سرویس شبیه‌سازی سیلاب با هوش مصنوعی

مدت زمان مطالعه: 10 دقیقه

شبیه‌سازی سیلاب یکی از مهم ترین اقدامات در مدیریت بحران و کاهش خطر میباشد. در این مطلب اهمیت شبیه‌سازی سیلاب و سرویس هوشمند به منظور خودکارسازی فرایند شبیه‌سازی سیلاب با هوش مصنوعی ارائه شده است.

سیلاب‌ها از مهمترین جریان‌های غیردائمی می‌باشند که با زمان و مکان تغییر می‌کنند. پیش‌بینی رفتار سیلاب‌ها در پروژه‌های مهندسی، مدیریت شهری و مدیریت بحران دارای اهمیت بسزایی می‌باشند. مدلسازی این پدیده با روشهای ریاضی به مهندسین طراح در شناخت تاثیرات جریان در مسیر رودخانه و اطراف ان کمک می کند. روش ماسکینگام از جمله روش‌های رایج در تعیین جریان سیلاب می باشد که براساس مشخصات سیلاب‌های گذشته و رابطه پیوستگی، جریان غیرماندگار سیل را روندیابی می‌کند.

 

همانطور که گفته شد، در این روش نیاز به اطلاعات سیلاب‌های گذشته است و عموما اینگونه اطلاعات وجود ندارند یا دستیابی به آنها بسیار مشکل است.

پیش‌بینی و تعیین میزان کمی فرآیندهای تولید رواناب و انتقال آن به نقطه خروجی حوضه آبخیز از اهمیت خاصی برخوردار است. برآورد پتانسیل تولید رواناب در یک حوضه جهت برنامه‌ریزی در حفاظت خاک و فرسایش و نیز مدیریت حوضه‌ها از لحاظ تولید رواناب و رسوب بسیار حائز اهمیت است. حوضه آبخیز عمدتاً به دلیل وضعیت توپوگرافی و فیزیوگرافی، موقعیت اقلیمی، عدم رعایت مشخصات فنی در احداث راه و ابنیه فنی و تجاوز به حریم رودخانه، زمین‌شناسی و دیگر عوامل مؤثر در ایجاد رواناب، دارای پتانسیل تولید سیل در برخی از مواقع سال می‌باشد.

در ابزار توسعه داده شده شبیه‌سازی جریان سیلاب، با استفاده از ترکیب یک مدل پیچیده ریاضی و GIS، این اقدام انجام شده است. کاربری این سرویس، طوری طراحی شده است که تمامی اقدامات و محاسبات توسط سرویس انجام می‌شود و کاربر بدون نیاز به دانش GIS یا تخصص در زمینه آب‌شناسی و از همه مهم‌تر بدون نیاز به داده، امکان شبیه‌سازی جریان سیلاب را دارد.

دانش GIS مورد نیاز و اطلاعات مورد نیاز برای تحلیل و شبیه‌سازی جریان سیلاب، همگی درون سرویس جای داده شده‌اند و کاربر صرفا با تعیین محدوده مورد نظر برای شبیه‌سازی جریان سیلاب، فرایند را انجام می‌دهد.

 

قابلیت‌ها و برخی ابزارهای اصلی GIS به کار رفته در طراحی این مدل در ادامه آمده است:

برای اطمینان از ترسیم مناسب حوضه‌ها و جویبارها، باید سینک‌ها پر شوند. اگر سینک‌ها پر نشوند، یک شبکه زهکشی مشتق شده ممکن است ناپیوسته باشد. ابزار Fill از معادل چندین ابزار مانند جریان کانونی، جهت جریان، سینک، آبخیز و Zonal Fill برای مکان‌یابی و پر کردن سینک‌ها استفاده می‌کند. ابزار تا زمانی تکرار می‌شود که تمام سینک‌ها در محدوده مشخص شده، پر شوند.

مطابق تصویر زیر، این ابزار همچنین می‌تواند برای حذف قله‌ها، که سلول‌های جعلی با ارتفاع بیشتر از حد انتظار با توجه به روند سطح اطراف هستند، استفاده شود.

منبع: Tarboton et al. (1991) از https://www.esri.com

 

یکی از کلیدهای به دست آوردن خصوصیات هیدرولوژیکی یک سطح، توانایی تعیین جهت جریان از هر سلول در raster است. این کار با ابزار Flow Direction انجام می‌شود.

این ابزار یک سطح را به عنوان ورودی می‌گیرد و یک raster خروجی می‌دهد که جهت جریان خارج از هر سلول را نشان می‌دهد. هشت جهت خروجی معتبر مربوط به هشت سلول مجاور وجود دارد که جریان می‌تواند به داخل آنها حرکت کند. این رویکرد معمولاً به عنوان یک مدل جریان هشت جهته (D8) نامیده می‌شود و از رویکرد ارائه شده در Jenson و Domingue سال 1988 پیروی می‌کند.

 

ابزار Flow Accumulation، جریان انباشته شده را به عنوان وزن انباشته تمام سلول‌هایی که در هر سلول پایین شیب در raster خروجی جریان دارند، محاسبه می‌کند. اگر raster وزنی ارائه نشود، وزن 1 برای هر سلول اعمال می‌شود و مقدار سلول‌ها در raster خروجی تعداد سلول‌هایی است که در هر سلول جریان می‌یابد.

در تصویر زیر، تصویر بالا سمت چپ جهت حرکت از هر سلول و سمت راست بالا تعداد سلول‌هایی که به هر سلول جریان می‌یابند را نشان می‌دهد.

سلول‌های با تجمع جریان بالا، مناطقی با جریان متمرکز هستند و ممکن است برای شناسایی کانال‌های جریان استفاده شوند. این در شناسایی شبکه‌های جریانی مورد بحث قرار گرفته است. سلول‌هایی با تجمع جریان 0، اوج‌های توپوگرافی محلی هستند و ممکن است برای شناسایی مرزها استفاده شوند.

منبع: Jenson, S. K., and J. O. Domingue. 1988 و Tarboton, D. G., R. L. Bras, and I. Rodriguez–Iturbe. 1991 از https://www.esri.com

 

ابزار Stream Order روشی برای اختصاص یک ترتیب عددی به پیوندها در یک شبکه جریان است. این ترتیب روشی برای شناسایی و طبقه‌بندی انواع جریان‌ها بر اساس تعداد شاخه‌های آنهاست. برخی از ویژگی‌های جریان‌ها را می‌توان به سادگی با دانستن ترتیب آنها استنباط کرد.

به عنوان مثال، نهرهای مرتبه اول تحت سلطه جریان زمینی آب هستند. آنها هیچ جریان متمرکز بالادستی ندارند. به همین دلیل، آنها بیشترین آسیب را نسبت به مشکلات آلودگی غیرنقطه‌ای دارند و می‌توانند از بافرهای ساحلی وسیع نسبت به سایر مناطق حوضه بهره ببرند.

ابزار Stream Order دو روش دارد که می توانید از آنها برای تخصیص سفارشات استفاده کنید. اینها روشهایی هستند که توسط Strahler (1957) و Shreve (1966) پیشنهاد شده اند.

در هر دو روش، به بخش‌های جریان بالادست یا پیوندهای خارجی، همیشه مرتبه ۱ اختصاص داده می‌شود.

روش Strahler

در روش Strahler، به تمام پیوندها بدون هیچ شاخه ای مرتبه 1 اختصاص داده می شود و به آنها مرتبه اول می گویند.

ترتیب جریان زمانی افزایش می‌یابد که جریان‌هایی با همان ترتیب تلاقی می‌کنند. بنابراین، تقاطع دو پیوند مرتبه اول، پیوند مرتبه دوم، تقاطع دو پیوند مرتبه دوم، پیوند مرتبه سوم و غیره ایجاد می کند. با این حال، تلاقی دو پیوند با مرتبه های مختلف منجر به افزایش ترتیب نخواهد شد. به عنوان مثال، تقاطع پیوند مرتبه اول و مرتبه دوم، پیوند مرتبه سوم ایجاد نمی کند، اما ترتیب بالاترین مرتبه پیوند را حفظ می کند.

روش Strahler متداول ترین روش ترتیب جریان است. با این حال، از آنجایی که این روش فقط در تقاطع‌هایی با همان ترتیب به ترتیب افزایش می‌یابد، همه پیوندها را در نظر نمی‌گیرد و می‌تواند به افزودن یا حذف پیوندها حساس باشد.

روش Shreve

روش Shreve تمام پیوندهای موجود در شبکه را محاسبه می‌کند. مانند روش Strahler، به تمام پیوندهای خارجی مرتبه 1 اختصاص داده می‌شود. با این حال، برای تمام پیوندهای داخلی در روش Shreve، ترتیبات افزودنی هستند. به عنوان مثال، تقاطع دو پیوند مرتبه اول، پیوند مرتبه دوم، تقاطع پیوند مرتبه اول و مرتبه دوم، پیوند مرتبه سوم و تقاطع پیوند مرتبه دوم و مرتبه سوم، یک پیوند مرتبه پنجم ایجاد می‌کند.

از آنجایی که ترتیب ها جمعی هستند، گاهی اوقات به اعداد روش Shreve به جای ترتیب به عنوان قدرت اشاره می شود. بزرگی یک پیوند در روش Shreve تعداد پیوندهای بالادستی است.

الگوریتم مورد استفاده توسط ابزار Stream to Feature برای بردارسازی شبکه‌های جریانی یا هر raster دیگری که بیانگر یک شبکه خطی raster دارای جهت مشخص است، طراحی شده است.

این ابزار طوری بهینه شده است که از یک raster جهت‌دار برای کمک به بردارسازی سلول‌های متقاطع و مجاور، استفاده می‌کند. این امکان وجود دارد که دو ویژگی خطی مجاور با یک مقدار به صورت دو خط موازی بردار شوند. این برخلاف ابزار Raster To Polyline است که به طور کلی با جمع کردن خطوط روی هم تهاجمی‌تر است.

برای تجسم این تفاوت، یک شبکه جریان ورودی در زیر نشان داده شده است و خروجی Stream to Feature با خروجی Raster To Polyline قابل مقایسه است.

منبع: Tarboton, D. G., R. L. Bras, and I. Rodriguez-Iturbe. 1991 از https://www.esri.com

 

ابزار Basin یک raster است که تمام حوضه‌های زهکشی را مشخص می‌کند.

کاربرد آن به صورت زیر است:

• حوضه‌های زهکشی در پنجره تحلیل با شناسایی خطوط برآمدگی بین حوضه‌ها مشخص می شوند. raster جهت جریان ورودی برای یافتن تمام مجموعه سلول‌های متصل که به یک حوضه زهکشی تعلق دارند، تجزیه و تحلیل می‌شود. حوضه‌های زهکشی با قرار دادن نقاط ریزش در لبه‌های پنجره تحلیل (جایی که آب از raster بیرون می‌ریزد) و همچنین سینک‌ها ایجاد می‌شود، سپس ناحیه کمک‌کننده در بالای هر نقطه ریزش مشخص می‌شود. این منجر به raster حوضه‌های زهکشی می‌شود.
• برای ایجاد raster جهت جریان ورودی D8، ابزار Flow Direction  باید با استفاده از جهت جریان پیش فرض نوع D8 اجرا شود.
• تمام سلول‌های raster به یک حوضه تعلق دارند، حتی اگر آن حوضه فقط یک سلول باشد.

 

حوضه آبخیز ناحیه شیبی است که جریان را (به طور کلی آب) به یک خروجی مشترک به عنوان زهکشی متمرکز می‌رساند و به وسیله ابزار Watershed قابل دستیابی است. این می تواند بخشی از یک حوضه بزرگتر باشد و همچنین می تواند شامل حوضه های کوچکتر باشد که به آنها زیرحوضه می گویند. مرزهای بین حوضه ها را تقسیمات زهکشی می نامند. خروجی یا نقطه ریزش، نقطه ای از سطح است که در آن آب از یک منطقه خارج می شود. پایین ترین نقطه در امتداد مرز یک حوزه آبخیز است.

تعیین حوضه‌های آبخیز

حوضه‌ها را می‌توان از یک DEM با محاسبه جهت جریان و استفاده از آن در ابزار Watershed مشخص کرد.

برای تعیین ناحیه کمک کننده، ابتدا باید یک raster که جهت جریان را نشان می‌دهد، با ابزار Flow Direction ایجاد شود.

سپس باید مکان‌هایی را که می‌خواهید حوضه آبریز را تعیین کنید، ارائه دهید. مکان‌های منبع ممکن است featureهایی مانند سدها یا آب‌سنج‌ها باشند که می‌خواهید ویژگی‌های منطقه کمک‌کننده را برای آنها تعیین کنید. همچنین می توانید از آستانه تجمع جریان استفاده کنید. هنگامی که از آستانه برای تعریف یک حوضه استفاده می شود، نقاط ریزش حوضه، اتصالات یک شبکه جریان حاصل از تجمع جریان خواهد بود. بنابراین، یک رستر تجمع جریان و همچنین حداقل تعداد سلول هایی که یک جریان را تشکیل می دهند (مقدار آستانه) باید مشخص شود.

خروجی raster حوضه آبخیز است.