اهمیت

درذ یک پژوهش موردی، مشخص شده است که آژانس های دولتی در همه سطوح به نقشه های شبکه های کانال جریان برای تلاش های مدیریتی مانند بررسی زیستگاه، برنامه ریزی کلی استفاده از زمین و تعیین بارهای غیر نقطه ای آلاینده ها به خلیج چساپیک اعتماد می کنند. USGS یک شبکه گسترده جریان را در مجموعه داده های هیدروگرافی ملی (NHD) خود ترسیم کرده است که کانال های جریان و نقاط سرچشمه را تعیین می کند که از نقشه های توپوگرافی، عکسبرداری هوایی و در بعضی مکان ها، صحت تعیین می شوند. بخش بزرگی از طول شبکه فاضلاب واقعی، متشکل از کانالهای کوچک سرچشمه است که در NHD شامل نمی شوند زیرا معمولاً از تصاویر هوایی به راحتی مشخص نمی شوند یا برای نشان دادن مشخصات کانال "سنتی" بسیار کوچک هستند (اسمیت و هرمان 2005). جریان های سرچشمه، علی رغم فراوانی در چشم انداز، کمترین نقشه برداری را دارند و می توانند تأثیر قابل توجهی بر کیفیت آب جاری در پایین دست داشته باشند، به این ترتیب به 40-50 درصد از حجم آب و نیتروژن موجود در رودخانه های مرتبه چهارم و بالاتر کمک می کند (الکساندر و همکاران 2007). در بیشتر موارد، فقط جریانهای NHD تحت مقررات ایالتی و فدرال، از جمله قانون آب تمیز، تحت پوشش قرار می گیرند و این جریانهای مرتفع بدون نقشه را برای توسعه یا تغییر باز می گذارند.

تراکم زهکشی ارتباط نزدیکی با کانالهای جریان سرچشمه و مناطقی با تعداد جریان بیشتر دارد، هر کدام که بخشی از زمین را تخلیه می کنند، دارای تراکم زهکشی بالاتری هستند. در بیشتر مناطق سرآب، منطقه نسبتاً کوچکی در هر کانال تخلیه می شود و از نظر تئوری، شانس کمتری برای جذب آب توسط زمین قبل از رسیدن به جریان وجود دارد که پتانسیل بیشتری برای حمل مواد و رسوبات ایجاد می کند (اسمیت و هرمان 2005). تراکم بیشتر زهکشی معمولاً در زمینهای تندتر با سیستمهای درجه یک اتفاق می افتد، گاهی اوقات بسیار دور از رودخانه های بزرگ یا مناطقی که به عنوان منابع اصلی آلودگی غیر نقطه ای تصور می شوند. جالب اینجاست که این جریان های سرآب می توانند اکثر عناصر و رسوبات را به رودخانه منتقل کنند. با این وجود وقتی مناظر طبیعی و بافرها دست نخورده باشند، آنها همچنین بیشترین پتانسیل را دارند که بتوانند از آنها رد شوند. اگر نقاط و کانالهای سرچشمه NHD تنها ویژگیهای چشم انداز مورد استفاده در تصمیم گیریهای مدیریتی باشد، به طور بالقوه در بسیاری از مدلها مساحت زیادی در نظر گرفته نشده است که بسته به کاربری زمین می تواند نقش زیادی در بارهای مواد مغذی و رسوبی داشته باشد. حفظ اکوسیستم های طبیعی و بافرهای طویل در امتداد کانالهای جریان سرچشمه ممکن است یکی از مهمترین عوامل برای حفظ کیفیت پایین دست آب با نگه داشتن رسوبات و مواد مغذی زیاد خارج از آبراه باشد.

شکل 2: شبکه آبخیزداری و زهکشی Cattail Creek در Howard County، MD. خطوط آبی نشان دهنده جریانهای USGS NHD است. خطوط سفید از کانال های سرچشمه مصنوعی مشتق شده گسترش یافته اند. M. Herrmann، مرکز تجزیه و تحلیل اکوسیستم-MD DNR

فن آوری ها و تکنیک های موجود

تعدادی از تکنیک ها و گزینه های نرم افزاری وجود دارد که می تواند به تعریف کانال های جریان در مناطق مرتفع کمک کند و هر روش دارای مزایا و معایب مشخصی است که ناشی از مخاطبان مورد نظر آنها، تفاوت در رابط های کاربری و هزینه است. تمام بسته های نرم افزاری مورد استفاده برای تعریف کانال های جریان آب رودخانه در درجه اول به Digital Elevation Models - DEM متکی هستند، که با رزولوشن های مختلف از چندین منبع در دسترس هستند. DEM ها به طور معمول مجموعه داده های "رستری" هستند. در اصل یک تصویر ارجاع شده از نظر جغرافیایی با هر پیکسل حاوی مقداری مربوط به مجموعه داده است. در این حالت، هر پیکسل یک مربع از زمین را نشان می دهد و مقدار نمایانگر ارتفاع متوسط ​​آن است. USGS یک مجموعه داده یکپارچه DEM برای ایالات متحده با پوشش کامل با رزولوشن 30 و 10 متر و پوشش جزئی با وضوح 3 متر ایجاد کرده است که در حال حاضر در آن قرار دارد و از نقشه ملی (www.nationalmap.gov) برای بارگیری در دسترس است. جمع آوری داده ها با وضوح دقیق تر، امکان ایجاد مدل های دقیق تر را فراهم می کند. با این وجود اندازه مجموعه داده ها و همچنین زمان پردازش مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل داده ها، با افزایش وضوح به سرعت گسترش می یابد.

شکل 3: تجسم براساس داده های LIDAR با بازده چندگانه: ابر (بالا). زمین خالی (پایین) و ابتدا سطوح را در کنار هم بر می گرداند.

داده های تشخیص و تابش نور (LIDAR) متشکل از یک ابر نقطه ای با وضوح عمودی و افقی بسیار بالا است که با پرش پرتوی لیزر از زمین و برون ریزی سطح از زمان بازگشت لیزر به سنسور جمع آوری می شود. داده های LIDAR از طریق ابتکارات مختلف فدرال، ایالت و شهرستان برای بیشتر پنسیلوانیا، مریلند و بخش های ساحلی ویرجینیا جمع آوری شده است. داده های LIDAR برای DEM ها معمولاً با استفاده از هواپیماهای بال ثابت یا هلی کوپترها جمع آوری می شود و برای تفکیک داده های "بازگشت اول"، به نمایندگی از بالای درختان، ساختمانها و غیره، و داده های "زمین لخت"، به نمایندگی از زمین واقعی، به پردازش قابل توجهی نیاز دارد. . هر دو مجموعه داده باید به یک مجموعه داده رستری تبدیل شوند که در آن مقدار هر پیکسل نشان دهنده ارتفاع متوسط ​​نقاط درون آن منطقه است. ترسیم جریان آب زیر آن با استفاده از داده های زمین خالی انجام می شود تا مشخص شود آب در چه منظره ای جریان دارد و محل تجمع آن را تعیین می کند. تشکیل کانال را می توان با محاسبه، بر اساس داده های خاک و توپوگرافی زمین، کمترین منطقه کمکی که در آن جریان کافی برای شروع فرسایش خاک در حال انتقال آب تجمع می یابد، محاسبه کرد.

سه بسته نرم افزاری اصلی وجود دارد که توسط محققان برای مشخص سازی جریان آب استفاده می شود. نرم افزاری که برای شناسایی مسیرهای جریان طراحی شده است، این کار را به روش های مختلف، با نتایج و دقت های مختلف برای هر یک، انجام می دهد. متداول ترین و ساده ترین روش از الگوریتم "D8" استفاده می کند که "جریان" را از هر پیکسل به یکی از هشت پیکسل همسایه بر اساس بیشترین اختلاف ارتفاع ردیابی می کند. روش D8 برای شناسایی کانالهای مجزا، شبکه های رودخانه ای و مرزهای حوضه در مناظر مشخص تر، مانند فلات پیدمونت یا کوههای آپالاچی مناسب است، اما بر اساس فرضهای ساده است که همیشه پیچیدگی جریان را در مناطق کم آب، مانند مناطق سرچشمه یا دشت ساحلی در نظر می گیرد. به طور خاص، الگوریتم D8 فرض می کند که هر پیکسل یک جهت جریان واحد دارد (SFD)، که می تواند مسیرهای جریان را بیش از حد ساده کند و به ندرت یک کانال سرچشمه را نشان دهد وقتی در تعریف آن یک کانال وجود ندارد. الگوریتم "D-infinity"، که چندین جهت جریان (MFD) را امکان پذیر می کند، می تواند آب خروجی از یک پیکسل را به دو پیکسل مجاور تقسیم کند و امکان تعیین دقیق تر زمان انتقال از جریان زمین به جریان کانال دار را فراهم می کند، به عنوان "سر کانال". این الگوریتم در مناطق با هندسه شیب پیچیده و در مناطق با تسکین کم نتایج بهتری را ارائه می دهد.

شکل 4: تفاوت بین مدلهای جریان D8 و ∞D. 

ابزارهای هیدرولوژی موجود در پسوند ArcMap Spatial Analyst ESRI معمولاً توسط مخاطبان غیر متخصص مورد استفاده قرار می گیرد و احتمالاً در دسترس ترین ها هستند، زیرا پسوند تحلیلگر فضایی یک بسته نرم افزاری رایج است که توسط محققان و مدیران منابع طبیعی برای تعدادی از کاربردهای دیگر استفاده می شود. بزارهای هیدرولوژی در ArcMap از الگوریتم D8 برای تعیین مسیرهای جریان استفاده می کنند و می توانند از طریق محاسبه میزان تجمع جریان، منطقه کمک کننده به ارتفاعات را تعیین کنند، جایگزینی برای میزان عبور آب در هر نقطه از زمین. بر اساس مشخصات زمین شناسی زمین، می توان فرضیاتی را برای تعیین پتانسیل فرسایش خاک و محاسبه آستانه شروع کانال که می تواند برای برش مسیرهای جریان به کانال سرچشمه محاسبه شود، ارائه داد. ESRI محاسبه مسیرهای جریان و انباشت جریان را برای کاربران آسان می کند، با این حال، هرگونه تجزیه و تحلیل دقیق عمیق نیاز به درک دقیق نحوه استفاده از تکنیک های پیشرفته تر توسعه دهنده Spatial Analyst دارد و به طور واضح به عنوان فرآیندهای درون جعبه ابزار Hydrology تعریف نشده است. ArcMap در گذشته توسط تعداد زیادی از آژانسهای مدیریتی برای مشخص سازی جریان مورد استفاده قرار گرفته است و با آموزش مناسب می توان تعدادی از ویژگیهای مربوط به نقشه برداری جریان آب سر را تعیین کرد. برای نقشه برداری اولیه جریان آب و تجزیه و تحلیل، ArcMap در بیشتر شرایط به خوبی کار خواهد کرد، اما فرایندهای جعبه ابزار Hydrology چند سال است که به روز نشده اند و از آنجا که ابزارها به الگوریتم D8 متکی هستند، ممکن است خروجی با هم ارتباط نداشته باشد از نزدیک با آنچه در زمین در مناطق آبریز پیچیده از نظر توپوگرافی اتفاق می افتد. ArcMap دارای قیمت پایه قابل توجهی است، با هزینه اضافی برای مدت زمان تجزیه و تحلیل Spatial Analyst، اما ESRI گزینه های سخاوتمندانه ای برای ثبت غیر انتفاعی دارد، با ارائه نرم افزار و برنامه های افزودنی با هزینه اسمی خدمات 108 دلار، این نرم افزار را برای سازمان های کوچکتر قابل دسترسی تر می کند.

شکل 5: ESRI’s ArcMap Spatial Analyst Hydrology Tools

RiverTools، به عنوان یکی از برترین بسته های نرم افزاری تجاری شناخته شده که به طور خاص برای شناسایی مسیرهای جریان از یک سطح توپوگرافی ایجاد شده است، تجزیه و تحلیل هایی را ارائه می دهد که از الگوریتم های D8 یا D-infinity استفاده می کنند. Rivertools یک سری مراحل ساده را ارائه می دهد که کاربران را از طریق فرایند استخراج مسیرهای جریان و شبکه های رودخانه از DEM های خام هدایت می کند. از آنجا که Rivertools به طور خاص برای تجزیه و تحلیل مسیر جریان و شبکه رودخانه توسعه داده شده است، همه ابزارها برای ایجاد عملکردهای حیاتی، مانند قطع شبکه جریان در حداقل منطقه کمک کننده، راحتی دسترسی و بخشی از فرایند کلی ساخته شده اند. پس از استخراج شبکه رودخانه، Rivertools اجازه می دهد تا DEM و شبکه به طرق مختلف در داخل برنامه نمایش داده شود یا به فایلهای شکل قابل وارد شدن به نرم افزار GIS مانند ESRI’s ArcMap صادر شود.

دکتر شان اسمیت، استاد دانشگاه ماین و یکی از متحصصان اولیه نقشه برداری جریان آب در مریلند، برای اکثر کارهای خود از RiverTools در تعیین کانال های جریان آب از طریق سنجش از دور استفاده می کند. دکتر اسمیت در حالی که برای بخش منابع طبیعی مریلند کار می کرد، با شناسایی مقادیر اصلی در اندازه دانه خاک، شیب سطح و کمک به منطقه زهکشی، و سپس پیرایش شبکه جریان تعیین شده، به توسعه یک روش برای استخراج نقاط کانال از ارتفاع و داده های خاک توسط Rivertools کمک کرد. دکتر اسمیت توضیح داد که داشتن طول جریان دقیق تر برای تعدادی از برنامه های مدیریتی، به ویژه با توجه به حفظ بافرهای ساحلی در امتداد کانال های آبگیر و بهبود دقت و صحت مدل ها و محاسبات Chesapeake Bay TMDL، از اهمیت حیاتی برخوردار است. وی تأکید کرد که نقشه برداری از جریان آب بالقوه می تواند به طرز چشمگیری روشهای هدفگیری حفاظت را بهبود بخشد و می تواند به عنوان یک ابزار غربالگری مفید عمل کند، با این وجود همیشه باید بررسی صحرایی انجام شود تا اطمینان حاصل شود که سر کانالها و جریانهای مدل با آنچه در واقع در زمین است ارتباط دارند. Rivertools گرچه هزینه چندانی ندارد، اما مجوز جداگانه ای با هزینه 500 دلار نیاز دارد، که می تواند مجوز آن را برای سازمان های حفاظت از محیط زیست با بودجه محدود کم کند. این نرم افزار با دسترسی به تعدادی از مطالب آموزشی همراه است که کاربران جدید را از طریق فرآیند استخراج شبکه رودخانه و انجام تجزیه و تحلیل برای تعیین کانال های آب سرشار، کاهش زمان و تلاش لازم برای یادگیری نحوه استفاده از نرم افزار، هدایت می کند.

شکل 6: عکس از Rivertools که یک شبکه رودخانه ای و رودخانه را نشان می دهد که در یک منطقه حداقل مشارکت کننده 0.25 کیلومتر مربع کاهش یافته است.

سومین بسته نرم افزاری متداول برای تعیین کانالهای جریان آب رودخانه، که در درجه اول توسط محققان و دانشگاهیان استفاده می شود، یک بسته نرم افزاری منبع باز به نام Terrain Analysis Using Digital Elevation Models - TauDEM است که توسط دیوید تاربوتون در دانشگاه ایالتی یوتا نوشته شده است. TauDEM همچنین از الگوریتم D8 یا Dinfinity برای محاسبه مسیرهای جریان و مناطق کمک کننده و همچنین تعدادی دیگر از محاسبات هیدرولوژیکی مفید در ترسیم جریان آب سر استفاده می کند. این نرم افزار در دو نسخه ارائه می شود. یکی از آنها از خط فرمان استفاده می کند که نیاز به دانش بیشتر در مورد موضوع و همچنین برخی از تجارب اساسی کدگذاری برای پیمایش در رابط خط فرمان دارد. TauDEM همچنین به عنوان یک جعبه ابزار ArcMap در دسترس است، که تعدادی از فرایندها را در مراحل قابل دسترسی ساده تر می کند، با این حال تنظیم برنامه برای اجرا در ArcMap پیچیده است و به امتیازات مدیر نیاز دارد، که این امر می تواند برای سازمان کوچکتر که فاقد حرفه ای IT TauDEM پس از تنظیم صحیح، می تواند به طور قابل توجهی عملکرد و دقت استفاده از ArcMap را به عنوان ابزاری برای تجزیه و تحلیل بهبود بخشد. هر دو روش دستیابی به برنامه، مجموعه ای قوی از ابزارها را برای تجزیه و تحلیل جریان فراهم می کند، از جمله توانایی شناسایی تعدادی از عوامل مفید در تعیین کانال مانند فاصله جریان جمع شده و توانایی تعریف هد کانال ها بر اساس آستانه های تجمع یا تغییرات ناگهانی در توپوگرافی. TauDEM همچنین به کاربران امکان می دهد تا با استفاده از یک لایه رستری دیگر، تجمع جریان وزنی را انجام دهند، که می تواند در تعیین بار رواناب و مواد ناشی از مناطق سرچشمه مفید باشد.

دکتر اندرو اِلمور، استاد مرکز آزمایشگاه آپالاچیان دانشگاه محیط زیست دانشگاه مریلند، روی روش های نقشه برداری کانال های جریان آب رودخانه و همچنین بررسی شیوع دفن نهرها در مناطق مرتفع کار کرده است. دکتر المور توضیح داد که آزمایشگاه وی معمولاً از TauDEM برای تعیین تجمع جریان و جهت استفاده می کند. با استفاده از این داده ها، او می تواند از انحنای حوضه و منطقه کمک کننده برای تعیین محل قرارگیری کانال ها و سر کانال ها استفاده کند. وی توضیح داد که اگرچه این کار برای کار او بسیار موثر است، اما TauDEM برنامه ای نیست که برای اکثر کاربران قابل دسترسی باشد زیرا به درک درستی از موضوع و برخی از توانایی های برنامه نویسی نیاز دارد. دکتر المور در حال حاضر با وزارت منابع طبیعی مریلند، حفاظت از طبیعت و شهرستان آلگانی برای نقشه برداری از کانال های سرچشمه در غرب مریلند همکاری می کند. وی بر این باور است که ایجاد نقشه هایی از این جریان ها و در دسترس قرار دادن آنها برای مدیران و عموم، گام بعدی بسیار عملی و ضروری است که از مناطق آسیب پذیر در برابر توسعه و تخریب محافظت می کند و اطمینان حاصل می کند که همان نظر جریان ها و محافظت قانونی را از آنها دریافت می کند در NHD شناخته شده است.

شکل 7: TauDEM’s ArcMap Toolbox Interface

دکتر اسکات پکام، نویسنده RiverTools، توضیح داد که همچنین تعدادی دیگر از ابزارهای نرم افزار منبع باز وجود دارد که محققان برای مدل سازی جریان زمینی ایجاد کرده اند. بسیاری از این ابزارها در سیستم مدل سازی پویایی سطح جامعه (CSDMS) قرار دارند، یک انجمن آنلاین متشکل از محققانی از سراسر جهان که مدل های جدید و نوینی را برای توضیح چگونگی حرکت آب در منظره ایجاد می کنند. متأسفانه، بسیاری از مدل های توسعه یافته توسط CSDMS صرفاً برای اهداف دانشگاهی طراحی شده اند و به همین ترتیب، کاربر پسند نیستند و برای کارکرد آنها به دانش قابل توجهی هم در پویایی سطح و هم در مدل سازی رایانه نیاز دارند. به طور کلی، دکتر پکام اظهار داشت که با توجه به وقت و تلاش لازم برای ساخت عناصری مانند رابط کاربری گرافیکی (GUI)، اسناد راهنما و مطالب آموزشی، استفاده از بسته نرم افزاری هر چه هزینه بیشتری داشته باشد، کاربر نهایی وی همچنین توضیح داد که برخی از مدل سازان در CSDMS در حال کار برای ایجاد پوسته GUI هستند که در آن برخی از مدل های خود را اجرا می کنند و این امر باعث می شود تا در دسترس عموم قرار بگیرند، اما این تلاش به دلیل محدودیت های زمانی و بودجه به کندی پیش رفته است. دکتر پکام اظهار داشت که تعدادی از محققان مایل به کمک به توسعه ابزارهای جدید برای شناسایی زمین های با کیفیت بالا با استفاده از این فن آوری ها هستند.

ملاحظات و توصیه ها

به طور کلی، به دلیل شیوع داده های موجود، تمایل شرکای متخصص برای همکاری و احتمال اینکه اکثر کاربران بتوانند به راحتی به یک یا چند فناوری توصیف شده دسترسی پیدا کنند. نقشه برداری جریان سرچشمه نوید قابل توجهی به عنوان یک فناوری است که می تواند به راحتی برای بهبود هدف قرار دادن حفاظت در حوزه آبخیز خلیج چسپایک اجرا شود. استفاده از این ابزارها چند ملاحظه دارد. دکتر Pkkham و دکتر Elmore بر اهمیت کار با داده های با وضوح مناسب هنگام انجام نقشه برداری جریان آب تأکید کردند. اگر یک مدیر با داده هایی بسیار درشت کار کند، ویژگی های منظره کوچک در شبکه رودخانه تجسم نمی شوند یا شامل نمی شوند. برعکس، اگر داده ها از وضوح افقی خیلی خوبی برخوردار باشند، ویژگی هایی مانند بسترهای جاده بلند شده با آبریزها در زیر، بر اتصال هیدرولوژیکی شبکه رودخانه تأثیر می گذارند. علاوه بر این، اگر وضوح عمودی به اندازه کافی کوچک نباشد، عدم دقت های کوچک در ارتفاع می تواند به طور مصنوعی بر الگوهای جریان تأثیر بگذارد، به ویژه در مناظر مسطح که فقط تغییرات کمی در ارتفاع در فواصل زیاد وجود دارد. محققان به طور کلی دریافته اند که استفاده از اندازه شبکه 5 تا 10 متر سازش مناسبی بین افزایش وضوح و حجم داده های تولید شده با بازده کمتری برای رزولوشن دقیق تر به دلیل عدم دقت در شبکه های هیدرولوژیکی حاصل از آن است. حفظ دقت عمودی بالاتر بدون در نظر گرفتن تغییر در وضوح افقی، دقت مدل را بهبود می بخشد و باید با تقلیل داده های وضوح بالاتر به وضوح افقی کمتر در صورت امکان حفظ شود.

شکل 8: وضوح فضایی می تواند تأثیر چشمگیری در دقت شبکه های جریانی و ویژگی های آنها داشته باشد.

دسترسی به داده ها مورد دیگری است که هنگام استفاده از این نوع تحلیل باید مورد توجه قرار گیرد. تلاش قابل توجهی از طرف دولت های ایالتی و ایالتی برای جمع آوری داده های LIDAR در بیشتر مناطق انجام شده است و بیشتر دولت ها آن را به صورت عمومی در دسترس قرار داده اند. اگر داده های جدید جمع آوری شود، هزینه برای یک سازمان خصوصی بسیار زیاد خواهد بود، به خصوص اگر فقط یک منطقه هدف کوچک پرواز شود، اما تعدادی از محققان و سازمان های دانشگاهی هستند که احتمالاً علاقه مند به هزینه هستند - مشارکت مشترک برای کاهش هزینه جمع آوری داده ها برای همه طرف های درگیر.

در حالی که هر یک از گزینه های نرم افزاری بین دقت، کارایی و هزینه تعامل دارد، همه آنها برای تفسیر و اجرای صحیح نتایج به سطح دانش خاصی نیاز دارند. برای سازمانی که توانایی استخدام یا آموزش کارکنان برای انجام نقشه برداری جریان آب رودخانه را دارد، هر یک از گزینه های موجود ابزار تولید این اطلاعات مهم را فراهم می کند. برای سازمان های کوچکتر، با این وجود، دسترسی به داده های تولید شده توسط شخص دیگری یا در صورت تقاضا یا از طریق یک پورتال نقشه برداری اینترنتی، احتمالاً بیشترین تأثیر را در اولویت قرار دادن جریان های سرچشمه برای اقدامات حفاظتی در خلیج Chesapeake خواهد داشت.

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

پروژه تخصصی در لینکدین

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح