بررسی پتانسیل تولید رواناب‌های شهری با استفاده ازپهنه‌بندی به روشSCS-CN (مطالعه موردی: منطقه 2 شهرداری تهران)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره 5 ، تابستان1396

بررسی پتانسیل تولید رواناب‌های شهری با استفاده ازپهنه‌بندی به روشSCS-CN (مطالعه موردی: منطقه 2 شهرداری تهران) 

فاطمه عادلی ساردو ^[1]*

Fatemeh.adeli67@ut.ac.ir

شهرزاد فریادی[2]

اسماعیل صالحی[3]

منیژه قهرودی تالی[4]

چکیده

زمینه و هدف: توسعه شهری موجب کاهش نفوذپذیری وافزایش رواناب‌های سطحی می‌شود. باتوجه به این که کاربری عمده­ی منطقه 2 تهران به ترتیب شامل کاربری مسکونی، بزرگراه­ و فضای سبز می­باشد، پهنه بندی بارش و رواناب برای دوره بازگشت های مختلف به منظور شناخت نقاط دارای پتانسیل بالا در تولید رواناب های سطحی در نیل به اهداف مدیریتی غیرقابل انکار است .                                                                                                                                                           

روش بررسی: روش به کارگرفته ‌شده دراین تحقیق استفاده ازروش SCS-CN در نرم‌افزار  GISمی باشد که بر اساس داده‌های بارشی حداکثر 24ساعته و برپایه یک دوره‌ی آماری 14ساله ایستگاه‌های باران‌سنجی اطراف منطقه 2 تهران صورت گرفته است.

یافته‌ها: تعیین دوره‌ی آماری مشترک بین ایستگاه‌های مورداستفاده، آزمون همگنی، کفایت، بازسازی داده‌های ناقص جهت محاسبه‌ی دوره بازگشت‌های100،50، 25و 5 ساله برای پهنه‌بندی بارش حداکثر 24 ساعته ودرنهایت ساخت لایه‌ی شماره منحنی بر اساس نوع کاربری اراضی وضریب مؤثرآن، مقدار نفوذو نگه­ داشت سطحی با استفاده از روابط موجود در مدل درراستای پهنه‌بندی رواناب با دوره بازگشت‌های مختلف از یافته‌های این تحقیق می‌باشد.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج نشان می‌دهد بیشترین پتانسیل تولید رواناب مربوط به کاربری‌های مسکونی و بزرگراه در قسمت‌های شرقی منطقه و کمترین پتانسیل آن مربوط به قسمت‌های پرشیب مرکز و شمال باکاربری فضای سبز می‌باشد.                                                                                              

واژه­های کلیدی: رواناب‌ شهری، پهنه‌بندی، منطقه 2 شهرداری تهران، مدلSCS-CN.

Investigating the potential of urban runoff by zoning using SCS-CN Method (Case study: Region 2 of Tehran Municipality)

Fatemeh Adeli Sardoo [5]*

Fatemeh.adeli67@ut.ac.ir

Shahrzad Faryadi ^[6]

Esmaeel Salehi [7]

Manizhe Ghahroodi Tali [8]

Abstract

Background and Objective: Urban development reduces the permeability and increases surface runoff. The Increased runoff has encountered urban areas with many threats on the one hand and provided an opportunity on the other hand and both necessitate the management of runoff in urban areas. Zoning of rainfall and runoff are undeniable because of the major land uses in Region 2 of Tehran city which includs residential land uses, highways, and green space respectively for various return periods in order to identify those areas with high potential for surface runoff to achieve management goals.

Method: The method employed in this study is SCS-CN in GIS software based on Maximum 24-hour rainfall data for a time period of 14 years collected from Rain-gauge stations around Region 2 of Tehran.

Findings: The findings are determination of a common statistical period between stations used, homogeneity test, adequacy, reconstruction of incomplete data to calculate the return periods of 100, 50, 25 and 5 years to conduct zoning for the maximum 24-hour rainfall, and also construction of curve number layer based on the type of land use, effective coefficient, penetration and retention of surface using relations in the model to conduct runoff zoning in various return periods.

Conclusion: The results show that the highest potential for generation of runoff is related to residential and highway land uses in eastern part, and the lowest potential is related to slopped parts in the central and north districts with green space land use that should be put under management priority. This indicates the importance of land-use in creating the potential of runoff, so that this importance makes the prominent factor of slope totally ineffective.

Keywords: Urban runoff, Zonning, Region 2of Tehran Municipality, SCS-CN Method.

مقدمه

توسعه (ساخت‌وساز) عموما ًمنجر به افزایش مقدار سطوح غیرقابل نفوذ نظیر سقف­ها، خیابان‌ها ،محوطه­های پارکینگ و پیاده­روها می­شود.تغییرات سطوح غیرقابل نفوذ، نتایج متعددی دارند که در درجه اول باعث از دست رفتن  ظرفیت سیلاب­گیری در سایت‌های توسعه‌یافته می­شوند. در درجات بعدی کاهش پوشش گیاهی، مواد آلی و تغییر در خصوصیات سطحی نظیر زبری و نفوذپذیری است که درنهایت منجر به تبدیل سریع بارندگی به جریان سیلابی می­گردد(1). حوزه‌های آبخیز شهری شامل شبکه‌ای پیچیده از سطوح نفوذپذیر و نفوذناپذیر، لوله‌های زه­کشی، ناودان‌ها و مخازن ذخیره هستند که از زهکش‌های روباز تا شبکه‌های زه کشی پیچیده را شامل می‌گردد(2). بدیهی است که هرگونه اقدام مدیریتی در زمینه‌ی رواناب‌های شهری مستلزم برآورد دقیق میزان رواناب به ‌صورت مکانی و زمانی می‌باشد که در این تحقیق از روش شماره منحنیSCS-CN استفاده گردیده است.

ملیس و همکارانش(2003) با استفاده از روش شماره منحنی و سیستم اطلاعات جغرافیایی به برآورد میزان تغییرات در پاسخ به حجم متفاوت رواناب در سه حوزه متفاوت در فلوریدا پرداختند. درنهایت حجم رواناب محاسبه و پیش‌بینی هیدروگراف‌های رواناب ناشی از تغییر در پوشش زمین تهیه شد(3). چیبر(2004) با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای و سیستم اطلاعات جغرافیایی به مدل‌سازی بارش- رواناب در رودخانه‌ای در هند پرداختند و از مدل SCS برای پیش‌بینی دبی از بارش روزانه استفاده نمودند. با استفاده از کاربری زمین و گروه‌های خاک به تخمین شماره منحنی پرداختند و درنهایت این شماره منحنی به‌عنوان ورودی مدل SCS برای تخمین رواناب مورد استفاده قرار گرفت(4). اکسیائو و همکارانش(2011)با استفاده از روش حفاظت خاک به برآورد رواناب در حوزه‌ی آبخیز کوچکی در چین پرداختند و میزان رواناب را با این روش محاسبه نمودند(5).دنیل و همکارانش(2012)در تحقیقی با استفاده از مدل‌های شبیه‌سازی هیدرولوژیکی برای تولید هیدرو گراف‌های بارشی و نحوه‌ی پاسخ حوزه آبریز به این بارش‌ها پرداخته اند(6).مریانجی و معروفی(1384) در مقاله‌ی خود با استفاده از این روش و اطلاعات 24 ساعته بارندگی در حوضه آبریز قره چای ابتدا میزان رواناب ناشی از بارش را با استفاده از روش SCS محاسبه و سپس به پهنه‌بندی آن پرداختند(7).محمدی و همکاران(1385) در مقاله‌ی خود به ارزیابی روش شمار منحنی برای برآورد رواناب با استفاده از GIS برای حوزه‌های فاقد ایستگاه پرداختند. (8). نشاط و صدقی(1385) با استفاده از روش سازمان حفاظت خاک و مدل HEC-HMS جهت بررسی شرایط جذب و دفع آب در خاک و چگونگی شکل‌گیری هیدرو گراف سیلاب برای سازه‌های هیدرولیکی در حوضه باغ‌ ملک خوزستان استفاده کرده‌اند.(9). قابل‌ذکر است با توجه به این‌که اکثر پژوهش‌های صورت گرفته با استفاده از این روش در محیط‌های طبیعی و با استفاده از گروه‌های هیدرولوژیکی خاک صورت گرفته است، این تحقیق در منطقه‌ی شهری و بر اساس ضرایب متفاوت کاربری‌ها در جذب رواناب‌های سطحی صورت گرفته است.

 مواد و روش‌ها معرفی محدوده مورد مطالعه

   این منطقه با مساحت  تقریبی 64 کیلومتر مربع وجمعیت تقریبی 650 هزار نفر مشتمل بر 9 ناحیه شهری بوده و به 14محله ممیزی و 31 محله شورایاری تقسیم شده است. (نقشه1). حدود ده درصد از کل مساحت شهر تهران را با درصد قابل‌توجهی از کاربری مسکونی، راه و بزرگراه به خود اختصاص داده است(شکل1).

روش شناسی

اگرچه مدل‌های هیدرولوژیکی فراوانی برای برآورد رواناب مستقیم ناشی از بارش باران وجود دارد، اما بسیاری از این مدل‌ها مانند مدل‌های فیزیکی به دلیل نیاز به داده‌های فراوان و کالیبراسیون پیچیده با محدودیت‌هایی مواجه شده‌اند (12)و در موارد بسیاری به روابط آماری بین رواناب و بارندگی استوارند(13).

نقشه1-  موقعیت جغرافیایی، کاربری اراضی و شیب منطقه 2شهرداری تهران

Map 1 - Geographical location, land use and slope of 2 Region of Tehran Municipality

بنابراین مدل‌های مورداستفاده برای تصمیم‌های مدیریتی باید ساده و بی‌تکلف، داده موردنیاز اندک و با مفروضات بدون ابهام همراه باشد. روش شماره منحنی مربوط به سازمان حفاظت خاک آمریکا (SCS-CN) توسط USDA-سازمان حفاظت خاک توسعه‌یافته است و به‌طورگسترده‌ای برای برآورد رواناب مستقیم برای یک رویداد بارندگی با داده ورودی اندک با دوره‌ی وقوع چند ده‌ساله مورداستفاده قرار می‌گیرد(6). با توجه به نامناسب بودن ریزش‌های جوی در کشور ازنظر زمانی و مکانی،با  استفاده از این مدل می‌توان حوضه را ازلحاظ پتانسیل تولید رواناب پهنه‌بندی کند که این موضوع منجر به شناخت بهتر حوضه و مدیریت و بهره‌برداری از منابع آب آن خواهد شد. اخیراً استفاده از این روش علاوه بر تعیین رواناب کاربردهای دیگری مانند عملکردهای رسوبی، مدل‌سازی رطوبت خاک و تأثیر بر روی CN(شماره منحنی) داشته است(14).

یافته‌های تحقیق

تعیین دوره‌ی آماری مشترک بین ایستگاه‌های هواشناسی منطقه موردمطالعه

برای انجام این تحقیق و بررسی دقیق میزان تغییرات بارندگی، از آمار و اطلاعات ده ایستگاه هواشناسی( سینوپتیک) در اطراف محدوده موردمطالعه استفاده‌شده است(جدول1) با تبدیل دوره‌ی زمانی ایستگاه‌ها به یک دوره‌ی آماری مشترک و در مواردی تخمین داده‌های غیرموجود به یک دوره‌ی آماری مشترک 14 ساله( 92-78) رسیدیم.

جدول1- مشخصات ایستگاه‌های هواشناسی محدوده موردمطالعه

Table 1 –Specifications of weather stations in study area

نقشه2- موقعیت جغرافیایی ایستگاه های هواشناسی در اطراف منطقه مورد مطالعه

Map2- the geographical location ofweather stationsaroundthe region

قبل از پردازش داده‌ها، آزمون‌های متفاوتی بر روی‌داده‌ها صورت گرفت که به شرح زیر می‌باشد:

آزمون همگنی داده‌های بارشی

همگنی به معنای این است که داده‌های مربوط به یک جامعه آماری تصادفی مشخص باشند. (15). روش ران تست روشی ساده و غیرنموداری است که برای تعیین همگنی داده‌ها مفید می‌باشد. در این تحقیق از روش ران تست برای این منظور استفاده‌ شده است. با توجه به نتایج به ‌دست ‌آمده حاصل از این روش، تصادفی بودن داده‌ها برای تمامی ایستگاه‌ها مورد تأیید قرار گرفت(جدول2).

جدول2-  نتایج آزمون همگنی داده‌ها

Table 2- Results of homogeneity test data

آزمون کفایت داده‌های آماری

آزمون کفایت داده‌های موجود بر اساس طول دوره آماری مشترک که 14 سال می‌باشد بر اساس روش معکوس برای حداقل دوره آماری  (باتوجه به سطح آماری موردنظر و همگنی داده‌ها) مورد بررسی قرار گرفت(16). برای انجام این کار، ابتدا

مقدار بارندگی به ازای دوره بازگشت 2 ساله و 100 ساله برای هر ایستگاه مورد محاسبه قرار گرفت و سپس با قرارگیری در رابطه‌ی(1) و کاربرد جدولt-test(در سطح اطمینان 90درصد و درجه آزادی 6) حداقل دوره آماری محاسبه شد که بین 8 تا 12 سال در نوسان بود(15). بنابراین حداقل آمار مورد نیاز نباید از 12 سال کمتر باشد که با توجه­ به طول دوره‌ی مشترک که 15می‌باشد، کفایت داده‌ها مورد تأیید قرار گرفت.

رابطه(1)

Y = [(4.30T)log16 +R] ²

پس از انجام آزمون‌های لازم برای اطمینان از داده‌های موجود، به بازسازی و تکمیل داده‌های ناقص پرداخته شد. برای این کار از روش تفاضل‌ها و نسبت‌ها استفاده گردید. روش نسبت‌ها بیشتر برای داده‌های بارندگی و رواناب به‌کار برده می‌شود(15).

 تحلیل بارش‌های حداکثر 24 ساعته در سال

 برای این منظور پس از بازسازی و تخمین داده‌های ناقص و غیرموجود، براساس اطلاعات بارشی اخذ شده از سازمان هواشناسی کل کشور برای هر یک از ایستگاه‌ها بیشترین مقدار بارندگی‌های 24 ساعته سالانه در طول دوره آماری مشترک استخراج گردید(جدول3).

جدول 3-  حداکثر بارش روزانه و سال وقوع در ایستگاه‌های موردمطالعه(17)

Table 3 - The Maximum daily precipitation and the occurrence of the studied stations

با توجه به بارندگی‌های ثبت‌شده توسط ایستگاه‌های موردنظر، حداکثر بارش محتمل 24 ساعته برای حوضه در دوره بازگشت‌های 100، 50 ، 25، و 5 ساله تهیه شد. برای این منظور از توزیع حدنهایی(گامبل تیپ 1) استفاده‌گردیده است (جدول4).

حداکثر بارش 24ساعته یکی از متغیرهای مهم و تأثیرگذار در تولید رواناب در هر حوضه می‌باشد و اختلاف در میزان بارش 24 ساعته حوضه‌ها باعث می‌گردد حوضه‌ها ازنظر پتانسیل سیل‌خیزی و تولید رواناب تفاوت زیادی داشته باشند(11). باتوجه به این نکته که حداقل خطا برای داده‌های بارش باتوان دوم صورت می‌گیرد(18)، درنتیجه بعد از تهیه بارش حداکثر برای دوره بازگشت‌های مختلف، در محیط نرم‌افزار  Arc Gis10با استفاده از روش^[9] IDW مورد استفاده قرار گرفت و نقشه‌های هم باران با دوره بازگشت‌های100، 50، 25و 5 ساله برای منطقه موردمطالعه تهیه شد نقشه(3).

جدول4- حداکثر بارش 24ساعته با دوره بازگشت‌های مختلف

Table 4- maximum 24-hour rainfall with different return periods

نقشه3- پهنه‌بندی بارش‌های حداکثر برای دوره بازگشت‌های 100، 50، 25و 5 سال

Map 3- Zoning maximum rainfall for return periods of 100, 50, 25 and 5 years

تهیه‌ی لایه‌ی شماره منحنی(CN) و ضریب نگه داشت سطحی منطقه(S)

باتوجه به این که محدوده مورد مطالعه منطقه شهری می‌باشد و برخلاف مناطق طبیعی فاقد گروه‌های هیدرولوژیکی خاک است، درنتیجه لایه‌یCN بر اساس نوع کاربری، که بیشترین درصد کاربری منطقه مسکونی می‌باشد(نقشه 1)و با درنظرگرفتن ضرایبی چون 95، 90، 85، 80، 68 و 60 به ترتیب برای کاربری مسکونی، تجاری، خدمات شهری و حمل‌ونقل، صنعتی، پوشش گیاهی و باغات تهیه ‌شده است(19).باتوجه به دخالت مستقیم نوع کاربری در تهیه‌ی این لایه، لایه‌ی CN نقش اساسی در پتانسیل تولید رواناب در منطقه برعهده خواهد داشت.  

نقشه 4-  نقشه‌یCN محدوده موردمطالعه                                  نقشه 5-  میزان حداکثر نفوذ

    Map 4 - CN Map of the study area            Map 5 - The maximum penetration of the study area

بعد از تهیه‌ی لایه CN با توجه به فرمول شماره (2) نقشه مقدار نفوذ حداکثر بارش(S) در محدوده موردمطالعه تهیه شد. در این رابطه S نشان‌دهنده‌ی میزان حداکثر نفوذ به میلی‌متر و CN شماره منحنی می‌باشد.

رابطه (2)

به‌منظور محاسبه و پهنه‌بندی مقدار رواناب تولیدی در هریک از بخش‌های منطقه موردمطالعه از رابطه (3) استفاده ‌شده است.­­در این رابطه P مقدار بارش به میلی‌متر،  Sمقدار نفوذ بارش به میلی‌متر و Q مقدار رواناب را به میلی‌متر نشان می‌دهد(15). جهت انجام پهنه‌بندی لایه‌ی بارش و مقدار نفوذ با اعمال رابطه شماره (3) در محیط نرم‌افزار Arc Map10بایک دیگر تلفیق و نقشه‌های پهنه‌بندی رواناب تولیدی برای دوره بازگشت‌های مختلف تهیه شد(نقشه6).

رابطه (3)

نقشه 6- پهنه‌بندی رواناب با دوره بازگشت‌های مختلف در منطقه موردمطالعه

Map 6 - Zoning runoff with different return periods in the study area

بحث و نتیجه‌گیری