عنوان پایان‌نامه
ارزیابی و مقایسه مدلهای فرسایش خاک و بررسی تاثیر برخی ویژگیهای فیزیکی خاک بر تولید رواناب و رسوب در حوضه خامسان کردستان
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 7200;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78176;کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 7200;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78176
- تاریخ دفاع
- ۲۷ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- ناصر خالق پناه
- استاد راهنما
- مهدی شرفا
- چکیده
- اندازه گیری و براورد فرسایش خاک و تولید رسوب، به عنوان یکی از مشکلات مهم در سطح جهان و ایران، با هدف برنامه ریزی حفاظت خاک امری ضروری است. تنوع عوامل مؤثر بر فرسایش باعث شده است که برای برآورد فرسایش و تولید رسوب روش‌های متعددی در کشورهای گوناگون ارائه شود که هریک دارای معایب و محاسنی می باشند. هدف از این تحقیق بررسی و ارزیابی مدل های RUSLE، RUSLE2، EUROSEM و WEPP به تناسب مدل در برآورد رواناب و رسوب ناشی از رخدادهای طبیعی در سطح کرت و زیرحوضه در حوضه معرف و زوجی خامسان بود. یکی از ویژگی های خاص منطقه مورد مطالعه، وجود مقادیر قابل توجه سنگریزه در سطح و پروفیل خاک به ویژه در بخش های مرتعی حوضه است. در مقیاس کرت، مطالعه بر روی 18 کرت با ابعاد 24 متر طول و 8/1 متر عرض در شش دامنه در زیرحوضه های زوجی شاهد و نمونه (سه کرت در هر دامنه) صورت گرفت. رواناب و رسوب حاصل از 24 رخداد منجر به رواناب در طول سال های 1389 تا 1392 (1 ژانویه 2011 تا 1 ژانویه 2014) اندازه گیری شد. همزمان داده‌های ورودی مورد نیاز مدل ها از جمله ویژگی های خاک، پوشش گیاهی و پوشش زمین در طول این مدت بررسی و ثبت گردید. مدل های RUSLE و RUSLE2، با واسنجی و بدون واسنجی مورد ارزیابی قرار گرفتند. جهت واسنجی مدل های EUROSEM و WEPP، ابتدا تجزیه حساسیت انجام شده و بر اساس حساسیت پارامترهای موثر بر نتایج پیش بینی دو مدل، واسنجی صورت گرفت. جهت واسنجی پارامتر K مدل های RUSLE و RUSLE2، از 16 رخداد در طی سال های 1387 تا 1392 و برای واسنجی مدل های EUROSEM و WEPP از 8 رخداد در طول سال های 1389 تا 1392 استفاده شد. 16 رخداد باقیمانده در طول سال های 1389 تا 1392، برای اعتبارسنجی مدل ها مورد استفاده قرار گرفتند. مدل های RUSLE و RUSLE2 به ویژه مدل RUSLE2، مقادیر میانگین سالانه هدررفت خاک را با وجود بیش برآورد، نسبتاً به خوبی تخمین زدند. نتایج حاصل نشان داد که دو مدل قادر هستند تا مقادیر هدررفت خاک تک رخدادها به ویژه در بارندگی هایی که شاخص فرسایندگی پایین‌تری دارند را نیز به میزان نسبتاً قابل قبولی پیش بینی نمایند. واسنجی پارامتر فرسایش پذیری منجر به بهبود تخمین هدررفت خاک به میزان قابل توجهی در دو مدل شد. مقایسه نتایج تخمین های دو مدل RUSLE و RUSLE2 نشان داد که در تمامی حالات مورد بررسی، مدل RUSLE2 نسبت به RUSLE، کارایی بالاتری دارد. مدل WEPP توانست رواناب و هدررفت خاک ناشی از رخدادهای طبیعی را در دامنه های مرتعی دارای مقادیر قابل توجهی سنگریزه، در حد قابل قبولی پیش بینی نموده و برآوردهای هدررفت خاک بهتر از رواناب بود. به طور کلی، کارایی مدل در دامنه-های با مقادیر سنگریزه (به ویژه پوشش سنگی) و درصد آهک بالاتر، کم تر از دامنه های دیگر بود. رواناب ناشی از 16 رخداد مورد بررسی در حد نسبتاً مناسبی توسط مدل EUROSEM واسنجی شده تخمین زده شد. هدررفت خاک نیز به خوبی در تمامی دامنه‌ها توسط مدل EUROSEM شبیه سازی شد. نتایج نشان داد که کارایی مدل EUROSEM در پیش بینی رواناب و رسوب با افزایش جزء سنگریزه سطحی کاهش یافت، البته این تأثیر در برآورد رواناب بیش تر از هدررفت خاک بود. کارایی مدل تجربی RUSLE2 در دو دامنه از شش دامنه مورد بررسی، بیش تر از مدل های فرایندی EUROSEM و WEPP بود. به نظر می رسد علاوه بر ویژگی های دامنه های مورد بررسی، تغییرات شدت بارندگی در طول هر رخداد نیز تاثیر به سزایی بر تولید رواناب و رسوب و تخمین های مدل داشت. در واقع تغییرات شدت بارندگی در طول هر رخداد تأثیر قابل توجهی بر روی تولید رواناب و رسوب و تخمین های مدل های مورد بررسی داشت. نتایج بررسی تاثیر ویژگی های خاک (شامل خاک و ویژگی های سطح خاک) بر تولید رواناب نشان داد هدایت هیدرولیکی اشباع، درصد تاج پوشش، تخلخل کل، درصد پوشش سنگریزه و زبری سطح خاک به ترتیب از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر میزان رواناب در دامنه‌های سنگریزه ای مورد بررسی بود. همچنین فرسایش پذیری ذرات خاک بوسیله قطرات باران، زبری سطح، ضریب زبری مانینگ بین شیاری، تاج پوشش و چسبندگی خاک اشباع به ترتیب از پارامترهای مؤثر در میزان هدررفت خاک در سطح کرت بودند. در مقیاس زیرحوضه، در طول یک سال و نیم مطالعه (دی ماه 1391 تا تیر ماه 1393)، رواناب و رسوب خروجی از زیرحوضه شاهد در چهار رخداد منجر به رواناب و رسوب، اندازه گیری گردید. هم زمان، داده‌های ورودی مورد نیاز مدل ها در طول این مدت در سطح زیرحوضه بررسی گردید. جهت تعیین برخی پارامترهای ورودی مدل های RUSLE و RUSLE2 از فناوری GIS استفاده شد و در نهایت خروجی های دو مدل در نرم افزار ArcGIS به دست آمد. با توجه به عدم محاسبه بار رسوب توسط مدل های RUSLE و RSULE2، از نرم افزار SATEEC GIS جهت محاسبه مقادیر بار رسوب حوضه بهره گرفته شد. جهت شبیه‌سازی هدررفت خاک و رواناب توسط مدل EUROSEM از نرم‌افزار EUROSEM-2010 استفاده گردید. برای اجرای مدل WEPP در سطح زیرحوضه از افزونه GeoWEPP در نرم افزار ArcGIS استفاده شده و مدل با دو روش حوضه و مسیر جریان اجرا گردید. واسنجی مدل های EUROSEM و WEPP در چهار نوبت برای چهار رخداد مورد مطالعه صورت گرفت و در هر نوبت، واسنجی با سه رخداد و ارزیابی با یک رخداد باقی مانده انجام شد. باتوجه به بررسی نقشه های به دست آمده توسط دو مدل RUSLE و RUSLE2، به نظر می رسد تخمین های مدل RUSLE2 در براورد هدررفت خاک در سطح حوضه بهتر از RUSLE بود. نتایج نشان داد تلفیق مدل های RUSLE و RUSLE2 با نرم افزار SATEEC ممکن است بتواند تخمین قابل قبولی از بار رسوب حوضه در رخدادهای مختلف ارائه دهد. به طور کلی، نتایج شبیه سازی چهار رخداد نشان داد که همبستگی خوبی بین مقادیر رواناب و رسوب کل شبیه سازی شده توسط مدل EUROSEM و مشاهده شده وجود داشت. همچنین، زمان تا شروع رواناب در چهار رخداد به خوبی توسط EUROSEM شبیه سازی شد. نتایج شبیه سازی چهار رخداد توسط مدل WEPP نشان داد که تطابق نسبتاً خوبی بین مقادیر رواناب و رسوب کل شبیه سازی شده و مشاهده شده وجود دارد. همبستگی بین مقادیر رواناب مشاهده‌ای و شبیه سازی شده بیش تر از همبستگی میان هدررفت خاک مشاهده‌ای و شبیه سازی شده بود. نتایج روش مسیر جریان با توجه به مطالعات در سطح عرصه و مشاهده شواهد، اختلاف بین نقاط عرصه را در هدررفت خاک بهتر از روش حوضه آبخیز مدل WEPP نشان می دهد. هدایت هیدرولیکی اشباع، رطوبت اولیه خاک، حرکت مویینگی خالص مؤثر و زبری سطح به ترتیب از مهم ترین پارامترهای مؤثر بر میزان رواناب تولیدی در قسمت های مختلف زیرحوضه شاهد بود. هدایت موئینگی خالص مؤثر، هدایت هیدرولیکی اشباع، جزء سنگریزه در داخل پروفیل خاک، متوسط قطر ذرات خاک، تاج پوشش، آهک، کربن آلی و ضریب زبری مانینگ بین شیاری به ترتیب از مهم ترین عوامل تاثیرگذار بر تولید رسوب در واحدهای مختلف زیرحوضه بودند. در کل، نتایج نشان داد که تأثیر مقادیر بالای جزء سنگریزه ای مخصوصاً پوشش سنگی بر فرآیندهای تولید رواناب و رسوب، همچنین تاثیر مقادیر بالای آهک بر خصوصیات خاک و فرسایش پذیری هنوز به طور کامل شناخته شده نیست یا در مدل های مورد بررسی درنظر گرفته نشده است. با توجه به نتایج تخمین ها در بارندگی های مختلف و بررسی تغییرات درونی شدت در طول هر بارندگی، به نظر می رسد به دلیل تغییرات شدت بارندگی در طول هر رخداد و پیچیدگی فرآیندهای جداسازی و انتقال رسوب در طی این رخدادها، تاثیر الگوی هر بارندگی به¬طور کامل در مدل ها به ویژه RUSLE و RUSLE2 در نظر گرفته نشده و نیاز به تحقیقات بیش تری جهت اعمال این تاثیرات در مدل ها می باشد. اگرچه مدل EUROSEM در بیش تر حالت ها در سطح کرت و حوضه نتایج بهتری نسبت به سه مدل دیگر داشته است، اما با توجه به ورودی های بسیار زیاد مدل از یک سو و کمبود اطلاعات مورد نیاز در بیش تر حوضه های کشور از سوی دیگر، ممکن است تمایلی برای استفاده از این مدل و بررسی آن وجود نداشته باشد. لذا، به نظر می رسد با توجه به نتایج به دست آمده از مدل WEPP و RUSLE2 (با تلفیق مناسب با یک مدل برآورد بار رسوب) ممکن است با واسنجی مناسب بتوانند نتایج قابل قبولی از برآورد رواناب (مدل WEPP) و بار رسوب (هر دو مدل) در حوضه های با شرایط مشابه ارائه دهند. از این رو، تحقیقات بیش تر و مشابهی در تمامی حوضه های معرف و زوجی کشور جهت نیل به این هدف، می تواند کمک شایانی به تحقیقات فرسایش و رسوب در کشور نماید. واژه های کلیدی: تک رخداد، سنگریزه، زیرحوضه، کارایی مدل، کرت، واسنجی
- Abstract
- Measurement and estimation of soil erosion and sediment yield, as one of the important problem worldwide and in Iran, is needed for soil conservation planning. Many different methods have been developed for estimation of soil erosion and sediment yield in different countries because of the variety of factors affecting these phenomena, each with advantages and disadvantages. This study was aimed to study and evaluate the efficiency of RUSLE, RUSLE2, EUROSEM and WEPP models in estimation of runoff and sediment resulted from natural events at plot and watershed scale in the Representative and Paired Watershed of Khmesan. One of the specific characteristic of the study area is the presence of significant amounts of rock fragment in soil surface and profile, especially in rangeland regions of the watershed. At plot scale, the study was performed on eighteen plots of 24 m long by 1.8 m wide in six hillslopes (three plots in each hillslope). Runoff and sediment induced by 24 events leading to runoff were measured over three years (2011, 2012 and 2013). At the same time, the input data of the models were measured during this period including soil characteristics, vegetation, land cover, etc. RUSLE and RUSLE2 models were evaluated with and without calibration. Before the calibration of EUROSEM and WEPP models, sensitivity analysis was performed and the calibration was based on the results of sensitivity analysis. Sixteen events during the years 2009 to 2013 were used for calibration of K parameter of RUSLE and RUSLE2 models, and eight rainfalls during the years 2011 to 2013 were used for calibration of EUROSEM and WEPP models. Model validation was then carried out using the 16 remaining rainstorms during 2011 to 2013. RUSLE and RUSLE2 estimated average annual soil loss relatively well, despite the overestimation. The results showed that both models, especially RUSLE2, were able to estimate single events soil loss relatively acceptable, especially for rainfalls with lower erosivities. Calibration of the erodibility factor in two models led to considerable improvement of model efficiency. Comparison between two models showed that in all studied situations, RUSLE2 had higher efficiency than RUSLE. WEPP model estimated both runoff and soil loss from rangeland hillslopes with high rock fragment acceptable, while soil loss estimation was better than runoff estimation. Generally, the model efficiency was lower in the hillslopes with higher rock fragment (especially rock cover) and higher lime content than other hillslopes. Runoff was estimated by EUROSEM relatively well for 16 studied events. Also, soil loss was estimated well by EUROSEM for all hillslopes. The results showed that the efficiency of EUROSEM model decreases in estimating soil loss and runoff by increasing rock fragment cover. This effect was higher for runoff. The efficiency of calibrated RUSLE2 model was higher than the process-based models EUROSEM and WEPP in two out of six hillslopes. It seems that rainfall intensity pattern during each event had a significant effect on the model estimations. In fact, intra-storm variations in rainfall intensity during each event have significant effect on runoff and sediment production and the estimation results of investigated models. The results of the impact of soil properties (including soil characteristics and soil surface conditions) on runoff production showed that saturated hydraulic conductivity, canopy cover, total porosity rock fragment cover and roughness of the soil surface were most important factors affecting runoff at stony investigated hillslopes. Also, detachability of the soil particles by raindrop impact, roughness of the soil surface, Manning’s n for interrill area, canopy cover and cohesion of the soil at saturation were most important factors affecting soil loss at plot scale. At watershed scale, outflow runoff and sediment were measured for 4 events leading to runoff generation and sediment yield during a January 2013 to July 2014 at the control sub-watershed. At the same time, the input data of the models were evaluated during this period at sub-watershed scale. GIS technology were used to determine the input parameters of RUSLE and RUSLE2 models, finally, outputs of the two models were obtained in ArcGIS software. SATEEC GIS system was used to calculate sediment yield at watershed scale by linking to RUSLE and RUSLE2, because these models are unable to calculate sediment yield. The EUROSEM-2010 software was used to simulate soil loss and runoff at watershed scale. Also, GeoWEPP extension in ArcGIS was used to run WEPP model. Both application of the WEPP model including flowpath and watershed methods were run. Calibration of EUROSEM and WEPP models was carried out four times for the four events, each time three events were used for calibration, and validation was performed for the remained event. Evaluation of the maps obtained by RUSLE and RUSLE2, showed that RUSLE2 estimates soil loss better than RUSLE at watershed scale. The results also showed that integrating RUSLE and RUSLE2 models with SATTEC system may resulted in reasonable estimation of sediment yield for different events at watershed scale. In general, the simulation results of four events showed a good correlation between measured and simulated runoff and sediment yield by EUROSEM model. Also, time to runoff generation was simulated reasonably by EUROSEM for the four events studied. There were relatively good agreements between the measured and estimated by WEPP model of runoff and sediment yield, while the correlation was higher for runoff than sediment yield. With respect to evidences in watershed and observations in the area, it seems that the results of flowpath method show the difference between points in soil loss better than WEPP watershed method. Saturated hydraulic conductivity, net capillary drive and soil surface roughness were the most important factors affecting runoff generation at different parts of the control sub-watershed. Net capillary drive, saturated hydraulic conductivity, rock fragment in soil profile, median particle diameter of the soil, canopy cover, lime, organic carbon and Manning’s n for interrill area were most important factors affecting sediment yield at different units of sub-watershed. In overall, the results showed that the effects of high amounts of rock fragment, especially rock cover, on runoff and sediment yield processes, as well as the impact of high levels of lime content on soil properties and soil erodibility, are still not fully understood or not considered in studied models. With regard to estimation results and intra-storm variations in rainfall intensity, it seems that due to variations of rainfall intensity during each storm and complexity of the processes of sediment detachment and transport under these situations, the effect of storm pattern is not fully accounted in the models, especially for RUSLE and RUSLE2. More research is needed to consider these effects in the models. While, EUROSEM model showed better results in most cases than the other three models at plot and watershed scales, due to high input data on the one hand and the lack of the required information for this model in most watersheds of the country on the other hand, may be reluctant not exist to use this model. Therefore, it seems that according to the results of the WEPP model and RUSLE2 (with appropriate integration with a model to estimate sediment yield), these models may provide reasonable results in runoff (WEPP) and sediment yield (both models) estimation in watershed scale. Hence, further research similar to the current study in all of the Representative and Paired Watersheds of the country can greatly contributed to soil erosion and sediment research in Iran. Key words: Single event, Rock fragment, Sub-watershed, Model efficiency, Plot, Calibration
