کاربرد سنجش از دور در مدل سازی هیدرولیکی و تعیین حد بستر رودخانه‌ها (مطالعۀ موردی: رودخانه ارداک)

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 2، دوره 14، شماره 1 - شماره پیاپی 50، بهمن 1401، صفحه 24-48   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2023.685799

نویسندگان

سیدحمید میرقاسمی¹؛ حسین بانژاد^{* 2}؛ علیرضا فرید حسینی³

¹دانشجوی دکتری گروه مهندسی آبیاری و زهکشی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

²دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

³دانشیار گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

پیشینه و هدف براساس اصل 45 قانون اساسی جمهوری اسلامی ایران و ماده 2 قانون توزیع عادلانه آب، رودخانه‌ها ثروت ملی بوده و در اختیار حکومت اسلامی است. بنابراین دولت مکلف است مطالعه و تعیین حد بستر و حریم رودخانه‌ها را انجام و در صورتی که اعیانی‌های موجود در بستر و حریم آن‌ها را برای امور مربوط به آب یا برق مزاحم تشخیص دهد نسبت به تخلیه آن‌ ها اقدام نماید. امروزه به‌علت افزایش ارزش اقتصادی زمین و تقاضا جهت احداث اعیانی در اراضی حاشیه رودخانه‌ها و مجاری آبی متأسفانه روندتصرفات حدود بستر و حریم رودخانه‌ها افزایش یافته که خود تهدیدی برای دسترسی به آب سالم و حفاظت از آن برای نسل‌های آتی محسوب می‌شود. تصرف رودخانه‌ها با  کاهش عرض و تغییر کاربری اراضی بستر آن‌ها همراه است. این اقدام باعث بهم خوردن رژیم طبیعی رودخانه و در نتیجه وقوع سیل و خسارت‌های اجتماعی، اقتصادی، زیست محیطی را به دنبال دارد. مدیریت منابع آب و به‌خصوص مدیریت سیل بدون شناخت و تحلیل جریان رودخانه‌ها، پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر و حریم آن‌ها میسر نمی‌باشد. در حال حاضر برای تعیین گستره سیلاب و مشخص کردند حد بستر رودخانه‌ها نقشه‌برداری زمینی انجام می‌شود. این روش بسیار زمان‌بر بوده و هزینه انجام آن زیاد می‌باشد. در همین راستا استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و عکس‌های هوایی به جای نقشه‌برداری زمینی برای سرعت بخشیدن به انجام مطالعات و کاهش هزینه‌ها می‌تواند راهگشا باشد. تحقیقات زیادی درکشور و دنیا درخصوص استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در حوزه‌های مختلف انجام شده است. به‌ویژه در پژوهش‌های متعددی از تصاویر ماهواره‌ای برای بررسی روند تغییرات کاربری اراضی حوضه‌های آبخیز و نیز مطالعه تغییرات مورفولوژی رودخانه استفاده شده است. پژوهش‌هایی پیرامون استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در مطالعات هیدرولوژی و حوضه‌های آبخیز انجام شده است، اما در این پژوهش برای اولین بار امکان استفاده از تصاویر ماهواره‌ای برای تهیه نقشه رودخانه و استخراج مقاطع عرضی آن برای پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه مورد بررسی قرارگرفته است. در سال‌های اخیر بستر رودخانه ارداک در بالادست سد اراداک، به طور گسترده تصرف و تغییر کاربری داده شده است. این امر باعث شده‌است تا تعداد حوادث سیل افزایش و کمیت و کیفیت آب سد ارداک که بخشی از آب شرب شهر مشهد را تامین می‌نماید، کاهش یابد. برای مدیریت سیل و حفاظت کمی و کیفی از سد ارداک، پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه ارداک ضروری می‌باشد. در حال حاضر برای انجام این کار ابتدا باید نقشه برداری زمینی انجام می شود. نقشه برداری زمینی برای تهیه نقشه رودخانه و استخراج مقاطع عرضی آن مستلزم صرف زمان طولانی و هزینه زیادی است. بنابراین هدف از این پژوهش بررسی امکان استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک 28×28 متر به جای نقشه‌برداری زمینی به‌منظور افزایش سرعت انجام کار و کاهش هزینه‌های مطالعات طرح‌ها و پروژه‌های آبی و مهندسی رودخانه است.
مواد و روش­ ها برای ترسیم حوضه آبریز و استخراج پارامترهای فیزیکی آن از تصاویر ماهواره‌ای ASTER و نرم‌افزار HEC-GeoHMS  استفاده شد. نقشه بستر موجود رودخانه و حاشیه آن تهیه و به‌عنوان یک لایه جدید به نقشه کاربری اراضی حوضه اضافه شد. برای شبیه سازی بارش و رواناب از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS استفاده شد. ابتدا برای پنج واقعه بارش و رواناب مدل واسنجی و اعتباریابی گردید. سپس هایتوگراف بارش مربوط به دوره بازگشت‌های مختلف در پایه زمان تمرکز حوضه به مدل HEC-HMS معرفی شد. مدل اجرا و سیلاب با دوره بازگشت‌های مختلف شبیه‌سازی شد. اطلاعات هندسی رودخانه درقالب مقاطع عرضی هم از نقشه‌برداری زمینی و هم از تصاویر ماهواره‌ای و با استفاده از الحاقیه HEC-GeoRAS استخراج گردید. اطلاعات حاصل از مدل‌سازی جریان رودخانه در نرم‌افزار HEC-RAS از طریق الحاقیه HEC-GeoRAS به محیط GIS منتقل و درمحیط مذکور پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه به دو روش استفاده از اطلاعات نقشه‌برداری زمینی و بهره‌گیری از تصاویر ماهواره‌ای تعیین و با هم مقایسه شد.
نتایج و بحث نتایج بیانگر آن است که پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه با استقاده از تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک 28×28 متر قابل انجام است. در این مورد شاخص‌های آماری میانگین خطای نسبی و ضریب همبستگی رگرسیون به ترتیب  13.2 و 92 درصد بدست آمد. اگر در چند نقطه از مسیر رودخانه مقطع عرضی از طریق نقشه ‌برداری زمینی برداشت و جایگزین مقاطع عرضی که از روش تصاویر ماهواره‌ای بدست آمده اند، دقت پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه با استقاده از تصاویر ماهواره‌ای افرایش می‌یابد. به‌طوری‌که اگر به فاصله 150 متر و در طول 8 کیلومتر 47 مقطع عرضی جانمایی و  به‌صورت برداشت زمینی انجام و در مدل HEC-RAS جایگزین مقاطع عرضی بدست آمده از تصاویر ماهواره‌ای شود، خطای استفاده از روش تصاویر ماهواره‌ای برای پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه به 8.1 درصد کاهش خواهد یافت.
نتیجه­ گیری استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با کیفیت 28×28  متر برای تعیین حد بستر رودخانه امکان‌پذیراست. این روش با میانگین خطای نسبی و ضریب همبستگی رگرسیون به ترتیب  13.2 و 92 درصد همراه است که این خطا را با مقطع‌برداری زمینی می‌توان تا 8 درصد کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

رودخانه ارداک؛ سیلاب؛ تصاویر ماهواره‌ای؛ HEC-HMS؛ HEC-RAS

مراجع

Alizadeh A. 2010. Principles of Applied Hydrology, Fifth Edition of Imam Reza University. 942 p. (In Persian).

Chang C, Huang W. 2013. Hydrological modeling of typhoon-induced extreme storm runoffs from Shihmen watershed to reservoir, Taiwan. Natural Hazards, 67: 747-761. https://doi.org/10.1007/s11069-013-0600-7.

Chen Y, Wang Y, Zhang Y, Luan Q, Chen X. 2020. Flash floods, land-use change, and risk dynamics in mountainous tourist areas: A case study of the Yesanpo Scenic Area, Beijing, China. International Journal of Disaster Risk Reduction, 50: 101873. https://doi.org/10.1016/j.ijdrr.2020.101873.

Company IWRM. 2017. Analytical report on protection and exploitation and management of rivers and beaches. (In Persian). 178 p.

De Silva M, Weerakoon S, Herath S. 2014. Modeling of event and continuous flow hydrographs with HEC–HMS: case study in the Kelani River Basin, Sri Lanka. Journal of Hydrologic Engineering, 19(4): 800-806. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000846.

Farahani MS, Parveen K. 2020. Recognizing the concept of "public wealth" in Article 45 of the Constitution of the Islamic Republic of Iran. Journal of Knowledge of public law, 9(28): 19-44. https://doi.org/10.22034/qjplk.2020.195. (In Persian).

Gichamo TZ, Popescu I, Jonoski A, Solomatine D. 2012. River cross-section extraction from the ASTER global DEM for flood modeling. Environmental Modelling & Software, 31: 37-46. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2011.12.003.

Hashemyan F, Khaleghi M, Kamyar M. 2015. Combination of HEC-HMS and HEC-RAS models in GIS in order to simulate flood (case study: khoshke Rudan river in Fars province, Iran). Research Journal of Recent Sciences, 4(8): 122-127. (In Persian).

Imani S, Hassanoli SAM, Farkhnia A, Javadi F, Najafi MS. 2021. Evaluating the efficiency of WRF-hydro model for development of flood forecasting systems (Case study: Kashkan Watershed). Iran-Water Resources Research, 16(4): 225-240. (In Persian).

Khaghan AAM, Mojaradi B. 2016. The Integrate of HEC-HMS and HEC-RAS Models in GIS Integration Models to Simulate Flood (Case Study: Area of Karaj). Current World Environment, 11(Special Issue): 1-6.

Miri M. 2020. The Reflection on legal challenges Infringement to the river bed and Riparian Zone in Iran. Iran-Water Resources Research, 16(1): 428-446.

Nharo T, Makurira H, Gumindoga W. 2019. Mapping floods in the middle Zambezi Basin using earth observation and hydrological modeling techniques. Physics and chemistry of the earth, Parts A/B/C, 114: 102787. https://doi.org/10.1016/j.pce.2019.06.002.

Nikonorov A, Badenko V, Terleev V, Togo I, Volkova Y, Skvortsova O, Nikonova O, Pavlov S, Mirschel W. 2016. Use of GIS-environment under the Analysis of the Managerial Solutions for Flood Events Protection Measures. Procedia Engineering, 165: 1731-1740. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.916.

Paul A, Biswas M. 2019. Changes in river bed terrain and its impact on flood propagation–a case study of River Jayanti, West Bengal, India. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 10(1): 1928-1947. https://doi.org/10.1080/19475705.2019.1650124.

Pavanelli D, Cavazza C, Lavrnić S, Toscano A. 2019. The long-term effects of land use and climate changes on the hydro-morphology of the Reno river catchment (Northern Italy). Water, 11(9): 1831. https://doi.org/10.3390/w11091831.

Rahmani N, Shahedi K, Soleimani K, Miryaghoubzadeh M. 2016. Evaluation of the Land use Change Impact on Hydrologic Characteristics (Case Study: Kasilian Watershed). Journal of Watershed Management Research, 7(13): 23-32. https://doi.org/10.18869/acadpub.jwmr.7.13.32. (In Persian).

Saraskanrood SA, Pourfarrash Zadeh F. 2022. Study the landuse change and its effects on the hydrologic regime in main catchments of Binalood county. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 13(2): 84-106. https://doi.org/10.30495/girs.2022.683834. (In Persian).

Suriya S, Mudgal B. 2012. Impact of urbanization on flooding: The Thirusoolam sub watershed–A case study. Journal of Hydrology, 412: 210-219. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.05.008.

Valizadeh Kamran K, Delire Hasannia R, Azari Amghani K. 2019. Flood zoning and its impact on land use in the surrounding area using unmanned aerial vehicles (UAV) images and GIS. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(3): 59-75. https://girs.bushehr.iau.ir/article_668470.html?lang=en. (In Persian).

Wiley M, Hyndman D, Pijanowski B, Kendall A, Riseng C, Rutherford E, Cheng S, Carlson M, Tyler J, Stevenson R. 2010. A multi-modeling approach to evaluating climate and land use change impacts in a Great Lakes River Basin. Hydrobiologia, 657: 243-262. https://doi.org/10.1007/s10750-010-0239-2.

Zope P, Eldho T, Jothiprakash V. 2016. Impacts of land use–land cover change and urbanization on flooding: A case study of Oshiwara River Basin in Mumbai, India. Catena, 145: 142-154. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.06.009.