نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار گروه جغرافیای طبیعی، دانشکدۀ جغرافیای دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیای دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Abstract
The objective of this study was to create flood inundation maps for the Darekeh, Farahzad, Western Flood Diversion Canal, and Kan River, focusing on return periods of 10, 25, 50, and 100 years. The HEC-Geo-RAS software was employed to simulate the hydraulic properties of flow in these canals. The results revealed that the largest flood extents occurred during a 100-year return period across all studied rivers. Hydraulic flow analysis indicated that the floodplain area for the Kan River reached 292 ha during the 100-year return period with predominant land uses in the flood risk zone comprising green spaces (203.8 ha) and a mix of service, administrative, and commercial areas (80.8 ha). The Western Flood Diversion Canal inundated 99.6 ha, primarily consisting of residential areas (57.2 ha) alongside industrial, workshop, and service-administrative uses (26.1 ha). The Darekeh River floodplain covered 74.8 ha, mainly featuring green spaces (55.8 ha) and residential areas (14.5 ha), while the Farahzad River floodplain extended to 34 ha predominantly made up of green spaces (32.6 ha) and limited residential areas (1.2 ha). The findings highlighted that the Kan River (downstream of the Western Flood Diversion Canal) and the Western Flood Diversion Canal possessed the most extensive floodplains. Notably, residential, service, administrative, commercial, and workshop land uses were situated within high-risk flood zones that carried significant economic value. The results of this study can be utilized to identify vulnerable areas in Tehran at risk of flooding, guide urban development toward safer locations, inform urban infrastructure design, and optimize surface runoff collection systems.
Keywords: Urban Flooding, Flood Hazard Map, Land use, Flow Hydraulic Modeling.
Introduction
Urban flooding has become an increasingly significant natural hazard exacerbated by climate change, urbanization, and population growth. In recent decades, identification of flood-prone areas has garnered considerable attention from managers and planners. Studies indicate that the risk of flooding to human health and property is projected to rise, primarily due to population expansion in vulnerable regions. By 2050, it is estimated that approximately 1.3 billion people will reside in flood-prone areas. Tehran, covering around 700 km2and home to over 9 million residents, is particularly susceptible to fluvial flooding. This vulnerability arises from its foothill location, steep slopes, sparse vegetation, heavy rainfall, uncontrolled development in riverine areas, and inadequate construction practices. Flood management in this densely populated metropolis is highly complex. To mitigate potential damages, it is essential to accurately identify flood inundation areas associated with various return periods. The HEC-RAS model serves as an effective hydraulic tool for this purpose, providing critical information for emergency planning and guiding urban development towards safer areas by accurately modeling the hydraulic properties of floods. This research aimed to create flood inundation maps for the Kan, Farahzad, and Darekeh rivers, and the Western Flood Diversion Canal in northern and northwestern Tehran using HEC-Geo-RAS software. The findings of this study will assist in identifying high-risk areas and preparing comprehensive flood hazard maps for Tehran.
Materials & Methods
Data Analysis
Initially, the annual peak discharge data recorded from 1977 to 2017 at 3 hydrometric stations (Haft Hoz, Soulaghan, and Lashkar) were collected from Iran’s Water Resources Management Company. Using Easyfit software, the best-fit distribution for these data was determined based on 3 statistical goodness-of-fit criteria: Anderson-Darling, Kolmogorov-Smirnov, and Chi-Square, all evaluated at a 95% confidence level.
Hydraulic Model Execution (HEC-RAS)
The HEC-RAS hydraulic tool was employed to simulate flood characteristics along the studied rivers for the return periods of 10, 25, 50, and 100 years. Being developed by the U.S. Army, this model could simulate both steady and unsteady flows while modeling floodplains.
The main inputs for the model included:
Manning's Roughness Coefficient: Based on field visits and Cowan's formula, this coefficient was assigned values of 0.015 to 0.017 for main river sections and 0.020 to 0.040 for natural beds and floodplains.
Digital Elevation Model (DEM): A DEM with a resolution of 10 m was utilized to create a Triangulated Irregular Network (TIN) in ArcGIS software.
River Geometric Information: Using the HEC-Geo-RAS extension, river centerlines, banks, and cross-sections (at 50-meter intervals) were extracted.
Flow Information: This included details on flow regimes, discharges, and hydraulic boundary conditions.
Hydraulic and Topographic Information: This encompassed roughness coefficients, river course conditions, bridges, and both longitudinal and cross-sectional profiles.
After executing the model, flood inundation maps and hydraulic properties of the flood (such as flow velocity and width) were generated. Subsequently, the flood extents were validated using Google Earth and previous studies and the affected land uses were identified.
Research Findings
The study produced detailed flood inundation maps for the Darekeh, Farahzad, Western Flood Diversion Canal, and Kan River, assessing flood extents for return periods of 10, 25, 50, and 100 years. The key findings were as follows:
Flood Extents by River:
Kan River: The largest floodplain was observed during the 100-year return period, measuring 292 ha. This area comprised predominantly green spaces (203.8 ha) and a mix of service, administrative, and commercial land uses (80.8 ha).
Western Flood Diversion Canal: The floodplain reached 99.6 ha, primarily involving residential land (57.2 ha) and service-administrative uses (26.1 ha).
Darekeh River: The floodplain extended to 74.8 ha with green spaces (55.8 ha) and residential areas (14.5 ha) dominating the landscape.
Farahzad River: The smallest floodplain at 34 ha was characterized mainly by green spaces (32.6 ha) and limited residential areas (1.2 ha).
Impact of Slope and Geometric Characteristics:
The steep slopes of the Darekeh and Farahzad rivers limited flood extents upstream, while reduced slopes downstream significantly increased flooding risk. The Western Flood Diversion Canal also exhibited increased flood extents due to similar topographical changes.
Hydraulic Structures:
Many bridges along the rivers lacked adequate capacity to manage floodwaters, particularly during higher return periods. The blockage of culverts due to sediment accumulation exacerbated flooding risks in urban areas.
Affected Land Uses:
Floodplains primarily encompassed green spaces, residential, and commercial-service areas, indicating a high risk of flood damage. The presence of sensitive land uses within these zones necessitated improved management and expansion of green spaces.
Flood Management Implications:
The findings underscored the importance of effective flood management and urban planning. Identifying vulnerable sites allowed for targeted interventions, such as improving water infrastructure, clearing culverts, and preserving green spaces.
In conclusion, the study highlighted the significant flood risks in northern and northwestern Tehran, which were driven by slope reduction, insufficient culvert capacity, sediment buildup, and human interventions. Urgent measures were required to enhance flood management strategies and protect vulnerable urban areas from flooding.
Discussion of Results & Conclusion
Impact of Slope and Geometric Characteristics on Flood Zoning
In the Darakeh and Farhzad rivers, steep upstream slopes limited flood extents; however, downstream areas experienced a significant increase in flooding due to reduced slopes. In the Western Flood Diversion Canal, the gradual slope decreased in the middle and lower sections promoted runoff accumulation, resulting in expanded flood extents. Similarly, the reduced longitudinal slope in the Kan River contributed to a notable increase in flood areas downstream.
Effect of Hydraulic Structures (Bridges and Culverts) on Flood Dynamics
Many bridges along the rivers and canals are inadequate in capacity to handle floodwaters, particularly during higher return periods (25, 50, and 100 years). The blockage of culvert inlets due to sediment accumulation and high runoff volumes has led to street flooding and further expansion of flood extents. This situation heightens the risk of urban flooding and necessitates a re-evaluation and modification of existing structures.
Impact on Urban Land Use
Floodplains in the studied areas primarily consisted of green spaces, residential properties, and commercial/service land uses. The presence of residential areas and sensitive land uses within these floodplains indicated a high risk of flood damage. Enhancing and expanding green spaces and water storage in vulnerable areas can help mitigate flooding impacts. Factors like reduced natural slopes in downstream sections, river section contractions, blockages caused by bridge piers, sediment accumulation, unauthorized constructions, and unsustainable land use practices contribute to increased flood volumes.
Importance of Flood Management and Urban Planning
The results of flood-prone zoning through hydraulic modeling clearly identified both safe areas and vulnerable sites. This information is essential for effective landscape design, urban ecology, and flood management planning. Key actions to consider included strengthening water infrastructure, rebuilding bridges, clearing culverts, and preserving green spaces.
The results of hydraulic simulations using the HEC-RAS model for the Darakeh and Farhzad rivers, the Western Flood Diversion Canal, and the Kan River in the northern and northwestern Tehran Basin illustrated flood zoning conditions for return periods of 10 to 100 years. The model outputs included inundation maps, tables, and images, which were valuable for defining safe river boundaries, landscape and ecological design, and urban management studies. The main findings of this study could be summarized as follows:
Darakeh and Farhzad Rivers: In the upstream sections, the floodplain extension was limited due to steep slopes. However, as the slope decreased downstream, the width of the floodplain increased significantly. In the Darakeh River, restaurants near the river were at risk of flooding. The maximum floodplain area for the 100-year return period was 8.74 ha, primarily consisting of green spaces and residential areas. Factors contributing to flooding included low slopes and the blockage and contraction of bridge culverts. In the Farhzad River, the maximum floodplain occurred at the intersection with the Behrud and Moradabad tributaries, primarily affecting private gardens and highlighting the need for effective green space management. The floodplain had expanded from Hemmat Highway to Marzdaran Boulevard, with Khoshmaram and Asbar bridges experiencing flooding during high return periods. The maximum floodplain area for the 100-year return period was 34 ha, mainly comprising green spaces and residential areas. Causes of flooding included narrowing and clogging of bridge culverts, reduced slopes, and high runoff volumes.
Western Flood Diversion Canal: This canal played a crucial role in transporting floodwaters to the Kan River. The expansion of the floodplain in the downstream areas of the canal was significant due to reduced slopes. Several bridges, including the Ariafer Street Bridge, those near Yadegar Imam, Khosravi Bridge, bridges after the Second Sadeghieh Square, Vali Asr Street Bridge, Salimi Jahromi Street Bridges, and Sattari Highway, lacked sufficient capacity to manage high floodwaters. The largest floodplain area for the 100-year return period was 99.6 ha, encompassing residential areas along with commercial, service, and workshop uses. Key factors contributing to flooding in this area included high runoff volumes, reduced slopes, and insufficient capacity of both the canal and its bridges.
Kan River (Upstream of the Western Flood Diversion Canal): The floodplain in this area was less mountainous and steep, but it expanded towards the area of Azadi in Zibadasht. The largest floodplain for the 100-year return period was measured 66.1 ha, comprising green spaces and residential areas. Contributing factors to flooding included narrowing and clogging of bridge culverts, construction along the riverbanks, and reduced slopes.
Kan River (Downstream of the Western Flood Diversion Canal): At the junction with the Western Flood Diversion Canal, the accumulation of flows had led to significant floodplain expansion. This floodplain extended from the west of Tehransar to the east of Mehrabad Airport and continued towards Azadegan and Saveh Highway. The largest floodplain for the 100-year return period was 231 ha, making it the largest in the region. Major land uses in this area included green spaces (146.2 ha), commercial and shopping centers (80.1 ha), and residential areas (4.7 ha). The extensive flooding in this section with a maximum width of 1,037 m was primarily due to the accumulation of runoff from upstream catchments and slope reductions.
These findings provide critical information for effective urban planning and flood prevention measures in the northern and northwestern regions of Tehran. The northern and northwestern basins of Tehran are particularly vulnerable to floods. Key factors exacerbating this risk include reduced slopes, insufficient capacity of culverts and bridges to handle floodwaters, sediment accumulation, and human alterations to riverbeds. There is a significant risk of damage to life and property in residential, commercial, and green areas within the floodplains. Urgent measures are needed to enhance the water transfer capacity of critical sections, reconstruct bridges, and manage land use effectively in the river basins.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
سیلاب شهری مخاطرهای طبیعی است که خسارتهای سنگینی را بر جوامع شهری وارد کرده و باعث جلب توجه زیاد مدیران و برنامهریزان شده است ( Jahangir et al., 2019; Khatooni et al., 2023). در دهههای اخیر، تعداد سیلابها به دلیل تغییر اقلیم، افزایش شهرنشینی و افزایش جمعیت بیش از 40 درصد افزایش یافته است ( Hens et al., 2018; Khosravi et al., 2020). براساس دادههای ثبتشده، در فاصلۀ سالهای 2004 تا 2015 سیلابها جان 59092 نفر را در سرتاسر جهان گرفته است (Haynes et al., 2017). از سال 2006 تا 2015 تعداد 1719 سیل در سرتاسر زمین رخ داده است که 79/45 درصد از بلایای طبیعی را شامل میشود و باعث تلفات اقتصادی در حدود 3/3 میلیارد دلار شده و زندگی حداقل 800 میلیون نفر را تحت تأثیر قرار داده است ( Chau, 2017; Liu et al., 2020). ایران نیز با توجه به مساحت گستردۀ حوضهها، تنوع اقلیمی و تغییرات زمانی-فضایی بارش هر سال با سیلابهای عظیمی روبرو بوده (Jahangir et al., 2019) و فقط در 40 سال گذشته بیش از 3700 سیل ثبت شده است (وخشوری، 1391). باتوجهبه تحقیقات و پیشبینیها خطر سیلاب و تعداد قربانیان سیلاب در آینده به دلیل تغییر اقلیم و افزایش جمعیت بیشتر خواهد شد ( Hirabayashi et al., 2013; Boulange et al., 2021) و تخمین زده میشود تعداد افرادی که تا سال 2050 در منطقۀ خطر سیل زندگی میکنند، به 3/1 میلیارد نفر برسد (Falah et al., 2019).
شهر تهران با وسعتی در حدود 700 کیلومترمربع دهمین منطقۀ کلانشهری در معرض خطر زلزله و طغیان رودخانه (Moghadas et al., 2019) است و در دامنۀ جنوبی کوههای البرز قرار دارد که شامل دو حوضۀ شمال-شمال غرب (رودخانههای کن، وسک، فرحزاد، درکه و کانالهای سیلبرگردان غرب، شاهین و تپه نیزار) و حوضۀ شمال-شمال شرق-شرق (از ولنجک در شمال تا سرخهحصار در شرق شامل رودخانههای ولنجک، دربند، گلابدره، کاشانک، جمشیدیه، دارآباد و سوهانک) است (مرکز مطالعات و برنامهریزی شهر تهران، 1384ب). این مناطق شیب تند، پوششگیاهی تُنک و رخداد بارشهای سنگین دارد که این عوامل سبب شده است آب باران فرصت نفوذ کمتری به درون زمین پیدا کند و بهصورت سیلاب به سمت مناطق جنوبی شهر تهران سرازیر شود (قهرودی تالی و همکاران، 1395). در کلانشهر تهران به دلیل توسعۀ رود درههای شمال آن، تعامل بین سیستمهای محیط طبیعی در حال تغییر، ترکیب ناهمگون شمال شهر، سوءمدیریت در بخش دولتی، برجسازی بخش خصوصی، سازههای شهری غیراصولی (قهرودی تالی و همکاران، 1403) و همچنین ارزش مکانی زمین در برخی از مناطق شهر تهران بستر رودخانه و مسیلها موردتعرض قرار گرفته و سطح مقطع آنها کاهش یافته و محدود شده است که این موضوع میتواند بر رژیم طبیعی رودخانه و مسیل عبوری جریان تأثیر گذارد (مقیمی و صفاری، 1389) و در صورت وقوع بارشهای رگباری شدید خسارتهای جبرانناپذیری را بر پیکرۀ شهر وارد سازد (Afsari et al., 2022). صرفنظر از ویژگیهای سیلاب، ویژگیهای اجتماعی-اقتصادی ذاتی شهر نشان میدهد تهران با داشتن 22 منطقۀ شهری، 37696 بلوک و تمرکز بالای صنایع و سازمانهای دولتی و خدمات و تأسیسات از مخاطرۀ سیل مصون نیست؛ بنابراین، مدیریت را در زمان وقوع بلایای طبیعی مانند سیل به مسئلهای بسیار پیچیده تبدیل میکند (UNDP, 2006). رونق ساختوساز گسترده به دنبال موج مهاجرت سبب شده است زمینهای غیرمسکونی به مناطق مسکونی تبدیل شود (مرکز آمار ایران، 1390). گسترش مناطق ساختهشده باعث افزایش کنترلنشده در سطح غیرقابلنفوذ میشود که میتواند احتمال وقوع سیل را افزایش دهد (Rodríguez et al., 2015). از اقدامات مدیریتی که میتواند نقش بسزایی در کاهش خسارات ناشی از وقوع سیلاب داشته باشد، تعیین پهنههای سیلاب با دورههای بازگشت مختلف به کمک مدلسازی هیدرولیکی جریان سیلاب است (زراعتکار و همکاران، 1393). در بین مدلهای هیدرولیکی، مدل ریاضی HEC-Geo-RAS که توسط USACE[1] تهیه شده، جزء کاربردیترین مدلهای هیدرولیکی درزمینۀ سیلاب است. این مدل به دلیل قابلیت شبیهسازی سیل بهصورت یکبعدی، دوبعدی و سهبعدی معمولترین روش برای درک حوادث سیل، ارزیابی خطر وقوع سیل و برنامهریزی مدیریت سیل است که امکان شبیهسازی رخدادهای مختلف سیل را فراهم میکند (Geravand et al., 2020).
غلامی و همکاران در مطالعهای در امتداد رودخانههای سیاهرود و گوهررود (شهر رشت) با استفاده از مدل HEC-RAS و GIS و نقشۀ رقومی (مقیاس: ۱۰۰۰) رفتار هیدرولیکی رودخانهها را شبیهسازی کردند و نقشۀ پهنهبندی سیل را در دورۀ بازگشتهای 2، ۱۰، ۲۵، ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ سال تهیه کردند. نتایج نشان داد که برخی از بخشهای شهر رشت (اراضی کنارۀ رودخانه) در معرض خطر سیل قرار دارند (Gholami et al., 2016). حسینی و همکاران (1394) در پژوهشی درزمینۀ پهنههای سیلگیر رود کشکان با استفاده از مدل HEC-RAS، چنین استنباط کردند که از کل مساحت سیلگیر مربوط به دورۀ بازگشت 1000 سال، 77 درصد آن مستعد سیلگیری با دورههای بازگشت کوتاهمدت (25 سال) است. زوپ و همکاران با استفاده از مدل HEC-RAS و HEC-HMS به پهنهبندی سیل در محیط شهری بمبئی در دورۀ بازگشتهای 2، 5، 10، 25، 50، 100 و 200 سال پرداختند و به این نتیجه رسیدند که تغییر در کاربری اراضی و پوشش سطح باعث افزایش دبی و از طرفی گسترش پهنههای سیلگیر میشود (Zope et al., 2017). پراستیکا و همکاران با مدل HEC-RAS پهنههای سیلگیر در شهر Bojonegoro در دورۀ بازگشتهای 5، 10، 25، 50 و 100 سال را بررسی کردند که نتایج نشان داد سیلاب در دورۀ بازگشتهای 25، 50 و 100 سال بیشترین پهنه را داشته، از حریم رودخانه خارج شده و نواحی اطراف رودخانه را در بر گرفته است (Prastica et al., 2018). رنگاری و همکاران با ترکیب GIS با مدل بارش-رواناب (HEC-HMS)و مدل هیدرولوژیکی (HEC-RAS) سیلاب را در مناطق شهری حیدرآباد هند مدلسازی کردند و نقشههای سیل را تهیه کردند. نتایج تحت قالب نقشههای طغیان سیل تهیه شدهاند که نشاندهندۀ منطقۀ در معرض خطر و مناطقی است که احتمال وقوع سیل در آنها وجود دارد (Rangari et al., 2019). موحدی و همکاران سیلاب شهری در منطقۀ 13 تهران را با مدل هیدرولیکی HEC-RAS در دورههای بازگشت 2، 5 و 10 سال شبیهسازی کردند و بیان نمودند که در شرایط موجود بهویژه برای رویدادهای بارندگی با دورۀ بازگشت طولانیتر، سیل و حجم سرریز قابلتوجهی در منطقۀ مطالعهشده رخ میدهد (Movahedini et al., 2019). دسالگن و مولو با استفاده از مدل HEC-RAS، GIS برای پردازش دادههای مکانی و HEC-GeoRAS برای ارتباط بین HEC-RAS و GIS پهنهبندی سیل را با دورۀ بازگشتهای 5، 10، 25، 50 و 100 سال بررسی کردند (Desalegn & Mulu., 2021). نامارا و همکاران پهنهبندی سیلاب در اتیوپی را با دورۀ بازگشتهای 2، 5، 10، 25، 50 و 100 سال و ترکیب مدلهای HEC-RAS، HEC-GeoRAS و HEC-HMS تجزیه و تحلیل کردند (Namara et al., 2022). پاریزی و حسینی (1402) میزان دقت مدل رقومی ارتفاعی TanDEM-X در شبیهسازی مشخصات هیدرولیکی سیلاب در حوضۀ رودخانه اترک را با دورۀ بازگشتهای 5 تا 200 سال برآورد کردند و بیان نمودند که مدل دوبعدی HEC-RAS به همراه مدل رقومی ارتفاعی TanDEM-X میتواند پهنۀ سیلابی را با دقت نسبتاً زیاد استخراج کند. همچنین گوسوامی و همکاران و دریجانی و همکاران در دورۀ بازگشتهای 25، 50 و 100 سال با استفاده از مدل HEC-RAS پهنههای سیلابی را بررسی و تحلیل کردهاند ( Darijani et al., 2025; Goswami et al., 2023).
پهنهبندی و شناخت نقاط سیلگیر و ارائۀ نقشههای پهنۀ سیل در مناطق شهری یکی از روشهای جلوگیری و کاهش تلفات و خسارات انسانی و اقتصادی و ارائۀ اطلاعات مطمئن به مردم دربارۀ خطر سیل است. تهیۀ چنین نقشههایی به شناسایی مناطق پرخطر و آسیبپذیر شهری در برابر سیل کمک میکند و امکان برنامهریزی برای تخلیه اضطراری، امدادرسانی و کاهش خسارات مالی و جانی را فراهم میسازد. همچنین با داشتن چنین اطلاعاتی میتوان توسعۀ شهری و طراحی زیرساختهای شهری را به سمت مناطق امنتر هدایت کرد و در طراحی بهینۀ سیستمهای جمعآوری روانابهای سطحی شهر از آنها استفاده کرد. بنابراین، باتوجهبه وقوع سیلهای مکرر در حوضههای شمالی شهر تهران انجام پژوهشی برای شناسایی مناطق در معرض سیل حوضۀ شمال-شمال غرب شهر تهران ضرورت دارد. در پژوهش حاضر سعی شده است نقشۀ پهنهبندی سیلاب برای دورۀ بازگشتهای مختلف رودخانههای کن، فرحزاد، درکه و سیلبرگردان غرب در حوضۀ شمال-شمال غرب شهر تهران با استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS تهیه شود. تهیۀ نقشههای پهنۀ سیلگیر در محدودۀ شهر تهران میتواند مبنایی برای شناسایی مناطق با مخاطرۀ بیشتر باشد و برای تهیۀ نقشههای خطرپذیری سیلاب شهر تهران استفاده شود.
مواد و روشها
منطقۀ مطالعهشده
تهران پرجمعیتترین شهر ایران است که طبق سرشماری ملی سال 1395 جمعیتی بالغ بر 8693706 نفر دارد (مرکز آمار ایران، 1395) و تخمین زده میشود که در سال 1409 بیش از ۱۰ میلیون نفر جمعیت داشته باشد. این شهر با مساحت ۷0۰ کیلومترمربع در جنوب رشتهکوه البرز واقع شده است (شکل 1). ارتفاع شهر در بلندترین نقاط شمالی حدود 2020 متر و در جنوبیترین نقاط ۱۰۳۰ متر از سطح دریا متغیر است. بخشهای شمالی تهران زمینهایی با شیبهای تند مانند دامنههای کوههای البرز است که در جنوب به دشتهای کمشیب ختم میشود و شیبی بین 0 تا 66 درجه دارد. میانگین بارندگی سالانه در شهر تهران بین 188 تا 428 میلیمتر و میانگین دمای روز و شب بین 6/27 و 2/13 درجۀ سانتیگراد است. مناطق ساختهشده، مناطق بایر و درختان با 8/76 درصد، 3/9 درصد و 0/7 درصد پوشش غالب زمین در محدودۀ کلانشهر تهران هستند. درحالیکه زمینهای کشاورزی با پوشش 5/1 درصدی اغلب در بخش جنوبی و جنوب غربی شهر واقع شدهاند، پهنههای آبی با 3/0 درصد در شمال غرب شهر قرار گرفتهاند؛ علاوهبر این، بوتهزارها و مراتع بهترتیب با پوشش 5/2 و 2/2 درصدی محدودۀ شهر غالباً در بخش شمال غربی واقع شدهاند.
سیستم زهکشی منطقۀ مطالعهشده در شکل 1 نشان داده شده است. حوضۀ شمال-شمال غرب شهر تهران شامل رودخانههای کن، فرحزاد، درکه و سیلبرگردان غرب است. آب رودخانههای درکه و فرحزاد پس از خروج از حوضۀ کوهستانی و قسمتی از محدودۀ شهری، بهوسیلۀ سیلبرگردان غرب به رودخانۀ کن منتقل میشود. مساحت حوضه در حدود 415 کیلومترمربع است (مرکز مطالعات و برنامهریزی شهر تهران، 1384الف). این حوضه در ناحیۀ کوهستانی البرز مرکزی واقع شده است. ازنظر توپوگرافی شیب نسبتاً تندی دارد و متوسط شیب حوضۀ کن به حدود 5/43 درصد میرسد. همچنین باتوجهبه شرایط آبوهوایی منطقه، پوششگیاهی تنکی دارد و پوشش سطحی نفوذناپذیری ازنظر رخنمون زمینشناسی دارد. ایستگاههای هیدرومتری این حوضه شامل سولقان، هفتحوض و لشک است که براساس آمار و اطلاعات آنها، متوسط آبدهی سالانۀ رودخانه درکه (ایستگاه هفتحوض) در محل ورود به منطقۀ شهری 43/0 مترمکعب بر ثانیه معادل 5/13 میلیون مترمکعب در سال است که از این مقدار 3/7 میلیون مترمکعب سهم رواناب و 2/6 میلیون مترمکعب به جریان پایۀ رودخانه مربوط است. در مقطع ورودی به شهر تهران رودخانۀ فرحزاد (ایستگاه لشک) دبی متوسط سالانه 22/0 مترمکعب بر ثانیه معادل 8/6 میلیون مترمکعب در سال دارد که از این مقدار 4/4 میلیون مترمکعب سهم رواناب سطحی و 4/2 میلیون مترمکعب به جریان پایۀ رودخانه مربوط است. همچنین میانگین رواناب روزانۀ حوضۀ کن (ایستگاه سولقان) در حدود 09/4 مترمکعب بر ثانیه، متوسط دبی سالانه 2/2 مترمکعب بر ثانیه و آبدهی سالانۀ آن نیز در حدود 79 میلیون مترمکعب در سال برآورد شده است.
شکل 1: موقعیت حوضۀ شمال-شمال غرب و رودخانههای اصلی در شهر تهران (منبع: نگارندگان)
Fig 1: Location of the northern and northwestern watershed and the main rivers in Tehran (Source: Authors)
اجرای مدل هیدرولیکی و روش تجزیه و تحلیل دادهها
در این پژوهش از دادههای بلندمدت (از سال 1356 تا 1396) دبی حداکثر لحظهای سالانه برای برآورد حجم سیلاب در دورۀ بازگشتهای مختلف برای سه ایستگاه هیدرومتری (هفتحوض، سولقان و لشک) حوضۀ شمال-شمال غرب شهر تهران (شکل 1) برای تحلیل فراوانی دبی اوج سیل با دورۀ بازگشتهای مختلف استفاده شد. پس از بررسی استقلال و روند زمانی دادههای دبی پیک، از نرمافزار Easyfit بهترین توزیع احتمالاتی برازشی دادههای حداکثر دبی لحظهای براساس سه معیار نکویی برازش شامل اندرسون-دارلینگ[2]، کولموگروف-اسمیرنوف[3] و کای اسکوئر[4] در سطح معنیداری α=0.05 استفاده شد. برای شبیهسازی جریان و تهیۀ نقشۀ پهنههای سیل در دورۀ بازگشتهای مختلف از مدل هیدرولیک جریان HEC-RAS استفاده شد. HEC-RAS یک مدل هیدرودینامیکی است که انجمن مهندسان ارتش آمریکا برای شبیهسازی سیل ساختهاند (Brunner et al., 2016). قابلیتهای نرمافزار HEC-RAS در انجام محاسبات هیدرولیکی یا شبیهسازی جریان رودخانه در حالت ماندگار و غیرماندگار و مدلسازی دشت سیلابی است (Rangari et al., 2019). در اجرای مدل هیدرولیکی، مقدار ضریب زبری مانینگ پارامتر هیدرولیکی مهمی است که نقش مؤثری در تراز آب و سرعت جریان دارد. عملیترین روش برای تعیین این ضریب انجام بازدیدهای میدانی، اعمال قضاوت مهندسی و استفاده از جدولهای پیشنهادی محققان است. این جدولها معمولاً براساس نوع اندازۀ دانههای بستر و پوشش آن هستند. در میان روابط ارائهشده، رابطۀ معروف کوان (Cowan) برجسته است. در این روش، یک مقدار پایه برای ضریب براساس نوع کانال انتخاب میشود و سپس با استفاده از جدول کوان تنظیماتی برای عواملی مانند پوششگیاهی، نامنظمی مقطع، موانع عمومی، جهت کانال و تغییرات در شکل و اندازه آن انجام میشود. مقدار معادل زبری مانینگ برای کانالهای مطالعهشده در محدودۀ 015/0 تا 017/0 برای مقاطع بتنی و 020/0 تا 040/0 برای زبری بستر طبیعی و پهنۀ سیلابی در نظر گرفته شد و درنهایت با تحلیل حساسیت نتایج مدل به این ضرایب، صحتسنجی شدند.
در تحقیق حاضر به منظور تهیۀ نقشۀ پهنههای سیلابی و شبیهسازی سیل منطقۀ مطالعهشده، ابتدا از مدل رقومی ارتفاعی (DEM[5]) با اندازۀ پیکسل 10 متر (سازمان نقشهبرداری کشور) استفاده شد؛ سپس برای استفاده از آن، تصحیح هندسی شد و با استفاده از نرمافزار AecGIS شبکۀ نامنظم مثلثی سطح زمین (TIN[6]) برای واردکردن به مدل تهیه شد. درادامه جهت ورود اطلاعات هندسی رودخانه از افزونۀ HEC-Geo-RAS برای ترسیم خط مرکزی جریان، خط کنارههای رودخانه، مقاطع عرضی از ساحل راست به سمت ساحل چپ و مسیر جریان استفاده شد. فواصل مقاطع عرضی 50 متر در مدل برای تمام کانالها در نظر گرفته شد. اطلاعات جریان برای مدل شامل رژیم جریان است که دادههای مربوط به دبی، شرایط اولیه و مرزی را شامل میشود. رژیم جریان بهصورت زیر بحران و فوق بحرانی یا ترکیبی تعریف میشود.
اطلاعات دبی حداقل یک مقدار در طول هر بازه و شرایط مرزی جریان تعیین میشود (Merwade, 2004). اطلاعات اولیۀ موردنیاز برای شبیهسازی سیلاب حوضۀ مطالعهشده در مدل HEC-RAS شامل: 1- اطلاعات هیدرولیکی (ضرایب زبری رودخانه در بازههای مختلف، وضعیت مسیر رودخانه، کانال رودخانه، مقاطع عرضی رودخانه، پلها)؛ 2- اطلاعات توپوگرافی (نیمرخ طولی و عرضی رودخانه) (شکل 1) و 3- اطلاعات جریان سیل (هیدروگراف ورودی سیل، دبی با دورۀ بازگشتهای مختلف) است که برای محاسبۀ آن از آمار و اطلاعات ایستگاههای هیدرومتری حوضۀ مطالعه شده استفاده شده است. پس از پردازش اطلاعات ورودی به مدل، نتایج خروجی در قالب شبیهسازی پهنههای سیلابی با دورۀ بازگشتهای 10 تا 100 ساله و نتایج هیدرولیکی سرعت متوسط جریان، سطح مقطع جریان، عرض سطح آب و عدد فرود جریان به دست آمد؛ سپس پهنههای سیل با استفاده از نرمافزار گوگل ارث با مناطق تحت بررسی صحتسنجی شد و کاربریهای در خطر سیل مشخص شد.
نیمرخ طولی رودخانه و کانالهای منطقۀ مطالعاتی
نیمرخ طولی رودخانه اطلاعات شیب، سرعت جریان و قدرت فرسایش رودخانه را ارائه میدهد (Roberts et al., 2019). شکل 2 نیمرخ طولی کانالها و موقعیت پلهای منطقۀ بررسیشده را نشان میدهد. نیمرخ طولی درکه از بالادست دهستان رودبار قصران تا کانال خشکه شیب 7% و از این محل تا سیلبرگردان شیب %4 دارد (شکل 2 الف). نیمرخ فرحزاد با تغییراتی در شیب رودخانه در فواصل 1805 تا 1670 متر ابتدای رودخانه با شیبی تند قابلمشاهده است؛ ولی در فواصل 1670 متر تا نقطۀ اتصال سیلبرگردان غرب (1274 متر) با شیب متوسط 5 درصد است (شکل 2 ب). تغییرات نیمرخ طولی کانال سیلبرگردان پنج محدودۀ شیب دارد که شامل محدودۀ صفر تا فاصله 3000 متر و از فاصلۀ 4000 تا 6000 متر و نهایتاً 7000 تا 7500 متر با شیب بسیار ملایم و سپس محدودۀ 3000 تا 4000 متر و 7500 تا انتهای کانال با شیب 2% است (شکل 2 ج). همچنین نیمرخ طولی رودخانۀ کن در محدودۀ بالادست (پل بزرگراه شهید حجازی) شیب تند و با تغییرات پلهای از ارتفاعات به سمت دشت روبهرو است. تغییرات قابلتوجه شیب در بالادست تقریباً به محدودۀ 2000 تا 5000 متر منحصر است. در پاییندست (پل بزرگراه شهید حجازی) این تغییرات محدود و رودخانه تقریباً با شیب نسبی ثابت در دشت جریان مییابد (شکل 2 د).
نتایج و یافتهها
نقشۀ پهنهبندی سیلاب در دورۀ بازگشتهای مختلف
نتایج شبیهسازی هیدرولیکی رودخانههای درکه، فرحزاد، کانال سیلبرگردان غرب و رودخانۀ کن در بالادست و پاییندست کانال سیلبرگردان در حوضۀ شمال-شمال غرب شهر تهران با استفاده از مدل HEC- RAS در محیط نرمافزار ArcGIS انجام شد. خروجیهای مدل برای دورۀ بازگشتهای 10، 25، 50 و 100 سال بهصورت نقشههای پهنهبندی سیلاب، جدولها و نمودارها تهیه و ترسیم شد (شکلهای 3، 5، 7، 9 و 11). نتایج بهدستآمده از مدل تحت قالب نقشۀ پهنههای سیلابی علاوهبر تعیین مرزهای ایمن رودخانهها و فعالیتهای طراحی منظر و اکولوژی در مطالعات مدیریت شهری نیز کاربرد دارد.
شکل 2: نیمرخ طولی رودخانه و کانالهای مطالعهشده الف: رودخانۀ درکه، ب: رودخانۀ فرحزاد، ج: کانال سیلبرگردان غرب و د: رودخانۀ کن a: بالادست سیلبرگردان غرب b: پاییندست سیلبرگردان غرب (پیکان قرمز محل اتصال کانال سیلبرگردان غرب به رودخانۀ کن) (منبع: نگارندگان)
Fig 2: Longitudinal profile of the studied channels: A: Darakeh, B: Farahzad, C: West Floodway Channel, and D: Kan. Reach a: Upstream of West Floodway, Reach b: Downstream of West Floodway (red arrow indicates the connection of West Floodway Channel to Kan River) (Source: Authors)
شبیهسازی جریان در رودخانۀ درکه از حدود 850 متر بالاتر از سرپل بالا (حدود رستوران سلطان) تا اتصال به کانال سیلبرگردان غرب انجام شد. این شبیهسازی در حدود 2/9 کیلومتر از رودخانۀ طبیعی و کانال بتنی-سنگی ساختهشده را شامل میشود. رودخانۀ درکه در حدود 7/4 کیلومتر (بالادست بزرگراه نیایش) بستر طبیعی دارد (در قسمتهایی دیوارسازی سنگی انجام شده است) و پس از آن بهصورت بتنی-سنگی کانالسازی شده است. نتایج مدلسازی پهنهبندی سیلاب رودخانۀ درکه نشان میدهد پهنۀ سیلگیر این رودخانه از بالادست میدان درکه تا حدود 800 متر پاییندست محل تقاطع رودخانۀ درکه و خشکه مسیل به دلیل شیب زیاد در دورۀ بازگشتهای مختلف گسترش چندانی ندارد؛ اما در پاییندست کانال خشکه به دلیل کاهش شیب، عرض پهنههای سیل در دورۀ بازگشتهای مختلف افزایش مییابد. گسترش پهنهها از حدود مجتمع مسکونی باغ بهشت (پایینتر از بزرگراه یادگار امام) به طرف شهرک آتیساز و شهرک نیایش که درادامه از غرب بلوار مدیریت و کنار بوستان گفتوگو عبور کرده است، افزایش مییابد و وارد کانال سیلبرگردان غرب میشود (شکل 3). همچنین در شکل (3 -ه) نقشۀ سهبعدی پهنۀ آبگرفتگی رودخانۀ درکه در دورۀ بازگشت 100 سال نمایش داده شده است. تعدادی از رستورانهای اطراف رودخانۀ درکه در ترازی پایینتر از ارتفاع ایمن از کف رودخانه قرار گرفتهاند که در معرض سیل هستند. همچنین در پاییندست میدان درکه بیشینۀ دبی سیلاب در دورۀ بازگشت 100 سال حدود 70 مترمکعب بر ثانیه با سرعت4/3 متر بر ثانیه است. بیشترین پهنۀ سیلابی در دورۀ بازگشت 100 و 50 سال بهترتیب در حدود 8/74 و 70 هکتار و عرض سطح آب 5/269 و 8/267 متر است. حداکثر دبی لحظهای در دورۀ بازگشت 50 و 100 سال در رودخانۀ درکه بهترتیب 3/57 و 6/67 مترمکعب بر ثانیه بوده است. همچنین عدد فرود جریان در دورۀ بازگشت 25 تا 100 سال (6/0) بوده است. بیشترین کاربریهای محدودۀ پهنۀ سیلابی در دورۀ بازگشت 100 و 50 سال بهترتیب شامل کاربری فضای سبز 8/55 و 8/52 هکتار و مناطق مسکونی با 5/14 و 4/13 هکتار است (جدول 1). تصاویر قرارگرفته در شکل 4 مناطق در خطر سیل هستند که قرارگیری در ارتفاع کم نسبت به کف رودخانه و حجم جریان در دورۀ بازگشتهای زیاد (شکل 4- الف)، گرفتگی و تنگی آبگذر پل (شکل 4- ب)، کاهش شیب و تنگی کانال آبگذر (شکل 4- ج و د) را از دلایل آن میتوان برشمرد.
|
|
|
||||||
|
|
|
ه |
شکل 3: پهنۀ سیلاب با دورۀ بازگشت الف: 10 سال، ب: 25 سال، ج: 50 سال د: 100 سال و هـ: نقشۀ سهبعدی دورۀ 100 سال رودخانۀ درکه (منبع: نگارندگان)
Fig 3: Flood inundation area of the Darakeh River with return periods A: 10 years, B: 25 years, C: 50 years, and D: 100 years and E: 3D map of the 100 year period (Source: Authors)
جدول 1: وسعت پهنههای سیلابی در دورۀ بازگشت 10، 25، 50 و 100 سال رودخانۀ درکه
Table 1: Flood inundation area of the Darakeh River with 10, 25, 50 and 100 year return periods
|
رودخانه |
دورۀ بازگشت (سال) |
دبی اوج سیلاب (مترمکعب در ثانیه) |
مساحت (هکتار) |
کاربری مسکونی (هکتار) |
کاربری خدماتی، تجاری (هکتار) |
کاربری فضای سبز (هکتار) |
|
درکه |
100 |
2/70 |
8/74 |
5/14 |
5/4 |
8/55 |
|
50 |
3/57 |
70 |
4/13 |
8/3 |
8/52 |
|
|
25 |
1/48 |
9/63 |
3/12 |
1/3 |
5/48 |
|
|
10 |
3/35 |
8/49 |
10 |
3/2 |
5/37 |
منبع: نگارندگان
|
الف |
|
ب |
|
|
|
||
|
|
شکل 4: الف: پاییندست میدان درکه، ب: بالادست آبگذر بزرگراه یادگار امام، ج: پاییندست بزرگراه نیایش، د: بالادست بزرگراه همت (منبع: نگارندگان)
Fig 4: Images of 1: Downstream of Darakeh Square, 2: Upstream of Yadegar Imam Highway Aqueduct, 3: Downstream of Niayesh Highway, 4: Upstream of Hemmat Highway (Source: Authors)
شبیهسازی جریان در رودخانۀ فرحزاد از حدود 500 متر بالاتر از پل خوشمرام تا اتصال به کانال سیلبرگردان غرب انجام شد. این شبیهسازی در حدود 9 کیلومتر از مسیر طبیعی و کانال بتنی-سنگی ساختهشدۀ فرحزاد را شامل میشود. رودخانۀ فرحزاد در حدود 4 کیلومتر (قبل از پل نیایش) بستر طبیعی دارد (در قسمتهایی دیوارسازی سنگی انجام شده است) و پس از آن بهصورت بتنی-سنگی کانالسازی شده است. نتایج مدلسازی رودخانۀ فرحزاد نشان میدهد حداکثر سطح پهنۀ سیلابی در محل تقاطع این رودخانه با شاخههای فرعی بهرود و مرادآباد اتفاق میافتد. در این ناحیه عموماً باغهای شخصی در دو طرف رودخانه مشاهده میشود. به همین علت موضوع ذخیرهسازی و گسترش فضای سبز در راستای مدیریت سیل در این محدوده نیازمند تأمل است. باتوجهبه نقشۀ پهنهبندی سیل، از حدود بزرگراه همت (غرب بوستان پردیسان) تا بلوار مرزداران (حدود 2 کیلومتر) پهنۀ سیل افزایش یافته است (شکل 5). همچنین نقشۀ سهبعدی پهنۀ آبگرفتگی سیلاب با دورۀ بازگشت 100 سال در شکل (5 -هـ) نمایش داده شده است بیشترین پهنۀ سیل در حدود 34 و 2/29 هکتار بهترتیب در دورۀ بازگشت 100 و 50 سال با عرض سطح آب 4/247 و 8/237 متر است. نتایج نشان میدهد در محل پل خوشمرام سیلاب در تمام دورههای بازگشت سبب آبگرفتگی معبر خواهد شد. همچنین برای پل آبشار در دورههای 25، 50 و 100 سال این اتفاق رخ میدهد. بیشینۀ دبی در پاییندست آبگذر آبشار با دورۀ 100 سال 6/71 مترمکعب بر ثانیه با سرعت 4/9 متر بر ثانیه است. نتایج جدول 2 نشان میدهد حداکثر دبی لحظهای با 4/71 و 9/57 مترمکعب بر ثانیه در دورۀ بازگشت 100 و 50 سال بوده است. باتوجهبه شکل 5 در بالادست تقاطع مرادآباد و بهرود با رودخانۀ فرحزاد به دلیل شیب زیاد، پهنۀ سیل تغییراتی در دورۀ بازگشتها نشان نمیدهد؛ زیرا وجود شیب زیاد در بالادست رود دره عامل کاهش پهنۀ سیلاب در دورههای بازگشت مختلف بوده است. کاربریهای فضای سبز با 6/32 و 4/28 هکتار و همچنین مناطق مسکونی با 2/1 و 7/0 هکتار در دورۀ بازگشتهای 100 و 50 سال بیشترین کاربری در پهنههای سیلگیر را تشکیل میدهند (جدول 2). همچنین عدد فرود جریان در دورۀ بازگشت 50 تا 100 سال 6/2 است که نشاندهندۀ شرایط فوق بحرانی است. علل وقوع سیل در مناطق مشخصشده در شکل 6 تنگی و گرفتگی آبگذر پل به دلیل وجود رسوبات و حجم عظیم سیلاب در دورۀ بازگشتهای زیاد است(شکل 6، الف و ب). کاهش شیب، حجم بالای رواناب، تنگی مجاری انتقال آب و کافینبودن عمق کانال تا لبه به دلیل وجود رسوبات در آن نیز از دیگر علل وقوع سیل در این مناطق است (شکل 6- ج و د).
|
|
|
||||||
|
|
|
ه |
شکل 5: پهنۀ سیلاب با دورۀ بازگشت الف: 10 سال، ب: 25 سال، ج: 50 سال د: 100 سال و هـ: نقشۀ سهبعدی دورۀ 100 سال رودخانۀ فرحزاد (منبع: نگارندگان)
Fig 5: Flood inundation area of the Farahzad River with return periods A: 10 years, B: 25 years, C: 50 years, D: 100 years and E: 3D map of the 100 year period (Source: Authors)
جدول 2: وسعت پهنههای سیلابی در دورۀ بازگشت 10، 25، 50 و 100 سال رودخانۀ فرحزاد
Table 2:Floodplain area of the Farahzad River with the 10, 25, 50, and 100-year return periods
|
رودخانه |
دورۀ بازگشت (سال) |
دبی اوج سیلاب (مترمکعب در ثانیه) |
مساحت (هکتار) |
کاربری مسکونی (هکتار) |
کاربری خدماتی، تجاری (هکتار) |
کاربری فضای سبز (هکتار) |
|
فرحزاد |
100 |
6/71 |
34 |
2/1 |
2/0 |
6/32 |
|
50 |
9/57 |
2/29 |
7/0 |
1/0 |
4/28 |
|
|
25 |
4/47 |
2/24 |
3/0 |
1/0 |
8/23 |
|
|
10 |
3/34 |
6/19 |
2/0 |
- |
4/19 |
منبع: نگارندگان
|
|
||
|
|
شکل 6: الف: پل آبشار، ب: بالادست آبگذر بزرگراه نیایش، ج: بوستان نهجالبلاغه، د: بین بزرگراه حکیم تا بلوار مرزداران (منبع: نگارندگان)
Fig 6:Images of 1: Waterfall Bridge, 2: Upstream of Niayesh Highway Aqueduct, 3: Nahjul Balagha Park, 4: Between Hakim Highway and Marzdaran Boulevard (Source: Authors)
شبیهسازی جریان کانال سیلبرگردان غرب به طول 5/9 کیلومتر از جنوب بوستان گفتوگو (محل اتصال رودخانۀ درکه به کانال سیلبرگردان غرب) به سمت غرب و با عبور از خیابان جلال آل احمد و پل آزمایش تا نقطۀ ورود به رودخانۀ کن (جنوب غرب پارک ارم) انجام شد. این کانال یک آبگذر مصنوعی (بتنی-سنگی) است. کانال سیلبرگردان غرب نقش مؤثری در انتقال جریانهای ورودی (شامل رودخانۀ درکه، کانال تپه نیزار، فرحزاد، کانال شاهین-شقایق و وسک) و انتقال این جریانات به رودخانۀ کن دارد (شکل 7). در شکل (7- هـ) نقشۀ سهبعدی پهنۀ آبگرفتگی سیلاب با دورۀ بازگشت 100 سال آورده شده است. به علت تفاوت شیب در طول کانال الگوی جریان در نقاط مختلف آن متفاوت است و باعث تجمع و گسترش پهنۀ سیل در مناطق انتهایی کانال میشود. بیشترین تغییرات پهنۀ سیل با ورود جریانهای رودخانۀ درکه، کانال تپه نیزار و سپس فرحزاد باتوجهبه قرارگیری در شیب تند گسترش چندانی ندارد؛ اما درادامه به دلیل کاهش شیب کانال بعد از رودخانۀ فرحزاد و از حدود شمال شهرک آپادانا (تقاطع بلوار فرودسی با خیابان علیاکبر سلیمی جهرمی، نرسیده به بزرگراه ستاری) بهطور چشمگیری پهنۀ سیل گسترش یافته و با ورود جریان کانال شاهین و حصارک بر پهنه افزوده میشود. شیب کانال از حدود شهرک آپادانا تا بزرگراه باکری بهصورت ملایم است و تجمع و گسترش پهنه در این محدوده اتفاق میافتد. نتایج نشان داد پل خیابان آریافر ظرفیت کافی برای عبور سیلاب را در دورۀ بازگشت 25، 50 و 100 سال ندارد. همچنین در پلهای قبل از اتوبان یادگار امام و پل خسروی خروج جریان در تمام دورهها وجود دارد. پلهای بعد از فلکۀ دوم صادقیه و پل خیابان ولیعصر در دورۀ 50 و 100 سال برای عبور سیلاب با مشکل مواجه میشوند. نتایج مدلسازی نشان میدهد پلهای خیابان سلیمی جهرمی، رمپ قبل از خیابان ستاری، اتوبان ستاری و پل بعد از تقاطع وسک ظرفیت کافی برای انتقال سیلاب را در هیچ کدام از دورههای بازگشت ندارند. بیشترین پهنۀ سیلگیر کانال در دورۀ بازگشتهای 100 و 50 سال 6/99 و 8/93 هکتار با عرض سطح آب 6/393 و 2/385 متر است. بیشترین سرعت جریان در دورۀ 50 و 100 سال 10 متر بر ثانیه و عدد فرود جریان در دورۀ بازگشت 50 تا 100 سال 8/1 است که نشاندهندۀ شرایط فوق بحرانی است. همچنین ازنظر نوع کاربری، مناطق مسکونی با 2/57 و 7/52 هکتار و سپس کاربریهای خدماتی، تجاری و کارگاهی با 1/26 و 9/25 هکتار بیشترین مناطق در معرض سیل هستند (جدول 3). از عوامل اصلی وقوع سیل در کانال سیلبرگردان غرب میتوان به ظرفیت ناکافی کانال آبگذر، تنگی و گرفتگی آبگذر پل (شکل 8- الف)، کاهش شیب، حجم بالای رواناب و وجود رسوبات انباشته در آن اشاره کرد (شکل 8- ب، ج و د).
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
ه |
شکل 7: پهنۀ سیلاب با دورۀ بازگشت الف: 10 سال، ب: 25 سال، ج: 50 سال د: 100 سال و هـ: نقشۀ سهبعدی دورۀ 100 سال سیلبرگردان غرب (منبع: نگارندگان)
Fig 7: Flood inundation area of the western floodway channel with return periods A: 10 years, B: 25 years, C: 50 years, D: 100 and E: 3D map of the 100 year period (Source: Authors)
جدول 3: وسعت پهنههای سیلابی در دورۀ بازگشت 10، 25، 50 و 100 سال کانال سیلبرگردان غرب (منبع: نگارندگان)
Table 3: Floodplain area extent of of the West Floodway Channel with the 10, 25, 50, and 100-year return periods
|
کانال |
دورۀ بازگشت (سال) |
مساحت (هکتار) |
کاربری مسکونی (هکتار) |
کاربری خدماتی، تجاری (هکتار) |
کاربری فضای سبز (هکتار) |
|
سیلبرگردان غرب |
100 |
6/99 |
2/57 |
1/26 |
3/16 |
|
50 |
8/93 |
7/52 |
9/25 |
2/15 |
|
|
25 |
1/88 |
4/49 |
0/25 |
7/13 |
|
|
10 |
1/84 |
4/47 |
2/24 |
5/12 |
|
ب |
|
الف |
|
|
|
|
|
|
شکل 8: الف: محدودۀ خیابان آریانفر، ب: بالادست بزرگراه ستاری، ج: محدودۀ مترو اکباتان، د: محدودۀ پارک ارم (منبع: نگارندگان)
Fig 8: Image of 1: Arianfar Street area, 2: Upstream of Sattari Highway, 3: Ekbatan Metro area, 4: Eram Park area (Source: Authors)
شبیهسازی جریان رودخانۀ کن در قسمت بالادست کانال سیلبرگردان غرب به طول حدود 9 کیلومتر انجام شد. قسمت شمالی رودخانه درۀ زرنو به کن تا دهکدۀ المپیک و مجاور زیبادشت پایین بهصورت کوهستانی و دارای شیبی تند است؛ لذا پهنۀ سیلابی آن در این منطقه نسبت به دیگر مناطق رودخانه وسعت کمتری دارد. پس از این منطقه، رودخانه در مسیر تقریباً مستقیم به سمت پاییندست حرکت میکند و با افزایش نسبی سیلاب دشت در محدودۀ پایینتر از زیبادشت به سمت مجموعۀ ورزشی آزادی دورۀ بازگشتهای مختلف دارد (شکل 9). همچنین در شکل (9- هـ) نقشۀ سهبعدی پهنۀ سیلابی با دورۀ بازگشت 100 سال رودخانۀ کن (بالادست سیلبرگردان غرب) نمایش داده شده است.
پهنههای سیلگیر محدوده در دورۀ 100 و 50 سال با مساحت 1/66 و 1/55 هکتار دارای بیشترین حد بوده که حدود 6/57 و 2/52 هکتار از این پهنهها را فضای سبز و 8/2 و 3/2 هکتار را مناطق مسکونی شامل میشود. همچنین بیشترین دبی لحظهای در پایینتر از زیبادشت در دورۀ 100 سال حدود 410 مترمکعب در ثانیه با سرعت جریان 7/12 متر بر ثانیه است (جدول 4). عدد فرود جریان نیز در دورۀ بازگشت 50 تا 100 سال 7/3 است که نشاندهندۀ شرایط فوق بحرانی است. شکل 10 شامل تصاویر مناطقی است که میتواند عاملی در سیلابیشدن منطقه باشد یا به دلیل شرایط آنجا، پهنۀ سیلاب در آن گسترش یابد. از عوامل وقوع سیلاب در این مناطق میتوان به تنگی و گرفتگی آبگذر پل باتوجهبه مساحت زیاد حوضۀ بالادست رودخانه و ورود حجم بالای رواناب در دورۀ بازگشتهای زیاد (شکل 10، الف)، تجمع حجم بالای سیلاب، کاهش شیب و ساختوساز و دستکاری اطراف رودخانه (شکل 10، ب)، بر هم زدن بستر طبیعی رودخانه بدون توجه به دورۀ بازگشتهای مختلف سیل در حوضۀ بالادست، بتنیکردن کنارههای رودخانه و کاهش شیب نیمرخ طولی (شکل 10، ج)، پایاب و تجمیع روانابهای مختلف از دیگر شاخهها، کاهش شیب و دستکاری بستر طبیعی رودخانه اشاره کرد (شکل 10، د).
|
|
|||||||
|
|
شکل 9: پهنۀ سیلاب رودخانۀ کن در بالادست سیلبرگردان با دورۀ بازگشت الف: 10 سال، ب: 25 سال، ج: 50 سال، د: 100 سال و هـ: نقشۀ سهبعدی دورۀ 100 سال (منبع: نگارندگان)
Fig 9: Flood inundation area of the Kan River upstream of the west floodpway junction with return periods A: 10 years, B: 25 years, C: 50 years, D: 100 years and E: 3D map of the 100 year period (Source: Authors)
جدول 4: وسعت پهنههای سیلابی در دورۀ بازگشت 10، 25، 50 و 100 سال رودخانۀ کن (بالادست سیلبرگردان غرب) (منبع: نگارندگان)
Table 4: The extent of floodplains in the 10, 25, 50, and 100-year return periods of the Kan River (upstream of the western floodplain) (Source: Authors)
|
رودخانه |
دورۀ بازگشت (سال) |
دبی اوج سیلاب (مترمکعب در ثانیه) |
مساحت (هکتار) |
کاربری مسکونی (هکتار) |
کاربری خدماتی، تجاری (هکتار) |
کاربری فضای سبز (هکتار) |
|
کن (بالادست سیلبرگردان غرب) |
100 |
410 |
1/61 |
8/2 |
7/0 |
6/57 |
|
50 |
323 |
1/55 |
3/2 |
6/0 |
2/52 |
|
|
25 |
3/244 |
8/48 |
7/1 |
3/0 |
8/46 |
|
|
10 |
7/150 |
2/42 |
0/1 |
1/0 |
1/41 |
|
الف |
|
ب |
|
|
|
|
|
|
شکل 10: الف: پل سنگان، ب: دهکدۀ المپیک، ج: بالادست بزرگراه جعفری، د: مجموعۀ آزادی بالادست پارک ارم (منبع: نگارندگان)
Fig 10: Images of 1: Sangan Bridge, 2: Olympic Village, 3: Upstream of Jafari Highway, 4: Azadi Complex upstream of Eram Park (Source: Authors)
درادامۀ شبیهسازی جریان رودخانۀ کن، پاییندست کانال سیلبرگردان غرب به طول 2/9 کیلومتر انجام گرفت. در نقطۀ اتصال سیلبرگردان با رودخانۀ کن، به دلیل تجمیع تمامی جریانات حوضۀ شمال-شمال غرب در این محل، گسترش پهنۀ سیلگیر زیاد و حجم جریان در حالت فوق بحرانی است. نتایج مدلسازی نشان میدهد بیشترین پهنههای سیلگیر رودخانۀ کن از حدود غرب تهرانسر و شرق فرودگاه مهرآباد به دلیل کاهش شیب طولی شروع و با حرکت به سمت پاییندست به طرف بزرگراه آزادگان، تقاطع نهر عرب تا اتوبان ساوه بر وسعت آن افزوده میشود و مجموعهای از شهرکهای مجاور را در بر میگیرد (شکل 11 الف-د). لذا تمهیدات لازم در این محدوده اجتنابناپذیر و اقدامات لازم برای حفظ و کنترل سیلاب در این منطقه ضروری است. در شکل (11- هـ) نقشۀ سهبعدی پهنۀ سیلابی رودخانۀ کن (پاییندست سیلبرگردان غرب) در دورۀ بازگشت 100 سال نمایش داده شده است. پهنۀ سیلاب بعد از اتوبان ساوه به دلیل کاهش شیب طبیعی رودخانه وارد حریم منطقه 19 میشود. بیشترین پهنۀ سیلابی در دورۀ بازگشت 100 سال در حدود 231 هکتار با عرض سطح آب 8/995 متر است و بیشترین کاربریهایی که در این پهنه قرار میگیرند، کاربری فضای سبز با 2/146، کاربری خدماتی، تجاری و کارگاهی با 1/80 هکتار و حدود 7/4 هکتار نیز مناطق مسکونی است (جدول 5). همچنین در محدودۀ پاییندست که سرعت جریان کاهش مییابد، رودخانه در دشت با رژیم زیر بحرانی جریان دارد و سرعت جریان به حدود 1/0 متر بر ثانیه میرسد و عدد فرود جریان در دورۀ بازگشت 100 سال نیز (4) است که نشاندهندۀ شرایط فوق بحرانی است. بیشترین گسترش پهنۀ سیلابی در حوضۀ شمال-شمال غرب شهر تهران در پاییندست ورودی سیلبرگردان غرب (پایین پل شهید حجازی) رخ میدهد که علل وقوع آن تجمع تمامی روانابهای حوضه در این منطقه و همچنین کاهش شیب آن است (شکل 12- الف تا د). عرض پهنه در بیشترین حالت خود به 1037 متر میرسد.
|
|
||||||
|
|
|
ه |
شکل 11: پهنهبندی سیلاب رودخانۀ کن پاییندست سیلبرگردان با دورۀ بازگشت الف: 10 سال، ب: 25 سال، ج: 50 سال د: 100 سال و هـ: نقشۀ سهبعدی دورۀ 100 سال (منبع: نگارندگان)
Fig 11: Flood inundation area of the Kan River downstream of the west floodpway junction with return periods e: 10 years, f: 25 years, g: 50 years, h: 100 years and E: 3D map of the 100 year period (Source: Authors)
جدول 5: وسعت پهنههای سیلابی در دورۀ بازگشت 10، 25، 50 و 100 سال رودخانۀ کن (پاییندست سیلبرگردان غرب) (منبع: نگارندگان)
Table 5: The extent of floodplains in the 10, 25, 50, and 100-year return periods of the Kan River (downstream of the western floodplain) (Source: Authors)
|
رودخانه |
دورۀ بازگشت (سال) |
مساحت (هکتار) |
کاربری مسکونی (هکتار) |
کاربری خدماتی، تجاری (هکتار) |
کاربری فضای سبز (هکتار) |
|
کن (پاییندست سیلبرگردان غرب) |
100 |
231 |
7/4 |
1/80 |
2/146 |
|
50 |
6/218 |
1/4 |
5/74 |
140 |
|
|
25 |
207 |
6/3 |
6/69 |
8/133 |
|
|
10 |
3/194 |
8/2 |
4/64 |
1/127 |
|
ب |
|
|
||||
|
|
شکل 12: الف: غرب شهرک فرهنگیان (فرودگاه مهرآباد)، ب: بالادست بزرگراه فتح، ج: پاییندست بزرگراه فتح، د: بوستان مادر (منبع: نگارندگان)
Fig 12: Images of 1: West of Farhangian Town (Mehrabad Airport), 2: Upstream of Fath Highway, 3: Downstream of Fath Highway, 4: Mother's Garden (Source: Authors)
بحث
مطالعۀ حاضر با استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS پهنههای سیلابی در حوضههای شمال-شمالغرب شهر تهران را طی دورههای بازگشت 2، 10، 25، 50، 100 و 200 سال شبیهسازی کرده است. نتایج نشان داد که پهنههای سیلاب در دورههای بازگشت زیاد (100 و 200 سال) بهطور قابل توجهی گسترش یافته و مناطق مسکونی و کاربریهای مختلف شهری را تحتتأثیر قرار داده است. این یافتهها اهمیت برنامهریزی شهری و مدیریت پیشگیرانۀ سیلاب را برجسته میکند و نشان میدهد مدیریت کارآمد رواناب و زیرساختهای شهری برای کاهش خسارتهای جانی و مالی ضروری است.
نتایج این پژوهش با مطالعات پیشین همخوانی دارد؛ مثلاً Gholami et al., 2016 نیز با استفاده از HEC-RAS مشاهده کردند وسعت پهنههای سیلاب در دورههای بازگشت زیاد افزایش مییابد و مناطق مسکونی و تجاری در معرض خطر بیشتری قرار دارند. همچنین زپ و همکاران در بمبئی هند با تحلیل دورههای بازگشت مشابه گزارش کردند وسعت پهنههای سیلاب از 14.22% به 42.5% افزایش یافته است و مناطق شهری پرجمعیت در معرض خطر بیشتری قرار دارند (Zope et al., 2017). نتایج مطالعۀ حاضر نیز این روند افزایشی را تأیید میکند و نشان میدهد مناطق شهری با تراکم کاربری بالا بیشترین آسیبپذیری را در برابر سیلابهای شدید دارند.
تحلیل مکانی نتایج پژوهش نشان داد پهنۀ سیلاب رودخانههای درکه و فرحزاد در بالادست به دلیل شیب زیاد محدود است؛ اما با کاهش شیب در پاییندست وسعت آن بهطور چشمگیری افزایش مییابد. در رودخانۀ درکه بیشینۀ پهنۀ سیلابی (100 ساله) برابر با 74.8 هکتار است و عمدتاً شامل فضای سبز و مناطق مسکونی میشود. عوامل اصلی سیلاب در این رودخانه تنگی و گرفتگی آبگذر پلها و کاهش شیب کانال است. در رودخانۀ فرحزاد نیز بیشینۀ پهنۀ سیلابی (34 هکتار) در محل تقاطع با شاخههای فرعی رخ میدهد و بیشتر شامل باغهای شخصی است. این یافتهها نشان میدهند تغییرات کاربری اراضی و مدیریت ناکارآمد زیرساختها نقش مهمی در افزایش خطر سیلاب دارند.
در کانال سیلبرگردان غرب و رودخانۀ کن گسترش پهنۀ سیلابی به دلیل کاهش شیب و تجمیع جریانها بسیار گسترده است. بیشینۀ پهنۀ سیلابی در پاییندست کانال سیلبرگردان غرب 99.6 هکتار و در پاییندست رودخانۀ کن 231 هکتار گزارش شد. بیشترین کاربریها در این پهنهها شامل فضای سبز، مناطق خدماتی، تجاری و کارگاهی است. حداکثر عرض سیلاب در برخی نقاط به بیش از 1037 متر میرسد که نشاندهندۀ شدت رواناب و لزوم مدیریت اضطراری در این مناطق است.
مطالعات Natarajan & Radhakrishnan., 2021 و Goswami et al., 2023 نیز نشان داد که با افزایش دورۀ بازگشت سیلاب، عمق کانال و وسعت پهنههای سیلاب افزایش مییابد و شبیهسازی هیدرولیکی میتواند ابزاری مؤثر برای پیشبینی و هشدار خطر سیلاب در مناطق شهری باشد. نتایج این پژوهش همسو با مطالعات ذکرشده است و بر اهمیت استفاده از HEC-RAS برای شناسایی مناطق پرخطر و برنامهریزی مدیریتی تأکید میکند.
ازنظر علمی این تحقیق نشان میدهد ترکیب شبیهسازی هیدرولیکی با تحلیل کاربری زمین، شیب و شبکه جریانهای شهری میتواند به شناسایی دقیقتر مناطق آسیبپذیر کمک کند. علاوهبراین، یافتهها قابلیت کاربرد در طراحی بهینۀ سیستمهای جمعآوری رواناب، برنامهریزی تخلیۀ اضطراری و کاهش خسارتهای مالی و جانی را فراهم میآورد. بااینحال، محدودیتهایی نیز در این پژوهش وجود دارد؛ مثلاً دقت مدل به کیفیت دادههای هیدرومتری و DEM وابسته است و تأثیرات تغییرات اقلیمی آینده و توسعۀ شهری جدید ممکن است باعث افزایش عدمقطعیت در نتایج شود. پژوهشهای آینده میتوانند با ترکیب دادههای دینامیک شهری، سناریوهای تغییر اقلیم و مدلهای پیشرفته هیدرولوژیکی و هیدرولیکی دقت پیشبینی پهنههای سیلاب را افزایش دهند.
درمجموع، نتایج این تحقیق میتواند به شناسایی مناطق پرخطر و آسیبپذیر شهر تهران کمک کند و ابزار علمی لازم را برای برنامهریزی شهری امنتر، مدیریت رواناب سطحی و کاهش خطر سیلاب فراهم آورد.
نتیجهگیری
مطالعۀ حاضر با هدف تهیۀ نقشههای پهنهبندی سیلاب در حوضۀ شمال-شمالغرب شهر تهران طی دورههای بازگشت 10 تا 100 سال و در راستای مدیریت و کنترل خطر سیلاب انجام شد و نتایج حاصل از مدلسازی وضعیت سیلاب را در بازههای زمانی مختلف شبیهسازی کرد و نشان داد نقشههای پهنهبندی میتوانند ابزاری مؤثر برای ارتقای تصمیمگیری و مدیریت شهری باشند. این نقشهها ضمن نمایش وسعت و توزیع و پراکنش مناطق پرخطر، امکان افزایش آگاهی مدیران و برنامهریزان و تقویت سیاستهای پیشگیرانه را در مدیریت سیلاب فراهم میآورند.
براساس یافتهها، از عوامل اصلی تشدید خطر سیلاب در رودخانههای بررسیشده طی دورههای بازگشت زیاد (50 و 100 سال) میتوان به بارشهای همرفتی، ضعف پوششگیاهی، تغییر کاربری اراضی اطراف رودخانهها، تجاوز به حریم و بستر، ناکارآمدی مدیریت منابع آب، فقدان سیستم زهکشی مناسب و عدملایروبی بهموقع اشاره کرد. در چنین شرایطی مناطق شهری مطالعهشده با خسارتهای جانی و مالی قابلتوجهی مواجه خواهند شد. مدل شبیهسازی نیز نشان داد در دورههای بازگشت زیاد، پهنههای سیلاب در مناطق کمشیب گسترش مییابد و دبیهای حداکثری با سرعت بالا رخ میدهد. کاهش نفوذپذیری خاک، حجم بالای رواناب، فقدان پوششگیاهی و دستکاری کانالهای طبیعی نیز از دیگر عوامل مؤثر در تشدید سیلاب هستند.
بررسی رودخانهها نشان داد پهنۀ سیلاب در رودخانههای درکه و فرحزاد در بالادست محدود است؛ اما با کاهش شیب در پاییندست بهطور قابلتوجهی افزایش مییابد. در رودخانۀ درکه، رستورانهای نزدیک کانال در معرض خطر سیلاب قرار دارند و بیشینۀ پهنۀ سیلابی (100 ساله) برابر با 74.8 هکتار است که عمدتاً شامل فضای سبز و مناطق مسکونی میشود. علل اصلی سیلاب در این رودخانه تنگی و گرفتگی آبگذر پلها و کاهش شیب کانال است. در رودخانۀ فرحزاد بیشترین پهنۀ سیلابی (34 هکتار) در محل تقاطع با شاخههای فرعی بهرود و مرادآباد رخ میدهد و عمدتاً باغهای شخصی را در بر میگیرد. پلهای خوشمرام و آبشار نیز در بازههای بازگشت زیاد دچار آبگرفتگی میشوند.
در کانال سیلبرگردان غرب، پهنۀ سیلابی به دلیل کاهش شدید شیب در بخشهای انتهایی گسترده است. چندین پل شامل پل خیابان آریافر، پلهای قبل و بعد از یادگار امام، پل خسروی، پلهای محدودۀ صادقیه، پل خیابان ولیعصر، پل خیابان سلیمی جهرمی و اتوبان ستاری ظرفیت عبور جریانهای بزرگ را ندارند. بیشترین پهنۀ سیلابی (100 ساله) برابر با 99.6 هکتار است که شامل مناطق مسکونی و کاربریهای خدماتی، تجاری و کارگاهی میشود. رودخانۀ کن نیز در بالادست کانال سیلبرگردان غرب در بخشهای کوهستانی و شیبدار پهنۀ محدودی دارد؛ اما از محدودۀ زیبادشت تا آزادی گسترش یافته و در پاییندست به بیشینۀ مقدار 231 هکتار رسیده است. علت اصلی این گسترش، کاهش شیب و تجمیع جریانهاست. بیشترین کاربریها در این پهنه شامل فضای سبز، خدماتی، تجاری و کارگاهی است و حداکثر عرض سیلاب در برخی نقاط به 1037 متر میرسد.
درمجموع، نتایج این تحقیق میتواند مبنای ارزشمندی برای شناسایی مناطق پرخطر و آسیبپذیر تهران در برابر سیلاب فراهم آورد و به برنامهریزی برای تخلیه اضطراری، امدادرسانی، کاهش خسارتهای جانی و مالی، هدایت توسعۀ شهری به سمت مناطق ایمنتر و طراحی بهینۀ سامانههای جمعآوری و مدیریت رواناب سطحی کمک کند.
تشکر و قدردانی
این پژوهش با حمایت مالی بنیاد ملی علم ایران با شماره طرح 4021310 انجام شده است. نویسندگان مقاله مراتب تشکر خود را از این بنیاد ابراز میدارند.
[1]. United States Army Corps of Engineers
[2]. Anderson-Darling
[3]. Kolmogorov-Smirnov
[4]. Chi-square
[5] Digital Elevation Model
[6] Triangulated Irregular Network
)