بررسی کارایی مدل ‌WaTEM/SEDEM جهت برآورد فرسایش آبی و خاک‌ورزی (مطالعه موردی: زیر حوضه نمونه کچیک؛ مراوه‌تپه - استان گلستان)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه آبخیزداری و مدیریت مناطق بیابانی

2 کارشناس ارشد مدیریت مناطق بیابانی، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد گرگان، دانشگاه آزاد اسلامی، گرگان

چکیده

سابقه و هدف: فرسایش آبی و خاک‌ورزی در اراضی کشاورزی شیب‌دار فرآیندی مخرب و جدی محسوب شده که به‌تدریج منجر به تغییر مورفولوژی منطقه می‌شود. درعین‌حال، اندازه‌گیری فرسایش خاک و میزان رسوب به‌صورت مستقیم در بسیاری از حوزه‌های آبخیز، امری تقریباً غیرممکن به شمار می‌آید؛ بنابراین مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرسایش خاک برای درک فرآیندهای کنترل فرسایش خاک، پیش‌بینی میزان رواناب و فرسایش خاک و تعیین یا انتخاب اقدامات مناسب حفاظت خاک مهم است.
مواد و روش‌ها: منطقه موردمطالعه، زیرحوضه نمونه از زیرحوضه‌های زوجی کچیک استان گلستان از زیرحوضه‌های چندگانه آبخیز گرگان‌رود است. این منطقه با وسعت تقریبی 192 هکتار، کاملاً از نهشته‌های حاصلخیز و فرسایش‌پذیر لسی پوشیده شده است. در این پژوهش برای برآورد فرسایش آبی و خاک‌ورزی منطقه موردمطالعه از نسخه 2004 مدل WaTEM/SEDEM استفاده شد. با استفاده از روش نمونه‌برداری دنباله‌ای موسوم به روش مدل‌مبنا با رویکرد مینیماکس، 20 موقعیت مکانی مختلف جهت تعیین میزان فعالیت 137Cs، موقعیت‌های فرسایش، انتقال و رسوب مشخص شد. در نهایت پس از تعیین میزان فعالیت رادیونوکلوئید 137Cs، مقدار فرسایش و رسوب با استفاده از مدل‌های تبدیل اعم از مدلMass BalanceII ‌ برای کاربری کشاورزی و مدل Diffusion and Migration‌ برای سایر کاربری‌ها مشخص شد و سپس نقشه نقطه‌ای فرسایش و رسوب برای ارزیابی مدل تهیه شد.
یافته‌ها: با استفاده از رادیونوکلوئید 137Cs، 90 درصد موقعیت‌های اندازه‌گیری در معرض فرسایش بودند. متوسط فرسایش اندازه-گیری شده در این موقعیت‌ها با استفاده از مدل‌های تبدیل رادیونوکلوئیدها بالغ بر 1/21 تن در هکتار در سال تعیین شد. با استفاده از این مدل‌ها، نسبت تحویل رسوب حدود 97 درصد تعیین شد که نشان‌دهنده پتانسیل بالای منطقه برای تولید رسوب می‌باشد. متوسط فرسایش آبی و خاک‌ورزی با استفاده از مدل WaTEM/SEDEM به ترتیب 28/8 و 78/4 تن در هکتار در سال و متوسط رسوب حاصل از فرسایش آبی و خاک‌ورزی در مناطق رسوب‌گذاری به ترتیب 14/18 و 89/7 تن در هکتار در سال برآورد شد. متوسط فرسایش و رسوب توسط این مدل برای کل محدوده موردمطالعه به ترتیب 46/1 و 85/0 تن در هکتار در سال بوده و میزان تحویل رسوب 58/0 برآورد شد.
نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق حاکی از کم تخمینی مدل WaTEM/SEDEM نسبت به مقادیر اندازه‌گیری شده 137Cs است؛ درنتیجه مدل فرسایشی WaTEM/SEDEM در نهشته‌های لسی، فرسایش‌پذیر و حاصلخیز شمال شرق استان گلستان کارایی بالایی ندارد. هرچند الگوی مکانی فرسایش و رسوب آبی و ناشی از خاک‌ورزی می‌تواند در اجرای اقدامات حفاظت آب‌وخاک مؤثر باشد. از طرفی با توجه به وسعت بالای اراضی زراعی شیب‌دار در نهشته‌های لسی استان، لحاظ کردن فرسایش خاک‌ورزی در تصمیمات بسیار حائز اهمیت است. هرچند برای قطعیت بیش‌تر، به واسنجی مدل و تکرار اجرای آن در سایر حوزه‌های آبخیز زراعی نیاز است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Assessment of WaTEM/SEDEM model for water and tillage induced soil erosion (Case study: Sample sub catchment of Kachik-, Golestan Province)

نویسندگان [English]

  • Mohsen Hosseinalizadeh 1
  • Mohammad Alinejad 2
1
2 M.Sc in Arid Zone Management, Young Researchers Club, Gorgan Branch, Islamic Azad University, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Water and tillage-induced soil erosion on steep slopes farmlands are primary causes of land degradation process that gradually change land morphology. Measurement of soil erosion and sedimentation in most watersheds are nearly impossible. So soil erosion modelling and simulation to understand the processes of soil erosion, to predict runoff and soil erosion and also to determine the best management practices of soil conservation is highly important.

Materials and Methods: Area of study (Sample sub- catchment) is a sub-watershed of the Kachik watershed in Golestan province, which is one of the sub-basins of the Gorganroud basin. This area is around 197 ha which completely covered with fertile and erosive loess deposits and is a part of Iranian Loess Plateau (ILP). In this study, WaTEM / SEDEM version 2004 used to estimate water and tillage erosion. After soil sampling in 20 different location respected to the model based sampling method on minimax approach, 137Cs activity determined, and all three distinct erosion phases prepared. Finally, erosion map using 137Cs by considering conversion models including Mass Balance II for farmland and Diffusion and Migration for other land uses ‌ produced. Then the erosion and sediment point map produced separately for model evaluation.

Results: Using 137Cs radionuclide, 90 % of the soil measurement locations devoted to erosion. Mean annual soil erosion using radionuclide conversion models was 21.1 ton ha-1. This rate of soil erosion regards to 97% SDR (Sediment Delivery Ratio) illustrates high potential for sediment production in the area of interest. Mean of water and tillage erosion by WaTEM/SEDEM were 8.28 and 4.87 ton ha-1 year-1 respectively in erosion locations and this rate for sediment was 18.14 and 7.89 ton ha-1 year-1 for sediment zones as well. Soil erosion and sedimentation rate using WaTEM/SEDEM model was estimated to be 1.46 and 0.85 ton ha-1 year-1 in turn. SDR for WaTEM/SEDEM in this study was around 58 %.

Conclusion: Given that the entire study area covered with sensitive and fertile loess deposits, and a significant percentage of area devoted to farmland, so water and tillage induced soil erosion is of great importance. The results of this research indicate a low estimation (under-estimation) of the WaTEM / SEDEM model compared to the actual values (measured 137Cs). As a result, WaTEM / SEDEM erosion model is not effective in the loess deposits of the northeast of Golestan province.
On one hand spatial pattern of water and tillage induced soil erosion can be used in soil and water conservation practices. On the other hand, pertaining to large vast area devoted to farmland in Gorganrood Basin, tillage erosion should be taken by decision maker. Although for higher certainty, it is necessary to calibrate the model and repeat its implementation in other watersheds.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil and tillage erosion modeling
  • Fallout Radionuclide
  • Steep farmland
  • Maravetappeh
  • Loess deposits

مراجع

1.Alatorre, L.C., Begueria, S., and Garcia-Ruiz, J.M. 2010. Regional scale modeling of hillslope sediment delivery: A case study in the Barasona Reservoir watershed (Spain) using WATEM/ SEDEM. J. Hydrol. 391: 1. 109-123.
2.Bakker, M., Govers, G., Van Doorn, A., Quetier, F., Chouvardas, D., and Rounsevell, M. 2008. The response of soil erosion and sediment export to land-use change in four areas of Europe. The importance of Landscape Pattern. Geomorphology. 98: 213-22.
3.Behzadfar, A., Khaledi Darvishan, A., and Gharagozlu, A. 2017. Increasing the accuracy of predicting sediment yield in watem/sedem model using imagefusion algorithm (Case study: Darkesh watershed). J. Water Soil Cons.7: 1. 99-111. (In Persian)
4.Feng, X., Wang, Y., Chen, L., Fu, B., and Bai, G. 2010. Modeling soil erosion and its response to land-use change in hilly catchments of the Chinese Loess Plateau. Geomorphology. 118: 4. 239-248.
5.Gentleman, R., and Ihaka, R. 1995. The R Home Page. The statistics department of the university of Auckland. New Zealand.
6.Hosseinalizadeh, M. 2012. Optimization of Sampling Patterns for Spatial Simulation of Erosion (Case study: Kachik Subcatchments of Golestan Province). Ph.D. Thesis. Department of Reclamation of Arid and Mountainous Regions. Faculty of Natural Resources, University of Tehran. 262p. (In Persian)
7.Hosseinalizadeh, M., and Seyedalipour, H. 2012. Application of Fallout Radionuclides in Soil Redisrtibution of Maravehtappeh Loess, Golestan Province. J. Arid. Reg. Geogr. Stud. 2: 7. 83-101. (In Persian)
8.Hosseinalizadeh, M., Seyedalipour, M.H., Ahmadi, H., Feiznia, S., and Naseri,S. 2012. In situe and lab measurementof 137Cs for soil redistribution studies (Case study: Kachik basin of Golestan Province). Watershed Management Research (Pajouhesh & Sazandegi). 102: 30-37.
(In Persian)
9.Hosseinalizadeh, M., Ahmadi, H., Feiznia, S., Rivaz, F., and Naseri, S. 2017. Multivariate geostatistical analysis of fallout radionuclides activity measured by in-situ gamma-ray spectrometry: case study: loessial paired sub-catchments in northeast Iran. Quaternary International. 429: 108-118.‏
10.Javandoost, H. 2014. Spatial analysis of erosion- sediment hazard type and intensity in Rozeh Chay Watershed (Urmia Province). MSc Thesis. Gorgan University of Agricultural Sciences
and Natural Resources. Gorgan. 130p. (In Persian)
11.Khademorasul, A., Neysi, H., and Sayad, Gh.A. 2016. Using the watem / sedem topographic model as a tool for sustainable management of watersheds- (Case study: Shush basin). First International Conference on Natural Hazards and Environmental Crises in Iran, Solutions and Challenges. Ardebil. Pp: 83-91. (In Persian)
12.Kiani, F., Jalalian, A., Pashaei, A.S., and Khademi, H.Y. 2007. Effect of Deforestation, Grazing exclusion and Rangeland Degradation on Soil Quality Indices in Loess-Derived Landforms of Golestan Province. J. Agric. Sci. Technol. 11: 41. 453-463. (In Persian)
13.Lobb, D.A., and Kachanoski, R.G. 1999. Modelling tillage erosion in the topographically complex landscapes of southwestern Ontario, Canada. Soil Tillage Research. 51: 261-277.
14.Papiernik, S.K., Lindstrom, M.J., Schumacher, J.A., Farenhorst, A., Stephens, K.D., Schumacher, T.E., and Lobb, D.A. 2005. Variation in soil properties and crop yield across an eroded prairie landscape. J. Soil Water Cons. 60: 6. 388-395.
15.Parysow, P., Wang, G., Gertner, G.,and Anderson, A.B. 2003. Spatial uncertainty analysis for mapping soil erodibility based on joint sequential simulation. Catena. 53: 1. 65-78.
16.Salajeghe, A., Sayedalipour, M.H., and Hosseinalizadeh, M. 2013. Principles of soil conservation and management. Tehran University Press. 670p. (Translated In Persian)
17.Seyedalipour, M.H., Feiznia, S., Ahmadi, H., Zare. M.R., and Hosseinalizadeh, M. 2015. Comaprison of Soil Erosion by 137CS and RUSLE-3D for Loess Deposits North-East of Iran (Study Area: Aghemam Catchment).J. Water Soil Cons. 21: 5. 27-48.(In Persian)
18.Taki, A., Asadi, A., and Solhi, M. 2009. Conservation tillage in dry lands and its necessity for sustainable agriculture. Ext. J. Till. Agric. Organ. Esfahan.1: 1-24. (In Persian)
19.Van Oost, K., Govers, G., and Desmet, P. 2000. Evaluating the effects of changes in landscape structure on soil erosion by water and tillage. Landscape ecology. 15: 6. 577-589.
20.Van Oost, K., Van Rompaey, A., Verstraeten, G., Notebaert, B., and Vaes, B. 2006. WaTEM/SEDEM version 2006 Manual. K.U. Leuven. Physical and Regional Geography Research Group.
Pp: 1-29.
21.Verstraeten, G., and Prosser, I. 2008. Modelling the impact of land-use change and farm dam construction on hillslope sediment delivery to rivers at the regional scale Geomorphology.
98:4. 199-212.
22.Verstraeten, G., Van Oost, K., Van Rompaey, A., Poesen, J., and Govers, G. 2002. Evaluating an integrated approach to catchment management to reduce soil loss and sediment pollution through modelling. Soil Use and Management. 18: 4. 386-394.
23.Walling, D.E., Zhang, Y., and He, Q. 2007. Models for Converting Measurements ofEnvironmental Radionuclide Inventories (137Cs, Excess 210Pb and 7Be) to Estimates of Soil Erosion and Deposition Rates (Including Software for Model Implementation). Department of Geography, University of Exeter, UK. Pp: 1-32.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 27، شماره 2
خرداد و تیر 1399
صفحه 163-178

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار