Journal of Watershed Management Research

fa شبیه ‎سازی هیدرولیکی و ارزیابی خطر سیل به مزارع ماهی حاشیه رودخانه هراز Hydraulic Simulation and Flood Risk Assessment for Fish Farms Along the Haraz River بلايای طبيعی (سيل، خشکسالی و حرکت های توده ای) بلايای طبيعی (سيل، خشکسالی و حرکت های توده ای) پژوهشي Research چکیده مبسوط مقدمه و هدف: سیلاب‌ها از جمله مخرب‌ترین و پرتکرارترین مخاطرات طبیعی در سراسر جهان محسوب می‌شوند و انتظار می‌رود در نتیجه تغییرات اقلیمی، توسعه شهری و تغییرات کاربری اراضی، شدت و فراوانی آن‌ها افزایش یابد. در محیط‌های رودخانه‌ای، سیلاب‌ها تهدیدی جدی برای زیرساخت‌ها، زیست‌بوم‌ها و معیشت جوامع محلی هستند، به‌ویژه در کشورهای در حال توسعه که سیستم‌های کاهش خطر سیل اغلب ناکارآمد یا ناکافی‌اند. در شمال ایران، آبزی‌پروری (به‌ویژه پرورش ماهی سردآبی) به‌دلیل دسترسی به منابع آب سالم و پایدار، در حاشیه رودخانه‌ها توسعه یافته است. با این &lrm;حال، بسیاری از این مزارع در سیلاب‌دشت‌های فعال واقع شده‌اند و در معرض خطر قابل توجه سیلاب قرار دارند. رودخانه هراز به‌عنوان یکی از رودخانه‌های دائمی و پرآب استان مازندران، نقش حیاتی را در اقتصاد و اکوسیستم منطقه ایفا می‌کند و میزبان بیش از ۳۰ مزرعه فعال پرورش ماهی است. علی‌رغم اهمیت بالای این رودخانه، خطرات سیل با دوره بازگشت‌های مختلف در طول بازه‌های آن به‌طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته است. هدف این مطالعه، شبیه‌سازی دقیق شرایط هیدرولیکی رودخانه هراز با استفاده از مدلHEC-RAS و ابزارهای GIS، به‌منظور پهنه‌بندی مناطق سیل‌گیر و ارزیابی آسیب‌پذیری مزارع ماهی در برابر سناریوهای مختلف سیلاب است. یافته‌ها می‌توانند برنامه‌ریزی کاربری اراضی را تقویت کنند و در تدوین راهبردهای کاهش خطر سیلاب مفید باشند. مواد و روش‌ها: در این تحقیق، سه بازه کلیدی از رودخانه هراز که دارای بالاترین تراکم مزارع ماهی بودند، برای مدل‌سازی هیدرولیکی دقیق انتخاب شدند. داده‌های ورودی شامل مدل ارتفاع رقومی (DEM ( با قدرت تفکیک مکانی ۲ متر، داده‌های هندسی مقاطع عرضی، خط مرکزی جریان و نقاط کناری بستر رودخانه بودند که در محیط GIS استخراج و رقومی شدند. مدل یک‌بعدیHEC-RAS نسخه 6/5 برای شبیه‌سازی جریان یکنواخت در بازه‌های مختلف استفاده شد. ضرایب زبری مانینگ برای بستر و دیواره‌ها با استناد به مشاهدات میدانی و گزارش‌های شرکت آب منطقه‌ای تعیین گردید. مقادیر دبی متناظر با دوره بازگشت‌های ۲، ۱۰، ۲۵، ۵۰ و ۱۰۰ ساله از ایستگاه هیدرومتری "بعد از چشمه" اخذ و به‌عنوان شرایط مرزی بالادست وارد مدل شدند. پارامترهای هیدرولیکی شامل تراز سطح آب، سرعت جریان، پروفیل‌های مقاطع عرضی و خطوط انرژی محاسبه گردیدند. نتایج مدل در محیط RAS Mapper  به نقشه‌های عمق سیلاب، گستره آبگرفتگی و پهنه‌های مخاطره تبدیل و با موقعیت جغرافیایی مزارع ماهی ترکیب شدند تا تحلیل ریسک دقیق‌تری صورت گیرد. یافته‌ها: شبیه‌سازی‌های هیدرولیکی، تفاوت‌های چشم‌گیری را در شدت سیلاب و گستره آبگرفتگی بین سه بازه مورد مطالعه نشان دادند. در بازه اول (به طول ۳۵۰۰ متر)، به‌دلیل موقعیت مناسب مزارع نسبت به کانال اصلی و ویژگی‌های توپوگرافیکی مساعد، فقط 8 درصد از اراضی مزارع در جریان سیلاب ۲ ساله و 16/9 درصد در جریان ۱۰۰ ساله دچار آبگرفتگی شدند. در مقابل، بازه دوم (۳۰۰۰ متر) بالاترین میزان آسیب‌پذیری را داشت. در این بازه، ۷ مزرعه ماهی واقع شده اند و تحلیل‌ها نشان دادند که در سیلاب با دوره بازگشت ۲ ساله، 45/8 درصد و در دوره بازگشت ۱۰۰ ساله، 53/7 درصد از سطح مزارع تحت تاثیر قرار می‌گیرد. این بازه دارای ساختار عرضی تنگ‌تر و فاقد موانع طبیعی یا حفاظتی مؤثر بود. در بازه سوم (۱۴۰۰ متر)، خطر سیلاب در حد متوسط تا بالا ارزیابی شد و مساحت آسیب‌پذیر از 26/5 درصد در سیلاب ۲ ساله تا 33/3 درصد در سیلاب ۱۰۰ ساله متغیر بود. در مجموع، از ۱۳۷۱۸۰ مترمربع اراضی مزارع ماهی در این سه بازه، ۴۵۷۱۳ مترمربع (معادل 33/3 درصد) در سناریوی سیلاب ۱۰۰ ساله در معرض آبگرفتگی قرار گرفتند. این روند حاکی از رابطه مستقیم میان دوره بازگشت و شدت و گستره مخاطره است. این مطالعه بر نقش کلیدی توپوگرافی، شکل مقطع رودخانه و نحوه استفاده از اراضی در تعیین میزان خطر سیلاب تأکید دارد. استقرار نادرست مزارع در سیلاب‌دشت‌های فعال، آن‌ها را حتی در برابر سیلاب‌هایی با دوره بازگشت پایین نیز بسیار آسیب‌پذیر می‌کند. نبود دیواره‌های حفاظتی و تجاوز به حریم بستر از عوامل اصلی تشدید خطر بوده‌اند. در مقابل، رعایت حریم و وجود تمهیدات حفاظتی در بازه اول موجب کاهش محسوس میزان آسیب‌پذیری شده است. ترکیب مدل HEC-RAS با سامانه GIS امکان استخراج نقشه‌های دقیق، تحلیل مکان‌محور، و برآورد کمی خطر سیلاب را فراهم ساخت که با مشاهدات میدانی و خسارات ثبت‌شده در سال‌های گذشته مطابقت داشت. نتایج به‌خوبی نشان می دهند که اتخاذ تصمیمات مبتنی بر مدل‌سازی هیدرولیکی می‌تواند نقش مؤثری در کاهش آسیب‌های اقتصادی و زیست‌محیطی ناشی از سیل ایفا کند. نتیجه‌گیری: مطالعه حاضر نشان می دهد که بیش از یک‌سوم از سطح مزارع ماهی حاشیه رودخانه هراز در معرض خطر جدی سیلاب‌های با دوره بازگشت بلندمدت قرار دارند. استفاده از چارچوب مدل‌سازی HEC-RAS در کنار تحلیل‌های مکانی GIS، رویکردی مؤثر را در شناسایی مناطق پرخطر و پشتیبانی تصمیم‌گیری‌های مدیریتی فراهم می‌آورد. بر اساس نتایج، پیشنهاد می‌شود: رعایت حریم قانونی رودخانه در انتخاب مکان مزارع جدید به‌طور سخت‌گیرانه اعمال شود. مزارع موجود در معرض خطر با دیواره‌های حفاظتی مناسب تجهیز شوند یا جانمایی آن‌ها بازنگری شود. نقشه‌های پهنه‌بندی سیلاب در سیستم‌های هشدار سریع و برنامه‌ریزی بحران لحاظ گردند. توسعه غیرمجاز و ساخت‌وساز در مناطق حساس سیلابی کنترل و ممنوع شود. نتایج این پژوهش ضرورت به‌کارگیری ابزارهای پیشرفته مدل‌سازی هیدرولیکی و تحلیل فضایی را در مدیریت یکپارچه خطر سیلاب و توسعه پایدار سیستم‌های آبزی‌پروری در حاشیه رودخانه‌ها اثبات می‌کنند.   Extended Abstract Background: Floods are among the most devastating and recurrent natural hazards worldwide, and their frequency and severity are expected to increase due to climate change, urban expansion, and land-use alterations. In riverine environments, flood events pose serious threats to infrastructure, ecosystems, and local livelihoods, especially in developing regions where flood mitigation systems may be insufficient. In northern Iran, aquaculture—particularly cold-water fish farming has grown significantly along riverbanks due to the availability of clean and consistent water resources. However, many of these fish farms are located within active floodplains, exposing them to considerable flood risk. The Haraz River, a high-discharge perennial river in Mazandaran Province, is a key economic and ecological artery and hosts over 30 operational fish farms. Despite its importance, the flood hazard associated with different return periods along its reaches has not been adequately quantified. This study aims to perform a detailed hydraulic simulation of the Haraz River using HEC-RAS integrated with GIS tools to delineate flood-prone zones and assess the vulnerability of adjacent fish farms under multiple flood scenarios. The findings aim to support sustainable land-use planning and inform flood risk mitigation strategies in the region. Methods: The study focused on three selected reaches of the Haraz River characterized by the highest density of fish farming activities. These reaches were surveyed and mapped using a high-resolution Digital Elevation Model (DEM) with 2-meter spatial resolution, derived from topographic and remote sensing data. The hydraulic modeling was conducted using HEC-RAS version 6.5, a one-dimensional steady-flow model widely used for simulating open channel hydraulics. Key inputs included channel geometry, bankfull cross-sections, flow path centerlines, and bank stations, which were extracted and digitized in the GIS environment. Manning’s roughness coefficients for the channel bed and banks were assigned based on field observations and hydrologic reports from regional water authorities. Discharge values corresponding to return periods of 2, 10, 25, 50, and 100 years were obtained from the “After the Spring” gauging station located upstream. These flow rates were incorporated as upstream boundary conditions in the HEC-RAS model. Simulated hydraulic parameters included water surface elevations, flow velocities, cross-sectional profiles, and energy grade lines. The RAS Mapper utility was used to convert the model results into spatial flood depth grids, inundation extents, and flood hazard zones in a GIS environment, enabling quantitative overlay with the geolocations of existing fish farms. Results: The hydraulic simulations revealed substantial spatial variability in flood impacts across the three study reaches. In Reach 1 (3,500 m), the floodplain was relatively narrow, and six fish farms situated further from the main channel exhibited minimal inundation. Under a 100-year flood event, only 16.9% of the farm area was affected, whereas the 2-year flood impacted only 8%. This was attributed to favorable terrain conditions and proper siting practices. In contrast, Reach 2 (3,000 m) displayed significantly higher flood susceptibility. Seven fish farms in this segment were located close to the riverbanks, and the simulations indicated that up to 53.7% of their area could be inundated during a 100-year event. Even the 2-year flood affected 45.8% of these farms, highlighting the high baseline vulnerability in this zone. Reach 3 (1,400 m) demonstrated moderate flood risk, with inundation areas ranging from 26.5% for the 2-year event to 33.3% for the 100-year scenario. The confined cross-sectional geometry and lack of natural levees in this reach contributed to the observed flood propagation. Overall, the cumulative area of fish farms across the three reaches was 137,180 square meters. In the 100-year return period scenario, 45,713 square meters (approximately 33.3%) were inundated, underscoring the severity of flood exposure. The results confirm a direct correlation between return period and both the spatial extent and depth of inundation. The study emphasized the critical role of topography, channel morphology, and land use in determining flood risk. Improper siting of aquaculture facilities within active floodplains significantly increases vulnerability to even low-frequency flood events. The lack of protective levees or floodwalls in Reach 2 and parts of Reach 3 exacerbated the situation. Moreover, anthropogenic modifications, such as unregulated construction and riverbank encroachment, were identified as aggravating factors. These interventions reduce the effective flow capacity of the river, raise water surface elevations, and trigger out-of-bank flow, particularly during peak discharge events. In contrast, Reach 1 benefited from adherence to buffer zones and implementation of minor structural mitigation, such as berms and retaining walls. The comparative safety of farms in this reach validates the importance of incorporating hydraulic flood zoning into aquaculture planning. The use of HEC-RAS, combined with GIS spatial analysis, provided robust outputs that align with observed flood patterns and historical damage records in the region. Such tools offer valuable insight into flood dynamics and can support proactive planning, especially in flood-vulnerable watersheds with economic assets at stake. Conclusion: This study demonstrates that more than one-third of the total area of fish farms along the Haraz River is at risk of inundation during high-return-period flood events. The HEC-RAS-GIS framework proved highly effective in simulating flow behavior, delineating flood zones, and quantifying flood risk to aquaculture operations. The outputs provide actionable guidance for river corridor management, aquaculture zoning, and disaster preparedness. Key recommendations include: Enforcing legal river setback distances during site selection and permitting of new fish farms. Retrofitting existing vulnerable farms with engineered embankments and elevation adjustments. Integrating flood hazard maps into early warning systems and emergency planning. Monitoring and restricting development in sensitive floodplain zones to maintain hydraulic connectivity. The findings support the integration of hydrodynamic modeling into regional planning efforts aimed at reducing the socioeconomic impacts of floods. Future research should explore coupling hydraulic simulations with economic loss modeling to estimate cost-benefit ratios of different flood mitigation strategies.   پرورش ماهی, تحلیل دوره بازگشت, خطر سیلاب, رودخانه هراز, مدل‌سازی هیدرولیکی, مدل HEC-RAS, GIS, مدیریت سیلاب‌دشت Fish farming, Flood hazard, Floodplain management, GIS, Hydraulic modeling, Haraz River, HEC-RAS, Return period analysis 138 153 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1989-1&slc_lang=fa&sid=1 Majid Rezaie Mayani مجید رضائی مایانی mrezaiem@ut.ac.ir 100319475328460015873 100319475328460015873 No Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران Mohsen Masoudian محسن مسعودیان mohsen_masoudian@yahoo.com 100319475328460015874 100319475328460015874 Yes Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران Ramin Fazloula رامین فضل اولی raminfazl@yahoo.com 100319475328460015875 100319475328460015875 No Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران Mohammad Rostami محمد رستمی mrostami2001@yahoo.com 100319475328460015876 100319475328460015876 No Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران