بررسـی الگوهای پیشروی و پسروی رودخانه‌ی بشار بر اساس تصاویر ماهواره‌ای، عکس‌های هوایی و مطالعات زمینی

مقدمه

در ایران همه‌ ساله پهنه‌های وسیعی از اراضی مرغوب و حاصلخیز سواحل رودخانه و مسیل­ها بر اثر عبور جریان­های سیلابی فرسایش یافته و تخریب می­شوند. پسروی رودخانه را می­توان به طغیان سیلاب و نیروی وارده به کناره­ی رودخانه نسبت داد. در مدت زمانی که سطح آب بالاست، فشار هیدرولیکی به کناره داخلی رودخانه وارد می‌شود. با افت تراز آب در مدت پسروی رودخانه، فشار هیدرولیکی دیوار کانال کاهش مـی­یابد و جریان آب از کـناره­ی رودخانـه بـه داخل کانال برمی­گردد که سبب حرکت جانبی مواد کناری و گسیختگی پنجه­ای می­شود (تورن[1]، 1982).در رودخانه­های آبرفتی فرایندهای مستمر پیشروی و پسروی[2] سبب تغییرات کانال از بازه­ای به بازه­ی دیگر می­شود. در این راستا بررسی تغییرات مورفولوژیکی رودخانه­های آبرفتی به ‌ویژه تغییرات کانال از طریق فرایندهای پیشروی و پسروی و همچنین تکنیک­های تشخیص این تغییرات برای برنامه­ریزی و مدیریت محیط­های رودخانه­های آبرفتی مفید است (حسین و همکاران، 2013). تعیین میزان پیشروی و پسروی منوط به تعیین و تشخیص دقیق خط ساحلی دارد.

در دهه­های اخیر مطالعات مختلفی روی مورفولوژی رودخانه­ها با استفاده از تصاویر ماهواره­ای انجام شده است. در داخل کشور رضایی مقدم و پیروزی­نژاد (1393) بر اساس تصاویر ماهواره­ای سال­های 1334، 1348 و 1382 نشان دادند میزان سطوح پیشروی یافته نسبت به سطوح رسوب‌گذاری بیش­تر بوده است. بررسی تغییرات مورفولوژیـکی قسـمتی از آبراهه­ی بابل­رود توسط یـمانی و همکاران (1394) در طی سه بازه­ی زمانی 1334، 1383 و 1393 با استفاده از تصویر ماهواره­ای لندست نشان داده­اند که الگوی رودخانه در محدوده­ی مورد مطالعه نسبتاً ناپایدار بوده است. یائو و همکاران (2011) سطح کل پیشروی یافته بازه‌های رودخانه­ی Yellow چین در طول سال‌های 1958 تا 2008 را در دو طرف رودخانه معادل 518 کیلومترمربع گزارش نمودند. باسر و همکاران[3] (2012) با استفاده از تصاویر لندست سال‌های 1973 تا 2003 رودخانه­ی Jamuna هندوستان میانگین پیشروی و پسروی را به ترتیب به میزان 227 و 271 برای ساحل چپ و 187 و 148 متر در سال در ساحل راست برآورد نمودند. حسین و همکاران (2013) به ارزیابی تغییرات مورفولوژی رودخانه­ی Gonges با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای لندست و IRS در دوره­ی­ زمانی 1973-2009 پرداختند. نتایج نشان داد که ساحل راست نسبت به ساحل چپ حساسیت بیشتری به پیشروی دارد. از تحقیقات صورت گرفته می‌توان این ‌طور جمع‌بندی نمود که پیشروی کناری رودخانه یک معضل زیست‌محیطی، اکولوژیکی و مدیریتی است. بر همین اساس روش­ها و مدل‌های مختلفی به‌منظور بررسی آن ارائه‌ شده است، در این میان علم سنجش‌ازدور همواره یکی از بهترین روش‌های مطالعه فرسایش رودخانه‌ای بوده است. بر این اساس تحقیق حاضر با هدف شناسایی بازه­های فرسایش­پذیر (بیشترین میزان پیشروی) در رودخانه­ی بشار به لحاظ اهمیت توسعه‌ای و بهر­ه­برداری از آن‌ در سطح ملی و همچنین مسائل زیست­محیطی، صورت گرفته است.

مواد و روش­ها

حوضه­ی آبریز رودخانه­ی بشار از زیرحوضه­های کارون بـزرگ است که از کـوه­های سپیدان استان فارس سـرچشمه گـرفته و پس از عـبور از دشت یاسوج و پیوستن رودخانه­های کوچک و بزرگ به آن سرانجام به رودخانه­ی ماربر پیوسته و رودخانه­ی خرسان را تشکیل می­دهد (شکل 1).

شکل(1)موقعیت جغرافیایی محدوده مورد مطالعه

در مجموع 10 تصویر لندسـت از سال­های 1975 تا 2015، عـکس­های هوایی سال­های مختلف، تصاویر گوگل­ارث و تصویر سال 2008 ماهواره IRS برای این مطالعه انتخاب شد. برای مقایسه مرزهای کناره­های رودخانه و برای اجتناب از استفاده از ترازهای مختلف آب و جلوگیری از میزان خطا در تخمین نسبت پیشروی و پسروی کناره­های رودخانه از تصاویر چند زمانی در زمان کم‌آبی استفاده شد. تصاویر در سال­های 1975، 1978، 1984، 1990، 1994، 1999، 2003، 2008، 2011 و 2015 تهیه شدند. باندهای 1، 2 و 3 لندست MSS و باندهای 2، 3 و 4 لندست TM ترکیب رنگی مشخصی از باندهای مرئی مادون ‌قرمز تشکیل می­دهند که برای تشریح و تفکیک اراضی آبی و خشکی مفید است (حسین و همکاران، 2013). به‌ منظور افزایش کیفیت و وضوح تصاویر ماهواره‌ای در نرم‌افزار سنجش­‌از­دور ENVI از روش HSV استفاده شد. در شکل (2) تصویر بازه­ای از رودخانه­ی بشار به ‌صورت نمونه ارائه شده است.

شکل (2) تصویر ماهواره لندست یک بازه از رودخانه­ی بشار

آشکارسازیمکانیتصاویرو انتخابروش­هایجداسازیآبوزمین

در بخش­هایی از بازه­های مورد مطالعه، مقطع عرضی کانال وسیع و کم‌عمق است. به ‌طوری‌که تغییرات کم در سطح آب منجر به ایجاد تغییرات بیشتر در موقعیت مرزهای کانال می­گردد. برای اجتناب از این مسئله کانال رودخانه به ‌عنوان منطقه­ای با پوشش گیاهی کمتر از 10 درصد فرض گردید. بنابراین کنتراست بین خاک لخت و مناطق دارای پوشش گیاهی واضح است. روش استفاده از پوشش گیاهی و خاک لخت برای تشخیص کانال رودخانه با استفاده از روش‌های ژئومورفولوژیکی به ‌طورموفقیت‌آمیزی به ‌وسیله­ی گارنل (1977) و وینترباتوم (2000) به کار رفته است. در این تحقیق بسته به نوع، زمان و وضوح تصاویر از روش‌های مختلف بارزسازی مثل بارزسازی لبه، بسط خطی اشباع، Density Slice و Tasseled Cap استفاده شد (شکل 3). یکی دیگر از روش‌های تفکیک اراضی آبی و خشکی که در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفت طبقه‌بندی تصاویر بود. در طبقه‌بندی، از روش نظارت ‌شده استفاده شد که در آن تصاویر به سه کاربری و کلاس پوشش اراضی مختلف طبقه‌بندی گردید. به‌طوری‌که در نقشه­ی طبقه‌بندی ‌شده، آب (کانال رودخانه)، جزایر شنی و کاربری اراضی رقومی گردید (EGIS، 1999).

 تشخیص بین کانال‌های فعال و متروک (غیرفعال) مشکل است. در این‌چنین مواردی از معیار EGIS (1999) استفاده می­شود. در معیار ارائه شده توسط EGIS (1999) اجسام و موانع شنی و اراضی پوشش گیاهی واقع در بستر نیز در نظر گرفته می‌شود (شکل 3). در این مطالعه تمام تصاویر ماهواره­ای با دقت برای تشخیص خطوط ساحلی یا کناری رودخانه در نرم‌افزار Arcgis10 رقومی شدند. در ابتدا رودخانه­ی بشار به 7 بازه به طول 11 کیلومتر تقسیم گردید سپس لبه­های کناری رودخانه در هر بازه از بالادست به سمت پایین‌دست رقومی گردید. فرایند مشابه برای تصاویر زمان­های مختلف انجام گردید. تغییرات لبه­های چپ و راست رودخانه با استفاده از مختصات کناری رودخانه به‌ عنوان میزان پیشروی و پسروی محاسبه گردید.

شکل (3) تصویر طبقه‌بندی‌شده­ی بازه‌ای از رودخانه­ی بشار

تغییرات کوتاه و بلندمدت برای هـر دو ساحل چپ و راست آنالیز شـد. برای آنالیز کوتاه‌مدت نسبت جابه­جایی بر اساس تفاوت بین دو تصویر متوالی محاسبه گردید. در این مطالعه برای آنالیز کوتاه‌مدت نسبت جابه­جایی بین تصاویر سال­های 1984-1975، 1990-1984، 1990-1994، 1994-1999، 1999-2003، 2003-2008، 2008-2011 و 2011-2015 محاسبه شد. در مقابل در آنالیز بلندمدت، میزان پیشروی و پسروی سال­های 1984، 1990، 1994، 1999، 2003، 2008، 2011 و 2015 نسبت به سال 1975 محاسبه شدند.

تعیین سطح پیشروی و پسروی

در این بررسی خطوط ساحلی طی دوره‌های مختلف در داخل یک‌لایه­ی رقومی واحد برای ایجاد پلی­گون‌هایی که تـفاوت بین دو مکان را نشان ­دهـند ایجاد گردید. اگر پلی­گون در سمت چپ خطوط ساحلی قـرار گیرد پلی­گون پیشرویی و اگـر پلی گون در سمت راست خط ساحلی قرار گـیرد، پلی گون پسروی را نشان می­دهد. از فرایند مشابه برای ارزیابی پیشروی و پسروی ساحل سمت راست استفاده شد. برای تعیین نوع تغییرات هر یک از سواحل ابتدا موقعیت هر خط ساحلی در بازه‌های مکانی مورد مطالعه با خط ساحلی دوره­ی قبل مقایسه شد تا نوع جابه‌جایی در قالب پیشروی و پسروی مشخص شود. سپس سطح جابه­جایی­ها نیز نسبت به دوره­ی قبل اندازه‌گیری شد. نسبت پیشروی و پسروی نیز از تقسیم میزان پیشروی و پسروی هر دوره­ نسبت به اختلاف زمان دو تصویر محاسبه گردید که برحسب هکتار بر سال است.

بحث و نتایج

بعد از تهیه، پردازش و رقومی­سازی تصاویر ماهواره­ای، مقادیر پیشروی و پسروی برای هر بازه و هر دوره­ی زمانی محاسبه گردید (جدول1 تا 4) ارائه ‌شده‌اند. جداول (­1 و 2 ) مقادیر پیشروی و پسروی را برای دوره‌های زمانی متوالی (تغییرات کوتاه‌مدت) ارائه نموده است و جداول (3 و 4) مقادیر پیشروی و پسروی را برای دوره‌های زمانی مختلف نسبت به دوره­ی مرجع (تغییرات زمانی بلندمدت) که سال 1975 است ارائه کرده است.

از نتایج جدول بالا مشخص است که در دوره‌های بررسی‌شده میزان پیشروی در بازه­های اول، دوم و پنجم بیشترین مقادیر را ارائه نموده است. در دوره­ی اول (1975-1984) میزان پیشروی برای 9 سال محاسبه‌شده است. در صورتی ‌که در بازه‌های دوم، سوم، چهارم، پنجم، ششم و هفتم میزان پیشروی به ترتیب برای 15، 19، 24، 28، 32، 35 و 40 سال محاسبه ‌شده است. نتایج مقادیر پیشروی در سال­های مختلف نسبت به سال مرجع (1975) نشان داد که نمی­توان روند خاصی را در افزایش یا کاهش پیشروی در طی دوره‌های مختلف ارائه نمود که بسته به شرایط هیدرولوژیکی هر دوره از لحاظ سیل و خشک‌سالی، تغییرات کاربری اراضی، اثرات فعالیت‌های انسانی وعوامل جانبی دیگری دارد.نتایج میزان تغییرات پسروی دوره‌های زمانی مختلف نسبت به سال مرجع 975 (جدول 2) نشان داده است که در دوره‌های بررسی‌شده میزان پسروی در بازه­های اول، دوم و سوم بیشترین مقادیر را ارائه نموده است. به ‌طور مشابه با نتایج جدول (1) نتایج مقادیر پیشروی در سال­های مختلف نسبت به سال مرجع (1975) (جدول2) نشان داده است که نمی­توان روند خاصی را در افزایش یا کاهش پیشروی در طی دوره‌های مختلف ارائه نمود.

جدول (1) میزان پیشروی طولانی‌مدت در بازه‌های مورد بررسی رودخانه­ی بشار

جدول (2) میزان پسروی طولانی‌مدت در بازه‌های مورد بررسی رودخانه­ی بشار

* تمام مقادیر در واحد هکتار در سال محاسبه‌شده‌اند.

مقادیر پیشروی و پسروی برای دوره‌های متوالی (تغییرات کوتاه‌مدت) نشان داده است که میزان پیشروی و پسروی در دوره‌های اول تا سوم یعنی سال­های 1975-1984، 1984-1990 و 1990-1994 بیشترین مقادیر را ارائه نموده است. از سال 1994 تاکـنون میزان پیشروی و پسروی کاهش محسوسی را نشان داده است؛ که یکی از دلایل اصلی آن کاهش دبی طغیانی رودخانه­ی بشار در طی سال­های اخیر بوده است. در مقایسه بین بازه­های مختلف بازه‌های دوم، سوم و پنجم نسبت به بازه‌های دیگر تغییرات جانبی رودخانه بیشتر بوده است. به‌ طور کلی از نتایج جدول­های (1 تا 4) می­توان فهمید که نسبت پیشروی طی سال­های 1975-1990 افزایش زیادی داشته است. سپس طی سال­های 1990 تا 2008 کاهش یافته و در سال­های 2011 تا 2015 افزایش ناچیزی یافته است. تغییرات مقادیر پیشروی نسبت به میزان پسروی طی سال­های مورد بررسی روند ثابتی را نشان نداده است به ‌طوری ‌که در بعضی سال­ها مقدار پیشروی بیشتر بوده است و در بعضی سال­ها نیز میزان پسروی بیشتر بوده است. در شکل (9) پیشروی و پسروی رودخانه­ی بشار در بعضی از بازه­ها به‌ صورت نمونه ارائه شده است. در شکل (5) میانگین پیشروی و پسروی در دوره‌های زمانی کوتاه‌مدت و بلندمدت و تغییرات دبی در دوره‌های زمانی مختلف ارائه شده است

جدول (3) میزان پیشروی کوتاه‌مدت در بازه‌های مورد بررسی رودخانه­ی بشار

میزان پیشروی و پسروی طی سال‌های 1975 تا 1984 به ترتیب به میزان 43 و 44 هکتار بوده است که نسبت پیشروی و پسروی طی این سال‌ها به ترتیب به میزان 7/4 و 8/4 هکتار در سال بوده است. بیشترین میزان پیشروی و پسروی در طی دوره‌های مورد بررسی به ترتیب به میزان 7/4 هکتار در سال در 1975-1984 و 8 هکتار در سال در دوره­ی 1984-1990 مشاهده شده است. کمترین میزان پیشروی و پسروی به ترتیب دوره‌های زمانی 2008-2011 به میزان 6/2 و 3/2 هکتار در سال محاسبه‌شده است. بررسی نسبت پیشروی در بازه‌های مورد بررسی رودخانه­ی بشار نشان می­دهد که بازه­ی پنجم و دوم به ترتیب به میزان 9/6 و 4/6 هکتار در سال بیشترین نسبت پیشروی را نشان داده است. هم‌چنین بازه­های دوم و پنجم به ترتیب به میزان 7/6 و 5/6 هکتار در سال بیشترین نسبت پسروی را نشان داده است.

جدول (4) میزان پسروی کوتاه‌مدت در بازه‌های مورد بررسی رودخانه­ی بشار

شکل (4) پیشروی و پسروی در بازه‌هایی از رودخانه­ی بشار طی سال‌های 1975-1984 و 1975-2015

    کمترین میزان پیشروی و پسروی به ترتیب به میزان 11/5 و 6/4 هکتار در سال در بازه هفتم محاسبه‌ شده است که نشان‌دهنده­ی پایداری این بازه از رودخانه­ی بشار است. مجموع کل اراضی پیشروی یافته و پسروی یافته نیز حاکی از بالا بودن مقدار پیشروی (1407 هکتار) نسبت به پسروی (1378 هکتار) در رودخانه­ی بشار بوده است که با نتایج کامو (2008) و روزو و همکاران (2014) مشابه است درحالی‌که وانگ و همکاران (2010) به نتایج متفاوتی در رودخانه­ی هوانگ[4] دست یافتند.

شکل (5) میانگین پیشروی و پسروی در بازه‌ها زمانی بلند و کوتاه‌مدت رودخانه­ی بشار

متوسط تغییرات کوتاه‌مدت پیشروی و پسروی در دوره‌های زمانی مختلف و ارتباط آن با دبی نشان می­دهد که در دوره‌های 1975 تا 1994 مقادیر پیشروی و پسروی متناسب با بالا بودن د­بی رودخانه­ی بالا بوده است. ولی در دوره‌های 1994 تا 2015 بر میزان پیشروی و پسروی کاسته شده است که این کاهش هماهنگ با سیر نزولی دبی است.با توجه به این که یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر میزان پسروی رودخانه­ی بشار، دبی است. بین میزان دبی با میزان پیشروی و پسروی و بین مقادیر پیشروی با پسروی رابطه­ی رگرسیونی برقرار گردید که در شکل ­(6) ارائه شده است.

ضریب همبستگی بین نسبت پیشروی و دبی متوسط سالانه در بازه­ی زمانی کوتاه‌مدت به ترتیب به میزان 54/0 و 44/0 بوده است. هر چند رابطه­ی مثبتی بین میزان پیشروی و پسروی با دبی متوسط جریان مشاهده شده است ولی این رابطه کاملاً معنی‌دار نبوده است. در این میان رابطه­ی پیشروی و دبی رودخانه بهتر از رابطه­ی پسروی و دبی بوده است (شکل 7). علت بهتر بودن رابطه­ی بین دبی و پیشروی نسبت به دبی و پسروی این است که پیشروی تابع اولیه­ی دبی سالانه است درحالی‌که پسروی تابع اولیه­ی ­رسوب‌گذاری بار معلق است. بررسی رابطه­ی همبستگی بین پیشروی و پسروی رابطه کاملاً معنی‌دار و مثبتی را ارائه نموده است که نشان‌دهنده­ی ارتباط بالایی این دو متغیر است (شکل 7). 

با توجه به اینکه وضعیت هندسی و مورفولوژی، شرایط جریان، تراس‌های آبرفتی کناری، اراضی حاشیه و وضعیت زمین‌شناسی رودخانه در فاصله­های مختلف رودخانه تغییر می‌کند وضعیت پیشروی و پسروی نیز تغییر می­کند بر این اساس تغییرات میزان پیشروی و پسروی در فاصله‌های مختلف رودخانه در شکل (7) ارائه شده است.

تغییرات کوتاه‌مدت و بلندمدت پیشروی و پسروی نیز نشان داد که از سال 1994 تا کنون میزان پیشروی و پسروی در رودخانه­ی بشار کاهش‌یافته است. با توجه به کاهش دبی رودخانه طی ده سال اخیر، کاهش مقادیر پیشرویی و پسرویی تا حد زیادی به کاهش دبی رودخانه بستگی دارد. البته رابطه­ی بین دبی رودخانه­ی بشار با میزان پیشروی و پسروی رودخانه هر چند مثبت و دارای همبستگی نسبتاً خوبی است ولی این رابطه کاملاً معنی‌دار نبوده است به‌طوری‌که نقش عوامل دیگر در میزان پیشروی و پسروی را نشان می­دهد. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده از تحقیق حاضر و مطالعات و بازدیدهای صحرایی دلایل مختلفی در شکل‌گیری الگوی کنونی رودخانه­ی بشار از جمله دبی، زمین‌شناسی، کاربری اراضی حاشیه­ی رودخانه، عوامل انسانی، تنش برشی و... مؤثر است.

شکل (6) رابطه­ی پیشروی و پسروی با دبی وجابجای رودخانه­ی بشار در بازه­ی زمانی کوتاه‌مدت

شکل (7) مقادیر پیشروی و پسروی در فاصله‌های مختلف رودخانه­ی بشار

یکی دیگر از عوامل مهم که در این تحقیق بررسی‌شده است وضعیت سازندهای

زمین‌شناسی است که رودخانه­ی بشار از آن­ها عبور می­کند (شکل 8). رودخانه­ی  بشار در طول مسیر خود از سازندهای آسماری، آسماری– جهرم، گچساران، رازک، پابده– گورپی و بختیاری عبور می‌نماید. مطالعات صورت گرفته از طریق بازدیدهای صحرایی و نقشه­ی سنگ‌شناسی حوضه حکایت از متفاوت بودن مقاومت این سازندها در مقابل فرسایش کناری رودخانه است و این اختلاف مقاومت نقش و تأثیر سازندهای زمین‌شناسی را در فرسایش کناری رودخانه بیشتر مشخص می‌نماید. مقایسه­ی نقشه­های حساسیت به فرسایش از طریق تصاویر ماهواره­ای با نقشه­های به‌ دست‌ آمده از اطلاعات زمین‌شناسی، توپوگرافی و بازدیدهای میدانی حاکی از تطبیق بازه­های با بیشترین پیشروی با مکان­های حساس به فرسایش از نظر‌گاه زمین­شناسی بوده است (شکل9).

شکل (8) بخش­های مختلف رودخانه از لحاظ زمین‌شناسی

شکل( 9) بخش­های مختلف رودخانه از لحاظ حساسیت به فرسایش

نتیجه­گیری

مطالعه­ی پیشروی و پسروی رودخانه­ی بشار بین سال‌های 1975 تا 2015 نشان می­دهد که نسبت پیشروی طی سال­های 1975-1990 افزایش قابل‌ملاحظه‌ای داشته است. سپس طی سال­های 1990 تا 2008 کاهش یافته و در سال­های 2011 تا 2015 افزایش ناچیزی یافته است. تغییرات مقادیر پیشروی نسبت به میزان پسروی طی سال­های مورد بررسی روند ثابتی را نشان نداده است به‌ طوری ‌که در بعضی سال­ها مقدار پیشروی بیشتر بوده است و در بعضی سال­ها نیز میزان پسروی بیشتر بوده است. بیشترین میزان پیشروی و پسروی در طی دوره‌های مورد بررسی به ترتیب به میزان 7/4 هکتار در سال در 1975-1984 و 8 هکتار در سال در دوره­ی 1984-1990 مشاهده شده است. کمترین میزان پیشروی و پسروی به ترتیب دوره‌های زمانی 2008-2011به میزان 6/2 و 3/2هکتار در سال محاسبه ‌شده است. بررسی نسبت پیشروی در بازه‌های مورد بررسی رودخانه­ی بشار نشان می­دهد که بازه پنجم و دوم به ترتیب به میزان 9/6 و 4/6 هکتار در سال بیشترین نسبت پیشروی را نشان داده است. هم‌چنین بازه­های دوم و پنجم به ترتیب به میزان 7/6 و 5/6 هکتار در سال بیشترین نسبت پسروی را نشان داده است. کمترین میزان پیشروی و پسروی به ترتیب به میزان 11/5 و 6/4 هکتار در سال در بازه­ی هفتم محاسبه‌شده است که نشان‌دهنده­ی پایداری این بازه از رودخانه­ی بشار است. مجموع کل اراضی پیشروی یافته و پسروی یافته نیز حاکی از بالا بودن مقدار پیشروی (407 هکتار) نسبت به پسروی (1378 هکتار) در رودخانه­ی بشار بوده است.

از جمله مواردی که انسان در ایجاد فرسایش کناری رودخانه­ی بشار نقش داشته است نحوه­ی استفاده از اراضی حاشیه­­ی رودخانه است. در طول مسیر رودخانه از تراس‌های کناری برای زراعت گندم و برنج مورد استفاده قرار گرفته است. طی بازدیدی که از این اراضی به عمل آمد مشخص گردید که بخشی از فرسایش کناری در اثر استفاده از اولین تراس کناری رودخانه است.