در این نوشته حوضه آبخیز را تعریف کردیم و سپس درباره برخی از مهمترین عوامل مرتبط با تحلیل حوضه آبخیز و پارامترهای سنجش حوضه های آبریز بحث کردیم. حوضه های آبخیز واحدهای بررسی مدیریت جغرافیایی شهرها و روستاها هستند. خصوصیات حوضه آبخیز نقش مهمی در تشدید سیل و یا تضعیف آن ایفا می کنند. بسیاری از مخاطرات مانند رانش زمین نیز تا حدود زیادی وابسته به شرایط حوضه های آبخیز هستند.  

تعریف

فیزیوگرافی حوضه

مساحت حوضه:

محیط حوضه:

طول حوضه:

آبراهه ها:

شیب حوضه:

شبکه هیدروگرافی:

شکل حوضه:

ضریب فشردگی (گراویلیوس):

مدل ارتفاعی رقومی (DEM):

زمان تمرکز

دبی اوج

سخن آخر

تعریف

حوضه آبخیر (Drainage Basin یا watershed) یا حوضه آبریز واحدی از سطح سیاره زمین است که تمام آب های ناشی از بارش در داخل آن به سمت یک نقطه معین از زهکشی (drainage) حوضه و یا چند چاله پراکنده داخل آن سرازیر می شوند. طبق این تعریف هر حوضه آبخیز دبی (discharge) آب مشخص دارد که با حوضه های کناری متفاوت است.

حوضه های آبخیز دارای پیوستگی هستند طوری که بین دو حوضه مجاور هیچ شکاف (Gap) یا فضای خالی وجود ندارد و همچنین هیچ رویهم افتادگی (Overlap) ندارند. این دو اصطلاح به این معنی است که در سطح سیاره زمین هیچ نقطه ای را نداریم که در داخل یک حوضه آبریز قرار نداشته باشد. هر نقطه از سطح کره زمین حتما داخل یکی از حوضه های آبخیز قرار داد. آب بارش در داخل هر حوضه یا به یک نقطه خروجی واحد و معین سرازیر می شود و یا در چند نقطه از مرکز حوضه فرو می رود.

شایان ذکر است که حوضه از واژه عربی حوض آب یا لگن آب گرفته شده است و متفاوت از کلمه حوزه است که از ریشه عربی حیز است و به معنی حیطه موضوعی یا دامنه مطالعاتی است. لذا، با توجه به ماهیت ظرفیتی حوضه آبخیز و ماهیت موضوعی حوزه این دو متفاوت از هم هستند. در مطالعات دانش جغرافیایی به هیچ عنوان از اصطلاح حوزه برای حوضه آبخیز نباید استفاده شود که غلط املایی محسوب می شود.

حوضه های آبخیز یک مفهوم ژئومورفولوژی هستند و بعنوان مهمترین واحد مطالعات ژئومورفولوژی شناخته می شوند. برای درک این که تمام سکونتگاه های شهری و روستایی در جهان در داخل یک حوضه آبریز مشخصی قرار دارند می توانید از لینک “شهر در حوضه” موقعیت شهر یا روستای خودتان را جستجو کنید که در داخل کدام حوضه قرار دارد.

فیزیوگرافی حوضه

برای درک بهتر حوضه های آبریز و شناخت تفاوت حوضه ها باهم می توانیم به برخی عوامل مانند فیزیوگرافی (Physiography) آن بپردازیم. این عوامل در تمیز دادن حوضه های مختلف بسیار مهم است و در تشدید یا تضعیف مخاطرات نقش اساسی دارد. آن دسته از مطالعات که به بررسی خصوصیات فیزیکی و شکل­شناسی حوضه می­پردازد را فیزیوگرافی گویند. آگاهی از خصوصیات فیزیوگرافی یک حوضه همراه با اطلاعاتی از شرایط آب و هوایی منطقه می تواند تصویر به نسبت دقیقی از کارکرد کمی و کیفی سیستم هیدرولوژیک (Hydrologic system) آن حوضه را در اختیار ما قرار دهد (پیتلیک[1]، 1994).

جهت بررسی هر چه بهتر و دقیق­تر یک حوضه آبخیز، آن حوضه به واحدهای هیدرولوژی کوچکتری با عنوان زیر حوضه تقسیم می شود تا بتوانند هر یک را بطور مجزا مورد تحلیل و بررسی قرار دهند. برخی از خصوصیات فیزیوگرافی و توپوگرافی می توانند بسیاری از عوامل آب و هوایی مانند درجه حرارت و نوسانات آن، نوع و میزان بارندگی سالانه، میزان تبخیر و تعرق (evapotranspiration) را تشدید و یا تعدیل کنند و در کل می توان گفت موجب پیدایش انواع آب و هوای موضعی یا منطقه ای شوند (کیم و همکاران[2]، 2016).

از جمله مهمترین خصوصیات فیزیکی یک حوضه می توان به مساحت، محیط، شکل، ارتفاع، شیب و تراکم زهکشی اشاره کرد.

مطالعات فیزیوگرافی در شناخت، برنامه ریزی و مدیریت حوضه­های آبخیز نقش اساسی دارد. زیرا دیگر مطالعات همچون فرسایش و رسوب، هیدرولوژی، هواشناسی و … بدان وابسته است و بیشتر پارامترهایی که در شناخت فیزیوگرافیک حوضه حاصل می شود در فرمول­ها و روابط تجربی مورد استفاده می­باشند.

در این قسمت می توانید google earth حوضه های آبخیز و زیرحوضه های آبریز ایران را دانلود کنید.

برای انجام تحلیل های مورفومتری مقالات زیادی انجام شده است که یکی از این مقالات مربوط به پژوهشی جامع براساس فناوری های پیشرفته GIS است که با دیدگاه مدیریت محیط این موضوع را بررسی کرده است. برای دانلود مقاله این پژوهش به مقاله زیر مراجعه کنید.

مساحت حوضه:

مساحت حوضه یکی از عوامل مهم فیزیکی است که بر روی مقدار دبی پیک سیلاب ها، حجم رواناب و فرم هیدروگراف تاثیر­گذار است. حوضه آبخیز به مساحتی از زمین گفته می شود که اطراف آن را ارتفاعات فرا گرفته و در نتیجه رواناب حاصل از بارندگی روی این سطح در گودترین نقطه آن تمرکز یافته و از نقطه­ای که کمترین ارتفاع را دارد از حوضه خارج می گردد.

به عبارت دیگر حوضه آبریز مساحتی است که رواناب سطحی در آن بطور طبیعی به نقطه واحدی به نام نقطه تمرکز هدایت می شود (علیزاده، 1384). محدوده­ای از سطح زمین که بارش داخل آن به طرف نقطه تمرکز متمایل می شود سطح حوضه نامیده می شود.

حوضه­ ها از نظر مساحت به سه دسته کوچک با مساحت کمتر از 100 کیلومتر مربع، متوسط با مساحت بین 100 تا 1000 کیلومتر مربع و بزرگ با مساحت بالغ بر 1000 کیلومتر مربع تقسیم می شوند (علیزاده، 1384). مساحت کل حوضه و میزان نفوذپذیری بر مقدار و شدت رواناب موثر است.

محیط حوضه:

محیط حوضه به طول خط تقسیم آب گفته می شود که حوضه را از حوضه­های مجاور مجزا می­سازد. محیط حوضه بر حسب کیلومتر یا مایل سنجیده می شود (علیزاده، 1384).

محیط حوضه از دو دیدگاه مورد بررسی قرار می گیرد: یک محیط توپوگرافیک که در طبیعت قابل رویت است و یک محدوده ژئولوژیک که بستگی به خصوصیات زمین شناسی حوضه داشته و از سطح زمین قابل مشاهده نیست بطوریکه ممکن است تغذیه حوضه از مناطقی ورای محدوده سطح حوضه نیز صورت گیرد.

طول حوضه:

برای مشخص کردن طول حوضه نمایه های زیادی به کار می رود که در تحلیل رواناب سیل از آن­ها استفاده می شود. در یک تعریف طول حوضه به طول مسیر آبراهه اصلی از نقطه خروج تا دورترین قله روی خط تقسیم آب گفته می شود. در بررسی نقشه­ های توپوگرافی، آبراهه­ای که بزرگترین طول را داشته باشد آبراهه اصلی در نظر گرفته می شود. به عبارت دیگر لزومی ندارد که رودخانه را تا قله ارتفاعات ادامه دهیم بلکه طول حوضه فقط از نقطه خروجی تا جایی است که رودخانه بطور مشخص روی نقشه وجود دارد. (علیزاده، 1384)

آبراهه­ ها:

انواع آبراهه­ها از نظر شکل شامل شاخه­ای یا دندریتی، قائم یا آبراهه قدیمی، داربستی­، شعاعی، زهکشی حلقوی، زهکشی موازی و زهکشی غیر عادی است (احمدی، 1386).

از معمول­ترین و فراوان­ترین آبراهه ­ها (stream) که در حوضه مورد مطالعه دیده می شود نوع شاخه­ای یا دندریتی است (شکل 4-4 و 4-5). تشکیل این نوع آبراهه اغلب مربوط به جنس سنگ است و عوامل دیگری از قبیل شیب و جهات ساختمانی نیز در شکل گیری آن دخالت دارند.

شیب حوضه:

شرایط توپوگرافی و فیزیوگرافی حوضه معمولا با اصطلاح شیب نیز تعریف می شود که عبارتند از اختلاف ارتفاع بین دو نقطه تقسیم بر فاصله افقی همان نقاط است. شیب معمولا بصورت متر بر متر است و آرکتانژانت شیب متربرمتر شیب به درجه را بدست می دهد و همچنین از حاصلضرب شیب به درجه و عدد صد تقسیم بر عدد چهل و پنج شیب به درصد بدست می آید. برای درک بیشتر این مورد به مقاله شیب سطح سیاره زمین مراجعه کنید.

با کمک مدل رقوی ارتفاعی (DEM) حوضه می توان طبقه بندی­های شیب را بدست آورد. شیب­ها بر اساس اصطلاحات کلی مسطح، ملایم، متوسط و پر شیب گروه بندی می شوند (دباری[3]، 2004). زمان حمل رسوبات به مناطق پایین شیب در مناطق پرشیب سریع­تر است. خصوصیاتی از شیب که در فرسایش خاک دخالت دارند شامل درجه، طول، شکل و جهت شیب است. در صورت یکسان بودن سایر شرایط، شیب های تند (تاحدی از درجه شیب) فرسایش زیادی ایجاد می­کنند؛ چون در این مناطق آب با سرعت بیشتری به طرف پایین جاری شده و در نتیجه انرژی جنبشی و قدرت فرسایش آن بیشتر می شود.

نقش شیب زمین در فرسایش برحسب خصوصیات خاک متفاوت است. اثر آن در خاک­های قابل نفوذ کاهش می یابد زیرا آب پیش از سرعت گرفتن در داخل خاک نفوذ می کند. با افزایش شیب، پایداری خاک کاهش می یابد و به عبارتی انتقال ذرات به طرف پایین افزایش می یابد. بررسی­ها نشان داده که میزان فرسایش خاک با درجه شیب رابطه مستقیم ندارد بلکه به صورت نمایی است (رفاهی، 1385).

شبکه هیدروگرافی:

رواناب در زمان حرکت روی سطح زمین از مسیری بر روی خاک یا سنگ بستر حرکت می­کند که کمترین مقاومت را داشته باشد. هرچه مقدار آبراهه­هایی که به یک رودخانه متصل می­شوند بیشتر باشند زهکشی در سطح منطقه بیشتر و شدت جریان بیشتر خواهد بود.

سیستم شبکه هیدروگرافی تا حدود زیادی تابع ویژگی­های زمین شناسی است. بنابراین مشخصات آبراهه­ها (جهت جریان، تراکم، نوع و شکل) در رابطه با وضعیت سنگ و ناهمواری منطقه است. از آنجا که برداشت، حمل و رسوبگذاری مواد بوسیله آب های جاری صورت می گیرد، مطالعه و چگونگی فعالیت آبراهه­ها و نتیجه آن در تجزیه و تحلیل مسائل ضروری به نظر می رسد (احمدی، 1386؛ نیستورن و همکاران، 2017). نقشه رودخانه های ایران در گوگل ارث را از اینجا دانلود کنید.

شبکه رودخانه کار تخلیه یا زهکشی جریان­های سطحی را انجام می دهد. در حوضه­ های آبریزی که تعداد انشعاب­های رودخانه زیاد باشد و این انشعابات در قسمت وسیعی از سطح حوضه گسترش داشته باشند، جریان های سطحی به سرعت متمرکز شده و سبب می شود تا تغییرات سریع دبی رودخانه سرعت و شدت بیشتری داشته باشد (ضیایی، 1380).

بطور کلی عوامل موثر در شبکه هیدروگرافی رودخانه عبارتند از:

1)عوامل زمین شناسی شامل سختی، نفوذپذیری، کیفیت و کمیت درز و شکاف ها و درجه انحلال سنگ ها.

2)عوامل ساختمانی شامل وضعیت شیب و امتداد لایه­ها و طبقات، نوع و جهات درز و شکاف­ها، گسل و وضعیت زمین ساخت منطقه (احمدی، 1386).

شکل حوضه:

شکلی که از تصویر یک حوضه آبریز روی یک صفحه افقی فرضی حاصل می گردد شکل حوضه[4] آبریز نامیده می شود (ضیایی، 1380). شکل حوضه آبخیز به دلیل تاثیر در خصوصیات هیدرولوژیکی مورد مطالعه و بررسی قرار می گیرد.

به عبارت دیگر ضریب شکل عبارت است از نسبت مساحت حوضه (A) به مجذور طول حوضه (L²) و با علامت FF نشان داده می شود.ضریب شکل حداکثر یک (برای حوضه های مربع شکل) بوده و هرچه مقدار آن کمتر باشد نشان دهنده کشیدگی حوضه است.

شکل حوضه­ ها تعیین کننده مقدار آبی است که از سرچشمه رودخانه تا محل خروج از حوضه می گذرد. از نظر ظاهری حوضه های آبریز دارای شکل­های گوناگونی هستند ولی بطور کلی می توان آن­ها را در سه گروه عمده کشیده، پهن و بادبزنی تقسیم کرد. شکل حوضه تاثیر زیادی در طرز جریان رودخانه دارد. 

ضریب فشردگی (گراویلیوس):

متداول­ترین شاخص شکل حوضه ضریب فشردگی[5] است که به نام ضریب گراویلیوس نیز خوانده می شود و عبارت است از نسبت محیط حوضه (P) به محیط دایره فرضی (Pˊ) که مساحت آن برابر مساحت حوضه است.

این ضریب پس از ساده شدن به صورت فرمول C = 0.28P/√A نمایش داده می شود (علیزاده، 1384). اگر حوضه ای دایره ای کامل باشد ضریب C=1 است، در غیر اینصورت مقدار این ضریب از یک بزرگتر خواهد بود که نشان دهنده انحراف شکل آن از دایره است (علیزاده، 1384).

مدل ارتفاعی رقومی (DEM):

هر تبیین رقومی از تغییرات پیوسته مربوط به پستی و بلندی در فضا به مدل رقومی ارتفاع مشهور است (ضیائی، 1386). ارتفاع یک حوضه نقشی ویژه در بیشتر عوامل اقلیمی و هیدرولوژی همانند بارندگی، درجه حرارت و تغییرات آن، تبخیر و تعرق، شدت تشعشعات خورشید، رواناب و بویژه بارش برف دارد.

این عوامل خود بر وضعیت پوشش گیاهی، تشکیل و توسعه افق خاک و در نتیجه فرسایش و رسوبدهی تاثیر­گذار هستند، بطوریکه در شرایط بارندگی یکسان میزان رسوب در حوضه ­هایی که ارتفاع بیشتری دارند بیش از حوضه­ های پست­تر خواهد بود (ضیائی، 1380).

زمان تمرکز

زمان تمرکز عبارت است از فاصله زمانی لازم برای جریان سطحی که از دورترین و غیر قابل دسترس­ترین نقطه یک حوضه به دهانه آن برسد. زمان تمرکز به خصوصیات فیزیکی حوضه نظیر سطح، شکل، طول و شیب حوضه، نوع و تراکم پوشش گیاهی و غیره بستگی دارد. از طرفی شدت بارندگی و توزیع زمانی و مکانی آن نیز ممکن است طول زمان تمرکز را افزایش یا کاهش دهد.

مهمترین کاربرد زمان تمرکز در برآورد حجم سیلاب، شکل هیدروگراف جریان­های سطحی، زمان تاخیر و زمان پیک سیلاب است که با استفاده از روش­های تجربی و منطقی بدست می آید (احمدی، 1386). این پارامتر عمده ترین عامل در محاسبات هیدرولوژیک محسوب شده و عوامل بسیاری مانند هیدروگراف سیل و دبی پیک رابطه مستقیمی با آن دارند.

دبی اوج

تاکنون پارامترهای گوناگونی برای مشخص کردن واکنش حوضه به یک رخداد سیل مورد استفاده قرارگرفته که زمان تمرکز یکی از پرکاربردترین آنها بوده است (چو و همکاران، 1988). 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 (میرزایی و رئوف، 1393) که هرکدام شرایط خاصی دارند.

سنجش پارامترهای موررفومتری حوضه های آبخیز می تواند با روش شناسی های متفاوت و مدل های مختلف مورد بررسی قرار گیرد. یکی از این مدل ها مدل های شبکه عصبی مصنوعی است که برای تحلیل حوضه های آبخیز می تواند بطور علمی مورد استفاده قرار گیرد.

سخن آخر

در این نوشته تعاریف و ابعاد حوضه های آبخیز را بعنوان واحد مطالعاتی در علوم ژئومورفولوژی و هیدرولوژی بررسی کردیم. در این میان انواع پارمترهای مربوط به حوضه های آبخیز را جهت تمییز دادن آنها باهم بررسی کردیم.

[1] Pitlick

[2] Kim

[3] De barry

[4] Form Factor

[5] Compactness Factor