پایان نامه برآورد رسوب رودخانه با استفاده از امکانات سنجش از دور

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“

مهندسی عمران - سازه های هیدرولیکی

چکیده

چون حجم مخزن و رقوم آبگیری از مخازن بستگی به میزان رسوبات مخزن دارد بنابراین محاسبه رسوب اهمیت زیادی در طراحی مخازن و سازه های هیدرولیکی دا  د. فرسایش خاک در حوزه آبریز و متعاقب آن تهنشین شدن در رودخانه ، دریاچه مخازن بزرگترین نگرانی ماست . به دو دلیل ؛ اوًلا خاک سطح حوزه حاصلخیزی خود را از دست می دهد، ثانیًا ظرفیت مخزن کاهش می یابد و نیز  همچنین کیفیت  آب پایین رود کاهش می یابد. مطالعات زیادی نشان داده ک   رسوبات معلق را می توان با بکارگیری تکنیک های دورسنجی برآورد کرد. چون بکارگیری تکنی دورسنجی نسبت به روش های سنتی و متداول دارای سرعت بیشتر و دقت زیادی می باشد بنابراین به عنوان تکنیک های کارآمد مدنظر قرار می گ   د. هدف از این مطالعه برآورد میزان رسوب رودخانه با استفاده از امکانات سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای و سپس مقایسه نتایج بدست آمده با اطلاعات رسوب رودخانه برای ایستگاه آب سنجی می با  د. هدف شناسایی روشها دورسنجی در محاسبه رسوب و استفاده از آنها در تعیین میزان رسوب رودخانه و تعیین دقت  نه ا می باشد. با توجه به نتایج بدست آمده از روابط ارائه شده در این مقاله مقدار رسوب سالانه برای حوضه رودخانه قره سو و رودخانه بالخلوچای در استان اردبیل بترتیب ٥٥١٨٨ تن و ٣٠٩٤٧ تن بدست آمده است ؛ که با مقدار رسوب برآورد شده با روش هیدرولوژیکی USBR مطابقت دارد.

مقدمه

چون حجم مخزن و رقوم آبگیری از مخازن بستگی به میزان رسوبات مخزن دارد بنابراین محاسبه رسوب اهمیت زیادی در طراحی مخازن و سازه های هیدرولیکی دارد. با توجه به اینکه رسوب رودخانه نتیجه فرسایش خاک در حوضه آبریز مربوط به آن می باشد؛ هرچه خاک حوضه آبریز سست تر باشد میزان رسوب تولید شده نیز بیشتر خواهد بود. مواد رسوب یافته به وسیله آب معمولا بر اساس اندازه ذرات جدا می شود. مواد سنگین تر که قابلیت انتقال کمتری دارند در ابتدا رسوب می کند در حالیکه مواد سبکتر که قابلیت انتقال بیشتری دارند در قسمت پایین جریان رسوب می کند مطالعات زیادی نشان داده که مواد معلق را می توان با بکارگیری تکنیک های دورسنجی برآورد کرد (١٩٨٦,Ritchie).

دورسنجی از جمله علوم و فنون نسبتا جدیدی است که در سالهای اخیر به سبب پیشرفت کامپیوتر و تکنولوژی ماهواره ای و انواع سنجنده ها به سرعت رشد کرده و توسعه یافته است . دورسنجی را می توان علم و فن شناسایی و اندازگیری ویژگیهای طیفی اشیا و پدیده های مربوط به زمین ، هوا و دریا از فاصله ای نسبتا دور و جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده های بدست آمده بدانیم . در دورسنجی بازتاب امواج الکترو مغناطیسی ، پس از برخورد با پدیده های مختلف زمین ، به وسیله سنجنده هایی که بر روی سکوهای مختلف تعبیه شده اند ثبت شده و سپس مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.

سنجش از دور ابزار مناسبی جهت نمایش رسوبات معلق در آبهای سطحی به دلایل مختلف می باشد که شامل ماهیت چند طیفی، پوشش دادن منطقه وس ی  ، وجود خط زمانی و ماهیت تکراری تصویر برداری ماهواره ای است . محققین بسیاری آبهای سطحی را بوسیله تصویر برداری ماهواره ای، بررسی کرده و نشان دادند که رابطه ای تجربی بین بازتابندگی و میزان رسوبات معلق وجود دارد

بکارگیری تکنیک دور سنجی در مطالعات فرسایش خاک و تولید رسوب حوضه ها، نسبت به روش های سنتی و متداول دارای سرعت بیشتر و دقت زیادی می باشد بنابراین به عنوان تکنیک های کارآمد مدنظر قرار می گیرد. مهمترین هدف در اینجا برآورد میزان رسوب رودخانه با استفاده از امکانات سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای و سپس مقایسه نتایج بدست آمده با اطلاعات رسوب رودخانه برای یک منطقه می باشد.

فصل اول

کلیات

فصل اول : کلیات

١-١- فرسایش و رسوب

فرسایش فرآیندی است که طی آن ذرات خاک از بستر خود جدا شده و به کمک یک عامل انتقال دهنده به مکانی دیگر حمل می شوند. در صورتی که عامل جدا شدن ذرات از بستر و انتقال آن آب باشد به آن فرسایش آبی گفته می شود. از انواع دیگر فرسایش می توان فرسایش بادی و یا فرسایش یخچالی را نام برد. عوامل مهمی بر فرسایش موثرند که از جمله می توان به عوامل اقلیمی، نوع خاک، پوشش گیاهی و پستی و بلندی زمین اشاره کرد. عوامل اقلیمی مانند دما، رطوبت ، تابش خورشید، باد و بارندگی علاوه بر تاثیر مستقیم از طریق تبخیر- تعرق و یا تغییر رواناب نیز بر مقدار فرسایش مؤثر است . اما رابطه بین خصوصیات بارندگی و فرسایش نسبتًا پیچیده بوده و نیاز به توضیح بیشتر دارد. بافت و ساختمان و خصوصیات دیگر از عواملی هستند که فرسایش پذیری آن را در مقابل عوامل فرساینده تحت تاثیر قرار می دهند. فرسایش آبی در خاکهای غیر چسبنده ( مانند ماسه ) با خاکهای چسبنده مانند (رس ) متفاوت است . در نوع اول فرسایش اصوًلا مکانیکی است حال آنکه در مورد دوم عوامل فیزیکوشیمیایی نیز دخالت دارند. پوشش گیاهی زمین باعث تغییر در انرژی جنبشی قطرات باران یا جریان سطحی آب شده و در نتیجه سرعت فرسایش تحت تاثیر آن قرار می گیرد. مثًلا فرسایش در اراضی جنگلی بمراتب کمتر از مناطق کویری و عاری از پوشش گیاهی است . عوارض طبیعی زمین مانند شیب ، شکل زمین و طول مسیر حرکت آب بر شدت فرسایش موثرند. در اراضی شیبدار قدرت آب به مراتب بیشتر از اراضی مسطح است . این وضعیت در مورد شیب ها نیز مصداق دارد.

فرآیند فرسایش خاک توسط آب از سه مرحله اساسی تشکیل می شود که عبارتند از جدا شدن ذرات خاک از بستر، حمل ذرات فرسایش یافته و ته نشینی آنها، این فرآیند ها هر کدام قانونمندی خاص خود را داشته و مباحث مهم علم فرسایش را به وجود می آورند.

با توجه به اینکه رسوب رودخانه نتیجه فرسایش خاک در حوضه آبریز مربوط به آن می باشد؛ هرچه خاک حوضه آبریز سست تر باشد میزان رسوب تولید شده نیز بیشتر خواهد بود. مواد رسوب یافته به وسیله آب معمولا بر اساس اندازه ذرات جدا می شود. مواد سنگین تر که قابلیت انتقال کمتری دارند در ابتدا رسوب می کند در حالیکه مواد سبکتر که قابلیت انتقال بیشتری دارند در قسمت پایین جریان رسوب می کند. در ذیل به چند مورد از انواع فرسایش اشاره می شود.

١) فرسایش به وسیله قطرات باران

فرسایش بارانی نتیجه برخورد قطرات باران با سطح خاک است . قطرات باران به دلیل وزن و سرعت هنگام برخورد با خاکدانه ها دارای مقدار انرژی جنبشی می باشند که در اثر آن ذرات خاک از هم جدا شده متلاشی می شوند.

٢) فرسایش ورقه ای

جریان آب در سطح زمین باعث می شود که ذرات خاک به صورت لایه ای از بستر خود جدا شده و همراه آب حمل شوند توانایی جریان آب حرکت در خاک به عواملی مانند عمق جریان آب ، سرعت حرکت آب ، درجه تلاطم آب ، شیب زمین و مقاومت خاک درمقابل جریان آب بستگی دارد.

٣) فرسایش آبراهه ای

این نوع فرسایش در اثر حرکت جریان آب و نیرویی که از طرف آب به بستر آبراهه

وارد می شود صورت می گیرد. ذرات خاکهایی که از بستر خود جدا می شوند، همگی با

حرکت جریان آب به حرکت در نیامده بلکه قسمتی دوباره در جای دیگر ته نشین می شود. آنچه همراه با آب حرکت می کند و به مخزن سد یا هر نقطه دیگر می رسد بار رسوب یا میزان تولید رسوب گفته می شود.

اگر به میزان کل خاکی که در یک حوضه فرسایش می یابد فرسایش ناخالص اطلاق

شود نسبت حمل رسوب عبارتست از :

هر چه حوضه بزرگتر باشد فرسایش نا خالص زیادتر و نسبت حمل رسوب در آن کوچکتر

خواهد بود. از عوامل مهمی که بر نسبت حمل رسوب در یک نقطه مؤثرند عبارتند از:

١) توپو گرافی سطح حوضه

٢) خصوصیات باران وسیل

٣) خصوصیات فیزیو گرافی حوضه

٤) خصوصیات خاک و حوضه

مقدار رسوباتی که توسط آب رودخانه حمل شود و ممکن است وارد مخازن سدها گردد به دو

دسته تقسیم می گردد:

١) رسوباتی که در آب معلقند و در بالای بستر رودخانه همراه  با آب حرکت می کنند. به این مواد بار معلق گفته می شود.

٢) رسوباتی که در سطح بستر رودخانه همراه با جریان آب به جلو غلتیده می شوند به این نوع رسوبات بار بستر گفته می شود.

بار کل رسوب یک رودخانه از مجموع بار بستر و بار معلق تشکیل می شود. همچنین ذرات رسوب ممکن است توسط حرکت تدریجی، غلتیدن و یا پرش در بستر رودخانه حرکت کنند.

بالطبع نوع حرکت ذرات تابع مشخصات فیزیکی آنها از قبیل اندازه شکل و وزن مخصوص است و ضمنًا اندازه ذرات در ترکیب رسوب نیز مؤثر است . از دیگر عوامل مؤثر در این امر سرعت و عمق زیاد است و عمومًا همزمان با جریان های طبیعی مراحل متفاوتی در رسوب به وقوع می پیوندند که حد قابل تمایزی برای آنها وجود ندارد(علیزاده ، ١٣٨٢).

١-٢- روش های برآورد فرسایش و رسوب

اگر در یک حوضه آبریز آمار و اطلاعات مربوط به دبی آب و رسوب و میزان بارندگی سالیانه به میزان کافی وجود داشته باشد، محاسبه حجم کل رسوبدهی سالانه حوضه با استفاده از روشهای آماری متداول امکان پذیر است . ولی نبود و یا نقص آمار و اطلاعات در بسیاری از حوضه های آبریز کشور کاربرد روشهای تجربی را برای تعیین شدت فرسایش خاک و برآورد میزان تولید رسوب الزامی ساخته است .

یکی از روشهایی که جهت برآورد فرسایش و رسوب در مناطق مختلف دنیا از جمله کشور ایران مورد استفاده قرار می گیرد، روش PSIAC١ می باشد. این روش در سال ١٩٦٨ میلادی توسط کمیته مدیریت آب و خاک در آمریکا برای محاسبه ی شدت فرسایش خاک و تولید رسوب در مناطق خشک و نیمه خشک غرب آمریکا ارائه شد. چون در این روش برآورد فرسایش و رسوب نسبت به دیگر روش ها بیشترین عامل موثر در فرسایش مد نظر قرار گرفته است .

بنابراین می توان گفت این روش بهترین و دقیق ترین روش برآورد فرسایش و رسوب است . در این مدل ٩ عامل موثر در فرسایش مد نظر قرار داده شده است ؛ عامل زمین شناسی سطحی ،

1 - Pacific Southwest Inter Agency Committee

عامل خاک، عامل آب و هوا، عامل رواناب سطحی ، عامل پستی و بلندی، عامل پوشش سطح زمین ، نحوه ی استفاده از اراضی ، وضعیت فرسایش سطحی، عامل فرسایش رودخانه و انتقال رسوب (مومی پور، ١٣٨٣).

مدل تجربی دیگر مدل EPM١ می باشد؛ که این روش مقدار فرسایش را به صورت کمی و کیفی تعیین می کند. در این مدل عوامل موثر در فرسایش خاک عبارتند از: وضعیت توپوگرافی ، سنگ شناسی ، خاک و نحوه استفاده از اراضی و عوامل اقلیمی . با این روش می توان شدت فرسایش و میزان حمل رسوب در رودخانه ها را بررسی نمود.

١-٣- اهداف و ضرورت انجام تحقیق

هدف شناسایی روشهای دورسنجی در محاسبه رسوب و استفاده از آنها در تعیین میزان رسوب رودخانه و سپس ارزیابی نتایج بدست آمده با اطلاعات رسوب رودخانه برای یک ایستگاه آب سنجی می باشد.

روش انجام کار بدین صورت خواهد بود که با استفاده از نرم افزار ArcGIS اطلاعات تصاویر ماهواره ای را بدست آورده و از این اطلاعات جهت بدست آوردن رسوب رودخانه استفاده می کنیم .

سنجش از دور ابزار مناسبی جهت نمایش رسوبات معلق در آبها سطحی به دلایل مختلف می باشد؛ که شامل ماهیت چند طیفی، پوشش دادن منطقه وسیع ، وجود خط زمانی و ماهیت تکراری تصویر برداری ماهواره ای است . محققین بسیاری آبهای سطحی را بوسیله تصویر برداری ماهواره ای، بررسی کرده و نشان دادند که رابطه ای تجربی بین بازت ب دگی و میزان رسوبات معلق وجود دارد (١٩٩٨,Lodhi ).

بکارگیری تکنیک دورسنجی در مطالعات فرسایش خاک و تولید رسوب حوضه ها , نسبت به روش های سنتی و متداول دارای سرعت بیشتر و دقت زیادی می باشد بنابراین به عنوان تکنیک های کارآمد مدنظر قرار می گیرد. در این تحقیق با استفاده از سنجش از دور و با کمک تفسیر و پردازش تصاویر ماهواره ای میزان رسوب را بدست می آوریم . با توجه به روند فرسایش در حوضه و حمل مواد فرسوده و ترسیب آنها در رودخانه ؛ سوالی که مطرح می شود اینست که

چگونه می توان با استفاده از اطلاعات بدست آمده از دور سنجی و تصاویر ماهواره ای رسوب را در حوضه رودخانه برآورد کرد.

با توجه به اینکه در این تحقیق میزان رسوب رودخانه را با استفاده از سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای برای دو حوضه آبریز رودخانه قره سو تا ایستگاه سامیان و حوضه رودخانه بالخلوچای تا ایستگاه پل الماس را مورد بررسی قرار می دهیم لذا روش تحقیق بشرح

ذیل می باشد:

١- بررسی موضوع تحقیق و مطالعات انجام شده پیرامون موضوع .

٢- جمع آوری اطلاعات و تهیه تصاویر ماهواره ای .

٣- تجزیه و تحلیل اطلاعات بدست آمده از دور سنجی و تصاویر ماهواره ای .

٤- مقایسه نتایج بدست آمده با اطلاعات رسوب رودخانه منطقه .

٥- نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات .

فصل دوم

پیشینه تحقیق

٢- پیشینه تحقیق

٢-١- مطالعات خارجی

آقای واس ١و همکارانش در سال  ١٩٩٧ گل آلودگی در رودخانه و رسوبات معلق در

آبگیر هامبر را با استفاده از تصاویر ماهواره ای مورد بررسی قرار دادند(١٩٩٧ ,Wass).

برای محاسبه میزان جریان رسوبات معلق به ثبت میزان تراکم رسوبات معلق و تخلیه آب نیاز داریم . بیشتر حرکات رسوبی رودخانه ای به هنگام سیل اتفاق می افتد. برای مثال نمونه برداری هفتگی یا ماهانه شاید چیزی را در این خصوص مشخص نکرده و جابجایی رسوبات نادیده گرفته شود. بنابراین با نمایش میزان گل آلودگی در خروجی آبگیر هامبر می توان مرتبًا تراکم و رسوبات معلق را اندازه گیری کرد. گل آلودگی آب ، بیانگر ویژگیهای بهینه آب است که سبب پخش شدن یا جذب نور، غیر از انتقال در مسیر راست می گردد. گل آلودگی آب که به علت وجود مواد معلق در آن می باشد غالبًا برای محاسبه تراکم رسوبات معلق رودخانه ای، مورد استفاده قرار می گیرد. حسگرهای تشخیص دهنده میزان گل آلودگی، احتماًلا به صورت ابزارهای تشخیص تراکم کم یا زیاد دسته بندی می شوند. اندازه گیری میزان گل آلودگی با کمک تراکم پایین آن بر اساس این قاعده است که ذرات رسوبی، نور را جذب می کنند.

داده های حاصله از دورسنجی دارای ٢ مزیت است . اول اینکه به دلیل پوشش فضایی، کلیه اندازه های نقاط متفاوت را در بر گرفته ، دوم اطلاعات زیادی را در سطح بسیار وسیعی بصورت سریع آماده می سازد. اطلاعات دورسنجی درسطوح پایین تر رودخانه ای که به هامبر وارد می شوند بدست می آیند تا بتوان پراکندگی فضایی پارامترهای کیفی آب شامل تراکم رسوبات معلق و دمای سطحی را به تصویر کشید. کاربرد اصلی اطلاعات بدست آمده از

ATM٢ (نقشه بردار موضوعی هوایی ) تشخیص دمای سطح آب های رودخانه ای برای کسب اطلاعات در خصوص اراضی مجاور رودخانه ای است . هدف از کاربرد اطلاعات CASI٣ (تصویر بردار کوچک طیفی ) دربرنامه ٤ Lois تهیه اطلاعات در خصوص پارامترهای کیفی آب مثل تراکم رسوبات معلق و فراوانی فیتوپلانکتون ها می باشد. نتایج همزمان حاصله از

CASI و ATM نشان می دهد که حوزه تحت گستره ATM گسترده تر از CASI بوده درحالیکه رزولوشن فضایی آن کمتر است . طیف های بازتاب شدت تابش با پهنای باند طیفی کانال های CASI، همتاب شده تا بازتاب شدت تابش توسط این کانال ها اندازه گیری شود. سپس رگرسیون خطی برای هر کانال CASI بین بازتاب شدت تابش   و تراکم رسوبات

معلق انجام می شود. بنابراین معادله رگراسیون حاصله عبارت است از:

آقای یاتس ١و همکاران در سال ١٩٩٣ از تصاویر ماهواره ای برای تعیین توزیع رسوبات سطوح جزرومدی استفاده کردند. در این مقاله فعالیت سه روش پردازش عکسهای ماهواره ای برای تهیه نقشه های توزیع رسوبات سطوح جزرومدی شرح داده می شود. داده های لندست ٥ برای تهیه نقشه توزیع سطوح رسوبات در منطقه جزرومدی wash واقع درشرق انگلستان در دو مجموعه یکی در دسامبر ١٩٨٦ و دیگری در جولای ١٩٨٩ بدست آمده است .

ABSTRACT

Whereas the tank volume and dehydrating digits from kinds of tanks are

depended on repository sludge, so calculating the sediments is so important

in tank planning and hydraulic structures. We are worry a lot about soil

erosion in the basin area leading to deposit in rivers and lakes. It holds two

reasons: firstly, because the surface soil of drainage would lose its fertility

and secondly, the capacity of the tank decreases also it causes the decrease

of water quality in downstream. Several studies have shown that we can

estimate  the  rate  of  suspension  sediments  through  remote  sensing

techniques. Whereas using remote sensing methods in contrast to the

traditional and current techniques is faster and more accurate then they can

be used as the effective techniques. The intent of this study has already

been to estimate the rate of sediments in river through remote sensing and

satellite images then comparing the gained results to the sediments data to

use them in gauge-hydraulic station. We mean to recognize the remote

sensing methods in calculating sediment and use them to determine the rate

of river sediments so that identifying their accuracies. According to the

results gained of the shown relations at this article, the amount of annual

sedimentary  in  GHARESOU  AND  BALEKHLOCHAI  drainages  in

ARDEBIL province have been 55188 and 30947 Tones, respectively that

are corresponded to the estimated amount of sediments according to

hydrologic method, USBR.