کاربرد سنجش از دور در مدل سازی هیدرولیکی و تعیین حد بستر رودخانه‌ها (مطالعۀ موردی: رودخانه ارداک)

محورهای موضوعی : برنامه های کاربردی در مدیریت منابع آب

سیدحمید میرقاسمی ¹ , حسین بانژاد ² , علیرضا فرید حسینی ³

1 - دانشجوی دکتری گروه مهندسی آبیاری و زهکشی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
2 - دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
3 - دانشیار گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد

تاریخ دریافت : 1400/06/01 تاریخ پذیرش : 1400/07/25 تاریخ انتشار : 1401/11/01

کلید واژه: HEC-RAS, تصاویر ماهواره‌ای, HEC-HMS, سیلاب, رودخانه ارداک,

چکیده مقاله :

پیشینه و هدف براساس اصل 45 قانون اساسی جمهوری اسلامی ایران و ماده 2 قانون توزیع عادلانه آب، رودخانه‌ها ثروت ملی بوده و در اختیار حکومت اسلامی است. بنابراین دولت مکلف است مطالعه و تعیین حد بستر و حریم رودخانه‌ها را انجام و در صورتی که اعیانی‌های موجود در بستر و حریم آن‌ها را برای امور مربوط به آب یا برق مزاحم تشخیص دهد نسبت به تخلیه آن‌ ها اقدام نماید. امروزه به‌علت افزایش ارزش اقتصادی زمین و تقاضا جهت احداث اعیانی در اراضی حاشیه رودخانه‌ها و مجاری آبی متأسفانه روندتصرفات حدود بستر و حریم رودخانه‌ها افزایش یافته که خود تهدیدی برای دسترسی به آب سالم و حفاظت از آن برای نسل‌های آتی محسوب می‌شود. تصرف رودخانه‌ها با کاهش عرض و تغییر کاربری اراضی بستر آن‌ها همراه است. این اقدام باعث بهم خوردن رژیم طبیعی رودخانه و در نتیجه وقوع سیل و خسارت‌های اجتماعی، اقتصادی، زیست محیطی را به دنبال دارد. مدیریت منابع آب و به‌خصوص مدیریت سیل بدون شناخت و تحلیل جریان رودخانه‌ها، پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر و حریم آن‌ها میسر نمی‌باشد. در حال حاضر برای تعیین گستره سیلاب و مشخص کردند حد بستر رودخانه‌ها نقشه‌برداری زمینی انجام می‌شود. این روش بسیار زمان‌بر بوده و هزینه انجام آن زیاد می‌باشد. در همین راستا استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و عکس‌های هوایی به جای نقشه‌برداری زمینی برای سرعت بخشیدن به انجام مطالعات و کاهش هزینه‌ها می‌تواند راهگشا باشد. تحقیقات زیادی درکشور و دنیا درخصوص استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در حوزه‌های مختلف انجام شده است. به‌ویژه در پژوهش‌های متعددی از تصاویر ماهواره‌ای برای بررسی روند تغییرات کاربری اراضی حوضه‌های آبخیز و نیز مطالعه تغییرات مورفولوژی رودخانه استفاده شده است. پژوهش‌هایی پیرامون استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در مطالعات هیدرولوژی و حوضه‌های آبخیز انجام شده است، اما در این پژوهش برای اولین بار امکان استفاده از تصاویر ماهواره‌ای برای تهیه نقشه رودخانه و استخراج مقاطع عرضی آن برای پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه مورد بررسی قرارگرفته است. در سال‌های اخیر بستر رودخانه ارداک در بالادست سد اراداک، به طور گسترده تصرف و تغییر کاربری داده شده است. این امر باعث شده‌است تا تعداد حوادث سیل افزایش و کمیت و کیفیت آب سد ارداک که بخشی از آب شرب شهر مشهد را تامین می‌نماید، کاهش یابد. برای مدیریت سیل و حفاظت کمی و کیفی از سد ارداک، پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه ارداک ضروری می‌باشد. در حال حاضر برای انجام این کار ابتدا باید نقشه برداری زمینی انجام می شود. نقشه برداری زمینی برای تهیه نقشه رودخانه و استخراج مقاطع عرضی آن مستلزم صرف زمان طولانی و هزینه زیادی است. بنابراین هدف از این پژوهش بررسی امکان استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک 28×28 متر به جای نقشه‌برداری زمینی به‌منظور افزایش سرعت انجام کار و کاهش هزینه‌های مطالعات طرح‌ها و پروژه‌های آبی و مهندسی رودخانه است.مواد و روش ها برای ترسیم حوضه آبریز و استخراج پارامترهای فیزیکی آن از تصاویر ماهواره‌ای ASTER و نرم‌افزار HEC-GeoHMS استفاده شد. نقشه بستر موجود رودخانه و حاشیه آن تهیه و به‌عنوان یک لایه جدید به نقشه کاربری اراضی حوضه اضافه شد. برای شبیه سازی بارش و رواناب از مدل هیدرولوژیکی HEC-HMS استفاده شد. ابتدا برای پنج واقعه بارش و رواناب مدل واسنجی و اعتباریابی گردید. سپس هایتوگراف بارش مربوط به دوره بازگشت‌های مختلف در پایه زمان تمرکز حوضه به مدل HEC-HMS معرفی شد. مدل اجرا و سیلاب با دوره بازگشت‌های مختلف شبیه‌سازی شد. اطلاعات هندسی رودخانه درقالب مقاطع عرضی هم از نقشه‌برداری زمینی و هم از تصاویر ماهواره‌ای و با استفاده از الحاقیه HEC-GeoRAS استخراج گردید. اطلاعات حاصل از مدل‌سازی جریان رودخانه در نرم‌افزار HEC-RAS از طریق الحاقیه HEC-GeoRAS به محیط GIS منتقل و درمحیط مذکور پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه به دو روش استفاده از اطلاعات نقشه‌برداری زمینی و بهره‌گیری از تصاویر ماهواره‌ای تعیین و با هم مقایسه شد.نتایج و بحث نتایج بیانگر آن است که پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه با استقاده از تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک 28×28 متر قابل انجام است. در این مورد شاخص‌های آماری میانگین خطای نسبی و ضریب همبستگی رگرسیون به ترتیب 13.2 و 92 درصد بدست آمد. اگر در چند نقطه از مسیر رودخانه مقطع عرضی از طریق نقشه ‌برداری زمینی برداشت و جایگزین مقاطع عرضی که از روش تصاویر ماهواره‌ای بدست آمده اند، دقت پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه با استقاده از تصاویر ماهواره‌ای افرایش می‌یابد. به‌طوری‌که اگر به فاصله 150 متر و در طول 8 کیلومتر 47 مقطع عرضی جانمایی و به‌صورت برداشت زمینی انجام و در مدل HEC-RAS جایگزین مقاطع عرضی بدست آمده از تصاویر ماهواره‌ای شود، خطای استفاده از روش تصاویر ماهواره‌ای برای پهنه‌بندی سیلاب و تعیین حد بستر رودخانه به 8.1 درصد کاهش خواهد یافت.نتیجه گیری استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با کیفیت 28×28 متر برای تعیین حد بستر رودخانه امکان‌پذیراست. این روش با میانگین خطای نسبی و ضریب همبستگی رگرسیون به ترتیب 13.2 و 92 درصد همراه است که این خطا را با مقطع‌برداری زمینی می‌توان تا 8 درصد کاهش داد.

چکیده انگلیسی:

Background and Objective According to Article 45 of the Constitution of the Islamic Republic of Iran and Article 2 of the Law on Fair Water Distribution, rivers are a national asset. They are in possession of the Islamic State. Therefore, the government is obliged to study and determine the bed and river boundaries, and if it recognizes the aristocracy in the bed and their area for disturbing water or electricity issues, to evacuate or tin and suppress them. Today, due to the increase in the economic value of land and the demand for land construction in lands along rivers and waterways, unfortunately, the process of using the riverbed has increased, which is a threat to access to safe water and its protection for future generations. Occupying rivers is associated with reduced land use and land use change. This disrupts the natural flow of the river, resulting in flooding and social, economic, and environmental damage. It is not possible to manage water resources, especially flood management, without knowing and analyzing the flow of rivers, flood zoning, and determining their bed boundaries and boundaries. At present, a land survey is being conducted to determine the extent of the floods and to determine the extent of the riverbed. This method is very time-consuming and expensive to perform. In this regard, using satellite imagery and aerial photographs instead of terrestrial mapping can be helpful in speeding up studies and reducing costs. Much research has been done in our beloved country of Iran and the world on the use of satellite images in various fields. In particular, several studies have used satellite imagery to study the changes in land use in watersheds and to study the morphological changes of the river. As noted, research has been conducted on the use of satellite imagery in hydrological studies and watersheds, but for the first time in this study, it is possible to use satellite imagery to map the river and extract its cross-sectional areas for flooding and riverbed delimitation. Has been studied. In recent years, the bed of the Ardak River above the Eradak Dam has been extensively occupied and altered. This has led to an increase in the number of floods and a decrease in the quantity and quality of water in the Ardak Dam, which supplies part of Mashhad's drinking water. For flood management and quantitative and qualitative protection of the Ardak dam, flood zoning and determination of the Ardak riverbed is necessary. At present, the ground mapping must be done first. Land surveying to map the river and extract its cross sections requires a lot of time and money. Therefore, the aim of this study was to investigate the possibility of using satellite images with a resolution of 28.28 m instead of terrestrial mapping to increase the speed of work and reduce the cost of studies of water projects and projects and river engineering.Materials and Methods ASTER satellite imagery and HEC-GeoHMS software were used to draw the catchment area and extract its physical parameters. The existing riverbed map and its margin were prepared and added to the land use map of the basin as a new layer. The HEC-HMS hydrological model was used to simulate precipitation and runoff. First, a metering and validation model was used for five rainfall and runoff events. The precipitation histogram for different return periods was then introduced to the HEC-HMS model based on the basin concentration time. The execution and flood model were simulated with different return periods. The river's geometric information was extracted in transverse sections from both terrestrial mapping and satellite imagery using the HEC-GeoRAS appendix. Information from river flow modeling in HEC-RAS software was transferred to the GIS environment through HEC-GeoRAS extension and in the mentioned environment, flood zoning and riverbed boundary determination were determined by two methods of using land mapping information and using satellite images.Results and Discussion The results indicate that the flooding area and the determination of the riverbed can be done by using satellite images with a resolution of 28 × 28 m. In this case, the statistical indicators of the mean relative error and regression correlation coefficient were 13.2 and 92%, respectively. If cross-sectional crossings are taken at several points along the river route and replaced by cross-sections obtained by satellite imagery, the accuracy of flood zoning and riverbed delimitation will be enhanced by the use of satellite imagery. If at a distance of 150 meters and at a distance of 8 km, 47 cross-sections are located and grounded and replaced in the HEC-RAS model by cross-sections obtained from satellite images, the error of using the satellite imagery method for flood zoning and riverbed delimitation Will be reduced to 8.1%.Conclusion It is possible to use satellite images with a quality of 28 × 28 m to determine the river bed limit. This method is associated with the average relative error and regression correlation coefficient of 13.2% and 92%, respectively, which can be reduced by 8% with ground cutting.

منابع و مأخذ:

Alizadeh A. 2010. Principles of Applied Hydrology, Fifth Edition of Imam Reza University. 942 p. (In Persian).

Chang C, Huang W. 2013. Hydrological modeling of typhoon-induced extreme storm runoffs from Shihmen watershed to reservoir, Taiwan. Natural Hazards, 67: 747-761. https://doi.org/10.1007/s11069-013-0600-7.

Chen Y, Wang Y, Zhang Y, Luan Q, Chen X. 2020. Flash floods, land-use change, and risk dynamics in mountainous tourist areas: A case study of the Yesanpo Scenic Area, Beijing, China. International Journal of Disaster Risk Reduction, 50: 101873. https://doi.org/10.1016/j.ijdrr.2020.101873.

Company IWRM. 2017. Analytical report on protection and exploitation and management of rivers and beaches. (In Persian). 178 p.

De Silva M, Weerakoon S, Herath S. 2014. Modeling of event and continuous flow hydrographs with HEC–HMS: case study in the Kelani River Basin, Sri Lanka. Journal of Hydrologic Engineering, 19(4): 800-806. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000846.

Farahani MS, Parveen K. 2020. Recognizing the concept of "public wealth" in Article 45 of the Constitution of the Islamic Republic of Iran. Journal of Knowledge of public law, 9(28): 19-44. https://doi.org/10.22034/qjplk.2020.195. (In Persian).

Gichamo TZ, Popescu I, Jonoski A, Solomatine D. 2012. River cross-section extraction from the ASTER global DEM for flood modeling. Environmental Modelling & Software, 31: 37-46. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2011.12.003.

Hashemyan F, Khaleghi M, Kamyar M. 2015. Combination of HEC-HMS and HEC-RAS models in GIS in order to simulate flood (case study: khoshke Rudan river in Fars province, Iran). Research Journal of Recent Sciences, 4(8): 122-127. (In Persian).

Imani S, Hassanoli SAM, Farkhnia A, Javadi F, Najafi MS. 2021. Evaluating the efficiency of WRF-hydro model for development of flood forecasting systems (Case study: Kashkan Watershed). Iran-Water Resources Research, 16(4): 225-240. (In Persian).

Khaghan AAM, Mojaradi B. 2016. The Integrate of HEC-HMS and HEC-RAS Models in GIS Integration Models to Simulate Flood (Case Study: Area of Karaj). Current World Environment, 11(Special Issue): 1-6.

Miri M. 2020. The Reflection on legal challenges Infringement to the river bed and Riparian Zone in Iran. Iran-Water Resources Research, 16(1): 428-446.

Nharo T, Makurira H, Gumindoga W. 2019. Mapping floods in the middle Zambezi Basin using earth observation and hydrological modeling techniques. Physics and chemistry of the earth, Parts A/B/C, 114: 102787. https://doi.org/10.1016/j.pce.2019.06.002.

Nikonorov A, Badenko V, Terleev V, Togo I, Volkova Y, Skvortsova O, Nikonova O, Pavlov S, Mirschel W. 2016. Use of GIS-environment under the Analysis of the Managerial Solutions for Flood Events Protection Measures. Procedia Engineering, 165: 1731-1740. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.916.

Paul A, Biswas M. 2019. Changes in river bed terrain and its impact on flood propagation–a case study of River Jayanti, West Bengal, India. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 10(1): 1928-1947. https://doi.org/10.1080/19475705.2019.1650124.

Pavanelli D, Cavazza C, Lavrnić S, Toscano A. 2019. The long-term effects of land use and climate changes on the hydro-morphology of the Reno river catchment (Northern Italy). Water, 11(9): 1831. https://doi.org/10.3390/w11091831.

Rahmani N, Shahedi K, Soleimani K, Miryaghoubzadeh M. 2016. Evaluation of the Land use Change Impact on Hydrologic Characteristics (Case Study: Kasilian Watershed). Journal of Watershed Management Research, 7(13): 23-32. https://doi.org/10.18869/acadpub.jwmr.7.13.32. (In Persian).

Saraskanrood SA, Pourfarrash Zadeh F. 2022. Study the landuse change and its effects on the hydrologic regime in main catchments of Binalood county. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 13(2): 84-106. https://doi.org/10.30495/girs.2022.683834. (In Persian).

Suriya S, Mudgal B. 2012. Impact of urbanization on flooding: The Thirusoolam sub watershed–A case study. Journal of Hydrology, 412: 210-219. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.05.008.

Valizadeh Kamran K, Delire Hasannia R, Azari Amghani K. 2019. Flood zoning and its impact on land use in the surrounding area using unmanned aerial vehicles (UAV) images and GIS. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(3): 59-75. https://girs.bushehr.iau.ir/article_668470.html?lang=en. (In Persian).

Wiley M, Hyndman D, Pijanowski B, Kendall A, Riseng C, Rutherford E, Cheng S, Carlson M, Tyler J, Stevenson R. 2010. A multi-modeling approach to evaluating climate and land use change impacts in a Great Lakes River Basin. Hydrobiologia, 657: 243-262. https://doi.org/10.1007/s10750-010-0239-2.

Zope P, Eldho T, Jothiprakash V. 2016. Impacts of land use–land cover change and urbanization on flooding: A case study of Oshiwara River Basin in Mumbai, India. Catena, 145: 142-154. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.06.009.