نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار، دانشگاه شهید بهشتی تهران، تهران، ایران
2 دانشجوی دکترا، ، دانشگاه شهید بهشتی تهران، تهران، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
The use of geographic information systems (GIS) and remote sensing is common to facilitate the estimation of catchment's runoff in the last century. This action is performed by using the rainfall-runoff model, which includes climate and geomorphological changes. One way to estimate the runoff height is the Curve Number (CN) method that shows the hydrological behavior of catchment. In this research, the Arc-GIS software was used for mapping curve number by integrating vegetation maps, land use and soil hydrological group, and then the annual runoff height map of Hesarak catchment was prepared. In addition, by using empirical methods, annual runoff of the study area was compared with I.C.A.R, Justin, Angeli di Sousa, and SCS-CN methods. The comparison of estimated runoff values in different methods with observations of runoff showed that the result of SCS-CN method has more adaptation to the observed runoff and discharge. The advantage of this model is the use of different parameters such as annual precipitation, soil holding, and permeability of the curve number of the basin, which causes the measured runoff to be closer to the observed value.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
حوضة آبخیز به‌صورت سیستم باز عمل می‌کند که بارش واردشده به آن به شکل تبخیر، رواناب و آب زیرزمینی خارج می‌شود. ضریب رواناب یا به بیانی ضریب جریان حوضه بیان‌کنندة درصدی از میزان بارندگی متوسط حوضة آبخیز است که به رواناب تبدیل و از راه ارتفاع رواناب بر ارتفاع بارندگی متوسط حوضة آبخیز محاسبه می‌شود.
مقدار ضریب جریان در حوضه‌های آبخیز مختلف، متفاوت است و به عوامل متعددی چون شکل، مساحت، شیب و نوع پوشش حوضة آبخیز بستگی دارد. هرکدام از این عوامل بر میزان حجم رواناب خروجی حوضه اثر می‌گذارند (علیزاده، 1387: 522).
با توجه به بحران جهانی آب، داشتن اطلاعات درست از منابع آب در نقاط مختلف برای مدیریت برنامه‌ریزی و بهینه‌سازی ضروری است. همچنین به‌منظور انجام اقدامات آبخیزداری و برنامه‌ریزی مدیریت بهینة منابع آب به‌ویژه در حوضه‌های آبخیز کوچک، برآورد ارتفاع رواناب سالیانه اهمیت زیادی دارد (مددی و ملکی، 1395: 2). روش‌های مختلفی برای برآورد رواناب سطحی و دبی حداکثر سیلاب در پروژه‌های مختلف آبخیزداری، کنترل و مهار سیلاب و طراحی بیشتر سازه‌های هیدرولوژی وجود دارد و از آنجایی که بیشتر حوضه‌های آبخیز کوچک کشور ایستگاه هیدرومتری ندارند، برای برآورد رواناب سالیانه در منطقة پژوهش از روش‌های تجربی استفاده می‌شود. ازجمله روش‌های تجربی، تخمین رواناب سطحی، برآورد رواناب سطحی با استفاده از نفوذپذیری خاک، روش استدلالی، روش تجربی مبتنی بر کریگر، فولر، ایکار و روش مبتنی بر شمارة منحنی (CN) است. در این میان روش سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS) معروف به شمارة منحنی (CN)[1] با درنظرگرفتن ویژگی‌های خاک، وضعیت هیدرولوژیکی زمین و نیز کاربری اراضی و شرایط رطوبت پیشین خاک، مقدار رواناب حاصل از یک بارش را در بخش‌های مختلف حوضه برآورد می‌کند و به تعیین شمارة منحنی (CN) نیاز دارد (مهدوی، 1390: 113). گروه هیدرولوژیکی خاک، نوع کاربری اراضی، پوشش گیاهی، اندازه‌گیری‌های حفاظت خاک و وضعیت رطوبت خاک پیشین، ویژگی‌های اصلی استفاده‌شدة حوضة آبخیز برای به‌دست‌آوردن شمارة منحنی رواناب است.
پیشینة پژوهش
پژوهش‌هایی درزمینة برآورد ارتفاع رواناب یک حوضة آبخیز صورت گرفته است. این مطالعات در خارج از ایران شامل پژوهش‌های زیر است:
ساهو و همکاران[2] (2010) پژوهشی را در
76 حوضة کشاورزی کوچک در کشور آمریکا انجام دادند. در این پژوهش مدل اولیة SCS-CN با سایر متغیرهای موجود مقایسه و درنهایت یک مدل بهبودیافته ارائه شد.
ساندار کوما و ریشی[3] (2013) در حوضة آبخیز مَندل کَپِلی[4] رواناب را با استفاده از SCS و RRL شبیه‌سازی کردند و با دو روش REAL و شبیه‌سازی به کمک GIS رواناب را به دست آوردند. درنهایت نتایج حاصل در طول پنج سال را مقایسه کردند.
سراونان و منجولا[5] (2015) و بهورا و همکاران[6] (2015) در هندوستان با استفاده از روش SCS-CN در محیط GIS، رواناب را برآورد کردند.
کوالیک و والگا[7] (2015) با انجام مطالعه‌ای در چهار حوضة کشاورزی کوچک در لهستان با استفاده از توابع مجانبی نتیجه گرفتند بین مقدار شمارة منحنی مشاهداتی با مقدار بارش ارتباطی قوی وجود دارد.
ویجی و همکاران[8] (2015) با انتخاب روش
SCS- CN و استفاده از محیط GIS، CN را به‌منظور تعیین وضعیت رطوبت قبلی (AMC[9]) و میانگین سالیانة عمق رواناب برای بارندگی سالیانه در حوضة آبخیز تَمیل‌نادو[10] در بخش نیلگریس[11] پیش‌بینی کردند. نتایج به‌دست‌آمده قابل مقایسه برای اندازه‌گیری رواناب در حوضة آبخیز است.
آنوبهاتوپ نو و همکاران[12] (2015) با استفاده از روش SCS سنجش از دور و GIS، عمق رواناب سطحی را در منطقة نایاک ویندیاچال[13] تخمین زدند.
وینیترا و یشودها[14] (2016) در مطالعة هند، با استفاده از روش SCS-CN در محیط GIS، رواناب را برآورد کردند.
ساتیشکومار و همکاران[15] (2017) در مقاله‌ای میزان رواناب شمال هند را با استفاده از روش
SCS-CN در محیط GIS برآورد کردند. براساس نتایج به‌دست‌آمده، آنها کاربرد این مدل و روش را برای تخمین رواناب در منطقة پژوهش خود تأیید کردند.
پژوهش‌هایی نیز در ایران در این زمینه صورت گرفته است؛ ازجمله:
حجازی و مزبانی (1394) مقادیر ارتفاع و دبی حداکثر رواناب را با استفاده از روش شمارة منحنی (CN) در حوضة آبریز سراب دره‌شهر برآورد کردند. نتایج نشان داد از بین مؤلفه‌های استفاده‌شده در زیرحوضه‌ها، دو مؤلفة فیزیوگرافی (مساحت و تراکم زهکشی) تأثیر بیشتری بر پتانسیل سیل‌خیزی حوضة آبریز سراب دارند.
شهریاری و همکاران (1395) در پژوهشی، بهینه‌سازی تجربی برآورد رواناب سالیانه را در حوضه‌های بدون ایستگاه هیدرومتری در حوضة رودخانة سرخاب مدنظر قرار دادند. نتایج نشان داد برای حوضة مطالعه‌شده روش تورک با سطوح اطمینان 95 و 99 درصد، حجم رواناب سالیانه را در مقایسه با سایر روش‌های آزموده‌شده دقیق‌تر محاسبه می‌کند.
عبادی‌فر و نادری دیزگاه (1396) در مقاله‌ای روش‌های تجربی را برای برآورد رواناب سالیانه در حوضة حویق در استان گیلان ارزیابی کردند. براساس نتایج، روش خوزلا با کمترین خطا (حدود 2/0درصد) به‌مثابة مناسب‌ترین روش تجربی برای برآورد رواناب سالیانة حوضة آبریز حویق و حوضه‌های مشابه آن تعیین شد.
مصطفی‌زاده و همکاران (1396) شمارة منحنی رویدادهای بارش و رواناب و تغییرات آن را با مؤلفه‌های بارش در حوضة آبخیز جعفرآباد تعیین کردند. نتایج نشان داد میانگین مقادیر شمارة منحنی در فصل‌های تابستان و زمستان حدود 60 و در فصل‌های بهار و پاییز به ترتیب 50 و 56 است. با برقراری ارتباط بین شمارة منحنی با ویژگی‌های بارش در نمودارهای سه متغیره، مقدار زیاد شمارة منحنی در بارش‌هایی با شدت بیش از 10 میلی‌متر در ساعت و بیش از 40 میلی‌متر برآورد شد. همچنین در رخدادهایی با ضریب رواناب 80-40 درصد، مقدار شمارة منحنی برآوردشده بیش از 70 بود.
عزیزنیا کشتلی و بیات ورکشی (1397) معادلات تجربی برآورد رواناب را در حوضة بابلرود ارزیابی کردند. نتایج بیان‌کنندة برتری دو مدل جاستین و دی‌سوزا برای حوضة پژوهش و معادلة جاستین برای حوضة کشتارگاه بوده است. همچنین مشخص شد روابط برای حوضه‌های کوچک کاربرد داشته است و با افزایش سطح حوضه، ضریب همبستگی روابط کاهش می‌یابد.
اهداف پژوهش
هدف پژوهش حاضر، برآورد ضریب رواناب سالیانه با استفاده از روش SCS و فرمول‌های موجود در واحدهای مختلف تشکیل‌دهندة حوضة آبخیز حصارک و همچنین پهنه‌بندی پتانسیل تولید رواناب در حوضة آبخیز است. نوآوری پژوهش حاضر در روش تعیین نفوذپذیری خاک و تعیین نقشة گروه هیدرولوژیکی خاک است. برای این مطالعه، ضرورت شناخت ویژگی‌های محیطی مؤثر بر رواناب و وقوع سیل احساس می‌شود.
روش‌شناسی پژوهش
داده‌ها و روش‌ها
در این پژوهش مقدار ارتفاع رواناب حاصل از بارندگی سالیانة حوضة آبخیز حصارک براساس روش‌ها و معادلات تجربی ایکار، انگلی - دی‌سوزا، جاستین و SCS-CN محاسبه شد. سپس مقادیر رواناب تخمین‌زده‌شده با روش‌های مختلف با هم مقایسه شدند و درنهایت به‌منظور اعتبارسنجی مقدار رواناب برآوردشده و تعیین مطمئن‌ترین و دقیق‌ترین روش برای برآورد رواناب، مقدار رواناب برآوردشده با مقدار رواناب مشاهداتی سازمان جنگل‌ها و مراتع کشور مقایسه شد. در شکل (1)، مراحل پژوهش به‌طور خلاصه نشان داده شده است.
|
خروجی |
|
تعیین ارتفاع رواناب و تهیه نقشه پهنه بندی رواناب حاصل از بارندگی سالانه |
شکل 1. فلوچارت مراحل کار پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
روش SCS- CN
برای برآورد رواناب حاصل از بارندگی سالیانة حوضة آبخیز حصارک با استفاده از روش SCS، ارتفاع رواناب حاصل از بارندگی براساس رابطة 1 و 2 محاسبه می‌شود که دربارة بارش‌های به‌صورت برف امکان استفاده ندارد و آب پایه را نیز دربرنمی‌گیرد (علیزاده، 1387: 520) و در آن:
|
(1) |
|
|
(2) |
=Q ارتفاع رواناب (برحسب میلی‌متر)
=P حداکثر بارندگی 24ساعته (برحسب میلی‌متر)
=S حداکثر توان نگهداری و نفوذ در خاک (برحسب میلی‌متر)
در رابطة 2، CN، شمارة منحنی مربوط به مقدار نفوذ آب در خاک حوضه و مقدار آن بین 0 تا 100 متغیر است. مقدار S با نوع پوشش، نحوة بهره‌برداری از اراضی و وضعیت سطح خاک ازنظر نفوذپذیری متفاوت است. نتایج نشان می‌دهد از کل تلفات بالقوة حوضه یا S به‌طور متوسط حدود 2/0 آن پیش از شروع جریان رواناب به‌صورت تلفات اولیه عمل می‌کند و 8/0 بقیة آن در طول بارش صرف نفوذ سطحی و عمقی در خاک می‌شود. برای تعیین پتانسیل تولید رواناب با این روش، به نقشه‌ها و اطلاعات زمین‌شناسی و خاک‌شناسی، کاربری اراضی و گروههای هیدرولوژیک خاک منطقه نیاز است.
گروه هیدرولوژیک خاک: نخست 20 نمونه خاک به‌طور تصادفی از عمق 20 سانتی‌متری از نقاط مختلف حوضة آبخیز حصارک برداشته شد. سپس به‌منظور تعیین بافت خاک، نمونه‌ها تجزیة آزمایشگاهی شد (شکل 2). درنهایت براساس بافت خاک و دو مؤلفة نفوذپذیری (جدول 1) و آبگذری (جداول 2 و 3)، ویژگی خاک مشخص و براساس آن، گروه هیدرولوژیک خاک تعیین شد. درواقع میزان نفوذ با ضرب عمق خاک نمونه‌ها در ضریب نفوذپذیری تعیین شد (حسین‌زاده و همکاران، 1397: 138) (جدول 1).
جدول 1. میزان نفوذ براساس بافت خاک (منبع: حسین‌زاده و همکاران، 1397: 138)
|
اینچ(cm)آب بر اینچ (cm) خاک |
بافت |
|
05/0 |
شن، شن لومی |
|
10/0 |
شن ریز لومی، لوم شنی درشت، بافت تقریباً شنی (گراول) |
|
15/0 |
لوم شنی، لوم رسی و شنی، لوم شنی ریز، رس سیلتی، رس شنی، رس |
|
20/0 |
لوم، لوم سیلتی، سیلت، لوم رسی و سیلتی، لوم رسی |
آبگذری نیز با توجه به جدول (2) و نوع بافت خاک تعیین شد. سپس برپایة جدول (3) با توجه به دو مؤلفة کلاس آبگذری و عمق خاک نمونه‌برداری‌شده، مقادیر لازم برای مرحلة بعد تعیین می‌شود.
جدول 2. تعیین افق سطحی آبگذری خاک با توجه به نوع بافت خاک (منبع: حسین‌زاده و همکاران، 1397: 138)
|
نفوذپذیری |
بافت |
|
بسیار آرام |
رس سیلتی، رس، رس شنی |
|
آرام |
رسی، رس شنی، رس سیلتی |
|
آرام متوسط |
رسی، رس سیلتی یا رس شنی، لوم رسی و سیلتی، لوم رسی |
|
متوسط |
لوم سیلتی، لوم، لوم رسی و شنی، لوم رسی و سیلتی |
|
سریع متوسط |
لوم شنی درشت تا متوسط، لوم شنی ریز، لوم شنی بسیار متغیر |
|
سریع |
ریز، شن، شن ریز لومی، بافت ریز لومی |
|
بسیار سریع |
شن درشت یا متوسط، بافت تقریباً شنی (گراولی) |
جدول 3. تعیین کلاس آبگذری خاک (منبع: حسین‌زاده و همکاران، 1397: 138)
|
رتبه‌بندی آبگذری نیم‌رخ خاک |
کاهش آبگذری در افق‌های زیرین |
آبگذری در افق‌های سطحی |
|||
|
عمق بیش از 40 اینچ |
عمق بین 20 تا 40 اینچ |
عمق بین 10 تا 20 اینچ |
عمق کمتر از 10 اینچ |
||
|
1 یا 2 |
|
|
|
کم یا بدون کاهش |
بسیار سریع یا سریع (بیش از 5 اینچ در ساعت) |
|
1 یا 2 |
2 یا 3 |
3 یا 4 |
5 تا 7 |
کاهش متوسط |
|
|
1 یا 3 |
4 تا 8 |
8 تا 10 |
10 |
کاهش فاحش |
|
|
1 تا 3 |
|
|
|
کم یا بدون کاهش |
نسبتاً سریع (5/2 تا 5 اینچ در ساعت) |
|
1 تا 3 |
3 یا 4 |
4 یا 5 |
6 تا 8 |
کاهش متوسط |
|
|
3 یا 4 |
5 تا 7 |
8 تا 10 |
10 |
کاهش |
|
|
5 یا 6 |
|
|
|
کم یا بدون کاهش |
متوسط (8/0 تا 5/2 اینچ در ساعت) |
|
5 یا 6 |
5 یا 6 |
6 یا 7 |
7 یا 8 |
کاهش متوسط |
|
|
5 یا 6 |
6 یا 7 |
7 یا 8 |
9 یا 10 |
کاهش |
|
|
7 یا 8 |
|
|
|
کم یا بدون کاهش |
نسبتاً آرام (2/0 تا 8/0 اینچ در ساعت) |
|
7 یا 8 |
7 یا 8 |
7 یا 8 |
8 یا 9 |
کاهش متوسط |
|
|
7 یا 8 |
7 یا 8 |
8 یا 9 |
9 یا 10 |
کاهش |
|
|
9 یا 10 |
|
|
|
کم یا بدون کاهش |
کم و بسیار آرام (کمتر از 2/0 اینچ در ساعت) |
|
9 یا 10 |
9 یا 10 |
9 یا 10 |
9 یا 10 |
کاهش متوسط |
|
|
9 یا 10 |
9 یا 10 |
9 یا 10 |
9 یا 10 |
کاهش |
|
نفوذپذیری و آبگذری، گروه هیدرولوژیک خاک براساس جدول (4) مشخص می‌شود (نصرتی، 1393: 12؛ نصرتی و همکاران، 1392: 125).
|
(3) |
نفوذپذیری + آبگذری =گروه هیدرولوژیک خاک (HSG) |
جدول 4. تعیین گروه هیدرولوژیک خاک (منبع: حسین‌زاده و همکاران، 1397: 138)
|
شاخص HSG |
توصیف |
گروه خاک |
|
5- 0 |
پتانسیل بسیار کم تولید رواناب |
A |
|
10- 6 |
پتانسیل کم تولید رواناب |
B |
|
15- 11 |
پتانسیل متوسط تولید رواناب |
C |
|
> 16 |
پتانسیل زیاد تولید رواناب |
D |
شکل 2. تصاویری از نمونه‌برداری و تجزیة آزمایشگاهی در منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
در ادامه برای تهیة نقشة گروه هیدرولوژیک خاک از روش درون‌یابی[16] پایة شعاعی[17] با کمترین خطا (04/2RMSE=) و بیشترین دقت در درون‌یابی گروههای هیدرولوژیک نمونه‌های خاک منطقه استفاده شد.
عوامل مهم دیگر در تعیین CN، مشخص‌کردن انواع پوشش، کاربری اراضی و شرایط رطوبتی اولیة خاک در سطح حوضة آبخیز است. اگر توان تولید رواناب در یک منطقه کم باشد، شرایط هیدرولوژیک خوب را نشان می‌دهد (مهدوی، 1390: 153).
شمارة منحنی: به‌منظور تعیین شمارة منحنی (CN) برای مجموعه‌های خاک و پوشش گیاهی، نخست نقشه‌های وضعیت بهره‌برداری از اراضی و گروههای هیدرولوژیک خاک در محیط نرم‌افزار Arc GISبا عمل (Intersect) با همدیگر تلفیق شدند. از ترکیب لایه‌های کاربری و گروههای هیدرولوژیکی خاک، نقشة شمارة منحنی (CN) به دست آمد (حسین‌زاده و همکاران، 1397: 95)؛ (شکل 6).
رطوبت پیشین خاک: ازنظر وضعیت رطوبت پیشین خاک، منطقه در گروه سوم (با توجه به متوسط بارندگی سالیانة ایستگاه‌های مجاور منطقه که مقدار آن 764 میلی‌متر است و بیشتر بارندگی در فصل زمستان است؛ بنابراین رطوبت پیشین خاک حوضه در فصل خواب با بیش از 28 میلی‌متر تعیین شد) قرار گرفت و مقدار رطوبت خاک زیاد است (شکل 7).
بارندگی سالیانه: برای تعیین متوسط بارندگی سالیانة منطقه از داده‌های میانگین بارش سالیانة ایستگاه باران‌سنجی، وزارت نیرو و سازمان هواشناسی مجاور محدودة مطالعاتی استفاده شد. داده‌های اقلیمی لازم از مرکز تماب وزارت نیرو برای سال آبی 1392- 1379 تهیه و سپس داده‌های ناقص بازسازی شد. به‌منظور تهیة نقشة بارش، معادله‌ای بین ارتفاع هر ایستگاه و میانگین دوازده‌سالة آنها برقرار شد (رابطة 4).
|
(4) |
در این معادله، H، ارتفاع متوسط برحسب متر و P، میزان بارندگی متوسط سالیانه برحسب میلی‌متر است. سپس با استفاده از این معادله و DEM منطقه در محیط GIS به کمک دستور Raster Calculator، نقشة بارندگی سالیانه تهیه شد (شکل 8).
روش جاستین
در این رابطه که در حال حاضر یکی از روش‌های متداول در برآورد رواناب سالیانه است، علاوه بر مؤلفة بارش، تبخیر نیز به‌صورت متغیر دما مؤثر واقع می‌شود و مساحت حوضه نیز با شیب حوضه به‌طور غیرمستقیم در آبدهی سالیانه دخالت می‌کند (شامحمدی حیدری، 1381: 5). K، ضریب جاستین است که به قابلیت پتانسیل آبی، ویژگی‌های زمین‌شناسی و پوشش گیاهی بستگی دارد. با توجه به مطالعات انجام‌شده روی مساحت و دبی منطقه، در حوضة آبخیز حصارک مقدار ضریب K 6/0 در نظر گرفته شد (جدول 10). شکل کلی رابطة جاستین به‌صورت زیر است (مددی و ملکی، 1395: 4):
|
(5) |
|
|
(6) |
K ضریب رابطه است که برای مناطق مختلف فرق می‌کند، P بارندگی سالیانه، S شیب حوضه به متر،
T درجه‌حرارت سالیانه به سانتی‌گراد و R ارتفاع رواناب سالیانه به سانتی‌متر است.
روش ایکار
انجمن تحقیقات کشاورزی هند رابطة 7 را با نام ایکار برای برآورد رواناب سالیانه ارائه کرده است. در این رابطه، R رواناب سالیانه به سانتی‌متر، P بارندگی سالیانة منطقه، A مساحت منطقه به سانتی‌متر و
T متوسط سالیانة دما به درجة سانتی‌گراد است (مددی و ملکی، 1395: 5)؛ (جدول 11).
|
(7) |
رابطة انگلی - دی‌سوزا[18]
این دو دانشمند روابط زیر را به‌مثابة نتایج مطالعاتشان در دشت‌ها و کوهستان‌های منطقة ماهاراشترا [19]واقع در کشور هندوستان ارائه کردند (جدول 12)؛ (Mutereja‚ 1986: 12).
|
(8) |
برای مناطق کوهستانی R= 0.85 × P- 30.5 |
|
(9) |
برای دشت‌ها R= |
در این روش، P بارندگی سالیانه به میلی‌متر و R رواناب سالیانه به میلی‌متر است (جدول 12).
معرفی محدودة پژوهش
حوضة آبخیز حصارک، حوضه‌ای کوهستانی در شمال غرب استان تهران، در 30 19 °51 تا´17 °51 طول شرقی و 51 °35 تا 46 °35 عرض شمالی واقع شده است. این منطقه از غرب به حوضة آبخیز کن و از شرق به حوضة آبخیز فرحزاد محدود می‌شود و مساحت آن 87/13 کیلومترمربعاست. رودخانة حصارک، مسیل اصلی این منطقه است که از کوه بندعیش به ارتفاع 2766 متر سرچشمه گرفته و پس از عبور از روستای حصارک و بزرگراه آیت‌الله کاشانی در امتداد جنوب از اراضی شهران و جنت‌آباد گذشته است و در محل اتوبان تهران - کرج به مسیل برگردان غرب می‌ریزد و درنهایت به رودخانة کن می‌پیوندد.
ازنظر هیدرولوژیکی رودخانة حصارک دو شاخة اصلی به نام‌های چپ‌دره و دوچناران دارد که یک یال اصلی به ارتفاع حداکثر 2405 متر در وسط آن قرار می‌گیرد (حسین‌زاده و همکاران، 1397: 136)؛
(جدول 5).
جدول 5. ویژگی‌های فیزیکی حوضة آبخیز و آبراهه‌های موجود در منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
|
نام واحد هیدرولوژیک |
حصارک |
تعداد آبراهه، رتبة 4 |
2 |
|
مساحت حوضه (Km2) |
87/13 |
تعداد آبراهه، رتبة 5 |
1 |
|
تعداد آبراهه‌ها |
297 |
ضریب انشعاب لگاریتمی |
99/3 |
|
مجموع طول آبراهه‌ها (Km) |
61/98 |
حداقل ارتفاع (متر) |
1579 |
|
طول آبراهة اصلی (Km) |
36/7 |
حداکثر ارتفاع (متر) |
2760 |
|
تراکم زهکشی (Km/Km2) |
74/6 |
متوسط ارتفاع (متر) |
2170 |
|
تعداد آبراهه، رتبة 1 |
236 |
شیب متوسط (%) |
9/30 |
|
تعداد آبراهه، رتبة 2 |
49 |
شیب متوسط آبراهه (%) |
32/14 |
|
تعداد آبراهه، رتبة 3 |
8 |
زمان تمرکز (روش کرپیچ به ساعت) |
35/0 |
ازنظر زمین‌شناسی، حوضة آبخیز حصارک در ناحیة زمین‌شناختی البرز مرکزی واقع شده و جنس سنگ‌ها بیشتر توف سبز با میان‌لایه‌های آهک، و شیل با میان‌لایه‌های ماسه‌سنگ است. متوسط بارندگی سالیانه 9/409 میلی‌متر است. حداکثر بارش‌های ماهیانه 64/102 میلی‌متر در اسفندماه است و حداقل بارش به مقدار 99/7 میلی‌متر در مردادماه رخ می‌دهد. متوسط دما در تابستان و زمستان به ترتیب 65/15 و 28/4 درجة سانتی‌گراد است (شکل 3).
شکل 3. موقعیت محدودة پژوهش
(منبع: نویسندگان، 1398)
یافته‌های پژوهش
بررسی مؤلفه‌های مؤثر در روش SCS
گروههای هیدرولوژیک خاک در حوضة حصارک براساس نتایج حاصل از انجام آزمایش‌های نفوذپذیری خاک تعیین شد؛ بدین صورت که 20 نمونه خاک از سطح حوضة آبخیز برداشته و تجزیة آزمایشگاهی، و سپس گروه هیدرولوژیک خاک‌ها با استفاده از جداول (2)، (3)، (4) و (5) تعیین شد. براساس نقشة گروه هیدرولوژیک خاک، حوضة حصارک سه گروه خاک شامل B، C و D دارد که ازنظر وسعت و گستردگی گروه C بیشترین مساحت را با پتانسیل تولید رواناب نسبتاً زیادی دارد (شکل 4). با تطبیق نقشة گروه هیدرولوژیک خاک و زمین‌شناسی حوضه، لایه‌های سنگی توف سبز توده‌ای و رسوبات کواترنری در گروه هیدرولوژیک D قرار می‌گیرند و سنگ‌های خاکستری توف سبز و شیل با میان‌لایه‌های ماسه‌سنگ در گروه هیدرولوژیک C و سنگ‌های ماسه‌سنگ توفی و کنگلومرا در گروه هیدرولوژیک B جای دارند (جدول 6).
شکل 4. نقشة گروه هیدرولوژیک منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
جدول 6. معیار طبقه‌بندی گروههای هیدرولوژیک خاک منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
|
گروه هیدرولوژیک خاک |
میزان نفوذ |
B |
C |
D |
|
ویژگی |
متوسط |
کم |
بسیار کم |
|
|
توانایی تولید رواناب |
متوسط |
نسبتاً زیاد |
بسیار زیاد |
|
|
مساحت (کیلومترمربع) |
43/4 |
14/8 |
29/1 |
نقشة کاربری اراضی حوضة حصارک با استفاده از بازدیدهای میدانی و اطلاعات کسب‌شده از سازمان جنگل‌ها و مراتع و آبخیزداری استان تهران تهیه شد (سازمان جنگل‌ها و مراتع کشور، 1395)؛ (شکل 5)؛ (جدول 7).
جدول 7. مساحت کاربری‌های موجود در حوضة آبخیز حصارک (منبع: نویسندگان، 1398)
|
نوع کاربری |
مساحت (Km2) |
نوع کاربری |
مساحت (Km2) |
|
مناطق شهری |
4/0 |
زراعت |
6/1 |
|
درختکاری |
44/0 |
باغ |
54/0 |
|
مراتع |
88/10 |
|
|
شکل 5. نقشة کاربری اراضی منطقة پژوهش (منبع: سازمان جنگل‌ها و مراتع کشور، 1395)
بیشترین مساحت حوضه متعلق به کاربری مرتع با تراکم متوسط است که 88/10 کیلومترمربع از مساحت حوضه را شامل می‌شود و در گروههای هیدرولوژیکی B، C و D قرار دارد که ازلحاظ رواناب پتانسیل متوسط، نسبتاً زیاد و بسیار زیاد دارند. کاربری زمین‌های زراعی با تراکم خوب و باغ در رتبه‌های بعدی قرار می‌گیرد و آنها نیز در گروه هیدرولوژیک C قرار دارند.
وضعیت هیدرولوژیکی اراضی بیان‌کنندة توان ایجاد رواناب در یک منطقه است و چنانچه این توان کم باشد، شرایط هیدرولوژیکی خوب است. وضعیت هیدرولوژیکی اراضی در سه حالت ضعیف، متوسط و خوب در نظر گرفته می‌شود. وضعیت هیدرولوژیکی حوضة پژوهش ازنظر مراتع، زمین‌های زراعی و پوشش جنگلی (درختکاری) به دو وضعیت متوسط و خوب تقسیم شده است که 32/11 کیلومترمربع مساحت، وضعیت هیدرولوژیکی متوسط و 14/2 کیلومترمربع، وضعیت هیدرولوژیکی نسبتاً خوب دارد.
از جدول‌های مربوط به شمارة منحنی و با درنظرگرفتن وضعیت رطوبتی خاک در حالت سوم، برای هر محدوده شمارة منحنی (CN) استخراج و نقشة CN تهیه شده است (جدول 8 و شکل 6).
تعیین شمارة منحنی و مقادیر S حوضة آبخیز حصارک
در مرحلة بعد با ترکیب لایه‌های کاربری اراضی و گروههای هیدرولوژیکی خاک، نقشة شمارة منحنی (CN) به دست آمد. براساس نقشة شمارة منحنی (CN)، حوضة حصارک شمارة منحنی 60 تا 98 دارد (شکل 6). اراضی شهری و رخنمون‌های سنگی، بیشترین ارزش شمارة منحنی و باغ‌ها، کمترین میزان CN را در حوضة حصارک دارند؛ بنابراین قسمت‌های پایین‌دست CN بیشتری نسبت به بالادست حوضه دارند.
شکل 6. نقشة شمارة منحنی منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
جدول 8. مقادیر شمارة منحنی حوضة آبخیز حصارک (منبع: نویسندگان، 1398)
|
گروه خاک کاربری |
A |
B |
C |
D |
میانگین CN |
CN اصلاح‌شده برای گروه رطوبتی III |
|||
|
درختکاری (پوشش جنگلی) |
36 |
60 |
73 |
79 |
62 |
56 |
78 |
87 |
91 |
|
صخره |
98 |
98 |
98 |
98 |
98 |
99 |
99 |
99 |
99 |
|
زراعت |
65 |
75 |
82 |
86 |
77 |
82 |
88 |
92 |
94 |
|
رخنمون سنگی |
98 |
98 |
98 |
98 |
98 |
99 |
99 |
99 |
99 |
|
مرتع |
49 |
69 |
79 |
84 |
70 |
69 |
84 |
91 |
93 |
|
باغ |
59 |
74 |
82 |
86 |
75 |
77 |
88 |
92 |
94 |
|
مناطق شهری |
77 |
85 |
90 |
92 |
86 |
89 |
94 |
96 |
97 |
پس از تهیة نقشة CN در این مرحله از پژوهش با رابطة و مقادیر به‌دست‌آمده از CN حوضه، مقدار S یا همان حداکثر توان نگهداری مربوط به ربایش[20] و نفوذ در خاک محاسبه شد. مقدار S حوضه از 85/21 تا 33/169 میلی‌متر متغیر است (شکل 7).
پس از تهیة نقشة CN و S حوضة آبخیز برای تعیین متوسط بارندگی سالیانه، نخست برمبنای داده‌های بارش سالیانة ایستگاه‌های هواشناسی و هیدرومتری استفاده‌شده از طریق معادلة رگرسیون، لایة بارش حوضة آبخیز حصارک تهیه شد. با توجه به شکل (8)، بارش سالیانة حوضة آبخیز حصارک از 395 میلی‌متر در جنوب تا 764 میلی‌متر در ارتفاعات متغیر است. این تفاوت عددی، نقش افزایش ارتفاع را در تغییرات بارش حوضة حصارک به‌خوبی نشان می‌دهد.
شکل 7. نقشة نگهداشت سطحی خاک منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
شکل 8. نقشة بارندگی سالیانة منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
پس از تهیة نقشة CN و S حوضة آبخیز برای محاسبة ارتفاع رواناب تولیدشده، مقدار متوسط بارندگی سالیانه استخراج شد؛ سپس ارتفاع رواناب حوضة حصارک با استفاده از روابط 1 و 2 محاسبه شد (شکل 9 و جدول 9).
شکل 9. نقشة ارتفاع رواناب حاصل از بارندگی سالیانة منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
جدول 9. مقدار رواناب براساس روش SCS-CN در منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
|
ارتفاع رواناب (Mm) |
بارندگی (Mm) |
مساحت (Km2) |
ضریب رواناب (%) |
گروه هیدرولوژیک خاک |
|
3/126 |
4/265- 3/213 |
99/0 |
76/52 |
B |
|
1/175 |
5/305- 4/265 |
97/2 |
34/61 |
C |
|
8/236 |
1/378- 5/305 |
2/4 |
28/69 |
B |
|
45/280 |
4/390-1/378 |
35/4 |
39/36 |
C |
|
6/375 |
9/409- 4/390 |
61/0 |
86/93 |
D |
روش جاستین
جدول 10. مقدار رواناب سالیانه براساس روش جاستین در منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
|
بارش سالیانه (Mm) |
ضریب K |
مساحت حوضه (Km2) |
شیب حوضه S (Km) |
ارتفاع رواناب سالیانه R (Cm) |
ضریب رواناب % |
|
9/409 |
6/0 |
87/13 |
31/0 |
92/4 |
12 |
روش ایکار
جدول 11. مقدار رواناب سالیانه براساس روش ایکار در منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
|
بارش سالیانه (Mm) |
مساحت حوضه (Cm2) |
دمای سالیانه T (درجة سانتی‌گراد) |
ارتفاع رواناب سالیانه R (Cm) |
ضریب رواناب % |
|
9/409 |
87/13 |
96/9 |
23/2 |
44/5 |
روش انگلی- دی‌سوزا
جدول 12. مقدار دبی اوج سیلاب و رواناب براساس روش انگلی- دی‌سوزادر منطقة پژوهش (منبع: نویسندگان، 1398)
|
بارش سالیانه (Mm) |
ارتفاع رواناب سالیانه Qi |
ضریب رواناب % |
|
9/409 |
24/322 |
89/78 |
براساس مقادیر رواناب برآوردشده با استفاده از روش‌های انگلی - دی‌سوزا، جاستین، ایکار و
SCS-CN، روش SCS-CN به دلیل اینکه مقادیر نفوذپذیری و نگهداشت خاک را در نظر می‌گیرد، نتایج دقیق‌تری ارائه می‌دهد و نسبت به روش‌های دیگر مطمئن‌تر است. با توجه به مطالعات میدانی و پیمایش صحرایی، آثار و شواهد دبی لبالبی حاشیة کانال و داغ‌آب سیلاب‌های بیشینه ثبت و براساس سطح مقطع آبراهه، دبی حداکثر محاسبه و با رواناب برآوردی مدل‌ها مقایسه شد؛ علاوه بر این مقادیر دبی برآوردشده براساس مدل SCS-CN، در این مطالعه با مقادیر اندازه‌گیری‌شدة سازمان جنگل‌ها و مراتع استان تهران انطباق دارد (شرکت جهاد تحقیقات آب و انرژی، 1394).
پس از به‌دست‌آوردن بارش سالیانه و مقادیر نفوذ با استفاده از رابطة 2، ارتفاع و ضریب رواناب برای حوضة پژوهش محاسبه شد (جدول 9). بیشترین مقادیر رواناب منطبق بر اراضی شهری با گروه هیدرولوژیک خاک D است (جدول 9).
اعتبارسنجی برآورد رواناب
به‌منظور اعتبارسنجی مقادیر رواناب برآوردشده از روابط تجربی، از اطلاعات رواناب مشاهده‌ای ثبت‌شده در سازمان جنگل و مرتع کشور استفاده شده است (سازمان جنگل‌ها و مراتع کشور،1395). فواصل زمانی ثبت، بارش روزانه است. محاسبات حاصل از اعتبارسنجی در جدول (13) آورده شده است. به دلیل اینکه مقدار رواناب برآوردشده با روش SCS-CN، بیشترین همخوانی را با مقدار رواناب مشاهداتی و ثبت‌شده دارد، بنابراین نتایج حاصل از اعتبارسنجی نشان می‌دهد میزان اختلاف ضریب رواناب مشاهده‌ای و ضریب رواناب برآوردشده با استفاده از روش
SCS-CN 66/10درصد است.
جدول 13. نتایج حاصل از متوسط بارندگی سالیانه برای اعتباریابی برآورد رواناب در حوضة آبخیز حصارک
(منبع: سازمان جنگل‌ها و مراتع کشور، 1395)
|
رویداد |
بارش سالیانه (Mm) |
رواناب مشاهده‌ای |
ضریب رواناب مشاهده‌ای (%) |
رواناب شبیه‌سازی‌شده |
ضریب رواناب برآوردشده (%) |
تغییرات ضریب رواناب دبی مشاهده‌ای و برآوردشده |
|
01 ژانویة 2000 تا 01 ژانویة 2001 |
9/409 |
23/312 |
17/76 |
68/222 |
32/54 |
85/21 |
نتیجه‌گیری
ایران، یکی از کشورهای خشک و کم‌آب جهان با متوسط بارندگی 250 میلی‌متر است. این مقدار بارش ازنظر زمانی و مکانی نیز توزیع یکنواختی ندارد. بر این اساس ممکن است گاه بخش عمدة بارش سالیانه به‌صورت رگبار و بارش‌های تند طی چند ساعت ریزش کند که این امر باعث وقوع سیلاب‌های مخرب در بعضی حوضه‌های آبخیز و استان‌ها شده است؛ بنابراین بررسی مخاطرات آبی در یک حوضة آبخیز در تعادل و بیلان آبی آن حوضه و شناخت چگونگی وضعیت آن حوضه طی سال‌های گذشته برای هرگونه برنامه‌ریزی و اعمال نظر نقش مهمی دارد.
نابهنجاری شرایط اقلیمی که توازن طبیعی محیط زیست را برهم می‌زند و موجب بروز صدمات و خسارات به منابع طبیعی و انسانی می‌شود، به مخاطرات آب‌وهوایی تعبیر شده است (نگارش و ویسی، 1391: 80). حوادث طبیعی شناخته‌شده بیش از 40 نوع هستند که سیل پس از زلزله در مکان دوم قرار دارد (حافظ‌نیا، 1377: 62)؛ از این رو سیل یکی از پدیده‌های جدی هیدرواقلیمی و از جدی‌ترین بلایای طبیعی است که جوامع بشری را تهدید می‌کند. در بین تمامی عوامل تأثیرگذار بر سیل، شدت و مدت بارندگی که دو عامل اقلیمی هستند، بیشترین تأثیر را در ایجاد این پدیده داشته‌اند (فیروزی و همکاران، 1392: 78)؛ بنابراین رابطة بارندگی - رواناب متأثر از مؤلفه‌های اقلیمی و فیزیکی حوضة آبخیز مانند تغییرات زمانی بارندگی، شیب، ارتفاع، پوشش گیاهی، رطوبت خاک، آب‌های زیرزمینی و ... است.
حوضة آبخیز حصارک، حوضه‌ای کوهستانی در شمال غرب استان تهران و در ناحیة زمین‌شناختی البرز مرکزی، بر نهشته‌های کواترنری با سنگ‌بستر سازند کرج واقع شده است. ازنظر زمین‌شناسی جنس سنگ‌ها بیشتر توف سبز با میان‌لایه‌های آهک، و شیل با میان‌لایه‌های ماسه‌سنگ است که نسبتاً حساس به فرسایش‌اند. خاک کم‌عمق و شیب زیاد باعث تکوین پوشش گیاهی متراکم در حوضة پژوهش شده است و قدرت و سرعت جریان‌های سطحی در بخش‌های مختلف حوضة آبخیز حصارک دیده می‌شود.
نتایج پژوهش نشان داد نوع کاربری اراضی و پوشش گیاهی در سطح حوضة آبخیز، مهم‌ترین مؤلفه‌های تعیین‌کنندة نفوذ محسوب می‌شوند که بر رواناب و پیرو آن بر دبی اوج حوضه تأثیرگذارند. براساس مطالعات انجام‌شده و با توجه به نقشة پتانسیل تولید رواناب حوضة آبخیز حصارک
(شکل 9)، در پوشش باغ با مقدار شمارة منحنی 69، نگهداشت سطحی 33/169 میلی‌متر و بارش سالیانة 9/409 میلی‌متر، ارتفاع رواناب 3/126 میلی‌متر است و کمترین پتانسیل تولید رواناب را دارد. رخنمون‌های سنگی بالادست حوضة پژوهش با شمارة منحنی 98 و نگهداشت سطحی 85/21 میلی‌متر و بارش سالیانة 9/409 میلی‌متر نیز، ارتفاع رواناب 6/375 میلی‌متر یعنی بیشترین پتانسیل تولید رواناب را دارند.
در مقاله‌ای مددی و ملکی (1395) در حوضة آبخیز اندبیل شهرستان خلخال، مقدار رواناب سالیانة منطقه را با استفاده از روش‌های تجربی برآورد کردند. آنها نتیجه گرفتند کاربرد روش‌های تجربی دلالت بر عملکرد مثبت اقدامات آبخیزداری در کنترل رواناب و رسوب در حوضة پژوهش دارد و از بین روش‌های استفاده‌شده، روش جاستین پذیرفته بوده است.
در پژوهشی بیات و سلیمان دهکردی (1394) در حوضة آبخیز فرخ‌شهر، مدل های تجربی را در برآورد رواناب سالیانه ارزیابی کردند. در این پژوهش آنها از 5 روش تجربی تورک، کوتاین، جاستین، انجمن تحقیقات کشاورزی هندوستان و لانگین اصلاح‌شده به دلیل فراگیربودن و همچنین قابل محاسبه‌بودن مؤلفه‌های لازم آنها استفاده و نتیجه را با میزان رواناب اندازه‌گیری‌شده مقایسه کردند. از میان این 5 روش مقدار حاصل از مدل انجمن تحقیقات کشاورزی هندوستان به مقدار اندازه‌گیری‌شده نزدیک‌تر بود و همبستگی زیادی را نشان داد.
پژوهش صفاری و همکاران (1391) در حوضة سد یامچی (اردبیل) نشان داد بیشترین پتانسیل تولید رواناب به بخش‌های شمالی و شرقی حوضه مربوط است که کاربری بایر و نفوذپذیری کم است. همچنین برآورد حجم بارش‌های تبدیلی به رواناب برای چند دوره نشان داد رواناب تولیدی از کل بارش در دورة بازگشت 5ساله از 29درصد به 55درصد در دورة بازگشت 100ساله می‌رسد. درنتیجه در حوضة آبخیز حصارک همانند حوضة سد یامچی، نوع پوشش گیاهی و نفوذپذیری در تولید رواناب حوضه تأثیرگذار است. با توجه به اینکه بیشتر سطح منطقه، مراتع کم‌تراکم است و سهم این نوع کاربری به دلیل نفوذ کم در ایجاد رواناب زیاد است، باید اقدامات اساسی برای جلوگیری از ایجاد رواناب و سیل در مواقع بارندگی صورت گیرد. ازجمله اقدامات اساسی برای افزایش نفوذ آب، استقرار سیستم جمع‌آوری آب باران و عملیات کنتور فارو همراه با افزایش پوشش گیاهی با بذرپاشی و بوته‌کاری گیاهان مرتعی است. اجرای این اقدامات اصلاحی شرایط را برای گسترش پوشش گیاهی و کاهش رواناب حوضة آبخیز مساعدتر می‌کند؛ بنابراین نوع کاربری اراضی، مهم‌ترین مؤلفة مؤثر بر رواناب حوضه است و در یک دید کلی بخش‌های بالایی حوضه، بیشترین رواناب منطقه را ایجاد می‌کنند.
[1] Curve Number
[2] Sahoo et al
[3] Sundar Kumar and Rishi
[4] Mandel Kapaly
[5] Saravanan and Manjula
[6] Bhura et al
[7] Kowalik and Walega
[8] Viji et al
[9] Antecedent Moisture Condition
[10] Tamilnadu
[11] Nilgries
[12] Anubha et al
[13] Nayak Vindhyachal
[14] Vinithra and Yeshodha
[15] Satheeshkumar et al
[16] Interpolation
[17] Radial Basis
[18] Angeli di Sousa
[20] Interception
)
