ارزیابی عملکرد سدهای اصلاحی در کنترل دبی و بار رسوبی در دوره عمر مفید آنها (مطالعه موردی: حوزه آبخیز کند)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری/ دانشگاه تهران

2 دانشیار دانشکده منابع طبیعی/ دانشگاه تهران

3 دانشیار دانشکده منابع طبیعی- دانشگاه تهران

چکیده

سابقه و هدف: ارزیابی عملکرد عملیات آبخیزداری همواره با مقایسه پاسخ‌های حوزه آبخیز در شرایط قبل و بعد از اجرای عملیات انجام می‌شود. این روند سبب می‌شود تا اثر عملیات در طول زمان پخش شده و اثر واقعی آن دیده نشود و متعاقباً ضعف آن سری عملیات در طول زمان ناشناخته باقی بماند. لذا با توجه به اهمیت سدهای اصلاحی در برنامه‌های آبخیزداری در ایران، هدف از این مطالعه تعیین زمان واقعی تاثیر یا عمر مفید سدهای اصلاحی در کنترل دبی و بار رسوبی و ارزیابی میزان تاثیر آنها در حوزه آبخیز کند در استان تهران می‌باشد.
مواد و روش‌ها: ابتدا عمر مفید سدهای اصلاحی در حوزه آبخیز کند بر اساس اطلاعات به دست آمده از منحنی جرم مضاعف بارش-رواناب و پایش‌های میدانی تعیین شده است. بر اساس طول عمر مفید به دست آمده، دوره مطالعاتی (94-1356) به سه دوره تقسیم شده است: قبل از احداث سدهای اصلاحی (دوره اول)، عمر مفید سدهای اصلاحی (دوره دوم) و اتمام عمر مفید سدهای اصلاحی (دوره سوم) و تغییرات دبی و بار رسوبی خروجی از حوزه آبخیز بررسی شده و با رویکرد رایج مقایسه شده است. برای برآورد بار رسوبی در هر دوره نیز از روش‌های منحنی سنجه رسوب استفاده شده است.
یافته‌ها: نقاط زمانی وقوع شکستگی شیب در منحنی جرم مضاعف و نیز پایش‌های میدانی نشان می‌دهد که مدت زمان تاثیر (عمر مفید) سدهای اصلاحی در حوزه آبخیز کند به طور میانگین چهار سال (از سال 1378 تا اوایل سال 1382) بوده است. نتایج حاصل از ارزیابی اثرات سدهای اصلاحی در منطقه مطالعاتی نشان می‌دهد که با وجود ثابت بودن شرایط بارش، مقدار دبی خروجی و دبی‌های مشخصه بیشینه، کمینه و متوسط در دوره دوم نسبت به دوره اول به ترتیب 43، 66/49، 28/53 و 100 درصد کاهش یافته است. مقدار کاهش بار رسوبی در دوره دوم نسبت به دوره اول بسیار محسوس‌تر بوده و 47/92 درصد می‌باشد. این در حالی است که با اتمام عمر مفید سدهای اصلاحی (دوره سوم)، مقدار دبی و بار رسوبی خروجی از حوزه آبخیز کند، افزایش یافته و به سطح مقادیر دوره اول باز می‌گردد. مقایسه نتایج حاصل از این رویکرد ارزیابی (تعیین عمر مفید) با رویکرد رایج (قبل و بعد از اجرای طرح) نیز نشان می‌دهد که در رویکرد رایج به دلیل توزیع اثر عملیات در طول زمان، عملکرد واقعی سدهای اصلاحی معادل نصف عملکرد واقعی آنها سنجیده خواهد شد.
نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که در نظر گرفتن عمر مفید در فرآیند ارزیابی، نتایج واقع بینانه‌تری را ارائه خواهد داد. در واقع، هرچند کارایی سدهای اصلاحی در طول عمر مفید آنها در حوزه آبخیز کند، بسیار قابل توجه بوده، اما کوتاهی عمر مفید ضعف قابل توجه این نوع از عملیات‌های آبخیزداری بوده است. علاوه بر این، تکیه بر سدهای اصلاحی برای پایدارسازی حوزه‌ آبخیز کند راهکار موفقی نبوده و تنها مانع خروج رسوب تولیدی از حوزه آبخیز شده است و به همین دلیل در دروه سوم، پاسخ‌های حوزه آبخیز به شرایط قبل از اجرای عملیات بازگشته است. لذا، منفعت حاصل از اجرای عملیات آبخیزداری در حوزه آبخیز کند، برون‌حوزه‌ای بوده و اثرات درون حوزه‌ای در آن، محدود به کاهش شیب آبراهه اصلی بوده است. در واقع، در صورتی می‌توان عمر مفید سدهای اصلاحی را افزایش داد که عملیات آبخیزداری با اثرات درون حوزه‌ای در اولویت قرار بگیرند و این امر خود مستلزم کنترل فرسایش در مبدا یعنی دامنه‌ها است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance assessment of check dams to controlling discharge and sediment load over their useful lifespan period (Case study: Kond watershed)

نویسندگان [English]

  • Shahrbanoo Abbasi Jondani 1
  • Ali AKbar Nazari Samani 2
  • Mehdi Heshmat-ol-Vaezin 3
1 Ph.D student/ University of Tehran
2 Associated Professor, Faculty of Natural Resources/ University of Tehran
3 Department of Natural Resources- University of Tehran
چکیده [English]

Background and objectives: Evaluation of watershed operation performance is always done by comparing watershed responses before and after operations. This process causes the effect of the operation to spread over time and not to see its true effect and consequently, the weakness of that series of operations will remain unknown over time. Therefore, considering the importance of check dams in watershed management programs in Iran, the goal of this study is determination of real-time impact or life span of check dams in controlling discharge and sediment load and evaluating of their impacts in Kand’s watershed in Tehran province. .
Materials and methods: At the first, life span of check dams has obtained based on Double-Mass curve, and field surveys . Then, the study period (1999-2015) is divided into three periods: before the construction of the check dams (first period), the life span of the check dams (second period) and the end of the life span of the check dams (third period) and the discharge and sediment load changes at the outlet of watershed are investigated and compared with the common approach. Sedimentation rate curve methods were also used to estimate the sediment load in each period.
Results: The time points of occurrence of slope fractures in double mass curves as well as field observations indicate that the duration of impact (life span) of check dams in the Kond’s watershed was on average four years (from 1999 to early 2003). The results of the evaluation of the impacts of the check dams in the case study indicate that despite the constant precipitation conditions, the outflow discharge and the maximum, minimum and average characteristic discharges in the second period, compared to the first period, has decreased by 43, 49.66, 53.28 and 100, respectively. The amount of sediment load reduction in the second period is much more noticeable than the first period and is 92.47%. However, at the end of the life span of check dams (third period), the amount of discharge and sediment load has increased, returning to the level of the first. Comparison of the results of this evaluation approach (determine the life span) with the common approach (before and after project implementation) also shows that in the common approach, due to the distribution of the effects of operations over time, the performance of check dams will be measured at half their actual performance.
Conclusion: The results of this study show that considering the life span in the evaluation process will provide more realistic results. Actually the efficiency of check dams in Kond’s watershed is considerable during their life span, but their shorter life span is a significant weakness of this type of watershed operation. Actually relying on check dams to stabilize watersheds has not been a successful solution and only prevent to exit sediment production from the watershed and, for this reason, in the third period, the watershed response has returned to the pre-operation conditions (temporary effect). Therefore, the benefits of watershed management operations in the Kond’s watershed were off-site impacts and the on-site impacts were limited to reducing the slope of the main stream.In fact, in order to increase the life span of check dams, watershed management operations with on-site impacts should be prioritized, which this in itself requires erosion control at the source, ie the slopes

کلیدواژه‌ها [English]

  • Double-Mass Curve
  • Useful Lifespan
  • Evaluation
  • Check dam
  • Sedimentation rate curve
1.Ahmadi, H., Nazari Samani, A.A., Ghoddousi, J., and Ekhtesasi, M.R. 2004. A model for evaluation of watershed management project. Iran. J. Natur. Res. 56: 4. 337-351. (In Persian)
2.Arabi, M., Govindaraju, R.S., and Hantush. M.M. 2006. Cost-effective allocation of watershed management practices using a genetic algorithm. J. Water Resour. Res. 42: 1-14.
3.Arabkhedri, M. 2003. Water erosionrate and sediment yield production in Iran. Extension and Development of Watershed Management, 2: 4. 23-30.
(In Persian)
4.Arabkhedri, M., Hakimkhani, Sh., and Varvani, J. 2004. The validity of extrapolation methods in estimation of annual mean suspended sediment yield (17 hydrometric stations). J. Agric. Sci. Natur. Resour. 11: 3. 123-131. (In Persian)
5.Brown, K.R., McGuire, K.J., Hession, W.C., and Aust, W.M. 2016. Can the Water Erosion Prediction Project Model Be Used to Estimate Best Management Practice Effectiveness from Forest Roads? J. For. 114: 1. 17-26.

6.Cucchiaro, S., Cavalli, M., Vericat, D., Crema, S., Llena, M., Beinat, A., Marchi, L., and Cazorzi, F. 2019. Geomorphic effectiveness of check dams in adebris-flow catchment using multi-temporal topographic surveys.CATENA,
174: 73-83.

7.Duan, N. 1983. Smearing estimate, a nonparametric retransformation method. J. Amer. Stat. Assoc. 78: 383. 605-610.
8.Ferguson, R. 1987. Accuracy and precision of methods for estimating river loads. Earth Surface Processes and Land Forms. 12: 95-104.

9.Guyassa, E., Frankl, A., Zenebe, A., Poesen, J., and Nyssen, J. 2017. Effects of check dams on runoff characteristics along gully reaches, the case of Northern Ethiopia. J. Hydrol. 545: 299-309.

10.Haji, Kh., Mostafazadeh, R.,Esmali-Ouri, A., and Mirzaei, Sh.2019. Spatial and temporal variations
of discharge and sediment loads concentration rate over some river gauge stations of West-Azarbaijan Province
. Watershed Engineering and Management. 11: 3. 619-632. (In Persian)
11.Iadanza, C., and Napolitano, F. 2006. Sediment transport time series in the Tiber River. J. Physic. Chem. Earth.31: 18. 1212-1227.
12.Jones, K.R., Berney, O., Carr, D.P., and Barret, E.C. 1981. Arid zone hydrology for agricultural development. FAO Irrigation and Drainage Paper. 37: 271.
13.Kaini, P., Artita, K., and Nicklow,J.W. 2012. Optimizing Structural Best Management Practices Using SWAT and Genetic Algorithm to Improve Water Quality Goals. J. Water Resour. Manage. 26: 1827-1845.
14.Kao, Sh., Lee, T., and Milliman, J.D. 2005. Calculating highly fluctuated suspended sediment fluxes from mountainous rivers in Taiwan. TAO.16: 3. 653-675.
15.Khaledi Darvishan, A., Hadi Ghorghi, J., Katebikord, A., Mohammad Amini, H., Gholami, L., Karamzadeh, A., Bahmani, A., and Saeidi, F. 2018. Effect of enclosure on runoff, sediment concentration and soil loss in erosion plots in Khamsan representative watershed of Kurdistan province. J. Water Soil Cons. 24: 6. 243-255. (In Persian)
16.Li, E., Mu, X., Zhao, G., Gao, P., and Sun, W. 2017. Effects of check dams on runoff and sediment load in a semi-arid river basin of the Yellow River. J.Stoch Environ. Res. Risk Assess.31: 1791-1803.
17.Liu, Y., Cibin, R., Bralts, V.F., Chaubey, I., Bowling, L.C., and Engel, B.A. 2016. Optimal selection and placement of BMPs and LID practices with a rainfall-runoff model. Environmental Modelling & Software. 80: 281-296.
18.Mahdavi, M. 2000. Role of soil conservation and watershed management operation in Iran’s watershed. Ministry of Jahad. (In Persian)
19.Mahdavi, M. 2018. Applied Hydrology, Vol.1. Tehran University Press. 369p. (In Persian)
20.Memarian Khalil Abad, H., Yousefi, M., and Aghakhani Afshar, I.H. 2018. Identification and separation of flooding source regions and investigating the impact of watershed management operations on the peak discharge (Case study: Bar watershed, Neyshabour, Iran). J. Water Soil Cons. 25: 1. 35-59. (In Persian)
21.Moghaddasi, N., Sheikh, V.B., and Najafinejad, A. 2015. Qualitative evaluation of watershed management project using Descriptive –Correlation Method (Case study: Boostan dam watershed). J. Water Soil Cons.22: 2. 205-218. (In Persian)
22.Mohammadi, A., Mosaedi, A., and Heshmatpour, A. 2007. Determination of the best model to estimate suspended sediment loads in Ghazaghly gauge station-Gorganroud River, Iran. J. Agric. Sci. Natur. Resour. 14: 4. 232-240.(In Persian)
23.Mu, X.M., Zhang, X.Q., and Gao, P. 2010. Theory of double mass curvesand its applications in hydrology and meteorology. Hydrology. 30: 4. 47-51.
24.Najafinejad, A. 1992. Guide to economic evaluation of watershed management plans (Vol. 1). Ministry of Jahad. 79p. (In Persian)
25.Nash, J.E., and Sutcliffe, J.V. 1970. River flow forecasting through conceptual models. Part I. A discussion of principles. J. Hydrol. 10: 3. 282-290.
26.Nichols, M.H., and Polyakov, V.O. 2019. The impacts of porous rock check dams on a semiarid alluvial fan. J. Sci. Total Environ. 664: 576-582.
27.Nourali, M., and Ghahraman, B. 2016. Assessment of watershed management project on flood hydrograph using HEC-HMS Model (Case study: Goosh-Bahreh Watershed). J. Water. Manage. Res.
7: 13. 60-71. (In Persian)
28.Pal, D., Galelli, S., Tang, H., and Ran, Q. 2018. Toward improved design of check dam systems: A case study inthe Losse Plateau, China. J. Hydrol.559: 762-773.
29.Parvini, S., Jafarian, Z., and Kavian, A. 2018. Simulation Effects of Soil and Water Conservation in Rangelands on Runoff Characteristics Using HEC-HMS Model (A Case Study: Rangelands of Meikhoran Watershed, Kermanshah Province). JWSS. 22: 2. 81-95. (In Persian)
30.Parvizi, Y., Bayat, R., Heshmati, M.,and Gheituri, M. 2018. Quantitative Comparison of the Effects of Mechanical and Biological Watershed Management Operation on Soil Erosion and Sediment Yield Control of Hajiabad Watershed in Kermanshah Province. Iran- Watershed Management Science and Engineering, 12: 42. 52-59. (In Persian)
31.Pettit, A.N. 1979. A non-parametric approach to the change-point detection. Applied Statistics. 28: 2. 126-135.
32.Phillips, J.M., Webb, B.W., Walling, D.E., and Leeks, G.J.L. 1999. Estimating the suspended sediment loads of rivers in the LOIS study area using infrequent. J. Hydrol. Proc.13: 7. 1035-1050.
33.Searcy, J.K., and Hardison, C.H. 1960. Double Mass Curve. U.S. Geological Survey, Water-Supply Paper, 1541-B. PP. 66.
34.Tang, H., Ran, Q., and Gao, J. 2019. Physics-Based Simulation of Hydrologic Response and Sediment Transport in a Hilly-Gully Catchment with a Check Dam System on the Loess Plateau, China. J. Water. 118: 116-170.
35.Teimurian, T., Feiznia, S., and Seyyedalikhani, S.D. 2018. The impact of watershed rehabilitation measure on the flow and sediment characteristics of the Fashand Catchment, Hashtgerd.
J. Water. Manage. Res. 118: 13-22.(In Persian)
36.Yuan, S., Li, Z., Li, P., Xu, G., Gao, H., Xiao, L., Wang, F., and Wang, T. 2019. Influence of Check Dams on Flood and Erosion Dynamic Processes of a Small Watershed in the Loss Plateau. J. Water. 11: 834. 1-16.