ارزیابی نرم افزار های هیدرولوژیکی در استخراج پارامترهای فیزیوگرافی حوضه آبخیز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، ایران. *(مسوول مکاتبات)

2 کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، ایران

3 دکتری علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، ایران

10.22034/jest.2018.19697.2856

چکیده

زمینه و هدف: امروزه بسیاری از تحلیل­های مطالعات هیدرولوژیکی به کمک نرم­افزارهای تحت ArcGIS به­عنوان یک ابزار با ارزش برای تحلیل­های مهندسی، قابل اجرا می­باشد. تعیین هندسه حوضه آبخیز و استخراج شبکه جریان و پارامترهای فیزیوگرافی برای تجزیه ‌و تحلیل‌های مورفومتری، از مهم‌ترین گام­های محاسباتی در نرم‌افزارهای هیدرولوژیکی می‌باشد.
روش بررسی: با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی با پیکسل سایز 10 متری در دو حوضه سرباز (حوضه نسبتاً بزرگ) و گچان (حوضه کوچک) پارامترهای فیزیوگرافی حوضه شامل محیط، مساحت، نسبت انشعاب و تراکم زهکشی با استفاده از نرم افزارهای WMS ,HEC-GEO HMS ,ARC SWAT وARC HYDRO استخراج و با مرز واقعی حوضه (روش دستی) مقایسه گردید.
یافته­ها: نتایج نشان داد که پارامترهای خروجی حاصل از نرم افزارها از لحاظ عددی به هم نزدیک بود و بسته به دید کارشناسی و سهولت کار می توان از هرکدام از نرم افزارها جهت استخراج پارامترهای فیزیکی حوزه استفاده نمود. نتایج تحلیل­های آماری نیز همه نرم افزارها را در یک گروه قرارداد به این معنی که از لحاظ آماری اختلاف معنی­دار بین عملکرد نرم افزارها وجود ندارد. علاوه بر این، در حوضه نسبتاً بزرگ­تر دامنه تغییرات پارامترها نسبت به روش دستی بیش­تر است. در نتیجه در حوضه­های بزرگ پارامترهای فیزیکی حوضه باید با دقت بیش­تری برآورد و محاسبه گردد. همچنین در هر دو حوضه، هر سه نرم­افزار,ARC HYDRO HEC-GEO HMS وARC SWAT عملکرد بهتری از نرم­افزار WMS داشتند و نتایج آن­ها به واقعیت نزدیک­تر بود.
بحث و نتیجه گیری: هر چند در بیش­تر موارد خروجی نرم­افزارهای ARC HYDRO و HEC-GEO HMS در هر دو حوضه مورد مطالعه به هم نزدیک­تر بود. از طرفی به دلیل پیش پردازش­های مورد نیاز جهت آماده سازی DEM برای استفاده در نرم افزار WMS و دشواری و زمان­بر بودن کار با این نرم افزار نسبت به سه نرم افزار دیگر، در مطالعات هیدرولوژی این نرم افزار کم­تر مورد استفاده قرار می­گیرد، ولی در مطالعات هیدرولوژیکی مانند کنترل سیلاب و فرسایش و رسوب نتایج حاصل از نرم افزار WMS به دلیل در نظر گرفتن رتبه بالاتر آبراهه­ها می­تواند مناسب­تر باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره هفت، مهرماه 99

                                        

 

ارزیابی نرم افزار های هیدرولوژیکی در استخراج پارامترهای

 فیزیوگرافی حوضه آبخیز

 

سمیه سلطانی گردفرامرزی[1]*

ssoltani@ardakan.ac.ir

مرتضی قیصوری[2]

عارف صابری2

محسن قاسمی[3]

تاریخ دریافت:4/5/95

تاریخ پذیرش:26/2/96

 

چکیده

زمینه و هدف: امروزه بسیاری از تحلیل­های مطالعات هیدرولوژیکی به کمک نرم­افزارهای تحت ArcGIS به­عنوان یک ابزار با ارزش برای تحلیل­های مهندسی، قابل اجرا می­باشد. تعیین هندسه حوضه آبخیز و استخراج شبکه جریان و پارامترهای فیزیوگرافی برای تجزیه ‌و تحلیل‌های مورفومتری، از مهم‌ترین گام­های محاسباتی در نرم‌افزارهای هیدرولوژیکی می‌باشد.

روش بررسی: با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی با پیکسل سایز 10 متری در دو حوضه سرباز (حوضه نسبتاً بزرگ) و گچان (حوضه کوچک) پارامترهای فیزیوگرافی حوضه شامل محیط، مساحت، نسبت انشعاب و تراکم زهکشی با استفاده از نرم افزارهای WMS ,HEC-GEO HMS ,ARC SWAT وARC HYDRO استخراج و با مرز واقعی حوضه (روش دستی) مقایسه گردید.

یافته­ها: نتایج نشان داد که پارامترهای خروجی حاصل از نرم افزارها از لحاظ عددی به هم نزدیک بود و بسته به دید کارشناسی و سهولت کار می توان از هرکدام از نرم افزارها جهت استخراج پارامترهای فیزیکی حوزه استفاده نمود. نتایج تحلیل­های آماری نیز همه نرم افزارها را در یک گروه قرارداد به این معنی که از لحاظ آماری اختلاف معنی­دار بین عملکرد نرم افزارها وجود ندارد. علاوه بر این، در حوضه نسبتاً بزرگ­تر دامنه تغییرات پارامترها نسبت به روش دستی بیش­تر است. در نتیجه در حوضه­های بزرگ پارامترهای فیزیکی حوضه باید با دقت بیش­تری برآورد و محاسبه گردد. همچنین در هر دو حوضه، هر سه نرم­افزار,ARC HYDRO HEC-GEO HMS وARC SWAT عملکرد بهتری از نرم­افزار WMS داشتند و نتایج آن­ها به واقعیت نزدیک­تر بود.

بحث و نتیجه گیری: هر چند در بیش­تر موارد خروجی نرم­افزارهای ARC HYDRO و HEC-GEO HMS در هر دو حوضه مورد مطالعه به هم نزدیک­تر بود. از طرفی به دلیل پیش پردازش­های مورد نیاز جهت آماده سازی DEM برای استفاده در نرم افزار WMS و دشواری و زمان­بر بودن کار با این نرم افزار نسبت به سه نرم افزار دیگر، در مطالعات هیدرولوژی این نرم افزار کم­تر مورد استفاده قرار می­گیرد، ولی در مطالعات هیدرولوژیکی مانند کنترل سیلاب و فرسایش و رسوب نتایج حاصل از نرم افزار WMS به دلیل در نظر گرفتن رتبه بالاتر آبراهه­ها می­تواند مناسب­تر باشد.

 

واژه­های کلیدی: مدل رقومی ارتفاعی، نرم افزار هیدرولوژیکی، شبکه زهکشی، نسبت انشعاب.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 22, No.7,October, 2020

 

 

 

 

 

 

 


Evaluation of Hydrological Softwares in Physiographic Parameters Extraction of Watershed

 

 

Somayeh Soltani-Gerdefaramarzi[4] *

ssoltani@ardakan.ac.ir

 Morteza Gheisouri[5]

Aref Saberi 2

Mohsen Ghasemi[6]

Admission Date:May 16, 2017

 

Date Received: July 24, 2016

 

Abstract

Background and Objective: Today, many analysis of hydrological studies are applicable using ArcGIS, as a valuable tool for engineering analyzes. Determination of the geometry of the watershed and stream network extraction and analysis of physiographic parameters for morphometric analysis, is the most important step for hydrological applications.

Method: Using DEM with 10×10 meter pixel size of Sarbaz watershed, was extracted physiographic parameters such as environment, area, branching ratio and drainage density using software ARCSWAT, HEC-GEO HMS, WMS and ARC HYDRO and was compared with watershed border area.

Findings: The results of SPSS showed that they don’t have statistically significant differences in the level of 95% between operations of software. So, the results of Duncan test represented that all softwares are placed in a group. Output parameters of the software in numerical terms was very close. Depending on the expert opinion and ease of use of any of the software can be used to derive physical parameters of watershed. Although the border area of extracted with ARCSWAT, HEC-GEO HMS and ARC HYDRO was closer than WMS with the truth visually.

Discussion and Conclusion: Because of pre-processing process required the preparation of DEM in WMS software and the difficulty with this software compared to other software, WMS software less frequently used in hydrological studies. But in hydrological studies such as flood control, sediment and erosion due to consideration of more ranks of stream the WMS software could be more appropriate.

 

Keywords: DEM,Hydrological Software, Drainage Network, Branching Ratio.

 

 

 

مقدمه


مدل رقومی ارتفاع (Digital Elevation Models) متشکل از شبکه منظم نقاط ارتفاعی است. گرچه یک DEM مبتنی بر نقاط ارتفاعی است لیکن می­توان به‌آسانی و با قرار دادن هر نقطه ارتفاعی در مرکز یک سلول آن را به داده­های رستری تبدیل نمود (1). در این­نوع داده­های رستری، هرسلول یا پیکسل از این شبکه با یک کد رقمی که نشان‌دهنده ارتفاع واقعی آن نقطه می­باشد، مشخص می­گردد. مدل­های رقومی ارتفاع معمولاً در یکی از سه ساختار شبکه­ای منظم، نامنظم مثلثی و منحنی میزان ذخیره می­گردند (2). عاشورلو و همکاران (1387) معتقدند یکی از مهم­ترین روش­های تهیه مدل رقومی ارتفاع بر اساس به کارگیری توابع درون­یابی موجود در نرم افزارهای GIS بر روی نقشه­های رقومی خطوط تراز ارتفاعی می­باشد. از جمله مهم­ترین خطاها، انتخاب اندازه پیکسل سایز نامناسب در یک مقیاس خاص جهت تولید مدل­های رقومی ارتفاع می­باشد. این نوع خطای ایجاد شده در مدل­های رقومی ارتفاع از موانع عمده در کاربرد مدل­های هیدرولوژیکی به حساب می­آید. زیرا انتخاب اندازه پیکسل سایز نامناسب باعث کاهش یا افزایش جزئیات مدل­های رقومی ارتفاع شده و غالباً موجب بروز اختلالاتی در مراحل شبیه­سازی توسط مدل­ها می­گردد (3). نداف سنگانی و همکاران (1394) اثر روش­های مختلف تهیه DEM بر خصوصیات موفومتری شبکه­های رودخانه­ای را مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که فراوانی آبراهه‎های مستخرج از مدل رقومی ارتفاع با تصویر ماهواره‌ای در کل حوزه درصد فراوانی بیش­تری نسبت به فراوانی سلولی دارد و در واحدهای ژئومورفولوژی مناطق تپه ماهوری نسبت به سایر واحدها اختلاف کم­تری دید شد (4). شکوهی و عزیزیان (1393) از طریق مقایسه اثرات استفاده از مدل­های رقومی ارتفاع راداری SRTM و مدل­های رقومی ارتفاع حاصل از نقشه­های 1:25000 زمینی، عملکرد مدل ژئومورفولوژیکی KW-GIUH و پارامترهای ورودی آن را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد که در صورت استفاده از مدل­های رقومی ارتفاع راداری، مقادیر پارامترهای ژئومورفولوژیکی نظیر شیب متوسط زیر حوزه­ها، شیب متوسط آبراهه­ها و تعداد آبراهه­ها همواره کم­تر از مقادیر به دست آمده از نقشه­های 1:25000 می­باشند (5). چنج و همکاران (1991) در انجام مطالعات هیدرولوژیکی و نیز مدیریت حوضه­های آبریز با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی، بیان کردند که دقت استخراج پارامترهای ژئومورفولوژیکی بستگی بسیار زیادی به ابعاد سلول دارد (6). تامپسون و همکاران (2001) در پژوهشی به این نتیجه رسیدند که خطاهای بزرگ در شبیه سازی هیدرولوژیکی، اغلب به دلیل تخمین اشتباه ارتفاع عوارض و شیب اتفاق می افتد (7). مک برانی (2003) اندازه سلول را تابع داده­های مورد نیاز در GIS دانست. فرض او این است که ترجیح داده می­شود از بیش­ترین اندازه سلول در پروژه­ها استفاده شود. بر این اساس رابطه ای را برای اندازه سلول و توانایی کامپیوتر ارایه نمود. درصورتی که نمی­توان به راحتی از هر سلولی با توجه به قدرت کامپیوتر در ساخت مدل رقومی ارتفاعی استفاده نمود (8). مداتیوس و سیگمونس (2005) بیان می­کنند که دستیابی به یک مدل رقومی ارتفاع مناسب از طریق نقشه‌های توپوگرافی حاصل از برداشت‌های زمینی برای حوزه‌های آبخیز، به‌خصوص در کشورهای درحال ‌توسعه به‌راحتی امکان‌پذیر نمی‌باشد و مشکلات اصلی شامل عدم‌کفایت، دقت و دسترسی به چنین منابعی است (9). اگر چه استخراج خصوصیات فیزیوگرافی یک حوضه به روش های مختلف امکان­پذیر است ولی انجام محاسبات به روش­های دستی و یا ابزارهای محاسباتی متداول رایانه­ای همواره از وقت­گیر­ترین و پرهزینه ترین بخش­های مطالعات است. برای مثال الماسی نیا و شربی (1392) پارامترهای مورفومتری و هیدرولوژیکی را با روش های مختلف بررسی کردند و روش دستی را یکی از روش­های مناسب جهت برآرود پارامترهای حوزه آبخیز معرفی کردند (10). اگر چه سیستم­های اطلاعات جغرافیایی و نرم­افزار­های منابع آب در ابتدا به صورت جداگانه توسعه داده شده اند، اما ارتباط دادن سیستم اطلاعات جغرافیایی و نرم­افزارهای منابع آب در سال­های اخیر به عنوان راهی برای حل مشکلات مذکور شناخته شده است. یکی از فعالیت­های انجام شده در این راستا توسعه برنامه HEC-HMS و همراه نمودن با برنامه جانبی HEC-Geo HMS در محیط GIS می­باشد. آلارکون و همکاران (2006) مطالعاتی بر روی سه حوزه در منطقه می­سی­سی­پی انجام دادند که نشان داد کیفیت و وضوح مدل­های رقومی ارتفاع بر روی طرح و تخمین جریان اثر­گذار بوده به طوری که مدل­های رقومی ارتفاع با سلول­های کوچک­تر باعث تقسیم­بندی بیش­تر حوزه می­شوند (11). مورفی و همکاران (2007) تأثیر کیفیت و قدرت تفکیک مکانی مدل ارتفاعی رقومی در استخراج شبکه­های آبراهه­های حوزه آبخیز بر روی مدل­های تولیدی حاصل از روش­های فتوگرامتری با قدرت تفکیک مکانی 10 متر و داده­های لیدار با قدرت تفکیک مکانی یک متر را بررسی کرده و نتیجه­گیری نمودند که شبکه آبراهه­های حاصل از داده­های لیدار دقیق­تر بوده و انطباق بیش­تری را با شبکه آبراهه واقعی در مقایسه با شبکه آبراهه­های منتج از مدل ارتفاعی رقومی به روش فتوگرامتری نشان می­دهد (12). میشل (2008) در رابطه با تأثیر شیب، بر اندازه پیکسل سایز (سلول) پژوهشی انجام داد که نتایج نشان داد که طول آبراهه با شیب زمین دارای رابطه معنی­داری است و مدلی نیز بر اساس تغییرات شیب ارایه کرد که در آن تعیین اندازه پیکسل مدل رقومی ارتفاع با مبنای هیدرولوژیکی بر اساس طول آبراهه و مساحت حوزه مدنظر قرار گرفته شد (13). زورکفله (2009) ضمن بیان اینکه تغییرات کاربری اراضی می­تواند تاثیر به­سزایی بر روی خواص هیدرولوژیکی حوضه داشته باشد، به بررسی تاثیر کاربری اراضی بر اساس دبی حداکثر سیلاب با استفاده از نرم افزار HEC-Geo HMS پرداخت. نتایج حاکی از قابلیت بالای  HEC-Geo HMSدر برآورد هیدروگراف سیل مطابق با داده­های مشاهده­ای و خصوصیات فیزیوگرافی با دقت قبول در منطقه می­باشد (14). چن و یو (2010) و چن و ویلسون (2012) پس از استخراج شبکه زهکشی از چند نوع مدل رقومی ارتفاعی توصیه کردند که باید الگوریتم جدیدی جایگزین الگوریتم ساده D8 (که اساس این روش در نظر گرفتن ارتفاع هر پیکسل و مقایسه­ی آن با هشت پیکسل مجاور می­باشد) شود، زیرا در هرکدام خطاهایی به وجود می‌آید (15 و 16). در تحقیق حاضر خصوصیات فیزیوگرافی حوزه آبخیز سرباز یکی از زیرحوضه­های کارون به عنوان یک زیرحوضه نسبتاً بزرگ و زیرحوضه گچان در استان ایلام (زیر حوضه کوچک) با چهار روش نرم­افزاری و یک روش دستی استخراج شده و در نهایت بهترین روش انتخاب می گردد.

 

مواد و روش ها

معرفی منطقه موردمطالعه

در این مطالعه دو زیر حوضه آبخیز سرباز واقع در استان اصفهان به عنوان یک حوضه بزرگ و کم ارتفاع با مساحت حدود 350 کیلومترمربع و ارتفاع متوسط 2570 متر و زیر حوضه آبخیز گچان در استان ایلام به عنوان یک حوضه کوچک با مساحت حدود 34 کیلومترمربع و ارتفاع متوسط 2088 متر مطالعه شده است. زیر حوضه آبخیز سرباز در طول جغرافیایی  '32 ˚51 و '51 ˚51 درجه شرقی و عرض جغرافیایی '59 ˚30 و '47˚30 درجه شمالی قرار دارد. حوزه آبخیز گچان از نظر موقعیت جغرافیایی در ′32 °46 غربی تا '26 °46 شرقی، ′42 °33 شمالی تا °33 '38 جنوبی قرار دارد. این حوزه با بیش­ترین ارتفاع 2640 متر و کم­ترین ارتفاع آن واقع در خروجی 1537 متر و ارتفاع متوسط حوزه نیز 2088 متر در شمال شرقی استان ایلام قرار دارد. مساحت حوزه آبخیز 35/34 کیلومتر مربع و محیط آن نیز 96/27 کیلومتر است. در شکل (1) محدوده مورد مطالعه مشخص گردیده است. پس از جمع­آوری و تهیه داده­ها، اقدام به کنترل نقشه­ها گردید و در نهایت با واردکردن نقشه­ها به عنوان ورودی نرم افزار سایر مراحل انجام شد. از میان  DEMهای موجود، DEM سازمان نقشه­برداری با اندازه سلول 10 متری انتخاب شد و نرم­افزارهای WMS، HEC-GEO HMS ،ARCSWAT، ARC HYDRO و روش دستی که در به­دست آوردن پارامترهای فیزیکی حوزه در مهندسی علوم آب کاربرد بیش­تری دارند، انتخاب شد. در ابتدا مدل رقومی ارتفاع در نرم­افزارARC HYDRO  وارد کرده و با ابزار FILL SINK چاله­های موجود در DEM که به علت خطاهای میان­یابی در زمان تولید به وجود می­آیند تصحیح شد. سپس با ابزارهای موجود در اکستنشن اضافی نرم­افزار پارامترهای مختلف حوزه ازجمله شبکه زهکشی، شبکه تجمعی جریان، شبکه جهت جریان در پیکسل­ها، درجه­بندی آبراهه­ها، بستن مرز حوزه، تعیین شیب حوزه به دست آمد. سپس با پلی­گون کردن حوزه مساحت و محیط حوزه به دست آمد. از میان پارامترهای به دست آمده سه پارامتر اصلی مساحت حوزه، محیط حوزه و طول آبراهه اصلی که در پنج روش مربوطه مشترک بود، جهت پژوهش مربوطه انتخاب شد و از طریق شبکه آبراهه­ای، پارامتر تراکم زهکشی و نسبت انشعاب از طریق رابطه 1 و 2 به دست می آید.

(1)

 

Dd: تراکم زهکشی به کیلومتر بر کیلومترمربع

Li : طول آبراهه­ها به کیلومتر

A: مساحت حوزه به کیلومتر­مربع

(2)

 

BR : نسبت انشعاب

N : تعداد آبراهه در هر رده

n : شماره رده آخرین آبراهه

 

 

 

شکل1- منطقه مورد مطالعه

Figure1. The study area


 

 

برای به دست آوردن نسبت انشعاب، آبراهه­ها به روش استراهلر درجه­بندی شدند. در مرحله بعد خروجی­های به دست آمده از نرم­افزار ARC HYDRO را در نرم­افزار HEC-GEO HMS وارد کرده و پس از انجام مراحل مختلف نرم­افزار مرز جدید حوزه بسته شد و پارامترهای فیزیوگرافی حوزه به دست آمد و سه پارامتر مورد مطالعه مذکور استخراج و از طریق روابط 1 و 2 دو پارامتر دیگر تراکم زهکشی و نسبت انشعاب نیز حاصل شد. در مرحله بعد برای کار با نرم­افزار WMS پیش پردازش­هایی بر روی DEM انجام شد، به­این­ترتیب که  DEM مورد مطالعه، در نرم­افزار ARC GIS تبدیل به نقشه نقطه­ای شد و در نرم­افزار WMS به عنوان ورودی وارد گردید و مرز جدید حوزه بر اساس این نقشه نقطه­ای بسته شد و پارامترهای فیزیوگرافی حوزه به دست آمد. در ادامه همانند مراحل قبل پارامترهای مذکور استخراج شد. در روش دستی نیز با استفاده از نرم­افزار GIS و نقشه­های توپوگرافی سازمان جغرافیا و نقشه­برداری، شبکه آبراهه­ای و مرز حوزه و سایر پارامترهای مورد مطالعه استخراج شد. برای تحلیل آماری پارامترهای به دست آمده از نرم­افزار SPSS استفاده گردید. در این آزمون نرم­افزار GIS به عنوان نرم­افزار شاهد در نظر گرفته شد و پارامترهای به دست آمده از چهار روش دیگر نسبت به آن سنجیده شد.

 

نتایج پژوهش

 در این بررسی برای رسیدن به نتیجه مطلوب و مناسب از اطلاعات فیزیوگرافی دو حوزه آبخیز در ایلام و اصفهان استفاده شده است (جدول 1). از نظر ظاهری و برای مطالعات اولیه، نتایج مربوط به برداشت­های دستی مطلوب­تر به نظر می­رسد زیرا شکل واقعی­تر از آبراهه­ها و مرز حوزه به دست می­دهد ولی در مورد مطالعات تخصصی ژئومورفولوؤی و هیدرولوژی مانند مطالعات سیل­خیزی و فرسایش و رسوب و مدل­سازی به نتایج دقیق­تری نیاز است. در مورد پارامتر مساحت می توان گفت مساحت حاصله از نرم­افزارهایARC SWAT ARC HYDRO،HEC-GEO HMS، در حوضه سرباز به واقعیت نزدیک­تر می­باشد و میزان اختلاف آن­ها با عدد حاصل از روش دستی ناچیز و در حد 4 تا 5 کیلومترمربع بیش­تر تجاوز نمی­کند، ولی عدد به دست آمده در نرم افزار  WMSدارای تفاوت قابل توجهی با روش دستی می­باشد و این تفاوت به دلیل بستن مرز حوزه بزرگ­تر از مرز واقعی به وسیله این نرم­افزار است. درحالی­که در مورد حوضه گچان تفاوت قابل ملاحظه­ای در پارامتر مساحت حوضه در خروجی نرم­افزارها مشاهده نمی­شود. در مورد محیط نیز در حوضه سرباز با وجود آن­که اعداد به دست آمده از سه نرم­افزار ARC SWAT ،ARC HYDRO ، HEC-GEO HMS از میزان واقعی بیش­تر است و این نشان دهنده این است که مرز حاصله در GIS در بیش­تر نقاط به صورت دستی و به صورت خط صاف دیجیت شده است ولی در سه نرم­افزارARC SWAT ،ARC HYDRO ،HEC-GEO HMS  به صورت دقیق­تر و از خط­الاراس­ها و خط القعرها با دقت بیشتری بسته شده است و به همین دلیل مرز به صورت دندانه­دار است و محیط حاصله بیش­تر از میزان به دست آمده در نرم­افزار GIS و روش دستی است. درحالی­که نتیجه نرم­افزار WMS در محاسبه محیط حوضه در حوضه سرباز بسیار متفاوت و حدود 244 برابر بیش­تر از روش دستی آن را برآورد می­کند. در حوضه گچان نیز محاسبه محیط حوضه با هر چهار نرم افزار بیش­تر از روش دستی است ولی بیش­ترین افزایش برآورد محیط حوضه (33%) در نرم­افزار ARC HYDRO مشاهده گردید. نتایج جدول (1) به طور کلی نشان می­دهد که خروجی نرم­افزارهای ARC HYDRO و HEC-GEO HMS در هر دو حوضه مورد مطالعه به هم نزدیک بوده و در بیشتر موارد به واقعیت نزدیک­تر است.

مرزهای به دست آمده از هر چهار نرم افزار مورد مطالعه به کمک نرم افزار GIS در یک فریم مرتب شد و جهت بررسی بصری و تفاوت در شکل و حدود بستن مرز حوزه در نرم افزارهای مورد بحث برای نمونه برای حوضه سرباز در شکل (2) نشان داده شده است. در مورد تراکم زهکشی در حوضه سرباز اعداد به دست آمده از هر چهار نرم­افزار با روش دستی دارای تفاوت هستند و تراکم زهکشی را بیش­تر از روش دستی برآورد می­کنند. این پارامتر در روش دستی 2/0 محاسبه شده است درحالی­که در نرم­افزارهایARC SWAT  و WMS به ترتیب 69/0 و 68/0 برآورد شده است و عدد بدست آمده در دو نرم­افزار دیگر حدود 4/0 محاسبه شده است. در مورد حوضه گچان نتایج تراکم زهکشی متفاوت از حوضه سرباز بوده است به­طوری­که عدد تراکم زهکشی با هر چها روش مذکور در این حوضه کم­تر از روش دستی بوده است و کم­ترین برآورد (62/0) متعلق به نرم­افزار WMS بوده است. اختلاف تراکم زهکشی به این دلیل است که نرم­افزارها در ایجاد شبکه زهکشی با دستورSTREAM DEFINITION  بر اساس دستور کاربر و یا مساحت پیشنهادی که خود نرم­افزارها پیشنهاد می­کند، اقدام به ترسیم خطوط آبراهه­ها کرده و آبراهه­های کوچک­تر را حذف می­کنند. نسبت انشعاب به دست آمده از چهار نرم­افزار مذکور در حوضه سرباز دارای اختلاف با مقدار به دست آمده از روش دستی است و میزان بدست آمده کم­تر از عدد حاصل از روش دستی می­باشد. درحالی­که در حوضه گچان به عنوان حوضه­ای با مساحت کوچک­تر، نرم­افزار ARC HYDRO و ARC SWAT نسبت انشعاب را بیش­تر از روش دستی محاسبه کرده­اند و دو روش دیگر کم­تر از روش شاهد نسبت انشعاب را برآورد کرده­اند. این موضوع نیز همانند تراکم زهکشی به دلیل آستانه انتخابی توسط نرم­افزار است که در تراکم زهکشی توضیح مربوط به آن ارایه شد. این امر باعث کاهش رتبه آبراهه­ها و در نتیجه کاهش نسبت انشعاب می­شود. شبکه زهکشی حاصل از روش­های مورد مقایسه در حوضه سرباز برای نمونه در شکل (3) نشان داده شده است. همچنین برای مقایسه بهتر نتایج بدست آمده از روش­های مختلف، شکل (4) ترسیم شده است. در مرحله بعد با استفاده از نرم­افزار SPSS و نتایج بدست آمده از هر چهار روش مذکور آزمون­های همگنی واریانس و تجزیه واریانس انجام شد. بر اساس نتایج حاصل از تحلیل‌های آماری، می­توان مشاهده نمود که فرض همگنی بین واریانس گروه­ها (نرم افزارها و مقادیر شاهد) بر اساس آزمون لون برقرار است چون مقدار p-value بزرگ­تر از 05/0 شده است. در نتیجه داده‌ها همگن است (جدول 2). همچنین نتایج حاصل از آزمون ANOVA ( جدول 3) نشان داد که تفاوت معنی­دار بین نتایج حاصل از نرم­افزارها از نظر آماری وجود ندارد چون سطح معنی­داری بیشتر از 05/0 حاصل شده است. پس از تعیین وجود یا عدم وجود اختلاف بین گروه­های آزمون (بررسی معنی داری آزمون در جدول آنالیز واریانس)، این سوال مطرح می شود که تفاوت میانگین بین کدام دوگروه معنی دار می باشد؟ در­این­راستا آزمون دانکن در ادامه تجزیه واریانس انجام شد و با توجه به دسته‌بندی پارامترها و واریانس به‌دست‌آمده ( 966/0 که بزرگ‌تر از 05/0 است) همه نرم‌افزارها در یک گروه قرار گرفت که نشان‌دهنده نزدیک بودن عملکرد نرم‌افزارها به مقادیر شاهد می‌باشد (جدول4) هرچند تفاوت عددی در هر پارامتر در روش­های مذکور در جدول (1) مشاهده گردید ولی این اختلاف­ها از نظر آماری معنی­دار نبوده است.

 

 

 

جدول 1- نتایج بررسی خصوصیات فیزیوگرافی در دو حوضه گچان و سرباز

Table 1. The results of physiographic characteristics investigation in Gachan and Sarbaz basins

نسبت انشعاب

تراکم زهکشی

محیط

مساحت

پارامترهای

مورد بررسی

ابزار مورد استفاده

حوزه مورد بررسی

86/1

93/1

95/27

35/34

Topography

حوزه گچان

(استان ایلام)

01/2

28/1

2/37

36/33

ARC HYDRO

60/1

94/0

12/35

47/31

ARC SWAT

96/1

24/1

25/37

4/33

HEC-GEO HMS

14/1

62/0

98/32

77/35

WMS

75/2

2/0

45/102

46/349

Topography

حوزه سرباز

(استان اصفهان)

84/1

39/0

8/131

29/347

ARC HYDRO

01/2

69/0

3/130

13/345

ARC SWAT

84/1

4/0

14/132

97/346

HEC-GEO HMS

88/1

68/0

37/353

46/398

WMS

 

شکل2- مقایسه مرز (حوضه سرباز) استخراج شده بر اساس پنج روش

Figure 2. Comparison border area (Sarbaz basin) based on five methods

 

شکل3- مقایسه شبکه زهکشی (حوضه سرباز) استخراج شده براساس پنج روش

Figure 3. Comparison drainage network (Sarbaz basin) based on five methods

 

جدول 2- آزمون همگنی واریانس‌ها

Table 2. Test of homogeneity of variance

آزمون لون

درجه آزادی 1

درجه آزادی 2

سطح معنی­داری

592/0

4

15

674/0

 

جدول 3- نتایج آزمون ANOVA

گروه

مجموع مربعات

درجه آزادی

میانگین مجموع مربعات

F

سطح معنی‌داری

بین دو گروه

119/14

4

529/3

01/0

000/1

در گروه

964/102896

15

797/6859

 

 

کل

065/102911

19

326/6863

 

 

Table 3. ANOVA test results

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 4- نتایج آزمون دانکن

Table 4. Duncan test results

نرم افزارها

N

05/0= زیرمجموعه‌های آلفا

روش دستی

4

71/113

ARC SWAT

4

53/119

ARCH YDRO

4

33/120

HEC-GEO HMS

4

33/120

WMS

4

59/188

Sig.

 

592/0

 

بر اساس جدول (5) نتیجه درصد فراوانی آبراهه در هر دو نرم­افزار HEC-GEO HMS و ARC HYDRO کاملاً مطابق هم است که دلیل این امر انتخاب حد آستانه مشابه به­صورت پیش فرض در هر دو روش می­باشد. در سایر روش­ها نیز نتایج به هم نزدیک بوده و بیش­ترین درصد فراوانی مربوط به آبراهه با رتبه یک در این حوضه است. در حوضه گچان به عنوان حوضه­ای با مساحت کوچک­تر نسبت به حوضه سرباز، نتایج درصد فراوانی آبراهه همانند حوضه سرباز نزدیک به هم است و بیش­ترین تعداد آبراهه با رتبه یک در همه روش­ها و حدود 50 درصد است با این تفاوت که در این حوضه، روش دستی تعداد آبراهه با رتبه­های بالاتر را نیز مشخص کرده است. تفاوت قابل ملاحظه دیگر نتایج بدست آمده از نرم­افزار WMS است که در این حوضه بر خلاف حوضه سرباز تنها آبراهه رتبه یک و دو را محاسبه کرده است. به عنوان یک نتیجه کلی می­توان گفت این روش در حوضه بزرگ آبراهه­ها با رتبه بالاتر را نیز در نظر می­گیرد درحالی­که در حوضه کوچک­تر قادر به تعیین آبراهه با رتبه بالا نیست.

 

 

شکل4- مقایسه نتایج روش­های به کار رفته

Figure 4. The results comparison of the used methods

 

 

 

جدول 5 مقایسه درصد فراوانی آبراهه­ها در هر یک از روش­های مذکور

Table 5. Comparison of channels Frequency percent in mentioned methods

5

4

3

2

1

رتبه آبراهه

نوع ابزار

حوزه آبخیز سرباز

0

0

0

40

60

Topography

0

8/8

5/17

8/22

9/50

HEC-GEO HMS

0

8/8

5/17

8/22

9/50

ARC HYDRO

1/4

7

8/12

25

1/51

WMS

0

10

3/23

7/16

50

ARC SWAT

5

4

3

2

1

رتبه آبراهه

نوع ابزار

حوزه آبخیز گچان

5

5

12

28

50

Topography

0

7

12

30

51

HEC-GEO HMS

0

7

11

30

52

ARC HYDRO

0

0

0

47

53

WMS

0

0

22

26

52

ARC SWAT

 

 

بحث و نتیجه­گیری


یکی از کاربردهای مهم مدل رقومی ارتفاع استخراج شبکه­ی زهکشی برای تحلیل­های مورفومتری و استفاده در مدل­سازی­های هیدرولوژیک است که شبکه زهکشی به طور اتوماتیک از آن استخراج می­گردد. در این پژوهش نتایج استخراج مهم­ترین پارامترهای فیزیکی حوزه آبخیز که در دست­یابی به اهداف مدیریتی و رسیدن به پارامترهایی که در بهره برداری و مطالعات هیدرولوژیکی مناسب است، یاری می­نماید. در این تحقیق با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی در دو زیر حوضه یکی با مساحت نسبتاً بزرگ حدود 350 کیلومترمربع و دیگری زیر حوضه­ای با مساحت حدود 34 کیلومترمربع به عنوان یک زیر حوضه کوچک به وسیله چهار نرم­افزار ARC HYDRO، HEC-GEO HMS،WMS  وARC SWAT پارامترهای فیزیوگرفی حوضه شامل مساحت، محیط، تراکم زهکشی و نسبت انشعاب استخراج و با نتایج به­دست آمده از شبکه زهکشی حاصل از نقشه­های توپوگرافی سازمان نقشه­برداری و جغرافیا مقایسه گردیدند. نتایج نشان داد که در هر حوضه هر چهار نرم­افزار تقریباً همانند هم عمل کرده و نتایج دارای اختلاف اندکی با مقادیر واقعی هستند. به­طوری­که آزمون تجزیه واریانس نیز هر چهار نرم افزار را در یک گروه قرار داد. به این معنی که از نظر آماری اختلاف معنی­داری در محاسبه پارامترهای فیزیوگرافی در هر چهار روش وجود ندارد. نکته دیگری که از نتایج این تحقیق مشخص گردید این است که در حوضه کوچک گچان و حوضه نسبتاً بزرگ سرباز نتایج، روند یکسانی را دنبال نمی­کند. برای مثال در محاسبه پارامتر مساحت، نتایج نشان داد که در حوضه سرباز هر چهار روش نسبت به حوضه گچان اختلاف بیشتری در تخمین این پارامتر دارد. دامنه تغییرات مساحت در حوضه سرباز 398-346 کیلومتر مربع بود در حالیکه در حوضه گچان این عدد به 7/35-31 رسید. در مورد پارامتر محیط نیز همین روند قابل مشاهده است. بطوری­که دامنه تغییرات محیط در حوضه سرباز 353-102 بدست آمد اما در حوضه گچان تغییرات محیط در دامنه 37-32 کیلومتر تغییر کرد. به عبارت دیگر در حوضه نسبتاً بزرگ­تر دامنه تغییرات پارامترها نسبت به روش دستی بیش­تر است. در نتیجه در حوضه­های بزرگ پارامترهای فیزیکی حوضه باید با دقت بیش­تری برآورد و محاسبه گردد. هم­چنین با توجه به نتایج بدست آمده در هر دو حوضه، هر سه نرم­افزار ARC HYDRO، HEC-GEO HMS وARCSWAT عملکرد بهتری از نرم­افزار WMS داشتند و نتایج آنها به واقعیت نزدیک­تر بود. هرچند از نظر آماری اختلاف معنی­دار در چهار روش مشاهده نگردید. از طرفی به دلیل پیش پردازش­هایی که جهت آماده­سازی DEM برای استفاده در نرم افزار WMS و دشواری و زمان بر بودن کار با این نرم­افزار نسبت به سه نرم­افزار دیگر وجود دارد و همچنین خروجی­های این نرم افزار که قابلیت استفاده در تعداد کمتری از نرم­افزارهای هیدرولوژی نسبت به سه نرم­افزار دیگر دارد، باعث می­شود که در مطالعات هیدرولوژی و استخراج پارامترهای فیزیکی حوزه آبخیز این نرم افزار کم­تر پیشنهاد شود. مطالعه فعلی در بهترین شرایط و با ثابت بودن پیکسل سایز DEM پارامترهای فیزیوگرافی حوضه در دو حوضه متفاوت از نظر مساحت و ارتفاعی بررسی شده است. بنابراین پیشنهاد می­شود پژوهش با استفاده از مدل­های رقومی ارتفاعی مختلف و با اندازه سلول­های متفاوت در حوضه­های بیش­تری ادامه یابد و نتایج با هم مقایسه شود. همانگونه که عاشورلو و همکاران (1387  بیان می­کنند که اندازه پیکسل از عوامل اساسی است که دقت مدل و خروجی پارامترهای مدل را تحت تأثیر قرار می‌دهد (3). در تحقیق دیگری توسط آلارکون و همکاران (2006) مشخص گردید که پارامترهای حاصل از مدل های رقومی با اندازه سلولی 10 و 20 متری در نرم­افزار ARC HYDRO نزدیک­ترین نتایج به معیار واقعی را داشته است (11).

 

Reference

  1. Hosseinzadeh, S., and Jahadi-Toroghi, M. 2010. Assessing the Quality and Accuracy of Drainage Morphometric Analyses of Drainage Networks Extracted from Digital Elevation Models: A Case Study on Robate Gharebil Catchment in Northern Khorasan, Journal of Geography and Regional Development, 14:183-212. (In Persian)
  2. Lee, J. and Chu, C.J., 1996. Spatial structures of digital terrain models and hydrological feature extraction. IAHS Publications-Series of Proceedings and Reports-Intern Assoc. Hydrological Sciences, 235: 201-206.
  3. Ashourlue, D., Motakan, A., Kazemi, A., Hosseini, A., Azadbakht, M., Hajeb, M., and Gholampour, A. 2008. Determination of pixel size for calculating physiographic characteristics of the catchment for topographic maps of Iran 1: 25000, Iranian Journal of Geology, 2(8): 47-54. (In Persian)
  4. Nadaf-Sangani, M. Hosseinzadeh, S. and Akbari, M. 2015. The Effect of Different Methods of DEM Preparation on the Morphometric Properties of River Networks, Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 9(30): 59-63. (In Persian)
  5. Shokouhi, A., and Azizian, A. 2014. Evaluating the Effect of Using Radar Elevation Digital Models and Ground Maps on the Results of Simulation of Geomorphologic Models, Journal of Watershed Engineering and Management, 6(1): 52-62. (In Persian)
  6. Chang, K.T. and Tsai, B.W. 1991. The effect of DEM resolution on slope and aspect mapping, Cartogr. Geogr. Inf. Syst., 18, 69–77.
  7. Thompson, J., Bell, J., and Butler, C. 2001. Digital elevation model resolution: effects on terrain attribute calculation and quantitative soillandscape modeling. Geoderma, 100: 67–89.
  8. McBratney, A., Mendoc-a Santos, M., and Minasny, B., 2003. On digital soil mapping. Geoderma, 117 (1–2): 3–52.
  9. Maathuis, B., and Sijmons, K. 2005. DEM from Active Sensors-Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation. 1-121.
  10. Almasi-Nia, M. and Shorbi, M. 2013. Accurate calculation of hydrologic and morphometric parameters of the catchment area using (GIS) and (RS). The first international congress of geosciences. (In Persian)
  11. Alarcon, V.J. O'Hara, C. G. McAnally, W. Martin, J. Diaz, J. and Duan, Z. 2006. HSPF-estimated flowrate sensitivity to topographical parameter values for three watersheds in Mississippi. Proceedings American Water Resources Association (AWRA) 2006 Spring Specialty Conference GIS & Water Resources IV. Houston. Texas. May 8-10, 2006.
  12. Murphy, P. N. C. Ogilvie, J. Meng, F. and Arp, p. 2007. Stream Network Modeling Using Lidar and Photogrammetric Digital Elevation Models: A Comparsion and Field Verification Processes. 1747- 1754.
  13. Michele, Di. 2008. Correlation between channel and hillslope lengths and its effects on the hydrologic response. Journal of Hydrology. 362: 260-273pp.
  14. Zorkeflee, A. H., H. Nuramidah, and S. Y. Mohd. 2009. Integrated river basin management (IRBM): Hydrologic modelling using HEC-HMS for sungai kurau basin, Perak. Proceedings of the International Conference on Water Resources, (ICWR'09), River Basin Management Society, pp: 1-7.
  15. Chen, C., and Yue, T. 2010. A Method of DEM Construction and Related Error Analysis. Computers and Geosciences, 36(6): 717-725.
  16. Chen, Y., Wilson, J. P., Zhu, Q., and Zhou, Q. 2012. Comparison of drainage-constrained methods for DEM generalization. Computers & Geosciences, 48: 41-49.

 

 

 

 

 

 


 



[1]- استادیار دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، ایران. *(مسوول مکاتبات)

[2]- کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، ایران

[3]- دکتری علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، ایران

[4]- Assistant Professor, Department of Water Sciences and Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resource, Ardakan University, Ardakan, Iran. *(Corresponding Authors)

[5]- M. Sc. of Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resource, Ardakan University, Ardakan, Iran.

[6]- PhD of Water Sciences and Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resource, Ardakan University, Ardakan, Iran.

  1. Hosseinzadeh, S., and Jahadi-Toroghi, M. 2010. Assessing the Quality and Accuracy of Drainage Morphometric Analyses of Drainage Networks Extracted from Digital Elevation Models: A Case Study on Robate Gharebil Catchment in Northern Khorasan, Journal of Geography and Regional Development, 14:183-212. (In Persian)
  2. Lee, J. and Chu, C.J., 1996. Spatial structures of digital terrain models and hydrological feature extraction. IAHS Publications-Series of Proceedings and Reports-Intern Assoc. Hydrological Sciences, 235: 201-206.
  3. Ashourlue, D., Motakan, A., Kazemi, A., Hosseini, A., Azadbakht, M., Hajeb, M., and Gholampour, A. 2008. Determination of pixel size for calculating physiographic characteristics of the catchment for topographic maps of Iran 1: 25000, Iranian Journal of Geology, 2(8): 47-54. (In Persian)
  4. Nadaf-Sangani, M. Hosseinzadeh, S. and Akbari, M. 2015. The Effect of Different Methods of DEM Preparation on the Morphometric Properties of River Networks, Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 9(30): 59-63. (In Persian)
  5. Shokouhi, A., and Azizian, A. 2014. Evaluating the Effect of Using Radar Elevation Digital Models and Ground Maps on the Results of Simulation of Geomorphologic Models, Journal of Watershed Engineering and Management, 6(1): 52-62. (In Persian)
  6. Chang, K.T. and Tsai, B.W. 1991. The effect of DEM resolution on slope and aspect mapping, Cartogr. Geogr. Inf. Syst., 18, 69–77.
  7. Thompson, J., Bell, J., and Butler, C. 2001. Digital elevation model resolution: effects on terrain attribute calculation and quantitative soillandscape modeling. Geoderma, 100: 67–89.
  8. McBratney, A., Mendoc-a Santos, M., and Minasny, B., 2003. On digital soil mapping. Geoderma, 117 (1–2): 3–52.
  9. Maathuis, B., and Sijmons, K. 2005. DEM from Active Sensors-Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation. 1-121.
  10. Almasi-Nia, M. and Shorbi, M. 2013. Accurate calculation of hydrologic and morphometric parameters of the catchment area using (GIS) and (RS). The first international congress of geosciences. (In Persian)
  11. Alarcon, V.J. O'Hara, C. G. McAnally, W. Martin, J. Diaz, J. and Duan, Z. 2006. HSPF-estimated flowrate sensitivity to topographical parameter values for three watersheds in Mississippi. Proceedings American Water Resources Association (AWRA) 2006 Spring Specialty Conference GIS & Water Resources IV. Houston. Texas. May 8-10, 2006.
  12. Murphy, P. N. C. Ogilvie, J. Meng, F. and Arp, p. 2007. Stream Network Modeling Using Lidar and Photogrammetric Digital Elevation Models: A Comparsion and Field Verification Processes. 1747- 1754.
  13. Michele, Di. 2008. Correlation between channel and hillslope lengths and its effects on the hydrologic response. Journal of Hydrology. 362: 260-273pp.
  14. Zorkeflee, A. H., H. Nuramidah, and S. Y. Mohd. 2009. Integrated river basin management (IRBM): Hydrologic modelling using HEC-HMS for sungai kurau basin, Perak. Proceedings of the International Conference on Water Resources, (ICWR'09), River Basin Management Society, pp: 1-7.
  15. Chen, C., and Yue, T. 2010. A Method of DEM Construction and Related Error Analysis. Computers and Geosciences, 36(6): 717-725.
  16. Chen, Y., Wilson, J. P., Zhu, Q., and Zhou, Q. 2012. Comparison of drainage-constrained methods for DEM generalization. Computers & Geosciences, 48: 41-49.