برآورد ضریب رواناب حوضه سرچاهان شرقی با استفاده از اطلاعات رقمی سنجش از دور (RS) و GIS

مقدمه :

حوضه سرچاهان شرقی بین طولهای۵۳ درجه و ۴۰ دقیقه و ۲۴ ثانیه شرقی و۵۴ درجه و ۴ دقیقه و ۴۹ ثانیه شرقی و عرضهای ۳۰ درجه و ۱۱ دقیقه و ۳۷ ثانیه شمالی و ۲۹ درجه و ۴۷ دقیقه و ۳۰ ثانیه شمالی قرار گرفته است. در این تحقیق با در نظر گرفتن عوامل مؤثر بر تولید رواناب، سعی شده است تا ضریب رواناب مناطق مختلف این حوضه با استفاده از اطلاعات رقمی ماهواره ای (RS) در محیط GIS با هم مقایسه گردند و سپس یک ضریب رواناب واحد برای کل حوضه بدست آید.

◊◊◊◊◊◊◊

بحث :

عوامل مؤثر در تولید رواناب

عوامل متعددی در تولید رواناب در یک حوضه مؤثر است. که در حوضه سرچاهان شرقی با توجه به اهمیت پارامترهای مختلف و همچنین امکانات و اطلاعات موجود بعضی از این عوامل مورد بررسی قرار گرفت، این عوامل شامل لیتولوژی، شیب، پوشش گیاهی، پوشش خاک، مقدار تبخیر و تعرق از سطح حوضه، تراکم آبراهه ها و فاصله مناسب از آنها و فاصله از خطواره ها (گسلها، درزه ها و شکافها و ...) و فاصله مناسب از آنها می باشد.

البته واضح است عوامل مهم دیگری همچون عوارض کارست سطحی، ماندگاری پوشش برف و غیره نیز می توانند در میزان رواناب ایجاد شده از یک بارش مؤثر باشند؛ ولی به دلیل عدم وجود آنها و یا اطلاعات آنها در بعضی از موارد و یا اهمیت کم آنها با توجه به ویژگیهای اقلیمی منطقه، اثر آنها در لایه های دیگر در مرحله وزن دهی به لایه ها تلفیق گشته است.

مراحل تهیه بانک اطلاعاتی عوامل مؤثر بر تولید رواناب

برای اینکه بتوانیم اثر عوامل مختلف مؤثر در تولید رواناب را در نقاط مختلف حوضه بررسی کنیم، باید تأثیر هر کدام از آنها و شدت و ضعف این آثار را در نقاط مختلف حوضه مورد توجه قرار دهیم، تا در نهایت با تلفیق آنها مدل یا نقشه ای تهیه کنیم که ضریب رواناب کلی حوضه را نشان بدهد. برای این کار لازم است، نخست عوامل مؤثر، در قالب لایه های اطلاعاتی تهیه گردند.

عوامل مختلفی که در این تحقیق جهت بررسی ضریب رواناب کلی، بصورت لایه های اطلاعاتی مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از: لیتولوژی منطقه، میزان شیب سطح زمین، پوشش گیاهی، پوشش خاک، فاصله از آبراهه ها، فاصله از خطواره ها و میزان تبخیر.

چهار لایه اطلاعاتی از هفت لایه فوق الذکر با تکنیکهای سنجش از دور، از تصاویر ماهواره لندست ETM+۷ بدست آمده است که عبارتند از لیتولوژی، فاصله از خطواره ها، پوشش گیاهی و پوشش خاک. بقیه لایه های اطلاعاتی نیز با توجه به مطالعات قبلی، مانند نقشه های توپوگرافی و یا آمارهای موجود بدست آمده اند.

سنجش از دور

برای اینکه تصاویر ماهواره ای را بتوان برای تهیه ی اطلاعات بکار برد باید ابتدا یک سری عملیات اصلاحی بر روی آنها انجام شود که به این مجموعه عملیات، اصطلاحاً پردازش گفته می شود. پردازش مراحل مختلفی دارد، که بسته به دقت و نوع کاربری، بعضی از این پردازشها باید بر روی تصاویر انجام شود. از جمله پردازشهایی که در این تحقیق بر روی تصاویر جهت استخراج اطلاعات، اعمال شد، عبارتند از: تصحیح رادیومتری یا تصحیح آثار پراکنش جوی، تصحیح هندسی، تشدید کنتراست (Contrast Enhancement)، ترکیب رنگ (Color composite)، آنالیز عناصر اساسی (Principal Components Analysis) وفیلتر کردن.

پس از اعمال عملیات پردازشی جهت اصلاح، لایه های اطلاعاتی مختلف تهیه گردیدکه در زیر به تفکیک به آنها پرداخته شده است.

نقشه  لیتولوژی

با استفاده از ترکیب رنگی های مختلف از جمله RGB:۷۴۱ وRGB:۵۴۱ و با توجه به نقشه های زمین شناسی ۱:۱۰۰۰۰۰ و ۱:۲۵۰۰۰۰ مربوط به منطقه و همچنین بازدیدهای صحرایی واحد های مختلف زمین شناسی در منطقه شناسایی و سپس با نرم افزارILWIS و با کمک نرم افزار ArcViwe مرز واحدهای مختلف لیتولوژیکی به صورت برداری و در قالب پلی گن رقومی شدند، سپس جدول مشخصاتی حاوی اطلاعاتی چون سن، لیتولوژی، نام سازند و ضریب رواناب نسبی به آن متصل شد. این نقشه در مراحل بعدی به صورت رستری درآمد که آن را می توان در شکل ۱ مشاهده کرد.

نقشه فاصله از خطواره ها

برای اینکه بتوانیم خطواره ها را در تصاویر ماهواره ای شناسایی و جدا کنیم لازم است که آنها را بارزسازی کنیم، که این کار را با فیلتر کردن تصاویر انجام می دهند. فیلترهای مختلفی را در اندازه ها متفاوت می توان به تصاویر اعمال کرد. برای این کار ابتدا فیلتر های مختلفی تهیه گردید که در جهات مختلف تصویر را فیلتر می کرد. سپس تصویر باند ۷ به دلیل اینکه داری طول موج بلندتری است و کمتر تحت تأثیر عوامل جوی است جهت اعمال فیلتر به آن انتخاب گردید و برای اینکه عوارض خطی دیگری مانند جاده ها و یا شیار های موجود در مزارع و ... ما را به اشتباه نیندازد آنها را شناسایی کردیم و با این کار به این نتیجه رسیدیم که در کوهستانهای شمال و جنوب منطقه عوارض خطی غیرمعمول وجود ندارد و د ر قسمت آبرفتی حوضه باید به جاده ها و مزارع توجه داشته باشیم. سپس فیلتر ها یک به یک در محیط نرم افزار ENVI به تصویر اعمال شد، و برای اینکه تباین بین عوارض مختلف بیشتر شود و خطواره ها بهتر مشخص باشند، تصاویر حاصله مورد کشیدگی از نوع خطی قرار گرفت. در مرحله بعد عوارض خطی بارزسازی شده موجود در تصاویر بصورت خطی رقومی شدند. که نمودار گل سرخی آن و نقشه ی خطواره های منطقه را می توان در شکل ۲  مشاهده کرد.

در روشی دیگر یک فیلتر جهتی ۷ در ۷ بر تصویر باند ۷ اعمال گردید که تصویر بدست آمده چندان جالب نبود، ولی پس از اعمال ۱۰ درصد کشیدگی خطی بر آن تصویر قابل توجهی بدست آمد، سپس نقشه ای که در مراحل قبل ساخته شده بود، با آن مقایسه گردید و اصلاح شد. این فیلتر و تصویر حاصل از آن قبل و بعد از کشیدگی در شکل ۳ دیده می شود.

در مرحله ی بعد نقشه ی خطواره  رستری گردید و طی فرایند Buffering  (فرایند محاسبه فاصله از مرکز هر عارضه) به نقشه ی فاصله از خطواره تبدیل شد که در شکل ۴ دیده می شود.

نقشه پوشش خاک

برای تهیه ی نقشه ی پوشش خاک از روش نقاط کنترل زمینی (Ground Control Point) استفاده گردید. برای این کار  طی بازدیدی که از منطقه به عمل آمد ۲۵ نقطه از مناطقی که به نظر مناسب تر می آمد برداشت شد. سپس ترکیبات رنگی مختلفی از جمله  RGB:۱۳۵، که قبلاً نیز در نقاط مختلفی توسط دیگران از جمله حسینی شفیعی (۱۳۸۲) (طاقدیس کارستی پودنو در استان فارس)، بکا رفته است، ساخته شد؛ ترکیب رنگی دیگری که استفاده ی زیادی از آن به عمل آمد RGB:۷۴۲ است. سپس بر اساس طیف رنگی که مناطق دارای خاک در آن قرار داشتند، پوشش خاک تشخیص داده شد. در ترکیب رنگی RGB:۱۳۵ مناطق دارای پوشش خاک دارای رنگ سبز مات مخلوط با بنفش کم رنگ بودند و در ترکیب رنگی RGB:۷۴۲ به رنگ صورتی روشن تا صورتی کمی پررنگ خود را نشان می دادند. سپس جهت تهیه ی نقشه ی رقومی پوشش خاک منطقه، بر اساس منطق بولین، مناطق دارای خاک ارزش True و مناطق غیر از آن ارزش False گرفتند و بدین ترتیب نقشه خاک منطقه تهیه شد. و مشخص گردید ۵۱ درصد  از سطح منطقه را خاک پوشانده است. این نقشه در شکل ۵ دیده می شود.

نقشه پوشش گیاهی

برای تهیه ی نقشه ی پوشش گیاهی از شاخص پوشش گیاهی در تصاویر ماهواره ای استفاده شد. دو نوع شاخص متداول پوشش گیاهی وجود دارد، که عبارتند از VI و NDVI . این شاخصها از باندهای سرخ (باند۳ لندست ETM+۷) و باند فروسرخ نزدیک (باند۴ لندست ETM+۷) استفاده می کنند، و بر اساس ویژگیهای انعکاسی پوشش گیاهی، در مقایسه با ابر، آب و برف از یک طرف، و صخره، خاک لخت و سنگ از طرف دیگر، کار می کند. ابر، آب و برف در باند مادون قرمز نزدیک راحت تر قابل تشخیص هستند و در طیف مرئی، انعکاس کمی دارند ولی خاک لخت، صخره و سنگ در هر دو باند انعکاس یکسانی دارند (ILWIS ۳.۰ Academic User’s Guide,۲۰۰۱). برای منطقه مورد مطالعه هر دو شاخص استفاده گردید، ولی ذکر این نکته لازم است که شاخص VI نسبت به شاخص NDVI حدود ۱۰ تا ۱۲ درصد بیشتر تحت تأثیر آثار جوی قرار می گیرد، از این رو کار بر اساس شاخص NDVI گذاشته شد. و با توجه به تصویر حاصل از آن  نقشه ای رستری بر اساس منطق بولین تهیه شد که در آن بخشهای دارای پوشش گیاهی ارزش True و بخشهای فاقد پوشش گیاهی ارزش False گرفتند. لازم به ذکر است که پوشش گیاهی ۳۶ درصد از سطح زمین را در منطقه پوشانده است. این نقشه در شکل ۶ مشاهده می شود.

مدل رقمی تبخیر

برای تهیه ی مدل رقمی تبخیر به علت عدم وجود ایستگاه تبخیر سنجی مستقر در منطقه از رابطه تجربی ۱ (علیزاده، ۱۳۸۳)که تقریباً تمامی عوامل مؤثر بر تبخیر را در نظر گرفته، استفاده گردید.

رابطه (۱)                                                   

در این رابطه E تبخیر و برحسب میلیمتر در روز است، e_s و e_d به ترتیب فشار بخار اشباع و فشار واقعی بخار آب (بر حسب میلیمتر جیوه) در دمای متوسط روزانه ی هوا (T) و U_۲ سرعت متوسط روزانه ی باد در ارتفاع ۲ متری از سطح زمین (بر حسب مایل در روز) است. برای استفاده از رابطه ۱ ابتدا باید مقدار e_s-e_d ،که به نام کمبود فشار بخار معروف است، محاسبه شود. کمبود فشار بخار با در دست داشتن دمای روزانه (T) و متوسط رطوبت نسبی (RH) از رابطه ی ۲ قابل محاسبه است (علیزاده، ۱۳۸۳).

رابطه (۲)                                 

در این رابطه T بر حسب درجه ی سلسیوس، RH بر حسب درصد و e_s-e_d بر حسب کیلوپاسکال می باشد.

چون هدف محاسبه ی تبخیر برای یک حوضه بود و طبیعتاً دما در تمام نقاط این حوضه یکسان نیست، به این دلیل می بایست رابطه ای پیدا می کردیم که تغییرات دمای روز تصویربرداری (۱۰ جولای ۲۰۰۲ مصادف با ۱۹ تیر ۸۱) را نسبت به ارتفاع در نقاط مختلف حوضه مشخص می کرد. به این دلیل با توجه به متوسط دمای روزانه در روز تصویربرداری در چهار ایستگاه اطراف حوضه، رابطه ای بین دما و ارتفاع برقرار گردید که جدول مربوط به این ایستگاه ها و رابطه ی بدست آمده را در شکل ۷ می بینید. در مرحله بعد پس از برآورد کردن تمامی پارامترهای مؤثر در رابطه ۱، رابطه ی نهایی تبخیر برای منطقه بصورت زیر ارائه شد.

به این ترتیب مقدار تبخیر متوسط برای ارتفاع های مختلف از منطقه و با توجه دمای متوسط روزانه روزهای بارش مورد استفاده در مدل در جدول ۲ محاسبه شد. سپس برای ساختن مدل رقمی تبخیر با توجه به ارتفاع مربوط به هر خط کنتوری در نقشه ی توپوگرافی، میزان تبخیر مربوط به آن محاسبه گردید و مدل رقمی تبخیر تولید شد که در شکل ۸ پس از طبقه بندی دیده می شود.

نقشه شیب

نقشه شیب منطقه با توجه به مدل رقمی ارتفاع به دو صورت درصد شیب و درجه شیب تولید گردید. برای ساخت مدل رقمی ارتفاع از نقشه های توپوگرافی رقومی ۱:۲۵۰۰۰ منطقه استفاده شده است، که به روش مثلث بندی بر روی آنها عمل درونیابی انجام شد و مدل رقمی ارتفاع تولید گردید. نقشه شیب منطقه بر اساس درجه در شکل ۹ مشاهده می شود.

نقشه فاصله از آبراهه

برای تولید نقشه ی فاصله از آبراهه، با اعمال تابع همسایگی NBCNT (neighborhood function center) (تابعی در نرم افزار ILWIS است که تعداد پیکسلهایی را که در ماتریس همسایگی تعریف شده و درست هستند را می شمارد و در سلول مرکزی قرار می دهد) بر مدل رقمی ارتفاع نقشه ای از آبرهه ها تولید شد، که با رقمی کردن آن نقشه نهایی آبراهه های منطقه تولید گردید. در مرحله ی بعد نقشه ی آبراهه ها رستری گردید و طی فرایند Buffering به نقشه فاصله از آبراهه تبدیل شد که در شکل ۱۰ مشاهده می گردد.

تلفیق لایه های اطلاعاتی

به ترتیبی که در بالا شرح داده شد تمامی لایه های اطلاعاتی که برای این تحقیق در نظر گرفته شده بود ساخته شد و برای ساخت مدل یا نقشه ی رواناب کلی آماده گردید. در مرحله ی بعد این لایه های اطلاعاتی که در قالب نقشه درست شده اند با یکدیگر تلفیق می شوند و مدل رواناب کلی را تولید می کنند که مراحل آن در زیر شرح داده می شود.

برای تهیه ی مدل و تلفیق لایه ها روش همپوشانی شاخصها انتخاب شد. در این روش لازم است هر لایه اطلاعاتی کلاس بندی شده، دارای یک امتیاز (Score) داخلی برای کلاسهای مختلف خود باشد، که این امتیاز به کلاسهای مختلف باید در یک دامنه ثابت مانند ۰ تا ۱ ، ۰ تا ۱۰ و یا ۰ تا ۱۰۰ برای کلیه لایه ها به طور ثابت اعمال شود (عبادیان، ۱۳۸۱). به دلیل اینکه اکثر نقشه های مورد استفاده چند کلاسه هستند و هر کلاس ارزش متفاوتی دارد، امتیازات کلاسها تهیه شد و به نقشه مربوطه، متصل گردید (جدول ۱)، سپس با استفاده از رابطه ی ۳ امتیاز متوسط خروجی برای هر نقطه از حوضه محاسبه گردید.

رابطه (۳)                                                                                  

در این رابطه  امتیاز وزن دار شده برای هر نقطه از حوضه، W_i وزن iمین نقشه ی ورودی و S_ij امتیاز jمین کلاس از iمین نقشه است.

جداول ۱ این امتیاز بندی S_ij را برای لایه های مختلف استفاده شده در این تحقیق، نشان می دهد. همانگونه که ملاحظه می گردد کلاسهای مختلف لایه های اطلاعاتی با توجه به درجه ی اهمیتی که برای تولید رواناب دارند (خواه این تأثیر منفی باشد یا مثبت) در ستون score امتیازهایی بین ۰ تا ۱۰ دریافت داشته اند.

نحوه امتیاز دهی باید بگونه ای باشد که برای هر طبقه از لایه های مختلف با واقعیت فیزیکی ارتباط و انطباق داشته باشد. بعنوان مثال طبقات مختلف لایه لیتولوژی (GL) با در نظر گرفتن جنس و نفوذپذیری نسبی آنها امتیاز دهی شده اند، بطوریکه سازندهای نفوذپذیر و کارستیکی مانند آسماری- جهرم و سروک دارای حداقل امتیاز می باشند، و واحدهای سنگی نفوذناپذیری همچون واحدهای رادیولاریتی دارای حداکثر امتیاز یعنی ۱۰ می باشند. و چه بسا اگر هدف از تحقیق چیز دیگری بود امتیازبندی طبقات مختلف این لایه متفاوت بود، بنابراین نحوه امتیاز دهی منطبق با اثر آنها و با نظر کارشناسانه است.

در مرحله بعد برای اینکه لایه های مختلف را به روش همپوشانی شاخصها با هم تلفیق کنیم باید به هر کدام از آنها وزن (weight) یا ارزش خاصی داده شود، که جمع این وزنها و ارزشها باید یک مقدار ثابت مانند ۱، ۱۰ و یا ۱۰۰ باشد (طاهری کیا، ۱۳۷۶). مقدار این ارزشها نیز باید بر اساس اهمیت لایه های مختلف و منطبق بر واقعیت باشد مثلاً در مورد رواناب سطحی اهمیت شیب بیشتر از اهمیت تبخیر است، پس وزن یا ارزش شیب در تهیه مدل باید بیش از تبخیر باشد. نقشه حاصل شده از تلفیق لایه ها در این مرحله در واقع همان نقشه ضریب رواناب برای هر پیکسل می باشد که می توان با یقین محدوده های مشخص کل سطح حوضه را منطقه بندی نمود، بطوریکه هر محدوده دارای یک محدوده ضریب رواناب مشخص باشد. با این حال ترکیب های زیادی را می توان به وزنها نسبت داد، و تعدا زیادی نقشه بر اساس وزنهای مختلف بدست آورد، که یکی از آنها درست است. لذا باید جهت انتخاب بهترین ترکیب وزنی معیاری داشته باشیم که در زیر به شرح آن می پردازیم.

در این تحقیق رواناب سطحی حاصل از باران های مختلف آمار چند ساله منطقه بررسی شد و چهار رواناب که از نظر بارش و رطوبت سطح خاک  و دیگر شرایط دارای شرایط تقریباً یکسان و در شرایط متوسط بودند، بعنوان معیار انتخاب بهترین ترکیب وزنی در نظر گرفته شدند. مشخصات این چهار رواناب در جدول ۲ آمده است. همانطور که در این جدول دیده می شود متوسط ضریب رواناب حوضه سرچاهان شرقی ۳۵/۰ محاسبه گردیده است.

برآورد ضریب رواناب کلی حوضه

اگر ضریب رواناب حوضه با R_c نشان داده شود، برای بدست آوردن آن برای کل حوضه از رابطه ی ۴ استفاده می گردد:

رابطه (۴)                                                                              

که a_i مساحت هر بخش از کل حوضه که دارای یک محدوده ضریب رواناب نزدیک به هم است ( ) و در مراحل قبل محاسبه گردیده است و A مساحت کل حوضه می باشد. این رابطه نشان دهنده یک میانگین وزنی از ضریب رواناب کل حوضه است.

از آنجا که هر سری از ترکیبهای وزنی برای لایه های اطلاعاتی یک ضریب رواناب کلی بدست می دهد، لذا درصد خطا را از رابطه ۵ محاسبه می کنیم و آن ترکیب وزنی که دارای کمترین درصد خطا است بعنوان بهترین ترکیب وزنی برای لایه های اطلاعاتی در نظر گرفته می شود.

رابطه (۵)                            

تهیه ی مدل ضریب رواناب کلی حوضه و بهترین ترکیب وزنی پیشنهادی در برآورد این ضریب

برای ساختن مدل ضریب رواناب کلی ، لایه های اطلاعاتی با ۱۷ ترکیب وزنی مختلف (جدول ۳) به روش سعی و خطا با هم تلفیق شدند، تا اینکه بهترین ترکیب وزنی مناسب (R_۱۷ ) که ضریب رواناب را برای روانابهای شاهد (جدول۲) با خطای قابل قبول پیش بینی می کرد بدست آورده شد. جدول ۳ ترکیب های وزنی مختلف بکار رفته و درصد خطای محاسبه شده برای هر رواناب و متوسط آنها را نشان می دهد، همانطور که در این جدول دیده می شود ترکیبهای وزنی مختلف در طیف وسیعی بکارگرفته شده اند و دیده می شود که ترکیبهای وزنی نامعقول، جوابهای نامعقولی را می دهند. نقشه حاصل از تلفیق لایه های اطلاعاتی با ترکیب R_۱۷ مربوط به جدول ۳ در شکل ۱۱ دیده می شود. با استفاده از این نقشه، با مناطق مختلف طبقه بندی شده  ضریب رواناب کلی حوضه را با کاربرد رابطه ۴ برابر با ۲۲/۳۵ درصد و با خطای ۶/۰ درصد تولید کرد که انطباق بسیار خوبی با متوسط ضریب روانابهای مشاهده شده جدول ۲ دارد و حاکی از انتخاب صحیح هر لایه اطلاعاتی بکار برده شده می باشد.

جدول ۲- ضریب رواناب سطحی محاسبه شده با توجه به ارتفاع رواناب و بارندگی

کلید واژه ها: هرمزگان