کاربرد DEMهای مبتنی بر سنجش از دور در مدلسازی سیلاب

سیلاب یکی از بلاهای طبیعی می‌باشد که در طول سال‌های اخیر خسارات جانی و مالی فراوانی را در بسیاری از کشورها بر جای گذاشته است. یکی از راهکارهای کاهش خطرات سیلاب، مدلسازی هیدرولیکی جریان و شناسایی مناطق دارای ریسک بالا در حاشیه رودخانه می‌باشد. در حال حاضر نقشه‌های پهنه‌بندی سیلاب عمدتاً توسط سازمان‌های آب منطقه‌ای تهیه و به عنوان ابزاری مفید جهت شناسایی مناطق سیل‌خیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مبحث پهنه‌بندی سیلاب، شبیه‌سازی مناسب تراز سطح آب و پهنه سیلاب از اهمیت بسیار زیادی به ویژه در برآورد میزان خسارات برخوردار می‌باشد. شبیه‌سازی مناسب پارامترهای مذکور وابسته به عوامل مختلفی همچون: نوع مدل عددی مورد استفاده (یک بعدی، دو بعدی و حتی سه بعدی)، کیفیت و مقیاس نقشه‌های توپوگرافی، نحوه برآورد ضرائب زبری بستر و سیلاب‌دشت‌های رودخانه، شرایط مرزی مدل عددی و . . . . وابسته می‌باشد. نقشه‌های توپوگرافی نقش اساسی را در تعیین صحت مدلسازی هیدرولیکی و برآورد دقیق پهنه سیلاب ایفا می‌نمایند (Brandt, 2005; Cook and Merwade, 2009). در حال حاضر در بسیار از مدلهای هیدرولیکی از مدل‌های رقومی ارتفاع (DEMs) که حاوی اطلاعات توپوگرافیکی محدوده موردنظر می‌باشند، برای بیان هندسه رودخانه استفاده بعمل می‌آید.

یکی از مهم‌ترین مواردی که بر کیفیت و کمیت DEMها و متعاقب آن دقت مدل هندسی تاثیرگذار می‌باشد، تراکم داده (Data Resolution) مورد استفاده برای ساخت آن می‌باشد. تاکنون مطالعات متعددی در زمینه کاربرد DEMهای سنجش از دوری در مطالعات هیدرولیکی صورت گرفته است. یکی از عوامل اصلی افزایش توجه محققین به این گونه DEMها رایگان و در دسترس بودن آنها می‌باشد. در حوضه‌های فاقد آمار و همچنین کشورهای در حال توسعه‌ای همچون ایران که با کمبود منابع مالی روبرو هستند، استفاده از این منابع رایگان و در دسترس می‌تواند گره گشای بسیاری از مشکلات موجود در مطالعات مهندسی رودخانه و مدلسازی سیلاب باشد. متاسفانه تاکنون در کشور ایران کمتر به کاربرد این منابع ارزشمند، در دسترس و از همه مهمتر رایگان پرداخته شده است و در عمده مطالعات مهندسی رودخانه از نقشه‌های توپوگرافی با کیفیت بالا همچون نقشه‌های ۱ به ۱۰۰۰ و ۱ به ۲۰۰۰ که هزینه‌های بسیار زیادی را به پروژه‌ها تحمیل می‌کنند، استفاده می‌گردد.

  در این مقاله کاربردی قصد داریم به شما نشان دهیم که استفاده از DEMهای مبتنی بر سنجش از دور مانند: DEMهای ۳۰ متری ASTER، SRTM، ALOS و DEMهای ۹۰متری SRTM آیا از کفایت لازم برای شبیه سازی سیلاب برخوردار هستند یا خیر؟ برای شبیه سازی سیلاب نیز از مدل هیدرولیکی و یک بعدی HEC-RAS استفاده بعمل آمده است. علت اصلی انتخاب این مدل این است که در حال حاضر متداول‌ترین مدل در مطالعات پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر و حریم رودخانه‌های کشور مدل هیدرولیکی HEC-RAS است که بواسطه ساختار کاربرپسند و مبتنی بر GIS از محبوبیت و کاربرد زیادی بین محققین و مهندسین برخوردار می‌باشد.

فرآیند مدلسازی یک بعدی جریان با HEC-RAS 4.1

مدل یک بعدی HEC-RAS توسط اداره مهندسی ارتش آمریکا توسعه یافته و علاوه‌بر شبيه‌سازي جريان، توانایی مدلسازی انتقال رسوب، کیفیت آب و همچنین شبیه‌سازی جریان غیرماندگار را دارا می‌باشد. توانایی این مدلسازی هیدرولیک جریان در بسیاری از پروژه‌ها و مطالعات انجام شده در سطح کشور و همچنین کشورهای مختلف دنیا به اثبات رسیده است. همچنین ارتباط آن با GIS جهت دریافت مدل هندسی و ارسال خروجی‌های هیدرولیکی از مزایایی است که در کمتر مدل عددی رایگان موجود می‌باشد. همانند تمامی مدلهای یک بعدی، در این مدل عددی نیز برای معرفی هندسه بستر و سواحل رودخانه از مقاطع عرضی استفاده می‌شود. در حال حاضر برای استخراج خودکار مقاطع عرضی از روی مدل‌های رقومی ارتفاع در محیط GIS، الحاقیه‌ای به نام HEC-GeoRAS وجود دارد که در کمترین زمان ممکن مدل هندسی موردنیاز مدل هیدرولیکی HEC-RAS را فراهم می‌نماید. پس از استخراج مدل هندسی رودخانه با استفاده از هر کدام از DEMهای مورد بررسی، بایستی علاوه‌بر تنظیمات مربوط به ضریب زبری جریان مقادیر دبی مورد استفاده برای شبیه‌سازی نیز مشخص شود. برای شبیه‌سازی جریان در مقاله حاضر از دبی‌ با دوره بازگشت ۵۰ و ۱۰۰ ساله استفاده شده است. علت انتخاب این مقادیر این است که در دبی‌های با دوره بازگشت کمتر احتمال پخش جریان در سیلابدشت رودخانه‌ها بسیار کم بوده و لذا امکان ارزیابی منابع ارتفاعی مختلف به خوبی میسر نخواهد بود. در نهایت پس از اجرای مدل، نتایج هیدرولیکی حاصل از کاربرد نقشه‌ توپوگرافی زمینی و منابع ارتفاعی مبتنی بر سنجش از دور با یکدیگر مقایسه خواهند شد. از مهم‌ترین خروجی‌های هیدرولیکی که در فرآیند ارریابی استفاده خواهند شد می‌توان به عرض سطح آب در مقاطع مختلف، تراز سطح آب و همچنین پهنه سیلاب اشاره نمود. در این مقاله کابردی، به ارزیابی DEMهای سنجش از دوری در پهنه بندی سیلاب رودخانه سرباز (واقع در استان سیستان و بلوچستان) و سجاسرود (واقع در استان زنجان) پرداخته شده است.

مدلهای رقومی ارتفاع (DEM) مبتنی بر سنجش از دور

با گسترش روز افزون تکنولوژی، منابع اطلاعاتی جدید و متعددی در زمینه تهیه مدلهای رقومی ارتفاعی توسط سازمان­های مختلف تهیه و عمدتاً به صورت رایگان در دسترس همگان قرار گرفته است. از جمله مهم­ترین منابع ارتفاعی قابل دسترس که در سالهای اخیر ارائه شده است، می­توان به DEMهای ۳۰ متری ASTER، SRTM، ALOS و DEMهای ۹۰ متری SRTM اشاره نموده که با توجه به توان تفکیک بالا از قابلیت مناسبی برخوردار می­باشند. در مقاله حاضر از داده ­های مذکور جهت ساخت مدل هندسی موردنیاز مدل یک بعدی HEC-RAS استفاده شده است. در شکل‌ زیر نمائی از کیفیت منابع مذکور در رودخانه سجاس‌رود نشان داده شده است. همچنین برای دسترسی به داده­ های مذکور توصیه می شود به لینک­های زیر مراجعه شود:

دانلود DEMهای ۳۰ متری و ۹۰ متری SRTM

دانلود DEMهای ۳۰متری ALOS

دانلود DEMهای ۳۰متری ASTER

تحلیل کیفیت مقاطع عرضی بدست آمده از منابع ارتفاعی مختلف

نتایج حاصل از ارزیابی کیفیت مقاطع عرضی بدست آمده از منابع ارتفاعی مختلف نسبت به نقشه های توپوگرافی زمینی حاکی از آن است که DEMهای ۳۰ متری ALOS دارای بهترین عملکرد می‌باشند. طبق نتایج بدست آمده در رودخانه سرباز اختلاف بین این منبع ارتفاعی با نقشه های توپوگرافی زمینی به ویژه در بستر رودخانه بسیار ناچیز بوده و تقریباً از نظر شکل مقطع نیز هیچگونه اختلاف معنی‌داری مشاهده نمی‌شود. بر خلاف این منبع، نتایج حاصل از DEMهای ASTER (از نظر شکل مقطع و مقادیر ارتفاعی) با داده‌های زمینی دارای تفاوت چشمگیری بوده و تقریباً در تمامی مقاطع عرضی مقادیر ارتفاع را کم برآورد می‌نماید. DEMهای ۳۰ متری و ۹۰ متری SRTM نیز اگرچه دارای عملکردی همچون DEMهای ALOS نمی‌باشند اما از نظر شکل مقطع دارای کیفیت قابل قبولی می‌باشند. DEMهای SRTM بر خلاف DEMهای ASTER مقادیر ارتفاعی را کمی بیش برآورد می‌نمایند که البته با اعمال برخی تحصیحات می‌توان عملکرد آنها را افزایش داد. بررسی کیفیت مقاطع عرضی بدست آمده در رودخانه سجاس‌رود نیز به خوبی گویای این مطلب است که DEMهای ۳۰ متری ALOS دارای عملکرد بهتری نسبت به سایر منابع ارتفاعی هستند. در این رودخانه نیز عملکرد DEMهای ۳۰ متری ASTER بر خلاف منابع ارتفاعی دیگر بسیار پائین بوده و لذا برای ساخت مدل هندسی موردنیاز مدل HEC-RAS چندان مناسب ارزیابی نمی‌شوند.

بررسی عملکرد DEMهای مختلف در برآورد پارامترهای هیدرولیکی سیلاب

نتایج بدست آمده در رودخانه سجاس‌رود حاکی از آن است که استفاده از DEMهای ۳۰ متری ALOS نسبت به منابع دیگر موجب ایجاد خطای به مراتب کمتری در برآورد پارامترهای مهم هیدرولیکی سیلاب شده است. به عنوان مثال، استفاده از این منبع ارتفاعی ارزشمند منجربه ایجاد متوسط خطایی به ترتیب معادل ۱۳٫۳ و ۷٫۶ درصد در پهنه سیلاب (عرض سطح آب) و تراز سطح آب خواهد شد. در شکل زیر متوسط خطای ناشی از کاربرد منابع ارتفاعی مختلف در برآورد پارامترهای پهنه و تراز سیلاب رودخانه سجاس‌رود نشان داده است. نکته قابل توجه دیگری که از این شکل قابل برداشت می‌باشد این است که علی‌رغم یکسان بودن ابعاد سلولی DEMهای ASTER و SRTM با یکدیگر، عملکرد آنها در مدلسازی جریان چندان قابل توجه نمی‌باشد. یکی از علل اصلی این عملکرد بسیار پائین را می‌توان به نحوه عملکرد سنسورهای مورد استفاده در ماهواره‌های مرتبط با هر منبع مرتبط نمود.

نتایج بدست آمده در رودخانه سرباز نیز حاکی از عملکرد بسیار بالای DEMهای ALOS در شبیه‌سازی پارامترهای هیدرولیکی سیلاب می‌باشد به طوریکه متوسط خطا در برآورد پهنه سیلاب در بیش از ۷۸% مقاطع مورد بررسی به کمتر از ۱۰ درصد محدود می‌گردد. در رودخانه سرباز نیز عملکرد DEMهای ۳۰ متری ASTER چندان قابل قبول نبوده و حتی در مقایسه با DEMهای ۹۰ متری SRTM که دارای توان تفکیک پائین‌تری هستند از مقدار خطای قابل توجهی برخوردار می‌باشد. به عنوان مثال متوسط خطا در برآورد پهنه سیلاب و تراز سطح آب توسط DEMهای ۳۰متری ASTER نسبت به DEMهای ۹۰ متری SRTM به ترتیب در حدود ۳٫۱ و ۲٫۱ برابر می‌باشد. بر خلاف DEMهای ۳۰ متری ASTER، DEMهای ۳۰ متری SRTM میزان خطای به مراتب کمتری را بر عملکرد مدل هیدرولیکی HEC-RAS تحمیل می‌نمایند و لذا می‌توان از آنها به عنوان جانشین مناسبی برای DEMهای ALOS و حتی نقشه‌های زمینی نام برد. در شکلهای زیر نیز عملکرد هر کدام از DEMها در برآورد پهنه های سیلاب دو رودخانه سرباز و سجاسرود نشان داده شده است.

جمع بندی نهایی

در یک جمع‌بندی کلی می‌توان چنین عنوان نمود که DEMهای ALOS و ASTER به ترتیب بهترین و بدترین منبع ارتفاعی برای ساخت مدل هندسی و متعاقب آن مدلسازی هیدرولیکی سیلاب می‌باشند و لذا در حوضه‌های فاقد آمار و یا پروژه‌هایی که با کمبود منابع مالی روبرو هستند استفاده از DEMهای ۳۰ متری ALOS به ویژه در مطالعات فاز یک و طراحی‌های اولیه می‌تواند بسیار گره‌گشا باشد. همانطور که ملاحظه کردید برای انجام چنین مطالعه ای نیاز به ابزارها و مدلهایی است که یادگیری هرکدام از انها نیازمند منبع آموزشی مناسبی است. در لینکهای زیر میتوانید محصولات مرتبط با بخشهای مختلف این مقاله ارزشمند و کاربردی را تهیه نمائید.

برآورد سیلاب با دوره بازگشتهای مختلف (تحلیل فراوانی سیلاب)

استخراج مقاطع عرضی و پهنه بندی سیلاب در بستر GIS

آموزش جامع مدلسازی یک بعدی و دوبعدی جریان با HEC-RAS

آموزش جامع مدلسازی بارش-رواناب با HEC-HMS

برای اطلاع از آخرین محصولات آکادمی هیدرولرنینگ، به کانال تلگرامی    ما مراجعه کنید