اولویت‌بندی حوزه‌های آبخیز بر مبنای وضعیت فرسایش با استفاده از مدل‌های تجربی EPM وMPSIAC (مطالعه موردی: حوزه آبخیز ارو)

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری تهران ایران

2 دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری دانشگاه تهران ایران

چکیده

بررسی و اولویت­بندی مناطق مختلف بر اساس میزان فرسایش و رسوبدهی، می­تواند منجر به تولید اطلاعات ارزشمندی برای عملی کردن طرح‌های جامع آبخیزداری، حفاظت خاک و کاهش خسارات انواع فرسایش در مناطق مورد مطالعه شود. پژوهش حاضر به منظور مقایسه دو مدلEPM  و MPSIAC در برآورد فرسایش و رسوب و اولویت­بندی واحدهای هیدرولوژیک موجود در حوزه آبخیز ارو واقع در استان تهران انجام شد. بخشی از اطلاعات مورد نیاز این پژوهش در زمینه ویژگی­های طبیعی حوضه مذکور، از طریق مطالعات جامع آبخیزداری حوزه آبخیز حبله­رود تامین و بخشی دیگر با کمک مطالعات صحرایی تهیه شد. با محاسبه فاکتورهای مورد نیاز در دو مدل EPM و MPSIAC میزان فرسایش با استفاده از این دو مدل برای تمامی واحدهای هیدرولوژیک موجود در این حوضه برآورد و بر اساس شدت رسوبدهی و فرسایش خاک در هر زیرحوضه، مقایسه و اولویت بندی انجام شد. در مدل MPSIAC میزان فرسایش ویژه 451 و رسوب ویژه 233 متر مکعب بر کیلومتر مربع در سال برآورد گردید. این در حالی است که میزان فرسایش و رسوب ویژه کل حوزه آبخیز در مدلEPM  به ترتیب 378 و 200 متر مکعب بر کیلومتر مربع برآورد شد. از نظر توزیع مکانی، بیشترین سطح در مدل­های مذکور به طبقه متوسط فرسایش و رسوب اختصاص داشت. نتایج نشان داد که در بیشتر طبقات فرسایش، مدلEPM  و MPSIAC با هم انطباق خوبی ندارند. اولویت­بندی واحدهای هیدرولوژیک موجود در این حوضه نشان داد که در مدل EPM واحد A4 و در مدل MPSIAC واحد A-1-4-3 بیش­ترین میزان فرسایش و رسوبدهی ویژه را به خود اختصاص می­دهند. 

کلیدواژه‌ها


چکیده

بررسی و اولویت­بندی مناطق مختلف بر اساس میزان فرسایش و رسوبدهی، می­تواند منجر به تولید اطلاعات ارزشمندی برای عملی کردن طرح‌های جامع آبخیزداری، حفاظت خاک و کاهش خسارات انواع فرسایش در مناطق مورد مطالعه شود. پژوهش حاضر به منظور مقایسه دو مدلEPM  و MPSIAC در برآورد فرسایش و رسوب و اولویت­بندی واحدهای هیدرولوژیک موجود در حوزه آبخیز ارو واقع در استان تهران انجام شد. بخشی از اطلاعات مورد نیاز این پژوهش در زمینه ویژگی­های طبیعی حوضه مذکور، از طریق مطالعات جامع آبخیزداری حوزه آبخیز حبله­رود تامین و بخشی دیگر با کمک مطالعات صحرایی تهیه شد. با محاسبه فاکتورهای مورد نیاز در دو مدل EPM و MPSIAC میزان فرسایش با استفاده از این دو مدل برای تمامی واحدهای هیدرولوژیک موجود در این حوضه برآورد و بر اساس شدت رسوبدهی و فرسایش خاک در هر زیرحوضه، مقایسه و اولویت بندی انجام شد. در مدل MPSIAC میزان فرسایش ویژه 451 و رسوب ویژه 233 متر مکعب بر کیلومتر مربع در سال برآورد گردید. این در حالی است که میزان فرسایش و رسوب ویژه کل حوزه آبخیز در مدلEPM  به ترتیب 378 و 200 متر مکعب بر کیلومتر مربع برآورد شد. از نظر توزیع مکانی، بیشترین سطح در مدل­های مذکور به طبقه متوسط فرسایش و رسوب اختصاص داشت. نتایج نشان داد که در بیشتر طبقات فرسایش، مدلEPM  و MPSIAC با هم انطباق خوبی ندارند. اولویت­بندی واحدهای هیدرولوژیک موجود در این حوضه نشان داد که در مدل EPM واحد A4 و در مدل MPSIAC واحد A-1-4-3 بیش­ترین میزان فرسایش و رسوبدهی ویژه را به خود اختصاص می­دهند.

 

 واژه­های کلیدی: اولویت­بندی، حوزه آبخیز ارو، رسوب، فرسایش خاک، مدل EPM، مدل MPSIAC


مقدمه

فرسایش خاک به عنوان یکی از هزاران فرایند طبیعی، سالیان درازی است که فعال بوده، به طوری­که هر ساله هزاران تن مواد جامد از سطح حوزه‌های آبخیز توسط آب، باد و ... شسته شده و از محلی به محل دیگر انتقال می­یابند. امروزه عقیده بر این است که فرسایش خاک توسط آب یکی از عوامل مهم و اصلی تغییر منظر زمین، تخریب منابع زیست­محیطی و محدودکننده امکان دستیابی به امنیت غذایی و آب در جهان می­باشد (15). بنابراین مطالعات فرسایش خاک یکی از بررسی­های پایه در مباحث مربوط به حفاظت خاک و آبخیزداری به شمار می­آید و برای اجرا کردن برنامه­های حفاظتی، تعیین روش­های شناخت، کنترل و مبارزه با فرسایش امری ضروری است. هنگامی که بهره­برداری از منابع خاک و آب مبتنی بر اصول صحیح و متناسب با توان­های طبیعی و شرایط محیطی نباشد، فرسایش تخریب­کننده حادث می­شود (8). دراین وضعیت، خسارات بیشتری نسبت به فرایند طبیعی فرسایش وارد و خاک بیشتری از دست می­رود.

بیشتر پژوهشگران فرسایش خاک معتقد به پیچیده بودن چگونگی ایجاد، رشد و گسترش انواع فرسایش در شرایط مختلف زمین­محیطی و تحت اقدامات مختلف عامل انسان در بهره­برداری از منابع خاک، آب و گیاه می­باشند (3). یکی از مباحث مهم در مطالعات فرسایش، شناسایی وضعیت موجود و تعیین سهم و شدت فرسایش در منطقه مورد مطالعه می‌باشد.

روش‌های پیش­گیری و مبارزه با فرسایش در اشکال مختلف آن از قبیل سطحی، شیاری، خندقی، لغزشی و هم­چنین بر اساس میزان فعال بودن هر یک از اشکال در مناطق مختلف متفاوت است. لذا نوع و شکل فرسایش، شدت و میزان فعال بودن هر یک و هم­چنین عامل و یا عوامل تشدیدکننده فرسایش از مهم‌ترین فاکتورهای تعیین­کننده در تصمیم­گیری و انتخاب نوع عملیات حفاظتی می­باشد. به‌طور کلی هدف از مطالعات فرسایش و رسوب در فاز تفصیلی-اجرایی یک حوزه آبخیز، شناخت دقیق اولویت‌ها، بررسی وضعیت فرسایش و برآورد فرسایش و رسوب جهت انجام اقدامات حفاظتی حوضه می‌باشد.

یکی از مشکلات اساسی برای تخمین میزان فرسایش و رسوب به منظور برنامه­ریزی­های مربوط به بهره­برداری از منابع آب و خاک، عدم وجود آمار به ویژه در حوزه­های آبخیز کوچک می­باشد، به طوری که در مدیریت حوزه­های آبخیز و تدوین برنامه­های حفاظتی کارشناسان و بهره­برداران را با مشکل مواجه می­سازد، بنابراین جهت تخمین و برآورد میزان فرسایش و رسوب در حوضه­های فاقد آمار روابط تجربی ابداع شده است. اساس مدل­های تجربی در نظر گرفتن تعدادی از عوامل مهم که در فرسایش خاک مؤثرند، می­باشد و بر مبنای روش­های مشاهده­ای و اندازه­گیری تجربی مدل را ارائه می­دهند (1). در مورد مدل­های تجربی به خصوص [1]MPSIAC مطالعات زیادی در ایران انجام شده است که تقریباً در اکثر موارد تأیید و توصیه شده است (19). پس از مدل مذکور از مدل [2]EPM نیز استفاده زیادی توسط سازمان­های مختلف صورت گرفته است (10) و در ایران نیز پس از مدل پسیاک مورد استفاده قرار گرفته است (16 و 5).

فارگاس و همکاران (1997) روشی را ارائه نمودند که در آن با استفاده از دو عامل فرسایش­پذیری نوع سنگ و تراکم زهکشی سعی در شناخت منابع منطقه­ای رسوب­زا (شدت فرسایش) در سطح منطقه­ای نمودند (9). بیات و همکاران (1390) با بررسی وضعیت فرسایش در استان لرستان به کمک RS و GIS و با کمک مدل EPM به این نتیجه رسیدند که عمده مناطق دارای اولویت جهت برنامه­ریزی­های مرتبط با حفاظت خاک و منابع طبیعی در جنوب و جنوب غرب استان پراکنده­اند (6).

در مطالعه­ای مدل SATEEC[3] در محیط سامانه­های اطلاعات جغرافیایی ([4]GIS) برای برآورد رسوب­زایی و تهیه­ی نقشه­ی شدت فرسایش در زیرحوضه­ی سد زاینده­رود به کاربرده.شد نتیجه نشان داد که مقادیر زیاد تولید رسوب و تمرکز فرسایش، در ارتفاعات و شیب­های کناری آبراهه­ها می­باشد (13). جلالیان (1371) در ارزیابی مقدار رسوب­دهی با مدل PSIAC در حوزه­ی آبخیز شمال کارون به این نتیجه رسیدند که این مدل دارای همبستگی خوبی با مقدار رسوب حاصل از ایستگاه رسوب­سنجی بوده­است (11). در پژوهشی در زیرحوضه­ی اوزون­دره از حوزه آبخیز قزل­اوزن به این نتیجه رسیدند که مدل PSIAC با مقادیر اندازه­گیری شده مطابقت خوبی داشته است و هم­چنین مدل EPM را مناسب برای سایر مناطق مشابه منطقه­ی تحقیق دانستند (4) .

هم­چنین می­توان در این زمینه به مطالعات محمودآبادی و همکاران (1384)، دادرسی (1997)، ریونز و همکاران[5] (2000)، صادقی (2005) اشاره نمود، که عمدتاً با استفاده از تکنیک­های مختلف GIS نقشه وضعیت فرسایش را در منطقه مورد مطالعه خود تهیه کرده­اند (14، 7، 18 و 20).

به­طور کلی با توجه به این­که شناسایی، بررسی و اولویت­بندی مناطق مختلف بر اساس میزان فرسایش و رسوبدهی، می­تواند منجر به تولید اطلاعات ارزشمندی برای اجرایی و عملی کردن طرح‌های جامع آبخیزداری، پیش­بینی، مهار و کاهش خسارات انواع فرسایش در مناطق مورد مطالعه و مناطقی با شرایط مشابه شود، ضرورت دارد که این مسئله مورد توجه مسئولین و مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد.

در تحقیق حاضر با توجه به رخداد و گسترش فرسایش آبی در حوضه ارو و با عنابت به اینکه انواع فرسایش در این منطقه با تغییر شکل ظاهری زمین همراه است و سبب تولید میزان قابل توجهی رسوب، تخریب اراضی، جاده­ها، شبکه­های آبیاری و پرشدن سدها می­شوند (2) سعی شده تا با استفاده از مطالعات صحرایی و داده­های منتج از مدل­های EPM و MPSIAC که در بسیاری از حوضه­های کشور کارایی مناسبی نشان داده­اند و با کمک سیستم اطلاعات جغرافیایی اقدام به بررسی و تجزیه و تحلیل و برآورد شدت فرسایش، میزان رسوبدهی و مقایسه­ی نتایج حاصله از این دو مدل، جهت دستیابی به راه­حل­های راهبردی برای پیشگیری و مبارزه با این پدیده در این منطقه شود.

 

مواد و روش­ تحقیق

مشخصات عمومی حوزه آبخیز مورد مطالعه

محدوده مورد مطالعه در شرقی‌ترین بخش استان تهران، در حد فاصل 52 درجه و 53 دقیقه و 37 ثانیه الی 53 درجه و 5 دقیقه و 28 ثانیه طول شرقی و در حد فاصل 35 درجه و 45 دقیقه و 17 ثانیه الی 35 درجه و 51 دقیقه و 53 ثانیه عرض شمالی و در حوزه آبخیز کویر مرکزی واقع می­باشد. این منطقه با مساحت 6/8754 هکتار به لحاظ تقسیمات سیاسی در استان تهران و در توابع شهرستان فیروزکوه واقع است.

از نظر طبیعی، حدود نیمی از حوضه آبخیز ارو، کوهستانی و عمدتاً دارای نقاط ارتفاعی در پیرامون حوضه می‌باشد. مرتفع‌ترین بلندی با ارتفاع بیش از 3300 متری در منتهی­الیه شرقی حوضه قرار داشته و پست­ترین نقطه با ارتفاع کمتر از 2100 متر در محل خروجی حوضه ارو قرار دارد.

بر اساس اطلاعات موجود، میانگین بارندگی سالانه حوضه 3/284 میلیمتر برآورد شده است. اقلیم حوضه در سیستم دومارتن در طبقه­بندی نیمه­خشک تا خشک قرار دارد. هویت اقلیمی زیرحوضه‌های حوزه آبخیز ارو به روش آمبرژه در اشکوب نیمه مرطوب سرد قرار دارد. آبراهه‌های اصلی حوزه آبخیز با جهت کلی شرق به جنوب غربی نزولات جوی را جمع­آوری می‌کنند.

 

روش­ تحقیق

-        تهیه داده­های مورد نیاز مدل­هایEPM  و MPSIAC

در این پژوهش، نقشه­های توپوگرافی رقومی سازمان نقشه­برداری، نقشه های زمین­شناسی که توسط سازمان زمین­شناسی و معادن کشور منتشر شده است، نقشه­های موضوعی از منطقه شامل نقشه­های خاکشناسی، پوشش گیاهی و تصویر ماهواره­ای محدوده مورد مطالعه از سنجنده Land sat ETM+ سال 2002، استفاده گردیده است.

 

 

شکل 1: موقعیت حوزه آبخیز ارو

 

آمار ایستگاه­های هواشناسی، باران­سنجی مناطق مجاور حوزه آبخیز ، ارتفاع رواناب سالانه، دبی اوج ویژه و اطلاعات مربوط به ارتفاع حوضه از جمله داده­های مورد نیاز در مدل­های EPM و MPSIC می­باشند که برای تهیه این داده­ها از گزارش مطالعات جامع آبخیزداری حوزه آبخیز حبله­رود استفاده گردید. لازم به ذکر است از آنجایی که حوزه آبخیز مطالعاتی فاقد ایستگاه هیدرومتری می­باشد، لذا ضرورت دارد تا از روش­های تجربی به منظور برآورد آبدهی زیرحوضه­های مطالعاتی استفاده گردد. برای تهیه لایه­های اطلاعاتی از نرم­افزار GIS در محیط Arc/GIS استفاده شد تا از این طریق بتوان با استفاده از این ابزار و کمک گرفتن از داده­های سنجش از دور به بررسی دقیق­تر و نتیجه بهتر دست یافت. با توجه به این­که لایه­های مؤثر در مدل EPM و MPSIAC زیاد می­باشند و از این لایه­ها نقشه شدت فرسایش ومیزان رسوب­دهی تهیه می­شود، لازم است که

این لایه­ها با هم همپوشانی شوند و در نهایت با ادغام لایه­های اطلاعاتی به بررسی ویژگی­های طبیعی حوزه آبخیز پرداخته شود

رودخانه­ها و آبراهه‌های اصلی و فرعی حوزه آبخیز ارو در نقشه شکل1 نمایش داده شده­است همان­طور که ملاحظه می­شود این حوضه به زیرحوضه‌ها (واحدهای هیدرولوژیک همگن) مربوطه تقسیم شده­است. واحدهای دارای پسوند INT به عنوان واحدهای غیر هیدرولوژیک یا غیرمستقل و همچنین واحدهای با پسوند G نشانگر واحدهایی هستند که مستقیماً به آبکند می‌ریزند.

 

 

 

شکل 1: حوضه ارو به همراه واحدهای هیدرولوژیک موجود در آن

 


-        مدل MPSIAC

از میان مدل­های تجربی که به ایران وارد شده­اند مدلPSIAC  بیش از سایر مدل­ها مورد توجه قرار گرفته است. این مدل از حدود ۳۰ سال پیش به ایران وارد شده و به استناد اینکه در مدل مذکور تعداد بیشتری از عوامل مؤثر در رخداد فرسایش لحاظ شده و در ضمن نتایج حاصل از بکارگیری این مدل در چند حوزه آبخیز جواب مناسبی داشته است مورداستفاده قرار گرفته و هنوز نیز مورد استفاده قرار می گیرد. مدل اولیه PSIAC اصلاح شده و مدل اصلاحی با عنوان  MPSIAC ارائه شده است (12). در این مدل با نمره­دهی به هریک از عوامل نه­گانه موثر بر رسوبدهی نسبت به برآورد کیفی و کمی تولید رسوب اقدام می­شود. این عوامل شامل زمین­شناسی سطحی، خاک، اقلیم، رواناب، توپوگرافی، پوشش زمین، کاربری اراضی، وضعیت فعلی فرسایش و فرسایش رودخانه­ای و حمل رسوب می­باشند.

بر اساس بررسی‌های به عمل آمده از روی نقشه توپوگرافی، زمین­شناسی، ارزیابی منابع و قابلیت منابع اراضی، عکس­های هوایی و سایر منابع آماری موجود، اطلاعات پایه مورد نیاز آماده گردید. لازم به ذکر است در داخل و خروجی حوزه آبخیز مطالعاتی، هیچ­گونه ایستگاه هیدرومتری وجود ندارد و با توجه به اینکه تولید رسوب وابستگی مستقیمی با خصوصیات حوضه دارد، لذا از آمار و اطلاعات ایستگاه­های هیدرومتری مجاور منطقه طرح که با فاصله نسبتاً زیادی از خروجی قرار دارند نمی­توان استفاده نمود. تولید رسوب از دو بخش بار معلق و بار بستر تشکیل شده است با توجه به خصوصیات حوضه مانند زمین‌شناسی، اقلیم، کاربری اراضی، مورفولوژی رودخانه، شیب و نظر کارشناسی، بار بستر[6] معادل 15/0 بار معلق در نظر گرفته شده است. هم­چنین وزن مخصوص مواد معلق 2/1 و وزن مخصوص بار بستر 2/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب در نظر گرفته شده است.

حجم و ارتفاع رواناب منطقه با روش جاستین به ترتیب 49/5 میلیون متر مکعب و 27/6 سانتی­متر محاسبه شده و مقدار دبی پیک بر اساس روش هیدروگراف سیل SCS با دور بازگشت دو ساله 38/2 متر مکعب در ثانیه برآورد شده است

در روش MPSIAC با محاسبه مقدار بارندگی 6 ساعته با دوره بازگشت 2 سال بر حسب میلی‌متر امتیاز عامل اقلیم تعیین و محاسبه گردید که با توجه به عدم تنوع آن در منطقه، مقدار بارندگی 6 ساعته با دوره بازگشت 2 سال برابر 6/9 میلی متر و عدد 92/1 به عنوان امتیاز عامل آب و هوا لحاظ شد.

-        برآورد رسوبدهی ویژه با استفاده از مدل MPSIAC

پس از تعیین 9 عامل در نظر گرفته شده در مدلMPSIAC  و بدست آوردن مجموع نمرات آنها به منظور تعیین میزان فرسایش و رسوب‌زایی در هر یک از تیپ‌های فرسایشی و زیرحوضه‌ها از جدول کلاس رسوبدهی و فرسایش استفاده می‌شود. اما به منظور اعمال دقت بیشتر و پرهیز از اشتباه در عمل درون­یابی و برون یابی برای برآورد تولید رسوب از رابطه بین درجه رسوبدهی و میزان تولید رسوب به شرح زیر استفاده به عمل می‌آید (17 و 5):

 

QS=38.77e 0.0353R

که در آن:

QS : میزان رسوبدهی سالانه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع.

R : درجه رسوبدهی یعنی مجموع امتیازات عوامل مختلف در نظر گرفته شده در مدل MPSIAC.

رابطه فوق با درجه همبستگی r=0.9964 از نظر آزمون آماری در سطح یک درصد معنی‌دار‌ ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌می‌باشد (17 و 5).

-        برآورد فرسایش ویژه با استفاده از مدل MPSIAC

نسبت تحویل رسوب یا [7]SDR در عمل ضریبی است بین فرسایش کل حوضه و بخشی که در سطح حوضه باقی مانده و از آن خارج نمی‌گردد. با در نظر گرفتن اینکه تمام خاک فرسایش یافته تبدیل به رسوب نشده و بخشی از آن پس از جابجایی و حرکت در قسمت دیگری از حوضه تثبیت می‌شود، SDR ضریبی است که نشان می‌دهد چه درصدی از فرسایش تبدیل به رسوب شده است.

در روش MPSIAC میزان  SDRاز روی نمودار لگاریتمی با توجه به مساحت حوضه یا واحدهای هیدرولوژیک و بافت خاک مشخص می‌گردد. در این گزارش میزان SDR از رابطه زیر محاسبه شده است (21):

 

Log SDR=1.8768 - 0.1491Log 10A  

 

A: مساحت حوضه یا واحد هیدرولوژیک بر حسب مایل مربع

-        مدل EPM

در این روش 4 مشخصه شامل ضریب فرسایش حوزه آبخیز (ψ) ، ضریب کاربری اراضی (Xa) ضریب حساسیت خاک به فرسایش(Y)  و شیب متوسط حوزه (I) در واحدهای مختلف اراضی یا در شبکه­های ایجاد شده در نقشه، مورد بررسی قرار می­گیرند (16).

به منظور تعیین ضریب شدت فرسایش هر کدام از واحدهای همگن هیدرولوژیکی از رابطه مقابل استفاده گردید (17 و 5):

 

 

با استفاده از مقدار Z محاسبه شده، متوسط سالانه  فرسایش (WSP) محاسبه شد و در ادامه با محاسبه ضریب رسوبدهی میزان رسوب و نیز میزان رسوب ویژه مورد محاسبه قرار گرفت.جدول شماره 5 مقادیر محاسبه شده هر یک از پارامترهای ذکر شده را برای هر یک از واحدهای هیدرولوژیک حوزه آبخیز ارو نشان می­دهد.

 

نتایج

-        مدل MPSIAC

همان­طور که در بالا هم توضیح داده شده است بر اساس نتایج حاصله از بخش‌های مطالعاتی مختلف و مشاهدات صحرایی و با استفاده از سیستم GIS امتیاز‌بندی عوامل 9 گانه به تفکیک واحدهای هیدرولوژیک موجود در این حوضه محاسبه گردید که در جدول 1 ارائه شده است. هم­چنین جدول 2 میزان فرسایش و رسوب محاسبه شده در هر یک از واحدهای هیدرولوژیک را که با استفاده از مدل MPSIAC برآورد گردیده نشان می­دهد.

هم­چنین شکل 2 طبقات شدت فرسایش محاسبه شده بر اساس این مدل را نمایش می­دهد. همان­گونه که در شکل مشاهده می­شود بر اساس نتایج این مدل بیشتر مساحت تحت پوشش این حوضه از شدت فرسایش زیاد و متوسط برخوردارند.

 

 

جدول 1: مقادیر میانگین فاکتورهای 9 گانه روش MPSIAC به تفکیک زیر حوضه­ها

عوامل فرسایش خاک و تولید رسوب

 

زیر حوضه

 

Surface Geology

Y1=X1

Soil

Y2=16/67X2

Climate

Y3=0/2X3

Runoff

Y4=0/2X4

Topography

Y5=0/33X5

Ground Cover

Y6=0/2X6

Land use

Y7=200/2X7)

Upland Erosion

Y8=0/25X8

Channel Erosion

Y9=1/67X9

جمع کل

Y

X1

Y1

X2

Y2

X3

Y3

X4

Y4

X5

Y5

X6

Y6

X7

Y7

X8

Y8

X9

Y9

A1-1

6.7

6.7

0.21

3.5

9.6

1.92

17.7

3.5

30.7

10.1

38.9

7.8

29.9

14.0

71.8

17.9

3.6

6.1

71.5

A1-2

7.1

7.1

0.27

4.5

9.6

1.92

21.7

4.3

40.4

13.3

32.5

6.5

39.2

12.2

72.6

18.2

3.7

6.1

74.1

A1-3

8.0

8.0

0.32

5.4

9.6

1.92

20.2

4.0

31.3

10.3

32.1

6.4

40.0

12.0

60.4

15.1

3.3

5.6

68.7

A1-4-1

6.2

6.2

0.24

4.0

9.6

1.92

16.2

3.2

30.5

10.1

31.3

6.3

39.1

12.2

72.5

18.1

4.2

7.0

69.0

A1-4-2

4.4

4.4

0.20

3.3

9.6

1.92

29.8

6.0

43.4

14.3

27.8

5.6

46.2

10.8

71.5

17.9

3.5

5.9

70.1

A1-4-3

6.1

6.1

0.30

5.0

9.6

1.92

23.2

4.6

29.9

9.9

32.5

6.5

39.7

12.1

62.4

15.6

6.9

11.5

73.2

A1-4-int

7.1

7.1

0.27

4.5

9.6

1.92

6.7

1.3

30.9

10.2

32.3

6.5

39.2

12.2

71.9

18.0

5.0

8.3

70.0

A1-5

5.3

5.3

0.23

3.9

9.6

1.92

12.7

2.5

38.7

12.8

32.5

6.5

40.0

12.0

77.2

19.3

3.0

5.0

69.2

A1-6

6.9

6.9

0.26

4.4

9.6

1.92

9.7

1.9

35.2

11.6

37.5

7.5

33.8

13.2

75.8

19.0

3.6

6.0

72.4

A1-int

8.6

8.6

0.26

4.3

9.6

1.92

6.7

1.3

23.5

7.8

36.9

7.4

33.3

13.3

79.7

19.9

3.5

5.9

70.4

A2

7.6

7.6

0.21

3.5

9.6

1.92

6.2

1.2

36.5

12.0

30.2

6.0

44.4

11.1

68.0

17.0

3.5

5.9

66.2

A3

7.1

7.1

0.23

3.9

9.6

1.92

5.2

1.0

38.7

12.8

36.9

7.4

33.5

13.3

59.8

15.0

3.8

6.3

68.7

A4

8.0

8.0

0.34

5.6

9.6

1.92

3.7

0.7

35.2

11.6

37.9

7.6

31.8

13.6

55.5

13.9

3.8

6.3

69.2

A5

6.1

6.1

0.27

4.5

9.6

1.92

13.7

2.7

29.2

9.6

34.8

7.0

36.9

12.6

49.1

12.3

3.8

6.3

63.0

A6

7.1

7.1

0.25

4.2

9.6

1.92

4.6

0.9

17.2

5.7

39.2

7.8

30.0

14.0

57.0

14.2

4.6

7.7

63.5

AG1

5.3

5.3

0.18

3.0

9.6

1.92

6.7

1.3

46.1

15.2

41.3

8.3

28.4

14.3

70.5

17.6

2.8

4.6

71.5

AG2

8.0

8.0

0.26

4.3

9.6

1.92

2.7

0.5

32.8

10.8

36.4

7.3

33.6

13.3

58.3

14.6

3.1

5.1

65.8

AG3

7.2

7.2

0.29

4.9

9.6

1.92

7.2

1.4

36

11.9

35.3

7.1

36.8

12.6

69.9

17.5

3.4

5.7

70.2

AG4

7.0

7.0

0.32

5.3

9.6

1.92

1.2

0.2

37.6

12.4

39.6

7.9

29.6

14.1

80.0

20.0

2.5

4.2

73.0

A-int

9.0

9.0

0.28

4.7

9.6

1.92

5.1

1.0

11.1

3.7

34.3

6.9

38.1

12.4

52.2

13.0

4.2

6.9

59.5

جدول 2: میزان فرسایش و رسوب به تفکیک هر یک از واحدهای هیدرولوژیک با کمک مدل MPSIAC

 

ردیف

واحدهای هیدرولوژیک

مساحت

 ha

مساحت

%

میانگین رسوب ویژه m3/km2.yr

SDR

میانگین  فرسایش ویژه m3/km2.yr

حجم رسوب سالیانه m3

حجم  فرسایش سالیانه m3

1

A1-1

618.0

7.1

252.3

48.0

525.7

1559.4

2763.3

2

A1-2

784.5

9.0

264.2

46.4

569.4

2072.8

3242.6

3

A1-3

721.3

8.2

226.3

47.0

481.5

1632.2

2318.1

4

A1-4-1

558.9

6.4

233.2

48.7

478.9

1303.5

2293.6

5

A1-4-2

1189.3

13.6

240.2

43.7

549.6

2856.3

3020.3

6

A1-4-3

860.0

9.8

311.7

45.8

680.5

2680.2

4630.4

7

A1-4-int

447.7

5.1

232.6

50.2

463.4

1041.6

2147.8

8

A1-5

401.1

4.6

201.3

51.0

394.7

807.4

1557.7

9

A1-6

302.3

3.5

227.0

53.1

427.6

686.3

1828.2

10

A1-int

436.7

5.0

212.9

50.4

422.5

929.9

1785.1

11

A2

180.6

2.1

218.1

57.2

381.3

393.9

1454.0

12

A3

151.6

1.7

257.7

58.6

439.7

390.6

1933.5

13

A4

100.4

1.1

279.3

62.1

449.7

280.4

2022.7

14

A5

441.6

5.0

228.0

50.3

453.2

1006.7

2053.9

15

A6

140.0

1.6

232.5

59.3

392.0

325.4

1536.7

16

AG1

435.5

5.0

228.2

50.4

452.8

993.8

2050.0

17

AG2

157.5

1.8

199.4

58.3

342.1

314.1

1170.0

18

AG3

466.6

5.3

250.6

50.0

501.2

1169.2

2511.6

19

AG4

57.6

0.7

207.9

67.2

309.3

119.7

956.9

20

A-int

303.4

3.5

161.4

53.1

303.9

489.6

923.4

 

 

 

شکل 2: طبقه­بندی شدت فرسایش در حوضه ارو بر اساس مدلMPSIAC

 


-        مدل EPM

جدول 3 پارامترهای ورودی و خروجی این

 

مدلرا برای هر یک از واحدهای هیدرولوژیک موجود در حوضه ارو ارائه می­دهد.


جدول 3: مقادیر پارامترهای اندازه­گیری شده در روش EPM

واحدهای هیدرولوژیک

ضریب فرسایش

مشاهده ای

(Ψ)

ضریب استفاده

از زمین

(Xa)

ضریب

حساسیت

سنگ و خاک(Y)

شیب متوسط

(%)

ضریب شیب     (%)       (I)

ضریب

شدت

فرسایش          (Z)

ضریب دما

متوسط سالیانه دما  ((T (درجه سانتیگراد)

متوسط سالیانه بارندگی(R)

(میلیمتر)

فرسایش ویژه (Wsp) (m3/km2.yr)

ضریب تحویل رسوب

( SDR)

رسوب دهی ویژه ((Gsp

(m3/km2.yr)

A1-1

 

0.578

0.461

1.151

29.1

0.507

0.571

0.695

3.8

447.56

448.6

48.01

215.5

A1-2

 

0.568

0.389

1.215

36.6

0.576

0.525

0.703

3.9

462.92

401.0

46.41

186.3

A1-3

 

0.509

0.385

1.381

29.8

0.498

0.522

0.707

4.0

453.88

388.9

46.96

182.6

A1-4-1

 

0.600

0.376

1.069

29.4

0.509

0.443

0.707

4.0

456.76

311.0

48.70

151.4

A1-4-2

 

0.616

0.336

0.753

40.6

0.616

0.317

0.709

4.0

439.20

217.9

43.75

95.5

A1-4-3

 

0.645

0.389

1.052

27.9

0.487

0.449

0.703

3.9

433.20

329.0

45.81

151.0

A1-4-int

 

0.602

0.387

1.215

28.0

0.480

0.490

0.707

4.0

445.32

347.0

50.25

174.2

A1-5

 

0.508

0.389

0.908

36.2

0.576

0.386

0.688

3.7

428.00

278.6

51.04

142.1

A1-6

 

0.514

0.445

1.178

33.2

0.547

0.587

0.679

3.6

426.86

471.1

53.13

249.8

A1-int

 

0.488

0.438

1.475

22.4

0.418

0.559

0.694

3.8

438.81

425.8

50.43

214.5

A2

 

0.556

0.362

1.304

34.7

0.565

0.542

0.662

3.4

428.54

380.0

57.16

216.2

A3

 

0.623

0.438

1.216

35.9

0.575

0.628

0.675

3.6

437.26

473.3

58.60

277.8

A4

 

0.607

0.450

1.382

34.6

0.567

0.724

0.679

3.6

437.09

579.4

62.13

358.5

A5

 

0.575

0.415

1.040

28.4

0.504

0.459

0.656

3.3

415.55

295.5

50.35

148.7

A6

 

0.648

0.465

1.218

16.5

0.365

0.575

0.645

3.2

407.09

366.4

59.26

216.2

AG1

 

0.510

0.488

0.899

42.0

0.631

0.489

0.654

3.3

414.81

377.3

50.45

192.6

AG2

 

0.446

0.433

1.370

31.2

0.526

0.565

0.667

3.4

430.32

397.7

58.28

231.7

AG3

 

0.584

0.421

1.243

34.8

0.566

0.612

0.663

3.4

422.21

442.5

49.96

221.6

AG4

 

0.471

0.469

1.205

36.5

0.584

0.601

0.652

3.3

404.88

413.5

67.23

268.7

A-int

 

0.268

0.410

1.543

10.5

0.296

0.366

0.659

3.3

417.48

219.8

53.11

116.3

 

 

هم­چنین نقشه شکل 3 طبقات فرسایش بدست آمده در حوضه ارو را بر اساس این مدل نشان می­دهد. همان­طور که در نقشه مشاهده می­شود بیشتر مساحت حوضه با این روش نیز تحت فرسایش بالا و متوسط قرار دارد.

جدول 4 و 5 حاوی اطلاعاتی است که نمایان­گر درصد تحت پوشش هر یک از کلاس­های فرسایش و رسوبدهی در حوضه ارو می­باشد. همان­گونه که ملاحظه می­شود بر اساس نتایج حاصل از هر دو مدل حدود نیمی از مساحت تحت پوشش این حوضه از نظر شدت رسوبدهی در کلاس کم و از نظر شدت فرسایش در کلاس متوسط قرار گرفته­ است. بررسی شدت فرسایش بر اساس مدل MPSIAC نشان دهنده قرارگیری نیم دیگر حوضه در کلاس زیاد می­باشد این در حالی است که بر اساس مدل EPM نیم دیگر حوضه بین کلاس­های خیلی کم، کم و زیاد با مقادیری که در جدول 4 دیده می­شود تقسیم شده است.

نتایج حاصل از مطالعه شدت رسوبدهی نیز بر اساس مدل MPSIAC نشان­دهنده قرارگیری تقریباً نیم دیگر حوضه در کلاس متوسط می­باشد و براساس مدلEPMنیم دیگر حوضه در کلاس­های خیلی کم و متوسط می­باشد.


 

 

جدول 4: طبقات شدت فرسایش در حوزه آبخیز ارو

 

ردیف

شدت

رسوبدهی

کلاس

فرسایش

محدوده میزان فرسایش m3/km2.yr

مساحت ha

(بر اساس مدل MPSIAC)

درصد نسبت به کل حوضه در مدل MPSIAC

مساحت ha

(بر اساس مدل EPM)

درصد نسبت به کل حوضه در مدل EPM

1

خیلی کم

I

95>

19

0.2

1480

16.9

2

کم

II

238-95

575

6.6

952

10.9

3

متوسط

III

476-238

4245

48.5

4159

47.5

4

زیاد

IV

1429-476

3917

44.7

2164

24.7

 

 

 

جدول 5: طبقات شدت رسوبدهی در حوزه آبخیز ارو

 

ردیف

شدت

رسوبدهی

کلاس

رسوبدهی

محدوده میزان رسوبدهی m3/km2.yr

مساحت ha

(بر اساس مدل MPSIAC)

درصد نسبت به کل حوضه در مدل MPSIAC

مساحت ha

(بر اساس مدل EPM)

درصد نسبت به کل حوضه در مدل EPM

1

خیلی کم

I

95>

292

3.3

2025

23.1

2

کم

II

238-95

4879

55.7

4644

53.0

3

متوسط

III

476-238

3585

40.9

2039

23.3

4

زیاد

IV

1429-476

-

-

47

0.5

 


اولویت­بندی واحدهای هیدرولوژیک در میزان رسوب و فرسایش با استفاده از مدل   MPSIAC و EPM

همان­گونه که در قبل هم بیان شده است با استفاده از روش تجربی MPSIAC و توسط سیستم GIS میزان فرسایش و رسوب به تفکیک واحدهای هیدرولوژیک محاسبه و تعیین گردید. اولویت­بندی واحدهای هیدرولوژیک موجود در این حوضه بر اساس داده­های کمی موجود در جدول 2 و 3، نشان­دهنده اولویت واحدهای هیدرولوژیک A1-4-3، A4، A1-2، A3، A1-1، AG3، A1-4-2 از نظر میزان رسوب تولیدی جهت اعمال برنامه­های مدیریتی، اقدامات حفاظتی و برنامه­ریزی­های لازم و عملیات آبخیزداری نسبت به دیگر واحدهای هیدرولوژیک این حوضه می­باشد. هم­چنین بررسی میزان رسوب تولیدی نشان می­دهد واحدهای ,A-int  AG2 و A1-5 کمترین میزان تولید رسوب را در منطقه مورد مطالعه دارند.

 

 

 

شکل3: طبقه­بندی شدت فرسایش در حوضه ارو بر اساس مدلEPM

 

 


بررسی میزان فرسایش واحدهای هیدرولوژیک حوضه ارو بیان­گر اولویت داشتن واحدهای      A1-4-3، A1-2، A1-4-2، A1-1، AG3، A1-3، A1-4-1  نسبت به دیگر واحدهای همگن موجود در این حوضه از منظر مدیریت می­باشد. هم­چنین واحدهای  AG4,A-intوAG2 از کمترین میزان فرسایش برخوردارند.

اطلاعات به­دست آمده از انجام بررسی­ها بر اساس مدل EPM نیز نشان می­دهد که از نظر تولید رسوب واحدهای A4، A3 ، AG4، A1-6 و از نظر فرسایش واحدهای A4، A3 وA1-6
به تریتب بیشترین مقادیر را به خود اختصاص داده­اند.

 

بحث و نتیجه­گیری

سوابق نشان می­دهد تغییر کاربری، افزایش تعداد دام، عدم مدیریت آب و بهره­برداری بیش از ظرفیت از مراتع به عنوان سوخت و علوفه به کمک وضعیت تکتونیکی و زمین­شناسی باعث شده تا شرایط فرسایش به سرعت تغییر یابد و در دو دهه اخیر گسترش اشکال مختلف فرسایش به­ویژه فرسایش آبکندی در این منطقه با سرعت زیادی اتفاق بیفتد. شرایط کوهستانی و دامنه­های پرشیب به همراه حساسیت واحدهای زمین­شناسی موجود و فعالیت نامتناسب انسان به تشدید شرایط کمک نموده و هر ساله سیلاب­های بیشتر و مخرب­تری را در منطقه به وجود می­آورد که نتیجه آن افزایش مناطق تحت تاثیر فرسایش و شدت گرفتن میزان رسوبدهی در این منطقه می­باشد. بارزترین اشکال ژئومورفولوژیکی موجود در حوضه شامل اشکال دره‌های فرسایشی، دشت‌های فرسایشی، واریزه‌‌های موضعی، زمین‌لغزش، انواع اشکال فرسایشی بارانی، شیاری، خندقی، کناره‌ای و انحلالی می‌باشد.

از این­رو پژوهش حاضر به مقایسه دو مدل MPSIAC  و EPM در برآورد فرسایش و رسوب در حوزه آبخیز ارو پرداخته و در این راستا از سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور بهره گرفته است. در مدل MPSIAC میزان فرسایش ویژه 451 و رسوب ویژه 233 متر مکعب بر کیلومتر مربع در سال محاسبه شد. این در حالی است که میزان فرسایش ویژه و رسوب ویژه کل حوزه آبخیز در مدل EPM به ترتیب 378 و 200 متر مکعب بر کیلومتر مربع در سال محاسبه شده است.

 همان­طور که ملاحظه می­شود نتایج استخراج شده از انجام این دو مدل در کل حوضه مورد مطالعه نشان­دهنده وجود اختلاف در مقادیر محاسبه شده می­باشد. مقایسه مقادیر فرسایش و رسوب هر یک از واحدهای همگن موجود به­طور متناظر نمایان­گر انطباق خوب این مقادیر در برخی واحدها در هر دو مدل می­باشد ولی در بیشتر واحدهای هیدرولوژیکی نیز اختلاف زیادی بین نتایج خروجی دو مدل مشاهده می­گردد.

به علت تطابق وضعیت زمین­شناسی سازندهای موجود در منطقه مورد مطالعه از نظر فرسایش­پذیری و تولید رسوب، با نتایج خروجی از مدل MPSIAC  و با توجه به دخالت دادن فاکتورهای محیطی بیشتری در این مدل نسبت به مدل EPM که تنها با 4 فاکتور محاسبات را انجام می­دهد می­توان گفت مدل MPSIAC وضعیت فرسایش و رسوب را در حوزه آبخیز مورد مطالعه و واحدهای موجود در آن به طور موثرتری نشان می­دهد و داده­های خروجی از این مدل از صحت بیشتری برخوردار بوده و قابل استنادتر می­باشند.

یکی از دلایل اختلاف بین دو مدل مورد بررسی این است که مدل EPM  پتانسیل فرسایش در حوزه­های آبخیز را بررسی می­کند و در مناطق با فرسایش زیاد از دقت ان کاسته می­شود. از این­رو با توجه به قرارگیری بیشتر مساحت تحت پوشش این حوضه در کلاس فرسایش زیاد و متوسط این اختلاف معنی­دار در خروجی دو مدل EPM و MPSIAC در بیشتر واحدهای هیدرولوژیک حوضه مورد بررسی قابل توجیه می­باشد.

 

 




[1]-Modified Pasific Soutwest Inter-Aagency Committee

[2]- Erosion Potential Method

[3]- Sediment Assessment Tool

[4] - Geographical Information Systems

 

[5] -Rinos  et al.,

[6] -Bed Load

[7]- Sediment Delivery Ratio

Refrences

  1. Ahmadi H., M. R. Servati., A. M. Noormohamady, 2011, Sediment And Erosion Estimation Using EPM And MPSIAC, Using Geomorphological Method And GIS In Baghareh (Torbate Heydarieh) Catchment Basin, Journal of Geographical Science, (Issue 7).
  1. Burkard, M.B., Kostaschuck, R. A., 1995; Initiation  and evolution of gullies along the shore line of lake Huron.J.Geomorphology.Vol.14: pp 211 - 219.
  2. Bobrovistskaya, N.N.2000; Hydrological, meteorological and morphological aspects of studying gully erosion in period of global change. Elsevier, Catena Verlag. Cremlingen.
  3. Bagherzadeh Karimi, M., Evaluation of models to predict of the erosion and sedimentation, and the techniques of remote sensing and GIS in soil erosion studies (2002).Master Thesis, Tarbiat Modarres University.
  4. Bayat, R., Refahi, A., Darvishsefat, a., and Sarmadian, F., Evaluation of efficiency of the MPSIAC and EPM models in  the sediment estimating (Taleghan basin), (2001), Journal of Agricultural Science, Faculty of Agriculture, Tehran University, Vol 1, N 32.
  5. Bayat, R., Jafari Ardakani, A., and Shahkarami, A. Review the situation of erosion in the  Lorestan province with RS and GIS (2011),Journal of natural ecosystems,Second year, second issue, Winter 1390..
  6. Dadrasi, S, A,1997, Erosion Assessment in the badland catchments of western Zanjan valley, using RS and GIS, MSc Thesis, ITC, Enschede, The Netherlands,112
  7. Ezechi, J.I.2000; The influnce of runoff, lithology and water table on the dimensions and rate of gullying Processes in Eastern, Nigeria. Elsevier, Catena Verlag. Cremlingen (Web-Site).
  8. Fargas, D., Martinez, J. A, and Poch. R.M (1997). Identification of Critical Sediment Source Area at Regional Level, Journal of Physics & Chemistry of the earth, 22 (3-4).
  9. Gavrilovic. Z., 1988, The Use of an Empirical Method (Erosion Potential Method) for Calculating Sediment Production and Transportation in Unstudied or Torrential streams International Conference of River regime, 17-20May, Wallingford, England 1988 pp, 411-422.
  10. Jalalian, A., Quantitative and qualitative studies of soil erosion in the northern watershed of the Karoon river (1992), Third Congress of Soil Science, Faculty of Agriculture, Tehran University and Institute of Soil and Water.
  11. Johnson, C.W. and Gebhardt, K. A. 1982. Predicting sediment yields from rangelands. In proceedings of workshop on estimating erosion and sediment yield on rangelands, Tucson, Arizona, March 1981 US Department of Agriculture, Agriculture Reviews and Manuals, Western Series , No. 26, P. 145-146.
  12. Karimi, H., Vardajani, S., Application of SATEEC models in GIS for the estimation of sediment and preparing the erosion map in the Zayandehrood subbasins (2007)., Proceedings of the Fourth National Conference on Science and Watershed Engineering, Iran, Natural Resources Faculty of Tehran University.
  13. Mahmoodabadi, M., Refahi, H., Charkhabi, A.,  Preparation of the soil erosion map using Landsat satellite ETM+ images and geographic information system in the Golabad Isfahan basin (2005),Proceedings of the Fourth Geomatics.
  14. Mortezaei, M., Quantitative assessment of the effects of environmental variables on the gully erosion (2005), PhD thesis., Faculty of Agriculture and Natural Resources, Tehran, Islamic Azad University, Science and Research, 154 pages.
  15. Refahi, H., Nemati, M.R., Applying the  EPM method to the study of erosion and sediment yield in the Alamut basin.Iranian Journal of Agricultural Sciences 26 (2): 32 45.
  16. Refahi, H., Water Erosion and conservation (2006), Publication of Tehran University, Fifth Edition, 671 pages.
  17. 30-Rinos, M. H., M. S. P. Aggarwal and R. P. Desilva, 2000, Application of Remote Sensing and GIS on soil erosion assessment at Bata River Basin, India. Department of Agricultural Engineering, Faculty of Agriculture.
  18. Salajegheh, A., and Delfari, S., Comparison of qualitative and quantitative geomorphology methods for estimating erosion and sediment (Case study: Khusban basins of Taleghan catchment) (2007), Abstract Proceedings of the Fourth National Conference on Science and Engineering, watershed management, Iran. Natural Resources Faculty of Tehran University.
  19. S. H. R. Sadeghi: A Semi- Detailed technique for Soil Erosion Mapping Basad on BLM and Satellite Image A puplications, J.Agric. Sci.Technol. (2005): 133-142.
  20. Tajgardan, T., Ayubi, SH., and Juibari, SH., Estimation of erosion and sediment using satellite and GIS data and MPSIAC models (Case Study: Ziarat Basin) (2008), Journal of Research and conservation in natural resource, No. 79.