تغییرات زمانی و مکانی الگوی اتصال ساختاری رسوب در حوزه‌ی آبخیز تهم‌چای زنجان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشگاه تربیت مدرّس

3 دانشگاه کاتولیک اینگلوشتات

چکیده

سابقه و هدف: استفاده‌ی بی‌رویه از منابع طبیعی سبب تشدید هدر‌رفت خاک و تولید رسوب بیش از مقادیر مجاز شده است. افزایش رسوب تولیدی در حوزه‌های آبخیز سبب مشکلات درون و برون منطقه‌ای زیادی می‌شود. بنابراین آگاهی از پهنه‌های مهم و مستعد انتقال رسوبات از ملزومات طراحی راهبردهای مؤثر در مدیریت تولید و انتقال رسوب در حوزه‌های آبخیز است. یکی از مفاهیم مهم در این زمینه، بررسی اتصال ساختاری رسوب است که انتقال رسوب از یک بخش به بخشی دیگر و پتانسیل جابه‌جایی برای ذرات رسوب در سراسر سامانه‌ی آبخیز (درون‌دامنه‌ای، بین‌دامنه‌ و آبراهه، درون‌آبراهه‌ای) را مورد ‌بررسی قرار می‌دهد. ازاین‌رو، پژوهش حاضر به‌منظور بررسی پراکنش مکانی و تغییرات زمانی اتصال ساختاری رسوب در سه سال 1990، 2001 و 2014 در حوزه‌ی آبخیز تهم‌چای زنجان انجام شد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه با استفاده از نقشه‌ی مدل رقومی ارتفاعی منطقه با مقیاس 1:25000 و سلول‌های 100 مترمربعی لایه‌های شیب، جهت جریان، جریان تجمعی جریان تهیه شدند. لایه‌ی رقومی عامل پوشش گیاهی نیز با استفاده از تصاویر Landsat و با استفاده از شاخص NDVI به‌دست آمد. درنهایت با استفاده از لایه‌ی شبکه‌ی آبراهه‌ای، شاخص اتصال ساختاری رسوب با توجه به دو سناریوی اتصال رسوبی دامنه و خروجی آبخیز؛ و دامنه و شبکه‌ی آبراهه‌ای مورد محاسبه قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد بر اساس سناریوی اول محدوده‌ی عددی 24/8- تا 06/8- و 02/1 تا 18/1 به‌ترتیب برای حداقل و حداکثر مقادیر شاخص اتصال برای سال‌های مورد ‌بررسی به‌دست آمدند. شاخص اتصال ساختاری از سال 1990 تا سال 2014 از 5- به 7- کاهش‌یافته است. بر اساس نقشه‌های حاصل، مناطق غربی، جنوب غربی و شمال غربی، اتصال ساختاری بیش‌تری نسبت به بخش‌های دیگر حوزه‌ی آبخیز داشتند. از نظر مکانی نیز تفاوت خالص مقادیر شاخص اتصال رسوبی بین دو سال 2001 و 2014 با محدوده‌ی تغییرات 9/0 در عموم قسمت‌های حوزه‌ی آبخیز منجر به کاهش اتصال ساختاری رسوب از نظر مکانی شده است. طبق سناریوی دوم، بخش‌های شمالی و جنوب شرقی آبخیز به‌دلیل دوری از شبکه‌ی آبراهه‌ای و در مورد مناطق مرکزی در ترکیب با توپوگرافی ملایم، دارای اتصال رسوبی کم‌تری نسبت به بخش‌های دیگر آبخیز بوده که با نتایج تعیین اتصال ساختاری بر اساس خروجی آبخیز انطباق داشته است. هم‌چنین بخش‌های جنوبی، غربی و شمال غربی آبخیز، دامنه‌های یکپارچه‌ای از نظر مناطق مستعد انتقال رسوب به شبکه‌ی آبراهه‌ای را تشکیل دادند.
نتیجه‌گیری: به‌طورکلی بر اساس نتایج پژوهش حاضر، امکان بررسی اتصال ساختاری و تغییرات زمانی و مکانی آن در گستره‌ی آبخیز وجود داشت و از طریق آن می‌توان به تشخیص مناطق همگن ازنظر میزان احتمال انتقال رسوب تولیدی دست‌ یافت. این امر زمینه‌ساز اتخاذ تصمیمات و برنامه‌های اصلاحی و مدیریتی هدف‌مند در مورد تولید و انتقال رسوب با توجه به اولویت پهنه‌های مشخص‌شده و محدودیت‌های مالی و تجهیزاتی به‌ویژه در کشورهایی چون ایران می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Temporospatial Variations of Structural Sediment Connectivity Patterns in Taham-Chi Watershed in Zanjan Province, Iran

نویسندگان [English]

  • Saeid Najafi 1
  • Seyed Hamidreza Sadeghi 2
  • Tobias Heckmann 3
1 Tarbiat Modares University
2 Tarbiat Modares University
3 Catholic University of Eichstaett-Ingolstadt
چکیده [English]

Background and objectives: Overuse of natural resources exacerbates soil loss and sediment yield and has caused exceeding allowable rates of soil erosion. Many on-and off-site problems occurred due to irregular human use of natural resources leading to increasing sediment loads in the watersheds. Intensification of sediment yield leads to many intra and extra problems in the watersheds. The awareness on important and susceptible areas of sediment transport is therefore an essential tool to design effective strategies in management of sediment yield and transport in watersheds. Sediment connectivity is one of the most important concepts in this context to investigate sediment transfer between different locations and potential transfer of sediment particle across (between hillslopes, between channel and hillslope, within channel) a watershed. This research was therefore planned to investigate spatial and temporal variations of structural sediment connectivity in 1990, 2001 and 2014 years in Taham-Chai Watershed in Zanjan Province, Iran.
Materials and methods: In this study; slope, flow direction and flow accumulation layers have been made using digital elevation model (DEM) in 1:25000 scale and 100 m2 cell sizes. The C factor layer has been made using Landsat images in 1990, 2001 and 2014 years based on the NDVI. All layers along with the main stream network layer of the watershed have been used under two scenarios viz. the potential connection of sediment between hillslopes and catchment outlet and sediment connection between hillslopes and main channels to estimate structural sediment connectivity.
Results: The results showed that the structural sediment connectivity based on the first scenario varied from -8.24 to -8.06 and 1.02 and 1.18 for min and max values, respectively. The Structural sediment connectivity index has decreased from -5 to -7 during 1990 until 2014. Regarding structural sediment connectivity maps, connectivity is high in western, southwestern and northwestern sections than other parts of the study area. The net spatial difference of structural sediment coactivity index values has been changed in the range of 0.9 from 2001 until 2014 which it is decreasing in the most sections of the study area and led to a decrease in structural sediment connectivity index. The results of the second scenario showed that the north and southwestern sections of the watershed along with central sections have low structural connectivity because of far distance from the channel network and slight topography respectively which these results are also consistent with results of first scenario. In addition, south, eastern and northeastern sections of the watershed have formed integrated hillslopes which they are prone to transfer sediment to the channel network.
Conclusion: Overall, on the basis of the results there is a possibility to investigate structural sediment connectivity and its temporal and spatial variations in the watershed. It also helps distinguish homogeneous sections by similar potential in sediment transport. Accordingly, investigation of structural sediment connectivity causes making conservative measurements and purposeful managerial decisions about sediment yield and transfer with respect to priority of homogeneous sections and financial and equipment constraints especially in countries such as Iran.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Integrated watershed management
  • Sediment connectivity index
  • Sediment management
  • Soil Conservation
  • Sediment transfer scenario
 1.Borselli, L., Cassi, P., and Torri, D. 2008. Prolegomena to sediment and flow connectivity in
the landscape: A GIS and field numerical assessment. Catena. 75: 3. 268-277.
2.Bracken, L.J., Turnbull, L., Wainwright, J., and Bogaart, P. 2015. Sediment connectivity: a
framework for understanding sediment transfer at multiple scales. Earth Surf. Proc. Land.
40: 2. 177-188.
3.Bracken, L.J., Wainwright, J., Ali, G.A., Tetzlaff, D., Smith, M.W., Reaney, S.M., and Roy,
A.G. 2013. Concepts of hydrological connectivity: Research approaches, pathways and
future agendas. Earth-Sci. Rev. 119: 17-34.
4.Broeckx, J., Vanmaercke, M., Balteanu, D., Chendes, V., Sima, M., Enciu, P., and Poesen, J.
2016. Linking landslide susceptibility to sediment yield at regional scale: application to
Romania. Geomorphology. 268: 222-232.
5.Cavalli, M., Trevisani, S., Comiti, F., and Marchi, L. 2013. Geomorphometric assessment of
spatial sediment connectivity in small Alpine catchments. Geomorphology. 188: 31-41.
6.Croke, J., Mockler, S., Fogarty, P., and Takken, I. 2005. Sediment concentration changes in
runoff pathways from a forest road network and the resultant spatial pattern of catchment
connectivity. Geomorphology. 68: 3-4. 257-268.
7.De Asis, A.M., and Omasa, K. 2007. Estimation of vegetation parameter for modeling soil
erosion using linear Spectral Mixture Analysis of Landsat ETM data. ISPRS J. Photogramm.
62: 4. 309-324.
8.Foerster, S., Wilczok, C., Brosinsky, A., and Segl, K. 2014. Assessment of sediment
connectivity from vegetation cover and topography using remotely sensed data in a dryland
catchment in the Spanish Pyrenees. J. Soil Sed. 14: 1982-2000.
9.Fryirs, K.A., Brierley, G.J., Preston, N.J., and Kasai, M. 2007. Buffers, barriers and blankets:
The (dis)connectivity of catchment-scale sediment cascades. Catena. 70: 1. 49-67.
10.Gay, A., Cerdan, O., Mardhel, V., and Desmet, M. 2016. Application of an index of
sediment connectivity in a lowland area. J. Soil Sed. 16: 280-293.
11.Heckmann, T., and Schwanghart, W. 2013. Geomorphic coupling and sediment connectivity
in an alpine catchment - Exploring sediment cascades using graph theory. Geomorphology.
182: 89-103.
12.Lesschen, J.P., Schoorl, J.M., and Cammeraat, L.H. 2009. Modelling runoff and erosion for a
semi-arid catchment using a multi-scale approach based on hydrological connectivity.
Geomorphology. 109: 3-4. 174-183.
13.Liu, Y., and Fu, B. 2016. Assessing sedimentological connectivity using WATEM/SEDEM
model in a hilly and gully watershed of the Loess Plateau, China. Ecol. Ind. 66: 259-268.
14.Messenzehl, K., Hoffmann, T., and Dikau, R. 2014. Sediment connectivity in the high-alpine
valley of Val Müschauns, Swiss National Park-linking geomorphic field mapping with
geomorphometric modelling. Geomorphology. 221: 215-229.
15.Najafi, S., and Sadeghi, S.H.R. 2013. Comparative study of applying soil erosion mapping,
fingerprinting and field measurement techniques in estimation of sediment sources.
J. Water. Eng. Manage. 5: 3. 165-178. (In Persian)
16.Najafi, S., Sadeghi, S.H.R., and Heckmann, T. 2017. Analyzing structural sediment
connectivity pattern in a watershed. J. Water. Eng. Manage. (In Press, In Persian)
17.Sadeghi, S.H.R., Najafi, S., Riyahi Bakhtiary, A., and Abdi, P. 2014. Soil erosion
types ascription for sediment yield using composite fingerprinting technique. Hydrol. Sci. J.
59: 9. 1753-1762.
18.Wester, T., Wasklewicz, T., and Staley, D. 2014. Functional and structural connectivity
within a recently burned drainage basin. Geomorphology. 206: 362-373.
19.Vigiak, O., Borselli, L., Newham, L.T.H., McInnes, J., and Roberts, A.M. 2012. Comparison
of conceptual landscape metrics to define hillslope-scale sediment delivery ratio.
Geomorphology. 138: 1. 74-88.