الگوی مکانی تولید رسوب با استفاده از مدل ساختاری اتصال رسوب در حوضه آبخیز طالقان، ایران

الموضوعات :

محمد علی هیلو ¹ , سید عباس حسینی ² , احمد شرافتی ³

1 - دانشجوی دکتری، گروه مدیریت ساخت و آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - دانشیار، گروه مدیریت ساخت و آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 - استادیار، گروه مدیریت ساخت و آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

تاريخ الإرسال : 13 الثلاثاء , ذو الحجة, 1443 تاريخ التأكيد : 21 الإثنين , ربيع الأول, 1444 تاريخ الإصدار : 29 الثلاثاء , شعبان, 1444

الکلمات المفتاحية: آبخیز طالقان, فرسایش, پوشش گیاهی, اتصال رسوبی, شاخص اتصال رسوب میدانی,

ملخص المقالة :

زمینه و هدف: امروزه با توجه به اهمیت رسوبات در حوضه ها، مدیریت جامع حوضه های آبخیز کشور نیازمند چارچوبی مشخص در برنامه ریزی های مربوط به پایش و کنترل رسوبات می باشد. یکی از موثرترین روش‌ها، استفاده از شاخص اتصال رسوبی (IC) است. فرایند اتصال یک مفهوم نوظهور برای درک بهتر از فرآیندهای رخ‌داده در سطح حوضه آبخیز است که بر جریان آب و حرکت رسوب در مقیاس‌های مکانی‌-‌زمانی مختلف تاثیر می‌گذارند. این شاخص درجه اتصال جریان رسوب در سرتاسر آبخیز مخصوصاً بین منبع رسوب و منطقه پایین دست را تبیین کرده و به نوعی بیانگر نسبت تحویل رسوب می باشد. بنابراین پژوهش حاضر با هدف بررسی اتصال رسوب در آبخیز طالقان استان البرز در قالب استخراج نقشه شاخص اتصال رسوب و نیز صحت سنجی نتایج با بازدیدهای میدانی صورت گرفته است.روش پژوهش: در این پژوهش به منظور بررسی الگوی مکانی تولید رسوب در حوضه، از روش ارائه شده توسط بورسلی و همکاران و تعریف شاخص اتصال (IC) نقشه اتصال رسوبی حوضه استخراج گردید. بدین منظور ابتدا داده های توپوگرافی از مدل رقومی ارتفاعی 30 متر و داده‌های پوشش گیاهی در دو دقت مکانی 10 و 30 متری به ترتیب با تصاویر Sentinel-2A و Landsat 8 تهیه و با استفاده از لایه‌های اطلاعاتی از جمله میانگین تندی شیب، میانگین عامل وزنی و سطح مشارکتی مقادیر جزء فراشیب مسیر شروع جریان در انتقال رسوب محاسبه گردید. سپس با استفاده از لایه‌های طول مسیر به سمت پایین‌دست، عامل وزنی هر سلول و درنهایت تندی شیب هر سلول، جزء فروشیب در شبکه اتصال رسوبی محاسبه و با مرجع قرار دادن خروجی آبخیز در محیط نرم‌افزار ArcGIS 10-2-2 شاخص اتصال برای تمام پیکسل‌ها محاسبه و نقشه اتصال رسوبی ترسیم گردید. محدوده IC از (∞- تا ∞+) است و هنگامی‌که IC به سمت ∞+ سیر می‌کند، اتصال افزایش می‌یابد و در نهایت بمنظور ارزیابی نتایج مدل، شاخص اتصال میدانی (FIC) در 30 نقطه از سطح حوضه اجرا و همبستگی بین شاخص IC و FIC در این نقاط مورد ارزیابی قرار گرفت.یافته‌ها: بر اساس یافته های این پژوهش و برازش شاخص اتصال رسوبی (IC) با شاخص اتصال رسوب میدانی (FIC) در 30 نقطه، رابطه بین این دو شاخص از نوع خطی می باشد. ضریب تعیین در دقت مکانی 10 متر با مقدار عددی 86/0 بیشتر از ضریب تعیین خروجی مدل با دقت مکانی 30 متر با مقدار عددی 62/0 به دست آمد که نشان از دقت بالاتر نتایج حاصل از شاخص اتصال رسوب با قدرت تفکیک مکانی 10 متر نسبت به 30 متر است. هر چند پراکنش نقاط در مواردی دچار بینظمی شده اما روند کلی نتایج نشان میدهد که با افزایش میزان اتصال رسوب (IC)، میزان اتصال رسوب محاسباتی میدانی (FIC) نیز به صورت خطی افزایش پیدا کرده است. در محاسبه شاخص اتصال عواملی از قبیل شکل، شیب و زبری حوضه که به سهولت قابل دسترس می باشند به دلیل نیاز داده‌ای کم و کارایی بالا می توانند زمینه ساز بهبود برآورد مدل‌های رسوبدهی شوند.نتایج: در این پژوهش نتایج نشان داد که شاخص اتصال رسوب با دقت مکانی 10 متر دقت بالاتری نسبت با شاخص اتصال با دقت مکانی 30 متر دارد. همچنین نتایج نشان داد که شیب و عامل پوشش گیاهی از پارامترهای بسیار مهم در رسوبدهی آبخیز طالقان هستند. شایان ذکر است که جهت بررسی اثر مساحت و طول آبراهه اصلی، میتوان نتایج شاخص اتصال رسوب را در سطح زیرحوضه و حتی دامنه مورد ارزیابی دقیقتر قرار داد. لحاظ کردن نقشه جهت جریان و جریان تجمعی در فرضیات این مدل با توجه به اهمیت این موارد در رسوبدهی هر زیرحوضه، از مزایای این مدل به حساب میآید. یکی دیگر از مزایای بسیار مهم این مدل نیاز دادهای کم آن میباشد که میتواند مشکل پیچیده بودن و نیازهای دادهای فراوان مدلهای فرسایش و رسوب موجود را تا حد زیادی کاهش دهد.

المصادر:

Arabkhedri, M., Heidary, K., & Parsamehr, M. R. (2021). Relationship of sediment yield to connectivity index in small watersheds with similar erosion potentials. Journal of Soils and Sediments, 21(7), 2699-2708. Doi: 10.1007/s11368-021-02978-z

Ayalew, D. A., Deumlich, D., Šarapatka, B., & Doktor, D. (2020). Quantifying the sensitivity of NDVI-based C factor estimation and potential soil erosion prediction using Spaceborne earth observation data. Remote Sensing, 12(7), 1136. Doi: 10.3390/rs12071136

Baartman, J. E., Nunes, J. P., Masselink, R., Darboux, F., Bielders, C., Degré, A., & Wainwright, J. (2020). What do models tell us about water and sediment connectivity? Geomorphology, 367, 107300. Doi: 10.1016/j.geomorph.2020.107300

Borselli, L., Cassi, P., & Torri, D. (2008). Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape: a GIS and field numerical assessment. Catena, 75(3), 268-277. Doi: 10.1016/j.catena.2008.07.006

 Borselli, L., Bartolini, D., Corradeghini, P., Lenzi, A., & Petri, P. (2020). Flow Connectivity Patterns in Complex Anthropized Landscape: Application in Cinque Terre Terraced Site. In Proceedings of the GEOMORPHOMETRY 2020 Conference (pp. 55-58). DOI: 10.30437/GEOMORPHOMETRY2020_15

Cavalli, M., Heckmann, T., & Marchi, L. (2019). Sediment connectivity in proglacial areas. In Geomorphology of proglacial systems (pp. 271-287). Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-94184-4_16

Cislaghi, A., & Bischetti, G. B. (2019). Source areas, connectivity, and delivery rate of sediments in mountainous-forested hillslopes: A probabilistic approach. Science of the Total Environment, 652, 1168-1186. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.10.318

Heckmann, T., Cavalli, M., Cerdan, O., Foerster, S., Javaux, M., Lode, E., & Brardinoni, F. (2018). Indices of sediment connectivity: opportunities, challenges and limitations. Earth-Science Reviews, 187, 77-108. Doi: 10.1016/j.earscirev.2018.08.004

Kalantari, Z., Ferreira, C. S. S., Koutsouris, A. J., Ahlmer, A. K., Cerdà, A., & Destouni, G. (2019). Assessing flood probability for transportation infrastructure based on catchment characteristics, sediment connectivity and remotely sensed soil moisture. Science of the total environment, 661, 393-406. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.01.009

Kazemi, R., Bayat, R. (2018). Investigating the effects of land use change on minimum flow indicators (Case study: Taleghan watershed). Journal of Water and Soil Conservation, 24 (1), 287-294 (in Farsi).

Keesstra, S. D., Davis, J., Masselink, R. H., Casalí, J., Peeters, E. T., & Dijksma, R. (2019). Coupling hysteresis analysis with sediment and hydrological connectivity in three agricultural catchments in Navarre, Spain. Journal of Soils and Sediments, 19(3), 1598-1612.

Lisenby, P. E., Fryirs, K. A., & Thompson, C. J. (2020). River sensitivity and sediment connectivity as tools for assessing future geomorphic channel behavior. International Journal of River Basin Management, 18(3), 279-293.

Liu, W., Shi, C., Ma, Y., & Wang, Y. (2022). Evaluating sediment connectivity and its effects on sediment reduction in a catchment on the Loess Plateau, China. Geoderma, 408, 115566.

López-Vicente, M., & Ben-Salem, N. (2019). Computing structural and functional flow and sediment connectivity with a new aggregated index: A case study in a large Mediterranean catchment. Science of the Total Environment, 651, 179-191.

Millares-Valenzuela, A., Eekhout, J. P., Martínez-Salvador, A., García-Lorenzo, R., Pérez-Cutillas, P., & Conesa-García, C. (2022). Evaluation of sediment connectivity through physically-based erosion modeling of landscape factor at the event scale. CATENA, 213, 106165.

Najafi, S., Sadeghi, S., Heckmann, T. (2015). Concept and Role of Structural and Functional Sediment Connectivity in Sediment Management of Watersheds. Extension and Development of Watershed Management. 3. 53-58 (in Farsi).

Najafi, S., Sadeghi, S., Heckmann, T. (2019). Analyzing structural sediment connectivity pattern in Taham Watershed, Iran. Watershed Engineering and Management, 10(2), 192-203(in Farsi).

Najafi, S., Dragovich, D., Heckmann, T., & Sadeghi, S. H. (2021). Sediment connectivity concepts and approaches. Catena, 196, 104880.

Persichillo, M. G., Bordoni, M., Cavalli, M., Crema, S., & Meisina, C. (2018). The role of human activities on sediment connectivity of shallow landslides. Catena, 160, 261-274.

Upadhayay, H. R., Lamichhane, S., Bajracharya, R. M., Cornelis, W., Collins, A. L., & Boeckx, P. (2020). Sensitivity of source apportionment predicted by a Bayesian tracer mixing model to the inclusion of a sediment connectivity index as an informative prior: illustration using the Kharka catchment (Nepal). Science of the Total Environment, 713, 136703.

Vaezi, A. R., Abbasi, M., Bussi, G., & Keesstra, S. (2017). Modeling sediment yield in semi‐arid pasture micro‐catchments, NW Iran. Land Degradation & Development, 28(4), 1274-1286.

Vanmaercke, M., Panagos, P., Vanwalleghem, T., Hayas, A., Foerster, S., Borrelli, P., ... & Poesen, J. (2021). Measuring, modelling and managing gully erosion at large scales: A state of the art. Earth-Science Reviews, 218, 103637.

Vigiak, O., Borselli, L., Newham, L. T. H., McInnes, J., & Roberts, A. M. (2012). Comparison of conceptual landscape metrics to define hillslope-scale sediment delivery ratio. Geomorphology, 138(1), 74-88.

Wang, C., Zhang, G., Zhu, P., Wang, Z., & Xing, S. (2022). Sediment connectivity of small watershed affected by gully development and vegetation restoration on the loess plateau. Geoderma, 410, 115663.

Wohl, E., Brierley, G., Cadol, D., Coulthard, T. J., Covino, T., Fryirs, K. A., ... & Sklar, L. S. (2019). Connectivity as an emergent property of geomorphic systems. Earth Surface Processes and Landforms, 44(1), 4-26.

Zanandrea, F., Michel, G. P., Kobiyama, M., Censi, G., & Abatti, B. H. (2021). Spatial-temporal assessment of water and sediment connectivity through a modified connectivity index in a subtropical mountainous catchment. Catena, 204, 105380.