نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• پریسا فتاح ¹
• خسرو حسینی ²
• سید علی اصغر هاشمی ³

¹ کارشناس ارشد مهندسی مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

² استاد گروه آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

³ استادیار پژوهشی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان سمنان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، سمنان، ایران

چکیده

مقدمه
خاک یکی از مهمترین منابع طبیعی هر کشور است که نقش کلیدی در امنیت غذایی، اقتصاد ملی و کشاورزی پایدار ایفا می­‌کند. فرسایش خاک، از بارزترین عوامل هدررفت خاک است که فرسایش بارانی از شکل­‌های مهم آن است. از این‌رو، شناخت دقیق فرایندهای حاکم بر فرسایش خاک و انتقال رسوب در زمینه مدیریت صحیح منابع آب و خاک به‌­منظور رسیدن به توسعه پایدار و همچنین توسعه مدل‌­های فرسایش خاک از اهمیت بالایی برخوردار است. پژوهش‌­های پیشین نشان داده است که الگوی بارش از عوامل تاثیرگذار بر فرسایش بارانی است. پوشش گیاهی نیز با حفظ خاک در برابر اثر قطرات بارش و رواناب از فرسایش خاک می­‌کاهد. در مناطق خشک و نیمه­‌خشک، با توجه به کمبود پوشش گیاهی و رطوبت اولیه بسیار کم خاک، فرسایش بارانی اهمیت ویژه دارد. این پژوهش با توجه به تاثیر الگوی بارش بر فرسایش بارانی و با بررسی الگوی بارش و تغییرات پوشش گیاهی طی 25 سال در دو حوزه آبخیز ابراهیم‌‌­آباد و رویان شهرستان سمنان انجام گرفت.

مواد و روش‌­ها
برای انجام این پژوهش، ابتدا ویژگی­‌های فیزیکی حوزه‌­های آبخیز با کمک نرم‌افزار ArcGIS به‌­دست آمد و اطلاعات بارش از باران‌نگار با دقت 10 دقیقه، استخراج شد. به­‌منظور مقایسه بارندگی­‌ها با مقادیر متفاوت بارش، منحنی بی ­بعد بارش تجمعی هر رویداد به‌دست آمد. زمان هر بارش به 10 گام زمانی تقسیم شد و برای دهک­‌های زمانی آن (گام‌­های زمانی)، درصد مقدار بارش مشخص شد. دسته­‌بندی رگبارها بسته به این­که وقوع بیشینه بارش در کدام چارک زمانی اتفاق افتاده است، به چارک­‌های یک، دو، سه، چهار تقسیم‌­بندی شد. با توجه به بیشترین مقدار بارندگی بارش در هر چارک، الگوهای آن نامگذاری شد. با توجه به اطلاعات لایه­‌های رسوبی در سد­های کوتاه مخزنی واقع شده در خروجی هر حوضه و اطلاعات بارش، رگبارهای مربوط به هر لایه رسوبی مشخص شد و تاثیر الگوی رگبار بر الگوی رسوب مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی شباهت الگوهای بارش و رسوب، از معیارهای میانگین اختلاف در هر گام بارش و رسوب و تغییرات انحراف استاندارد استفاده شد. با نگرش به تغییرات پویای پوشش گیاهی نسبت به دیگر ویژگی­‌های حوضه برای بررسی تغییرات پوشش گیاهی و مساحت آن از داده‌­های سنجش از دور استفاده شد. با توجه به عملکرد موثر و دقت زیاد شاخصNDVI  و تصاویر ماهواره‌­ای لندست در مناطق خشک، برای برآورد پوشش گیاهی، مدیریت و فراخوانی تصاویر ماهواره‌­ای، سامانه Google Earth Engine مورد استفاده قرار گرفت. سپس، به بررسی تاثیر ویژگی­‌های حوضه از جمله شیب، مساحت، جنس خاک، ضریب شکل حوضه و پوشش گیاهی مناطق بر رسوبدهی حوضه­‌ها پرداخته شد.

نتایج و بحث
نتایج نشان داد، میانگین شباهت‌ها در الگوی بارش و رسوب در حوضه­‌های ابراهیم‌­آباد و رویان به‌­ترتیب 48.2 و 46.1 درصد بوده است. همچنین، با افزایش شماره چارک بارش، درصد رسوبات درشت‌­دانه نیز طی هر رگبار افزایش یافت که گویای نقش مهم الگوی رگبار بر الگوی رسوبدهی حوضه­‌ها است. میانگین ماهانه پوشش گیاهی (حاصل از تصاویر لندست) در حوضه‌­های ابراهیم‌­آباد و رویان در طی دوره مذکور به­‌ترتیب 5.15 و 4.99 درصد به‌دست آمده است که نسبت به پژوهش‌­های پیشین کمتر برآورد شده است. در این پژوهش، از حد آستانه 0.1 برای شاخص NDVI استفاده شده است که در آن از پوشش‌­های گیاهی بسیار ضعیف صرف‌نظر شده است.

نتیجه­‌گیری
در مجموع می­‌توان بیان کرد که در هر دو حوضه در بیش از 51 درصد موارد، با افزایش پوشش گیاهی در هر رگبار، ضخامت لایه رسوب مربوطه کاهش یافته است که تاثیر مقادیر و تغییرات پوشش گیاهی بر فرسایش و رسوب حوضه­‌ها را بیان می­‌کند.

کلیدواژه‌ها

• تغییرات باران
• حوضه‌های کوچک
• فرسایش
• Landsat
• NDVI

عنوان مقاله [English]

Investigation of the effects of storm pattern and area characteristics on sediment yield of the watershed

نویسندگان [English]

• Parisa Fattah ¹
• Khosrow hoseini ²
• Seyed Ali Asghar Hashemi ³

¹ MSc Student, Water Resources Management Engineering, Department of Water Department, Faculty of Civil Engineering, Semnan University

² Professor, Department of Water Department, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran

³ Assistant Professor, Semnan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Semnan, Iran

چکیده [English]

Extended abstract
Introduction
Soil is one of the most important natural resources of any country, which plays a key role in food security, self-sufficiency in food production, national economy, and sustainable agriculture. Soil erosion is one of the most obvious factors of soil loss, and rain erosion is one of the most important forms of erosion. Therefore, the knowledge of the processes governing soil erosion and sediment transport is very important in water and soil resources management, as well as, the development of soil erosion models to achieve sustainable development is of great importance. Previous research has shown that rainfall patterns are one of the factors influencing rain erosion. Vegetation also reduces soil erosion by protecting the soil against the effects of raindrops and runoff. Rain erosion is especially important in arid and semi-arid areas due to the lack of vegetation and low initial soil moisture. This research was conducted, regarding the effect of rainfall patterns on rain erosion, by investigating the rainfall pattern and vegetation changes over 25 years in Ebrahim Abad and Royan watersheds situated in Semnan City.
 
Materials and methods
First, the physical characteristics of the watersheds were obtained; using ArcGIS software, and the precipitation information was extracted from the rain gauge sheets with an accuracy of 10 minutes. To compare the rainfall for different amounts of precipitation, the dimensionless cumulative rainfall curve of each event was obtained. The time of each rainfall was divided into 10 parts and the percentage of rainfall was determined for each part. The rainfall curve was divided into 4 quartiles (1st, 2nd, 3rd, and 4th quartiles) depending on the occurrence of the maximum precipitation. According to the information on the sediment layers in check dams located at the outlet of each watershed and the precipitation data, the storm-related to each sediment layer was determined and the effect of the storm pattern on the sediment pattern was investigated. To check the similarity of precipitation and sedimentation patterns in check dams, the average difference in precipitation and sedimentation in each time step and standard deviation changes were used. Considering the dynamic changes of vegetation compared to other characteristics of the watershed, remote sensing data were used to investigate the changes in vegetation and its area. Due to the effective performance and high accuracy of NDVI index and landsat satellite images in dry areas, Google Earth Engine system was used to estimate vegetation cover, manage and recall the satellite images. Then, the influence of watershed characteristics such as slope, area, soil type, shape factor, and vegetation cover on watershed sedimentation was investigated.
 
Results and discussion
The average similarities in precipitation and sediment pattern in Ebrahim Abad and Royan watersheds were 48.2 and 46.1%, respectively. Also, the percentage of coarse-grained sediments augments by increasing the precipitation quarter number, during each storm event, which shows the important role of the rainfall pattern on the sedimentation pattern in each watershed. The average monthly vegetation cover (obtained from Landsat images) in Ebrahim Abad and Royan watersheds during the mentioned period was 5.15 and 4.99%, respectively, which is less estimated than reported by previous research. In this research, a threshold limit of 0.1 has been used for the NDVI index, in which very weak vegetation has been omitted.
Conclusion
In both watersheds, in more than 51% of cases, by increasing vegetation cover in each storm event, the thickness of the corresponding sediment layer augments, which shows the effect of vegetation cover on the erosion and sedimentation of the watersheds.

کلیدواژه‌ها [English]

• Erosion
• Landsat
• NDVI
• Rainfall changes
• Small watersheds