اشاره تامین عمق مطلوب به‌منظور تضمین دریانوردی ایمن، یکی از اصلی‌ترین اهداف در صنعت حمل‌ونقل دریایی است. لایروبی آبراههها به‌عنوان رایج‌ترین راه برای دستیابی به این مهم تلقی می‌شود. از طرفی تجهیزات گران‌قیمت و هزینه‌بربودن عملیات لایروبی، محاسبه و برآورد دقیق از احجام لایروبی مورد نیاز را به ضرورتی انکارناپذیر تبدیل کرده است. در این تحقیق، فناوری علوم مکانی در انجام محاسبات و برآورد قابل اطمینان از احجام لایروبی، مورد استفاده قرار گرفته است. داده‌های هیدروگرافی با دقت 1:1000 به‌عنوان ورودی مدل استفاده شده است. آماده‌سازی و انجام محاسبات در محیط «GIS» و با استفاده از نرم‌افزار کدباز «QGIS» به‌عنوان جایگزین نرم‌افزارهای تجاری، انجام و به‌منظور صحت‌سنجی، نتایج حاصله با داده‌های میدانی، سوابق لایروبی و دیگر روش‌های محاسبه لایروبی، مقایسه و صحت‌سنجی شده است. نتایج نهایی این تحقیق بیانگر دقت قابل قبول روش پیشنهادی در انجام محاسبات بوده و استفاده از چارچوب یکپارچه ارائه‌شده در انجام محاسبات مشابه پیشنهاد می‌شود.
مقدمه
جامعه جهانی کنونی نیازمند صنعت حمل‌ونقل دریایی است که تجارت بین قاره‌ای، حمل‌ونقل عمده مواد اولیه، واردات و صادرات مواد غذایی ارزان‌قیمت و کالاهای تولیدی را امکان‌پذیر می‌کند. در این بین، بنادر به‌عنوان دروازه‌های تجارت بین‌المللی، بی‌تردید نقش بسزایی در اقتصاد جهانی دارند. اهمیت این موضوع هنگامی بیش از پیش نمایان می‌شود که با وجود سهم 90 درصدی حمل‌ونقل دریایی،1 روند رو به رشد این صنعت در جهان امروز مشهود است.2 آماده نگه داشتن بنادر برای حمل‌ونقل ایمن و تسهیل رفتوآمد به‌عنوان یکی از دغدغه‌های اصلی، همواره مورد توجه مدیران بنادر قرار دارد و متغیرهای مختلفی را شامل می‌شود. ازجمله این متغیرها می‌توان به تامین عمق مناسب کانال‌های ورودی و اسکله‌ها به‌منظور ورود و پهلوگیری انواع شناورها در بنادر اشاره کرد که با هدف تضمین دریانوردی ایمن و عمدتا از طریق انجام لایروبی در بنادر صورت می‌گیرد.
انتقال و نشست رسوب در محدوده بنادر و آبراههها به دلیل ماهیت دائمی و مستمر خود که می‌تواند ناشی از فرسایش و عوامل طبیعی و یا انسانی صورت پذیرد، موجب شده است که امروزه لایروبی در بنادر به‌عنوان یکی از فعالیت‌های دائمی و منظم برای نگهداری و حفاظت از زیرساخت‌های دریایی، مورد توجه جوامع دریایی قرار گیرد.3 اگرچه اهداف مختلفی همچون فعالیت‌های اکتشافی و معدنی، محافظت از مناطق ساحلی، اجرای پروژه‌های زیرساختی و... در عملیات‌های لایروبی دنبال می‌شود، لیکن معمولا تمرکز و هدف اصلی از لایروبی، دستیابی به عمق مناسب برای رفتوآمد شناورها و ایمنی آبراهه‌هاست.
کمبود تجهیزات و مشکلات مربوط به نگهداری و تامین قطعات به‌ویژه در کشور ما که در چند ساله‌ی اخیر متاثر از تحریم‌های ظالمانه بوده است، مدیران این حوزه را بر آن داشته است تا بهره‌برداری بهینه از تجهیزات موجود کشور را بیش از پیش مد نظر داشته باشند. در این بین، برآورد احجام لایروبی مورد نیاز بنادر به‌عنوان یکی از چالش‌های اصلی تصمیم‌گیری برای بهره‌برداری بهینه از منابع تجهیزاتی موجود، به شمار می‌آید. روش‌های زیادی برای محاسبه احجام لایروبی در دسترس است تا به‌عنوان فاکتور اصلی تصمیم‌گیری برای تخصیص منابع، استفاده شود. بیشتر روش‌های موجود تجاری بوده و گران‌قیمت هستند. هر یک از روش‌های مورد استفاده دارای ویژگی‌های خاص خود هستند و دقت متفاوتی را در پیش‌بینی‌ها ارائه می‌دهند.4 در این بین، استفاده از داده‌های هیدروگرافی و شبکه مثلث‌بندی نامنظم ( TINـــ Triangulated Irregular Network) بعضا به‌عنوان پرکاربردترین روش معرفی شده است5 و با توجه به اقبال روزافزون به سامانه‌های اطلاعات جغرافیایی (GJS ــــ Geographic Information System)، امروزه بیش از قبل مورد توجه متخصصان و فعالان علوم دریایی قرار گرفته است.
در این مختصر تلاش شده است تا از طریق به‌کارگیری داده‌های هیدروگرافی و استفاده از الگوریتم‌های توسعه‌داده‌شده در محیط «GIS»، کاربرد داده‌ها و علوم مکانی برای محاسبه احجام لایروبی بنادر بررسی شود. هدف اصلی از این نوشته آن است که: 1) توانایی فناوری علوم مکانی برای برآورد احجام لایروبی به‌عنوان یکی از فاکتورهای موثر در توزیع تجهیزات لایروبی بنادر کشور معرفی شود. در عین حال، 2) ارائه یک دیدگاه یکپارچه به منظور برآورد احجام لایروبی و 3) معرفی نرم‌افزار «QGIS» به‌عنوان جایگزین نرم‌افزارهای تجاری که پیش‌تر در این زمینه استفاده می‌شدند را نیز می‌توان از اهداف این مقاله برشمرد.
روش‌شناسی
محدوده مطالعه
با توجه به تفاوت شرایط جغرافیایی، اقلیمی و وضعیت رسوب‌گذاری در محیط‌های دريایی جنوب و شمال کشور، تلاش شده است تا بنادر مورد مطالعه از خلیج فارس در جنوب و دریای کاسپین در شمال کشور انتخاب شوند. بر این اساس، محدوده مورد مطالعه در این مقاله مشتمل بر کانال ورودی و حوضچه مجتمع بندری امام‌خمینی(ره)، مجتمع بندری شهیدرجایی و بندر بوشهر در جنوب و نیز بنادر انزلی و امیرآباد در شمال است. موقعیت بنادر مورد اشاره در شکل شماره 1 مشخص شده است. قابل توجه است، نظر به اشراف مدیران و کارشناسان هر بندر در خصوص محدوده‌ی مورد نظر و عمق مطلوب هر یک از محدوده‌های تعریف‌شده، این موارد مستقیما توسط ادارات‌کل بنادر و دریانوردی مرتبط با هر بندر تعیین و محدوده‌های مورد نظر در فرمت «shp» برای استفاده در فازهای بعدی مطالعه آماده شد.
داده‌های مورد استفاده
در این تحقیق از داده‌های هیدروگرافی تهیه‌شده توسط سازمان بنادر و دریانوردی در مقیاس 1:1000 استفاده شد. نقشه‌های مورد استفاده در پی عملیات هیدروگرافی و جمع‌آوری اطلاعات با دستگاه‌های موقعیت‌یاب «DGPS» و عمق‌یاب‌های الکترواکوستیکی هیدروگرافی و با استفاده از نرم‌افزارهای مورد تایید سازمان نقشه‌برداری و توسط شرکت‌های دارای رتبه معتبر صادره از سوی سازمان برنامه‌و‌بودجه، تهیه شده است. عملیات عمق‌یابی با استفاده از دستگاه عمق‌یاب با حداقل دقت 10 سانتی متر به‌نحوی انجام گرفته است که فاصله دو نقطه‌ی ثابت متوالی بر روی پروفیل‌های دریایی حداکثر یک متر باشد. کلیه نقشه‌ها در سیستم «نWGS84 ـــ UTM» هم نسبت به «CD» منطقه و هم نسبت به سیستم محلی استخراج شده است.
تهیه شبکه مثلث‌بندی نامنظم (TIN)
پیش از تهیه فایل رستری مورد استفاده برای انجام محاسبات برآورد احجام لایروبی، از مجموعه نقاط برداشت هیدروگرافی هر منطقه، شبکه نامنظم مثلثی (Triangulated irregular Network) که به‌اختصار «TIN» نامیده می‌شود، برای نمایش سطح مورد نظر در سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) استفاده شد. «TIN» در واقع نوعی نمایش بُرداری از عوارض فیزیکی سطح زمین یا بستر دریاست که از رئوس با پراکندگی نامنظم و خط‌های دارای دستگاه مختصات سه‌بعدی (X, Y, Z) ساخته شده که در شبکه‌های مثلثی غیر مشترک منظم شده‌اند. برای انجام این بخش از تحقیق از روش «Linear» استفاده شد.
تهیه فایل رستر مدل ارتفاعی رقومی «DEM»
مدل ارتفاعی رقومی (Digital Elevation Model) که به‌اختصار «DEM» نامیده می‌شود، یک نقشه‌ی رقومی با فرمت رستری است که در واقع نمایشی سه‌بعدی از سطح محدوده مورد نظر است و معمولا برای نمایش ناهمواری‌های زمین و با استفاده از داده‌های ارتفاع از سطح مبنا تهیه می‌شود. مدل رقومی متشکل از پیکسل‌هایی با ابعاد یکسان است که هر پیکسل بیانگر ارتفاع از سطح مبنای تعریف‌شده است. این داده‌ها به‌ویژه در برآورد احجام، تهیه‌ی نقشه پهنه‌بندی سیل، تهیه‌ی نقشه ژئومورفولوژی (شیب، جهت، ارتفاع و...) کاربرد دارد. برای تهیه‌ی فایل «DEM» مورد نیاز در محدوده‌های مورد نظر در این تحقیق از روش «Linear» استفاده شده که مقادیر هر پیکسل را با استفاده از درون‌یابی خطی از فایل «TIN» به‌عنوان ورودی مدل، محاسبه می‌کند.
برش محدوده و انجام محاسبه احجام در محدوده‌های تعریف‌شده
پس از تهیه‌ی فایل «DEM» مربوط به هر بندر، به منظور کاهش خطاهای احتمالی، محدوده مورد نظر برای محاسبه احجام که پیش‌تر توسط واحدهای صف در بنادر تهیه شده بود، در محیط نرم‌افزار « v3.18ـــ QGIS» وارد و فایل «DEM» با استفاده از فایل «shp» تهیه‌شده برای هر محدوده و ابزار «Clip raster by mask layer» برش داده شد. این موضوع باعث خواهد شد که سایر پیکسل‌های فایل «DEM» در فرایند محاسبه حجم لحاظ نشوند. همچنین نظر به این‌که بعضا عمق مطلوب در اسکله‌های مختلف و یا بخش‌های مختلف کانال و یا حوضچه بندر، متفاوت است، لذا امکان بروز خطا در اعمال عمق مطلوب نیز کاهش خواهد یافت. در گام بعدی به‌منظور محاسبه احجام لایروبی، ابزار «Raster surface volume» در نرم‌افزار « v3.18ـــ QGIS» مورد استفاده قرار گرفت. بر اساس الگوریتم به‌کاررفته در تهیه ابزار مورد اشاره، حجم لایروبی مورد نیاز برای یک سطح ارتفاعی مشخص‌شده و با استفاده از فایل «DEM» ورودی مدل، محاسبه می‌شود. در این بخش تحقیق، حجم بالای سطح ارتفاعی مورد نظر (عمق مطلوب هر محدوده) محاسبه شد. پس از برآورد احجام، ارقام محاسبه‌شده با استفاده از اطلاعات مربوط به هر بندر ازجمله میزان رسوب ورودی، سوابق لایروبی و نظرات کارشناسی صحت‌سنجی شد. شکل زیر فرایند انجام‌گرفته در این تحقیق را نمایش می‌دهد.
بحث و نتیجه‌گیری
امروزه مدل‌ها و نرم‌افزارهای مختلفی برای محاسبه احجام لایروبی مورد استفاده قرار می‌گیرد که در بسیاری از آن‌ها، تعیین یک سطح مبنا و محاسبه حجم فضای بالا و یا پایین سطح مورد اشاره به‌عنوان رویکرد اصلی مد نظر قرار می‌گیرد. در این تحقیق داده‌های هیدروگرافی با دقت بالا (در مقیاس 1:1000)، نرم‌افزار «QGIS»، اطلاعات میدانی و نظرات کارشناسی با یکدیگر یکپارچه شدند تا برآورد قابل اطمینانی از احجام لایروبی محدوده‌های تعیین‌شده در بنادر به دست آید. پیش از این، ادارات کل بنادر و دریانوردی محاسبات لایروبی را با روش‌های مورد نظر خود و به‌صورت مستقل انجام داده و نیاز به عملیات لایروبی را بر اساس این محاسبات ارائه می‌کردند. اختلاف در محدوده‌ها، داده‌های متفاوت هیدروگرافی و مدل‌های مختلف موجب دستیابی به اعداد و ارقام متفاوتی می‌شود3 که تصمیم‌گیری در حوزه تجهیزات لایروبی را با مشکل مواجه می‌کند. بهره‌گیری از علوم مکانی در چارچوب پیشنهادی این تحقیق موجب خواهد شد تا یک زبان مشترک بین واحدهای مختلف در ستاد و صف ایجاد شود و یک پنجره واحد برای تصمیم‌گیری در موضوع لایروبی و اختصاص تجهیزات به بنادر تشکیل شود. از این طریق دیدگاه‌ها به هم نزدیک‌تر شده و تصمیم‌گیری در حوزه‌ی لایروبی با دقت بیشتر در زمانی کوتاه‌تر و با حداقل تضاد و تقابل بین بخش‌های مختلف ذی‌ربط موضوع انجام می‌گیرد.
مقایسه بین نتایج حاصل از روش پیشنهادی در این تحقیق با برآوردهای صورت‌گرفته از طریق سایر نرم‌افزارهای پرکاربرد در حوزه مدیریت احجام لایروبی، بیانگر نزدیکی ارقام و اعداد محاسبه‌شده است. در این بین، دقت در تعیین محدوده‌ها، عمق مطلوب مورد نیاز و به‌روزبودن داده‌های مورد استفاده به‌عنوان موثرترین فاکتورها در تفاوت بین ارقام ارزیابی شد. در حالی که در صورت استفاده از داده‌های یکسان، الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای مختلف، تفاوت چندانی در ارقام نهایی برآوردشده ایجاد نخواهد کرد. این موضوع بیانگر این است که اگرچه توسعه مدل‌ها و نرم‌افزارهای قابل اعتماد، فرایند برآورد احجام لایروبی را تسهیل کرده و سرعت بخشیده است، لیکن همچنان دقت نقشه‌های هیدروگرافی به‌عنوان داده‌ی پایه برای برآورد احجام لایروبی بیشترین اهمیت را دارد.
استفاده از فناوری علوم مکانی در بخش‌های مختلف سازمان بنادر و دریانوردی از اوایل دهه‌ی 80 خورشیدی آغاز شده است و بهره‌گیری روزافزون واحدهای ستادی و ادارات کل بنادر و دریانوردی در استان‌های ساحلی، بیانگر اقبال عمومی به این حوزه از فناوری است. نتایج این تحقیق به‌خوبی گویای افزایش اثربخشی، سرعت و دقت برآوردهای احجام لایروبی در بنادر است. با این حال، تدوین یک مدل مفهومی و استاندارد پایه برای پایگاه داده مکانی داده‌های دریایی که در تولید داده‌های هیدروگرافی نیز مورد استفاده قرار گیرد، مدیریت بهینه و استفاده موثرتر و آسان‌تر از نقشه‌های هیدروگرافی را میسر خواهد ساخت. همچنین یکپارچه‌کردن فرایند برآورد احجام لایروبی در بنادر، نیازمند تهیه‌ی یک دستورالعمل مشخص، مدون و برگزاری دوره‌های آموزشی است که مراحل انجام کار و مدل‌های مورد استفاده در چارچوب پیشنهادی این تحقیق را تشریح کند. |
منابع و مأخذ
1. جعفری حسن، سعیدی سیدناصر و جعفری حمید، 1391، توسعه بنادر کشور راهبردی موثر در توسعه دریامحور، همایش ملی توسعه سواحل مکران و اقتدار دریایی جمهوری اسلامی ایران.
2. اسدی‌لاری محمدساویز، جولای فریبرز، توکلی‌مقدم رضا و رزمی جعفر، الگوریتم حل مسئله تخصیص کانتینرهای دریایی با توجه به ظرفیت و زمان انتظار، فصلنامه‌ی مهندسی حمل‌ونقل، سال دوازدهم، شماره 3 (پیایی 48، بهار 1400).
3. Ekun, M. O., R. Ehigiator-Irughe, and E. S. Okonofua. “Determination of area and volume from dredged geodata set.” Nigerian Journal of Technology 35.4 (2016): 707-712.
4. ـMiao, Zhengjian, Mingchao Li, and Denghua Zhong. “Numerical calculation of channel dredging volume using 3D digital stratum model.” Transactions of Tianjin University 18.2 (2012): 90-96.
5. ALThobiani, Faisal, and V. R. Shamji. “A model Study for Dredge Volume Calculation at the Red Sea.” International Journal of Oceans and Oceanography 13.2 (2019): 389-394.