شاخص ها و فرمول پارامترهای مورفومتری حوضه های آبخیز شامل فرم حوضه، ضریب گراولیوس، ضریب گردی و هیدرومتری آبریزها جهت شناسایی پتانسیل سیل خیزی

---

در این مقاله قصد داریم به بررسی انواع شاخص های فیزوگرافی حوضه آبخیز بپردازیم. این نوشته درباره شاخص ها و پارامترهای مورفومتری حوضه های آبخیز شامل فرم حوضه، ضریب گراولیوس، ضریب گردی و هیدرومتری آبریزها جهت شناسایی پتانسیل سیل خیزی و دبی سیلاب است که روش محاسبه و فرمول های این ضرایب را توضیح داده است. متغیرهای مورفومتری شامل ضریب شکل حوضه، ضریب گراولیوس، ضریب گردی، تراکم زهکشی، ضریب بافت، و ضریب کشیدگی و متغیرهای زمان تمرکز شامل روش های کرپیچ، استدلالی، و ین چاو و متغیرهای دبی اوج سیل شامل فرمول های کریگر و فولر در دوره بازگشت های 20 ساله، 50 ساله و 100 ساله محاسبه می شوند.  

برای مشاهده ابزار خودکار تحلیل هیدرومتری حوضه آبریز و شناسایی فیزیوگرافی آبریز روی تصویر زیر کلیک کنید.

در این مطالعه از نقشه های توپوگرافی 1:25000 و1:50000 رقومی سازمان نقشه برداری کشور، داده های ارتفاعی SRTM با قدرت تفکیک 30 متر، داده های ایستگاه های هیدرومتری مربوط به سازمان آب منطقه ای، رخدادهای سیل مربوط به سازمان مدیریت بحران کل کشور، و اطلاعات هواشناسی سازمان هواشناسی کشور استفاده شده است.

داده ها قبل از استفاده اصلاح و سپس وارد تحلیل می شوند. خطاهای مربوط به داده های ارتفاعی SRTM با استفاده از فیلترپایین برطرف و لایه DEM (برای دانلود لایه های DEM با دقت 30 متر کل کشور ایران کلیک کنید) تولید شده به سیستم مختصات UTM تغییر می یابند. سپس با استفاده از ابزار هیدرولوژی تحلیلگرفضایی ArcGIS10.1 رده آبراهه ها استخراج شده و زیرحوضه ها با استفاده از نرم افزار WMS10.1 به دلیل سهولت و دقت بیشتر این نرم افزار برای این پردازش، استخراج می شوند. بعد از استخراج رده ها و زیرحوضه ها، به منظور رفع خطاهای احتمالی قوانین توپولوژی از جمله نداشتن تقاطع آبراهه ها با یکدیگر، عدم وجود فاصله خالی بین پلیگون های زیرحوضه ها، عدم رویهم افتادگی پلیگونها، و عدم عبور آبراهه ها از مرز پلیگونهای زیرحوضه برای لایه های استخراج شده تعریف شده و ویرایش های لازم انجام می شود. در مرحله بعد آمار های ایستگاه های هیدرومتری با استفاده از موقعیت ایستگاه ها وارد نرم افزار GIS تحلیل می شوند.  

متغیرهای مورفومتری شامل ضریب شکل حوضه، ضریب گراولیوس، ضریب گردی، تراکم زهکشی، ضریب بافت، و ضریب کشیدگی و متغیرهای زمان تمرکز شامل روش های کرپیچ، استدلالی، و ین چاو و متغیرهای دبی اوج سیل شامل فرمول های کریگر و فولر در دوره بازگشت های 20 ساله، 50 ساله و 100 ساله محاسبه می شوند.  در ادامه فرمول ها برای این منظور آمده است. شاخص ها و فرمول پارامترهای مورفومتری حوضه های آبخیز شامل فرم حوضه، ضریب گراولیوس، ضریب گردی و هیدرومتری آبریزها جهت شناسایی پتانسیل سیل خیزی به ما این توانایی را می دهد که وضعیت ژئومورفولوژی حوضه و طبیعت محیط آن را درک کنیم.

با کلیک روی تصویر زیر می توانید مرز زیر حوضه ها و حوضه های آبخیز ایران مورد تایید سازمان آب را روی نقشه گوگل Earth مشاهده کنید.

پارامترهای مورفومتری حوضه

متغیرهای مورفومتری نقش مهمی در خصوصیات سیل و به طورکلی در مخاطرات هیدروژئومورفولوژی هرحوضه ای ایفا می کنند (رجوع کنید مطالعه دکتر نظام محله و همکاران). با توجه به ارتباط نزدیک متغیرهای فیزیوگرافی در وقوع سیل، می توان بسیاری از خصوصیات و احتمالات وقوع سیل را با توجه به این متغیرها مورد بررسی قرار داد (هرتون، 1945). طیف گسترده ای از متغیرها برای اندازه گیری و کمی کردن خصوصیات فیزیوگرافی حوضه های آبخیز وجود دارد (هرتون، 1945؛ بکا، 2011). در این مطالعه ما برخی از این متغیرها را بطور نمونه برای زیرحوضه های این منطقه محاسبه کرده ایم (جدول 1).    

جدول 1: متغیرهای مورفومتری و پارامترهای آنها

متغیر	رابطه	پارامترها
ضریب شکل حوضه (FF)	FF=A/L2	مساحت حوضه به کیلومتر مربع (A) طول حوضه به کیلومتر (L) طول خطی است كه خروجي حوزه را بطور مستقيم به دورترين نقطه روي مرز حوضه وصل مي كند.
ضریب گراویلیوس (kc) (Gravelius) یا فشردگی	kc=(0.28P)/√A	مساحت حوضه بر حسب کیلومترمربع (A)، و محیط حوضه بر حسب کیلومتر (P) این پارامتر برای مقایسه کردن شکل حوضه آبریز با شکل دایره است. این ضريب در حوزه هاي دایره ای حدود يك و براي حوزه هاي كشيده حدوداً بيش از يك و نيم خواهد بود.
ضریب گردی (Rc) میلر:	Rc= (12.566*A)/P2	مساحت حوضه (A) به کیلومترمربع و محیط حوضه (P) به کیلومتر اين ضريب معمولاً كمتر از يك است و در حوزه هاي گرد به يك نزديك مي شود.
تراکم زهکشی (Dd)	Dd=Lt/A	طول کل آبراهه ها به کیلومتر (Lt) و مساحت حوضه (A) به کیلومتر مربع نسبت تعداد کل آبراهه های رده یک (N1) به محیط حوضه (P) مساحت حوضه (A) و طول خط مستقیم حوضه (L)
ضریب بافت (T)	T=N1/P
ضریب کشیدگی (Re)	Re = (1.12 √A)/L

هر یک از متغیرهای مورفومتری با استفاده از داده های ارتفاعی SRTM و نقشه توپوگرافی 1:25000 رقومی در نرم افزار GIS محاسبه شده است. برای انجام این محاسبات تمامی پارامترهای هر متغیر به طور جداگانه با ابزارهای تحلیلی نرم افزار GIS آماده و سپس ارزشهای مربوطه در داخل رابطه گنجانده شده تا نتیجه مورد نظر استخراج شود.

زمان تمرکز:

تاکنون پارامترهای گوناگونی برای مشخص کردن واکنش حوضه به یک رخداد سیل مورد استفاده قرارگرفته که زمان تمرکز یکی از پرکاربردترین آنها بوده است . زمان تمرکز عبارت است از زمانی که آب نیاز دارد تا از دورترین (دوری هیدرولیکی) بخش حوضه آبریز به مکان مورد نظر (خروجی حوضه) برسد. برای محاسبه زمان تمرکز از مدل های متفاوتی با متغیرهای مختلف استفاده می شود که هرکدام شرایط خاصی دارند. برخی از این مدل ها در این مطالعه استفاده شده اند (جدول 2).

جدول 2: مدل های زمان تمرکز و پارامترهای آنها

نام روش	رابطه	پارامترها
کرپیچ	Tc = 0.0078*(L^0.77)/(S^0.385)	زمان تمرکز به دقیقه (Tc)، طول شاخه اصلی رودخانه (L)، و شیب متربه متر (S) (اختلاف ارتفاع عمودی به اختلاف ارتفاع افقی)
روش هیدروگراف  استدلالی	Tc=0.057*(L/√S)^0.66	زمان تمرکز به ساعت (Tc)، طول آبراهه اصلی به متر (L)، شیب متربه متر (S)
روش ین چاو	Tc=0.7*((0.012*L)/(S^0.5))^0.6	طول آبراهه اصلی به کیلومتر (L) و اختلاف ارتفاع بین بلندترین نقطه آبراهه اصلی و محل خروجی به متر (h)

برای استخراج پارامترهای مربوط به هریک از متغیرهای زمان تمرکز داده های ارتفاعی و نقشه توپوگرافی 1:25000 رقومی مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور محاسبه هر یک از این مدلها ابتدا ارزش های هر پارامتر با استفاده از ابزارهای تحلیلی نرم افزار GIS استخراج و بعد از گنجانده شدن در رابطه ی هر مدل نتایج بدست آمده است. 

دبی اوج سیل:  

رخدادهای هیدرولوژیکی شدید بصورت دبی اوج سیل نقش مهمی در خسارات ناشی از سیل در هرحوضه دارد (تاگواس و همکاران، 2008). در حوضه های فاقد آمار می توان با استفاده از روابط تجربی ارزش دبی اوج را برآورد کرد. فرمول های تجربی برای محاسبه دبی اوج با استفاده از عوامل اصلی موثر در وقوع سیل بدست می آیند و عمدتا از خصوصیات حوضه آبریز استفاده می کنند. مشکل این فرمول ها این است که برای هرمنطقه با شرایط اقلیمی (دانلود اطلاعات اقلیمی ایستگاه های کل کشور) و فیزیکی گوناگون نتایج تا حدودی متفاوت است . در این مطالعه بطور نمونه دو مورد از این روابط یعنی روش کریگر و فولر در دور بازگشت های 20 ساله، 50 ساله، و 100 ساله استفاده شده اند. این دو رابطه به دلیل سادگی کاربرد، استفاده فراوانی داشته اند و به همین دلیل می توانند با اصلاحات لازم به یک حالت کلی تعمیم داده شوند که خطای کمی داشته باشد. (جدول 3)

جدول 3: روش های محاسبه دبی اوج سیل و پارامترهای آنها

متغیر دبی اوج	رابطه	پارامترها
کریگر	QP=46*C*A^(0.894*A^(-0.048))	مساحت حوضه به مایل مربع (A)، حداکثر دبی به فوت مربع به ثانیه (Q)، ضریب حوضه (C) که در دور بازگشت های مختلف متفاوت است. ضریب  C برای دور بازگشت 20 ساله (3.95) ضریب C برای دور بازگشت 20 ساله (6.14) ضریب C برای دور بازگشت 20 ساله (8.29)
فولر	Qp= (C*A^0.8)*(1+0.8*LOG10(T))*(1+2.66*A^(-0.3))	مساحت حوضه به کیلومتر مربع (A)، ضریب حوضه (C)، اوج سیل احتمالی در دوربازگشت T سال به مترمکعب در ثانیه (Qp)

پارامترهای دبی اوج نیز با استفاده از داده های ارتفاعی و نیز نقشه توپوگرافی 1:25000 (دانلود نقشه های توپوگرافی ) استخراج می شود و در فرمول های مربوط به هر مدل گنجانده شده است. بعد از گنجاندن ارزش های پارامترهای هر مدل نتایج دبی اوج سیل برای هر یک از 14 زیرحوضه مورد نظر بدست می آید.