پهنه بندی خطر وقوع سیل در حوضه ی آبریز کرگانرود با استفاده از Arc GIS

مقدمه

سیلاب­ها در طبقه­بندی جهانی در زمره­ی مهم­ترین بلایای طبیعی قرار می­گیرند که خسارات مالی، جانی و اجتماعی فراوانی را به مناطق تحت تأثیر خود تحمیل می­کنند، در دهه­های اخیر، به دلیل دخالت­های نابجا و مدیریت نادرست انسان در استفاده از سرزمین، شدت و تواتر وقوع این بلایای طبیعی افزایش یافته است (عباس­زاده و همکاران، 1389: 78). بروز سیلاب‌های سهمگین در اثر تغییرات آب و هوایی طی دهه‌های اخیر سبب بروز خسارت­های فراوانی در نواحی مختلف دنیا شده است و در نواحی خشک تأثیر این تغییرات محسوس­تر است (نگارش و همکاران، 1392 :15). تغییرات کاربری و پوشش اراضی تأثیر مستقیمی بر تغییر رژیم هیدرولوژیکی حوضه دارد (رضایی­مقدم و همکاران،1393: 57). برابر آمار سیلاب­ها حدود بیش از 40 درصد از بلایای طبیعی را در جهان به خود اختصاص داده­اند (فیج و لیو[1]، 2010 : 3). یکی از راه­هایی که می­توان خسارت ناشی از سیلاب را کاهش داد، تعیین مناطق مولد سیلاب و اعمال روش­های مناسب کنترل آن مـی­باشد (موغلی، 1394 :90). لذا بررسی عوامل مؤثر در وقوع سیـل و تجزیه و تـحلیل دقـیق مناطق سیل­خیز و ممیزی پتانسیل سیل­خیزی از طریق پهنه­بندی می­تواند در کاربری اراضی و در اعمال روش­های صحیح آمایش حوضه مفیدتر باشد.

سیل به عنوان یک پدیده­ی مخاطره از دیرباز توجه متخصصین علوم مختلف، از جمله هیدرولوژی، هیدرولیک و آبخیزداری را به خود جلب کرده و باعث شده است که مطالعات زیادی چه در داخل و چه در خارج کشور در این باره به عمل آید.

رضایی­مقدم و اسماعیلی (1384) درباره­ی آثار ژئومورفولوژیکی سیلاب، فرج­زاده و فلاح (1387) در مورد تأثیر تغییرات کاربری و پوشش اراضی بر رژیم سیلابی رودخانه­، بومری و همکاران (1390) در رابطه با شناسایی پهنه­های سیلابی و ویژگی­های فیزیوگرافی به تحقیق پرداخته­اند و عابدینی و موسوی (1391) به پهنه­بندی و برآورد سیلاب، خیری­زاده و همکاران (1392) به پهنه‎بندی پتانسیل خطر وقوع سیلاب، شکرپور (1393) به پهنه­بندی خطر سیلاب، دستورانی و همکاران در مورد برآورد بی اوج سیلاب (1393) اقدام نمودند. عابدینی و فتحی (1393) نیز در مورد پهنه­بندی خطر وقوع سیلاب در حوضه­ی خلخال چای کارکرده­اند. بـه علاوه فرسیک[2] (2004)، تیلا گاتاوانی و همکاران^[3] (2011) پهنه­بـندی مناطق در معرض خطر

سیل، هاگ و همکاران[4] (2012) در مورد ارزیابی و پهنه­بندی سیل، فنیکا و همکاران[5] (2013) در مورد واکنش هیدرولوژی حوضه به تحقیق پرداختند. موغلی (1394)، اسکندر­زاده و همکاران (1394)، و بسیاری از محققان دیگر در مورد پهنه­بندی و الویت­بندی مناطق سیل­خیز حوضه ها کارکرده­ند.

از آنـجا که نقش عوامل طبیعی و انسانی در وقوع سیل مؤثر می­باشد و تفاوت در میزان سیل­خیزی حوضه­های همجوار توسط دخالت انسان­ها و تفاوت­های ویژگی­های طبیعی آنها قابل توجیه می­باشد، لذا برقراری ارتباط بین این متغیرها و نقش آنها در وقوع سیل در حوضه­ی آبریز کرگانرود هدف این مقاله می­باشد.

مواد و روش­ها

موقعیت منطقه­ی مورد مطالعه

حوضه­ی آبریز کرگانرود با وسعتی معادل 39/608 کیلومتر مربع در شمال­غرب استان گیلان در موقعیت جغرافیایی "24'41 ْ37 تا '58 ْ37 عرض شمالی و "48 '31 ْ48 تا "48 '58 ْ48 طول شرقی واقع شده است (شکل1). این حوضه از سمت شمال با حوضه­ی آبریز لیسار و از سمت جنوب با حوضه­ی آبریز ناورود اسالم و از غرب با حوضه­ی آبخیز آرپاچای و از مشرق با دریای خزر هم مرز می­باشد. حداکثر و حداقل ارتفاع در سطح حوضه به ترتیب 3200 متر در خط الرأس شمال غربی و 20- متر در خروجی حوضه و ارتفاع متوسط آن 49/1382 متر می­باشد. طول آبراهه­ی اصلی آن 55 کیلومتر و تراکم زهکشی آن 43/3 کیلومتر در هر کیلومترمربع و زمان تمرکز آن بر اساس روش کرپیچ 35/4 ساعت می­باشد.

از آن جایی که هدف اصلی تحقیق پهنه­بندی خطر وقوع سیل حوضه­ی­ آبریز سیل­خیز کرگانرود در محیط ارک­ جی­آی­اس مبتنی بر عوامل طبیعی موثر می­باشد، لذا جهت نیل به هدف تحقیق، اقدام به بررسی میدانی، اسنادی، تهیه­ی نقشه­های زمین­شناسی و توپوگرافی شد. از روی نقشه­های زمین­شناسی و توپوگرافی لایه­های مورد نیاز جهت پهنه­بندی سیل حوضه در محیط نرم­افزار Arc GIS  تهیه شد. در نهایت با روش تلفیق ­وزنی و همپوشانی، نقشه نهایی پهنه­بندی خطر وقوع سیلاب برای حوضه­ی مورد تحقیق تهیه شد.

شکل (1) موقعیت جغرافیایی حوضه­­ی آبریز کرگانرود

متغیر­های مؤثر بر سیل بسیار متنوع می­باشند اما میزان تأثیرگذاری آنها یکسان نمی­باشد. در این تحقیق از میان متغیرهای مؤثر شش متغیر به دلیل اهمیت و تأثیر بیشتر بر سیل­خیزی و همچنین انطباق با تکنیک تحقیق انتخاب شده است. این عوامل عبارتند از: میزان بارندگی، شیب حوضه، زمین­شناسی، خاک، پوشش گیاهی و همچنین رتبه­بندی آبراهه­ها (شکل2) اشکال 4، 5، 8، 9، 10و نیز اشکال 11 تا 16 نقشه­ها و نمودارهای مربوط به هر یک از متغیر­ها می­باشند.

شکل(2) عوامل و متغیرهای مؤثر در وقوع سیلاب

حوضه­ی مورد مطالعه به دلیل وجود جریانات جوی تقریباًً در تمام فصول، مجاورت با دریای خزر، وجود دامنه­های جنگلی و مرتعی با شیب نسبتاً زیاد و دره­های عمیق، تقریباً در تمام طول سال دارای بارندگی بوده و میانگین بارندگی سالانه­ی آن حدود 7/1058 میلی­متر می­باشد. از آنجا که این حوضه یک حوضه­ی کوهستانی می­باشد، الگوی بارش علاوه بر شرایط جوی از ویژگی­های محلی و محیطی تبعیت کرده و به مراتب سنگین­تر و شدیدتر از سایر مناطق می­باشد. لذا بارندگی می­تواند عاملی مؤثر در وقوع سیل حوضه­ی مورد مطالعه باشد. شکل (4) نقشه­ی پهنه­بندی بارندگی حوضه­ی آبریز کرگانرود را نشان می­دهد. شیب حوضه به دلیل ارتباط نزدیک با سرعت جریان­های سطحی و مقدار نفوذ آب به داخل خاک یکی از عوامل مهم در شناخت وضعیت هیدرولوژیکی حوضه می­باشد. از آن جایی که 74 درصد از سطح حوضه دارای شیب بالای 20 درصد است و متوسط شیب حوضه 47 درصد می­باشد، لذا شیب عامل مهمی در سیل­خیزی حوضه­ی مورد مطالعه محسوب می­شود. در شکل (5) وضعیت شیب نقاط مختلف حوضه­ی آبریز کرگانرود قابل مشاهده است. در زمان بارش­های شدید حوضه­ی گرگانرود به ویژه در اردیبهشت ماه سیلابی می­شود. شکل (3) تصویری از سیل­های حوضه­ی رودخانه کرگانرود را نشان می­دهد.

شکل(3) نقشه­ی پهنه­بندی بارندگی حوضه­ی آبریز کرگانرود

شکل (4) نقشه­ی پهنه­بندی بارندگی حوضه­ی آبریز کرگانرود

شکل (5) نقشه­ی شیب حوضه­ی آبریز کرگانرود

وضعیت زمین­شناسی علاوه بر ویژگی­های ساختار زمین­شناسی، بیانگر نوع لیتولوژی حوضه نیز می­باشد. لیتولوژی و خاک حاصل از آن تعیین­کننده­ی شدت و ظرفیت نفوذپذیری خاک بوده و رواناب سطحی را نیز تحت تأثیر قرار می­دهد. شکل­های 8 و 9 به ترتیب نقشه­ی زمین­شناسی و خاک حوضه می­باشند. هرچه خاک سطحی­تر و نفوذپذیری سنگ ضعیف­تر باشد، رواناب سطحی و به تبع آن خطر وقوع سیل نیز افزایش می­یابد. از آنجایی که بخش اعظم حوضه شامل سازند­های بسیارمقاوم و مقاوم به فرسایش بوده و اکثر سطح حوضه نیز پوشیده از خاک­های اسیدی کم عمق تا نیمه عمیق با بافت متوسط تا سنگین می­باشد، لذا یکی از عوامل مؤثر در سیل­خیزی حوضه­ی مورد مطالعه وضعیت بافت خاک­های آن می­باشد. خاک­های سطحی و کم­عمق حوضه اغلب در شیب­های تند گسترش دارند و به دلیل نفوذپذیری ضعیف در زمان بارش­های شدید فرسایش­پذیر هستند. در شیب­های نسبتاً ملایم و ملایم حوضه­ی مورد تحقیق، به دلیل بارش زیاد و برتری هوازدگی شیمیایی خاک­های ریز­دانه سست رسی و سیلتی به ضخامت زیاد شکل گرفته­اند. این خاک­ها به واسطه دخالت انسان­ها و با از بین رفتن پوشش محافظ درختی و علفی حساسیت بالائی به فرسایش خطی (شیاری و خندقی) در منطقه نشان می­دهند (شکل­های 7 و8).

شکل (6) دخالت انسان­ها و وقوع فرسایش خطی (شیاری و خندقی)

شکل (7) نمونه­ای از  فرسایش خطی شدید(منبع نگارندگان)

شکل (8) نقشه­ی زمین­شناسی حوضه­ی آبریز کرگانرود (نقشه­ی زمین­شناسی  1:100000  خلخال - رضوانشهر)

شکل (9) نقشه­ی خاک حوضه­ی آبریز کرگانرود

وجود پوشش گیاهی در سطح حوضه به دلیل اثراتی که بر اجزاء سیکل هیدرولوژی حوضه دارد از عوامل کاهش دهنده­ی سیل­خیزی یک حوضه است. با توجه به اینکه 54 درصد از سطح حوضه دارای پوشش جنگلی می­باشد لذا این عامل یکی از مؤثرترین عوامل در کنترل سیل­خیزی حوضه می­باشد زیرا میزان رواناب تولید شده در اراضی جنگلی به دلیل تأثیر پوشش گیاهی، بسیار کمتر از سایر کاربری­هاست. وجود پوشش گیاهی در هر منطقه سرعت جریان­های سطحی را کاهش داده و سبب نفوذ بیشتر آب به داخل خاک می­گردد، در نتیجه تأثیر قابل ملاحظه­ای بر کاهش سیل­های مخرب خواهد. شکل (10) نقشه­ی پوشش گیاهی و کاربری اراضی حوضه­ی آبریز کرگانرود را نشان می­دهد.

شکل (10) نقشه­ی پوشش گیاهی و کاربری اراضی حوضه­ی آبریز کرگانرود

   شبکه­ی رودخانه­ها به مجموع آبراهه­هایی گفته می­شود که در سطح حوضه عمل تخلیه­ی جریان­های سطحی را انجام می­دهند (علیزاده، 1386: 452) و سنجش درجه­ی تکامل آنها با نمایه­های تراکم، رده و انشعاب صورت می­گیرد. تراکم زهکشی به طور مؤثری به لیتولوژی، شیب توپوگرافی و شرایط اقلیمی مربوط می­شود (بهرامی و همکاران 1387: 62 به نقل از سامرفیلد[6]) و نقش اساسی در زمان تمرکز و اوج سیلاب دارد. در این راستا حوضه­ی مورد مطالعه دارای تراکم زهکشی 43/3 کیلومتر در کیلومترمربع بوده که بیانگر مقاومت سنگ­های تشکیل­دهنده­ی حوضه در مقابل فرایند­های فرسایشی و همچنین نسبت انشعاب 42/2  که نشان­دهنده­ی­ این است که منحنی تغییرات دبی سیل نسبت به زمان دارای نقطه­ی اوج نسبتاً تیز می­باشد.

پس از مشخص نمودن متغیرهای مؤثر بر سیلاب و تهیه­ی نقشه­های مربوط به هریک از متغیرها در محیط نرم­افزاری Arc Map، متغیرها به چهار پارامتر مشخص تقسیم گردیده و سپس به هر یک از متغیر­ها بر اساس درجه­ی اهمیت آنها در وقوع سیل، امتیازی داده شده است. در این خصوص به متغیری که نقش بیشتری در وقوع سیل داشته امتیاز بیشتری تعلق گرفته است و بالعکس. سپس اقدام به تلفیق لایه­های شیب، پوشش گیاهی، خاک، زمین­شناسی و بارندگی در محیط نرم­افزاری Arc Map گردیده و حوضه به چهار پهنه با احتمال وقوع زیاد، نسبتاً زیاد، متوسط و کم تقسیم شده است. در نهایت با دخالت رتبه­بندی آبراهه­ها، با توجه به اینکه میزان و رویکرد سیل در طول آبراهه­ی اصلی از دامنه و فراوانی بیشتری برخوردار است (عنایتی و یمانی، 1384: 50)، نقشه­ی پهنه­بندی سیل حوضه تهیه شده است.

بحث و نتایج

حوضه­ی مورد مطالعه بر اساس پارامترهای مذکور (شیب، زمین­شناسی، خاک، پوشش گیاهی و میزان بارندگی) به پهنه­هایی با احتمال وقوع زیاد، نسبتاً زیاد، متوسط و کم تقسیم گردیده که دارای ویژگی­های زیر می­باشند:

پهنه­هایی با احتمال وقوع زیاد، عموماً شیب­های بالای 60 درصد را در حوضه شامل می­شوند و پوشیده از سنگ­هایی با نفوذپذیری ضعیف تا بسیار­ضعیف و مراتع غـیرمشجر و عاری از پـوشش گیاهی و سطوحی با پوشش سطحی خاک بوده و از متوسط بارندگی سالانه­ی 1600-1300 میلی­متر برخوردار می باشند. شکل شماره­ی(11) درصد پهنه­های سیل­خیز با احتمال وقوع زیاد در سطح حوضه­ی آبریز کرگانرود را نشان می­دهد که 52/61 درصد از سطح حوضه را سنگ­هایی با نفوذپذیری ضعیف تا بسیار ضعیف تشکیل می­دهد. همچنین 39/25 درصد از سطح حوضه را سطوحی با پوشش سطحی خاک تشکیل داده است. 

شکل (11) سهم عوامل موثر در سیل­خیزی در کلاس احتمال وقوع زیاد، به صورت پهنه­ی مشخص با درصد مساحت در حوضه

   پهنه­هایی با احتمال وقوع نسبتاً زیاد، عموماً دارای شیب­های 40 تا 60 درصد و سطوحی پوشیده از سنگ­هایی با نفوذپذیری متوسط و خاکی کم عمق بوده و جنگل­هایی با تراکم 1 تا 10 درصد و بوته­زار­ها را شامل می­شوند، همچنین از متوسط بارندگی سالانه­ی 1300-1000 میلی­متر برخوردار می­باشند. شکل (12) درصد پهنه­های سیل­خیز با احتمال وقوع نسبتاً زیاد در سطح حوضه را نشان می­دهد که 31/45 درصد از سطح حوضه از میانگین بارندگی سالانه­ی 1300-1000 میلی­متر برخوردار می­باشد. همچنین 33/29 درصد از سطح حوضه را شیب­های 40 تا 60 درصد تشکیل داده است.

شکل (12) سهم عوامل مؤثر در سیل­خیزی در کلاس احتمال وقوع نسبتاً زیاد، به صورت پهنه­ی مشخص با درصد مساحت در حوضه

پهنه­هایی با احتمال وقوع متوسط، عموماً پوشیده از سنگ­هایی با نفوذپذیری خوب و خاکی نسبتاً عمیق و شیب 20 تا 40 درصد بوده و جنگل­هایی با تراکم 10 تا 50 درصد و زمین­های زراعی و شالیزار­ها و مراتع مشجر حوضه را شامل می­شوند و از متوسط بارندگی سالانه­ی 1000-700 میلی­متر برخوردار می­باشند. شکل (13) درصد پهنه­های سیل­خیز با احتمال وقوع متوسط را در سطح حوضه نشان می­دهد که از وسعت زیادی برخوردارند.

شکل (13) سهم عوامل موثر در سیل­خیزی در کلاس احتمال وقوع متوسط، به صورت پهنه­ی مشخص با درصد مساحت در حوضه

پهنه­هایی با احتمال وقوع کم، پوشیده از سنگ­هایی با نفوذپذیری زیاد و جنگل­هایی با تراکم 50 تا 100 درصد بوده و سطوحی پوشیده از خاک­های عمیق را شامل می­شوند و از متوسط بارندگی سالانه­ی 700-384 میلی­متر برخوردار می­باشند. شکل (14) درصد پهنه­های سیل­خیز با احتمال وقوع کم را در سطح حوضه نشان می­دهد که 08/47 درصد از سطح حوضه از جنگل­هایی با تراکم 50 تا 100 درصد پوشیده شده است. همچنین 82/25 درصد از سطح حوضه را خاک­های عمیق تشکیل داده­است.

شکل(14) سهم عوامل موثر در سیل­خیزی در کلاس احتمال وقوع کم در حوضه

از آنجائی که وقوع سیل در طول آبراهه­ی اصلی از دامنه و فراوانی بیشتری برخوردار می­باشد نقشه­ی نهایی پهنه­بندی وقوع سیل حوضه­ی کرگانرود با تلفیق لایه­های اطلاعاتی مؤثر به دست آمده است (شکل15). پهنه­های تفکیک شده شامل چهار پهنه­ی خطر وقوع سیل یعنی پهنه­هایی با احتمال وقوع زیاد، نسبتاً زیاد، متوسط و کم می­باشد. با توجه به نقشه­ی پهنه­بندی وقوع سیل، پهنه­هایی با احتمال وقوع زیاد، 86/18 درصد (53/113 کیلومترمربع)، پهنه­هایی با احتمال وقوع نسبتاً­ زیاد، 68/35 درصد (90/215 کیلومترمربع)، پهنه­هایی با احتمال وقوع­ متوسط، 66/29 درصد (29/179 کیلومترمربع) و پهنه­هایی با احتمال وقوع­ کم، 80/15 درصد (58/94) از سطح حوضه را شامل می­شوند (شکل16).

شکل (15) پهنه­بندی وقوع سیل حوضه­ی آبریز کرگانرود

شکل (16) درصد پهنه­های وقوع سیل در سطح حوضه

بحث و نتیجه­گیری

نتـایج حاصل از تلفیق شش لایه­ی شیب، خاک، پوشش گیاهی، زمین­شناسی، میزان بارنـدگی و همچنین رتبه­بندی آبراهه نشان می­دهدکه سیل در طول آبراهه­ی اصلی از دامنه و فراوانی بیشتری برخوردار می­باشد، نقشه­ی نهایی پهنه­بندی وقوع سیل حوضه­ی کرگانرود به حاکی از این سات که می­توان منطقه را از نظر سیل به چهار پهنه­ی خطر وقوع سیل یعنی پهنه­هایی با احتمال وقوع زیاد، نسبتاً زیاد، متوسط و کم تفکیک نمود. با توجه به نقشه­ی پهنه­بندی وقوع سیل، می­توان گفت که پهنه­هایی با احتمال وقوع زیاد، 86/18 درصد (53/113 کیلومترمربع)، پهنه­هایی با احتمال وقوع نسبتاً زیاد، 68/35 درصد(90/215 کیلومترمربع)، پهنه­هایی با احتمال وقوع­ متوسط، 66/29 درصد (29/179 کیلومترمربع) و پهنه­هایی با احتمال وقوع کم، 80/15 درصد (58/94) از سطح حوضه را شامل می­شوند.. نتایج تحقیق نشان می­دهد که حوضه­ی مورد مطالعه به دلیل برخورداری از متوسط بارندگی سالانه­ی 7/1058 میلی­متر، شیب زیاد و سازند­های نسبتاً نفوذناپـذیر و همچنین به دلیل داشتن شکلی نسبتاً کشیده از قابـلیت سیل­خیزی نسبتاً زیادی بـرخوردار می­باشد. تنها در 86/18 درصد از سطح حوضه احتمال وقوع سیل، زیاد می­باشد که با شناسایی آن نقاط و اعمال روش­های صحیح مدیریتی می­توان شرایطی مناسب را جهت برقراری توازن و تعادل اکولوژیکی حوضه فراهم نمود و از مخاطرات محیطی ناشی از آن جلوگیری کرد.