بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین نقش کاربری اراضی بر فرسایش آبی با استفاده از مدل RUSLE 3D
(مطالعه موردی حوضه آبخیز کن سولقان)
چکیده:
حضور انسان در طبیعت و اقدامات او، افزایش جمعیت و تقاضا برای محصولات کشاورزی موجب شده تا پوشش گیاهی سطح زمین به ویژه جنگل ها و مراتع با سرعت هشدار دهنده ای تخریب شده و باعث افزایش فرسایش شود. این تحقیق به منظور تعیین خطر فرسایش خاک در قالب مدل جهانی فرسایش خاک تجدید نظر شده سه بعدی با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور در حوضه آبخیز کن، با تعیین پارامترهای مدل مورد ارزیابی قرار گرفت. این مدل از عامل های فرسایندگی باران، فرسایش پذیری خاک، پستی و بلندی، پوشش زمین و عملیات حفاظتی تشکیل شده است. فاکتور فرسایندگی، با استفاده از اطلاعات بارش و با تکنیک درون یابی IDW پهنه بندی شد. مقادیر فرسایش پذیری خاک با استفاده از اطلاعات نمونه برداری خاک در قالب نقشه واحدهای قابلیت اراضی محاسبه و اثر رخنمون سنگی نیز اصلاح گردید. تخمین فاکتور پوشش زمین با استفاده از شاخص تفکیک نرمال شده گیاهیNDVI انجام شد. فاکتور پستی و بلندی را نیز با استفاده از مدل رقومی ارتفاع محاسبه کردیم. پهنه بندی فاکتور عملیات حفاظتی نیز با استفاده از نقشه شیب منطقه به درصد و جدول (1) انجام گرفت. مقادیر متوسط آن ها به ترتیب برابر با )157بر حسب مگاژول در میلیمتر بر هکتار در ساعت در سال)، ) 0.018 بر حسب تن در ساعت بر مگاژول در میلیمتر)، 17، 0.45، 0.97 بودند. در نهایت با ترکیب این عوامل بر اساس مدل، میانگین سالیانه خطر فرسایش 22.20 تن در هکتار بدست آمد. در ادامه با حذف اثر پوشش گیاهی پتانسیل خطر فرسایش خاک برابر با 49 تن در هکتار در سال بدست آمد. با تفکیک خطر فرسایش از پتانسیل خطر فرسایش آن و با استفاده از نقشه کاربری اراضی، وضعیت مدیریتی حوضه بررسی شد.
کلمات کلیدی: حوضه آبخیز کن، فرسایش آبی، سامانه اطلاعات جغرافیایی، مدل جهانی فرسایش خاک تجدید نظر شده سه بعدی، کاربری اراضی
1
مقدمه:
فرسایش و پیامدهای ناشی از آن، با تشدید بهره برداری انسان از طبیعت از اوایل قرن بیستم، اثرات منفی خود را بر زیست بوم ها وارد ساخته است. فرسایش در محل وقوع، با تغییر ویژگی های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی، موجب تخریب خاک و کاهش کیفیت آن می شود. خطر فرسایش نشان دهنده احتمال وقوع فرسایش در منطقه ای معین است و بررسی خطر آن نیز بر اساس روش های مختلف صورت می گیرد.[15] طی 40 سال اخیر، مدل USLE به سبب محاسبات ساده، پرکاربردترین روش تخمین فرسایش خاک و برآورد تاثیرات عملیات های مدیریتی مختلف بر آن بوده است .[7] مدل RUSLE به عنوان مدل توسعه یافته USLE برای پیش بینی فرسایش خاک سالانه از یک سطح معین به شمار می آید.[12] با استفاده از مدل RUSLE، فرسایش سطحی و شیاری ناشی از باران و رواناب در مناطق گسترده تر و در شرایط مختلف پوشش مانند اراضی زراعی، جنگل، مرتع و جنگل های آسیب دیده توسعه یافته است. مشکلی که در ارزیابی خطر فرسایش با مدل RUSLE وجود دارد این است که این مدل نمی تواند توزیع مکانی و زمانی فرسایش خاک را نشان دهد و این به علت فاکتورهای پیچیده دخیل در مدل و تغییر پذیری مکانی و زمانی زیاد آن ها است. به منظور غلبه بر این مشکل، از ترکیب مدل با تکنولوژی سنجش از دور RS و سامانه اطلاعات جغرافیایی استفاده می گردد. استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور، تخمین خطر فرسایش با دقت زیاد و هزینه های قابل قبول، در مناطق بزرگ امکان پذیر می سازد.[8] میتاسوا و همکاران (1996) با جایگرینی مساحت شیب بالادست به جای طول شیب در عامل توپوگرافی معادله جهانی تلفات خاک، معادله جهانی تلفات خاک تجدید نظر شده ی سه بعدی را ارائه کردند. رسپ یف و همکاران (2008) با استفاده از معادله جهانی تلفات خاک تجدید نظر شده سه بعدی و سامانه اطلاعات جغرافیایی به بررسی فرسایش حوضه شاهین ترکیه پرداختند. آنها با استفاده از این روش به کلاس بندی خطر فرسایش پرداختند. بر این اساس آنها پنج کلاس فرسایش را تعیین کردند که در آن 5/3 درصد مساحت حوضه دارای خطر فرسایش زیاد و شدید بود. مارتین و سوارز (2012) جهت بررسی وضعیت فرسایش در منطقه کاستلون اسپانیا از معادله جهانی تجدید نظر شده سه بعدی تلفات خاک بهره بردند، به گفته آنها مدل های فرسایش از قبیل معادله جهانی تلفات خاک تجدید نظر شده سه بعدی با پیش بینی الگوی فرسایش، ما را در اتخاذ تدابیر مدیریتی برای بهبود وضعیت حفاظت خاک برای آینده یاری خواهند کرد. هیمن فقه حسینی (1392) با استفاده از معادله ی RUSLE 3D و تکنیک GIS به برآورد خطر فرسایش خاک در حوزه ی طالقان پرداخته است. او میانگین سالانه فرسایش خاک را در حوضه طالقان در حدود 31.96 تن در هکتار تخمین زد. آرخی و همکاران در حوضه بالادست سد ایلام به بررسی کاربرد GIS&RS برای تخمین فرسایش و رسوب با استفاده از RUSLE پرداختند. آنها میزان فرسایش سالیانه با میانگین 44/69 تن بر هکتار برآورد کردند و عنوان نمودند که عامل پستی و بلندی بیشترین همبستگی را با هدر رفت خاک داشته است. هدف از پژوهش حاضر، مطالعه و بررسی تغییرات مکانی عوامل موثر بر فرسایش خاک در حوضه
آبخیز کن سولقان با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور در قالب مدل و تهیه نقشه خطر و
پتانسیل خطر فرسایش در این حوضه بوده است.
مواد و روش ها:
منطقه مطالعاتی:
دره کن و سولقان یکی از دره های خوش آب و هوای شمال غربی تهران است. این دهستان از 16 آبادی تشکیل شده و مرکز این دهستان کن سولقان است. حوضه آبخیز کن به مساحت 20571 هکتار در فاصله ی بین طول های جغرافیایی 51 درجه و 10 دقیقه تا 51 درجه و 23 دقیقه طول شرقی و عرض جغرافیایی 35 درجه و 36 دقیقه تا 35 درجه و 5 دقیقه عرض شمالی واقع شده است. بلندترین ارتفاع حوزه 3840 متر، کمترین ارتفاع منطقه 1260 متر و ارتفاع متوسط حوضه ی آبخیز کن 2411 متر از سطح دریا می باشد. شیب متوسط کل حوضه 43.5 درصد می باشد. مهمترین رودخانه این منطقه کوهستانی رودخانه کن می باشد. منطقه ی مورد مطالعه (شکل(1 دارای آب و هوای خشک سرد تا مرطوب فراسرد می باشد و میزان بارندگی سالانه منطقه حدود 625 میلی متر می باشد.
شکل -1 موقعیت منطقه مورد مطالعه
روش تحقیق:
در این تحقیق مدل فرسایش خاک RUSLE 3D مورد استفاده قرار گرفت. این مدل یک مدل برآورد فرسایش آبی
است که با 6 فاکتور فرسایشی زیر رابطه دارد.[16]
(1) A= R.K.LS.C.P
فاکتور فرسایندگی باران:
فرسایندگی باران، نیروی محرکه یا توان عوامل فرسایش زا در جداسازی و انتقال ذرات خاک در ارتباط با فرسایش آبی است. این عامل معمولا در قالب شاخص های فرسایندگی که مبتنی بر خصوصیات بارندگی هستند بیان می شود. ویشمایر و اسمیت بر اساس مطالعات لاوز و پارسون رابطه زیر بدست آوردهاند:
که در آن = I شدت بارندگی و E انرژی در واحد سطح و واحد عمق بارش می باشد. برای محاسبه ی انرژی سینتتیکی باران از داده های مربوط به بارندگی که از باران نگار بدست می آید استفاده می شود. مقدار فرسایندگی برای یک رگبار معین برابر با حاصل ضرب انرژی کل رگبار (E) در حداکثر شدت 30 دقیقه ای (I30) آن رگبار است. با محاسبه انرژی جنبشی در فواصل 15 دقیقه ای، انرژی در مقدار بارندگی هر دوره ضرب گردیده و نهایتا حاصل جمع انرژی کل مدت بارندگی در حداکثر شدت 30 دقیقه ای ضرب می گردد.[12] در این صورت شاخص فرسایندگی باران برای یکسال عبارت است از مجموع رگبار
های به وقوع پیوسته در طول یکسال و متوسط سالیانه شاخص R عبارت است از :
که در آن j شماره ی سال، n تعداد سال های آماری مورد استفاده، k شماره ی رگبار و m تعداد رگبار های اتفاق افتاده در سال j ام می باشد. در این مطالعه جهت محاسبه ی عامل فرسایندگی باران، بعد از تعیین 13 ایستگاه شاخص ابتدا داده های رگبار حاصل از ایستگاه های ثبات که در فواصل 15 دقیقه ای موجود بود(ایستگاه های سنگان، امام زاده داوود و رندان) با دوره ی آماری مشترک تهیه گردید و طبق روابط ذکر شده در بالا عامل فرسایندگی باران برای این ایستگاه ها محاسبه گردید. برای ایستگاه هایی که دارای بارانسنج معمولی هستند از شاخص فورنیه استفاده شد. از این رو آمار بارندگی ماهیانه و سالیانه با دوره ی آماری مشترک در این ایستگاه ها جمع آوری شد. در مرحله ی بعد با استفاده از رابطه((4 شاخص فورنیه و عامل R برای تمام ایستگاهها محاسبه گردید. با توجه به اینکه عامل R در معادله ی جهانی فرسایش مربوط به باران می باشد، بنابراین جهت اصلاح اثر برف بر عامل فرسایندگی باران از متوسط بارش مارس تا دسامبر استفاده شد.[12]
در این رابطهPi متوسط بارندگی بر حسب میلیمتر در ماه i وp متوسط بارندگی سالانه بر حسب میلیمتر است. سپس با جاگذاری شاخص فورنیه در روابط 5 و 6 که برای مناطق فاقد داده های تفضیلی رگبار پیشنهاد شده، عامل R برای ایستگاه های مورد نظر محاسبه می شود.[12]
برای تبدیل مقادیر برآورد نقطه ای شاخص فرسایندگی باران به سطح نقشه از روش های میانیابی موجود در سامانه ی اطلاعات جغرافیایی استفاده شد. از بین روش های میان یابی مورد استفاده، روش IDW مناسب برای پهنه بندی عامل فرسایندگی باران شناخته شد.
فاکتورفرسایش پذیری خاک:
در این مطالعه، جهت پهنه بندی نقشه فرسایش پذیری خاک از نقشه ارزیابی و قابلیت اراضی 1:250000 و داده های مربوط به نوع خاک های نمونه برداری شده به صورت تصادفی(36 پروفیل خاک، عمق 0-30 سانتی متر) در قالب نقشه قابلیت اراضی، استفاده شد(شرکت جهاد آب و انرژی،.(1382 مقادیر K از 0 تا 1 متغیر است. بدین صورت که مقادیر زیاد برای خاک های دارای سیلت یا شن خیلی ریز زیاد است و خاک هایی با مقادیر بالای رس که خود یک عامل پایداری است دارای میزان K حدود 0.05 تا 0.15 می باشند. جهت محاسبه فاکتور فرسایش پذیری خاک از رابطه (7) استفاده شد.[13]
Arc hydro 10
: Dg در این رابطه میانگین هندسی قطر ذره های خاک به میلی متر می باشد. fi درصد فراوانی هر یک از اجزای بافت خاک(شن، سیلت، رس) است. سپس میانگین نقاط برآورد شده در هر واحد اراضی به کل آن واحد در محیط سامانه اطلاعات جغرافیایی تعمیم داده شد. با توجه به اینکه مناطق با بیرون زدگی بیش از 70 درصد دارای فرسایش پذیری نزدیک به صفر می باشد، جهت اصلاح اثر آنها از تصاویر ماهواره ای لندست استفاده شد. در نهایت پس از لحاظ این موارد، نقشه نهایی عامل فرسایش پذیری خاک در سطح حوضه تهیه گردید.
فاکتور پوشش زمین:
مطالعات متعددی نشان داده که در میان عوامل مسبب فرسایش خاک، پوشش زمین از اهمیت بیشتری نسبت به سایر عوامل برخوردار است.[6] برای محاسبه فاکتور c ابتدا با استفاده از تصاویر ماهواره ای شاخص تفکیک نرمال شده ی پوشش گیاهی بر اساس رابطه (10) محاسبه شد. جهت محاسبه ی این شاخص گیاهی از تصاویر ماهواره ای لندست 8 مربوط به سال 2013 استفاده شد. بدین ترتیب که با شناسایی منطقه مورد نظر تصاویر ماهواره ای مربوط به 5 ماه اردیبهشت، خرداد، شهریور، مهر، آذر برای سال مورد نظر از سایت سازمان زمین شناسی ایالات متحده دانلود شد. سپس مقادیر شاخص گیاهی NDVI برای هر یک محاسبه گردید.
سپس فاکتور c از نمایه گیاهی NDVI با استفاده از رابطه (11) تخمین زده شد: [5]
در نتیجه با استفاده از روابط بالا مقدار C در هر سلول می تواند مورد محاسبه قرار گیرد. از آنجایی که مقادیر فاکتور C، بین صفر و یک می باشد، مقدار صفر به پیکسل هایی با مقادیر منفی و عدد یک به پیکسل هایی با مقدار بیشتر از یک اختصاص خواهد یافت. بین مقادیر NDVI و فاکتور C به طور کامل رابطه ی معکوس وجود دارد.
فاکتور پستی و بلندی:
فاکتور های L و S در مدل جهانی فرسایش تجدید نظر شده سه بعدی، بیانگر تاثیر توپوگرافی بر روی فرسایش خاک می باشد. با استفاده از رابطه 12) )که جایگزین معادله عامل توپوگرافی در مدل جهانی تلفات خاک تجدید نظر شده گردیده است این فاکتور محاسبه شد.[9]
که در آن : As مساحت ویژه حوضه، : (r) زاویه شیب بر حسب درجه، طول کرت استاندارد (که برابر 22.13 مترمی باشد)، شیب کرت استاندارد (که برابر با 5.143 درجه می باشد) و m و n پارامتر های مدل هستند. m و n به ترتیب برابر با 0.4 و 1.3 می باشند. جهت محاسبه عامل توپوگرافی ابتدا با استفاده از مدل رقومی ارتفاع در محیط سامانه ی اطلاعات جغرافیایی به محاسبه رستر شیب حوضه به درجه پرداخته شد. برای محاسبه مساحت ویژه حوضه با استفاده از ابزار الحاقی arc hydro 10 در محیط سامانه اطلاعات جغرافیای ابتدا به محاسبه رستر تجمع جریان پرداخته شد.بدین صورت که ابتدا مدل رقومی منطقه ( با دقت 10 متر) توسط ابزار پر کننده ی گودی ها اصلاح شده سپس از مدل رقومی اصلاح شده رستر جهت جریان تهیه و در نهایت از آن رستر تجمع برای کل حوزه بدست آمد. جهت محاسبه مساحت بالادست خطوط تراز، رستر تجمع جریان در قدرت تفکیک مکانی مدل رقومی ارتفاع ضرب گردید.[10]
فاکتور عملیات حفاظتی:
بر حسب تعریف، فاکتور P، نسبت خاک فرسایش یافته در شرایط انجام عملیات حفاظتی به فرسایش ایجاد شده در شرایط استاندارد یعنی شخم در جهت شیب است.[12] چون در منطقه ی مورد مطالعه عملیات حفاظتی تراس بندی انجام شده است با استفاده از جدول (1)، (دور و همکاران،(2006 و ایجاد نقشه ی شیب به درصد فاکتور P در محیط سامانه ی اطلاعات جغرافیایی محاسبه و تهیه شد.
جدول -1 مقادیر عامل عملیات حفاظتی بر اساس کشت روی خطوط تراز، کشت نواری و تراس بندی
تهیه نقشه خطر و پتانسیل خطر فرسایش خاک:
جهت تهیه نقشه خطر فرسایش حوضه سولقان، نقشه های هر یک از پارامترهای مورد محاسبه در محیط سامانه اطلاعات جغرافیایی بر مبنای مدل RUSLE 3D با یکدیگر تلفیق شدند. همچنین نقشه پتانسیل خطر فرسایش با حذف اثر پوشش گیاهی و عملیات حفاظتی تهیه گردید. این نقشه نشان دهنده ی تاثیر پذیری پدیده فرسایش از فاکتور پوشش گیاهی بوده و بیانگر این است که با حذف پوشش گیاهی، روند تغییر فرسایش به چه صورت است.[15]
بررسی نوع کاربری اراضی بر میزان خطر فرسایش
جهت بررسی نقش کاربری اراضی بر روی فرسایش و مشخص نمودن میزان فرسایش در هر کاربری با استفاده از نقشه کاربری اراضی و ابزار "استخراج فایل های رستری" در محیط سامانه ی اطلاعات جغرافیایی میانگین خطر و پتانسیل خطر برای هر کاربری بدست آمد.
