عنوان

روندیابی جریانات سطحی و برآورد فرسایش و رسوب، در حوضه های آبریز فاقد داده، با استفاده از مدل های تجربی LAPSUS و RUSLE (مطالعه موردی حوضه آبریز سیکان)

پ۲۶۵۳۳

per

روندیابی جریانات سطحی و برآورد فرسایش و رسوب، در حوضه های آبریز فاقد داده، با استفاده از مدل های تجربی LAPSUS و RUSLE (مطالعه موردی حوضه آبریز سیکان)

مهدی مزبانی

برنامه ریزی و علوم محیطی

۱۴۰۰

۲۰۱ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

ژئومورفولوژی مخاطرات ژئومورفولوژیک

۱۴۰۰/۱۱/۱۳

چکیده: امروزه فرسایش خاک به عنوان یکی از مباحث مهم مدیریت حوضه¬های آبریز در سطح ملی و جهانی مطرح است. با توجه به اینکه محاسبة مقادیر رواناب، فرسایش و رسوب از طریق ایستگاه¬های هیدرومتری و رسوب¬سنجی و اندازه-گیری¬های مستقیم در نقاط مختلف حوضه¬ها، فرایندی هزینه¬بر و زمان¬بر است، لذا یافتن روش¬های تجربی برای برآورد دقیق میزان رواناب، فرسایش و رسوب¬¬دهی حوضه¬های آبریز امری ضروری و اجتناب ناپذیر به نظر می¬رسد. در پژوهش حاضر به بررسی و مقایسه مدل¬های LAPSUS و RUSLE در روندیابی و برآورد فرسایش و رسوب حوضه آبریز سیکان پرداخته شده است. مساحت حوضه سیکان 5/74 کیلومتر مربع است و در مختصات جغرافیایی ˊ15 ˚47 تا ˊ22 ˚47 و ˊ5 ˚33 تا ˊ10 ˚33 قرار گرفته است. این حوضه در غرب مرکز شهرستان دره¬شهر و در حد فاصل رشته¬ کبیر¬کوه در جنوب و رودخانه سیمره در شمال واقع شده است. این حوضه متحمل فرسایش فزاینده خاك است و بررسی فرسایش و بار رسوب آن، که یکی از مهم¬ترین قطب¬های کشاورزی منطقه و همچنین تأمین کننده آب شرب بسیاری از ساکنین منطقه به¬شمار می¬رود، از اهمیت بالایی برخودار است. بنابراین هدف این پژوهش ارزیابی مدل¬¬های تجربی LAPSUS و RUSLE در روند¬یابی رواناب و رسوب، برآورد فرسایش و رسوب و ارائه مدل بهینه و سازگار با حوضه آبریز رودخانه سیکان و حوضه¬های مشابه می¬باشد. مدل LAPSUS به عنوان یک مدل برآورد رواناب و فرسایش و رسوب، جزو اولین پژوهش¬هایی است در ایران که در یک حوضه رودخانه¬ای معرفی و اجرا می¬گردد. مدل LAPSUS یک مدل تغییر چشم¬انداز است که قادر به محاسبه حجم رواناب، فرسایش و رسوب طی چهار مرحله محاسبه کند: بارش مؤثر، روندیابی جریان سطحی، محاسبه ظرفیت حمل رسوب و محاسبه میزان حمل رسوب. ورودی های این مدل شامل: مدل رقومی ارتفاع، مقدار بارش، ضریب رواناب، عامل همگرایی، ضرایب ویژه دبی و شیب و عامل فرسایندگی (Kes) و ته نشست (Pes) است. همچنین از مدل RUSLE به دلیل شباهت و نزدیکی برخی از پارامترهای آن با مدل LAPSUS برای برآورد فرسایش و رسوب مورد استفاده قرار می-گیرد. ورودی¬های این مدل نیز شامل عامل فرسایندگی بارندگي (R)، عامل فرسايش‌پذيري خاك (K)، عامل توپوگرافی (طول و درجه شیب؛ LS)، عامل پوشش‌گياهي (C) و عامل حفاظت خاك (P) می¬باشد. در این پژوهش ابتدا عامل¬های پنج¬گانه مدل RUSLE برای حوضه سیکان تهیه و محاسبه شدند. سپس تمام لایه¬های R،K ، LS، Cو P جهت برآورد میزان فرسایش در محیط ArcGIS با هم تلفیق شد و توزیع مکانی فرسایش در قسمت¬های مختلف حوضه به¬دست آمد. نتایج مدل RUSLE نشان داد که مقادیر فرسایش حوضه از 002/0 تا 32/278 تن در هکتار در سال در سطح پیکسل متغیر است و میانگین مقادیر فرسایش خاک در حوضه مورد مطالعه 92/18 تن در هکتار در سال می-باشد. طبقه¬بندی فرسایش در مدل RUSLE نشان داد 33/15 کیلومتر مربع از حوضه، معادل 63/20 درصد از حوضه در طبقه فرسایشی بسیار شدید (بالاتر از 32 تن در هکتار در سال) قرار دارد. همچنین در بین فاکتورهای تأثیرگذار در فرسایش، عامل توپوگرافی با ضریب همبستگی 9/0 بیش¬ترین سهم را در هدر رفت سالانه خاک حوضه سراب سیکان دارد. توزیع زمانی فرسایش خاک در مدل RUSLE نیز نشان داد که میانگین فرسایش خاک در سال 2002 برابر با 7/19 تن در هکتار در سال بوده که در سال 2018 به 6/17 تن در هکتار کاهش پیدا کرده است. در این دوره 16 ساله، فرسایش خاک 4/202 تن در هر هکتار در حوضه کاهش پیدا کرده است که به¬طور متوسط سالانه 6/12 تن در هکتار می¬باشد. بعد از برآورد فرسایش نسبت تحویل رسوب حوضه سیکان با سه روش USDA، Vanony و Boice محاسبه و ّبرآورد شد. مقدار تولید رسوب حوضه با سه روش فوق به ترتیب 66/6، 20/5 و 12/2 محاسبه گردید. از بین مدل¬های ذکر شده مدل بویس مقدار نزدیک¬تری به مقدار رسوب ویژه حوضه سیکان نشان داد. بنابراین از مدل بویس که رسوب کم¬تری را برآورد نموده است برای تهیه نقشه تولید رسوب استفاده شد که میانگین آن در حوضه برابر با 12/2 تن در هکتار می¬باشد. در مدل LAPSUS ابتدا، پنج لایه شامل: مدل رقومی ارتفاعی، عمق خاک، لایه کلاس¬بندی شده کاربری اراضی، میانگین سالانه بارندگی، میانگین سالانه نفوذ با فرمت ASCII تهیه و به برنامه LAPSUS 5.0 وارد شدند. در گام بعدی به تعریف ضریب p (همگرایی)، m، n،Kes و Pes برای حوضه مورد مطالعه اقدام گردید. مقدار بهینه فاکتور همگرایی بر اساس شیب متوسط حوضه مقدار 7 تعیین گردید. مقادیر m وn نیز بترتیب 7/1 و 2 تعیین شدند. در نهایت مقدار Kes و Pes برای حوضه سیکان 003/0 تعیین گردید. پس از ورود داده¬ها و تعیین ضرایب مورد نیاز، خروجی مدل به صورت دو نقشه تجمعی رواناب سطحی و نقشه تجمعی فرسایش و رسوب محاسبه و بصورت رستری با فرمت اسکی ارائه گردید. نتایج نشان داد کل خروجی جریان آب حوضه سیکان برابر با 2/33995803 میلیون متر مکعب می¬باشد که این مقدار 4/88 درصد از مقدار بارندگی تولید شده در سطح حوضه می¬باشد. 4473132 میلیون متر مکعب نیز در خاک نفوذ کرده است که این مقدار برابر با 63/11 درصد کل بارندگی تولید شده در سطح حوضه می¬باشد. مقادیر تجمعی فرسایش خاك در حوضه مورد مطالعه بین 0 تا 1/855 تن در هکتار در سال در سطح پیکسل متغیر می¬باشد و میانگین آن در حوضه مورد مطالعه 78/119 تن در هکتار در سال برآورد گردید. مقادیر تجمعی رسوب در حوضه مورد مطالعه نیز بین 0 تا 134145 تن در هکتار در سال در سطح پیکسل متغیر می¬باشد و میانگین رسوب حوضه مورد مطالعه 27/119 تن در هکتار در سال برآورد گردید. مقدار SDR حوضه در مدل لاپسوس برابر 004/0 می¬باشد که تنها 3837 تن از کل رسوب حوضه به خروجی حوضه تحویل داده شده است. مقدار ویژه فرسایش خالص در حوضه مطالعاتی برابر با 51/0 تن در هکتار می¬باشد. به منظور مقایسه مدل¬های RUSLE و LAPSUS و دقت برآورد فرسایش و رسوب، خروجی هر کدام مدل¬ها با داده-های رسوب ایستگاه سیکان مقایسه گردید. با توجه به اینکه محل قرارگیری ایستگاه در مرکز حوضه واقع گردیده به همین منظور مدل¬های مذکور مجدداًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًًً برای سطوح بالادست ایستگاه محاسبه و اجرا گردید تا از این طریق بتوان به مقایسه خروجی¬های برآوردی و مشاهداتی پرداخت. خروجی مدل¬¬های ¬RUSLE و LAPSUS در بالادست ایستگاه نشان می¬دهد که رسوب ویژه در مدل RUSLE با روش بویس نسبت به مدل LAPSUS مقادیر نزدیک¬تری را به آمار ایستگاه نشان ¬می¬دهد. مقادیر ویژه رسوب با روش بویس در مدل RUSLE، 83/2 تن در هکتار برآورد شد که 75/1 برابر بیشتر از رسوب ایستگاه می¬باشد اما مقادیر ویژه رسوب در مدل لاپسوس 5/7 تن در هکتار برآورد شده است که 63/4 برابر بیشتر از میانگین رسوب ایستگاه می¬باشد. بنابراین می¬توان گفت که مدل RUSLE در برآورد فرسایش از دقت بالاتری نسبت به مدل LAPSUS برخوردار می¬باشد.

Abstract:Today, soil erosion is one of the most important issues in watershed management nationally and globally. Considering that the calculation of runoff and sediment amounts through hydrometric and sediment measurement stations and direct measurements in different parts of the basins is a costly and time consuming process, so finding experimental methods to accurately estimate the amount of runoff and sediment in the basin Drainage seems to be necessary and inevitable. In the present study, LAPSUS and RUSLE models have been studied and compared in routing and estimating erosion and sedimentation of Sikan catchment. The area of Sikan Basin is 74.5 square kilometers and is located in the geographical coordinates of 47 ˊ15 to 47 ˊ22 and ˚5 ˚33 to ˚10 ˚33. This basin is located in the west of Darhshahr city center and between Kabirkuh range in the south and Seymareh river in the north. This basin suffers from increasing soil erosion and the study of erosion and sediment load, which is one of the most important agricultural hubs in the region and also provides drinking water to many residents of the region, is of great importance. Therefore, the purpose of this study is to evaluate the LAPSUS and RUSLE experimental models in runoff and sediment routing, estimate erosion and sediment and provide an optimal model and compatible with the Sikan river basin and similar basins.The LAPSUS model, as a runoff, erosion and web reporting model, is one of the first studies in Iran to be introduced and implemented in a river basin. LAPSUS model as a model for estimating runoff, erosion and sediment is one of the first studies in Iran that is introduced and implemented in a river catchment. The LAPSUS model is a Landscape Evolution Model that able to calculate runoff volume, erosion and sediment in four steps: effective precipitation, surface flow routing, sediment transport capacity calculation and sediment transport volume calculation. The inputs of this model include: Digital Elevation Model, rainfall, runoff coefficient, convergence factor, special coefficients of flow and slope, erosion factor (Kes) and Sedimentation factor (Pes). The RUSLE model is also used to estimate erosion and sediment due to the similarity and proximity of some of its parameters with the LAPSUS model. Also, Russell model inputs include is: Rain erosivity foctor (R), soil erodibility factor (K), Topographic factor (slope length and slope degree; (LS), vegetation factor (C) and soil protection factor (P). In this study, first five factors of RUSLE model for Sikan basin were prepared and calculated. Then all layers R, K, LS, C and P were combined to estimate the amount of erosion in ArcGIS software and the spatial distribution of erosion in different parts of the basin was obtained. The results of RUSLE model showed that basin erosion values vary is from 0.002 to 278.32 ton/hectare/year at the pixel level and the average soil erosion values in the study basin is 18.92 tons/ hectare/ year. The erosion classification of the RUSLE model showed that 15.33 square kilometers of the basin, equivalent to 20.63% of the basin, is in a very severe erosion class (above 32 tons/ hectare/ year). Also, among the factors affecting erosion, the topographic factor with a correlation coefficient of 0.9 has the largest share in the annual soil loss of the Sikan basin. Also, from Among the factors of the RUSLE model, The topographic factor with a correlation coefficient of 0.9 has the largest share in the annual soil loss of Sarab Sikan basin. The temporal distribution of soil erosion in the RUSLE model showed that the average soil erosion in 2002 was 19.7 tons/ hectare/ year, which in 2018 decreased to 17.6 tons/ hectare. During this 16-year period, soil erosion has decreased to 202.4 tons/hectare in the basin, which is an average of 12.6 tons/hectare /year. After estimating erosion, the sediment delivery ratio of Sikan basin was calculated and estimated by three methods USDA, Vanony and Boice. The amount of sediment production in the basin was calculated by the above three methods of 6.66, 5.20 and 2.12, respectively. Among the mentioned models, Boice model showed a value closer to the specific sediment content of Sikan basin. Therefore, Boice model, which estimated less sediment, was used to prepare a sediment production map that average its in the basin is equal to 2.12 tons/ hectare.In LAPSUS model, first five layers including digital elevation model, soil depth, classified land use layer, annual average rainfall, annual average infiltration in ASCII format were prepared and entered into LAPSUS 5.0 program. In the next step, the coefficients of p (convergence), m, n, Kes and Pes were defined for the study basin. The optimal value of convergence factor was determined based the average slope of basin number 7. Also, m and n values were determined 1.7 and 2, respectively. Finally, the values of Kes and Pes for Sikan basin were determined to be 0.003. After entering the data and determining the required coefficients, the output of the model was calculated as two cumulative maps of surface runoff and cumulative map of erosion and sediment that presented as a raster in ascii format. The results showed that the total water outflow of Sikan Basin is equal to 33995803.2 million m3, which is 88.4% of the amount of rainfall produced in the basin. also, 4473132 million m3 Infiltrated into the soil That This amount is equal to 11.63% of the total rainfall produced in the basin. The cumulative values of soil erosion in the study basin is varies between -0 to -1,855 tons/hectare/ year at the pixel level and its average in the study basin was estimated at 119.78 tons/hectare/ year. The cumulative amounts of sediment in the study basin is varies between 0 to 134145 tons/hectare/ year at the pixel level and the average sediment of the study basin was estimated to be 119.27 tons /hectare/ year. The SDR value of the basin in the Lapsus model is equal to 0.004 That Only 3837 tons of the total sediment has been delivered to the basin Output. The specific amount of net erosion in the study basin is equal to 0.51 tons/hectare. In order to compare RUSLE and LAPSUS models and the accuracy of erosion and sediment estimation, the output of each model was compared with the sediment data of Sikan station. Due the fact that the location of the station is in the center of the basin, For this purpose, the mentioned models were recalculated and implemented for the upstream levels of the station; In this way, we can compare the estimated and observational outputs. The output of RUSLE and LAPSUS models in the upstream of the station shows that special sediment in RUSLE model with Boice method has it values closer to station statistics than the LAPSUS model. The specific values of sediment by Boise method in RUSLE model were estimated 2.83 tons/hectare Which is 1.75 times more than the station sediment but, the specific amount of sediment in the Lapsus model is estimated at 7.5 tons/hectare, which is 4.63 times higher than the average station sediment. Therefore, it can be said that the RUSLE model has a higher accuracy in estimating erosion than the LAPSUS model.

Surface flow routing and estimation of erosion and sediment in the drainage basins without data, using the experimental models of LAPSUS and RUSLE (Case Study of Sikan catchment)

‏مزبانی،

‏مهدی

تهيه کننده

‏رضائی مقدم،

حجازی،

‏محمد حسین

‏میر اسداله

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز