******
(1) آشنايي با سيستم هاي اطلاعات جغرافيايي
(3-1) كليات:
پيشرفت تكنيكهاي سنجش از دور ازيك طرف واستفاده از دستگاههاي اندازه گيري در زمينه هاي مختلف كميت و كيفيت آب از طرف ديگر، امكان دسترسي به حجم عظيمي از داده ها را در زمينه هاي مختلف مهندسي آب در مناطق مختلف جهان مهيا كرده است. در مسائل كنترل ، ذخيره سازي و بهنگام نمودن منابع آب، بررسي وتجزيه وتحليل اين حجم ازداده ها نيازمند استفاده از امكانات خاص نرم افزاري و سخت افزاري است كه سيستم هاي اطلاعات جغرافيايي به نحو مطلوبي آنرا فراهم مي سازند. اين سيستمها امكان مديريت داده هاي مختلف و انجام عمليات مكاني بين لايه هاي مختلف را فراهم ميسازند. اين قابليت ها در حدي هستند كه مي توان سيستمهاي مذكور را به شكل مؤثري از نرم افزارهاي بانك اطلاعاتي و يا نقشه كشي مجزا كرد.
برنامه ريزي و مديريت منابع آب از جمله موارد كاربردي جديدي است كه توسط سيستمهاي اطلاعات جغرافيايي(GIS) بخوبي انجام ميگردد. بعنوان نمونه، بررسيهاي كمي منابع آب نظير؛ تخمين رواناب ناشي از بارش، تهيه نقشه هاي پهنه بندي سيلاب، بررسي فرسايش حوزه هاي آبريز، و ..... توسط اين ابزارها بخوبي صورت ميگيرد.
تعريف GIS
جهت انجام عملياتهاي مختلف بر روي داده هايي كه مشخصه مكاني (فضايي) آنها يك مشخصه اصلي محسوب مي گردد، از ابزاري تحت عنوان GIS بهره گرفته مي شود. بدليل رابطه موجود بين مشخصه مكاني نقاط و سطح زمين و خاك ، اين سيستمها با عناويني همچون LIS (سيستم اطلاعات زمين) و SIS (سيستم اطلاعات خاك) نيز بيان مي گردند كه از ميان عنوان GIS در محافل علمي متداولترين ميباشد.
GIS در ميان محققين داراي تعاريف متنوعي مي باشد. اما كاملترين تعريفي كه مناسب GIS باشد را مي توان براساس مؤلفه هاي تشكيل دهنده آن بيان داشت. اين تعريف در برگيرنده مؤلفه هايي همچون:
1. ورود داده ها: شامل جمع آوري و دسته بندي
2. مديريت داده ها: شامل ذخيره سازي و بازيافت
3. دستكاري داده ها: شامل تجزيه، تحليل و تلفيق
4. خروج داده ها: شامل ارائة نتايج بصورت جدول، نمودار و نقشه مي باشد.
بنابراين مي توان GIS را بصورت يك نرم افزار و سيستم رايانه اي كه قادر به جمع آوري كنترل ، تركيب و تجزيه و تحليل اطلاعات مربوط به سطح زمين مي باشد تعريف نمود.
بطور اجمال قابليتهاي GIS نسبت به سيستمهاي اطلاعاتي مشابه و روشهاي دستي را مي توان بشرح زير بيان داشت:
* براي حجم زياد داده هاي جغرافيايي مناسب بوده وعمليات راسريعتر وباهزينه كمتر انجام ميدهند.
* داراي دقت فوق العاده بيشتري نسبت به روشهاي دستي مي باشد.
* در بهنگام سازي داده ها بسيار آسان عمل ميكند.
* امكان دستكاري و تلفيق داده ها را با سرعت زياد فراهم مي كند.
* براي مكان يابي پروژه هاي مختلف قابل استفاده است.
تاريخچة GIS
ريشة GIS از علم جغرافيا مشتق ميگردد. در سال 1960 ميلادي دولت كانادا براي مشخص نمودن وضعيت منابع طبيعي موجود در اين كشور اقدام به برداشت حجم زيادي از اطلاعات نموده و آنها را در قالب يك سيستم اطلاعات جغرافيايي مورد تجزيه وتحليل قرار داد. بدين ترتيب اولين سيستم GIS تحت عنوان C- GIS بوجود آمد. در ابتدا اين سيستم ها توسط كاربران موجود مورد استقبال قرار نگرفتند وليكن از اواخر دهة 60 ميلادي به بعد بدليل ورود كامپيوترهاي پيشرفته با قابليتهاي بالا، اين سيستمها در رشته هاي مختلف علمي كاربردهاي متنوعي پيدا نموده و مورد استقبال كاربران و شركتهاي مختلف قرار گرفتند.
ساختار كلي عملكرد GIS
عملكرد كلي اين سيستم ها بدين صورت است كه در ابتدا اطلاعات مكاني و توصيفي مربوط به عوارض جغرافيايي از طريق روشهاي مختلف جمع آوري شده و بصورت لايه هاي مختلف اطلاعاتي در سيستم مركزي ذخيره مي گردد. سپس عملياتهاي مختلفي (نظير توپولوژي ، هم پوشاني و ...) بر روي اين لايه ها انجام شده و يا پردازش و تحليلهاي منطقي و رياضي، نتايج مورد نظر بدست مي آيند. در نهايت نتابج به شكل نمودار، جدول و نقشه در اختيار كاربران قرار ميگيرد. در شكل (1-3) ساختار كلي عملكرد GIS آورده شده است.
(3-2-1) اجزاء GIS
همانند هر سيستم اطلاعاتي ديگر، GIS نيز از بخشهاي مجزا و مرتبط به هم بهره مي گيرد. اجراي موفق هر مطالعه وتحقيق مستلزم استفاده منطقي از اجزاء اين سيستم مي باشد. بطور خلاصه مؤلفه هاي تشكيل دهنده GIS را مي توان بشرح زير عنوان نمود:
1. داده ها و اطلاعات
2. سخت افزار
3. نرم افزار
4. كاربران وپرسنل اجرايي
1ـ داده ها و اطلاعات
به جرأت مي توان گفت كه پايه اصلي GIS را داده ها و اطلاعات تشكيل ميدهند، حجم بالايي از عمليات كاري در اين سيستم ها به جمع آوري و ورود داده ها اختصاص مي يابد.
داده هاي جغرافيايي به دو دسته مكاني (فضايي) و غير مكاني (توصيفي) تقسيم بندي ميگردند . داده هاي مكاني بيانگر مشخصه مختصاتي عوارض و پديده ها مي باشند( مختصات هندسي يك جاده ، رودخانه ، ايستگاه پمپاژ و ...) . داده هاي توصيفي بيانگر ارزشها و چيستي عوارض ميباشند (غلظت نمك در آب يك درياچه، جنس سازندهاي يك منطقه ، مساحت يك آبگير و....).
* ساختار و نمايش داده ها
جهت نمايش داده هاي مكاني در سيستمهاي GIS از دو ساختار برداري و شطرنجي يا رستري بهره گرفته ميشود. در اين حالت تمامي عوارض باشكلهاي هندسي نظير نقطه،خط وچندضلعي مشخص ميگردند.
در ساختار برداري، هر پديده اي كه در جهان واقعي وجود دارد، با مقياسي كوچكتر نمايش داده ميشود. ( همانند تصوير پلان )
در ساختار شطرنجي ، شكل پديده ها و عوارض بصورت صفحات شطرنجي در آمده و موقعيت عوارض بوسيله موقعيت سطر و ستوني كه در آن قرار ميگيرد، مشخص مي گردد. در اين حالت فقط يك تصوير كلي از پديده ها مشخص مي گردد. در شكل (3-2) تفاوت نمايش جهان واقعي در ساختار برداري و شطرنجي مشخص گرديده است.
هر يك از ساختارهاي برداري و شطرنجي داراي محاسن و معايبي مي باشند. در جدول (3-1) به تعدادي از محاسن معايب اين ساختارها اشاره شده است .
* منابع جمع آوري داده هاي جغرافيايي
داده هاي جغرافيايي را مي توان با استفاده از روشهاي زير جمع آوري نمود:
* مشاهدات زميني
* عكسهاي هوايي
* تصوير ماهواره اي
* سيستم تعيين موقعيت جهاني
مشاهدات زميني : دراين روش داده هاي جغرافيايي توسط آژانسها وسازمانهاي مختلف جمع آوري شده و سپس داده هاي مكاني توسط كارتوگرافيستها به نقشه تبديل ميگردد. در نهايت داده هاي توصيفي و مكاني بصورت لايه هايي در سيستم GIS ذخيره مي گردند.
عكسهاي هوايي: بااستفاده ازعكسهاي هوايي ميتوان براحتي و بدون كار گسترده ميداني، به داده هاي نسبتاً جامعي نسبت به بازه مطالعاتي دست يافت .
تصاوير ماهواره اي : تصاوير ماهواره هاي حاصل پيشرفت تكنولوژيكي در علم سنجش از دور ميباشند. سنجش از دور يعني اندازه گيري و ثبت خصوصيات فيزيكي و شيميايي جو وسطح زمين از فاصله دور و تحليل اطلاعات ثبت شده به منظور استخراج اطلاعات مفيد و مورد نياز. ساختار مختلف فعاليت دارند، جمع آوري مي شود. درجدول(3-2)مختصات تعدادي از ماهواره اي دردست بهره برداري آورده شده است.
سيستم تعيين موقعيت جهاني (GPS): سيستم تعيين موقعيت جهاني با هدف تخمين دقيق موقعيت جغرافيايي عوارض عوارض سطح زمين بوجود آمده است. اين سيستم متشكل از 24 ماهواره مستقر در مدارهاي بسيار بالا است. اين ماهواره ها بعنوان نقاط مرجع عمل مي كننند. استفاده از GPS براي تهيه اطلاعات مورد نياز GIS گسترش روزافزوني داشته است كه مهمترين دلايل آن را مي توان؛ راحتي استفاده ، دقت بالا و امكان ضبط داده ها به شكل رقومي عنوان كرد.
جدول (3-1) : مقايسة الگوهاي برداري و شطرنجي
جدول (3-2) : مشخصات تعدادي از ماهواره هاي مورد استفاده در مطالعات سنجش از دور
2- سخت فزارهاي مرتبط با GIS
در سيستم هاي GIS ،از سخت افزارهاي متنوعي استفاده ميگردد. باتوجه به اينكه مطالعات در چه مرحله اي قرار داشته باشد، كاربران مي توانند از سخت افزارهاي موجود در دسته بندي زير استفاده نمايند.
* سخت افزارهاي مرتبط با ورود اطلاعات (صفحه كليد،رقومي كننده، اسكنر و ...)
* سخت افزارهاي مرتبط با مديريت اطلاعات (سخت افزارهاي جانبي رايانه ها مثل ماوس...)
* سخت افزارهاي مرتبط با خروج نتايج (چاپگرها، رسام هاو ...)
3ـ نرم افزارهاي GIS
بسته ها نرم افزاري كه در سيستم هاي GIS مورد استفاده قرار مي گيرند،عملياتهاي متنوعي همانند؛ ذخيره سازي ،بازيافت ، تجزيه و تحليل و تلفيق را بر روي داده هاي جغرافيايي انجام ميدهند. هر يك از اين نرم افزارها براي مطالعات خاصي برنامه ريزي شده است و داراي محدوديت ها و محاسن خاص خود ميباشد. در جدول (3-3) خلاصه اي از مشخصات برخي از رايج ترين نرم افزارهاي GIS آورده شده است. بدليل كاربرد نرم افزارهاي ArcViewدر پروژه حاضر،دراينجا بطور مختصر به معرفي اين نرم افزار مي پردازيم.
نرم افزار ArcView
بسته نرم افزاري ArcView GIS توسط مؤسسه تحقيقات سيستمهاي زيست محيطي (ESRI) توسعه يافته و در اين پژوهش به عنوان يك محيط نرم افزاري مناسب برگزيده شده است.اين نرم افزار طي چند سال اخير به عنوان يك نرم افزار پيشرو در مجموعه نرم افزارهاي GIS ظاهر شده است .تمامي فعاليتهاي داخل ArcView توسط يك پروژه كه ممكن است شامل يك يا چند View,Table,Chart, Layput وScript باشد ، سازماندهي و اداره مي شود. فايلهاي توليد شده توسط ArcView پروژه ناميده شده و توسط پسوند “.apr” مشخص ميشوند . ArcView قادر به كار با داده هاي برداري و رستري ميباشد كه داده هاي برداري در ان sapefile ناميده ميشوند . توابع ArcView شامل نشان دادن sapefile ها در يك View ، ديدن و اصلاح جدول اطلاعات توصيفي مربوط به آن View، رسم نمودار بر اساس داده هاي توصيفي به منظور نشان دادن وضعيت داده ها و توليد خروجي هايي از View ، جداول مربوطه و نمودارها مي باشد.
نرم افزارهاي تخصصي ArcView ، Extension ناميده ميشوند كه براي دستكاريها و آناليزهاي خاص بر روي داده هاي متفاوت كاربرد دارند. از جمله Extension هاي مهم و پر كاربرد ميتوان به Spatial Analyst ،3dAnalyst و Network Analyst اشاره كرد كه اولي براي توليد ، پرس و جو ، تصوير كردن و اناليزهاي داده هاي رستري ، دومي براي توليد ، تصوير كردن و اناليزهاي داده هاي برداري و TIN ها وسومي براي آناليز هاي شبكه طراحي شده اند. برنامه ها و آناليزهاي دلخواه GIS در ArcView مي تواند بوسيله زبان برنامه نويسي پيش بيني شده به نام Avenue صورت پذيرد . از ديگر توانايي هاي ArcView قابليت سفارشي كردن آن با استفاده از برنامه ها و Extension
ها ي دلخواه است.
4ـ پرسنل مورد نياز GIS
كادر فني كه با سيستم هاي GIS كار مي كنند، نقش برجسته اي در اجراي موفقيت آميز اين سيستم ها دارند. سخت افزارها ونرم افزارهاي بسيار قوي GIS بدون پشتيباني كادر متبحر به كارايي مناسب نخواهد رسيد.
(3-1-3) زير سيستم هاي GIS
GIS نيز همانند سيستم هاي اطلاعاتي ديگر از اجزاء فرعي تشكيل يافته است كه هر يك وظيفه خاصي را بر عهده دارند. سيستم هاي GIS از اجزاء زير تشكيل مي گردند.
1- سيستم فرعي ورودي
2- سيستم فرعي ذخيره
3- سيستم فرعي پردازش
4- سيستم فرعي خروجي
در شكل (3-3) نمايش كلي اجزاءفرعي تشكيل دهنده GIS آورده شده است.
شكل (3-3) زير سيستم هاي GIS
* سيستم هاي فرعي دريافت ورودي داده ها
در اين سيستم، مختصات مكاني عوارض با اطلاعات توصيفي جمع آوري شده، توسط سخت افزارهاي ورودي به سيستم مركزي معرفي مي گردند. عملياتهاي مختلفي همچون : آماده سازي، ورود، كنترل و پيش پردازش و همچنين حذف اشتباهات در اين زير سيستم صورت ميگيرد. در شكل(3-4) اين سيستم فرعي نمايش داده شده است.
شكل (3-4) سيستم فرعي دريافت ورودي داده ها
* سيستم فرعي پردازش داده ها
مهمترين بخش GIS ، قسمت پردازش و تجزيه و تحليل داده ها مي باشد. در اين زير سيستم عمليات اصلي صورت ميگيرد. اولين عمليات به منظور از بين بردن اشتباهات موجود در داده ها سازمان يافته و دومين عمليات به بازنگري و به روز در آوردن اطلاعات و تطبيق آنها مي پردازد. در اين بخش عملياتهاي رياضي كه به منظور آناليز عمومي نقشه ها وايجاد شبيه سازي انجام مي شوند، نيز وجود دارد. شكل(3-6) سيستم فرعي پردازش داده ها رانمايش ميدهد.
شكل (3-6) سيستم پردازش داده ها
* سيستم فرعي خروجي نتايج
ارائه نتايج حاصل از تجزيه و تحليل داده ها در فرم مورد نياز كاربران (نمودار ، نقشه و جدول) در اين زير سيستم صورت ميگيرد. نتايج نهايي مي تواند به شكلهاي ويدئويي ، و نوار مغناطيسي و ... ارائه گردند. در شكل (3-7) اين سيستم فرعي نمايش داده شده است.
شكل (3-7) سيستم فرعي خروجي نتايج
(3-1-1) كاربرد GIS در مطالعات مهندسي منابع آب
GIS از حدود يك دهه قبل در مسائل مرتبط با مهندسي آب بطور چشمگيري مورد استفاده قرار گرفته است. كليه فرآيندهايي كه در چرخه هيدرولوژيكي نقش مؤثري دارند، از نظرمكاني و زماني متغيير مي باشند. بعبارت ديگر اين فرآيندها داراي حالت غير دائمي و توضيعي مي باشند.
دليل كاربرد مؤثر GIS در مسائل هيدرولوژيكي ، وجوه مشترك بين اين دو مي باشد. در هيدرولوژي مهندسي با شناخت مكانيسم فرآيندهايي همچون ؛ تبخير و تعرق، بارش، نفوذ، جريان آب سطحي و جريان بين لايه اي و همچنين فرسايش و رسوب ، مدلهاي هيدرولوژيكي و هيدروليكي شكل مي گيرند كه مي توانند تغييرات مكاني و زماني اين فرآيندها را شبيه سازي نموده و از نتايج حاصله جهت برنامه ريزي استفاده نمود.
مدلهاي هيدروليكي و هيدرولوژيكي به دسته بنديهاي مختلفي تقسيم مي گردند كه در ساده ترين دسته بنديها، مدلها به دو دسته فيزيكي و رياضي تقسيم بندي مي شوند. مدلهاي فيزيكي بدليل محدوديتهاي موجود در آنها، قادر به شبيه سازي تغييرات تمامي پارامترهاي يك حوضه فيزيكي نميباشند. به همين خاطر امروزه استفاده از مدلهاي رياضي بدليل سرعت بالا و تحليل حالتهاي مختلف مورد توجه قرار گرفته است.
GIS با استفاده از داده هاي جغرافيايي وعملياتي مختلفي كه در درون آن نهفته است، قادر است كه با مدلهاي رياضي ارتباط پيدا كرده و به نحوي بستر مناسب اطلاعاتي مورد نياز مدلهاي رياضي را فراهم سازد. البته بايستي متذكر شد كه حالت عكس اين موضوع نيز مي تواند صادق باشد. در هر صورت GIS با ايجاد ارتباط با مدلهاي رياضي ، مطالعات را بصورت دقيق تر، سريعتر و با كيفيت بسيار مطلوب تر از روشهاي معمول به سرانجام مي رساند.
مدلهاي مختلفي بدين ترتيب در مطالعات مهندسي منابع آب با سيستم هاي GIS ارتباط برقرار كرده اند كه در زير به چند نمونه از آنها اشاره مي گردد.
* HEC-1 : جهت تحليل بارش - رواناب
* HEC-2: جهت پهنه بندي سيلاب
* PSIAC : جهت تحليل فرسايش پذيري
* AGNSP:جهت تحليل آلودگي منابع آب (غير نقطه اي كشاورزي)
* SLAMM: جهت تحليل آلودگي منابع آب (غير نقطه اي شهري)
در پروژه حاضر، از سيستم اطلاعات جغرافيايي IL WIS جهت برآورد پارامترهاي مربوط به فرآيند رسوبگذاري در مخزن سد استفاده گرديد. در اين حالت ، اطلاعات خروجي مدل رياضي كه نتيجه شبيه سازي انتقال و ته نشيني رسوبات درمخزن مي باشد، به عنوان ورودي به سيستم GIS معرفي شده و توسط اين سيستم، پارامترهايي نظير حجم رسوبات تجمع يافته در بازه هاي زماني مورد مطالعه ، ضريب كاهش حجم ساليانه، ضريب تله اندازي و عمر مفيد مخزن محاسبه گرديد.
(3-2) انتخاب مدل رياضي جهت انجام مطالعه
فرآيند ته نشيني درمخزن سدها، از جمله فرآيندهاي پيچيده در مسائل مهندسي رودخانه مي باشد. به همين خاطر طرحهايي كه با هدف شبيه سازي اين فرآيند و برآورد حجم و الگوي ته نشيني رسوبات ، توسط مدلهاي رياضي صورت ميگيرد، نيازمند تسلط و تجربه كافي محقق در ارتباط با موضوعات مختلفي مي باشد. بعنوان نمونه مي توان به مواردي همچون زير اشاره نمود.
* آشنايي با قوانين نظري هيدروليك رسوب .
* آشنايي با ساختار عملكرد مدلهاي رياضي.
* آشنايي كافي با منطقه مورد مطالعه
در همين راستا ، در اين طرح تحقيقاتي ، سعي گرديد كه روند منطقي به منظور استفاده بهينه از منابع و زمان در نظر گرفته شود. روند كلي كار در اين تحقيق به سه بخش اصلي، بشرح زير تقسيم بندي گرديده است:
1- انتخاب مدل مناسب جهت شبيه سازي فرآيند رسوبگذاري در مخزن سد.
2- انتخاب مخزن مناسب جهت انجام مطالعه موردي.
3- انجام محاسبات اوليه بامدل رياضي وتلفيق نتايج خروجي مدل باسيستم اطلاعات جغرافيايي(GIS)
فرآيند انتقال و ته نشيني رسوبات در رودخانه ها داراي يك حالت تعادلي است وليكن اين فرآيند در مخازن سدها از يك حالت غيرتعادلي برخوردار مي باشد. از اين جهت اكثر مدلهاي رياضي مورد استفاده در شبيه سازي فرآيند انتقال و ته نشيني رسوبات در مخازن سدها، داراي يك ضعف اساسي مشترك در تحليل اين فرآيند مي باشند. به همين دليل در پروژه حاضر معيارهاي مختلفي جهت انتخاب مدل رياضي در نظر گرفته شد تا اينكه اثرات اين محدوديت به حداقل رسيده و بتوان مدلي ارائه نمود كه قابليتهاي مناسبي در تحليل روند رسوب در آبراه ها و مخازن داشته باشد. معيارهايي كه در انتخاب مدل رياضي مدنظر قرار گرفت بشرح زير مي باشد:
* قابليت شبيه سازي تغييرات در سطح مقطعي عرضي (ديواره هاي آبراهه به صورت فرسايش پذير تحليل گردد).
* قابليت شبيه سازي انتقال و ته نشيني رسوب در پيچ و خم موجود در مسير جريان.
* قابليتهاي گرافيكي مدل در بخش ورود و خروج داده ها و نتايج.
* انجام محاسبات دقيق با حداقل دادة مورد نياز ومچنين دسترسي آسان و هزينه هاي كم تهيه مدل.
* تأئيد قابليت مدل توسط اشخاص، مراكز تحقيقاتي و سازمانهاي مختلف مرتبط با مطالعات مهندسي رودخانه.
