ارزیابی مورفولوژیکی مجرای رودخانه گیویچای با استفاده از سیستم طبقهبندی رزگن | ||
| پژوهشهای دانش زمین | ||
| دوره 16، شماره 4 - شماره پیاپی 55، بهمن 1404، صفحه 148-175 اصل مقاله (2.78 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/esrj.2025.240579.1284 | ||
| نویسنده | ||
| مسعود رحیمی* | ||
| گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه اهمیت رودخانهها به دلیل نقش آنها در درک چرخه آب، اکولوژی و تبادلات با آبهای زیرزمینی از مقیاسهای محلی تا جهانی بیش از پیش افزایش یافته است. رودخانهها امروزه به عنوان محیطهای پویایی شناخته میشوند که در آنها تعاملات و تغییرات قابلتوجهی رخ میدهد (Chakraborty and Datta, 2013). در پروژههای مربوط به رودخانهها، آگاهی از اصول ژئومورفولوژی رودخانهای و فرایندهای کانال به محققان اجازه میدهد تا رابطه بین فرم و فرایند در چشمانداز را درک کنند. ارزیابی ژئومورفیک عموما شامل جمعآوری داده، بررسیهای میدانی و ارزیابی پایداری کانال بوده و مبنایی را برای تحلیل و طراحی ایجاد میکند (Federal Interagency Stream Restoration Working Group, 2001). با توجه به موارد مذکور، در راستای مدیریت پایدار و یکپارچه رودخانهها میبایست نسبت به ارزیابی پلانفرم و مورفولوژی مجرای رودخانهها اقدام کرد. در این زمینه یکی از مهمترین گامها، تحلیلهای مرتبط با طبقهبندی پلانفرم و الگوی رودخانهها میباشد. دو هدف عمده را میتوان جهت طبقهبندی رودخانهها بیان داشت: 1) درک علمی از نحوه عملکرد رودخانهها و خوشهبندی کانالها به کلاسهای همگن و 2) ارائه رهنمودهای مدیریتی مبتنی بر ژئومورفولوژی، جهت تصمیمگیری درخصوص حفظ و نگهداری، بهبود، بازسازی یا حفاظت کانال. در این مورد، معیارهای ژئومورفیکی ممکن است با معیارهایی از سایر رشتهها (ازقبیل اکولوژی، شیمی آب) ترکیب شوند (Kondolf and Piégay, 2003). طبقهبندی رودخانهها یکی از موضوعات بنیادین و مهم در علوم جغرافیا، هیدرولوژی و اکولوژی میباشد که بر درک ویژگیها و عملکردهای متنوع آنها تمرکز دارد. توصیف فرآیندهای هیدرولیکی و هیدرولوژیکی نیازمند درک رفتار رودخانه میباشد. شناسایی کامل سیستمهای رودخانهای و طبقهبندی رودخانههای طبیعی برای حل مشکلات زیستمحیطی و اکولوژیکی و تحقق توسعه پایدار بسیار حائز اهمیت میباشد. از اواخر قرن نوزدهم تاکنون، سیستمهای متعددی برای طبقهبندی رودخانهها توسعه یافتهاند. بیشتر این طبقهبندیها بر اساس فعالیتهای تکتونیکی (Powell, 1875; Davis, 1895)، مراحل تکامل رودخانهای (Davis, 1873)، اشکال پلانفرم رودخانهای (Leopold and Wolman, 1970; Miall, 1977; Rust, 1977; Qian, 1985,)، حمل رسوبات رودخانهای (Schumm, 1963; Wang, 1999) و فرآیندهای رودخانهای و ویژگیهای ژئومورفیک بستر رود (Montgomery and Buffington, 1997) ارائه شدهاند (Li et al, 2024). با وجود این طبقهبندیهای متعدد، اغلب این روشها بهطور مستقیم در مهندسی رودخانه قابل استفاده نیستند. چرا که اولاً، بیشتر این طبقهبندیها با رویکردی علمی و دانشگاهی تدوین شدهاند و تعداد کمی از آنها دارای هدف جهت رفع نیازهای کاربردی میباشند. ثانیاً، معدودی از این طبقه بندیها قادرند تصویر کامل و جامعی از ژئومورفولوژی رودخانه و مؤلفههای هیدرولوژیکی آن ارائه دهند (Li et al, 2024). در این میان طبقهبندی رزگن ابزاری کاربردی برای پیشبینی رفتار رودخانه بر پایه ویژگیهای ژئومورفولوژیکی میباشد. این روش پیوند مستقیمی میان ژئومورفولوژی رودخانه و ارزیابی بازسازی اکولوژیکی برقرار کرده و به بهبود مدیریت یکپارچه رودخانه کمک میکند. در پژوهش حاضر نیز به تحلیل ژئومورفولوژیکی مجرای رودخانه گیویچای با استفاده از مدل رزگن در ترکیب با مدل هیدرودینامکی HEC-RAS پرداخته شده است. مواد و روشها در این پژوهش دادههای اصلی شامل نقشههای توپوگرافی مقیاس 1:2000 بستر رودخانه گیویچای (سازمان آب منطقهای اردبیل)، نقشههای توپوگرافی 1:50000 (سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح)، نقشههای زمینشناسی 1:100000 برگههای خلخال، گیوی و هشتچین (سازمان زمینشناسی کشور)، مدل رقومی ارتفاعی (DEM) با قدرت تفکیک 12.5 متر ماهواره ALOS-PALSAR، تصاویر ماهوارهای Sentinel-2 (سال 2024) با قدرت تفکیک 10 متر، تصاویر Google Earth و دادههای هیدرومتری ایستیسو و فیروزآباد است. پردازش دادهها با نرمافزار HEC-RAS، ArcGIS با الحاقی HEC-GeoRAS و ENVI انجام شد. برای تحلیل ژئومورفولوژیکی از سیستم طبقهبندی رزگن استفاده و برای بهینهسازی آن، مدل هیدرودینامیکی HEC-RAS به کار گرفته شد. مدل رزگن چهار مقیاس تحلیلی از لندفرم تا فرایندهای فیزیکی و زیستی را پوشش میدهد (Shroder, 2013) و اغلب بر سطوح ژئومورفیک کلی و توصیف مورفولوژیکی (سطوح 1 و 2) تأکید دارد (Rosgen, 1994). این سیستم شش شاخص کلیدی شامل گودشدگی، نسبت عرض به عمق، سینوزیته، تعداد مجرا، شیب و دانهبندی بستر دارد و رودخانهها را به هشت کلاس اصلی و 90 نوع تقسیم میکند (Federal Interagency Stream Restoration Working Group, 2001). گودشدگی نسبت عرض سطح سیلگیر به عرض لبپری است و با HEC-RAS و GIS شبیهسازی شد (Kheirizadeh et al, 2018). نسبت عرض به عمق، نسبت عرض مجرا در دبی لبالبی به عمق میانگین است که برای دوره بازگشت 2 ساله محاسبه شد (Rosgen, 1994). سینوزیته نسبت طول آبراهه به طول دره است. دانهبندی مواد بستر با شمارش ولمن و نمونهبرداری حجمی سنجیده شد. نتایج و بحث ارزیابی مورفولوژی مجرا یکی از مهمترین گامها در زمینه مدیریت رودخانهها به شمار میرود. در طی سالهای اخیر در زمینه طبقهبندی و ارزیابی مورفولوژیکی رودخانهها تاکید بر روی مدیریت حوضهای و بازسازی و احیای رودخانهها بوده که یکی از مهمترین و کارآمدترین رویکردهای مذکور سیستم طبقهبندی سلسله مراتبی رزگن میباشد. در پژوهش حاضر نیز ویژگیهای ژئومورفولوژیکی مجرای رودخانه گیویچای با استفاده از مدل رزگن در ترکیب با مدل هیدرودینامیکی HEC-RAS مورد ارزیابی قرار گرفته است. گیویچای یکی از مهمترین زیرحوضههای رودخانه قزلاوزن به شمار میرود که نقش قابل توجهی در تامین آب شهرستانهای خلخال و گیوی در استان اردبیل بر عهده دارد. رودخانه مطالعاتی براساس ویژگیهای ژئومورفولوژیکی در جهت پاییندست به چهار بازه خلخال، سد گیوی، گیوی و فیروزآباد تقسیمبندی شد. بازه خلخال دارای یک دشت سیلابی وسیع با شکل مسطحاتی مئاندری توسعهیافته میباشد. براساس سیستم رزگن این بازه به دو نوع اصلی C و E و چهار نوع فرعی C5b، E6b، E5b و C4 تفکیک گردید. تمامی انواع این رودخانهها نسبت به آشفتگیهای طبیعی و انسانی از آسیبپذیری بالایی برخوردارند. بدین ترتیب با توجه به استقرار شهر خلخال دستکاری در فرم و فرایندهای طبیعی رودخانه زیاد بوده و عملکردهای طبیعی آن دستخوش تغییرات و آشفتگیهای زیادی شده است. رودخانه در بازه سد گیوی (بازه 2) به دو نوع اصلی B و C و چهار نوع فرعی B4، C5b، B3 و B4 طبقهبندی گردید. نوع C5b به طول حدود 4/4 کیلومتر در محدوده روستای اناویز شکل گرفته که دارای دشت سیلابی نسبتا وسیع و الگوی مئاندری توسعهیافته همراه با نسبتهای بالای گودشدگی و عرض به عمق میباشد. سایر قسمتهای این بازه از نوع اصلی B میباشند که با توجه به مواد بستر و میزان شیب به انواع فرعی تفکیک شدند. وجود دره تنگ و باریک و فقدان یا محدود بودن دشت سیلابی از جمله مهمترین دلایل شکلگیری این نوع از رودخانهها در این بازه میباشد. کنارههای این نوع رودخانه پایدار تا نسبتا پایدار میباشند. بازه گیوی براساس سیستم رزگن دارای سه نوع اصلی E، C و D بوده که در جهت پاییندست به ترتیب شامل انواع فرعی E5، C5، D4b، C4، D4 و C4 میباشد. این بازه دارای دشت سیلابی وسیع همراه با آبرفتهای جوان کواترنری میباشد. انواع D4b و D4 جزو رودخانههای گیسوئی میباشند که با کانالهای عریض، پشتههای فراوان، فرسایشپذیری زیاد و کنارههای ناپایدار مشخص میشوند. وجود دشت سیلابی وسیع، ورود انشعابات متعدد پرآب و حضور مواد فرسایشپذیر در کنارههای رودخانه را میتوان مهمترین عوامل موثر در شکلگیری نوع D در این قسمت از مجرای رودخانه گیویچای بهشمار آورد. درنهایت، کل بازه فیروزآباد از نوع اصلی B بوده و در جهت پاییندست به سه نوع فرعی B4، B3a و B3 تفکیک گردید که در ارتباط با کنترل ساختمان زمینشناسی شکل گرفتهاند. در این بازه دره رودخانه تنگ و باریک بوده و توسط سنگهای آتشفشانی مقاوم محصور شدهاند. نتیجهگیری در این پژوهش رودخانه گیویچای با استفاده از سیستم طبقهبندی سلسلهمراتبی رزگن و مدل هیدرولیکی HEC-RAS تحلیل شد. رودخانه به چهار بازه خلخال، سد گیوی، گیوی و فیروزآباد تقسیم گردید. بازه خلخال (بازه ۱) در دشت سیلابی توسعهیافته قرار داشته و الگوی آن بیشتر مئاندری است که به دلیل دخالتهای انسانی، تحرک جانبی مجرا محدود شده است. این بازه در کلاسهای C و E شامل انواع C5b، E6b، E5b و C4 قرار گرفت. رودخانههای C4 و C5 حساسیت بالا به آشفتگی و پتانسیل بازیابی مناسب دارند و نقش پوشش گیاهی در پایداری آنها مهم است. در این بازه احداث پارکهای رودکناری میتواند به بازسازی کمک کند. بازه سد گیوی (بازه ۲) عمدتاً کوهستانی با درههای تنگ و باریک است و به کلاسهای B و C (انواع B4، B3، C5b) تقسیم شد. رودخانههای نوع B3 حساسیت پایینی به آشفتگی داشته و پتانسیل بازیابی بالایی دارند. بازه گیوی (بازه ۳) دارای دشت سیلابی گسترده بوده و به سه کلاس اصلی E، C و D شامل انواع E5، C5، D4b، C4 و D4 تعلق دارد. وجود الگوی گیسوئی (انواع D4 و D4b) در این بازه بیانگر تحرک زیاد و عرضه بالای رسوب است. این بازه حساسیت بالا به آشفتگی داشته و نیازمند مدیریت دقیق حریم رودخانه است. بازه فیروزآباد (بازه ۴) در کلاس B شامل B4، B3a و B3 شناسایی شد. در مجموع، نتایج نشان داد رودخانه گیویچای دارای ترکیبی از کلاسهای حساس به آشفتگی با پتانسیل بازسازی متنوع است و کاربرد همزمان سیستم رزگن و مدل HEC-RAS در تحلیل شرایط مورفولوژیکی و برنامهریزی مدیریت حفاظت و احیای رودخانه مؤثر است. بر این اساس با درک چگونگی تعامل این عوامل و ایجاد تغییرات در مورفولوژی رودخانه، میتوانیم روند توسعه آینده رودخانهها را پیشبینی کنیم و مبنای علمی برای مدیریت و حفاظت از رودخانهها فراهم کنیم. | ||
| کلیدواژهها | ||
| ژئومورفولوژی رودخانهای؛ مدل رزگن؛ پارامترهای هندسی مجرا؛ رودخانه گیویچای | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Morphological Assessment of Givi Chay River Channel Using the Rosgen Classification System | ||
| نویسندگان [English] | ||
| masoud rahimi | ||
| Department of Geography, Faculty of Literature and Human sciences, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Extent Abstract Introduction The significance of rivers has increased due to their role in understanding the water cycle, ecology, and interactions with groundwater across local to global scales. Rivers are now recognized as dynamic environments where significant interactions and changes occur (Chakraborty & Datta, 2013). In river engineering projects, an understanding of fluvial geomorphology principles and channel processes allows researchers to understand the form-process relationship within the landscape. Geomorphic assessment generally comprises data collection, field investigations and channel stability evaluation, establishing a foundation for analysis and design (The Federal Interagency Stream Restoration Working Group, 2001). Therefore, to achieve sustainable and integrated river management, a comprehensive evaluation of river planform and channel morphology must be conducted.In this context, one of the most important aspects involves analyses related to the classification of river planforms and channel patterns.Two primary purposes can be identified for river classification: (1) to advance scientific understanding of fluvial processes and enable channel clustering, and (2) to provide management recommendations for decisions regarding channel restoration or conservation.in this regard, geomorphic criteria may be integrated with those from other Fields (e.g., ecology, water chemistry) (Kandulfo & Pigi, 2003). River classification is one of the fundamental and important subjects in geography, hydrology, and ecology that focuses on understanding their diverse characteristics and functions. Describing hydraulic and hydrological processes requires an understanding of river behavior. Comprehensive identification of river systems and classification of natural rivers are critically important for resolving environmental and ecological challenges and achieving sustainable development. Since the late 19th century, numerous classification systems for rivers have been developed. Most of these classifications have been developed based on tectonic activities (Powell, 1875; Davis, 1895), the stage of river development (Davis, 1899), fluvial planforms (Leopold and Wolman, 1957; Miall, 1977; Rust, 1977; Qian, 1985), river sediment transport (Schumm, 1963; Wang, 1999), fluvial processes and the geomorphic characterization of riverbeds (Montgomery and Buffington, 1997) (Li et al., 2024). Despite these numerous classifications, most of these methods cannot be directly applied in river engineering. This is because, firstly, most of these classifications were developed with an academic and scientific approach and Few of them are practical. Secondly, very few of these classifications can provide a comprehensive perspective of fluvial geomorphology and its hydrological components (Li et al., 2024). Among these, the Rosgen classification provides a practical tool for predicting river behavior based on geomorphological characteristics. This method establishes a direct linkage between fluvial geomorphology and ecological restoration assessment, while contributing to improved integrated river management. Rosgen (1994, 1996) classified rivers based on parameters such as single-thread channels or multiple channels, entrenchment ratio, width/depth ratio and sinuosity, categorizing them into nine major types. He further subdivides these types into 41 subclasses and 94 sub-types based on gradient variability and channel deposits. In this study, The Givi-Chay River channel morphology was evaluated through integrated application of the Rosgen classification system and HEC-RAS hydrodynamic modeling. Materials and methods In this study, the main data include 1:2000 scale topographic maps of the Givi-Chay Riverbed (Ardebil Regional Water Authority), 1:50,000 topographic maps (National Geographical Organization), 1:100,000 geological maps of the Khalkhal, Givi, and Hashtchin sheets (Geological Survey & Mineral Explorations of Iran), a digital elevation model (DEM) with a resolution of 12.5 meters from the ALOS-PALSAR satellite, Sentinel2 images (2024) with a resolution of 12 meters, google earth images, and hydrometric data from Istisou and Firozabad stations. Data processing was performed with HEC-RAS, ArcGIS with HEC-GeoRAS and ENVI software. The Rosgen classification system was used for geomorphological analysis and the HEC-RAS hydrodynamic model was used to optimize it. The Rosgen model includes four analytical scales from landform to physical and biological processes (Shroder, 2013) and often emphasizes general geomorphic surfaces and morphological description (levels 1 and 2) (Rosgen, 1994). This system has six key indicators including entrenchment ratio, width-to-depth ratio, sinuosity, channel number, slope, and bed grain size, and divides rivers into eight main classes and 90 types (The Federal Interagency Stream Restoration Working Group, 2001). The entrenchment ratio is defined as the ratio of flood-prone width to bankfull width, which was simulated using HEC-RAS and GIS (Kheirizadeh et al., 2018). The width-to-depth ratio represents the channel width at bankfull discharge divided by the mean depth, calculated for a 2-year return period (Rosgen, 1994). Sinuosity is determined as the ratio of stream length to valley length. Bed material grain size was assessed through Wolman pebble count methodology and volumetric sampling. Result and discussion Evaluating channel morphology is one of the most essential components of river management. In recent years, river classification and morphological assessment have increasingly focused on watershed management and river restoration, with the Rosgen hierarchical classification system now widely recognized as one of the most important and effective approaches. This study evaluates the geomorphological characteristics of Givi-Chay river channel through an integrated approach combining Rosgen’s classification model and HEC-RAS hydrodynamic modeling. Givi-Chay is one of the most important sub basins of the Ghezel Ozan River, playing a significant role in water supply for the counties of Khalkhal and Givi in Ardabil Province. Based on geomorphological characteristics, this river was divided into four reaches in the downstream direction: Khalkhal, Givi Dam, Givi, and Firozabad. The Khalkhal reach has an extensive floodplain with developed meandering patterns. Based on the Rosgen classification system, this reach was categorized into two main types (C and E) and four sub-types (C5b, E6b, E5b, and C4). All river types in this system exhibit high vulnerability to both natural and anthropogenic disturbance. Anthropogenic modifications to channel form and fluvial processes have been extensive near Khalkhal city, resulting in multiple disturbances to the river's natural functioning. In the Givi Dam reach (Reach 2), the river was classified into two main types (B and C) and four sub-types (B4, C5b, B3, and B4) based on the Rosgen classification system. The C5b-type reach, extending approximately 4.4 km near Anaviz village, displays a relatively wide floodplain and well-developed meandering patterns, characterized by high width-to-depth ratios and significant entrenchment. The C5b-type reach, extending approximately 4.4 km near Anaviz village, displays a moderately wide floodplain and well-developed meandering morphology, featuring high width-to-depth ratios and significant entrenchment characteristics. The remaining sections of this reach are classified as primary Type B. Two dominant controls explain this reach's morphology: canyon confinement and non-existent floodplain development. The banks of this river type exhibit stable to moderately stable conditions. The Givi reach contains three primary channel types (E, C, and D) under the Rosgen classification system, with downstream sub-types occurring in the following sequence: E5, C5, D4b, C4, D4, and C4. This reach features an extensive floodplain with quaternary young alluvial deposits. D4b and D4 types are classified as braided rivers, characterized by wide channels, abundant bars, high erodibility, and unstable banks. The extensive floodplain, confluence of multiple high-discharge rivers, and presence of erodible bank materials constitute the primary controlling factors for Type D channel formation in this reach of the Givi-Chay River system. Ultimately, the entire Firozabad reach is classified as Type B, which downstream differentiates into three subtypes: B4, B3a, and B3, formed in response to geological structure controls. In this reach, the river valley is narrow and confined by resistant volcanic rocks. Conclusion In this study, the Givi-Chay River was analyzed using Rosgen's hierarchical classification system and the HEC-RAS hydraulic model. The river was divided into four reaches: 1) Khalkhal, 2) Givi Dam, 3) Givi, and 4) Firozabad. The Khalkhal reach (Reach 1) is situated within a developed floodplain and exhibits a meandering pattern, though lateral channel mobility has been constrained by anthropogenic modifications. This reach was classified into Rosgen Classes C and E, specifically including types C5b, E6b, E5b, and C4. The C4 and C5 channels exhibit high sensitivity to disturbance but demonstrate adequate recovery potential, with vegetation cover playing a critical role in their stability. In this reach, establishing riparian parks could significantly contribute to channel restoration. The Givi Dam reach (Reach 2) is predominantly mountainous with narrow valleys, and was classified into Rosgen Classes B and C (types B4, B3, and C5b). Type B3 channels exhibit low sensitivity to disturbance and high recovery potential. The Givi reach (Reach 3) features an extensive floodplain and is classified into three primary Rosgen classes (E, C, D), including the following subtypes: E5, C5, D4b, C4, and D4. The presence of braided patterns (types D4 and D4b) in this reach indicates high channel mobility and high sediment supply. This reach exhibits high sensitivity to disturbance and requires riparian zone management. The Firozabad reach (Reach 4) was classified as Rosgen Type B, including subtypes B4, B3a, and B3. In summary, the results demonstrate that the Givi-Chay River system exhibits disturbance-sensitive channel classes with variable recovery potential. The integrated application of the Rosgen classification system and HEC-RAS modeling proves effective for analyzing morphological conditions and developing river conservation/restoration management plans. By understanding how these factors interact and change river morphology, we can predict future river development trends and provide a scientific basis for river management and conservation. Keywords: Fluvial Geomorphology, Rosgen stream classification, Geometric Channel Parameters, The Givi Chay River | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Fluvial geomorphology, Rosgen stream classification, Geometric channel parameters, Givi Chay River | ||
| مراجع | ||
|
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 509 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 582 |
||