نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 پژوهشگر پسادکتری، گروه مهندسی طبیعت، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی طبیعت، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
3 استاد، گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
چکیده
مقدمه
فرسایش آبکندی یکی از مهمترین و مخربترین شکلهای تخریب خاک در مناطق خشک و نیمهخشک جهان است که نقش قابل توجهی در کاهش بهرهوری اراضی کشاورزی، افزایش بار رسوبی حوزههای آبخیز و کاهش عمر مفید مخازن سدها ایفا میکند. در میان مراحل مختلف تکامل آبکندها، شکافهای کششی در دیواره، بهعنوان شاخصهای پیشران ناپایداری عمل کرده و نقش کلیدی در آغاز ریزش دیواره، گسترش جانبی آبکند و تسریع فرایندهای فرسایشی دارند. با وجود اهمیت بالای این پدیده در ژئومورفولوژی و مدیریت فرسایش، بررسی کمی و چندمتغیره عوامل کنترلکننده وقوع و موقعیت این شکافها در مقیاس دیواره آبکند همچنان محدود بوده و مطالعات میدانی اندکی بهطور خاص به توسعه ترکهای کششی پرداختهاند. هدف این پژوهش، شناسایی عوامل مؤثر بر تشکیل شکافهای کششی و تعیین آستانه بحرانی شیب دیواره در آبکندهای حوزه آبخیز کلوچه بیجار است.
مواد و روش
در این مطالعه، ۴۷ آبکند (شامل ۲۵ آبکند دارای شکاف طولی و ۲۲ آبکند بدون شکاف) با استفاده از تصاویر پهپادی با دقت ارتفاعی دو و تفکیک مسطحاتی 11× 11 سانتیمتر مورد بررسی و تحلیل قرار گرفتند. این دقت توسط 83 نقطه کنترل زمینی ارزیابی شده است. متغیرهای اندازهگیری شده شامل شیب دیواره، ارتفاع دیواره، فاصله شکاف از لبه، عرض پایین و بالای آبکند، شیب کف کانال، نوع قوس آبکند (خارجی، مستقیم و داخلی) و وضعیت پوشش گیاهی بودند. تحلیلهای آماری شامل آزمون t مستقل، من-ویتنی کروسکال والیس، آزمون فیشر، همبستگی اسپیرمن، تحلیل خوشهای و منحنی ROC بود که همگی در نرمافزار R و SPSS انجام شد.
نتایج و بحث
نتایج نشان داد که شیب دیواره مهمترین عامل کنترلکننده وقوع شکافهای کششی است، بهطوریکه میانگین شیب در آبکندهای دارای شکاف (86.7 درجه) بهطور معنیداری بیشتر از آبکندهای بدون شکاف (50 درجه) است. همچنین، قوس خارجی و عدم وجود پوشش گیاهی بهترتیب با نسبت شانس 4.2 و 4.57، بهعنوان مهمترین عوامل تقویتکننده احتمال وقوع شکاف شناسایی شدند. فاصله شکاف از لبه آبکند (میانگین 2.67 متر) عمدتاً تحت تأثیر ابعاد هندسی آبکند بوده و فقط با عرض آبراهه در پایین همبستگی مثبت و معنیدار نشان داد. تحلیل ROC آستانه بحرانی شیب دیواره را 78.4 درجه (0.835=AUC) تعیین کرد که در آن حساسیت و ویژگی مدل بهترتیب ۸۰ و 86.4 درصد است. همچنین، تحلیل خوشهای سه الگوی متمایز از آبکندهای دارای شکاف را نشان داد که بیانگر مراحل مختلف تکامل ناپایداری است.
نتیجه گیری
نتایج این پژوهش، کاربردهای مستقیمی در مدیریت فرسایش آبکندی دارد. نخست، شیب دیواره بهعنوان شاخصی سریع و قابلاندازهگیری میدانی برای اولویتبندی اقدامات حفاظتی قابل استفاده است. آبکندهایی با شیب بالاتر از آستانه بحرانی 78.4 درجه باید در اولویت تثبیت قرار گیرند، زیرا احتمال تشکیل شکاف و گسترش شکست در آنها بهطور معنیداری بیشتر است. دوم، اقدامات حجمی بدون توجه به کاهش شیب یا کنترل تمرکز تنش، تأثیر پایداری محدودی دارند. بنابراین عملیات مهندسی باید بر کاهش شیب مؤثر دیواره یا استهلاک انرژی جریان در قوسهای خارجی متمرکز شود. سوم، هرچند نقش پوشش گیاهی ازنظر آماری ضعیفتر بود، اما شواهد مکانیکی نشان میدهد که حذف آن میتواند آستانه شکست را تسریع کند. ازاینرو، تثبیت بیولوژیک دیوارهها باید بهعنوان ابزاری مکمل در مدیریت آبکندها در نظر گرفته شود.
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
The role of vegetation cover and morphometry of gully in creating the walls tensile cracks
نویسندگان [English]
- Moslem Borji Hassan Gaviar 1
- Mohsen Farzin 2
- Ali Akbar Nazari Samani 3
1 1 Postdoctoral Researcher, Department of Nature Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Yasouj University, Yasouj, Iran
2 Associate Professor, Department of Nature Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Yasouj University, Yasouj, Iran
3 Professor, Department of Reclamation pf Arid and Mountainous Regions, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]
Introduction
Gully erosion is one of the most important and destructive forms of soil degradation in arid and semi-arid regions of the world, playing a significant role in reducing agricultural land productivity, increasing sediment load in watersheds, and decreasing the useful life of dam reservoirs. Among the different stages of gully evolution, tensile cracks in the gully wall act as early indicators of instability and play a key role in initiating wall collapse, lateral gully expansion, and accelerating erosion processes. Despite the high importance of this phenomenon in geomorphology and erosion management, quantitative and multivariate investigations of the factors controlling the occurrence and location of these cracks at the gully wall scale remain limited, and few field studies have specifically addressed the development of tensile cracks. The aim of this study is to identify the factors affecting the formation of tensile cracks and to determine the critical slope threshold in the gullies of the Kaloocheh Bijar watershed.
Materials and methods
In this study, 47 gullies (including 25 gullies with longitudinal cracks and 22 gullies without cracks) were surveyed and analyzed using UAV imagery with a vertical accuracy of 2 cm. The measured variables included wall slope, bank height, crack distance from the gully edge, bottom and top channel width, channel bed slope, gully planform curvature (outer, straight, inner), and vegetation cover status. The statistical analyses included independent t-test, Mann–Whitney U test, Kruskal–Wallis test, Fisher’s exact test, Spearman’s correlation, cluster analysis, and ROC curve analysis, all of which were performed using R and SPSS software.
Results and discussion
The results showed that wall slope is the most important factor controlling the occurrence of tensile cracks, such that the mean slope in cracked gullies (86.7 degrees) was significantly higher than in non-cracked gullies (50 degrees). Furthermore, outer curvature and lack of vegetation cover, with odds ratios of 4.2 and 4.57 respectively, were identified as the most important factors increasing the likelihood of crack occurrence. The crack distance from the gully edge (mean: 2.67 m) was mainly influenced by the geometric dimensions of the gully and showed a statistically significant positive correlation only with the bottom channel width. ROC analysis determined the critical wall slope threshold as 78.4 degrees (AUC = 0.835), with model sensitivity and specificity of 80% and 86.4%, respectively. Additionally, cluster analysis revealed three distinct patterns of cracked gullies, indicating different stages of instability evolution.
Conclusions
The findings of this study have direct implications for gully erosion management. First, wall slope can be used as a rapid and field-measurable indicator for prioritizing conservation measures. Gullies with a slope exceeding the critical threshold of 78.4 degrees should be prioritized for stabilization, as the probability of crack formation and failure propagation is significantly higher in these gullies. Second, volumetric measures without attention to slope reduction or stress concentration control have limited stability effects; therefore, engineering interventions should focus on reducing the effective wall slope or dissipating flow energy in outer curves. Third, although the role of vegetation cover was statistically weaker, mechanical evidence suggests that its removal can accelerate the failure threshold; thus, biological stabilization of walls should be considered as a complementary tool in gully management.
کلیدواژهها [English]
- Biological stabilization
- Critical slope threshold
- Gully erosion
- Gully management
- Koloucheh Bijar
)