مقاله کامل ارزیابی تخمین حجم عملیات خاكبرداری و خاكریزی با استفاده از GIS و اندازه گیری زمینی

ارزیابی تخمین حجم عملیات خاكبرداری و خاكریزی با استفاده از GIS و اندازه گیری زمینی
باریس مجنونیان، سید مهدی علیزاده، علی اصغر درویش صفت، احسان عبدی
چکیده
شبکه جاده در جنگل به عنوان ابزار اصلی مدیریت و از عمده سرمایه گذاری‌های طرح‌های جنگلداری محسوب می‌شود. لذا استفاده از ابزارهای مختلف در جهت كاهش هزینه ها امری ضروری است. برآورد حجم عملیات خاكبرداری و خاكریزی شبكه جاده یكی از بخش‌های وقت گیر در مراحل مختلف تهیه پروژه جاده‌های جنگلی است كه می‌تواند به عنوان مشخصه‌ای مهم در هزینه ساخت جاده مطرح باشد و به عنوان معیاری برای ارزیابی گزینه‌های شبكه جاده بكار گرفته شود. هدف از این پژوهش استفاده از سامانه‌های اطلاعات جغرافیایی در برآورد حجم عملیات خاكبرداری و خاكریزی شبكه جاده و بررسی میزان تطابق آن با واقعیت زمینی است. این مطالعه در سری چلیر جنگل خیرود صورت گرفت. ابتدا مدل ارتفاعی رقومی تهیه و به منظور فراهم كردن اطلاعات مورد نیاز به كار رفت. سپس شبكه جاده با استفاده از ضمیمه PEGGER در نرم افزار ArcView، بر اساس اصول فنی و نیازهای جنگلداری طراحی شد. پس از آن حجم عملیات خاكی شبكه جاده طراحی شده، در محیط GIS محاسبه شد. برای ارزیابی صحت حجم عملیات خاكی محاسبه شده در محیط GIS، شبكه جاده در جنگل پیاده و در فواصل 100 متری، شیب عرضی دامنه برداشت شد. پس از ترسیم 115 پروفیل عرضی برداشت شده در 11.4 كیلومتر مسیر جاده، حجم عملیات خاکی به روش‌های دستی و رقومی محاسبه و مورد مقایسه آماری قرار گرفت. نتایج حاصل از از اعمال آزمون t جفتی اختلاف معنی داری را بین حجم عملیات خاکی محاسبه شده در دو روش نشان داد.
كلمات كلیدی: طراحی شبكه جاده، حجم عملیات خاکی، سامانه اطلاعات جغرافیایی، مدل ارتفاعی رقومی، پروفیل عرضی.
مقدمه
شبكه جاده به عنوان شریان حیاتی واحد‌های جنگلداری و اولین مبنای سازماندهی زمین در طرح‌های جنگلداری، ضرورتی انكارناپذیر دارد. بدون وجود یك شبكه جاده کارآمد، امكان اجرای طرح‌های اقتصادی، فنی، پژوهشی، حفاظتی و نیز کاربرد اصول پرورش جنگل امكان‌پذیر نخواهد بود. همچنین جاده‌های جنگلی به منظور حمل و نقل مواد اولیه، افراد و ابزارآلات و نیز برقراری ارتباط بین روستاها با شهرها کاربرد دارند. لذا جاده‌های جنگلی به لحاظ اجتماعی، اقتصادی و فرهنگی حائز اهمیت هستند(‌Erdas et al., 1995). از طرفی احداث جاده‌های جنگلی به علت هزینه‌های سنگین مربوط به احداث و نگهداری و نیز اثر‌ات منفی بر محیط زیست و حیات وحش دارای حساسیت زیاد از نظر اقتصادی، زیست محیطی و افكار عمومی است. عملیات جاده‌سازی در جنگل با اختصاص حجم بالایی از سرمایه به خود یكی از مهمترین مشخصه‌های هزینه در مدیریت جنگل است و هزینه پروژه جاده سازی عاملی تعیین کننده در ارزیابی گزینه‌های شبكه جاده به حساب می‌آید‌(Tan, 1992). لذا استفاده از ابزار و وسایل مختلف به منظور کاهش هزینه‌ها، در عین حفظ و ارتقاء کیفیت کار، در امر طراحی و ارزیابی شبكه جاده ضروری است .
مسیری که جاده بر روی نقشه دنبال می‌کند، مسیر تراز جاده (‌مسیر هادی) نامیده می‌شود. مهمترین بخش در طراحی جاده‌های جنگلی، تعیین مسیر تراز جاده است. اشتباه در تعیین مسیر تراز جاده، مشكلات اقتصادی و فنی بسیاری در مراحل بعدی ساخت جاده ایجاد کرده و همچنین باعث کاهش عمر مفید جاده در آینده می‌شود(‌Sekin, 1984). هزینه‌های جاده‌سازی به طور اعم، موثرترین مشخصه در ارزیابی و انتخاب مسیر ترازهای مختلف جاده‌های جنگلی است.
(‌Matthews, 1942) از طرف دیگر مهمترین عاملی که هزینه پروژه را تحت تاثیر قرار می‌دهد، میزان حجم عملیات خاکبرداری و خاکریزی است‌(Gumus etal., 1998(. به همین منظور از بین گزینه‌های مختلف طراحی شده، گزینه‌ای که مسیر تراز آن دارای حداقل میزان حجم عملیات خاکی باشد، به عنوان بهترین گزینه در نظر گرفته می‌شود (Thuresson, 19995).
کلیه عملیاتی که به منظور کندن هرگونه مواد خاکی و سنگی و یا برداشت مواد ناشی از ریزش و لغزش (‌صرف نظر از جنس و کیفیت آنها) در حریم راه و به هر منظور مانند ایجاد شیب مناسب برای ترانشه‌ها انجام شود، خاکبرداری نامیده میشود. منظور از خاکریزی، ریختن هرگونه مصالح سنگی و غیرسنگی صرفنظر از جنس آنها، به منظور پرکردن فضاهای خالی است (‌سازمان برنامه و بودجه 1378). به منظور برآورد حجم عملیات خاکی به روش دستی، پروفیل عرضی دامنه مورد نیاز است. پروفیل عرضی معرف سطح مقطع عرضی دامنه در محل هر پیكه از مسیر قطعی جاده است. مهمترین هدف از تهیه پروفیل‌های عرضی، تهیه مقاطع عرضی برای تجسم وضعیت عملیات خاکی و مهمتر از آن، محاسبه سطح مقاطع عرضی برای محاسبه حجم خاکبرداری‌ها و خاکریزی‌ها در طول مسیر راه است. این کار، برای مهندسان ناظر، زیربنای کنترل عملیات و برای پیمانكاران، مبنای برآورد
مقایسه عملكرد و…
حجم عملیات خاکبرداری و خاکریزی و محاسبات هزینه‌های آن است (‌سازمان برنامه و بودجه 1378). روش‌های مختلفی برای برداشت پروفیل عرضی وجود دارد. در جاده‌سازی جنگل، برداشت شیب دامنه سمت بالا و پایین از محور وسط جاده به وسیله شیب‌سنج، کفایت می‌کند. در صورت صخره‌ای بودن و ناهمگن بودن شیب عرضی‌، لازم است وضعیت شیب در فواصل 5/1، سه، 5/4 و شش متری اندازه‌گیری شود تا به این ترتیب، مقطع عرضی با دقت بیشتری قابل ترسیم باشد. در نهایت مقطع برداشت شده بر روی کاغذ میلیمتری ترسم و سطح عملیات خاکی(‌خاکبرداری و خاکریزی) آن مقطع بدست می‌آید. با ضرب کردن سطح مقطع عملیات خاکی در فاصله افقی تا مقطع عرضی برداشت شده مجاور، حجم عملیات خاکی بدست خواهد آمد(‌سازمان برنامه و بودجه 1378).
محاسبه حجم عملیات خاکی و استفاده از آن در تعیین گزینه ها، به میزان قابل توجهی هزینه ها را کاسته و باعث صرفه جوئی در زمان تهیه پروژه جاده جنگلی می‌شود‌(Gumus et al, 1998). یكی از مهم‌ترین مشخصه‌های هزینه، میزان حجم عملیات خاکی است که برآورد آن طی مراحل تهیه پروژه جاده‌های جنگلی انجام می‌گیرد. برآورد سریع و آسان حجم عملیات خاکی گزینه‌های مختلف شبكه جاده می‌تواند
کمك موثریدر ارزیابی گزینه‌ها از نظر یكی از مشخصه‌های مهم هزینه یعنی حجم عملیات خاکی باشد. تاکنون در مطالعات محدودی از قابلیت‌های GIS به عنوان ابزاری برای برآورد حجم عملیات خاکی در جاده‌های جنگلی استفاده شده است که می‌توان از مطالعات زیر نام برد .
عبدی‌(1384) در قالب پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد، به طراحی گزینه‌های مختلف شبكه جاده جنگلی با حداقل هزینه ساخت با استفاده از GIS در بخش نم خانه جنگل خیرود پرداخت. در این تحقیق از مدل ارتفاعی رقومی با اندازه تفكیك 20 متر که از نقشه‌های توپوگرافی رقومی با مقیاس 1:25000 استخراج شده بود استفاده گردید. در بخشی از این پژوهش، گزینه‌های طراحی شده از نظر حجم عملیات خاکی با یكدیگر مقایسه شدند. محاسبه حجم عملیات خاکی با استفاده از پروفیل نرمال انجام و در نهایت نتیجه‌گیری شد که استفاده از روش رقومی در برآورد حجم عملیات خاکی شبكه جاده طراحی شده موجب صرفه‌جویی زیادی از لحاظ زمان ارزیابی و به تبع آن صرفه‌جویی اقتصادی خواهد شد‌(Gumus et al, 1998). به محاسبه حجم عملیات خاکی در پروژه جاده جنگلی با استفاده از GIS پرداختند. هدف از این مطالعه محاسبه حجم عملیات خاکی با حداقل هزینه و بر اساس مدل ارتفاعی رقومی بود که از سامانه‌های اطلاعات جغرافیایی استخراج شده بود. چهار پروژه جاده جنگلی به عنوان مطالعه موردی انتخاب شده و برای محاسبه حجم عملیات خاکی از مدل ارتفاعی رقومی که از نقشه‌های توپوگرافی با مقیاس 1:25000 استخراج شده بود، استفاده شد .نتایج نشان داد که بدون بكار‌گیریGIS، استفاده از اطلاعات زیاد ممكن نبوده و تحلیل این حجم زیاد اطلاعات امكانپذیر نیست. ضمنا این مطالعه پس از ساخت جاده انجام شده و در کاهش هزینه‌های احداث جاده تاثیری نداشته است .
با توجه به موارد فوق، هدف از پژوهش حاضر استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی(‌GIS) در برآورد حجم عملیات خاکی شبكه جاده و بررسی میزان تطابق آن با واقعیت زمینی از طریق اندازه‌گیری‌های میدانی است .
منطقه مورد مطالعه
جنگل آموزشی و پژوهشی خیرود واقع در 7 کیلومتری شرق نوشهر و در استان مازندران است که بین΄ 27˚ 36 تا ΄40˚36 عرض شمالی و ΄32˚51 تا ΄43˚51 طول شرقی واقع شده است. جنگل خیرود از شمال به نوار ساحلی و روستای نجارده و از جنوب به ییلاق و روستای کلیك محدود می‌شود. مطالعه حاضر در سری چلیر جنگل خیرود (‌چهارمین سری از جنگل خیرود) با مساحت 846 هكتار انجام گردید.
مواد و روش‌ها
اولین گام در این پژوهش شناخت و ارزیابی کلی و ابتدایی منطقه از نظر قابلیت طراحی شبكه جاده با استفاده از GIS بود. به این منظور، ابتدا با استخراج خطوط توپوگرافی از نقشه رقومیdgn سه‌بعدی اقدام به تهیه مدل ارتفاعی رقومی شد .با توجه به هدف مطالعه و تراکم خطوط میزان، ابعاد پیكسل معادل 20 متر تعیین شد و به منظور نرم کردن تصویر یك بار فیلتر میانگین 3×3 روی آن اعمال شد.
با استفاده از مدل ارتفاعی رقومی منطقه، نقشه شیب دامنه در محیط Idrisi تهیه گردید. با در نظر گرفتن هدف بررسی، وضعیت ژئومرفولوژی، شكل زمین مورد مطالعه و مقیاس نقشه، منطقه مورد مطالعه به پنج طبقه شیب شامل 20%-0%، 40%-20%، 50%-40%، 60%-50% و بیش از 60% تقسیم‌بندی شد(‌عبدی، 1384).
سپس با استفاده از مدل ارتفاعی رقومی منطقه، نقشه جهات جغرافیاییدر محیط Idrisi تهیه شد. با استفاده از این نقشه طبقات جنوبی و غربی که برای عبور جاده مناسب‌تر هستند مشخص و در طراحی شبكه جاده اولویت داده شدند .در این پژوهش چهار جهت اصلی جغرافیایی(‌شمال، شرق، جنوب، غرب) و یك طبقه به عنوان مناطق مسطح (‌بدون جهت) در نظر گرفته شد و شامل کلیه مناطق با شیب کمتر از 10% بود.
طراحی شبكه جاده برای سری چلیر
به منظور طراحی شبكه جاده، ابتدا نقاط اجباری مثبت و منفی بر روی نقشه رقومی تعیین گردید. به منظور هرچه کاربردی‌تر شدن شبكه‌های جاده پیشنهادی این پژوهش، جاده احداث شده در این سری به
طول 4734 متر، به وسیله یك دستگاه موقعیت یاب GPS مدل Garmin-Etrex برداشت شد .علاوه بر این جاده احداث شده، سری چلیر دارای دو ورودی جاده در ارتفاع 870 متری (‌ورودی تاشه‌زه) و 1190 متری (‌ورودی آغوزك‌بن) بود. از این ورودی‌های جاده و همچنین جاده موجود در سری، در طراحی‌شبكه جاده استفاده گردید.
برآورد حجم عملیات خاكی به روش رقومی
به منظور برآورد حجم عملیات خاکی به روش رقومی، تعداد پیكسل عبوری
جدول1- سطح عملیات خاكی به مترمربع در طبقات شیب (‌عبدی1384)
شبكه جاده طراحی شده از هر کدام از پنج طبقه شیب استخراج و با توجه به پروفیل استاندارد (‌شكل 1) و مندرجات جدول 1 که منتج از پروفیل استاندارد هستند (‌عبدی1384)، سطح متوسط عملیات خاکی هر طبقه محاسبه گردید.
با ضرب کردن تعداد پیكسل هر طبقه در سطح متوسط آن طبقه و سپس ضرب کردن در عدد 20 متر (‌اندازه پیكسل) و در نهایت محاسبه مجموع عملیات همه طبقات، برآوردی از حجم عملیات خاکی شبكه جاده طراحی شده به مترمكعب بدست آمد. با تقسیم حجم کل عملیات خاکی هر گزینه به طول آن حجم عملیات خاکی در واحد طول (‌کیلومتر) محاسبه و به عنوان شاخصی به منظور ارزیابی به کار رفت.
برآورد حجم عملیات خاكی به روش برداشت‌زمینی
به منظور برآورد حجم عملیات خاکی شبكه جاده، می‌بایست شبكه جاده در جنگل پیاده می‌شد. همزمان با شیب‌سنجی شبكه جاده در جنگل، شیب عرضی دامنه در فواصل 100 متری برداشت شد تا برآوردی از حجم عملیات خاکی این شبكه جاده به دست آید .115 عدد پروفیل عرضی طبق جدول 2‌(مجنونیان1383) بر روی کاغذ میلیمتری ترسیم گردید. در مرحله بعد ابتدا سطح عملیات خاکی و سپس حجم عملیات خاکی مسیر به دست آمد.
در نهایت حجم عملیات خاکی به دست آمده در هر یك از پروفیل‌ها با معادل آن در روش رقومی با استفاده از آزمون t جفتی در سطح 5% مقایسه گردید .
مشاهدات و نتایج
نتایج بررسی منطقه از لحاظ شیب
در سری چلیر، طبقه شیب %40-%20 با %72/58 بیشترین فراوانی و طبقه بیش از %60 با%06/1 به ترتیب یشترین وکمترین فراوانی را تشكیل می‌دهند .
درصد فراوانی هر طبقه شیب در شكل‌(2) ملاحظه می‌شود.
نتایج بررسی منطقه از لحاظ جهت‌های جغرافیایی
در سری چلیر طبقه جهت جنوبی با %98/43 بیشترین فراوانی و طبقه جهت شرقی با% %35/3 کمترین فراوانی را دارد. درصد فراوانی هر طبقه در شكل‌(3) ملاحظه می‌شود .
موقعیت جاده موجود در سری و ورودی‌های جاده به سری
شكل‌(4) موقعیت جاده احداث شده در سری و ورودی‌های جاده به سری که به وسیله GPS برداشت شد را نشان می‌دهد. از این ورودی‌های جاده و همچنین جاده موجود در سری، در طراحی‌شبكه جاده با استفاده از ضمیمه PEGGER استفاده شد که در شكل‌(‌5) ملاحظه می‌شود.
شبكه جاده طراحی شده برای سری چلیر پس از پیاده شدن در جنگل و برخورد به یكسری عوارض که در نقشه ها قابل رویت نبود، دچار تغییراتی شد. این تغییرات در شكل‌(6) نشان داده شده است.
جدول2- مشخصات پروفیل‌های رسم شده برای برآورد حجم عملیات خاكی (‌مجنونیان 1383)
/
شكل 1- رابطه سطح عملیات خاكی با شیب‌های مختلف دامنه (‌مجنونیان و همكاران 1386)
شكل 2- درصد فراوانی طبقات شیب در سری چلیر
/
شكل 3- درصد فراوانی طبقه جهت‌های جغرافیایی در سری چلیر
/
شكل4- موقعیت جاده موجود در سری و ورودی‌های تاشه زه و آغوزك بن
/
شكل 5- شبكه جاده طراحی شده برای سری چلیر

فایل : 15 صفحه

فرمت : Word