تحقیق و پژوهش > مقالات
مدلسازی ذوب برف و GIS

پوشش برف یک پدیده مهم هیدرولوژیکی است. وآب ناشی از ذوب برف یک منبع حیاتی در بسیاری از نقاط جهان بوده و سهم چشمگیری درسیلاب رودخانه ها دارد.دربعضی فصول پوشش برف بر تشکیلات زیستی وکیفیت آبی حوضه های رودخانه ای تاثیرگذارمیباشد. بنابراین مدلسازی انباشت برف وذوب آن یک مسئله حائز اهمیت است. تحقیقات اخیر در فنآوریGIS ، ترکیب مناسبی را از تحلیلهای GIS ای وابزارهای نمایشی درارتباط با مدلهای هیدرولوژیکی دراختیارقرار می دهد. درخصوص مدلسازی ذوب برف این نوع ترکیب سازی به همان اندازه که تغییرات مکانی متغیرهای هیدرولوژیکی وجغرافیایی وتاثیرشان بر واکنش های حوضه رادرنظرمی گیرد . همچنین اصول زیربنایی مناسبی راجهت شناخت بهتر ازمسئله انباشت برف و فرآیندهای رواناب ناشی از ذوب برف درحوضه، فراهم می کند.

موضوع تحقیق حاضراینست که با کمک GIS نسخه توزیع انرژی بر پایه مدل برف تهیه گردیده و در قسمت بالا رود حوضه کوهستانی جالووسکیJalovecky (درغرب کوههای تاترا Tatraدرکشور اسلواکی) مورد آزمایش قرار گرفته است. بعلاوه این مقاله کاربردهایی از مدلسازی ذوب برف ( میزان آب ناشی ازذوب برف) درایجاد رواناب وخطرایجاد سیلابهای محلی وهمچنین آلودگی آبها را نشان می دهد.
مدل شبیه سازی آب معادل ذوب برف برای ارتفاعات بالادست مناطق جنگلی قابل پذیرش بوده،امادرمناطق جنگلی ومناطقی که درمعرض مستقیم وزش باد قرار گرفته اند،نتایج اغراق آمیز می نمود.
همچنین بااین تحقیق مناطقی که میزان رواناب آنها تحت تاثیر آب معادل ذوب برف هستند،شناسایی وزمانهای اولین رخداد ذوب برف ومرحله اصلی ذوب وزمان حداکثر ذوب برف برآورد گردید.

مقدمه
فرآیندهای فیزیکی کوله برف که ذوب برف راهم شامل میشود خیلی پیچیده اند. این فرآیندها موازنه انرژی بین دمای هوا وتوده برف وانتقال گرما راشامل می گردند.ایجاد لایه های یخی دراثر افزایش حجم برف ونقش فرآیندهای فیزیکی خاک مثل دستکاری وجریانات افقی مسئله را پیچیده تر می کند.
ذوب برف اساساً فرآیند انتقال انرژی است . ورود تابش موج کوتاه ، جذب وخروج تابش موج بلند ، انتقالهای توفانی یعنی جریانات گرمای محسوس ونهان ، مبادلات انرژی بین برف وسطح زمین آن‏ ، همگی اجزاء اصلی این انتقال می باشند.(شکل ۱)



شکل ۱ : جریانات انرژی رادرذوب برف نشان می دهد : Qsn - تابش خالص خورشیدی ، Qln- تابش خالص موج بلند، Qp- گرمای نهان دربارش ، Qh- گرمای محسوس، Qe-گرمای نهان درتصعیدوانقباض ، Qg – جریان گرمای زمین (تغییرات پی درپی گرمای زمین ) ، Qm- گرمایی که دراثر ذوب رها می شود.

مهمترین مبادلات انرژی در نزدیک سطح برف رخ می دهد. سطح برف ذوب می گردد و همچنین درسطح برف هربرف یا بارانی ببارد ، می تواند انرژی مهمی رابا خود بیاورد . بطور کلی توزیع برف در سطح حوضه تحت تاثیر باد و پوشش گیاهی می باشد. باد باعث تجمع برف شده که درنتیجه آن ، انباشتگی یا پاکسازی منطقه ای از برف رابه همراه می آورد. پوشش گیاهی درتوزیع برف با قطع بارش برف از طریق ایجاد سایبان واثری که درقلمرو میدان باد می گذارد ، تاثیرگذار است. Mckay وGray درسال۱۹۸۱فاکتورهایی که برتوزیع برف درمقیاس های متفاوت موثر می باشد را بررسی نموده اند.
بزرگ مقیاس ( ارتفاع ۱۰۴تا۱۰۵ متری) – توپوگرافی وکوهها ، تاثیرات هواشناسی ، جریان باد اطراف ، موانع واثرات دریاچه.
متوسط مقیاس ( ارتفاع ۱۰۲تا۱۰۳متری ) - تجمع دراثرباد وبهمن ، نهشته گذاری وانباشت مرتبط با ارتفاع ، شیب ، جهت دامنه ها ، ارتفاع وتراکم پوشش گیاهی.
کوچک مقیاس ( ارتفاع ۱۰تا۱۰۲متری) – ناهمواری سطوح وانتقال پدیده.

بطور کلی مشخصات کوله برف ازنقطه نظر هیدرولوژیکی معادل آب ناشی از ذوب برف است.(مقدار آب به ذوب برف بستگی دارد.) مدلهای ذوب برف زیادی برای تخمین ارتفاع آب ناشی از ذوب بیان گردیده است. بطورکلی این مدلها به سه گروه تقسیم می شوند. مدلهای شاخص ، مدلهائی که برپایه انرژی ساخته شده اند، ومدلهائی که بطور جزئی ترترکیب کاملی را از فرمولهای مربوط به انرژی وجریانات توده ای استفاده نموده اند.
مدلهای شاخص ، ساده ترین مدلها هستند . این مدلها بر پایه یک ارتباط بین ذوب برف وپارامترهائی که به آسانی در دسترس هستند مثل درجه حرارت طراحی شده اند . مثال نمونه از این گروه از مدلها ، مدل درجه - روزمی باشد که ذوب برف رابر اساس فرمول زیر محاسبه می کند.
M=c (T-Tk)
حرف M میزان ذوب برف می باشد، حرفC فاکتور درجه- روزاست ( مقدار آب بدست آمده از ذوب برف بازای یک درجه دمای هوا که بالاتر از آستانه معمولی برود.)T دمای هوا ست ، Tk آستانه دمائی که بالاتر از آن ذوب برف شروع می شود.

مدلهائی که بر پایه انرژی طراحی می شوند ازفرآیندهای فیزیکی پایه ای تاثیر گذار بر انباشت برف وذوب آن یعنی جریانهای انرژی استفاده می کنند. مدلهای جزئی ترکه بر اساس معادله ها وفرمولهای انرژی وحرکات توده ای قرار دارند به لحاظ فیزیکی دقیق می باشند اما نیاز به داده های زیادی دارند که به آسانی دردسترس نبوده یا در کل موجود نیستند.
مدلهای برفی اغلب زیرشاخه ای از مدلهای بارش– رواناب که برای مشابه سازی وپیش بینی دبی رودخانه ها استفاده شده، می باشند . Bengtsson وsingh درسال۲۰۰۰ تاکید نمودندکه فرضیه ذوب برف باید در ارتباط با مدل رواناب باشد. این نظریه توجیهی است برای اینکه چرا مدلهای درجه- روز بطور موفقیت آمیزی دربسیاری از نقاط جهان قابل اجرا می باشد.
روش تحقیق

از مدل UEB_EHZ که با فاصله زمانی روزانه کار می کند برای مشابه سازی توده برف و ذوب برف در حوضه مورد مطالعه استفاده گردید.این مدل براساس یک نظریه انرژی ( مدل تعادل انرژی توده برف وذوب برف _ Utah متعلق به تاربوتان و Luce (1996))پایه گذاری گردیده است.
مدل UEB برف را بصورت یک لایه نشان می دهد. و همراه دو حالت عمده متغیر یعنی آب معادل ذوب برف وظرفیت انرژی میباشد.این مدل با داده هایی مثل درجه حرارت، بارش ، سرعت باد ، رطوبت و ورودانرژی تابشی بدست آمده واز پارامترهای فیزیک پایه مربوط به تابش برف (آلبدو) ومبادله های گرمای محسوس و نهان و همرفتی استفاده می کند. بهمین دلیل ، این مدل برای استفاده در روشی که یک شبکه را بر روی یک حوضه پخش نماید( توزیع نمود) مناسب است.
GIS جهت نمایش توزیع مکانی داده های هواشناسی وسایر داده های مکانی مثل مدل ارتفاعی _ رقومی (DEM ) ، شیب ، جهت دامنه ونقشه های تیپ های گیاهی مورد استفاده قرار می گیرد. (شکل۲) : نقشه ورود انرژی تابشی ونقشه برف بادآورده که بیانگر تجمع برف بر روی حوضه می باشد، را نشان می دهد.اندازه شبکه برای تمامی نقشه های رستری انتخاب شده ، ۱۰۰ متر می باشد.

نمایش مکانی انرژی تابشی با الگوریتم های Solei32 (1998) محاسبه گردیده ، که اختلافهای توپوگرافیکی زمینهای مجاور را نیز مدنظر قرار داده است. اندازه گیری میدانی بیانگر اینست که انرژی تابشی در نواحی جنگلی با ضریب ۱/۰ درمقایسه با برآورد تابش درنواحی باز باید کاهش پیدا کند.


شکل ۲ : برخی از خصوصیات فیزیوگرافیک حوضه جالووسکی : نمایش مدل ارتفاعی_ رقومی (DEM ) همراه موقعیت ایستگاههای اندازه گیری آب معادل ذوب برف


توزیع مکانی پوشش برف عمیقاً به اهمیت بادی که تجمع برف را ایجاد کرده وابسته است.(نقشه برف بادآورده ) به دوطریق می توان نقشه برفهایی که توسط برف آورده می شود را ترسیم نمود. در روش اول قسمتی از حوضه که جنگلی شده است را با فاکتور ۹/۰ ونواحی دیگر را با فاکتور ۲ نشان دهیم ، تامیزان تجمع برف یا انتشار آن درسطح حوضه دراثر فعالیت باد نشان دهیم.
در روش دوم نقشه برف بادآورده را با کمک GIS تهیه نموده وسرعت بادی که درشیب ها وانحنای برجستگی ها جریان می یابد را درونیابی نمودیم .( برطبق روش ریان Ryan- 1997و - Strum1998 ( .
برطبق این روش مقادیر سرعت باد ابتدا برروی شبکه درونیابی میگردد ، سرعت باد بدست آمده براساس یک نقشه برجسته که از ضریب تجربی w استفاده می کند ، مدلسازی می شود.


W = 1.0 + gsWs + lcWc
Ws وWc شیب برجستگی وانحناء درجهت باد هستند.بترتیب gs و gc ضرایب ثابت هستند. مقایسه میدانهای بادی مرتبط با الگوهای مسیرهای بادی دربهار بطور نسبی خوب فیت شدن را نشان می دهد(شکل۳).
کاربرجسته مدل توزیعی UEB_EHZ با اندازه گیری میدانی از میزان آب معادل برف در زمستان سالهای ۱۹۹۹-۲۰۰۰ که در ۱۳نقطه حوضه بدست آمد ، مورد تائید قرار گرفت. اندازه گیریها غالباً دریک نقطه ازارتفاع متوسط حوضه (یک بار در هفته درطول زمان ذوب برف ) و۳تا۴ بار درزمستان درمکانهای دیگر بود.
مدل UEB_EHZ برای یک دوره ۲۴۳ روزه بین اول نوامبر ۱۹۹۹ تا ژوئن ۲۰۰۰ انجام شد. نمایش مکانی از آب معادل برف بصورت نقشه رستری برای هرروز محاسبه گردید.مقادیرآب معادل برف سپس از سلولهای شبکه ای که معرف مکانهای اندازه گیری بودند ، استخراج گردید. سپس مقادیر روزانه آبهای معادل برف مدلسازی شده برای ۱۳ مکان اندازه گیری شده دیگر بدست آمد.

شکل ۳: مثالی را از همبستگی بین مسیرهای برف بهاره وضریب باد در حوضه رودخانه جالووسکی نشان می دهد.

خصوصیات وویژگی های فیزیوگرافیک حوضه جالووسکی
حوضه رودخانه جالووسکی (شکل ۴) یک حوضه معرف در بالاترین قسمت کوههای کارپاتیان ( سلسله جبالی بطول ۱۲۰۰ کیلومتر در اروپای میانی ) واقع شده است.
وجود یخچالهای دوره کواترنری در حوضه بطور ویژه ای مدلسازی آن راضروری می نماید. مساحت حوضه ۲۲/۲ کیلومتر مربع می باشد. تغییرات ارتفاعی حوضه از ۸۰۰ تا ۲۱۷۸ (با متوسط ۱۵۰۰متر) می باشد. شیب متوسط حوضه ۳۰درصد است. جهت حوضه عمدتاً جنوبی است ودامنه های شمال ، شمالشرق، وشرق حوضه فقط ۱۵درصد از کل مساحت حوضه را دربرمی گیرد.
سنگهای آذرین (گرانیت) ، دگرگونی( شیست ، گنیس، مگماتیت) ورسوبی ( رسوبات لس دوره کواترنری ) بترتیب ۲۱،۴۸، ۲۴ درصد سطح حوضه را دربرمی گیرد. ۷درصد باقی مانده از مساحت حوضه را دولومیت ها وسنگ آهک دوره مزوزوئیک تشکیل می دهد. توزیع خاک بطور عمده با خاکهای منطقه ای (Cambisols - podzols -ranker - lithosol ) مشخص می شود.جنگل صنوبر ۴۴درصد سطح حوضه را دربر گرفته است.کاج های کوتاه قد ۳۱درصد و چمنزار ها وزمین های سنگ لاخی ( زمینهای بایر ) ۲۵درصد از مساحت حوضه را شامل می شود. میانگین بارش حوضه ( ۱۹۸۹- ۲۰۰۰) ۱۵۵۰ میلیمتر ، میزان رواناب ۱۰۱۵ میـلیـمتر ، دمای هوا درارتفاع متوسط حوضه ۳/۵ درجه سانتیـگراد ، پوشش برف فصلی در بیـن ماههای نوامبر تا می در حوضه مشاهده می شود . اولیـن ذوب برف معمولاً در مارس رخ می دهد. پس از دو هفته ذوب برف متوقف می شود. همواره ذوب برف در آوریـل شروع شده وفاز اصلی آن دردهه آخر آوریـل است.
از اندازه گیـریـهای بدست آمده از آب معادل برف درحداقل ۳۰سال نشان می دهدکه زمستان ۱۹۹۹-۲۰۰۰ بطور نسبی سرد وپربرف ( شکل ۵ وجدول۱) بوده است. مدت زمان انباشت برف وذوب آن بطور نسبی ساده است.
مدل برآورد نقطه ای UEB بطرز جالبی برای دوره های زمانی مختلف از داده های ورودی شبیـه سازی را انجام می دهد(شکل۶).

شکل ۴ : حوضه رودخانه جالووسکی

شکل ۵ : میـانگیـن آب معادل ذوب برف دردوحوضه کوهستانی درناحیـه مورد مطالعه درزمستانهای ۶۹/۱۹۶۸و۲۰۰۱/۲۰۰۰
جدول ۱: مشخصات آب و هوایی فصل زمستان ( نوامبر تا مارس ) سالهای ۱۹۹۵-۱۹۹۶ و ۱۹۹۹-۲۰۰۰ درحوضه جالووسکی که درارتفاع متوسط حوضه برداشت گردیـده است. بارش ، میـانگیـن دمای هوا، جمع دماهای منفی وحداکثر آب معادل ذوب برف .


شکل ۶ : شبیـه سازی آب معادل ذوب برف رادر ارتفاع متوسط حوضه وباروش نقطه ای مدل UEB نشان می دهد، وبرای دوره های مختلف زمانی برحسب زمان ورودداده های هواشناسی ( که بصورت روزانه ، همچنیـن داده هایی که بصورت استاندارد درساعات ۷ صبح ، ۲ و۹ بعدازظهر ثبت میگردد) ، ترسیـم گشته است.
نتایـج
مدل شبیـه سازی توزیـع مکانی آب معادل ذوب برف بطور نسبی قابل قبول بود. چند مثال از مکانهای مختلف در شکل ۷ نشان داده شده که بخوبی شبیـه سازی برای مناطق جنگلی را نشان می دهد. شبیـه سازی مناطق جنگلی ارتفاعات پایینتر بصورت جزیی اغراق آمیـزگردیـده است. آب معادل ذوب برف که شبیـه سازی شده برای مکانهای بالاتراز جنگل دوراز واقعیـت نبوده وقابل پذیـرش است.شبیـه سازی اشتباه درمورد مناطقی که در معرض وزش باد هستند صورت گرفته است.
توزیـع مکانی مدلسازی شده آب معادل ذوب برف در شروع زمستان ودر زمانی است که حداکثر انباشت برف همانگونه که در شکل ۸ نشان داده شده ، می باشد. همانطور که دیـده میشود توزیـع برف درآغاز زمستان تحت تأثیـر پوشش گیـاهی پراکندگی مکانی کمی در نواحی جنگلی داشته ودر بالاترازمناطق جنگلی تفاوتهای مکانی بیـشتر مشاهده می شود. جهت دامنه ها نقش مهمی درتوزیـع مکانی پوشش برفی که درآغاز زمستان می بارد داشته و همچنیـن بنظر میرسددر زمان حداکثر انباشت برف عامل گرادیـان ارتفاع اثر غالبی درتوزیـع مکانی برف ایـفاء می کند.
خروجی مهم هیدرولوژیکی دیگر مدل UEB_EHZ ‏، جریان آب حاصل از ذوب برف است.این فاکتور منجر به شناسایی قسمت هایی از حوضه که آب حاصل از ذوب برف آنها بر میزان رواناب حوضه تأثیر گذار است ، می شود. نواحی که رواناب حاصل از ذوب برف آنها بالا بوده ممکن است همچنین به اسیدی شدن محل درشروع زمان ذوب برف کمک نموده ودر نتیجه در کیفیت آب تأثیرگذاشته وخطرات محیطی به همراه بیاورد.
شکل۹و۱۰خروجی های ذوب برف مدلسازی شده در حوضه جالووسکی درتاریخ های مشخصی از فصل ذوب برف سال ۲۰۰۰رانشان می دهد.
تاریخ های انتخاب شده شامل موارد ذیل است:
۹مارس ۲۰۰۰- اولین رخداد ذوب برف
۲۵مارس ۲۰۰۰- دوره کوتاه بدون ذوب قبل از شروع دوره دائمی ذوب برف .
۱۵آوریل ۲۰۰۰- آغاز مرحله اصلی ذوب برف .
۲۲آوریل ۲۰۰۰- زمان حداکثر ذوب برف .
درشکل ۹ – پراکندگی مکانی رواناب های حاصل از ذوب برف جلوه های جالبی را ازفرآیندهای ذوب برف رانشان می دهد. روشن است که ذوب برف درتاریخ ۹ مارس تنها درقسمت های پایین دست حوضه وجود دارد. در۲۵مارس ذوب برف را درمحدوده کوچکی از ارتفاعات پایین دست حوضه مشاهده می شود. درمرحله اصلی ، ذوب برف در کل حوضه بجزبالاترین مناطق دیده می شود. ودر۲۲آوریل درکل حوضه پدیده ذوب برف را مشاهده می کنیم . بنظر می رسد ارتفاع مهمترین فاکتور مؤثر بر توزیع مکانی نواحی که با ذوب برف مواجه هستند، می باشد.
بیشترین پدیده ذوب برف در امتداد مرز جنگلی رخ می دهد . کل نتایج بدست آمده از این تحقیق با دانش توزیع مکانی ذوب برف در مناطق کوهستانی مطابقت دارد. و نتایج مدلسازی شده بنظر قابل قبول است.

شکل ۷: مقایسه ای را از مقادیر ثبت شده ( دوایرآبی) ومدل شبیه سازی شده (خطوط) آب معادل ذوب برف در مناطقی با ویژگی های مختلف نشان می دهد.


شکل ۸: پراکنش مکانی آب معادل ذوب برف شبیه سازی شده بر حسب میلی متر درآغاز زمستان ( تاریخ ۱/۱/۲۰۰۰) ودرزمان حداکثر انباشت (۷/۴/۲۰۰۰) نشان می دهد.

شکل ۹: پراکنش مکانی رواناب حاصل از ذوب برف را نشان می دهد ، رنگ سفید بیانگر اینست که هیچگونه ذوب برفی در حوضه نیست.

شکل ۱۰ : مقایسه میزان آب معادل ذوب برف شبیه سازی شده با میزان رواناب حوضه

برنامه مدل سازی تعادل انرژی (UEB)، شبیه سازی های قابل قبولی را از آب معادل ذوب برف در حوضه کوهستانی چالووسکی ارائه می کند که برای مکانهایی با شرایط مشابه قابل استفاده است. تحلیلهای جالبی را می توان با استفاده از خروجی های آب حاصل از ذوب برف بدست آورد. برپایه اصول فیزیکی مدل می بایست با تغییرات جزیی قابل استفاده در حوضه های کوهستانی دیگر نیز باشد.برآورد صحیح از تجمع برف بواسطه وزش باد درمنطقه جنگلی به منظور مدلسازی تغییرات مکانی آب معادل ذوب برف مهم می باشد.می بایست تحقیقات بیشتری برای شناسایی پارامترهای مؤثر در ضریب مکانی آب حاصل از ذوب برف صورت پذیرد . مرز خط جنگلی اثر مهمی را در توزیع پوشش برفی ومتعاقباً درذوب برف دارد . ومدلسازیهای اثبات شده این تحقیق درمورد ذوب برف درامتداد مرز جنگلی ، میبایست درتحقیقات بعدی قابل اجرا باشد.


سه شنبه ۲۱ اسفند ۱۳۸۶
۱۳:۲۶:۵۶
تعداد بازدید ها از این صفحه: ۴۵۷۷



تعداد بازدیدکنندگان کنونی: ۲

تعداد کل بازدید کنندگان: ۷۷۰۲۳۵










Copyright © QazvinMet All rights reserved
E-mail : info@qazvinmet.ir - Design and Power by: CaspianITC