طريقة آلية لتخطيط مناطق الصرف في Green Stormwater Infrastructure باستخدام نظم المعلومات الجغرافية (GIS)

بقلم: حميرة جهانجيري¹، وفرجينيا سميث^1*، وجوناثان نيكويست ²

Green Stormwater Infrastructure (GSI) هي حل للمجتمعات المتحضرة لدرجة عالية، يسمح لها بتقليل كميات تدفق مياه الأمطار وتخفيف الملوثات. يُعد التقدير الصحيح لمنطقة الصرف المساهمة المفتاح لتصميم GSI يعمل بشكل جيد. للمساهمة في تخطيط منطقة الصرف المساهمة في GSI في المناطق الطبيعية الحضرية، تم تطوير سير العمل. على عكس تخطيط منطقة الصرف في المناطق غير المطورة، تخضع المناطق الحضرية للرسم الدقيق للتضاريس (أي الحواجز أو الأرصفة أو المباني) والبنية الأساسية لمياه الأمطار (أي المداخل أو المزاريب أو بنية GSI) التي تغير تدفق الجريان السطحي. يتضمن سير العمل الشامل هذا الخاص بتخطيط مستجمعات المياه الحضرية، حل GSI والمباني والمداخل عن طريق تغيير نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) لجعل هذه المعالم جزءًا من المشهد الهيدرولوجي.

منطقة الصرف هي التحديد الكمي للمنطقة التي يتم تصريفها إلى نقطة واحدة. مع إجراء الكثير من الأعمال المتعلقة بتخطيط الصرف وحل GSI، ما زال هناك عدم توافق في الآراء بشأن الطريقة المثلى لتخطيط منطقة الصرف في المناطق الحضرية. قد تبلغ المواقع بمناطق صرف مختلفة بناءً على الطريقة المتبعة لتقدير مناطق الصرف ودقة البيانات المستخدمة. قد تُقدر مناطق الصرف باستخدام رسومات AutoCAD أو الاستطلاعات المادية التي تُجرى أثناء ظاهرة العاصفة. تواجه كلتا الطريقتين تحديات ومصادر خطأ، مثل متطلبات الوقت والمعلومات.

يوفر سير عمل التخطيط هذا عملية آلية تم إنشائها في ArcGIS للعثور على منطقة الصرف بكفاءة وبدقة. تتضمن البيانات النقطية المستخدمة لهذا التحليل بيانات طبوغرافية بشأن نطاق المقاييس وملفات الشكل الخاصة بالمباني والمداخل وحل GSI. تتراوح بيانات الإدخال الطبوغرافية لهذه الدراسة بين المقياس الدقيق (دقة 1 قدم) والمقياس الواسع (دقة 10 أقدام) من نماذج DEM المشتقة من الليدار ونماذج DEM المتاحة للجمهور ونماذج DEM المشتقة من خطوط الكونتور. دراسة الحالة لسير العمل هذا هي موقع GSI يتضمن حديقتي أمطار متصلتان بواسطة منخفض عشبي في جنوب فيلادلفيا ببنسلفانيا. طورت إدارة المياه في فيلادلفيا (PWD) هذا الموقع وعملت جامعة فيلانوفا على تشغيله وتحليله كجزء من منحة الأبحاث العلمية الهادفة (STAR) التابعة لوكالة حماية البيئة (EPA). يمثل هذا التحليل جزءًا من دراسة أكبر بكثير في GSI. يمكن تقسيم الإجراء الكامل لهذا التحليل إلى ثلاث مراحل: المعالجة المسبقة لنماذج DEM وتحليل التدفق وتحليل الحوض.

تمت معالجة نماذج DEM لإزالة المصارف والقمم في البيانات باستخدام أداة "Fill". تم عزل مداخل مياه الأمطار الصغيرة ومعالم بنية GSI لتتناسب مع حجم معالم مياه الأمطار. ثم أضيفت ارتفاعات المداخل وبنية GSI والبنية الأساسية للمباني إلى جداول البيانات. تم تحويل ملفات الشكل الخاصة بالبنية الأساسية بعد ذلك إلى بيانات نقطية، باستخدام أداة Feature To Raster.

بعدئذٍ دُمجت الملفات النقطية الخاصة بالبنية الأساسية مع نموذج DEM الخالي من الانخفاض. استُخدمت أداة Plus لإضافة الارتفاع إلى المباني، وأداة Minus لخفض المداخل في نموذج DEM. تم حفر انحدارات الرصيف وبنية GSI في نموذج DEM المشتق من الليدار. دُمجت بعد ذلك جميع الإخراجات التي تم الحصول عليها باستخدام هذه الأدوات في مجموعة بيانات نقطية منفردة باستخدام أداة Mosaic.

استُخدم نموذج DEM الذي تمت معالجته باستخدام أداة الفسيفساء لتحليل اتجاه التدفق لكل خلية بواسطة أداة Flow Direction، ثم أعيدت معالجته لتعيين قيمة تراكم بناءً على اتجاه التدفق باستخدام أداة Flow Accumulation. تتضمن خطوط التدفق التفصيلية التي تم الحصول عليها من نماذج DEM ذات الدقة الأعلى الرسم الدقيق للتضاريس في المشهد الحضري، كما هو موضح في الشكل 2. في المقابل، تُظهر خطوط التدفق الخاصة بنماذج DEM ذات الدقة الأقل عددًا أقل من خطوط التدفق التي تصل إلى أقرب بنية GSI ومداخل مياه العواصف، مما يؤدي إلى حدوث انخفاض في خطوط التدفق مع زيادة حجم شبكة نموذج DEM.

أُنشئت الأحواض الفرعية والمداخل الخاصة بـ GSI باستخدام أداة التحليل المكاني "Basin". تم تحويل هذه الملفات إلى مضلعات خاصة بالمعالم. ساعدت أداة Flow Path Tracing في Arc Hydro على تتبع الأحواض الفرعية في المنبع ومداخل مياه العواصف، مما سمح لنا بتحديد الأحواض الفرعية التي تصرف في بنية GSI. تم تصدير مضلعات الأحواض الفرعية هذه وتم حساب إجمالي منطقة الصرف في جدول البيانات.

يُظهر الشكل 3 مناطق الصرف المختلفة التي تم الحصول عليها من خلال مستويات الدقة المختلفة لنموذج DEM. أحواض الصرف ذات الدقة الأكبر تكون أكبر وتتضمن أشكالاً أقل تعقيدًا. يتغير حساب المناطق التي تصرف في بنية GSI—وهو جانب مهم من تصميم بنية GSI.

يُظهر الجدول أدناه مناطق الصرف المختلفة لهذا الموقع، والتي تم الحصول عليها من خلال مستويات الدقة المختلفة لنموذج DEM. زيادة المناطق مع انخفاض دقة نموذج DEM. تمهد نماذج DEM ذات الدقة الأكبر الرسم الدقيق للتضاريس مثل الحواجز والأرصفة ومنحنيات الطرق. بناءً على الاستبيانات الميدانية، تُقارن مناطق الصرف التي تم الحصول عليها من نموذج DEM الأعلى دقة، شبكة تبلغ قدمًا واحدة، بمنطقة الصرف التي تم الحصول عليها من الاستبيانات الطبوغرافية في الموقع (تقدير إدارة PWD)، وبالتالي تُعد المنطقة الأكثر قبولاً. أُجري التحليل نفسه لمواقع أخرى، بنتائج مماثلة. تُجرى المزيد من الأبحاث لاكتشاف دقة نموذج DEM المثلى لمنطقة الصرف المخططة في المشهد الحضري.

1: Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

المؤلف المراسل: فرجينيا سميث 

يمكن إرسال الأسئلة إلى فرجينيا سميث، من خلال، Virginia.Smith@Villanova.edu

تم تطوير هذا المنشور بموجب اتفاقية المساعدة رقم 83555601 الممنوحة من وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) إلى جامعة فيلانوفا وإدارة المياه في فيلادلفيا (PWD). لم يخضع المنشور للمراجعة رسميًا بواسطة وكالة EPA ولا إدارة PWD. الآراء الواردة في هذا المستند خاصة فقط بجامعة فيلانوفا ولا تعكس بالضرورة آراء الوكالة أو إدارة PWD. لا تمنح وكالة EPA ولا إدارة PWD إجازة لأي منتجات أو خدمات تجارية مذكورة في هذا المنشور.