رودخانه‌ای است که شوم[2] (1985) آن را منطقه­ی وسیعی شامل زهکش­های تقسیم شده در محل تجمع آب و رسوبات، مسیر کانال و دره­های حوضه­ی زهکش و منطقه­ی نهشته­گذاری رسوبات همچون اقیانوس­ها تعریف می‌کند. به دلیل تبادلات انرژی و ماده­ای که این حوضه­ها در قلمرو خود دارند، می­تواند به عنوان یک سیستم باز قلمداد گردند. گذشته از جریان تبادلات انرژی، ماده و اطلاعات در یک حوضه­ی آبریز با محیط پیرامونش، الگو و وضعیت آرایش زهکش‌ها در یک حوضه نیز می­تواند حاکی از حاکـمیت قواعد و اصول سیستمی در آنـها باشـد (رامشت و هـمکاران، 1389: 134). در زمـینه­ی هیدروژئومورفولوژی حوضه‌های آبریز و سیل در سطح جهان و سطح ایران می‌توان به تحقیقات زیر اشاره کرد:

توماس و بنسون[3] (1987)، با استفاده از 70 پارامتر جریان رودخانه‌ای و 31 مشخصه­ی حوضه‌های آبخیز به بررسی مهم‌ترین عوامل فیزیکی و اقلیمی مؤثر در مدل‌های منطقه‌ای سیلاب پرداخته‌اند. آنها نتیجه گرفتند که سطح حوضه، شاخص‌های ذخیره، مقدار نـزولات جوی و شدت و تواتر آنها، تبخیر و تعرق و درجه­ی حرارت مهم‌ترین مشخصه‌های یک حوضه­­ی آبخیز می‌باشند که می‌توانند در تدوین معادلات تناوب سیل حوضه نقش داشته باشند. کنی[4] (1990)، در مقاله‌ای به ارزیابی هیدروژئومورفیک مخاطره­ی سیل در محیط‌های نیمه‌ خشک (آریزونای آمریکا) پرداخته است. وی چهار منطقه­ی خطر سیل بر اساس تحلیل‌های هیدروژئومورفولوژیک را شناسایی کرد. نقشه­ی مناطق خطر می‌توانند مبنای طرح­های مدیریت سیل باشند و برای مهندسان و برنامه‌ریزان شهری بسیار مفید باشند.

فرناندز لاوادو و همکاران[5] (2007)، به بررسی روش ژئومورفولوژیک در ارتقاء نقشه‌های خطر سیلاب‌های ناگهانی در محدوده­ی شهری جاکواران السالوادور پرداختند.  ایشان در نهایت سه طبقه خطر (بسیار زیاد، زیاد و متوسط) با استفاده از انرژی سیل، ارتفاع آب و شدت جریان استنباط شده از بررسی‌های ژئومورفولوژیک‌ و گزارشات میدانی را تشخیص دادند. بورگا[6] (2014)، در تحقیقی به بررسی پاسخ هیدروژئومورفیک به بارش‌های حد بیشتری، سیلاب‌های ناگهانی و جریان‌های ‎گلی با هدف بررسی و مرور تحقیقات بین‌المللی و اروپایی جهت تهیه­ی سیستم هشدار اولیه برای سیلاب‌های ناگهانی و جریان‌های‌گلی پرداختند. یمانی و عنایتی (1384)، در پژوهشی با عنوان ارتباط ویژگی­های ژئومورفولوژیک حوضه­ها و قابلیت سیل‌خیزی ارایه دادند که بر پایه­ی روش تحلیلی و کمیت­پذیری متغیرهای مؤثر در سیل‌خیزی به پهنه­بندی و مقایسه­ی خطر وقوع سیل در این حوضه­ها پرداخته­اند. امیدوار و کیانفر (1389)، با استفاده از 28 پارامتر فیزیوگرافی، هیدرومتری، نفوذپذیری و اقلیم پهنه‌بندی پتانسیل سیل­خیزی را برای حوضه­ی کنجانچم انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که در بین این پارامترها عامل شکل با ضریب ویژه 75/9 بیشترین تأثیر را در بین سایر عوامل، در سیل­خیزی حوضه دارد. عزتیان و دانش‌آموز (1391)، در مقاله‌ای با هدف تحلیل نقش پدیده‌های هیدروژئومورفولوژی در تعیین قابلیت‌های حوضه­ی خیرآباد و بیان راهکارها و کاربری‌های در منطقه­ی مورد مطالعه در چهارچوب محدودیت‌ها و قابلیت‌ها به منظور استفاده منطقی از منابع موجود با استفاده از روش حوضه‌ای، به بررسی عوامل فیزیوگرافی، هیدرولوژی، ژئومورفولوژی، زمین‌شناسی، آب‌ و هواشناسی، خاک و پوشش‎گیاهی و بررسی‌های میدانی در حوضه، نقش بارز آب­های جاری در تکوین و توسعه اشکال ژئومورفولوژی موجود در حوضه­ی مورد نظر پرداختند. شفیعی (1392)، به بررسی عوامل هیدروژئومورفولوژی مؤثر بر سیلاب در حوضه­های آبخیز را انجام داده است. وی بیان داشته که این عوامل به دو دسته تقسیم می‌شوند: یک دسته از این عوامل مربوط به ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژی حوضه‌ها از لحاظ خصوصیات طبیعی و فیزیوگرافی حوضه‌ها می‌باشد و دسته­ی دیگر این عوامل مربوط به تغییرات ژئومورفولوژیکی ناشی از عدم اعمال مدیریت صحیح حوضه‎ها می‌باشد.

بنی‌صفار و همکاران (۱۳۹۳)، در مقاله‌ای به ارزیابی ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژیکی حوضه­ی آبریز فیره‌رود استان گیلان به ‌منظور پایش مخاطره سیل پرداخته‌اند، ایشان در این مقاله ضمن بررسی، تفکیک و شرح هر کدام از عوامل ژئومورفولوژیکی مؤثر بر وقوع سیلاب، پارامترهای اصلی مانند مشخصات فیزیوگرافی، شیب، ارتفاع، پوشش گیاهی و... را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. همچنین از مهم­ترین پژوهش‌های صورت گرفته در ارتباط با حوضه‌های آبریز و سیل‌خیزی در کلان‌شهر تهران می‌توان به پژوهش‌های زیر اشاره کرد:

نتایج بررسی مقیمی و صفاری (1389)، نشان داد که تلفیق حوضه‎ها، تغییر مسیر آب­های سطحی و تبدیل آنها به کانال­های مصنوعی باعث افزایش آب­دهی، به‌ خصوص در دوره‌های بازگشت بالاتر شده و در نتیجه افزایش میزان مخاطره سیلاب‌های شهری را به دنبال دارد. قطع مسیر آبراهه‌های اولیه و ایجاد الگوی جدید آبراهه‌ای در قلمروی کلان‌شهر تهران بدون توجه به اصول و معیارهای ژئومورفولوژیکی انجام شده است. درفشی (1390)، در پایان‌نامه­ی کارشناسی‌ارشد خود به ارزیابی پتانسیل خطر، آسیب‌پذیری و ریسک سیلاب در این کلان‌شهر پرداخته که این ارزیابی با هدف ارتقای دیدگاه فهم جامع ریسک سیلاب تهران و تغییرات مکانی آن انجام گرفته است. قنواتی و همکاران (1391)، به ارزیابی و پهنه­بندی خطر رخداد سیلاب در حوضه­ی فرحزاد (تـهران) با استفاده از مدل فازی پرداخته­اند. نتیجه­ی پـژوهش و نـقشه­ی نهایی پهنه­بندی خطر سـیل‌گیری نشان­دهنده­ی انطباق نواحی با خطر بسیار بالا در پایین ‌دست حوضه بر دره­ی اصلی فرحزاد است. تحقیق حاضر، با هدف شناسایی و بررسی ابعاد و ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های آبریز کلان­شهر تهران با تأکید بر سیل‌خیزی، انجام گرفته است.

معرفی محدوده­ی مورد مطالعه

بارش سالانه در محدوده­ی تهران عمدتاً متأثر از تغییرات ارتفاعی محدوده­ی شهر بوده و بین حد بیشتر 422 میلی­متر در شمال تهران تا 145 میلی­متر در جنوب شرق تهران متغیر است. در محدوده­ی کلان‌شهر تهران، دمای سالانه بین 15 تا 18 درجه متغیر بوده و با توجه به ناهموار بودن محدوده­­ی شهر، میانگین سالانه در مناطق مختلف آن حدود 3 درجه سانتی‌گراد اختلاف دما دارند (اطلس ‌کلان­شهر تهران، 1389). کلان­شهر تهران بر روی رسوبات اخیر و کواترنر توسعه یافته است و نقشه­های زمین­شناسی مؤید این نکته‌اند که آبرفت‌های پلیوسن و کواترنری در دشت تهران گسترش یافته­اند. سنگ بستر تهران از سازندهای دوران سوم تشکیل شده که در مناطق کوهستانی شمالی تهران رخنمون یافته­اند و عمدتاً گدازه­های آتشفشانی ائوسن محسوب می‌شوند رسوبات جوان­تر روی این سنگ بستر قرار گرفته­اند. مشخصه­ی اصلی زمین‌شناسی تهران، قرار گرفتن آن بین توده­ی عظیم رشته‌کوه البرز (متعلق به دوران سوم زمین‌شناسی) و فلات ایران (متعلق به دوران چهارم زمین‌شناسی) است. مهم‌ترین نمود این مسأله وجود گسل‌های فعالی چون گسل مشاء، گسل شمال تهران و گسل ری است که موجب شده همواره زمین‌لرزه‌های خفیف و نامحسوسی در محل این گسل‌ها به وقوع بپیوندد. این گستره به سادگی می‌‌تواند به 5 واحد توپوگرافیکی تقسیم شود: (1) کوه‌ها؛ (2) تپه‌ها؛ (3) مخروط ‌افکنه‌های آبرفتی قدیمی؛ (4) مخروط­افکنه آبرفتی جوان و (5) دشت‌‌های آبرفتی. وضعیت توپوگرافی و به تبع آن شبکه هیدروگرافی تهران به نحوی است که کلیه­ی نزولات جوی حوضه‌های آبخیز در یک سیستم آبراهه‌ای از شمال به جنوب در مناطق کوهستانی جریان داشته و پس از ورود به نواحی کم ارتفاع داخل شهر در دو جهت کلی جنوب شرقی (سیل برگردان شرق) و جنوب غربی (سیل برگردان غرب) ادامه مسیر داده و از شهر خارج می‌شود (صفاری، 1387). در کلان­شهر تهران و دامنه­های مسلط بر آن 7 حوضه­ی اصلی به ترتیب از غرب به شرق عبارتند از: کن، حصارک، فرحزاد، درکه، ولنجک، دربند و دارآباد وجود دارد که موقعیت آنها در شکل ‌(1)، نشان داده شده است.

شکل (1) نقشه­ی حوضه­های زهکشی مسلط بر کلان­شهر تهران

مواد و روش­ها

روش انجام تحقیق توصیفی-تحلیلی و با استفاده از مطالعات کتابخانه­ای، نقشه‌های توپوگرافی 1:50000 و زمین­شناسی1:100000، عکس‌های ‌هوایی سال1334 و تصاویر ماهواره‌ای Google Earth و با بکارگیری نرم‌افزارهای FreeHand ،WMS وArc­GIS  انجام گرفته است. در این تحقیق، بررسی ویژگی‌های فیزیوگرافیک (مساحت، محیط، طول‌حوضه، طول آبراهه اصلی، تراکم‌ شبکه زهکشی، ارتفاع، حوضه، شیب ‌حوضه، زمان تمرکز، نسبت طولی، مستطیل معادل و ضرایب شکل حوضه) حوضه­های آبخیز مشرف بر کلان‌شهر تهران (به ‌ترتیب از غرب به شرق: کن، حصارک، فرحزاد، درکه، ولنجک، دربند و دارآباد) از طریق نـقشه‌های توپوگرافی و DEM30 مـتری منطقه و با بکارگیری نرم‌افزارهای[7]WMS  و  ArsGISپرداخته شده است. در ادامه به توضیح این ویژگی‌ها و روابط مورد استفاده در آنها پرداخته شده است.

- مساحت و محیط حوضه­ها: در تعیین حد بیشتر آبدهی حوضه‌ها در تحلیل داده‌های هیدروژئومورفولوژیکی یکی از پارامترهای مورد نیاز، مساحت حوضه­های آبخیز می­باشد. همچنین از محیط حوضه­ها برای به دست آوردن برخی از پارامـترهای فیزیوگرافیک حوضه­ها، از قبیل ضریب فشردگی (ضریب گراویلیوس) استفاده می­شود.

- تراکم شبکه­ی زهکشی: این میزان تراکم نشان­دهنده­ی وضعیت شـدت و ضعف رواناب و فـرسایش در قسمت­های مختلف حوضه می­باشد و از طریق رابطه­ی (1) به­دست می­آید:

رابطه­ی (1)         µ=

در رابطه­ی Li: طول هر یک از آبراهه­های حوضه بر حسب کیلومتر، A : مساحت حوضه بر حسب کیلومتر مربع وµ: تراکم شبکه­ی رودخانه­های حوضه بر حسب کیلومتر بر کیلومتر مربع. شایان ذکر است که هر چه تراکم شبکه زهکشی بزرگ­تر باشد، بده اوج و حجم سیلاب افزایش می­یابد.

- شاخص­های شکل حوضه: این شاخص در بررسی­های هیدرولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد و درک عمیق‌تری از روابط بین عوامل مورفولوژیک، هیدرولوژیک، ژئومورفولوژی و همچنین نحوه­ی کارکرد فرآیندها را فراهم سازد (زاهدی و بیاتی­خطیبی، 1389: 53).

- ضریب شکل حوضه یا ضریب هورتون[8]: شاخص ضریب شکل بر اساس روش هورتون برای همه­ی حوضه‌های محدوده­ی مورد مطالعه از طریق رابطه­ی (2)، محاسبه شده است. ضریب شکل حوضه عبارت است از؛ نسبت عرض متوسط حوضه به طول آن است. به عبارت دیگر از نسبت مساحت حوضه به مجذور طول حوضه به دست می­آید.

رابطه­ی (2)    

در رابطه­ی (2)،A  مساحت حوضه بر حسب کیلومترمربع و  Lطول حوضه بر حسب کیلومتر می­باشد.

هر چه حاصل کسر به عدد یک نزدیک­تر باشد، شکل حوضه به شکل مربع یا قیفی شکل شبیه­­تر و خطر سیلاب بیشتر خواهد بود و هر چه عدد یک کوچک­تر شود، نشان­دهنده­ی کشیدگی حوضه و پایین بودن خطر سیلاب آن است.

- ضریب فشردگی[9] (ضریب گراویلیوس[10]): این ضریب توسط استرالر در سال 1946 ارایه شده و عبارت است از؛ نسبت بین محیط حوضه و محیط دایره‌ای فرضی که مساحت آن با مساحت حوضه برابر است و از طریق رابطه­ی (3)،بدست می‌آید:

رابطه­ی (3)        

در این رابطه A و P به­ترتیب مساحت و محیط حوضه برحسب کیلومترمربع و کیلومتر می­باشند.

این ضریب برای حوضه‌های گرد نزدیک به عدد یک و برای حوضه‌های کشیده بین عدد 5/1 تا 5/2 می‌باشد (علیزاده، 1387: 468). هر چه حوضه‌ای دایره‌ای شکل باشد، زمان تمرکز حوضه کمتر و لذا پیک سیلاب بالاتر خواهد بود.

- ضریب دایره­ای (ضریب میلر[11]): این ضریب نشان­ دهنده­ی نسبت بین مساحت حوضه و مساحت دایره­ای فرضی است که محیط آن مساوی محیط حوضه می­باشد. این ضریب در سال 1953 توسط میلر به صورت رابطه­ی زیر ارایه شده است :

رابطه­ی (4)     Rc=12.56A/P2

در رابطه­ی (4): A= مساحت حوضه و P= مساحت دایره­ای فرضی که محیط آن مساوی محیط حوضه باشد

این ضریب همواره کمتر از یک بوده و در حوضه­های دایره‌ای به یک نزدیک می­شود. هر چه این شاخص به صفر نزدیک­تر شود کشیدگی حوضه نیز بیشتر می­شود.

- مستطیل معادل: مستطیل معادل نمایش ­دهنده­ی حوضه­ی آبریزی است که محیط آن به شکل مستطیل تغییر یابد ولی مساحت آن به شکل مستطیل تغییر یابد ولی مساحت آن برابر مساحت حوضه باشد. به عبارت ­دیگر، مستطیل معادل دارای سطح، محیط و ضریب گراویلیوس مساوی حوضه­ی اصلی است (علیزاده، 1385: 484). برای برآورد طول و عرض مستطیل معادل از رابطه­های زیر استفاده می­شود:

در رابطه­ی (5 و 7)L و B: به ترتیب طول و عرض مستطیل معادل بر حسب کیلومتر مربع،  A:مساحتحوضه بر حسب کیلومترمربع وC: ضریب گراویلیوس می‌باشد.

- نسبت طول(روش شوم[12]): در این روش از نسبت قطر دایره­ی هم سطح با حوضه­ی آبریز (D) به بلندترین طول آن (L) استفاده می‌شود، (R=D/L). در این روش هرچه R به عدد یک نزدیک‌تر باشد شکل حوضه به حالت دایره‌ای نزدیک‌ترمی‌شود.

رابطه­ی (7)    R=D/L

- زمان تمرکز^[13]

زمان تمرکز در واقع زمانی است که قطره­ی آب لازم دارد تا مسیر خود را از نقطه­ی آغازین شروع و در نهایت طی کند و به نقطه­ی تمرکز برسد. معمولاً در حوضه­های دایره‌ای شکل زمان تمرکز کوتاه‌تر بوده و زمان عکس‌العمل را برای مقابله با سیل را کمتر می­کند، ولی در حوضه‌های کشیده با توجه به زمان تمرکز بیشتر، فرصت بیشتری برای اقدامات پیشگرانه وجود دارد. روش مورد استفاده برای محاسبه­ی زمان تمرکز در این تحقیق، روش کرپیچ است.

رابطه­ی (8)     

که در رابطه­ی (8) TC؛ زمان تمرکز برحسب ساعت، L؛ طول مسیر حرکت آب در داخل حوضه (متر) H؛اختلاف ارتفاع بین نقطه­ی ورودی و خروجی می­باشد.

-توزیع ارتفاعی حوضه­ها: جهت بررسی توزیع ارتفاعی حوضه­های مسلط بر کلان‌شهر تهران، از نقشه­ی مدل رقومی ارتفاعی حوضه­ها و از طریق نقشه­ی رقومی ارتفاع منطقه (DEM) و نرم‌افزار GIS  Arcاستفاده شده است.

برای ترسیم نقشه­ی ژئومورفولوژی کلان‌شهر تهران از عکس‌های هوایی سال1334 (قبل از توسعه و گسترش شهر)، نقشه­های زمین­شناسی 1:100000 و توپوگرافی1:50000 منطقه­ی مورد مطالعه و نرم‌افزار‌های Arc GIS و FreeHand استفاده شده است. سپس در این تحقیق برای نشان دادن پیچیدگی‌ها و تنوع واحدهای ژئوموفولوژیک، اقدام به تهیه و تحلیل نقشه­ی واحدهای پاسخ هیدولوژیک (HRU_S) محدوده­ی مورد مطالعه گردید.HRU_S با استفاده از متغیرهای توپوگرافیکی، مانند ارتفاع، شیب و جهت شیب و متغیرهای جغرافیایی مانند، نوع خاک، پوشش گیاهی و توزیع بارش مشخص می‌شوند (پراساد[14]، 2004). به ‌طور کلی مناطق با زمین‌شناسی یا  نوع خاک، شیب و کاربری اراضی مشابه در داخل یک زیرحوضه، تشکیل یک واحد پاسخ هیدرولوژیک (HRU) می­دهند، که این واحد پایه­ی محاسباتی، پاسخ هیدرولوژیک همگنی به تغییر پوشش اراضی می­دهد و می­توان آن را به عنوان یک زیر حوضه در نظر گرفت (نجفی، 1394). در این پژوهش با استفاده از لایه‌های رستر زمین‌شناسی، شیب و کاربری اراضی در محیط نرم‌افزار  Arc GISاقدام به تهیه­ی نقشه­ی HRU_S حوضه‌های مورد مطالعه گردید.

در این تحقیق، نمودار داده‌های دبی حد بیشتر لحظه­ای، مربوط به ایستگاه‌های هیدرومتری هفت‌حوض (درکه)، سولقان (کن)، پل ‌تجریش (دربند) و قلاک (دارآباد) با استفاده از نرم­افزار Excel تهیه و تحلیل شده است.

بحث و نتایج

تهیه و تحلیل نقشه­ی ژئومورفولوژی محدوده­ی مورد مطالعه

در محدوده­ی مورد مطالعه عوارض ساختمانی و سنگ‌شناسی، قله‌ها دیواره­ها و تیغه­های سنگی، تیغه­های بریده کم­­ارتفاع، پرتگاه­های سنگی، دامنه­های منظم و نامنظم، تپه­ها و بیرون­زدگی­های سنگی و توده­ی سنگی، دره­ها و پرتگاه‌های گسلی، اشکال یخچالی (سیرک یخچالی قدیمی و یخرفت­ها) در مناطق کوهستانی و کوهپایه­ای وجود دارند. همچنین مخروط­ افکنه­های قدیم و جدید (باهادای تهران)، پادگانه‌های آبرفتی و دشت‌آبرفتی، دره­های U یا V شکل، تپه ماهور، دشت‌سر، سیستم شکل­زایی فرآیندهای ناشی از ذوب برف و یخ، تخریب فیزیکی به صورت متلاشی شدن بر اثر تغییرات دما، هوازدگی شیمیایی، انحلال، ریزش، زمین لغزش، وقوع جریان­های گلی و سولیفولوکسیون و مخروط‌ واریز­ه­ای نیز در محدوده­ی مورد مطالعه دیده می‌شود. همانطوری که در نقشه ژئومورفولوژی منطقه تهران مشاهده می­گردد (شکل2)، بخش گسترده‌ای از کلان‌شهر تهران بر روی مخرو­ط ­افکنه­ها و نهشته‌های آبرفتی بهم­ پیوسته ­موسوم به باهادای تهران توسعه یافته ­است. با توجه به روند توسعه­ی کالبدی این شهر در دهه­های اخیر، پیشروی به سمت ارتفاعات (خط کنیک)، تجاوز و ساخت‌وساز در حریم مسیل­ها، تغییر ماهیت و کاربری باهادای تهران و ایجاد سطوح نفوذناپذیر و آسفالته، اقدام به شهرسازی و احداث راه­های ارتباطی، اتوبان، بزرگراه و پل‌های متعدد گردیده است. چنین اقداماتی می­تواند منجر به ریسک سیلاب و بروز مخاطراتی همچون حرکات دامنه‌ای، فرونشست زمین و ایجاد خسارات جانی و مالی فراوان گردد که نیازمند توجه جدی می­باشد.

شکل(2) نقشه­ی ژئومورفولوژی منطقه­ی  مورد مطالعه

بررسی ویژگی­های فیزیوگرافیک حوضه­های کلان­شهر تهران

با توجه به نتایج بررسی ویژگی­های فیزیوگرافیک حوضه­های کلان­شهر تهران که در (جدول1)، آورده شده است، بیشترین مساحت و محیط مربوط به حوضه­ی آبریز کن و­ کمترین میزان محیط و مساحت مربوط به حوضه­ی آبریز ولنجک است که نشان ­دهنده­ی سیل­خیز بودن حوضه­ی ولنجک است. همچنین با توجه به اینکه هرچه تراکم شبکه­ی زهکشی بزرگ­تر باشد، بده اوج و حجم سیلاب افزایش می­یابد، با توجه به محاسبات انجام شده حوضه­ی دارآباد دارای بیشترین و حوضه­ی وسک دارای کمترین تراکم زهکشی است. از نظر شکل حوضه، هرچه مقدار به‌ دست آمده به عدد یک نزدیک­تر باشد، شکل حوضه به شکل مربع یا قیفی شکل شبیه­­تر و خطر سیلاب بیشتر خواهد بود و هر چه عدد کوچک­تر از یک شود، نشان‌ دهنده­ی کشیدگی حوضه و پایین بودن خطر سیلاب آن است. مقدار ضریب شکل همه­ی حوضه­های مسلط بر کلان‌‌شهر تهران در جدول (1)، آورده شده است که طبق آن بیشترین ضریب شکل هورتون مربوط به حوضه­ی کن (48/0) و کمترین ضریب مربوط به حوضه­ی فرحزاد (23/0) می­باشد که نشان ‌دهنده­ی سیل‌خیز بودن حوضه­ی کن نسبت به سایر حوضه‌ها در محدوده­ی مورد مطالعه است. هر چه حوضه‌ای گردتر باشد، زمان تمرکز حوضه کمتر و لذا پیک سیلاب بالاتر خواهد بود، لذا بیشترین ضریب فشردگی مربوط به حوضه­ی وسک (43/1) و کمترین ضریب مربوط به حوضه­ی فرحزاد (27/1) می­باشد. از نظر ضریب دایره­ای، هر چه این شاخص به صفر نزدیک­تر شود کشیدگی حوضه نیز بیشتر می­شود. طبق جدول (1)، بیشترین ضریب دایره­ای مربوط به حوضه­ی درکه (73/0) و کمترین ضریب مربوط به حوضه­ی وسک (49/0) می‌باشد، که نشان ‌دهنده­_­­ی احتمال سیل‌خیزی بیشتر در حوضه­ی درکه است. طبق نتایج به ‌دست آمده، بیشترین زمان تمرکز مربوط به حوضه­ی کن (94 دقیقه) و کمترین ضریب مربوط به حوضه­ی ولنجک (18دقیقه) می­باشد. با توجه به کوتاهی زمان تمرکز در بیشتر حوضه، پس از هر بارش رگباری باید شاهد رخداد سیلاب و آبگرفتگی خیابان­ها و معابر در کلان­شهر تهران بود.

ارتفاع حوضه از سطح دریا نشان ­دهنده­ی موقعیت اقلیمی آن حوضه است. نتایج بررسی توزیع ارتفاعی حوضه‌های مسلط بر کلان­شهر تهران، در شکل (3)، آورده شده است، طبق آن، هر چه به سمت شمال حوضه­ها پیش رویم بر میزان ارتفاع افزوده می‌گردد. حداقل ارتفاع حوضه­ها 1356متر و حد بیشتر آنها 3939 متر می‌باشد که نشان ‌دهنده­ی اختلاف ارتفاع زیاد بین سرشاخه حوضه‌ها و نقاط خروجی آنها می­باشد که می‌تواند علاوه بر تأثیر بر  بارش بیشتر به صورت برف، به دلیل اثرگذاری شیب و اختلاف ارتفاع زیاد، به کوتاهی زمان تمرکز و سیل‌خیزی در منطقه­ی مورد مطالعه کمک کند. همان­طوری که در شکل‌های (4و5) آمده است، هر چه به سمت شمال حوضه­ها پیش رویم بر میزان شیب افزوده می‌گردد. شیب در حوضه‌ها بین صفر تا 71 درصد می­باشد. به ­طوری که خط­القعرها کم شیب­تر و دامنه­های دارای شیب بیشتری می­باشند و بیشترین مساحت حوضه‌ها را شیب‌های 30 تا 71 درصد در بر گرفته است. از نظر جهات شیب را جهات جنوبی و جنوب غرب و جنوب شرق تشکیل می­دهد. از نظر، طول حوضه و طول آبراهه اصلی، حوضه‎های آبریز مسلط بر کلان‌شهر تهران دارای طول‌کوتاهی هستند و با توجه به شیب زیاد و اختلاف ارتفاع زیاد، می‌توانند خطر سیلاب را تشدید کنند. بیشترین و کمترین طول حوضه و طول آبراهه اصلی، مربوط به حوضه‌های کن و ولنجک است. 

در نهایت، می‌توان گفت ویژگی­های فیزیوگرافیک، به ‌ویژه مساحت و محیط کم حوضه‌های آبریز مسلط بر کلان‌شهر تهران، کوتاهی آبراهه اصلی و وجود اختلاف ارتفاع و شیب زیاد، به شدت بر شکل هیدروگراف و  کوتاهی زمان تمرکز در رودخانه‌های واقع در حوضه‌های مورد بررسی، تأثیرگذار است و به تشدید رخداد سیلاب در کنار سایر ویژگی‌های محیطی و دخالت‌های انسانی در حوضه‌ها کمک می‌کند.

شکل(3) نقشه­ی توزیع ارتفاعی حوضه‌های مورد مطالعه

شکل (4) نقشه­ی شیب حوضه‌های مورد مطالعه

شکل(5) نقشه­ی جهات شیب حوضه‌های مورد مطالعه

جدول (1) مشخصات فیزیوگرافیک حوضه­های کلان­شهر تهران

ادامه­ی جدول (1) مشخصات فیزیوگرافیک حوضه­های کلان­شهر تهران

کلان­شهر تهران به عنوان پهنه­ای با تمرکز جمعیت فراوان و توسعه طرح­های عمرانی در آن، زهکش­های فراوانی را از ارتفاعات شمالی خود دریافت می­دارد. تعداد 7 رودخانه، رواناب­های حاصل از بارندگی­های دوره­ی سرد سال را از دامنه‌های جنوبی البرز زهکشی نموده و به­ طور مستقیم وارد شهر تهران می­کنند. غالب این حوضه‌ها و رودخانه­ها سیل‌خیز هستند، چرا که به علت اختلاف ارتفاع و شیب شمالی- جنوبی، فاصله­ی بین حوضه­ی دریافت و بخش خروجی آنها اندک بوده و رواناب‌های حاصل از بارندگی در مدت زمان کمی وارد پیکره شهری می­گردند. از نظر وسعت، این حوضه­ها نیز جزو حوضه­های کوچک محسوب می­گردند. بنابراین، عکس‌العمل آنها نسبت به بارش­های کوتاه­ مدت و تبدیل آنها به سیلاب زیاد می­باشد. نتایج نشان می­دهد که هرچه از جنوب تهران به سمت شمال و حوضه‌های آبریز پیش رویم بر میزان  ارتفاع و شیب افزوده می‌گردد و در حوضه­های آبریز هم وضع بدین صورت است که می­تواند بر سرعت رواناب بیفزاید و در کنار سایر ویژگی‌های فیزیوگرافیک (به ویژه مساحت و شیب و شکل حوضه­ها) زمان رسیدن به دبی پیک را کاهش داده و بر احتمال سیل­خیزی بیفزاید. با توجه به اینکه در همه­ی 7 حوضه­ی مورد مطالعه، شاخص­های مربوط به شکل حوضه­ها (گراویلیوس، هورتون و میلر) نشان‌دهنده­ی شکل دایره‌ای و کوتاهی زمان تمرکز است، می­توان استنباط کرد با توجه به سابقه­ی سیل­خیزی در منطقه­ی تهران (از جمله سیلاب  4 مرداد 1366 که در مناطق شمیران و مناطق شمالی تهران) به دلیل، دخل و تصرف در حریم و بستر مسیل‌ها، ایجاد حوضه‌های تلفیقی و احداث و مکان­یابی نامناسب سازه­های تقاطعی از جمله پل­های متعدد، انتظار سیل‌خیزی و تخریب چنین سازه­هایی دور از انتظار نیست و در سال­های اخیر حوادثی از جمله آب ­گرفتگی متروی تهران، تخریب پل بزرگراه آزادگان بر رودخانه کن شاهدی بر این مدعی است. همانطوری که نقشه­ی ژئومورفولوژی نشان می‌دهد بخش گسترده‌ای از کلان‌شهر تهران بر روی مخروط­افکنه­ها و نهشته‌های آبرفتی به هم پیوسته  موسوم به باهادای تهران توسعه ­یافته­ است. با توجه به روند توسعه کالبدی این شهر در دهه­های اخیر، پیشروی به سمت ارتفاعات (خط کنیک)، تجاوز و ساخت و ساز در حریم مسیل­ها، تغییر ماهیت و کاربری باهادای تهران و ایجاد سطوح نفوذناپذیر و آسفالته، اقدام به شهرسازی و احداث اتوبان، بزرگراه و پل­های متعدد گردیده است. چنین اقداماتی می­تواند منجر به بروز مخاطراتی همچون سیلاب و ایجاد خسارات جانی و مالی فراوان گردد که نیازمند توجه جدی می­باشد. همزمان با گسترش و توسعه­ی فیزیکی کلان‌شهر تهران در چند دهه­ی اخیر، با احداث بزرگراه‌ها و پل‌های متعدد، تغییر کاربری اراضی و تغییر ماهیت لندفرم‌های‌ ژئومورفولوژیک (مخروط‌افکنه­های متعدد قدیم و جدید (باهادای تهران)، دامنه­های پایکوهی، دشت‌های سیلابی و آبرفتی، پادگانه­های رودخانه‌ای، تپه ماهورها، مسیل­ها و رود-دره­های)، ساخت و ساز و تجاوز به حریم مسیل‌ها، کاهش عرض و تبدیل آنها به کانال‌های بتنی و در نهایت حوضه‌های تلفیقی ایجاد شده است. در شکل­های (6 و 7) که در آنها مسیل­ها و کانال­های کنونی و قبلی کلان‌شهر تهران نمایش داده شده است، در بیشتر این مسیل­ها در سرشاخه و بالادست نیمرخ طولی دست نخورده باقی مانده است، ولی هر چه به سمت پایین  دست (منطقه­ی شهری) پیش رویم، بر میزان تغییر هم از نظر طولی و هم از نظر عرضی افزوده شده و به کانال­های زیرزمینی و بتونی تبدیل شده و در نهایت وارد کانال­های سیل برگردان‌های غرب و شرق می‌شوند. در نقشه کانال‎ها و مسیل‌های مربوط به قبل از توسعه فیزیکی کلان‌شهر تهران، مسیل‌ها و رودخانه‌ها شمالی-جنوبی، طبیعی و دست ‌نخورده و دارای بستر عرض بوده­اند ولی در دهه‌های اخیر، بیشتر مسیل‌های شهری مورد دخل و تصرف و تغییرات عمده هم به‌ صورت کانالیزه ‌شدن و کاهش عرض و هم اینکه به ‌صورت بتنی درآمده‌اند که امکان نفوذ آب در آنها وجود ندارد که این خود می‌تواند منجر به افزایش سرعت و قدرت و در نتیجه آب‌ گرفتگی شود. به ‌طور کلی بیشترین تغییرات در محدوده­ی مرکزی شهر رخ داده است و در مناطق شمالی شهر اقدام به ایجاد حوضه‌های تلفیقی و از بین بردن و قطع روند شمالی - جنوبی مسیل‌ها و رود - دره‌ها شده است. وقوع بارش‌های رگباری، وجود شیب شمالی - جنوبی و اختلاف ارتفاع زیاد، به همراه کم توجهی به بررسی ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های آبریز کلان‌شهر تهران منجر به بروز سیلاب و ایجاد خسارات مالی و جانی و سلب آسایش شهروندان گردیده است که مواردی از آنها ذکر گردید. در سال‌های اخیر پل کن در جاده قدیم کرج در اثر بـارش‌های اواخر آبان ماه سال 1391 ریـزش کرد و متروی تهران نیز دچار آب‌گـرفتگی شد. همچنین بر اثر بارندگی و سیل عصر یکشنبه 28 تیرماه 1394تهران در سولقان کن، منجر به خسارات جانی و مالی فراوانی گردید. هر چند این سیلاب خارج از محدوده­ی کلان‌شهر تهران رخ داد، ولی می‌توان وقوع چنین سیلابی را به عنوان زنگ خطر برای کلان‌شهر تهران قلمداد کرد که می‌تواند منجر به مخاطره و خسارت گردد (شکل‌های 8 تا10).

شکل(6) نقشه­ی مسیل­ها و کانال­های قبل از توسعه­ی فیزیکی کلان‌شهر تهران

شکل(7) نقشه­ی مسیل­ها و کانال­های کنونی

شکل(8) سیل تجریش در چهارم مرداد 1366 و خسارات فراوان آن(وبلاگ شمران،1393)

شکل(9) ریزش پل در جاده­ی ­قدیم کرج بر اثر سیلاب در آبان‌ماه سال ‌1391(خبر گزاری مهر، 1391)

شکل(10) خسارات سیل در 28 تیرماه 1394 در سولقان کن(مشرق نیوز، 1394)

تهیه­ی نقشه­ی واحدهای پاسخ هیدولوژیک (HRU_S) محدوده­ی مورد مطالعه

در این پژوهش با استفاده از لایه‌های رستر زمین‌شناسی، شیب و کاربری اراضی در محیط نرم‌افزار GIS اقدام به تهیه­ی نقشه­ی HRU_S حوضه‌های مورد مطالعه گردید (شکل11). طبق آن بیشتر حوضه‌ها، به‌ ویژه حوضه‌­ی کن دارای تنوع واحدهای پاسخ هیدرولوژیک (HRU_S) بیشتری هستند و در انجام پروژه‌های مرتبط با وضعیت سیل‌خیزی و فرسایش و رسوب حوضه‌های مورد مطالعه، باید مطالعات دقیق‌تری صورت گیرد تا از بروز مخاطرات در کلان‌شهر تهران و خسارات منتج از آنها جلوگیری گردد. بنابراین، می‌توان استنباط کرد که هر چه حوضه­ها دارای واحدهای پاسخ هیدرولوژیک (HRU_S) متنوعی باشند، به آسانی برآورد دبی و رواناب در آنها به ‌دلیل تنوع در جنس سازندها و خاک، شیب و کاربری اراضی امکان­پذیر نباشد، زیرا که دارای واحدهای پاسخ هیدرولوژیک متنوع می‌باشند که هر کدام می­توانند دارای آستانه­ی فرسایش، رسوب و دبی و سیل‌خیزی متفاوتی باشند. با توجه به نقشه­ی به دست آمده در محدوده­ی مورد مطالعه، بیشتر حوضه­ها و به ویژه حوضه­ی کن دارای چنین خصیصه­ای می­باشند. بنابراین، پیشنهاد می­گردد برای انجام پروژه‎های مهندسی و هیدرولوژیک از جمله مکان­یابی کاربری مختلف و احداث پل‌ها در هر منطقه، ابتدا نقشه­ی HRU_S منطقه تهیه شده و بسته به تنوع واحدهای آن، برآوردهای مختلفی صورت گردد تا ضمن درک پویایی محیط و ژئومورفولوژی منطقه، بتوان تحلیل جامع از ویژگی‌های محیطی آن به ‌عمل آورد، تا ضمن کاهش هزینه­ها، از بروز مخاطرات و خسارات بعدی و احتمالی کاست.

شکل (11)  نقشه­ی HRU_S محدوده­ی مورد مطالعه

بررسی دبی‌های حد بیشتر لحظه­ای در محدوده­ی مورد مطالعه

شکل (12)، موقعیت ایستگاه­های هیدرومتری­ مورد مطالعه را نشان می­دهد. در شکل­های (14تا 17)، نمودار داده‌های دبی حد بیشتر لحظه­ای، مربوط به ایستگاه‌های هیدرومتری هفت‌حوض (درکه)، دوره­ی آماری 1350-1390، سولقان (کن) دوره­ی آماری 1352-1390، پل‌تجریش (دربند) دوره‌­ی آماری 1358-1390و قلاک (دارآباد) در دوره­ی آماری 1353-1390 با استفاده از Excel نمایش داده شده است. با توجه به شکل‌های (13-16)، در ایستگاه هفت‌حوض کمترین میزان دبی در ایستگاه هفت‌حوض مربوط به سال 1360 و بیشترین دبی متعلق به سال 1365 که در آن نوسان زیاد بوده است. می­توان گفت که در ایستگاه‌های هفت‌حوض و قلاک نوسان زیاد بوده است، ولی در سولقان و پل‌ تجریش نوسان کم بوده است. همچنین در ایستگاه هفت‌حوض سال­های 1361و 1365، ایستگاه سولقان در سال 1373، ایستگاه مقصودبیک 1364و 1365 و ایستگاه قلاک 1382دارای بیشترین دبی پیک لحظه‌ای می‌باشد. با توجه به نوسان زیاد دبی حدبیشتر لحظه­ای در­ ایستگاه‌های هفت‌حوض (درکه) و قلاک (دارآباد) می­توان استنباط کرد که این رودخانه و مسیل­ها، به‌ شدت متأثر از وضعیت و ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های بالادست (مساحت و محیط، شاخص­های شکل حوضه (ضریب‌گراویلیوس، هورتون و میلر)، فرم شبکه­های زهکشی، شاخص مستطیل معادل، توزیع ارتفاعی حوضه‌ها، طول آبراهه­های اصلی، شیب و جهات شیب و زمان تمرکز) بوده و دارای ریسک سیلاب هستند و باید در احداث سازه‌های تقاطعی از جمله پل‌سازی بر این مسیل‌ها تمهیدات لازم اندیشده شود و دوره­های بازگشت سیلاب را مورد توجه قرار داد.

شکل(12) موقعیت ایستگاه‌های هیدرومتری مورد مطالعه

شکل (13)  نمودار دبی حدبیشتر لحظه­ای (مترمکعب بر ثانیه)  ایستگاه هفت حوض-رودخانه­ی درکه

شکل (14) نمودار دبی حدبیشتر لحظه­ای (متر مکعب بر ثانیه) ایستگاه سولقان-رودخانه­ی کن

شکل(15) نمودار دبی حدبیشتر لحظه­ای (مترمکعب بر ثانیه) ایستگاه پل تجریش-رودخانه­ی دربند

شکل (16) نمودار دبی حدبیشتر لحظه­ای (متر مکعب بر ثانیه) ایستگاه قلاک-رودخانه­ی دارآباد

نتیجه­گیری

نتایج تحقیق نشان می‌دهد، در کنار ویژگی­های فیزیوگرافیک حوضه‌های آبریز (به‌ویژه مساحت کم حوضه‎ها، شیب و ارتفاع زیاد، شکل حوضه­ها و زمان تمرکز کوتاه)، عوامل انسانی-ژئومورفولوژیکی (شهرسازی و توسعه­ی کالبدی بر روی باهادای تهران در دهه­های اخیر، ایجاد حوضه‌های تلفیقی، تجاوز و ساخت و ساز در حریم مسیل­ها، تغییر ماهیت و کاربری لندفرم‌های باهادای تهران و ایجاد سطوح نفوذناپذیر و آسفالته، احداث اتوبان، بزرگراه و پل­های متعدد و غیر اصولی) می‌توانند بر احتمال سیل­خیزی و سیل­گیری در منطقه­ی تهران بیفزاید. با توجه وقوع سیلاب در سال­های گذشته و اخیر (سیلاب 1366 تجریش و آب­گرفتگی متروی تهران و سیلاب سولقان کن در سال‌های اخیر) رخداد سیلاب در تهران همیشگی می­باشد. برای جلوگیری از بروز خسارت­های جانی و مالی ناشی از وقوع سیلاب و افزایش رفاه و امنیت شهروندان، نیازمند مدیریتی جامع و بین رشته­ای با رویکرد سیستمی (حوضه­ای) است.

نقشه­ی HRU_S تهیه شده از حوضه‌های مورد مطالعه نشان­دهنده­ی تنوع زیاد واحدهای پاسخ هیدرولوژیک (HRU_S) بیشتر حوضه‌ها، به‌ ویژه حوضه­ی‌ کن است. همچنین، نمودار داده‌های دبی حدبیشتر لحظه­ای، مربوط به ایستگاه‌های هیدرومتری هفت‌حوض (درکه)، سولقان (کن)، پل‌تجریش (دربند) و قلاک (دارآباد) نشان داد که در ایستگاه‌های هفت‌حوض و قلاک نوسان زیاد بوده است ولی در سولقان و پل‌تجریش نوسان کمی داشته و حول میانـگین بوده است. در نهایت مـی‌توان گفت، بـه دلیل وضعیت و ویژگی‌های هـیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های آبریز در بالادست و با توجه به پیشینه­ی سیل‌خیزی در منطقه، کلان‌شهر تهران به شدت متأثر از رخداد سیلاب است و این مخاطره پدیده­ی همیشگی آن خواهد بود. لذا پیشنهاد می‌گردد، ضمن داشتن نگرش سیستمی و حوضه­ای به مخاطره سیلاب، به ویژگی‌های هیدروژئومورفولوژیک حوضه‌های آبریز در مکان­یابی، ساخت و نگهداری سازه‌های مرتبط با رودخانه به ‌ویژه پل‌سازی توجه گردد و تحقیقاتی در مورد نقش عوامل انسانی (ایجاد حوضه‌های تلفیقی، تجاوز به حریم مسیل‌ها و افزایش سطوح آسفالته و ...) مؤثر در بروز خطر سیل در کلان‌شهر تهران صورت گیرد.

تقدیر و تشکر

این مقاله برگرفته از رساله­ی دکتری با عنوان «مدل‌سازی ژئومورفولوژیکی احداث پل‌ها در مسیل‌های شهری (مطالعه­ی موردی: کلان‌شهر تهران)» می‌باشد که  با حمایت شهرداری تهران (مرکز مطالعات و برنامه‌ریزی شهر تهران) انجام پذیرفته است.