نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

• حسین شهاب ¹
• حجت امامی ¹
• غلامحسین حق نیا ¹
• اباذر اسمعلی ²
• مجید محمود آبادی ³

¹ دانشگاه فردوسی مشهد

² دانشگاه محقق اردبیلی

³ دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

سابقه و هدف: فرسایش آبکندی یکی از مهمترین انواع فرسایش از نظر تولید رسوب و تخریب اراضی در سراسر جهان می‌باشد که در نقاط مختلف ایران نیز رخ می‌دهد (12، 19، 26). ویژگی‌های توپوگرافی حوضه زه‌کشی آبکندها و ویژگی‌های خاک از جمله عامل‌های موثر بر گسترش آبکندها می‌باشند (17). در پژوهش‌های مختلف تاثیر ویژگی‌های مختلف خاک بر تشکیل آبکندها نیز گزارش شده است (22 و 25). هدف این پژوهش تعیین نوع فرایند هیدرولوژیکی تشکیل آبکند با استفاده از شاخص توپوگرافی، بررسی تاثیر ویژگی‌های خاک سطحی و زیر سطحی بر گسترش آبکند در طی دو سال و انتخاب مهمترین آنها می‌باشد.
مواد و روشها: برای تعیین فرآیند غالب هیدرولوژیکی در ایجاد این نوع فرسایش، آستانه توپوگرافی تشکیل آبکند به صورت رابطه برای آبکندهای سه حوضه اُرتاداغ، ملااحمد و سرچم استان اردبیل تعیین شد، که S شیب و A مساحت حوضه زه‌کشی آبکندها است و a و b ضرائب محیطی هستند. همچنین به منظور تعیین اثر ویژگی‌های خاک بر گسترش آبکندها، در هر حوضه مجموعه‌ای مشابه از آبکندها گزینش و تغییر حجم و سطح مقطع آبکند در چهار نقطه از طول آن، به عنوان شاخص گسترش آبکند در دو سال اندازه‌گیری شد. با تعیین 19 ویژگی در خاک سطحی و زیر سطحی آبکندها و نیز خاک حوضه زه‌کشی آنها، تاثیر این ویژگی‌ها بر گسترش آبکندها بررسی گردید. در انتها با استفاده از رگرسیون گام به گام، مدل‌های رگرسیونی پیش بینی گسترش آبکند تعیین و مهمترین عوامل موثر بر آن در هر حوضه معرفی شدند. دقت مدل‌های رگرسیونی با استفاده ار دوآماره R2 و RMSE بررسی گردید.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که در حوضه سرچم توان b آستانه توپوگرافی مثبت است و فرآیند تونلی شدن عامل اصلی ایجاد آبکند است، در حالی که در دو حوضه دیگر مقدار آن منفی بوده و رواناب آبکندها را شکل داده است. نتایج آنالیز همبستگی میان ویژگی‌های خاک و گسترش آبکند‌ها نشان داد که در حوضه سرچم گسترش آبکند با فرسایش‌پذیری و وجود ترکیب‌های قابل انحلال در خاک زیر سطحی ارتباط بیشتری دارد، در حالی که در دو حوضه دیگر فرسایش پذیری خاک سطحی و زیر سطحی به یک اندازه در گسترش آبکند مهم است. نتایج مدل‌های رگرسیونی نشان داد به طور کلی مدل‌هایی که از مجموع ویژگی‌های خاک سطحی و زیر سطحی آبکند به عنوان متغییر مستقل برای پیش بینی تغییر سطح مقطع آبکند استفاده کردند، دارای دقت بیشتری بودند. در مدل‌ رگرسیونی پیش بینی تغییر حجم آبکند از مجموعه ویژگی‌های حوضه زه‌کشی به عنوان متغییر مستقل استفاده شد. این مدل‌ در دو حوضه اُرتا داغ و سرچم دقت قابل قبولی داشت ولی در ملااحمد از دقت کمتری برخوردار بود. نتایج رگرسیون نشان داد در حوضه اُرتاداغ MWD، مقدار شن خیلی ریز و رس خاک سطحی، مقدار گچ، آهک و رس قابل پراکنش خاک زیر سطحی و درصد پوشش گیاهی و شاخص CROSS حوضه زه‌کشی آبکندها، در ملااحمد درصد کربن آلی و جرم مخصوص ظاهری خاک سطحی و درصد رس قابل (Dclay) و SAR خاک زیر سطحی و درصد شیب متوسط حوضه زه‌کشی آبکند‌ها و در سرچم، جرم مخصوص ظاهری و درصد رس قابل پراکنش خاک سطحی ، مقدار سیلت، شن و جرم مخصوص ظاهری خاک زیر سطحی و شماره منحنی (CN) و ضریب گردی میلر حوضه زه‌کشی آبکندها بیشترین تاثیر را بر گسترش آبکندها داشته‌اند.
نتیجه‌گیری: شاخص توپوگرافی کارایی لازم را جهت تعیین نوع فرایند هیدرولوژیکی تشکیل آبکند دارد. در منطقه سرچم گسترش آبکند با ویژگی‌های مربوط به انحلال پذیری خاک زیر سطحی ارتباط داشت ولی در دو منطقه دیگر فرسایش پذیری خاک سطحی و زیر سطحی بر گسترش آبکند‌ها موثر بودند. بین ویژگی‌های حوضه آبریز آبکندها نیز ویژگی‌هایی که بر تولید رواناب موثرند، بیشترین نقش را در گسترش آبکند داشتند.

کلیدواژه‌ها

• فرسایش تونلی
• هدررفت خاک
• بالاکند
• رگرسیون گام به گام

عنوان مقاله [English]

Determining topographic threshold and effect of soil properties on gully development in three region of Ardabil province

چکیده [English]

Background and objectives: Gully erosion is an important type of soil erosion worldwide with respect to sediment production and land degradation that also occurs in different parts of Iran (12, 19, 26). Topography and soil properties of gully's drainage catchment have important effects on gully's development (17). Various studies reported the effect of soil on gully formation (22, 25). The objective of this study is investigate hydrologic process of gully forming by topography index and determining of surface and subsurface soil properties effect on gully extension in 2 year and select the most important of this properties.
Materials and Methods: In order to determine the main hydrological process that shapes the gully's shapes three regions of Ardabil province were selected including Orta Dagh, Mola Ahmad and Sarcham, and topographic threshold of gully forming was determined as where S and A are the slope and area of gully's drainage catchment, respectively and a and b are the regional coefficients. Furthermore to investigate the effect of soil properties on gully's development in each region, a set of similar gullies were selected and the changes of volume and cross section area for gullies in four points along its length were measured as indicator of gully development during a two years time. 19 different soil properties at surface and subsurface layer of gullies and at drainage area were measured and their effects on gully development were investigated. At the end, stepwise regression models were introduced to predict the value of gully development and to determine the main factors of gully development in each catchment. Precision of regression models determined with R2 and RMSE.
Results: The results showed that in Sarcham catchment b power of topographic threshold was positive, therefore piping and tunnel erosion seems to be main reason for gully forming but in two other catchments the values of b power was negative therefore runoff may have caused gully formation. Correlation analysis between soil properties and gully's development revealed that in Sarcham catchment erodibility and presence of soluble materials in subsurface layers of soil had a strong relation with gully development. While in other two catchments, erodibility of surface and subsurface layers of soil had similar effects on gully development. In general, application of regression models that used total data set of surface as well as subsurface as independent variable for prediction of cross sectional area changes showed higher precision. For prediction of changes of gully volume, total properties of drainage area were used as independent variables. The precision of this model in Orta Dagh and Sarcham was high but in Mola Ahmad was low. The results of stepwise regression model demonstrated that in Orta Dagh catchment, MWD, very fine sand, clay contents in surface layer, gypsum, calcium carbonate, dispersible clay in subsurface layer, percentage of plant cover and CROSS index in drainage area of gully, in Mola Ahmad catchment, organic carbon and bulk density at surface layer, dispersible clay content and SAR in subsurface layer, and mean slope of gully drainage area and in Sarcham catchment, bulk density and dispersible clay content in surface layer, bulk density, silt and sand contents in subsurface layer, and curve number (CN) and Miller shape index of gully drainage area had more meaningful effect on gully development.
Conclusion: Used topography index had careful for determining of gully formation hydrological process. In Sarcham gully's extension related to soluble material in subsurface soil but in two other region gully's extension related to erodibility of surface and subsurface soil. Between properties of gully catchment properties that effected on runoff volume had main effect on gully's extension.

کلیدواژه‌ها [English]

• Tunnel erosion
• soil loss
• Head cut
• Stepwise regression