- هوش مکانی اتیم تحقیقاتی ونوس نصیرفام

تحلیل ویژگی های هیدرولوژیکی در نرم افزار GIS

تحلیل هیدرولوژی

تحلیل هیدرولوژی بر اساس داده‌های رستری مدل ارتفاعی رقومی (DEM) برای ایجاد یک مدل سیستم آب انجام می‌شود که برای مطالعه ویژگی‌های هیدرولوژیکی و شبیه‌سازی فرآیند هیدرولوژیکی سطحی و پیش‌بینی وضعیت هیدرولوژیکی سطحی در آینده استفاده می‌شود. مدل تحلیل هیدرولوژیکی می‌تواند به ما در تجزیه و تحلیل دامنه سیل، تعیین موقعیت منابع آلودگی رواناب و پیش‌بینی تغییرات ژئومورفولوژیکی روی رواناب کمک کند. این مدل به طور گسترده در برنامه‌ریزی منطقه‌ای، کشاورزی، جنگلداری، پیش‌بینی بلایا، طراحی جاده و بسیاری از صنایع و زمینه‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این پست قبل از شروع مبحث هیدرولوژی به بررسی شبکه رودخانه که نقش اصلی در تحلیل حوزه هیدرولوژی دارد می پردازیم:

شبکه رودخانه

شبکه رودخانه‌ای که به عنوان سیستم زهکشی نیز شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از رودخانه‌ها، نهرها و سایر منابع آبی به هم پیوسته در یک منطقه خاص است. این شبکه، مسیرهایی را نشان می‌دهد که آب از طریق آنها از ارتفاعات بالاتر به مناطق پایین‌تر جریان می‌یابد و در نهایت به یک خروجی مانند دریاچه یا اقیانوس می‌رسد. این شبکه‌ها توسط توپوگرافی، زمین‌شناسی و آب و هوا شکل می‌گیرند و نقش مهمی در هیدرولوژی و بوم‌شناسی منطقه‌ای ایفا می‌کنند.

رودخانه به جریانی گفته می شود که در سطح حوضه آبریز عمل تخلیه جریان های سطحی را انجام می دهد. اگر تمام رودخانه ها اعم از اصلی،فرعی،حوضه آبریز و…. را برروی نقشه ترسیم کنیم وضعیتی مشابه یک درخت که شامل شاخه وتنه های بزرگ و کوچک به وجود می آورد که به آن شبکه آبراهه حوضه می گویند.

در داخل این شبکه به عنوان خط اصلی وآبراهه اصلی شناخته می شود و مابقی خطوط به عنوان آبراهه فرعی از آن ها نام برده می شود.برای بکارگیری بهتر از نحوه ارتباط انشعابات مختلف از حالتهای رتبه بندی انشعابات رودخانه هااستفاده کنیم .

در صورتی که طراحی شبکه آبراهه داخل محیط Arc map اجراکنیم که با عنوان Stream Network شناخته می شود می توانیم از دو ابزارکلی استفاده کنیم که یکی با هنوان جعبه ابزار هیدرولوژی نام برده می شود که درداخل نرم افزار لحاظ شده و یا می توانیم از افزونه کمکی Archydro استفاده کنیم . این افزونه امکانات زیادی در اختیار ما قرارخواهد داد که می توانیم شبکه هیدرولوژی هم بسازیم. برای ساخت افزونه Archydro لازم هست چندین ابزار پشت سر هم بسازیم که شامل (جهت جریان)،(تجمع جریان)،(تعریف آبراهه)،(ایجاد زیر حوضه کوچک در کل حوضه منطقه مورد مطالعه)،

(جداسازی حوضه)،(اتصال نقاط).

مرحله نخست:نقشه ها و داده هایی که در این نرم افزار در حوضه هیدرولوژیکی استفاده می کنیم به صورت فایل رستری است و به عنوان DEM( Digital elevation model) شناخته می شود فایلی رستری که ارزش هرپیکسل یا هریاخته در داخل این داده با عنوان ارتفاع شناخته می شود.

نکته : در موضوع ومباحث ونقشه های هیدرولوژیکی همیشه از داده رستریDEM استفاده می کنیم که می توانیم از سایت dwtkns.com/srtm ، یا سایت usgs.gov دانلود کرده و یا به صورت فایل ها آماده خریداری کنید.

ابتدا لایه DEMمنطقه مورد نظرمان را دانلود و در نرم افزار Arc map بازگذاری می کنیم.

چنانکه مشاهده می کنید لایه ارتفاعی به صورت رستری مشاهده می شود.سپس لایه های بعدی که شامل حوزه و رودخانه می باشد انتخاب می کنیم.

بعد از انتخاب حوضه مورد نظر از طریق search یا قسمت toolbox بخش برش زنی clip را انتخاب کرده و با وارد کردن demدر ردیف اول و hozeدر ردیف بعدی و فولدری با نام hydro ایجاد کرده و در این فولدر با نام dem ذخیره می کنیم.

بعد فایل اصلی را پاک می کنیم و چارچوب منطقه مورد ما آماده می باشد.

در هنگام کار با مباحث هیدرولوژی در نرم افزار Arcmap لازم است اکسنشن Arcgydro را فعال کنیم و سپس به ادامه کار با نرم افزار می پردازیم.

نکته: در هنگام نصب نرم افزار حتما باید از محیط نرم افزار Arcmap خارج شویم.

بر روی قسمت hozeکلیک راست و خروجی می گیریم و بر روی قسمت انتجاب شده زوم کرده و مراحل ذخیره سازی با نام basin را انجام و بعد از قسمت رودخانه خروجی و با نامriverذخیره می کنیم.

فایل های قبلی را پاک کرده و برروی فایل های جدید مراحل را ادامه می دهیم.

Stream Network شامل چه مواردی است:

Fill Sink

Flow Direction

Flow Accumulation

stream Definition

Stream Segmentation

Catchment Grid Delineation

Catchment Polygon Processing

Drainage Line Processing

Drainage Point Processing

Fill Sink

فروچاله ناحیه‌ای با ارتفاع کمتر از محیط اطراف خود است. فروچاله شامل فروچاله طبیعی و فروچاله مصنوعی است. فروچاله طبیعی در دشت آبرفتی با مساحت زیاد، مانند یخچال طبیعی، کارست، منطقه معدنی و غیره ظاهر می‌شود. با این حال، فروچاله مصنوعی به فروچاله‌ای اشاره دارد که در اثر خطای پردازش داده‌ها یا درون‌یابی نامناسب ایجاد می‌شود.

بیشتر چاهک‌ها در DEM چاهک‌های کاذب هستند که بر جهت آب تأثیر می‌گذارند. بنابراین، شما باید قبل از تجزیه و تحلیل هیدرولوژی چاهک‌ها را پر کنید. به عنوان مثال، اگر یک چاهک کاذب در DEM وجود داشته باشد، آب به جای جهت اصلی به این چاهک می‌ریزد و این با شرایط عملی مطابقت ندارد:

بنابراین، پر کردن چاه اولین گام برای تحلیل هیدرولوژی است.البته در این مرحله بعد اجرای دو مرحله درصورتیکه دیتا و رودخانه مورد نظرما خطایی نداشته باشد می توان اجرا کرد.

در صورتیکه که از حوضه خود و رودخانه محدوده مورد نظرمان اطمینان کامل داریم و احتمال خطا وجود نداشته باشد برای شرطی سازی dem مورد نظرمان بر روی رودخانه ها از منوی مذکور اقدام به ادامه روند ومراحل که در تصویر ذیل مشاهده می کنید انجام می دهیم.

مرحله بعد اجرای Fill Sink:

مرحله بعدی Flow Direction می باشد

جهت جریان، در زمینه هیدرولوژی و تحلیل‌های مبتنی بر GIS، به مسیری اشاره دارد که آب یا سایر سیالات در یک سطح معمولاً یک مدل رقومی ارتفاعی یا (DEM) به سمت پایین‌ترین شیب حرکت می‌کنند . این مفهوم در محاسبه جریان آب، تعیین مسیرهای آبراهه‌ها و تحلیل‌های مرتبط با مدیریت منابع آب بسیار مهم است.

در تحلیل‌های هیدرولوژیکی، جهت جریان معمولاً با استفاده از یک مدل رقومی ارتفاعی (DEM) محاسبه می‌شود. هر سلول در DEM به یک جهت جریان بر اساس شیب به سمت سلول‌های همسایه (معمولاً هشت جهت) اختصاص داده می‌شود. این جهت‌ها به صورت عددی کدگذاری می‌شوند، به طوری که معمولاً:

۱: شرق
۲: جنوب شرقی
۴: جنوب
۸: جنوب غربی
۱۶: غرب
۳۲: شمال غربی
۶۴: شمال
۱۲۸: شمال شرقی.

این کدگذاری به نرم‌افزارهای GIS اجازه می‌دهد تا مسیر حرکت آب را پیش‌بینی کنند و این اطلاعات برای محاسبه جریان تجمعی، طول مسیر جریان و حوضه‌های آبخیز استفاده می‌شود.

Flow Accumulation(ترسیم نقشه شبکه جریان)

انباشت جریان یک تکنیک تحلیل هیدرولوژیکی است که در سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای محاسبه جریان آب انباشته شده به هر سلول در یک مدل ارتفاعی رقومی (DEM) استفاده می‌شود. این تکنیک اساساً میزان آب یا جریان از سلول‌های بالادست را که به هر سلول وارد می‌شود، کمّی می‌کند و شبکه‌های بالقوه جریان و مرزهای حوزه آبخیز را آشکار می‌سازد. این تحلیل برای درک الگوهای جریان آب، شناسایی مناطق زهکشی و مدیریت منابع آب بسیار مهم است.

stream Definition(تعریف آبراهه)

یک آبراهه ، در رایج‌ترین تعریف خود، جریان پیوسته آب در یک کانال است که معمولاً کوچکتر از یک رودخانه است. همچنین می‌تواند به جریان ثابت هر سیال یا توالی پیوسته هر چیزی، مانند جریان رودخانه یا حوضه آبریز، اشاره داشته باشد.تابع تعریف جریان یک شبکه تجمع جریان (برچسب “شبکه تجمع جریان”) را به عنوان ورودی دریافت می‌کند و یک شبکه جریان (برچسب “شبکه جریان”) برای یک آستانه تعریف شده توسط کاربر ایجاد می‌کند. این آستانه یا به صورت تعدادی سلول (پیش‌فرض ۱٪) یا به صورت یک منطقه زهکشی بر حسب کیلومتر مربع تعریف می‌شود.

Stream Segmentation(رتبه بندی آبراهه)

قطعه‌بندی جریان شبکه‌ای از بخش‌های جریان ایجاد می‌کند که دارای شناسه منحصر به فرد هستند. یک بخش می‌تواند یک بخش سرشاخه باشد، یا می‌تواند به عنوان بخشی بین دو محل اتصال بخش تعریف شود. تمام سلول‌های یک بخش خاص دارای کد شبکه یکسانی هستند که مختص آن بخش است. شبکه ورودی Sink Watershed اختیاری است و می‌توان از آن برای مشخص کردن مناطقی که در مناطق زهکشی سینک قرار دارند، جایی که پیوندهای جریان نباید ایجاد شوند، استفاده کرد. ورودی Sink Link نیز اختیاری است – همچنین می‌توان از آن برای مشخص کردن مناطقی که پیوندهای جریان نباید ایجاد شوند، استفاده کرد. این دو شبکه را می‌توان با تابع Flow Direction with Sinks ایجاد کرد. شبکه Sink Link را می‌توان با شبکه Stream Link تولید شده توسط تابع فعلی با استفاده از تابع Combine Stream Link و Sink Link ترکیب کرد تا یک شبکه Link ایجاد شود که هم انشعابات رودخانه ها و هم بخش های فروچاله (سینک‌ها) را نشان دهد.

Catchment Grid Delineation(استخراج زیر حوضه)

تعیین محدوده شبکه حوضه آبخیز (پیش‌پردازش زمین) شبکه‌ای ایجاد می‌کند که در آن هر سلول دارای یک مقدار (کد شبکه) است که نشان می‌دهد سلول به کدام حوضه آبخیز تعلق دارد. این مقدار مطابق با مقداری است که توسط بخش رودخانه‌ای که آن منطقه را زهکشی می‌کند، حمل می‌شود و در شبکه لینک ورودی تعریف شده است.