شناسایی مناطق مناسب عملیات پخش سیلاب با استفاده از تکنیک های GIS و سامانه پشتیبان تصمیم گیری (منطقه مورد مطالعه: حوزه آبخیز ماشکید استان سیستان و بلوچستان)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره هفدهم، شماره چهار، زمستان 94

شناسایی مناطق مناسب عملیات پخش سیلاب با استفاده از تکنیک های GIS و سامانه پشتیبان تصمیم گیری[1] (منطقه مورد مطالعه: حوزه آبخیز ماشکید استان سیستان و بلوچستان)

میرمسعود خیرخواه زرکش[2]

محمدرضا زرچشم[3]

zarcheshm@gmail.com

چکیده

زمینه وهدف: استفاده از سیلاب در مناطق خشک ونیمه خشک از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. از جهتی موضوع تغذیه مصنوعی آبهای زیر زمینی در این مناطق ضروری می نماید. بنابراین پخش سیلاب یکی از روش های مهار و بهره برداری از سیلاب می باشد. شناسایی مکان های مناسب برای عملیات پخش سیلاب و نفوذ دادن آن به درون سفره های آب زیر زمینی یکی از مهم ترین نیازهای مناطق در معرض خطر سیلاب می باشد. هدف از این مطالعه تعیین یک سامانه پشتیبان تصمیم گیری با استفاده از سیستم اطلاعات جغرا فیایی برای انتخاب مکان های مناسب جهت پخش سیلاب در منطقه ماشکید استان سیستان وبلوچستان می باشد.

روش بررسی: عواملی که در مکان یابی پخش سیلاب موثرند بسیار متعدد وپیچیده می باشند. این فاکتورها شامل عوامل زمینی (زمین شناسی، ژئومرفولوژی وخاک)، هیدرولوژی (رواناب، رسوبدهی، نفوذ و وضعیت آبخوان) و  جنبه های  اجتماعی –اقتصادی (نیازهای آبی، کشاورزی، خسارات سیل و...) میباشند. چهار معیار اصلی که در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفت شامل خصوصیات سیلاب، وضعیت نفوذ پذیری، کاربرد آب در منطقه و خسارات سیلاب می باشند. به  منظور تعیین اهمیت عوامل موثر در امر مکان یابی از فرایند تحلیل سلسله مراتبی[4] و سیستم اطلاعات مکانی جهت انجام تحلیل های مربوطه استفاده شد.

بحث و نتیجه گیری: شاخص  حجم  سیلاب از معیاراصلی خصوصیات سیلاب و شاخص اصلی نفوذ و یا هدایت هیدرولیکی از معیار اصلی نفوذ پذیری به عنوان مهم ترین عوامل در مکان یابی پخش سیلاب در حوزه مطالعاتی ماشکید سیستان و بلوچستان شناخته شدند. در نهایت نتایج در غالب نقشه های وزن دهی شده در چندین سناریو برای تعیین بهترین مکان بررسی شدند و میانگین و مجموع مطلوبیت زیر حوزه ها بررسی و تعیین گردید.

واژه های کلیدی: پخش سیلاب، سامانه پشتیبان تصمیم گیری، فرایند تحلیل ساسله مراتبی، سیستم اطلاعات مکانی، حوزه آبخیز ماشکید سیستان وبلوچستان

Floodwater Spreading Site Selection Using Decision Support System & GIS  in Mashkid Area in Sistan & Baluchistan Province

Mirmasoud Kheyrkhah Zarkesh[5]

Mohammadreza Zarcheshm[6] (Corresponding Author)

zarcheshm@gmail.com

Abstract:

Introduction: Iran is located in one of the driest land regions of the world, where water is a limiting factor for lasting life, therefore using seasonal floodwaters is very important in arid and semi arid regions. On the other hand special attention has been paid to artificial groundwater recharge in these regions. Floodwater spreading on the permeable terrain is one of the flooding control way and utilization methods. Determination of appropriate site for water spreading is one of the most important stages of this project.

Material and Methods: Parameters considered in the selection of groundwater artificial recharge locations are diverse and complex. These factors consist of earth sciences (geology, geomorphology and soils), hydrology (runoff, sediment yield, infiltration and groundwater conditions) and socio-economic aspects (irrigated agriculture, flood damage mitigation, environment, job creation and so on). Hence, decision making depends on criteria of diverse nature. The goal of this study is defining a Decision Support System for floodwater site selection in Mashkid area. Four main criteria were selected in this research are floodwater characters, infiltration, water application and flood damage. In order to determining the importance of factors, Analytical hierarchy Process and GIS was used.

Conclusion: It will be expected that soil texture and floodwater volume of water application and floodwater main criteria are two important factors among other criteria (Hypothesis). After providing output maps which had been defined in several scenarios to determine the best locations for floodwater spreading and finally investigates sums suitability and averages suitability of each sub basin.

Key words: floodwater spreading, Decision Support System, Analytical Hierarchy, Geographic Information System(GIS)

مقدمه

یافتن مکان یا مکان­های مناسب برای ایجاد یک فعالیت در حوزه جغرافیایی معین، جزء مراحل مهم پروژه­های اجرایی به­ویژه در سطح کلان و ملی به­شمار می­رود. تصمیم­گیری در انتخاب مکان های مناسب عملیات احداث سازه های پخش سیلاب با در نظر گرفتن عواملی زیادی در این انتخاب باید در نظر گرفته شوند. داده­های مورد نیاز برای تصمیم­گیری از نظر کیفیت و میزان دقت متفاوت می­باشند و همچنین میزان اهمیت و وزن هر کدام از آن ها با یکدیگر متفاوت می باشد. اصول روش های تصمیم­گیری در این است که اطلاعات موجود از سیستم (یا منطقه مورد بررسی) را به شکل مجموعه عوامل تاثیرگذار در میزان کارایی سیستم تبدیل می­کند و با مشخص کردن نقش هر کدام از این عوامل کارایی سیستم را ارتقاء می­بخشد. در فرایند تصمیم­گیری اولین قدم شناسایی کامل سیستم یا محیط مورد بررسی به منظور شناخت مشکل یا مشکلات موجــود در آن سیستم و همچنین پی­بـردن به فرصت های احتمالی جهت عملکرد بهتر سیستم می­باشد(1).

سامانه های پشتیبان تصمیم گیری، مدل هایی هستند که ورودی آن ها انواع مختلفی از اطلاعات و خروجی آن هـا راه حل های متعدد برای حل مسأله موجود می باشد. بنابراین DSS سیستمی تعاملی^[7] می باشد چرا که به فرد تصمیم گیرنده این امکان را می دهد که به طور پیوسته راهکارهای متعدد را ایجاد کرده و آن ها را با هم مقایسه نماید. (2). تحلیل های تصمیم گیری چند معیاره مکانی عبارت از تلفیق داده های مکانی و غیرمکانی درفرآیند تصمیم گیری می باشد. طی آن داده های مکانی و اولویت های فکری تصمیم گیرندگان  تجزیه و تحلیل می گردند(3).

در مناطق خشک و نیمه خشک که ریزش های جوی ضمن ناچیز بودن، دارای پراکنش نامناسب نیز می باشد حجم قابل توجهی از رواناب تولیدی به صورت تند آب ها و جریان های سیلابی از دسترس خارج می گردد. در چنین شرایطی، بهره برداری از سیلاب ها کلید حل مسائل آبی منطقه در نظر گرفته می شود. در حال حاضر کل مصارف آب فعلی کشور در حدود 84 میلیارد مترمکعب می باشد که میزان 5/51 میلیارد مترمکعب آن از طریق آب های زیرزمینی تأمین می‌شود. بنابراین تغذیه مصنوعی آب زیرزمینی از طریق عملیات پخش سیلاب در این گونه مناطق از اهمیت زیادی برخوردار می باشد (4) .

تحلیل­های تصمیم­گیری چند معیاره مکانی، داده­های مکانی و غیر­مکانی را تلفیق و وارد فرآیند تصمیم­گیری می­نمایند. در این فرآیند رابطه­ای بین نقشه­های ورودی و خروجی تعریف می­شود و طی آن داده­های مکانی و اولویت­های فکری تصمیم­گیرندگان به­کار گرفته می­شوند و بر اساس قوانین تصمیم­گیری تجزیه و تحلیل می­گردند (1). از آن جایی­که مکان­یابی دارای ماهیت مکانی است، سامانه­های اطلاعات مکانی به­ عنوان ابزار توانمند مدیریت و تحلیل داده­های مکانی، محیط مناسبی برای نیل به اهداف فوق محسوب می­شوند. از طرفی امروزه روش­های تصمیم­گیری متنوعی وجود دارند که در تشخیص صحیح و فراگیر کمک فراوانی به طراحان و تصمیم­گیرندگان می­نماید. اگر این روش­ها در تحلیل­های مکانی GIS به­کار گرفته شوند، می­توان به­طور جامع­تر و فراگیرتر از دانش افراد خبره در تحلیل­ها استفاده نمود. استفاده از مدل­های تصمیم­گیری و دانش کارشناسی به افزایش توانایی GIS در کمک به اتخاذ تصمیمات مکانی خواهد انجامید (5). در زمینه پیشینه تحقیق خیرخواه­زرکش (1384) یک سیستم پشتیبانی تصمیم­گیری بر اساس تکنیک های RS ، GIS و مدل های ارزیابی چند معیاره مکانی به منظور  تعیین مناطق مناسب احداث سیستم های پخش سیلاب درکشور ایران را ارایه نمود. همچنین دادرسی (1387) به مقایسه مدل منطق فازی با سایر مدل های مفهومی سازگار باGISدر مکان یابی مناطق مستعد گسترش سیلاب با کاربرد اطلاعات ماهواره ای  ETM+پرداخت.(4)

لازم به ذکر می باشد که با توجه به منابع موجود در منطقه مورد مطالعه و مناطق مشابه در ایران و به دلیل مسائل متعدد موجود در زمینه خشکسالی و سیلاب های متناوب در حوضه ضرورت طراحی یک مدل نیمه ساختار یافته[8] جهت مطالعه وبررسی یک راهکار مناسب جهت جلوگیری از هدر رفت منابع آبی بصورت سیلاب و کاهش اثرات خسارت های به عمل آمده، در منطقه مورد توجه واقع شده است واین تحقیق با بکار گیری عوامل متعدد موجود در منطقه و تلفیق این عوامل در غالب یک سیستم اطلا عات مکانی و با دخالت دادن نظرات متعدد متخصصین مختلف علوم زمینی در مرحله وزن دهی به عوامل و شاخص های مو جود در منطقه و اعمال نظرات کارشناسی در لایه های جغرافیایی امکان استفاده از طیف گسترده ای از اطلاعات به صورت همزمان را  فراهم آورده است.  

ضرورت تحقیق

 زهکش حوضه آبخیز ماشکید به لحاظ موقعیت توپوگرافی منطقه به گونه‌ای است که در جهت غرب به شرق شکل گرفته و ضمن جمع آوری رواناب‌های فصلی محدوده شهرستان  زابلی، به کشور پاکستان تخلیه  می‌شود. در حوزه  مورد مطالعه  ماشکید منطقه سیستان و بلوچستان حجم قابل توجهی از رواناب تولیدی به صورت تند آب ها و جریان های سیلابی از دسترس خارج می‌گردد. در این گونه مناطق آب از یک طرف مهم ترین عامل محدود کننده توسعه پایدار بوده، و از سویی سیلاب های فصلی عامل مهم تخریب و ایجاد خسارت می‌باشند. وجود مخروط افکنه‌ها و دشت های آبرفتی درشت دانه، که حاصل عملکرد سیلاب ها در اعصار گذشته می‌باشد،‌ موجب گردیده تا بیشتر آن ها به ظاهر به صورت عرصه‌های غیرتولیدی نمود پیدا کنند. در صورتی که انباشت رسوبات دانه درشت با  ضخامت های قابل توجه،  مخازن زیرزمینی مناسبی را پدید آورده‌اند که می‌توانند حجم زیادی از آب را در خود جای داده و مورد استفاده قرار گیرد. با در نظر گرفتن شرایط  اقلیمی  نامطلوب  حوزه آبخیز  ماشکید  استان سیستان  و بلوچستان  تغذیه مصنوعی آبخوان در این منطقه بسیار مهم می­باشد.  در چنین شرایطی بهره‌برداری از سیلاب ها کلید حل مسائل کم آبی محسوب می گردد. این تحقیق با در نظر گرفتن این شرایط درصدد است تا با شناسایی مناطق مناسب جهت طرح­های پخش­سیلاب بتواند از هدررفت این مایه حیاتی در این منطقه و خسارات وارده اقتصادی وزیست محیطی توسط سیلاب­ها جلوگیری به­عمل آورد.

هدف تحقیق

این مطالعه با هدف تهیه، استفاده و ارزیابی یک سیستم پشتیبان  تصمیم گیری بر مبنای تکنیک های سنجش از دور و سیستم های اطلاعات جغرافیایی  به منظور شناسایی و اولویت بندی مناطق مناسب عملیات پخش سیلاب در منطقه ماشکید استان سیستان و بلوچستان صورت گرفت.

پخش سیلاب

مهار سیلاب و پخش آن به وسیله عملیات مکانیکی. در اکثر مناطق آب های سطحی با سرعت زیادی از مسیل های کوهستانی به سمت دشت سرازیر شده و به علت تمرکز آب در آبراهه ها و رودخانه ها فرصت کمی برای نفوذ پیدا می کنند. برای حل این مشکل با ایجاد یک بند انحرافی بر روی آبراهه، آب را به طرف کانال هایی که بر روی خطوط تراز دامنه ها کشیده شده هدایت می کنند که می تواند در خاک نفوذ کرده و سفره های آب زیرزمینی را تغذیه کند (1) .

مواد وروش ها

فرآیند تحلیل سلسله مراتبی

فرآیند تحلیل سلسله مراتبی اولین بار توسط توماس ال ساعتی^[9] ریاضی­دان مشهور آمریکایی در سال 1970 مطرح شد که درصدد برآمد تا راهکاری جهت تصمیم­گیری در مورد مسائل پیچیده که عوامل متعددی در آن دخیل بودند، ارایه دهد و نتیجه تحقیقات وی به نام  روش AHP شهرت یافت.

روش AHP دارای یک اساس و تئوری ساده می باشد و بر مبنای سه اصل استوار است:

1- تجزیه

2- مقایسه دودویی یا جفتی

3- ترکیب کردن متوالی ارزشها و اولویت بندی گزینه ها(7,8)

در روشAHP فرد تصمیم­گیرنده باید برای هر جفت از معیارهای دخیل در تصمیم­گیری یک مقایسه انجام دهد که این قیاس در مرحله اول به شکل توصیفی و در مرحله بعد به شکل کمّیتی در یک مقیاس از 1 تا 9 مطابق با جـدول (1) انجام می­شود و در نهایت از این قیاس جفتی یک ماتریس به­دست می­آید. به­واسطه مقایسه زوجی در روش AHP از طریق قضاوت­هایی که به­صورت شفاهی، عددی یا حتی گرافیکی انجام می­گیرد، وزن­ها یا اولویت­ها برای معیارهای دخیل در تصمیم­گیری استخراج می­گردد که به شکل اعداد نسبی می­باشند (9,10).

روش تحلیل سلسله مراتبی مکانی[10]

در این روش معیارهای دخیل در تصمیم­گیری با موقعیت جغرافیایی­شان در نظر گرفته می­شوند و شامل 5 مرحله می­باشد(9):

1. مشخص کردن معیارهای اصلی دخیل در تصمیم­گیری جهت رسیدن به هدف
2. مرتب کردن این معیارها در یک ساختار سلسله مراتبی
   1. تعیین اهمیت و وزن معیارها نسبت به یکدیگر
   2. تلفیق معیارها با در نظر گرفتن وزن آنها
   3. اولویت­بندی گزینه­ها برحسب شاخص تناسب^[11] بدست آمده از مرحله چهارم

محاسبه بردارهای اولویت گزینه­ها

اگرچه از طریق مکان­یابی می­توان گزینه­های مناسب را در میان چندین مکان موجود بررسی و انتخاب نمود، ولی هدف اصلی مکان­یابی یافتن بهترین مکان یا مجموعه مکان­های مناسب در کل محدوده مطالعاتی است، بنابراین معمولاً در بدو امر مکانی به­عنوان گزینه تصمیم­گیری وجود ندارد. به این علت باید به­گونه­ای این گزینه­ها را تولید نمود. یک راه، تعریف کلاس­های مناسبت برای هر نقشه معیار به­عنوان گزینه­های آن معیار است، برای نمونه هر معیار را می­توان به طبقات مناسب (S1)، نسبتاً مناسب (S2) و نامناسب (N1) طبقه­بندی نمود.

پس از طراحی گزینه­ها، می­توان مرحله اول AHP یعنی تشکیل ماتریس­های مقایسه زوجی را اجرا نمود. ماتریس مقایسه زوجی برای گزینه­های مسأله که در این­جا کلاس­های مناسبت هستند، به ازای هر معیار تشکیل می­گردد. درایه­های این ماتریس­ها با استفاده از دانش متخصصان تعیین می­شود و به­عبارتی، ماتریس زوجی یکی از ابزارهایی است که دانش متخصصان را وارد تصمیم­گیری می­کند. درایه­های هر سطر این ماتریس دارای اهمیت نسبی مولفه مربوط به آن سطر در مقایسه با هر یک از ستون­ها با توجه به معیار سطح بالاتر است. هدف از تولید این ماتریس حذف اثر تفاوت ماهیت معیارهاست، بدین صورت که مقادیر عددی با دامنه مشخص جایگزین مقدار متغیرهای تصمیم­گیری به ازای معیارها می­شود. دامنه اهمیت­های نسبی درایه­ها بین اعداد 1 تا 9 است، به­طوری­که هر یک از این اعداد بیان­گر میزان اهمیت معینی هستند (9). برای نمونه در مسأله انتخاب مکان مناسب طرح پخش سیلاب این ماتریس برای کلاس­های مذکور بر اساس معیار حجم سیلاب، به­صورت شکل (1) است:

شکل1 - کلاس­ها بر اساس معیار حجم سیلاب

همان­گونه که در شکل (1-4)دیده می­شود، ماتریس مقایسه وارد فرآیندی می­گردد که حاصل آن بردار اولویت عناصر آن است. این فرآیند استاندارد سازی^[12] یا بهنجار­سازی ماتریس نام دارد و طی آن اهمیت نسبی کلاس­های معیارها تولید می­شود. استاندارد­سازی با روش­های گوناگونی اجرا می­شود، ولی معروف­ترین آن­ها روش بردار ویژه است. روش بردار ویژه از تجزیه ماتریس مربع و معکوس­پذیر D به بردار ویژه به ازای بیش ترین مقدار ویژه آن (λ) استفاده می­کند (روابط 1و 2).

(11)

یعنی:        رابطه 1       

و یا رابطه 2                                                i=1,2,…,n

یک طریق محاسبه تقریبی برای بردار ویژه W، استفاده از توان افزایشی (k) برای ماتریس D و سپس نرمالیزه کردن نتایج حاصل به­صورت رابطه (3) است (11):

پس از آن­که بردارهای اولویت گزینه­ها به ازای کلیه معیارها تولید شد، محاسبات برای اولویت­بندی و تعیین اوزان خود معیارها تا رسیدن به بالاترین سطح سلسله مراتبی تکرار می­شود. شکل(2) ماتریس مربوط به زیرمعیار خصوصیات سیلاب در مثال موجود را نشان می­دهد.

شکل 2- ماتریس مربوط به زیرمعیار خصوصیات سیلاب

به­ترتیب فوق، اوزان و اولویت­های کلیه پارامترها و گزینه­های مسأله با استفاده از روش AHP و طی روالی که بیان شد، محاسبه می­شود. ارزیابی و کنترل سازگاری هر تصمیم، یعنی قابل قبول یا مردود بودن آن نیز با استفاده از AHP قابل تعیین است. این مرحله باید قبل از ورود اوزان به GIS انجام شود تا در صورت وجود ناسازگاری در سیستم، در قضاوت­ها تجدید نظر شود (11).

جدول1- تعیین ارزش معیارها نسبت به یکدیگر توسط نظرات کارشناسی

الگوریتم محاسبه نرخ ناسازگاری[13]

      با توجه به این­که ماتریس مقایسه زوجی معلوم است و بردار اولویت محاسبه شده است، مجهول این رابطه، بردار بیش ترین مقادیر ویژه است که در این مرحله محاسبه می­شود. maxλ نهایی با میانگین­گیری از مقادیر بردار فوق محاسبه می­شود. از طرفی maxλ همواره بزرگ­تر یا مساوی n است و اگر ماتریس از حالت سازگاری کمی فاصله بگیرد maxλ از n کمی فاصله خواهد گرفت. بنابراین تفاضل maxλ و n (یعنی n- maxλ) می­تواند معیار خوبی برای اندازه­گیری ناسازگاری ماتریس باشد. بی­تردید مقیاس (n- maxλ) به مقدار n (طول ماتریس) بستگی داشته و برای رفع این وابستگی می­توان مقیاس را به­صورت زیر تعریف نمود که آن را شاخص ناسازگاری (^[14]I.I) می­نامیم.

برای هر ماتریس حاصل تقسیم شاخص ناسازگاری (I.I) بر شاخص ناسازگاری ماتریس تصادفی (I.I.R)، نرخ ناسازگاری (I.R) را خواهد داد که معیار مناسبی برای قضاوت در مورد ناسازگاری ماتریس­ها می­باشد (رابطه 5). چنانچه این عدد کوچک­تر یا مساوی 1/0 باشد سازگاری سیستم قابل قبول است در غیر این­صورت باید در قضاوت­ها تجدید نظر نمود (12).

اوزان محاسباتی روی ورودی­ها، یعنی نقشه­های طبقه­بندی شده اعمال می­شود. از این مرحله، مسأله بار دیگر وارد محیط GIS شده و کلاس­ها با اعمال مقادیر وزن به هر یک، با هم تلفیق می­شوند. آن­چه که در نهایت به­دست می­آید نقشه­ای است که واحد­های مکانی آن دارای اوزان متفاوت هستند و طبیعتاً وزن بالاتر در هر مکان به معنی مناسبت بیشتر در آن مکان است(13).

منطقه مورد مطالعه

      حوزه  آبخیز  ماشکید  با مساحت 49000  هکتار  در قسمت  غرب شهرستان  ایرانشهر و شرق شهرستان سوران در مختصات جغرافیایی ( E َ13 و ْ61  تا E َ 33 و ْ61) طول جغرافیایی و (N َ15 و ْ27 تا N َ 32 و ْ27) عرض شمالی در استان سیستان و بلوچستان واقع شده است. حداقل و حداکثر رقوم ارتفاعی حوزه 1300 و 2350 متر و  بارش سالانه در بیش ترین درصد از مساحت حوضه ماشکید دارای بارشی بین 165 تا 182 میلی متر در سال می باشد. حوزه آبخیز ماشکید با توجه به شکل شبکه هیدرو گرافی آن به پنج زیر حوزه که بترتیب از قسمت شمال حوزه به عنوان زیر حوزه های یک(شمالی ترین) الی زیر حوزه پنجم که در جنوبی ترین قسمت حوزه قرار گرفته است، تقسیم گردید.

شکل3- موقعیت ومساحت زیر حوزه های حوزه آبخیز ماشکید در استان سیستان و بلوچستان

در این مطالعه منطقه مناسب برای پخش سیلاب بر اساس چهار معیار اصلی انتخاب می­شود که در شکل (2) آمده است. هر معیار اصلی خود بطور جداگانه از زیر معیار ها و شاخص ها و همچنین زیر شاخص هایی تشکیل می گردند که هر کدام از اجزا تشکیل دهنده سیستم ساسله مراتبی نسبت به میزان نقش و اهمیت آن بر روی انتخاب منطقه مناسب، وزنی با توجه به جدول (1) به آن ا