برآورد فرسایش و رسوب سالانه با استفاده از مدل EPM و GIS (مطالعه موردی: حوزه زیدشت، طالقان)

مقدمه

یکی از مشکلات مهم در مدیریت حوضه­های آبخیز کشور، فرسایش و رسوب­زایی است، که پیامدهای ناشی از آن با تشدید بهره­برداری انسان از طبیعت از اوایل قرن بیستم اثرات منفی خود را بر اکوسیستم‌های حیاتی وارد ساخته است. عامل اصلی فرسایش افزایش جمعیت و استفاده بیش از حد از زمین است (شیرزادی، 1388). برای حفاظت خاک و تعیین روش مناسب مبارزه با فرسایش و کاهش رسوب­زایی، باید حجم کل رسوب تولیدی سالانه در حوضه­ی آبخیز ارزیابی و برآورد گردد. چنانچه در یک حوضه‌­ی آبخیز داده­های مربوط به دبی آب و رسوب به اندازه­ی کافی موجود باشد، محاسبه‌ حجم کل رسوب­دهی سالانه‌­ی آن با به ‌کارگیری روش‌های آماری متداول امکان­پذیر می‌باشد؛ ولی عدم وجود یا کمبود داده‌ها در بسیاری از حوضه­های آبخیز کشور، کاربرد روش‌های تجربی مناسب برای برآورد فرسایش خاک و رسوب­زایی را الزامی می‌نماید (راستگو، 1383). سالیانه مقدار زیادی خاک از سطح حوضه­های آبخیز به ­وسیله­ی آب شسته شده و از محل اصلی خود جابجا شـده و حجم زیادی از آن در پشت سدها، آب‌های سـاکن، چاله­های داخلی و یا دریاها و اقـیانوس‌ها ته­نشین می‌گردد. بخش زیادی از این رسوبات، در اثر فرسایش خاک حاصلخیز سطحی ایجاد می‌شود که با بررسی و توجه بیشتر به چگونگی پیدایش خاک، اهمیت این عنصر طبیعی مشخص خواهد شد (رفاهی، 1385). با توجه به این که آب و خاک مهم­ترین عوامل در تأمین مایحتاج بشری می‌باشند (فیض­نیا، 1387)، کوچک‌ترین کم­توجهی در حفظ و نگهداری این دو عامل، خسارت جبران­ناپذیری را وارد خواهد کرد. تخریب منابع آب و خاک باعث بر هم خوردن تعادل طبیعی در یک منطقه است که علت اصلی آن، دخالت انسان در آن است (احمدی، 1386). برآورد میزان فرسایش و رسوب و اعمال مدیریت مناسب در یک منطقه، همانند هر پدیده‌­ی طبیعی دیگر نیازمند شناخت کامل عوامل تأثیرگذار بر آن است. از آنجایی که پدیده‌­ی فرسایش و رسوب یکی از پیچیده‌ترین فرآیندهای طبیعی بوده و عوامل زیادی در آن دخیل می‌باشد، شناخت کامل عوامل مؤثر در این پدیده، کاری بسیار مشکل می‌باشد.

فرسایش آبی از جمله فرآیندهایی است که بر منابع آب و خاک کشور تأثیر نامطلوبی دارد؛ به ­طوری که 75 میلیون هکتار از حدود 100 میلیون هکتار اراضی کشور، در معرض فرسایش آبی و به­ تبع آن پدیده‌ بیابان‌زایی است (رفاهی، 1385). جهت جلوگیری از فرسایش و هدررفت منبع با ارزش خاک، اقدامات متعددی همچون قرق مراتع جهت تقویت و بهبود پوشش گیاهی، مرتع­کاری و اصلاح مراتع و احداث سازه­های مختلف همچون آب­بندها، سدهای کوچک و متوسط در سطح حوضه­های آبخیز در دستور کار قرار گرفته‌اند؛ اما با توجه به محدودیت منابع مالی و لزوم اقتصادی و پرثمر بودن اقدامات انجام شده، اجرای عملیات اصلاحی و حفاظتی باید از مناطقی با بیشترین میزان هدررفت و فرسایش آغاز شود و برای دستیابی به این مهم، برآورد میزان فرسایش حوضه­های آبخیز و قسمت‌های مختلف آن، الزامی و تعیین­کننده‌ی نوع، حجم و مکان انجام اقدامات مختلف جهت حفظ خاک است (نورانی، 1384). بنابراین بررسی فرسایش و تولید رسوب در زنجیره‌­ی مطالعات منابع طبیعی، به­عنوان یکی از حلقه­های مهم در تصمیم‌گیری‌ها و موفقیت و کارآمدی طرح‌های آبخیزداری، دارای اهمیت زیادی است. جهت برنامه‌ریزی و آگاهی از وضعیت تخریبی حوضه‌ی آبخیز، برآورد میزان فرسایش و رسوب تولیدی هر حوضه لازم و ضروری است.

فناوری سامانه­های اطلاعات جغرافیایی GIS با توانایی­های بالا برای کار با داده­های جغرافیایی، امکان انجام چنین مطالعاتی را با هزینه‌ی کمتر و دقت و سرعت بیشتر فراهم می­کند. بنابراین، استفاده از نرم‌افزار GIS ضروری است. در این مطالعه از توانایی سامانه GIS و مدلEPM[1] برای برآورد فرسایش و رسوب حوضه‌ی زیدشت استفاده شده است. از مطالعاتی که تاکنون در این زمینه انجام گرفته است؛ می‌توان به فعالیت­های پژوهشی محققانی مانند (رفاهی و نعمتی، 1372)، (بیات و همکاران، 1380)، (راستگو، 1383)، (ضیایی، 1383)، (رنگزن و همکاران، 1387)، (اسکندری و محمدی، 1381)، (برزو و همکاران، 1387)، (خدارحیمی، 1384)، (بیات، 1387)، (شوئیلی و سرور، 1386)، (خدابخشی و همکاران، 1389)، (هیل[2]، 1993)، (تنگستانی[3]، 2001، 2005)، (گوبین[4]، 3003)، (زو[5]، 2008)، (امینی و همکاران[6]، 2010)، (امیری[7]، 2010)، (فانتی و وزولی[8]، 2007)، (سلیمانی و همکاران[9]، 2009) اشاره کرد. بسیاری از این مطالعات کارایی مدل EPM را با توجه به  مطالعات میدانی و آمار ایستگاه رسوب­سنجی زیرحوضه­ها تأیید کرده‌اند (رفاهی و نعمتی، 1372؛ بیات و همکاران، 1380؛ راستگو، 1383؛ شوئیلی و سرور، 1386). صادقی (1372)، رسوب حوضه‌ی اوزون‌دره را با استفاده از این مدل برآورد کرده و نتیجه گرفت برای کسب نتیجه‌ مطلوب، باید این مدل را با بازدیدهای صحرایی کنترل کرد. با توجه به این که طبق آمار ایستگاه هیدرومتری، روش قابل قبولی برای محاسبه و تعیین میزان فرسایش خاک حوضه و زیرحوضه‌های آن ‌وجود ندارد؛ لذا با استفاده از روش تجربی EPM میزان فرسایش خاک و همچنین تولید رسوب در حوضه‌­ی آبخیز زیدشت تعیین  و نتیجه با میزان رسوب محاسباتی ایستگاه هیدرومتری با استفاده از سامانه GIS مقایسه گردید. در این مطالعه همچنین کارایی سیستم اطلاعات جغرافیایی در مطالعات فرسایش و رسوب مورد بررسی قرار گرفته است.

مواد و روش‌ها

منطقه‌ی مورد مطالعه در استان البرز و شهرستان طالقان در عرض‌های جغرافیایی "35 ´5 °36 الی "46 ´11 °36 و در طول‌های جغرافیایی "46 ´37 °50 الی "56 ´44 °50 قرار گرفته است (شکل 1). این منطقه از سمت شمال به رودخانه‌­ی طالقان، از سمت جنوب به رشته‌کوه‌های طالقان، از سمت شرق نیز به زیرحوضه­ی‌ باریکان (زیدشت دو) و از غرب به زیرحوضه­ی‌ نسا سفلی منتهی شده (اسدی نلیوان، 1391) و در منطقه­ی البرز واقع است. متوسط بارندگی سالانه‌­ی آن، 530 میلی­متر گزارش شده است. حداکثر ارتفاع و اختلاف ارتفاع حوضه به­ترتیب معادل 3019 متر و 1278 متر است. اقلیم حوضه بر اساس سیستم دومارتن، سیستم آمبرژه و سیستم گوسن به­ترتیب در اقلیم نیمه­مرطوب فراسرد و اقلیم ارتفاعات فوقانی و اقلیم استپی سرد واقع گردیده است. این حوضه به چهار زیرحوضه تقسیم شده و مساحت آن 65/53 کیلومتر مربع است.

شکل (1) موقعیت حوزه آبخیز زیدشت در کشور، استان و منطقه

مدل EPM با استفاده از اطلاعات حاصل از قطعه زمین‌های فرسایشی و اندازه­گیری رسوب پس از 40 سال تحقیقات در کشور یوگسلاوی سابق به­دست آمده و برای اولین بار در سال 1988 در کنفرانس بین‌المللی رژیم رودخانه توسط (گاوریلویک[10]، 1988) ارایه گردیده است (رفاهی، 1385). مدل EPM قادر است به­ عنوان ابزاری جهت برآورد اولیه از میزان بار رسوب آبراهه‌ها در طرح‌های مربوط به سدهای در حال احداث و یا سایر سازه‌هایی که به­ نحوی به این­گونه داده‌ها نیازمندند، به­کار گرفته شود (رنگزن و همکاران، 1387). این مدل، روش پیشرفته‌ طبقه­بندی کمی فرسایش به روش M.Q.C.E[11] می­باشد. با استفاده از این روش می­توان نقشه‌ی فرسایش خاک را تهیه نمود (احمدی، 1386). در این تحقیق برای تعیین شدت فرسایش از مدل EPM استفاده شده است (فیض­نیا، 1387). برخی از روابط مدل به­ شرح زیر می­باشد:

رابطه (1)        

که در آن، Z= ضریب شدت فرسایش، Xa= ضریب کاربری اراضی، Y= ضریب حساسیت سنگ و خاک به فرسایش، φ= ضریب فرسایش و I= شیب متوسط حوضه بر حسب درصد است. از فرمول زیر فرسایش ویژه به ­دست می­آید:

رابطه (2)         

که در آن، Vsp= میانگین سالانه‌ی فرسایش ویژه­ی‌ حوضه برحسب m3/Km2/y، H= متوسط مقدار بارندگی سالانه برحسب mm، π= عدد پی 14/3، T= ضریب دما، t= میانگین دمای سالانه برحسب درجه سانتی‌گراد.

رابطه (3)         

سپس برای تعیین میزان رسوب‌دهی کل حوضه و هر یک از زیرحوضه­های آن، روابط زیر به ­کار گرفته شده است:

رابطه (4)        

که در آن، SDR= ضریب رسوب‌دهی حوضه آبخیز، L= طول حوضه‌ آبخیز برحسب (km)، O= محیط حوضه‌ آبخیز برحسب (km)، D= اختلاف ارتفاع یا تفاضل ارتفاع متوسط حوضه به ارتفاع نقطه­ی خروجی برحسب (km). دبی رسوب ویژه نیز از فرمول 5 به­ دست می­آید:  

رابطه (5)       GSP = Vsp×SDR

که در آن، GSP= میانگین سالانه‌ رسوب ویژه‌ حوضه برحسب (m3/Km2/y)، Vsp= فرسایش ویژه‌ حوضه برحسب (m3/Km2 /y)، SDR= ضریب رسوب‌دهی حوضه­ی‌ آبخیز می­باشند. سپس رسوب و فرسایش کل سالانه از طریق روابط زیر به­ دست می­آید:

ذلرابطه (6)      Vg= Vsp×F

که در آن، Vg= میانگین سالانه فرسایش کل حوزه آبخیز (m3/y)،F= مساحت حوزه­ی آبخیز (Km2) می­باشند.

رابطه (7)       Gg= Vg × SDR

که در آن، Gg = میانگین سالانه دبی رسوب کل حوضه­ی آبخیز (m3/ y) است.

سپس از طریق جدول (1) که براساس شدت فرسایش و Z تنظیم شده است، کلاس فرسایش برای هر واحد اراضی یا شبکه یا زیرحوضه تعیین می‌گردد.

جدول (1) طبقه­بندی شدت فرسایش در مدل EPM

بعد از تعیین شدت فرسایش با استفاده از مدل EPM، نقشه­های مربوطه با استفاده از GIS تهیه گردید. لایه‌ حساسیت سنگ و خاک به فرسایش (Y) با استفاده از نقشه­های خاکشناسی، سنگ­شناسی و زمین­شناسی (مقیاس کل نقشه­ها 1:25000) و بازدیدهای میدانی جهت تطبیق داده­ها به­دست آمد. لایه­ی‌ ضریب فرسایش حوضه­ی (φ) از ترکیب نقشه­های زمین­شناسی، خاکشناسی، وضعیت فعلی فرسایش و بازدیدهای میدانی به دست آمد. لایه‌ی کاربری اراضی (Xa) نیز از تولید نقشه‌ی پوشش گیاهی و کاربری اراضی (در برنامه گوگل ارث) تهیه گردید. به­ منظور استخراج شیب منطقه (I) از مدل رقوم ارتفاعی (DEM) استفاده شد. در نهایت برای تهیه‌ نقشه‌ فرسایش، در ابتدا ضرایب فرسایش­پذیری منطقه با توجه به عوامل کاربری اراضی، حساسیت سنگ و خاک به فرسایش، ضریب فرسایش و شیب متوسط حوضه به ­دست آمد و سپس به­منظور تعیین ضریب شدت فرسایش از رابطه (1) استفاده شد. در نهایت برای تعیین ارزش Z در زیرحوضه­ها از دستور Overlay استفاده شد.

بحث و نتایج

در حوضه‌­ی مورد نظر، برای تعیین میزان فرسایش خاک و همچنین تولید رسوب از مدل EPM استفاده گردید. با توجه به نتایج به­ دست آمده از مطالعات پایه و بازدیدهای میدانی انجام شده، ضرایب تعدادی از پارامترهای مدل برای منطقه‌ مورد مطالعه به­ شرح جدول­های (2، 3 و 4) می‌باشد.

جدول (2) مقادیر ضریب استفاده از زمین در منطقه مورد مطالعه

(منبع ضرایب رفاهی 1385 و احمدی 1386)

جدول (3) مقادیر ضریب حساسیت سنگ و خاک به فرسایش در منطقه مورد مطالعه

جدول (4) مقادیر ضریب فرسایش در منطقه مورد مطالعه

همچنین برای منطقه­ی مورد مطالعه، نقشه­ی کاربری اراضی و زمین­شناسی و فرسایش و ضرایب آنها در شکل­های (2 و3 و 4) نشان داده شده است.

شکل (2) نقشه کاربری اراضی حوزه آبخیز زیدشت و ضریب Xa

شکل (3) نقشه سازندهای زمین­شناسی حوزه آبخیز زیدشت و ضریب Y

جدول (5) نیز خصوصیات سنگ­شناسی و سازندهای منطقه و همچنین درصد هر یک از سازندها را نشان می­دهد.

جدول (5) خصوصیات سنگ­شناسی و سازندهای منطقه

شکل (4) نقشه رخساره­های فرسایشی حوزه آبخیز زیدشت و ضریب φ

برخی از پارامترهای مورد نیاز جهت انجام محاسبات مربوط به فرسایش و رسوب به شرح جدول (6) می‌باشد.

جدول (6) پارامترهای مورد نیاز برای محاسبه میزان فرسایش و رسوب

سپس از طریق سامانه GIS، نـقشه­های مربوط به تـعیین ضریب شدت فرسایش بـه­ دست آمد که در شکل­های 5 تا 10 آورده شده است.

شکل (5) نقشه ضریب شیب منطقه مورد مطالعه

شکل (6) نقشه ضریب استفاده از زمین منطقه مورد مطالعه

شکل (7) نقشه ضریب حساسیت سنگ و خاک به فرسایش منطقه مورد مطالعه

شکل (8) نقش ضریب فرسایش منطقه مورد مطالعه

شکل (9) نقشه ضریب شدت فرسایش منطقه مورد مطالعه از تلفیق نقشه­های قبلی

شکل (10) نقشه شدت فرسایش منطقه مورد مطالعه

در نهایت از تلفیق نتایج به ­دست آمده، فرسایش و رسوب ویژه­ی زیرحوضه­ها و کل حوزه و همچنین رسوب و فرسایش کل سالانه به ­دست آمد (جدول 7).

جدول (7) فرسایش و رسوب ویژه زیرحوضه­ها و کل حوزه و همچنین رسوب و فرسایش کل سالانه

با توجه به جدول (7)، میزان فرسایش ویژه بسته به­ میزان ضریب شدت فرسایش در زیرحوضه­ها تغییر می­کند که این تغییرپذیری، نتیجه کاربری­های مختلف حوضه و همچنین سازندهای متفاوت و شیب متغیر منطقه می­باشد.

نتیجه­گیری

از آنجایی که روش‌ها و فنون جمع­آوری آمار و اطلاعات مورد نیاز و تجزیه و تحلیل آنها، نقش به­سزایی در انجام پروژه­های تحقیقاتی و حتی مطالعاتی، به­ ویژه پروژه‌هایی که در راستای فعالیت‌های اجرایی هستند و نیل به اهداف تعیین شده دارند؛ در این تحقیق هم جهت افزایش دقت در برآورد میزان رسوب و فرسایش حوضه‌ی آبخیز زیدشت از GIS استفاده شد. سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی به ­لحاظ قدرت بالای تجزیه و تحلیل اطلاعات پایه (به­ویژه در بحث فرسایش و رسوب و تعداد زیاد لایه‌ها)، پس از تفکیک مناطق با رسوب‌دهی مختلف از یکدیگر و مشخص نمودن نقش واحدهای کوچک، با تولید نقشه‌ حساسیت به فرسایش، مناطق مختلف فرسایشی را از نظر کیفی و کمی طبقه­بندی کرده و امکان تفکیک و اولویت­بندی مناطق حساس به فرسایش را با توجه به اهداف مختلف فراهم می‌آورند.

اندازه­گیری مقدار فرسایش و رسوب به دلایل فنی، حفاظتی و اقتصادی در تمامی نقاط امکان­پذیر نیست. از این­رو مناسب‌ترین راهکار، پیش­بینی یا برآورد مقادیر فرسایش و رسوب است که لازمه‌­ی آن، آگاهی از مکانیزم­های فرسایش و عوامل مؤثر بر آن است. از طرفی انتخاب مدل مناسب برای هر منطقه مستلزم ارزیابی دقت مدل­های مختلف از طریق مقایسه نتایج حاصل از به­کارگیری آنها با ضریب رسوب‌دهی واقعی در یک حوضه­ی‌ آبخیز می‌باشد (رستمی، 1387). با توجه به این که روش‌های تجربی بسته به منطقه و شرایط آب و هوایی تغییرات قابل ملاحظه­ای دارند، باید برای کل مناطق مورد استفاده کالیبره شوند. در مطالعه‌ی حاضر جهت برآورد میزان فرسایش و تولید رسوب حوضه‌­ی آبخیز زیدشت از مدل EPM استفاده شد. نتایج نشان داد که وضعیت فرسایش حوضه در کلاس متوسط قرار دارد و انجام اقدامات آبخیزداری و حفاظت خاک در این حوضه ضروری است. همچنین بیشترین میزان ضریب شدت فرسایش (Z) در زیرحوضه‌ Dint2 مشاهده شد که دلیل آن وجود سازند فرسایش­پذیر Ngm و Q1g و کاربری کشاورزی است. کمترین میزان ضریب شدت فرسایش نیز در زیرحوضه D1 مشاهده شده که دلیل آن وجود سازند مقاوم به فرسایش Ekv, Ekta و کاربری‌ خوب مراتع می‌باشد. در زیرحوضه‌ی D2 که در رتبه‌­ی دوم ضریب شدت فرسایش قرار دارد، افزایش میزان ضریب رسوب‌دهی، شیب بالا، وجود سنگ‌های آتشفشانی بازالتی و وجود سازندهای فرسایش­پذیر Q2s(Com), Ngm, Ngc, PCz باعث افزایش مقدار ضریب شدت فرسایش و به­تبع آن رسوب شده است. در زیرحوضه‌ی Dint1 که در رتبه‌ سوم ضریب شدت فرسایش قرار دارد، وجود سازندهای حساس به فرسایش Ngc و Q1g دخالت دارند. از نتایج به­دست آمده حتی می­توان برای اولویت­بندی زیرحوضه­ها جهت انجام اقدامات آبخیزداری و عملیات حفاظت آب و خاک بهره جست. لذا زیرحوضه­های Dint1, D2, Dint2 و D1 به ترتیب جهت انجام اقدامات آبخیزداری اولویت­بندی می­شوند.

با توجه به بازدیدهای صحرایی به­عمل آمده از منطقه­ی‌ مورد مطالعه معلوم شد که میزان فرسایش و رسوب­خیزی حوضه در حد متوسط است؛ که نشان­دهنده‌­ی کارایی مدل EPM و سامانه GIS در برآورد دقیق میزان فرسایش و رسوب می‌باشد. نتایج این مطالعه با نتایج تحقیقات محققان دیگر در یک راستا است و بر مناسب بودن مدل EPM برای مطالعات فرسایش و رسوب تأکید می­کنند. نتایج حاصل از این تحقیق مناطق حساس به فرسایش در این حوضه را از نظر کاربری­های مورد استفاده و سازندهای فرسایش­پذیر شناسایی کرده است؛ که می­توان با اندیشیدن راهکارهای صحیح برای کنترل تولید و حمل و نقل رسوبات، عمر مفید سد طالقان را افزایش داد. این حوضه از نظر فرسایش و شدت رسوب‌دهی در کلاس متوسط قرار دارد؛ بنابراین کنترل فرسایش خاک و اقداماتی برای حفاظت خاک و آب در چارچوب طرح‌های حفاظتی اولویت داشته و ضروری است. با توجه به گستردگی عرصه­های منابع طبیعی استفاده از GIS برای مدیریت صحیح و بهره­برداری بهینه آنها ضروری است. با توجه به قابلیت سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی در تجزیه و تحلیل اطلاعات و اعمال تغییرات مورد نظر در لایه­های اطلاعاتی اولیه، لازم است بانک‌های اطلاعاتی پایه‌­ی حوضه­های آبخیز کشور تحت استاندارد واحدی برنامه­ریزی و تهیه گردند. با توجه به این که سد طالقان تحت تأثیر فرسایش و رسوب بیشتر زیرحوضه­های آبخیز طالقان قرار دارد، پیشنهاد می‌شود در مطالعات آتی کل زیرحوضه­ها مورد بررسی قرار گیرند.