پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری مهندسی و مدیریت آبخیز 2251-9300 17 4 2025 12 22 Spatial assessment and analysis of hydrological ecosystem services in the Neyshabur Watershed using InVEST software ارزیابی و تحلیل مکانی خدمات بوم‌سازگان هیدرولوژیکی حوزه آبخیز نیشابور با استفاده از نرم‌افزار InVEST 514 533 133872 10.22092/ijwmse.2025.368355.2098 FA اسما بادامه دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران محمود آذری دانشیار، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران علی گلکاریان دانشیار، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران Journal Article 2025 01 09 Introduction Natural ecosystems play a vital role in maintaining environmental processes and life-support systems, but due to land-use changes and improper management, essential ecosystem services for human well-being have declined. This reduction has led to problems in areas such as energy, climate, and ecosystem services. With increasing population and human needs, greater pressure has been placed on ecosystems, highlighting the global importance of ecosystem services worldwide. The InVEST model, developed by the Natural Capital Project, serves as a tool for assessing and mapping these services. The objective of this research is to spatially analyze the hydrological ecosystem services using the InVEST model in the Neyshabur Watershed. Materials and methods In this study, two sub-models—the Seasonal Water Yield and Sediment Delivery Ratio (SDR) models in InVEST—were used to assess water yield and estimate soil erosion in the study watershed. To run the model, inputs including Digital Elevation Model (DEM) maps, watershed and sub-watershed maps, precipitation, reference evapotranspiration, soil hydrological groups, land use, soil erodibility, rainfall erosivity, a biophysical data table, and the number of precipitation events were required. For calibration and validation of the model in the study area, data from three hydrometric stations in the watershed for the period 1982 to 1993 were used. Then, by adjusting the model’s sensitive parameters, including β (local topographic and soil parameter), γ (parameter related to infiltration rate in cells), Z (number of rainfall events), CN values, k_b, and IC₀ (parameters for the relationship between hydrological connectivity and sediment delivery ratio), the model was calibrated within the allowed range. Calibration was performed using the discharge and sediment data recorded at the Bar, Taghun, and Zarandeh stations for the period 1982 to 1989, and validation was carried out for the period 1990 to 1993. To determine the hydrological ecosystem services, monthly temperature and precipitation maps from WorldClim for the period 1970 to 2000 with an appropriate resolution were used, and the model was run based on these data. Results and discussion Among the parameters α, β, γ, CN, Z, k_b, and IC₀, the model showed the highest sensitivity to the parameters Z (number of rainfall events), CN values, k_b, and IC₀. The spatial variation pattern of quickflow in the Neyshabur watershed indicates that quickflow is primarily influenced by precipitation. The northern, northeastern, and eastern parts of the watershed, due to steep slopes and intense rainfall, experience higher quickflow, while the southwestern, southern, and central areas of the watershed have lower quickflow. A strong correlation of 0.83 between precipitation and quickflow confirms the significant impact of precipitation on surface runoff. The average annual quickflow in the Neyshabur watershed is 34.3 mm. The highest quickflow occurs in sub-watershed 1, and the lowest in sub-watershed 4. Soils with low permeability in sub-watershed 1 lead to increased quickflow, while more permeable soils in sub-watershed 4 reduce it. Regarding water yield, the annual average water yield of the watershed is 43.4 mm. The highest water yield is reported in sub-watershed 1, while the lowest is in sub-watershed 5. These differences are mainly attributed to the climatic conditions and land-use types. The average erosion rate in the Neyshabur watershed is 0.6 t ha⁻¹ yr⁻¹. The highest erosion occurs in sub-watershed 3, and the lowest in sub-watershed 4. Areas with steep slopes and intense rainfall are more prone to erosion. The most important finding regarding soil retention is that the soil retention rate in all sub-watersheds exceeds the erosion rate. Sub-watershed 3 has the highest soil retention, while sub-watershed 4, with the lowest soil retention, requires more protection. Forest, shrubland, and scrubland land uses have the greatest capacity to retain soil, while saline and marshy lands and residential areas play the least role in soil retention. Conclusions Determining the hydrological ecosystem services of watersheds is crucial for better and more targeted watershed management. This study was conducted to spatially analyze these services in the Neyshabur watershed in Razavi Khorasan Province. In the northern and northeastern parts of the watershed, higher water yield is observed, which could be considered for water resource exploitation and flood control measures in these areas. Regarding soil retention, the results indicate that sub-watershed 3, with the highest soil retention, has high potential for preventing erosion. In contrast, sub-watershed 4, with the lowest soil retention, has limited potential to prevent erosion. Overall, the findings highlight the importance of evaluating the spatial pattern of hydrological ecosystem services in watershed management. مقدمه بو‌مسازگان‌های طبیعی نقش حیاتی در حفظ فرایندهای محیطی و سامانه‌های حیاتی دارند، اما به‌دلیل تغییرات در استفاده از زمین و مدیریت نادرست، خدمات بوم‌سازگانی که برای حیات انسان ضروری هستند، کاهش یافته است. این کاهش باعث بروز مشکلاتی در زمینه‌های انرژی، آب و هوا و خدمات بوم‌سازگان شده است. با افزایش جمعیت و نیازهای انسانی، فشارها بر بوم‌سازگان‌ها بیشتر شده و این مسائل اهمیت خدمات بو‌م‌سازگانی را در سطح جهانی برجسته کرده است. نرم‌افزار InVES به‌عنوان ابزاری برای ارزیابی و نقشه‌برداری از این خدمات، در پروژه سرمایه طبیعی توسعه یافته است. هدف این پژوهش کاربرد نرم‌افزار InVEST به‌منظور تحلیل مکانی خدمات بوم‌سازگان هیدرولوژیکی حوزه آبخیز نیشابور است. مواد و روش‌ها در این پژوهش، از دو زیرمدل تولید آب فصلی و مدل نسبت تحویل رسوب درInVEST برای ارزیابی میزان آبدهی و تعیین فرسایش خاک در حوضه مورد مطالعه استفاده شد. برای اجرای این مدل به نقشه‌های مدل رقومی ارتفاع، حوضه و زیرحوضه‌ها، بارش، تبخیر و تعرق مرجع، گروه هیدرولوژیکی خاک، کاربری اراضی، فرسایش‌پذیری خاک، فرسایندگی باران و همچنین جدول اطلاعات بیوفیزیک و تعداد رویداد بارش نیاز است. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل در حوضه مطالعاتی، از آمار سه ایستگاه هیدرومتری حوضه برای دوره 1982 تا 1993 استفاده شد. سپس با تنظیم پارامترهای حساس مدل، شامل پارامتر β (پارامتر توپوگرافی محلی و خاک)، ϒ (پارامتر میزان نفوذ در سلول)، Z (تعداد وقایع باران)، CN، و (پارامترهای ارتباط بین اتصال هیدرولوژیکی و نسبت تحویل رسوب) در محدوده مجاز واسنجی شد. این واسنجی با استفاده از مقادیر دبی و رسوب ثبت‌شده در ایستگاه‌های بار اریه، طاغون و زرنده برای دوره 1982 تا 1989 انجام و برای دوره 1990 تا 1993 اعتبارسنجی شد. برای تعیین خدمات بوم‌سازگان هیدرولوژیکی، نقشه‌های ماهانه دما و بارش WorldClim برای دوره 1970 تا 2000 با تفکیک‌پذیری مناسب استفاده و مدل بر اساس آن اجرا شد. نتایج و بحث از میان پارامترهای α، β، ϒ، CN، Z، و مدل بیشترین حساسیت را به پارامترهای Z (تعداد وقایع بارندگی)، CN، و نشان داد. الگوی تغییرات مکانی رواناب در حوضه نیشابور نشان می‌دهد که رواناب عمدتاً تحت تأثیر بارش است. بخش‌های شمالی، شمال شرقی و شرق حوضه به‌دلیل شیب‌های تند و بارش‌های شدید، رواناب سریع‌تری دارند، در حالی که در بخش‌های جنوب غربی، جنوب و میانه حوضه، رواناب سریع کمتر است. همبستگی بالای 0.83 بین بارش و رواناب، تأثیر قوی بارش بر رواناب را تأیید می‌کند. مقدار متوسط رواناب سالانه در حوضه نیشابور 34.4 میلی‌متر است. بالاترین مقدار رواناب سریع در زیرحوضه 1 و کمترین مقدار در زیرحوضه 4 مشاهده شده است. خاک‌های با نفوذپذیری کم در زیرحوضه 1 باعث افزایش رواناب سریع شده، در حالی که خاک‌های نفوذپذیرتر در زیرحوضه 4، این مقدار را کاهش می‌دهند. در زمینه آبدهی سالانه، متوسط سالانه آبدهی حوضه 43.4 میلی‌متر است. بالاترین آبدهی در زیرحوضه 1 و کمترین آن در زیرحوضه 5 گزارش شده است. این تفاوت‌ها عمدتاً به تأثیرات شرایط اقلیمی و نوع کاربری اراضی مربوط می‌شوند. متوسط فرسایش در حوضه نیشابور برابر با 0.6 تن در هکتار در سال است. بالاترین میزان فرسایش در زیرحوضه 3 و کمترین میزان در زیرحوضه 4 مشاهده می‌شود. مناطق با شیب‌های زیاد و بارش‌های شدید بیشتر در معرض فرسایش هستند. مهم‌‌ترین یافته در زمینه نگهداشت خاک این است که میزان نگهداشت خاک در تمامی زیرحوضه‌ها بیشتر از میزان فرسایش است. زیرحوضه 3 بالاترین میزان نگهداشت خاک را دارد، در حالی که زیرحوضه 4 با کمترین میزان نگهداشت خاک به حفاظت بیشتری نیاز دارد. کاربری‌های جنگل و کاربری بیشه‌زار و درختچه بیشترین توانایی را در نگهداشت خاک و اراضی شور و نمک زار و کاربری مسکونی کمترین نقش در نگهداشت خاک را دارند. نتیجه‌گیری تعیین خدمات بوم‌سازگان هیدرولوژیکی حوزه‌های آبخیز به‌منظور مدیریت بهتر و هدفمند حوضه حائز اهمیت است. این پژوهش با هدف تحلیل مکانی این خدمات در حوزه آبخیز نیشابور در استان خراسان رضوی انجام شد. در بخش‌های شمال و شمال شرقی حوضه مقدار آبدهی بیشتر است، این موضوع می‌تواند در بهره برداری از منابع آب حوضه و اجرای اقدامات کنترل سیل در این مناطق مد نظر قرار بگیرد. در بحث نگهداشت خاک نیز نتایج پژوهش بیانگر آن است که زیرحوضه 3 با بیشترین میزان نگهداشت خاک، پتانسیل بالایی در جلوگیری از فرسایش را دارد. در مقابل، زیرحوضه 4 با کمترین میزان از نگهداشت خاک، پتانسیل کمی در جلوگیری از فرسایش را دارد. در مجموع نتایج پژوهش بیانگر اهمیت بررسی الگوی ارائه خدمات بوم‌سازگانی هیدرولوژیکی در مدیریت حوزه‌های آبخیز است.

https://jwem.areeo.ac.ir/article_133872_b21529afb637a130a350947fb904987b.pdf