پهنه‌بندی فرسایش در حوضه آبخیز کهمان با استفاده از سه مدل EPM ، BLM و Fargas

مقدمه

فرسایش به فرآیندی گفته می‌شود که طیّ آن ذرات خاک از بستر اصلی خود جدا شده و به­کمک یک عامل انتقال­دهنده به مکانی دیگر حمل شود به­طوری‌ که بسته به نوع عامل انتقال، انواع فرسایش­های آبی، بادی و یخچالی اتفاق خواهد افتاد (رفاهی، 1379: 3) معمولاً فرآیندهای فرسایش سطحی، مواد معدنی و ذرات ریز خاک را در فواصل کوتاه جابه­جا می­کنند، در مقابل خاک­های سطحی فرسایش یافته توسط نهرها و جویبارها مسافت طولانی­تری را طی می‌کنند (وانگ و همکاران، 2013: 350)[1]. فرسایش خاک توسط باران و رواناب یکی از اصلی­ترین عوامل تهدید خاک است (بوردمن و پوسین، 2006: 480)[2]. فرسایش خاک هم­چنین بخشی از یک سیستم با تعامل فرآیندهای چندگانه در یک سلسله مراتب پیچیده است و جنبش­های توده‌ای ممکن است نقش مهمی در فرآیندهای فرسایش خاک ایفا کند (ون بیک 2002: 366. بوسکو و ساندر، 2014: 1501)[3]. امروزه کمتر منطقه­ای را در سطح زمین می‌توان یافت که در معرض تخریب و فرسایش قرار نگرفته باشد و البته عامل اصلی آن افزایش جمعیّت و استفاده‌ی بیش از حد از زمین است (احمدی، 1378: 195). هم­چنین قابل ذکر است که فرسایش دارای دو جنبه مهم شامل کاهش قدرت تولیدی زمین و دیگری مزاحمت مواد فرسایش یافته می‌باشد (نورمن هادسون[4]، 1372: 7). جبران خاک فرسایش یافته برای طبیعت، به­ویژه در مناطق خشک که شرایط برای تشکیل خاک بسیار نامساعد است، بسیار دشوار و طولانی می‌باشد، لذا ساکنین این مناطق می‌بایست در حفظ و جلوگیری از فرسایش دقت بیشتری مبذول نمایند (کردوانی، 1377: 7). سلاجقه و دلفاری (1386: 270)، با مقایسه روش‌های کیفی ژئومورفولوژی و کمّی EPM به این نتیجه رسیدند که روش ژئومورفولوژی به علت در نظر گرفتن عوامل بیشتر دخیل در فرسایش نسبت به روش EPM در زیرحوضه خسبان حوضه‌ آبخیز طالقان نتایج بهتری را ارائه می‌دهد. هم­چنین نتایج آنها نشان می­دهد که در 65/45% طبقات فرسایش مشخص شده حاصل از دو مدل مشابه بوده است. رنگ­زن و همکاران (1387: 124) دو مدل EPM و MPSIAC را در برآورد فرسایش و رسوب حوضه پگاه سرخ گتوند خوزستان به­کار برده­اند، مـقایسه نتایج دو مدل EPM و MPSIAC با مشاهدات صحرایی حاکی از آن است که اگرچه نتایج به­دست آمده از دو مدل ذکر شده در اکثر مناطق انطباق زیادی با هم دارند، اما نتایج مدل EPM برای شناسایی مناطق دارای فرسایش بالا به اندازه مدل MPSIAC قابل اطمینان نیست. خدابخشی و همکاران (1389: 46) مطالعه فرسایش­پذیری واحدهای سنگی و تولید رسوب با استفاده از مدل EPM در بخشی از حوضه آبریز زاینده رود در شمال شهرکرد را مورد مطالعه قرار داده و به این نتیجه رسیده‌اند که روش اندیس جواب بهتری می­دهد. به­طور کلی می­توان گفت که از این روش برای تخمین شدت فرسایش در حوضه آبخیز و عمل رسوب در رودخانه­ها استفاده می­شود و به­وسیله آن می­توان برآورد اولیه‌ایی از میزان رسوب­گذاری در مخزن سدهای مخزنی و برآورد عمر مفید سدها استفاده نمود. قزوی و همکاران (2012: 31) در حوضه آبخیز قله قاف در استان گلستان سه مدل MPSIAC، PSIAC و EPM را اجرا و با هم مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که مدل پسیاک در مقایسه با دو مدل دیگر مقدار فرسایش و رسوب را کمتر نشان می­دهد و بهترین مدل برای این منطقه است. عابدینی و همکاران (1392: 87) در حوضه آبخیز مشکین‌چای مدل EPM را اجرا و به این نتیجه رسیدند که سه عامل توپوگرافی، لیتولوژی و تغییرات کاربری اراضی در کنترل فرسایش و رسوب نقش مهمی ایفا نموده‌اند، بر اساس این مدل وضعیت فرسایش حوضه خیلی شدید ارزیابی شد. ورلاین[5] و همکاران (2006: 302) برای تجزیه و تحلیل فرسایش در حوضه باگا[6] در تانزانیا با استفاده از دو روش تصاویر لندست و نقشه دم منطقه تحقیقی انجام دادند. نتایج تحقیق نشان داد که روش اول 80 درصد و روش دوم 81 درصد دقت داشته است. اما با توجه به این­که روش دوم اطلاعات محدودی نیاز دارد، دارای پتانسیل بالایی برای شناسایی سریع خطر فرسایش می­باشد و بهتر از روش تصاویر ماهواره­ایی است. سیوان[7] و همکاران (2007: 1079) با استفاده از داده­های ماهواره لندست در طول سال های 1995 تا 2000 الگوی چشم انداز فرسایش در رودخانه زرد چین را مورد بررسی قرار دادند که نتایج نشان داد در برخی نقاط فرسایش در حال کاهش است اما در بسیاری نقاط نیز رو به افزایش است که ناشی از فعالیت­های انسانی در منطقه مورد مطالعه است هم­چنین رشد جمعیت، کشاورزی، سیاست­های دولتی و تخریب جنگل­ها، عوامل اصلی تغییر الگوی فرسایش و افزایش آن است. هیگاک[8] و همکاران (2007 :245) در مطالعه فرسایش خندقی در دامنه­های میدلند نپال به این نتیجه رسیدند که در فصل خشک که زمین ترک می­خورد، در فصل مرطوب گسترش و در نهایت به خندق تبدیل می‌شوند. و سدهای کوچک و حفاظت از کانال‌ها و کشاورزی باعث جلوگیری از گسترش آنها مـی‌شود. فرسایش یـکی از مهم­ترین پدیده‌های تأثیرگذار بر تغییرات مورفولوژی سطح زمین می­باشد (راستگو و همکاران، 1385: 99). با توجه به ارزش فراوان خاک و مشکلات بعدی ناشی از جابه­جایی اجزاء تشکیل­دهنده آن فرسایش معضلی است که باید ریشه­یابی و مهار گردد. به این منظور لازم است که حساسیت سازندها به فرسایش مشخص شود تا بتوان به­وسیله آن فرسایش­پذیری سازندهای مختلف را مشخص کرد. اگر بتوان با دقت قابل قبول فرسایش سازندها را به­دست آورد می­توان برای کنترل فرسایش نیز راه‌های موثرتر و اقتصادی­تری ارائه کرد (فیض­نیا و همکاران، 1382: 34). برای اجرای اقدامات حفاظت خاک و منابع آب لازم است تا اثرات عوامل مختلف فرساینده و روند تولید رسوب، شناسایی شده و اطلاعاتی در مورد نحوه فـرسایش، شدت تولید رسوب و پراکنش مکانی آن به­دست آید (پیرمحمدی و همکاران: 1387) به­همین منظور حوضه آبخیز رودخانه کهمان انتخاب شد تا از مکان‌های مستعد فرسایش حوضه باخبر شده و اقدامات لازم برای پیشگیری از فرسایش انجام شود.

معرفی منطقه مورد مطالعه

حوضه مورد مطالعه با مساحت 7/198 کیلومتر مربع در محدوده جغرافیایی 48 درجه، 15 دقیقه و 20 ثانیه تا 48 درجه، 30 دقیقه  و 9  ثانیه طول شرقی و 33 درجه ، 54 دقیقه  و 10 ثانیه تا 34 درجه عرض شمالی  قرار دارد. این حوضه از توابع شهرستان سلسله در استان لرستان بوده که در شمال شرقی شهر الشتر و جنوب ارتفاعات گرین واقع شده است (شکل 1).

شکل(1) موقعیت منطقه مورد مطالعه

منطقه مورد مطالعه دارای چین خوردگی و گسل­های زیادی است. جنس سازندها در منطقه بیشتر آهکی است که به­خاطر تخلخل و نفوذپذیری بالا منابع کارستیک مهمی را تشکیل می­دهند و در تغذیه آبرفت‌های دشت­الشتر نقش اساسی دارند (شکل2).

حوضه آبخیز کهمان در یک منطقه کوهستانی واقع شده است که بخش اعظم آن را کوه­های مرتفع در بر گرفته و فقط پنج درصد حوضه، زمین­های هموار را شامل می­شود (شکل3). بارندگی متوسط سالانه محدوده 470  میلی‌متر می­باشد. رژیم بارندگی مدیترانه­ای است و بیشترین بارش­ها در فصل سرد سال و کمترین بارش‌ها در فصل گرم سال رخ می­دهد. دمای متوسط سالانه در محدوده 3/12 درجه سانتی­گراد و افت دمای متوسط سالانه به ازاء هر کیلومتر افزایش ارتفاع 4/8 درجه سانتی­گراد است.

کاربری در حوضه آبخیز کهمان به کشاورزی، مرتع و جنگل اختصاص یافته است. بیشترین کاربری اراضی مربوط به مراتع است که بیش از 60 درصد حوضه آبخیز کهمان را در بر گرفته است. وجود این مراتع باعث کوچ بسیاری از کوچ نشینان به منطقه شده که به­دلیل عدم توازن بین دام و مراتع، باعث تشدید فرسایش شده است.

شکل (2) نقشه زمین­شناسی حوضه آبخیز کهمان

شکل (3) توپوگرافی و مدل رقومی ارتفاع حوضه آبخیز ilhk

مواد و روش­ها

در این تحقیق ابتدا اقدام به جمع­آوری آمار و اطلاعات پایه، شامل نقشه توپوگرافی، نقشه زمین­شناسی، نقشه کاربری اراضی، نقشه خاکشناسی، تصاویر ماهواره­ای، آمار بارندگی و دمای حوضه مورد مطالعه از سازمان­های زی­ربط گردیده است. سپس با اعمال پردازش­هایی در محیط GIS، ENVI و هم­چنین اجرای مدل EPM، BLM و فارگاس جهت محاسبه شدت فرسایش و پهنه­بندی فرسایش اقدام گردید. طی چند بار بازدید میدانی نیز برخی از انواع فرسایش در سطح حوضه شناسایی و با استفاده از GPS مکان­یابی گردید نا با نتایج حاصل از مدل­های ذکر شده مقایسه شود. ابتدا نقشه­های توپوگرافی، زمین­شناسی و کاربری اراضی در محیط GIS رقومی و زمین مرجع گردیدند. سپس با استفاده از جداول مربوط به مدل EPM، BLM و فارگاس به هر یک از لایه­های مورد نیاز امتیاز داده شد و نقشه­های پهنه­بندی فرسایش به­دست آمد که در نهایت با هم مقایسه شدند.

مدل EPM

تعیین شدت فرسایش در حوضه مورد مطالعه با استفاده از روش EPM به­صورت زیر به­دست آمد (رابطه 1):

رابطه (1)              Z= Xa . Y. (φ+ I ^1/2)

که در آن Z ضریب شدت فرسایش، Xa ضریب استفاده از زمین، Y ضریب حساسیت سنگ و خاک به فرسایش، φ ضریب فرسایش حوضه آبخیز و I شیب متوسط حوضه بر حسب درصد است. ضرایب مدل از جدول مربوط به مدل EPM به­دست آمده و شیب منطقه با استفاده از نقشه شیب حوضه آبخیز مذکور به پنج طبقه تقسیم­بندی شده است (جدول 1) که می­توان بر مبنای آن، وضعیت فرسایش در حوضه آبخیز را به صورت­های خیلی شدید، شدید، متوسط، کم و خیلی کم مشخص نمود (شکل 3).

جدول (1) طبقه­بندی شدت فرسایش در مدل EPM

ماخذ: رفاهی، 1379

مرحله دوم محاسبه میزان حمل رسوب است که با استفاده از رابطه 2 می‌توان مقدار فرسایش را در طول یک سال در واحد سطح حوضه آبخیز (کیلومتر مربع) بر حسب مترمکعب در کیلومتر در سال برآورد نمود.

رابطه (2)                WSP= T.H.Z^1.5 . π

در این رابطه WSP میزان فرسایش ویژه سالیانه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع و T ضریب درجه حرارت است  که از رابطه 3 بدست می آید:

رابطه (3)              

t متوسط درجه حرارت سالیانه حوضه آبخیز بر حسب درجه سانتی­گراد، H متوسط بارندگی سالیانه برحسب میلی متر، Z ضریب شدت فرسایش و π معادل 14/3 است (احمدی و محمدی، 1389).

مرحله سوم محاسبه دبی رسوب ویژه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع در سال است که از طریق رابطه 4 به­دست می­آید، سپس از طریق رابطه 5 ضریب رسوبدهی محاسبه می­شود که در این رابطه p محیط حوضه آبخیز بر حسب کیلومتر، D اختلاف ارتفاع بر حسب متر و L طول حوضه یا بزرگ­ترین آبراهه بر حسب کیلومتر می باشد. مقدار D نیز از رابطه 6 به­دست می­آید که در آن Dav ارتفاع متوسط حوضه بر حسب کیلومتر و Do ارتفاع نقطه خروجی حوضه بر حسب کیلومتر می­باشد.

رابطه (4)                     GSP = WSP.RU

 -GSpدبی رسوب ویژه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع در سال

-WSP مقدار فرسایش ویژه بر حسب متر مکعب در کیلومتر مربع در سال

-RU ضریب رسوبدهی

رابطه (5)                     f

                                          رابطه (6)                        D=D_av-D_O

مدل BLM

این مدل وضعیت فرسایش را برحسب جمع نمرات عوامل هفت‌گانه در یک جدول امتیازدهی عوامل سطحی (جدول2)، عرضه کرده است و طبق این جدول وضعیت کلی فرسایش برای هر تیپ فرسایشی مشخص می‌شود (جدول3).

مدل فارگاس (Fargas)

این روش در سال 1997 توسط فارگاس و همکاران ابداع شده است (فارگاس و همکاران، 1997ص 3). اجرای این مدل شامل دو مرحله: 1- تعیین شاخص فرسایش‌پذیری حوضه: در این مرحله میزان فرسایش­پذیری هر واحد سنگی با استفاده از جدول ارائه شده توسط فارگاس و همکاران مشخص شد. 2- روی‌هم ‌اندازی نقشه‌ آبراهه­­ها و نقشه‌ واحدهای سنگی و ارزش‌گذاری میزان تراکم زهکشی در هر واحد سنگی طبق جدولی که توسط فارگاس ارائه شده است. 3- تعیین خطر فرسایش با استفاده از ضریب ارزشی ارائه شده توسط فارگاس و همکاران براساس حاصل‌ضرب ارزش‌گذاری شده برای مقاومت سنگ به فرسایش و تراکم زهکشی در هر واحد سنگی (جدول 4).

جدول (2) امتیاز دهی عوامل سطحی بر اساس مدل BLM

ماخذ: رفاهی 1379: 268

جدول (3) وضعیت فرسایش برحسب جمع نمرات هفت عامل

مأخذ: رفاهی، 1379: 271

جدول (4) معیار تعیین کلاس خطر فرسایش و رسوب‌زایی

ماخذ: استروسنیجر و ایپینک.1993 و فارگاس و همکاران 1997: 347

یافته­ها

عوامل و لایه­های مورد نیاز مدل EPM به­صورت زیر تهیه و با هم تلفیق شدند. جدول و نقشه حاصل از بررسی عوامل مورد نیاز جهت تعیین شدت فرسایش در روش EPM در شکل4 و جدول 5 نشان داده شده است.

شکل (4) پهنه­بندی شدت فرسایش در حوضه آبخیز کهمان بر حسب مدل EPM

جدول (5) مقادیر رسوب برآورد شده با استفاده از مدل  EPMدر حوضه آبخیز  ilhk

جدول و نقشه حاصل از بررسی عوامل مورد نیاز جهت تعیین شدت فرسایش در روش BLM درجدول 6 و شکل 5 نشان داده شده است.

جدول (6)  نتایج حاصل از اجرای مدل BLM در حوضه آبخیز کهمان

شکل (5) پهنه بندی شدت فرسایش در حوضه آبخیز کهمان بر حسب مدل BLM

همان­طور که قبلا گفته شد برای اجرای مدل فارگاس دو عامل زمین شناسی و تراکم آبراهه در واحد زمین­شناسی را در نظر می­گیرند که در این حوضه نیز دو عامل نامبرده با هم تلفیق و نتیجه کار در شکل 6 و جدول 7 نمایش داده شده است

شکل (6) نقشه حاصل از اجرای مدل  فارگاس

جدول (7)  نتایج حاصل از  اجرای مدل Fargas

نتیجه­گیری

شرایط زمین­شناسی و لیتولوژی به­ویژه وجود گسل‌های متعدد در حوضه مورد مطالعه باعث شکسته و خورد شدن سنگ‌ها و افزایش سرعت و میزان فرسایش می‌شوند. در قسمت­های شمالی حوضه که شیب بیش از 40 درصد است و جنس سازندها نیز سخت است نقش شیب و لیتولوژی بسیار مهم بوده و از شدت فرسایش کاسته است و تنها در پای دامنه­ها و گسل­ها، واریزه­های سنگی به چشم می­خورد. طبق مشاهدات میدانی در این قسمت از حوضه (شمال حوضه) به­علت شیب زیاد، عدم وجود خاک ضخیم لایه و وجود رخنمون سنگی تحکیم یافته، کمترین میزان فرسایش مشاهده می‌شود. بر اساس مطالعات انجام شده بیشترین میزان فرسایش بر روی رسوبات کواترنری مسیر رودخانه مشاهده می‌شود که علت آن سست بودن جنس خاک، حضور انسان و دخالت‌های وی در این محدوده از حوضه است. هم­چنین بر روی شیل­های قرمز رادیولاریته که از سست­ترین سنگ­های منطقه هستند و مناطق مرتعی، به­دلیل کوچ فصلی عشایر، چرای بیش از حد دام، بوته کنی، از بین بردن گیاهان برای مصارف دارویی و غیره، فرسایش شدید‌ است.

در بین سه مدل مذکور که به تفکیک بررسی شدند دو مدل فارگاس و BLM کیفی و مدل EPM فرسایش و رسوب را به شکل کمی برآورد می کند. مقایسه سه نقشه شدت فرسایش براساس مدل EPM، BLM و فارگاس نشان می‌دهد که مدل اخیر نسبت به مدل EPM و BLM فرسایش را بسیار شدیدتر نشان می دهد، حتی در مناطق شمالی حوضه که صخره­ای و سنگی است و خاکی وجود ندارد، فرسایش را شدید نشان داده است. بر اساس مطالعات انجام شده بر روی حوضه و بازدیدهای میدانی به­نظر می‌رسد میزان فرسایش خیزی حوضه در حد متوسط باشد که با مقدار برآورد شده در مدل  BLMمطابقت دارد ولی با مدل­های EPM و فارگاس مطابقت ندارد. بدیهی است نتیجه به­دست آمده در این دو مدل را نمی­توان با اطمینان و به سادگی به مفهوم رد یا عدم دقت کاربرد دو مدل ذکر شده قلمداد نمود. زیرا مدل­های مذکور در کشورهایی با شرایط اقلیمی و ویژگی­های زمین محیطی متفاوت ابداع شده­اند. بنابراین ضرایب و عوامل لحاظ شده در دو مدل EPM و فارگاس به احتمال زیاد با شرایط ایران سازگاری و مطابقت کامل ندارند. این نکته را نیز باید مد نظر داشت که در بازدیدهای میدانی شرایط فرسایش در حال حاضر شناسایی شده است در حالی که مدل EPM همانطور که از نام آن پیداست پتانسیل فرسایش را نشان می­دهد در نتیجه مقدار فرسایش را بیشتر از آنچه هست به نمایش می‌گذارد. بررسی سه روش مورد آزمون نشانگر این است که علت اختلاف بین آنها در تعیین خطر فرسایش در منطقه تحقیق، به عوامل مورد استفاده و لحاظ شده در ساختار سه روش می­تواند مربوط باشد. زیرا مدل فارگاس تنها دو عامل هیدرولوژی و زمین­شناسی را مد نظر قرار می‌دهد در نتیجه نمی­تواند فرسایش را با دقت بالا نشان دهد، هم­چنین عامل شیب و مناطق صخره‌ای را در نظر نگرفته و امتیاز عامل زمین­شناسی را بسیار بالا در نظر می‌گیرد، بنابراین میزان فرسایش را در اکثر مناطق شدید نشان می­دهد. از دیگر علل عدم مطابقت دو مدل مذکور، تعیین امتیازهای هر مدل با استفاده از نظر کارشناسی، بدون بهره‌گیری از نظر افرادی با تخصص­های مختلف از جمله زمین­شناسی، خاک­شناسی، هیدرولوژی، پوشش گیاهی و فرسایش و رسوب را می­توان نام برد. از ایراداتی که بر مدل­های EPM و فارگاس می­توان گرفت این است که از سایر عوامل مهم در تولید رسوب و فرسایش مانند: رواناب و پوشش گیاهی استفاده نمی­شود. اما مدل BLM برای پهنه­بندی شدت فرسایش پارامترهای بیشتری را در نظر می­گیرد و طبعاً از نتایج رضایت بخش­تری برخوردار است. بر اساس مدل BLM در مناطقی از حوضه (شمال حوضه) که پوشش خاک کم، سنگ­ها تحکیم یافته و حرکت توده خاک مشاهده نمی­شود مقدار فرسایش را کم برآورد کرده و در مناطقی از حوضه که پوشش سنگی سطح زمین سست­تر، آبراهه­ها فشرده­تر، قطعات سنگی کمتر و شیارهای سطحی و فرسایش خندقی دیده می­شود، فرسایش به نسبت بیشتر و در کل، میزان فرسایش را متوسط ارزیابی می­کند.

براساس مدل EPM مقدار رسوب کل حوضه 6/181320 متر مکعب در سال برآورد شد که با توجه به اعتبارسنجی مدل که مقدار رسوب واقعی حوضه را 8/75416 متر مکعب در سال برآورد می­کند، نتیجه گرفته شد که این مدل برای حوضه مورد مطالعه مناسب نیست و این موضوع با نتایج کار احمدی و همکاران (1386)، علی­محمدپور و افسری (1391) مـطابقت دارد که این مدل را بـرای شرایط اقلیمی ایران مناسب نمی­دانند. طبق مطالعات انجام شده توسط بیات و همکاران (1380) و شاکری و بلالی­پور (1374) نیز مدل EPM در حوضه­های بزرگ از دقت کمتری در برآورد فرسایش نسبت به سایر مدل‌ها برخوردار است. بر اساس مطالعات عبدی و همکاران (2014) که در حوضه آق بلاق آذربایجان با استفاده از دو مدل BLM و فارگاس انجام گرفته است، مدل فارگاس 82 درصد مساحت حوضه را با فرسایش خیلی شدید و مدل BLM نیز حدود 80 درصد حوضه را در طبقه فرسایش متوسط و خیلی ناچیز طبقه­بندی می­کند و با نتایج این تحقیق مطابقت دارد، اما با نتایج کار نوجوان و همکاران (1391) که دو مدل BLM و فارگاس را مناسب و در تطابق با هم می­داند، مغایرت دارد.