برآورد شماره‌ی منحنی و ارتفاع رواناب در محیط Arc-GIS (مطالعه‌ی موردی: شهرستان مشکین‌شهر)

از مهم­ترین مخاطرات طبیعی در جهان و از جمله در ایران چه از نظر خسارات مالی و چه خسارات جانی، سیل[1] می­باشد. در مقایسه با سایر مخاطرات طبیعی، سیلاب­ها با فراوانی زیاد و در فضایی گسترده اتفاق می­افتند (گرین[2] و همکاران، 2013: 3؛ وارد[3] و همکاران، 2014: 1). وقوع سیل و اثرات آن در زمان­های اخیر بی­سابقه بوده، به ویژه با تغییرات آب و هوایی و تغییرات پیوسته در سطح آب دریا به وضوح از اهمیت جهانی برخوردار می­باشد (Nkwunonwo و همکاران، 2015: 3898). کشور ما ایران نیز کشوری بلاخیز در جهان است و از این قاعده مستثنی نمی­باشد. علاوه بر ایران جاری شدن سیل در مناطق شهری یک مشکل اجتناب­ناپذیر برای بسیاری از شهرها در کشورهای آسیایی است (اپیرومانکول و مارک[4]،2001: 101). تغییر کاربری و توسـعه­ی شهری با حذف پوشش گیاهی، پاک­سازی زمین، ساخت راه­ها و ساختمان­ها، جریان زیرسطحی را کاهش و رواناب سطحی را افزایش می­دهد (کریستوفر^[5] و همکاران، 2002: 5). از این رو، جلوگیری از جاری شدن سیل در مناطق شهری به یک مسئله­ی مهم تبدیل شده است (آدیمو و همکاران، 2008: 1). نقشه­های منتشر شده از طرف سازمان­های بین­المللی نیز حاکی از افزایش سیلاب­های شهری، به ویژه در کلان­شهرها می­باشند. افزایش شدت سیلاب­ها در شهرها سبب شده که استراتژی­های متعددی در مدیریت سیلاب­های شهری تدوین گردد (قهرودی­تالی، 167-168:1388).

از ابزارهایی که برای این منظور استفاده می­شود سامانه­ی اطلاعات جغرافیایی است؛ اطلاعات مربوط به ارتفاع و حجم رواناب و شماره­ی منحنی حوضه­ی مورد نظر نیز از جمله اطلاعاتی است که از ترکیب لایه­های اطلاعاتی در محیطGISبه دست می­آید و در مطالعات مربوط به رواناب مورد استفاده قرار می­گیرد.

برای تخمین رواناب روش­های زیادی مورد استفاده قرار می­گیرد، یکی از مهم­ترین روش­ها، روش سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) است. این روش تابعی از میانگین بارش و نوع کاربری اراضی می­باشد. استفاده از عامل کاربری اراضی به منظور دست­یابی به پارامتر مهمی در این روش است؛ این پارامتر شماره­ی منحنی[6] (CN) نامیده می­شود که نمایه­ی خصوصیات حوضه از نظر نفوذپذیری است (آذری و همکاران، 1388: 45 به نقل از علیزاده، 1388).

با توجه به اهمیت موضوع مطالعات فراوانی در این زمینه انجام شده است، از جمله این مطالعات می­توان به کارهایی که توسط اجمال[7] و همکاران (2015)، ویجی[8] و همکاران (2015)، باسکار و سوربابو[9] (2014)، اوزتورک و باتوک[10] (2011)، ژئون[11] و هـمکاران (2014)، عزیزا­عباس و هاشـیم[12] (2014)، در ایـران نیز بـه پژوهش­هایی که توسط امیراحمدی و همکاران (1390)، محمدی مطلق و همکاران (1392)، زربازو و همکاران (1392)، ملکی و همکاران (1393) انجام شده اشاره کرد. در این مطالعه نیز با توجه به این که شهر مشکین­شهر هر از چندگاهی در معرض سیلاب­های شدید قرار می­گیرد و خسارات فراوانی برجای می­گذارد، سعی شد با استفاده از قابلیت­های نرم­افزار ArcGIS، شماره­ی منحنی و ارتفاع رواناب منطقه­ی مورد مطالعه محاسبه و در قالب نقشه ارائه گردد.

معرفی محدوده­ی مورد مطالعه

منطقه­ی مورد مطالعه قسمتی از شهرستان مشکین­شهر می­باشد که با مساحت حدود 3900 کیلومتر مربع در ²52­¢38­°47 تا ²31­¢42­°47 طول شرقی و ²16¢22 °38 تا ²10¢25°38 عرض شمالی در شمال­غرب ایران و در 20 کیلومتری شمال قله­ی مشهور سبلان قرار دارد (ولیزاده و همکاران، 1391: 41). از نظر توپوگرافی ارتفاع شهر بین 1300 تا 1625  متر از سطح دریا قرار دارد. در سمت شرق، دره­ی عمیق خیاوچای قرار گرفته که رودخانه­ی خیاوچای در آن جریان دارد. این رود که از عناصر مهم ژئومورفولوژیک به شمار می­رود، از جنوب به شمال در دره­ای عمیق جریان دارد که به صورت مانعی طبیعی جهت گسترش و توسعه­ی کالبدی شهر عمل می­کند (طرح جامع مشکین­شهر، 1377: 9؛ کاظمی و بابایی، 1391: 35). از نظر آب و هوایی میانگین بارندگی سالانه­ی مشکین­شهر 6/ 376 میلی­متر می­باشد. در طی دوره­ی آماری 1374 تا 1392حداکثر بارش ثبت شده 3/520 میلی­متر بوده که متعلق به سال 2004 است. در این دوره­ی آماری میانگین دمای ماهانه مشکین شهر از 6/0- درجه سانتی­گراد در ماه دی تا 4/21 سانتی­گراد در ماه مرداد در نوسان بوده است. با توجه به اینکه محدوه­ی مورد نظر در مجاورت با رودخانه­ی خیاوچای می­باشد و حوضه­ی آبخیز این رودخانه شهر را در برگرفته است؛ در این مطالعه، محدوده­ی حوضه­ی مذکور با الحاقیه ArcHYDRO مشخص و در تمام مراحل انجام پژوهش محدوده­ی شهر در داخل محدوده­ی حوضه بررسی شد (شکل 1).

شکل(1) موقعیت محدوده­ی مورد مطالعه

مواد و روش

در مطالعه­ی حاضر اطلاعات کاربری اراضی، پوشش گیاهی، گروه هیدرولوژیکی خاک و میانگین سالانه­ی داده­های بارش منطقه در دوره­ی آماری 1374 تا 1392 استفاده شد. لایه­های مذکور در محیط نرم­افزار ArcGIS10.1 و الحاقیه­های ArcHYDRO 10.1 و ArcCN-Runoff فراهم و میانگین داده­های بارش در  Excel محاسبه شد.

شکل(2) نقشه کاربری ارضی منطقه

ـ کاربری اراضی

تخریب نواحی بالادست حوضه بـه صورت­های مختلف از جمله تخریب پوشش گیاهی و جاده­سازی، همچنین گسترش بی­رویه اراضی شهری و صنعتی، سبب کاهش نفوذ و افزایش رواناب می­گردد (لطفی و جعفری، 1390: 290). در برآورد شماره­ی منحنی و محاسبه­ی بارش مازاد آگاهی از کاربری اراضی منطقه اهمیت فراوانی دارد؛ لذا در تحقیق حاضر با استفاده از نقشه­ی کاربری داخل شهر، نقشه­ی پوشش گیاهی و تیپ اراضی اقدام به تهیه­ی نقشه­ی کاربری شد (شکل 2).

ـ شماره منحنی (CN)

برای محاسبه­ی اینکه چه مقدار از بارش به داخل خاک و یا زیرزمین نفوذ کرده و چه مقدار به رواناب تبدیل می­گردد اقدام به برآورد شماره­ی منحنی می­شود. در این حالت شماره­ی منحنی بالا به معنی رواناب بیش­تر و نفوذپذیـری کـمتر است (مناطق شـهری)، در حالی که شـماره­ی منحنی پایین، نشان­دهنده­ی رواناب کمتر و نفوذپذیری بالا می­باشد (خاک­های خشک) (ژان و هوانگ[13]، 2004: 1؛ شادید و المصری[14]، 2010: 2). برای محاسبه­ی شماره­ی منحنی منطقه­ی مورد مطالعه، الحاقیه ArcCN-Runoff استفاده شد. محاسبه­ی شماره­ی منحنی و رواناب برای هر پلی­گون به صورت جداگانه از ویژگی­های این ابزار است (محمدی و همکاران، 1392: 4). ورودی اولیه این ابزار بدین صورت می­باشند:

1- لایه­ی Landsoil: این لایه با اجرای عملیات تلفیق (Intersect) دو لایه­ی کاربری ارضی با ستون (SubCLASS) که حاوی نوع کاربری می­باشد و لایه­ی خاک با ستون (HYDGRP) که حاوی گروه­های هیدرولوژکی خاک است به دست می­آید.

2- جدول شاخص (Index): این جدول حاوی گروه­های هیدرولوژیکی خاک با توجه به نوع کاربری اراضی و شرایط رطوبتی است (ژان و هوانگ، 2004). برگرفته  از جداول خاص در این زمینه ([15]USDA، 1986: 3-2، 5-2 و 6-2؛ علیزاده، 1387).  

نقشه­ی CN با تلفیق دو نقشه کاربری و گروه هیدرولوژیکی خاک در محیط نرم­افزار GIS  Arcو با استفاده از الحاقیه Arc-CN به دست آمد (شکل 3). نقشه­ی CN به دست آمده متناسب با میزان نفوذپذیری در 5 کلاس طبقه­بندی شد، هر طبقه با یک عدد که شماره­ی منحنی آن طبقه می­باشد مشخص می­شود، شماره­ی منحنی کمتر (در این محدوده از 32 شروع می­شود) مربوط به مناطق با نفوذپذیری بالا و رواناب کم و شماره­ی منحنی بالا (98) مربوط به مناطق با کمترین نفوذپذیری و بالاترین رواناب که بیش­تر شامل سطوح آسفالتی و مناطق ساختمانی در داخل شهر می­باشد. 

شکل (3) نقشه CN منطقه

ـ ارتفاع رواناب

رواناب یکی از متغیر­های هیدرولوژیکی بسیار مهم و مورد استفاده در تحلیل پتانسیل سیل­خیزی می­باشد. پیش بینی قابل اطمینان از کیفیت و نسبت رواناب سطح زمین در داخل جریان­های رودخانه­ها سخت می­باشد و برای حوضه­های آبریز فاقد داده­های اندازه­گیری شده، زمان زیادی باید صرف شود تا این پیش­بینی به دست آید (نایاک و جیسوال 2003 به نقل از مهدیزاده). ارتفاع رواناب در یک حوضه بستگی زیادی به میزان بارندگی، نفوذپذیری و ویژگی­های حوضه­ی آبریز دارد و می­تواند در مقیاس زمانی روزانه، ماهانه و سالانه اندازه­گیری شود. با توجه به اهمیت آگاهی داشتن میزان ارتفاع رواناب حوضه­ روش­های زیادی برای برآورد این فاکتور وجود دارد که روش سازمان حفاظت خاک آمریکا از مهم­ترین آن­هاست. این روش با توجه به سادگی، انعطاف­پذیری و تطبیق­پذیری آن در تفسیر مدیریت منابع آب و برنامه­ریزی برای مناطق آبریز استفاده می­شود. گروه­های هیدرولوژیکی خاک، شماره­ی منحنی خاص هر نوع خاک را تعیین می­کنند که می­تواند در روش SCS استفاده شود (ادهم و همکاران، 2014: 1). این روش در سال 1972 ابداع شد. روش SCS به طور گسترده و با دقت مناسب برای پیش­بینی رواناب به کار می­رود. در این روش از رابطه­ی زیر استفاده می­شود (الجباری و همکاران، 2009: 1216؛ زنده و همکاران، 2014: 510):

در رابطه­ی (1):

Q: ارتـفاع رواناب. S:  ضریب نـگه­داشت بر حسب اینچ که خود بـرابـر است با

P : بارش 24 ساعته بر حسب اینچ.

ارتفاع رواناب در این مطالعه با نرم­افزار Arc-CN محاسبه شد؛ روش مورد استفاده در این نرم افزار نیز روش SCS است، به این صورت که با وارد کردن مقدار میانگین بارش سالانه و نقشه­ی کاربری اراضی که مشخص­کننده­ی میزان نگهداشت سطحی نیز است، نقشه­ی ارتفاع رواناب برای منطقه به دست ­آمد (شکل 4). به دلیل این که میانگین دقیق بارش محدوده­ی قابل محاسبه نبود، میانگین نقشه­ی همبارش تهیه شده برای منطقه در محیط نرم­افزار ادریسی محاسبه شد و با عدد حاصل از محاسبات در Excel مقایسه و در نهایت عدد به دست آمده (202/1 اینچ=58/366 میلی­متر) وارد نرم­افزار شد و نقشه­ی ارتفاع و حجم رواناب بر حسب مقدار بارش استخراج شد. ارتفاع رواناب (درصدی از بارندگی که در سطح جریان دارد) برای این محدوده، از صفر که برای مناطق با نفوذپذیری خیلی زیاد است شروع می­شود تا ارتفاع 99/0 که شامل کاربری­های با کمترین نفوذپذیری (بیش­تر قسمت­های داخل شهر) است ادامه می­یابد.

شکل (4) نقشه­ی ارتفاع رواناب منطقه(به درصد)

بحث و نتیجه­گیری

دامنه­ی خساراتی که وقوع سیل می­تواند به یک منطقه تحمیل کند به حدی وسیع و مهم می­باشد که مطالعه­ی سیل را از دیرباز مورد توجه قرار داده و اکنون نیز از اهمیت آن کاسته نشده است. از سوی دیگر پیش­بینی و مدیریت سیل می­تواند در کاهش خسارات مؤثر واقع شود. روش­های متفاوتی برای برآورد پتانسیل سیل ارائه شده است که بیش­تر متناسب با شرایط و داده­های اطلاعاتی هر منطقه می­باشد. یکی از کارآمدترین روش­ها از سوی سازمان حفاظت خاک آمریکا پیشنهاد شده است که از جمله برای حوضه­های فاقد آمار به فراوانی مورد استفاده قرار می­گیرد. در این روش از اطلاعات رطوبت خاک، نوع کاربری و بارش منطقه استفاده شده و پتانسیل ارتفاع رواناب پیش­بینی می­شود. در مطالعه­ی حاضر نیز سعی شد در چارچوب روش SCS میزان بارش مازاد در محدوده­ی شهر مشکین­شهر و حوضه پیرامونـی (شکل 1) مـحاسبه و پتانسیل سـیل­خیزی منطقه بـه صورت نقشه­ی پهنه­بندی شده ارائه گردد. با وجود اختلاف شدید نوع کاربری در داخل شهر و مناطق حاشیه­ای (شکل 2)، محاسبه دستی ضریب رواناب برای هر کاربری ناممکن بود، بنابراین برای محاسبه و به تصویر کشیدن اطلاعات از قابلیت­های نرم­افزار GIS Arc استفاده شد؛ لایه­های اطلاعاتی گروه هیدرولوژیکی خاک و کاربری اراضی  با الحاقیه ArcCN-Runoff در محیط GIS تلفیق شدند و فاکتور شماره­ی منحنی (CN) برای محاسبه­ی ارتفاع رواناب با روش SCS به دست­ آمد. در ادامه با جایگذاری میانگین بارش 19 ساله منطقه و داده­های CN در فرمول  SCS(رابطه­ی 1) ارتفاع رواناب حاصل شد. با پهنه­بندی خروجی CN (شکل 3) و ارتفاع رواناب (شکل 4) به صورت نقشه­ی طبقه­بندی­شده در چند کلاس، مشاهده و تفسیر پتانسیل سیل­خیزی محدوده به راحتی امکان­پذیر شد. مقایسه­ی دو نقشه­ی مذکور (شکل 3 و 4) با نقشه­ی کاربری اراضی نشان داد که هر دو در ارتباط مستقیم با نوع کاربری اراضی می­باشند؛ به طوری­ که در هر منطقه­ای با کاربری­های نفوذناپذیر ارزش عددی CN بالاتر است، بخصوص در مناطق داخلی شهر، شماره­ی منحنی­های بالاتر از 80 بیش­تر دیده می­شود. برعکس در مناطق حاشیه­ای شهر که باغ، فضای سبز و به طور کلی مناطق نفوذپذیر را شامل می­شود، شماره­ی منحنی­های کمتری وجود دارد. با وجود ارتباط و همبستگی مثبتی که CN با ارتفاع رواناب دارد، با فرض میانگین بارش مساوی در منطقه، مناطق با CN بالاتر درصد رواناب بیش­تری نیز تولید می­کنند، در مناطق داخلی شهر این میزان به بالاترین حد خود رسیده و ضریب رواناب بالاتر از 7/0 و حتی 99/0 به وضوح مشاهده می­شود (شکل 5).

در این مطالعه از سویـی دیـگر با توجه بـه قابلیت نرم­افـزارهای ArcGIS (آماده­سـازی و تـجزیه­ و ­تـحلیل اطـلاعات)، Arc-Hydro (ایـجاد مرز حوضـه و زیرحوضه­ها، تعیین مسیر آبراهه­ها، و...)، و ArcCN-Runoff (تلفیق اطلاعات، تعیین CN، محاسبه­ی ارتفاع رواناب) عملیات مربوط به محاسبه­ی ارتفاع رواناب مازاد و تعیین شماره­ی منحنی در مقایسه با روش­های دستی با دقت و سرعت بیش­تری انجام شد که این امر می­تواند در فرآیندهای مدیریتی و تصمیم­گیری برای مقابله و پیش­بینی سیلاب در حوضه­های آبخیز و در مناطق شهری توسط متولیان امر بیش­ از پیش مورد استفاده قرار گیرد.