پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز
سال:1393 | دوره:5 | شماره:10 |تعداد مقالات:13

وقوع سیلاب های متعدد در رودخانه ها از یک سو و تجمع فعالیت های صنعتی، تجاری و اجتماعی در کنار رودخانه ها به علت نزدیکی به منابع آب از سوی دیگر، لزوم اعمال مدیریت مناسب در سه مرحله قبل، هنگام وقوع و بعد از سیلاب را نمایان می سازد. اهمیت و سهم مدیریت غیرسازه ای (که قابل اجرا در هر سه مرحله قبل، حین و بعد از وقوع سیل است) در کاهش خسارت را می توان در سیل سال 1378 شهر نکا مشاهده نمود. در سال مذکور دو سیلاب به ترتیب در تیر و مرداد ماه در حوزه نکارود اتفاق افتاد که سیل اول باعث تخریب پل مرکز شهر، انسداد رودخانه و منجر به برگشت آب در پشت پل در سیل دوم گردید که سیل گرفتگی شهر و خسارات بسیاری را به بار آورد. در این مقاله اثر خرابی پل درتشدید خسارات ناشی از سیلاب مردادماه رودخانه نکارود در محدوده شهر نکا با استفاده از نرم افزار HEC-RAS مدل و جهت شبیه سازی آن، مشخصات هندسی 25 مقطع بالادست پل، ضریب زبری مانینگ، نوع جریان و شرایط مرزی وارد مدل شده و ضریب زبری مانینگ با استفاده از داده های دبی اشل موجود در محدوده مدل سازی، کالیبره گردید. سپس در دو حالت انسداد 70 درصدی مقطع پل و بدون انسداد، پروفیل سطح آب محاسبه و ترسیم و در هر دوحالت مذکور با داغاب برداشت شده در سیلاب مرداد ماه مقایسه گردید. نتایج نشان می دهد آنچه باعث افزایش خسارت در سیلاب مرداد ماه شده، میزان شدت سیلاب نبوده بلکه عامل اصلی افزایش خسارت، گرفتگی دهانه پل بر اثر خرابی حاصل از سیل اول بوده که باعث شده سیل با دبی 1100 مترمکعب برثانیه خسارتی برابر با دبی سیلاب 2450 مترمکعب بر ثانیه ایجاد نماید و چنانچه دهانه پل بعد از سیلاب اول پاکسازی می شد، سیلاب دوم به راحتی عبور می نمود و هیچ برگشت آب و خسارتی ناشی ازسیلاب دوم بوجود نمی آمد.

سدهای مخزنی با اهدافی نظیر تامین منابع آب، کنترل سیلاب و تولید نیروی برق آبی احداث می شوند. پدیده شکست سد، همواره سدها را تهدید می کند و موجب تلفات مالی و انسانی شدید در مناطق پایین دست می شود. اگر پدیده شکست و آثار ناشی از آن، قبل از احداث سد پیش بینی گردد، خسارات ناشی ازشکست در آینده کاهش می یابد. در پژوهش حاضر شکست سد پلرود در اثر روگذری با استفاده از مدل BREACH GUI مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد هیدروگراف سیلاب ناشی از شکست سد، دارای دبی اوج 47253 مترمکعب بر ثانیه می باشد. این دبی، 27 ساعت پس از شروع سیلاب و یک ساعت پس از آغاز روگذری از سد رخ می دهد. سپس روندیابی سیلاب به منظور تعیین اثرات شکست سد توسط مدلHEC-RAS  انجام شد. نتایج روندیابی سیلاب نشان داد که دبی اوج در مدت زمان 54 دقیقه، از محل سد به آخرین مقطع رودخانه در 15 کیلومتری پایین دست خواهد رسید و از کاهش 62 درصدی برخوردار است. انطباق تصاویر پهنه های سیلابی و تصاویر ماهواره ای منطقه مورد بررسی در مدل Google Earth نشان داد که 18 روستا و محدوده هایی از شهرهای کلاچای و رحیم آباد در پایاب سد دچار آب گرفتگی شدید می شوند. سیلاب ناشی از این شکست همچنین موجب فرسایش در مناطق نزدیک به محل سد می شود.

هیدروگراف واحد لحظه ای یا (IUH) هیدروگرافی است که در محاسبه هیدروگراف رواناب سطحی حوزه های آبخیز مورد استفاده قرار گرفته و اخیرا علاوه بر روش های مرسوم، تئوری آنتروپی شانون جهت محاسبه آن مورد توجه قرار گرفته است. اگر آنتروپی معیاری از میزان آشفتگی یک سیستم تعریف شود، آنگاه شاخص آنتروپی احتمال وقوع یک رخداد را بیان خواهد نمود. در این تئوری با تعریف زمان های پیمایش حوزه آبخیز به عنوان متغیر تصادفی و ماکزیمم نمودن رابطه آنتروپی بر اساس این پارامتر و همچنین لحاظ نمودن قیودها، میزان حداقل اریب تابع توزیع احتمالاتی و پارامترهای IUH حاصل گردیده و نهایتا معادله کاربردی IUH بدست می آید. در این مطالعه شش رویداد از حوزه معرف آبخیز لیقوان واقع در شمال غرب کشور مورد بررسی قرار گرفته است. پس از محاسبه زمان پیمایش و تعیین پارامترهای IUH بر اساس تئوری آنتروپی، معادله (IUH) کاربردی استخراج و نهایتا هیدروگراف رواناب مستقیم محاسبه گردید. جهت بررسی بیشتر نیز از روش هیدروگراف واحد ناش جهت برآورد IUHو هیدروگراف رواناب مستقیم استفاده شد. نتایج گویای عملکرد قابل قبول روش آنتروپی با میانگین خطای اوج 17.35 درصد، متوسط ضریب همبستگی 0.828، شاخص آنتروپی 2.47 نات و ضریب نش- ساتکلیف 0.742 می باشد.

حوزه آبخیز جونقان- فارسان یکی از زیر حوزه های کارون شمالی واقع در استان چهارمحال و بختیاری است. در حوزه آبخیز مذکور سدهای مخزنی برای ذخیره آب احداث گردیده یا در دست اجرا یا مطالعه است که در این تحقیق سعی شده با انجام روندیابی جریان میزان تاثیر احداث سدها در محدوده مورد نظر بر کاهش سیلاب پائین دست مورد بررسی قرار گیرد. نتایج نشان داد که احداث کلیه سدها باعث خواهد شد به طور متوسط دبی اوج سیل خروجی از حوزه 34 درصد کاهش یابد. این درصد کاهش برای سیلاب ها با دوره بازگشت های کم تر (2 سال)، بیش تر بود. هم چنین نتایج نشان داد سدهای خارج از بستر تاثیر کم تری در کنترل سیلاب حوزه آبخیز داشته اند. در مورد افزایش عرض سرریز، نتایج نشان داد 20 درصد افزایش در عرض سرریز، تاثیر معنی داری بر دبی اوج خروجی از سد نگذاشته و این تغییر باعث شده که به طور متوسط دبی اوج خروجی از سد تنها 0.6 درصد افزایش یابد.

از مهم ترین مسائل در مدیریت حوزه های آبخیز، پیش بینی فرآیندهای هیدرولوژیکی می باشد. استفاده از مدل های جدید در این زمینه می تواند به مدیریت و برنامه ریزی صحیح کمک کند. علاوه برآن پیش بینی جریان رودخانه، مخصوصا در شرایط سیلابی، به مسوولان این امکان را خواهد داد که با آمادگی خسارات ناشی از سیل را کاهش دهند. یکی از روش هایی که اخیرا برای پیش بینی و برآورد میزان دبی رودخانه ها به کار می رود، مدل نروفازی است. نروفازی با بررسی و تشخیص روابط بین ورودی ها و خروجی، به برآورد خروجی مطلوب می پردازد. در این مطالعه مقادیر سه ساله بارندگی و دبی روزانه ایستگاه های مختلف موجود در سطح حوزه آبخیز طالقان، به عنوان ورودی به مدل نروفازی وارد شد و با توجه به نمایه های آماری (ریشه میانگین مربعات خطا، ضریب همبستگی و تبیین)، بهترین ساختار نروفازی و ترکیب ورودی ها جهت پیش بینی جریان رودخانه مشخص گردید. نتایج نشان داد که بهترین برآوردها مربوط به فازی ساز گوسی بود. با اینکه حالت های ورودی مختلفی، نتایج قابل قبولی را ارائه داد، بهترین برآوردها با ضرایب RMSE و R2 داده های آموزش 0.02 و -0.98 داده های آزمون 0.06 و 0.87)، مربوط به ورودی دبی مهران و جوستان و دبی روز قبل گراب و دهدر بود. با توجه به نتایج مشخص شد که نروفازی با صحت زیادی پیش بینی جریان روزانه را انجام داده است و در مدیریت حوزه های آبخیز و کنترل سیل می تواند استفاده شود.

مدلسازی بارش- رواناب یک فرآیند ضروری و پیچیده می باشد که در بهره برداری مناسب از مخازن و مدیریت و برنامه ریزی صحیح منابع آب نقش عمده ای دارد. مدلسازی این فرآیند با استفاده از روش های مختلفی امکانپذیر است. از نظر تئوری، در مدلسازی یک سیستم می بایست روابط صریح بین متغیرهای ورودی و خروجی معلوم باشند. در حالیکه به علت معلوم نبودن روابط صریح بین متغیرها و عدم قطعیت های ذاتی آنها، استخراج چنین مدلی بسیار مشکل می باشد. بنابراین استفاده از روش های داده محور که محاسبات را در شرایط غیردقیق انجام می دهند و کاربردهای فراوانی در مسائل شناسایی کنترلی داشته اند، اجتناب ناپذیر است. روش کنترل گروهی داده ها (GMDH) یکی از انواع این روش ها می باشد که به تدریج یک نگاشت بین متغیرهای ورودی و خروجی تولید می کند. در این تحقیق برای شبیه -سازی فرآیند بارش-رواناب حوزه آبریز پلرود، یک مدل بر اساس رویکرد GMDH توسعه داده شده است. ارزیابی نتایج با استفاده از معیارهای آماری انجام شده و همچنین با نتایج شبکه های عصبی (ANN) نیز مقایسه شده است. نتایج حاکی از توانایی بالای هر دو روش در پیش بینی و شناسایی روابط پیچیده بین متغیرها در پیش بینی رواناب روزانه ناشی از بارندگی می باشند. مقادیر نتایج معیارهای آماری بیانگر عملکرد بهتر رویکرد استقرائی GHMD نسبت به شبکه های عصبی در مدلسازی بارش- رواناب در این حوزه می باشد.

به منظور اجرای برنامه های حفاظت خاک و کاهش رسوب زایی، همچنین محاسبه و طراحی دقیق حجم مخزن سد در احداث سدهای مخزنی، ضرورت دارد که میزان تولید رسوب در یک حوزه آبخیز، ارزیابی و برآورد گردد. بطورکلی پدیده فرسایش و انتقال رسوب از پیچیده ترین مسائل هیدرودینامیکی است که تعیین دقیق معادلات حاکم بر آن بدلیل اثرات پارامترهای مختلف، به آسانی میسر نیست. حتی اگر مدلی ریاضی نیز تبیین شود، دسترسی به داده های لازم در اکثر موارد به آسانی امکان پذیر نخواهد بود. با توجه به توانایی های شبکه های عصبی مصنوعی در شناسائی ارتباط بین متغیرهای ورودی و خروجی یک مساله، بدون در نظر گرفتن فیزیک آن مساله و نیز بدلیل ضعف مدل های فیزیکی و ریاضی در مدل کردن فرآیندهای رسوبی، این شبکه ها می توانند در مدل کردن مساله انتقال رسوب بکار روند. هدف از این مطالعه به دست آوردن الگوریتم مناسب با استفاده از شبکه عصبی پیش خور پس انتشار خطا (Feed-Forward Back propagation)، Fitting و Cascade Forward Back prop به منظور برآورد میزان رسوبات معلق در حوزه لرستان می باشد. به این منظور برای برآورد رسوب، از داده های دبی، بارش و رسوب رودخانه های کاکارضا، دهنو، چم انجیر استان لرستان به صورت ماهانه استفاده شد. لازم به ذکر است که داده های رسوبات معلق در خروجی حوزه (ایستگاه چم انجیر) از پراکنش مناسب تری برخوردار است. از میان سه شبکه مورد استفاده در این مطالعه شبکه fitting به منظور برآورد میزان رسوب مناسب تشخیص داده شد. از بین سیزده الگوریتم مورد استفاده در این مطالعه،TRAINLM به عنوان بهترین الگوریتم با ضریب همبستگی R=0.99،RMSE=0.10 ، انتخاب شد.

امروزه برآورد دقیق بار رسوب معلق رودخانه ای از جنبه های مختلف مهندسی منابع آب، مسائل زیست محیطی و کیفیت آب از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این راستا، مدل های هیدرولوژیکی حوزه، به دلیل عوامل متعدد تاثیرگذار ثابت و متغیر، کارایی مناسبی در برآورد میزان رسوب معلق از خود نشان نداده اند. همچنین اغلب مطالعات شبیه سازی برآورد رسوب معلق، تنها بر مبنای دبی جریان خروجی حوزه استوار است که نتایج حاصله نیز، گواه بر عدم کارآیی مطلوب آنها است. این در حالی است که عوامل تاثیرگذاری همچون نوع بارش، فصل سال و شکل هیدروگراف جریان که نقش عمده ای در این فرآیند ایفا می نمایند در شبیه سازی برآورد میزان رسوب معلق نادیده گرفته شده اند. در پژوهش حاضر، از روش شبکه عصبی پرسپترون چند لایه و داده های آب و هواشناسی (دبی و غلظت رسوب معلق روزانه جریان، متوسط بارش و دمای روزانه) حوزه آبخیز سد کرج در یک دوره زمانی 30 ساله (1360 تا 1390) به منظور برآورد غلظت رسوب معلق روزانه ایستگاه هیدرومتری سیرا استفاده شده است. در این روش، با توجه به نقش تغییرات فصلی و وضعیت جریان در تولید و انتقال رسوب حوزه، ابتدا بر اساس سه متغیر رژیم بارش، وضعیت هیدروگراف جریان و نوع رواناب حاصل از بارش، داده های مورد استفاده به 5 گروه تفکیک و سپس برای هر گروه، مدل جداگانه ای طراحی گردید. همچنین به منظور افزایش قدرت تعمیم دهی مدل ها، از شبکه عصبی نگاشت خود سازمان ده (SOM) جهت خوشه بندی و از شاخص سیلهوت، در تعیین تعداد بهینه خوشه ها استفاده شد. نتایج پژوهش نشان داد که استفاده از متغیرهای بارش و دمای روزانه، به همراه دبی جریان و تفکیک زمانی داده ها، نقش مهمی در افزایش دقت برآورد رسوب رودخانه داشته است. در این رابطه، بیشترین خطای محاسبه شده در بین مدل ها زمانی است که برای تمامی فصول سال، تنها از یک مدل واحد، جهت برازش به داده ها استفاده می گردد. نتایج این پژوهش می تواند به عنوان الگوئی مناسب در برآورد رسوب معلق سایر رودخانه های کشور مورد استفاده قرار گیرد.

روش های ریز مقیاس نمایی آماری، به منظور پیش بینی متغیرهای اقلیمی مانند دما، به دلیل اهمیت این فاکتورها، در برنامه ریزی و مدیریت محیطی کاربرد وسیعی دارند. در این پژوهش کارایی مدل ریز مقیاس نمایی آماری (SDSM) در پیش بینی پارامترهای دمایی مورد بررسی قرار گرفته است. داده های مورد استفاده در این پژوهش شامل داده های دمای کمینه، بیشینه و میانگین ایستگاه های سینوپتیک کرمان و بم، داده های NCEP و داده های مدل HadCM3 (داده های نسل سوم مدل جهانی اقلیم تحت سناریوی A2 و (B2 برای دوره پایه (2001-1971 میلادی) می باشد. از 15 سال اول داده ها (1985-1971) برای واسنجی و از 15 سال دوم (2001-1986) برای ارزیابی نحوه عملکرد مدل استفاده شده است. به کمک داده های HadCM3 (A2) وHadCM3 (B2) ، دما برای سه دوره (2039-2010)، (2069-2040) و (2099-2070) پیش بینی و با دوره پایه مقایسه شده است. معیارهای آماری ارزیابی کارایی مدل مانند میانگین خطای مطلق، مجذور میانگین مربعات خطا، ضریب ناش- ساتکلیف و تحلیل نتایج خروجی مدل HadCM3، نشان داد که این مدل در منطقه خشک نسبت به منطقه فراخشک از کارایی بالاتر و دقت قابل قبولی برای پیش بینی دما برخوردار است. همچنین نتایج بیانگر افزایش دما در تمام ماه های سال برای هر دو ایستگاه می باشد.

وجود روابط مکانی بین متغیرهای اقلیمی با عوارض طبیعی مانند ارتفاع باعث شده تا جستجوی گرادیان ها اولین گزینه در پهنه بندی آنها باشد. اما در مناطق بزرگ وجود گرادیان های متعدد و نبود شناختی از آنها باعث می شود تا پژوهشگران از روش های درون یابی قطعی و زمین آمار استفاده کنند. رگرسیون وزن دار جغرافیایی یکی از روش هایی است که می تواند گرادیان های موضعی را به خوبی شناسایی کند و درصورت وجود گرادیان، دقت درون یابی را افزایش دهد. بر این اساس پژوهشی انجام شد تا با در نظر گرفتن میانگین 30 ساله دمای هوا و رطوبت نسبی 240 ایستگاه همدیدی و اقلیم شناسی در ایران، دقت این روش با سایر روش های درون یابی در پهنه بندی این دو پارامتر اقلیمی ارزیابی شود. نتایج این بررسی در مورد دمای هوا که تحت تاثیر ارتفاع می باشد نشان داد که نتایج درورن یابی به کمک روش رگرسیون وزن دار جغرافیایی با دیگر روش های درون یابی اختلاف معنی داری دارد در حالی که این اختلاف در مورد رطوبت نسبی مشاهده نشد و این می تواند به دلیل نبود رابطه مشخصی بین ارتفاع و رطوبت نسبی باشد.

به دلیل افزایش جمعیت، نیاز فراوان به غذا و کمبود منابع آب سطحی به ویژه در دهه های اخیر، مساحت اراضی تحت آبیاری در کشور افزایش یافته است که این امر سیاست استفاده از منابع آب و خاک را به کلی دگرگون کرده است. آب بارش از طریق فضاهای خالی در سطح زمین به داخل خاک نفوذ می یابد و زمانی که با لایه های غیر قابل نفوذ برخورد نماید، ذخایر آب زیرزمینی را پدید می آورد. در سال های اخیر پدیده خشکسالی باعث کاهش شدید آب های سطحی در کشور شده و استفاده از آب های زیرزمینی افزایش یافته است. این امر علاوه بر افت شدید سطح آب در سفره های زیرزمینی، موجب تغییر کیفیت منابع آب زیرزمینی را فراهم نموده است. با توجه به مطالب فوق و اهمیت و نقش آب های زیرزمینی، در این تحقیق تغییرات کمی آب زیرزمینی در سال های 1377، 1381 و 1386 و تغییرات عوامل کیفی شامل EC، CL، Hco3، k، Mg، Na، So4، T.D.S،TH   pH ودر ابتدا و انتهای دوره مذکور در محیط Arc GIS در بخشی از دشت آمل- بابل واقع در حوزه آبخیز دریای خزر مورد بررسی قرار گرفت و روند تغییرات هر کدام از عوامل کیفی با استفاده از آزمون من-کندال تعیین گردید. نتایج تحقیق بیانگر کاهش ناچیز سطح آب زیرزمینی و بهبود وضعیت کیفی آب زیرزمینی در منطقه یاد شده می باشد.

زمین لغزش نوعی حرکت دامنه ای است که منجر به جابجایی مواد سطحی دامنه های پر شیب می گردد. دامنه های شمالی رشته کوه البرز تحت تاثیر شرایط محیطی و اقلیم مرطوب دارای پتانسیل بالایی از لحاظ وقوع زمین لغزش می باشند. از جمله این مناطق، حوزه آبخیز شلمانرود است که در شهرستان لنگرود قرار داشته و حدود 42 لغزش در آن ثبت گردیده است. در این تحقیق برای پهنه بندی خطر زمین لغزش از دو مدل رگرسیون دو متغیره (ارزش اطلاعاتی) و تحلیل سلسله مراتبی (AHP) استفاده شد. در ابتدا با استفاده از نرم افزار Arc GIS لایه های رقومی شامل کاربری اراضی، طبقات شیب، لیتولوژی، فاصله از جاده، فاصله از رودخانه و فاصله از گسل ته یه گردید. سپس نقشه پهنه بندی خطر با کمک دو روش مورد نظر در 5 طبقه (پهنه با خطر نسبی ناچیز، خطر نسبی کم، خطر نسبی متوسط، خطر نسبی زیاد و خطر نسبی خیلی زیاد) بدست آمد. به منظور ارزیابی روش های پهنه بندی مورد نظر، نقشه پهنه بندی حاصل از هر یک از آنها با نقشه پراکنش زمین لغزش (شاخص زمین لغزش) مقایسه گردید. نتایج نشان داد که مدل رگرسیون دو متغیره (ارزش اطلاعاتی) نسبت به روش تحلیل سلسله مراتبی روش مناسب تری می باشد. همچنین نتایج نشان داد که در وقوع زمین لغزش، عوامل کاربری اراضی (باغات چای)، سنگ شناسی و طبقه شیب (45 تا 60 درصد) تاثیر قابل ملاحظه ای نسبت به سایر عوامل دارند.

استفاده نامناسب از اراضی با ایجاد تغییرات مکانی خصوصیات خاک و پوشش گیاهی همراه می باشد. در این راستا، استفاده از روش زمین آمار با توجه به مدلسازی عوامل، موجب ارزیابی بهتر پارامترهای موثر می گردد. لذا تحقیق حاضر به بررسی اثرپذیری عوامل خاکی از شدت بهره برداری، به عنوان ابزاری جهت مدیریت بهینه اراضی در حوزه آبخیز بلده در ارتفاعات البرز مرکزی پرداخته است. پس از بازدیدهای میدانی منطقه مورد مطالعه، مناطق با شدت های بهره برداری مختلف شامل بحرانی، کلید و مرجع بر اساس نزدیکی به منابع آب و مسیرهای تردد انتخاب شدند. پس از تعیین تیپ های گیاهی در هر منطقه، نمونه برداری به صورت سیستماتیک و با توجه به نصب 5 ترانسکت 100 متری در هر منطقه صورت گرفت. محل تقاطع ترانسکت ها به عنوان نقاط نمونه برداری (25 نقطه) تعیین و نمونه های خاک از لایه سطحی (عمق 10-0 سانتی متر) برداشت گردید. سپس فاکتورهای کربن آلی، نیتروژن، فسفر، پتاسیم، اسیدیته و هدایت الکتریکی در آزمایشگاه مورد اندازه گیری قرار گرفت. بررسی تغییرپذیری مکانی خصوصیات خاک در مناطق سه گانه با آنالیز زمین آمارو در محیط نرم افزار GS+ (Gamma Design Software) نسخه 5 انجام شد. نتایج نشان داد که با افزایش شدت بهره برداری در مناطق بحرانی، کربن آلی و نیتروژن خاک کاهش یافته و اسیدیته افزایش یافته است. همچنین آنالیز زمین آمار نشان داد که در منطقه بحرانی به دلیل تاثیر مخرب بهره برداری، تغییر مکانی پارامترهای خاکی بیشتر و وابستگی مکانی آنها ضعیف تر بوده است.