مهندسی منابع آب به معنای تجزیه و تحلیل وطراحی سیستم هایی به منظور مدیریت بهینه کمیت،کیفیت، زمان بندی، و توزیع آب برای رفع نیازهای جوامع انسانی و محیط طبیعی است.امروزه کمبود منابع آبی یک بحران جهانی است ، این در حالی است که افزایش جمعیت کره زمین و بهره برداری نادرست از منابع آبی ، تغییر کاربری زمین ، گرمایش جهانی و … سبب گسترش هرچه بیشتر این بحران شده است. پر واضح است که منابع آبی از اهمیت حیاتی در حفظ معیشت جوامع بشری برخوردارند از این رو نیازمند مهندسی آب و مدیریت منابع آبی برای تامین آب و سیستم های آبیاری ، هیدرولوژی آب های سطحی و زیر زمینی و … هستیم. منابع آبی(سطحی و زیرزمینی) شامل سدها و مخازن، رودخانه‌ها، سیستم‌های جمع‌آوری و توزیع آب، سیستم های فاضالاب‌های سطحی، و دشت‌های سیلابی و چاه‌ها، قنوات و چشمه‌ها می‌باشد. علاوه بر تاثیراتی که منابع آبی بر اکوسیستم و معیشت جوامع بشری دارد، نقش بسزایی در اقتصاد جهانی و ابعاد سیاسی و اجتماعی کشورها دارا می باشد. با توجه به توانمندی حوزه های مختلف علم نقشه برداری و بالاخص جی آی اس در تحلیل داده ها، بررسی، تحلیل و مدیریت منابع آب با سامانه های اطلاعات مکانی امری اجتناب ناپذیر است و کاربرد جی آی اس در مهندسی آب بسیار بارز و مشهود مینماید.
اخیرا نیز مفهومی با عنوان پایداری در مهندسی آب مطرح شده که هدف از تعریف آن در نظر گرفتن تمام پیامد ها و جوانب یک تصمیم می باشد به عبارت دیگر پایداری در مهندسی آب به این معناست که حجم آب شیرینی که در دسترس ما قرار دارد مقداری ثابت است در نتیجه در هنگام بهره برداری از آن توجه به این مهم ضروری می‌باشد کما اینکه بهره برداری نادرست و سوءمدیریت سبب بروز مشکلاتی خواهد بود که اغلب قابل جبران نمی باشد.
سیستم اطلاعات مکانی (جغرافیایی)
GIS یک سیستم اطلاعاتی مبتنی بر کامپیوتر است که از امکان دریافت، مدل سازی، اصلاح، بازیابی، تجزیه و تحلیل، و ارائه داده های مکانی پشتیبانی می کند. در واقع GIS بستر مورد نیاز جهت استفاده هوشمند از منابع زمین و مدیریت عوارض انسان ساخت و طبیعی را فراهم می سازد. میتوان گفت مهم ترین ابزاری که GIS در اختیار ما قرار می دهد پردازش داده های مکانی و همچنین GeoVisualization یا امکان تجسم داده های جغرافیایی و می باشد؛ به عبارت دیگر هنگامی که اطلاعات جمع آوری شده در قالب یک نقشه کارتوگرافی شده در دسترس باشد درک الگو ها و تجزیه و تحلیل داده ها بسیار آسان تر می شود. خوشبختانه نرم افزار های GISای به خوبی این نیاز را پوشش می دهند امکان تهیه نقشه هایی با بیش از 500 لایه اطلاعاتی ، امکان ساخت پایگاه داده مکانمند(ژئودیتابیس) ،امکان کار با طیف گسترده ای از فرمت های مختلف ، امکان تهیه الگوریتم های شخصی سازی شده براساس کاربرد مورد نظر و پیاده سازی آن و … از طرفی GIS امکان کار با کلان دیتا یا به عبارت دیگر توانایی آنالیز و پردازش حجم عظیمی از داده های گوناگون را به صورت یکپارچه فراهم می کند. موارد گفته شده تنها بخشی از کاربرد جی آی اس در مهندسی آب و ابزارهایی است که سیستم اطلاعات مکانی(جغرافیایی) و نرم افزارهای وابسته به آن در اختیار کاربران قرار می دهد.
کاربرد سیستم اطلاعات مکانی در مهندسی منابع آب
تا این بخش با اهمیت منابع آبی و همچنین امکاناتی که سیستم اطلاعات جغرافیایی در اختیار ما قرار می دهد آشنا شدیم. حال می خواهیم کاربرد GIS را به طور خاص در مدیریت منابع آبی شرح دهیم ،به طورعمده تحلیل هایی مکانی که توسط سیستم اطلاعات مکانی بر مدیریت منابع آب صورت می‌گیرد تحت عنوان مکان یابی ، پهنه بندی ، پایش و مدلسازی می‌باشد. برای مثال میتوان مکان یابی احداث سازه هایی مانند سد ، پل ، آب بند و … ، پهنه بندی سیل و مناطق تحت تاثیر آن ، پایش کیفیت آب ، مدل سازی بارندگی منطقه ، مدلسازی بارش-رواناب حوضه آبریز و… نام برد. از طرفی ویژگی تولید نقشه از لایه های اطلاعاتی مربوط به منابع آبی و مدلسازی آن ها در سیستم های GISای به ما این امکان را می دهد تا بسیاری از رفتار های آب های سطحی و زیرزمینی ، دشت های سیلابی و … پیش بینی کنیم این موضوع نقش مهمی در برنامه ریزی ، اقدام و هم چنین مدیریت بحران های احتمالی ایفا می کند.
نقش GIS در پایش کیفیت آب
به منظور نظارت و تجزیه و تحلیل کیفیت آب ابتدا پارامترهای کیفیت آب که شامل دما، pH، اکسیژن محلول ، غلظت آلاینده ها و … می باشند از منابع مختلف، مانند تصاویر ماهواره ای سنجش از دوری جمع آوری می شود سپس با ادغام و یکپارچه سازی داده های مکانی با داده های کیفیت آب، شناسایی منابع آلودگی، ردیابی تغییرات کیفیت آب در طول زمان و تصمیم گیری آگاهانه برای مدیریت منابع آب امکان پذیر می شود.
نقش جی آی اس در مدل سازی هیدرولوژیکی
هیدرولوژی آب های سطحی شاخه ای از منابع آب است که به حرکت و توزیع آب روی زمین اشاره دارد . از ابزار های کار آمد در مدلسازی هیدرولوژیکی، افزونه‌های ArcHydro و HEC-GeoHMS در نرم افزار ArcGIS می‌باشند که امکان تحلیل‌های هیدرولوژیکی را فراهم می‌سازند.
نقش GIS در مدیریت سیل و ارزیابی ریسک
با ادغام لایه مدل ارتفاعی منطقه (DEM) با لایه اطلاعات کاربری زمین و همچنین مدل‌های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی میتوان مناطق مستعد سیل را شناسایی کرد همچنین با تهیه نقشه داده های سیل در گذشته (میزان وسعت و میزان خسارت ایجاد شده) و شبکه رودخانه‌ها و همپوشانی با لایه های قبلی می توان نقشه پهنه بندی دشت های سیلابی را ایجاد نمود. این نقشه امکان شناسایی مناطق در معرض خطر و میزان خرابی پیش بینی شده در صورت وقوع سیل را فراهم می کند و به توسعه استراتژی های مدیریت سیل و برنامه ریزی جهت اقدام های اضطراری کمک می‌کند.
نقش جی آی اس در تامین و توزیع آب
دانش جی آی اس در برنامه ریزی و مدیریت سیستم‌های تامین آب با مدیریت منابع آب، تصفیه خانه ها، شبکه های توزیع و مناطق تقاضا در جهت بهینه سازی تخصیص منابع آب و شناسایی نواقص و مشکلات مانند نشت یا زیرساخت های ناکافی کمک می‌کند.
نقش GIS در مدیریت آب های زیرزمینی
آب های زیر زمینی از منابع آب شیرین هستند که به دلیل تامین آب آشامیدنی و کشاورزی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار هستند. از طرفی بهره برداری نادرست آب های زیر زمینی علاوه بر اینکه بحران های تامین آب ایجاد می کند منجر به فرونشست زمین ،کاهش آبدهی چاه ها ، کاهش کیفیت آب زیرزمینی و … می شود.از این رو هیدرولوژی آب های زیر زمینی بسیار حائز اهمیت می باشد. سیستم اطلاعات جغرافیایی امکان پایش و مدل سازی منابع آب زیرزمینی با یکپارچه سازی داده ها در مورد ویژگی های آبخوان، سطح آب و نرخ پمپاژ را در اختیار کاربران قرار می دهد و در نتیجه درک دینامیک آب های زیرزمینی، ارزیابی پایداری، و تصمیم گیری آگاهانه در مورد استخراج و تغذیه آسان تر می‌شود.
نقش GIS در تجزیه و تحلیل حوضه آبخیز
- تفکیک حوضه های آبریز و آبخیز بر اساس مدل های رقومی ارتفاع و داده های هیدرولوژیکی
- محاسبه تجمع جریان و شناسایی الگوهای زهکشی
- شناسایی الگوهای جریان آب‌های سطحی (استخراج رودخانه‌ها و رتبه‌بندی هیدرولوژیکی آنها)
- برنامه‌ریزی و طراحی زیرساخت های آب های سطحی مانند مخازن، سدها و سیستم های زهکشی
- تجزیه و تحلیل داده های توپوگرافی، پوشش زمین و زیرساخت های موجود برای بهینه سازی مکان و ظرفیت این سازه ها
نقش GIS در تامین آب و سیستم های آبیاری
- تهیه نقشه از سیستم های تامین آب و آبیاری از جمله خطوط لوله، مخازن، کانال ها و شبکه های توزیع جهت نمایش بصری از زیرساخت ها
- ردیابی و مدیریت دارایی هایی مانند تصفیه خانه های آب، ایستگاه های پمپاژ و تجهیزات آبیاری به منظور برنامه ریزی نگهداری و نظارت بر عملکرد آنها
- شناسایی اتصال و جریان آب در شبکه های تامین و آبیاری برای بهینه سازی مسیریابی آب
- شناسایی گلوگاه ها یا نقاط نشتی و بهبود کارایی توزیع آب
- یکپارچه سازی داده‌های مربوط به منابع آب مانند رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی با اطلاعات مربوط به کاربری زمین و الگوهای آب و هوایی جهت برنامه ریزی برای تامین آب پایدار و سیستم های آبیاری
در پایان درخصوص کاربرد جی آی اس در مهندسی آب می توان گفت به طور کلی، GIS نقش مهمی در ارتقای برنامه ریزی، مدیریت و بهره برداری از منابع آبی با ارائه قابلیت های تجزیه و تحلیل فضایی، تجسم و پشتیبانی تصمیم ایفا می کند. البته برای استفاده حداکثری از ظرفیتی که سیستم اطلاعات جغرافیایی در اختیار کاربران قرار می دهد باید در زمینه های پیشرفت فناوری در جمع آوری داده ها و اندازه گیری های مهندسی و همچنین توسعه زیرساخت های منابع آبی اقدام نمود.
