پهنه بندی حساسیت اراضی حوضه مراغه به فرسایش خندقی با استفاده از روش تصمیم گیری چند شاخصه‌ی فازی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی دانشگاه پیام نور.

10.22034/gmpj.2020.118240

چکیده

حوضه مراغه یکی از زیر حوضه‌های رودخانه مزلقان می‌باشد که بخش‌هایی از آن به شدت تحت‌تاثیر فرسایش خندقی قرار دارد. این پژوهش با هدف پهنه‌بندی حساسیت اراضی به فرسایش خندقی در حوضه مراغه با استفاده از روش تصمیم‌گیری چند شاخصه‌ی فازی انجام شده‌است. در این تحقیق با استفاده از عکس‌های هوایی دارای مقیاس 1:40000 و عملیات میدانی، مناطق تحت‌تاثیر فرسایش خندقی شناسایی و با استفاده از عوامل سنگ‌شناسی، شیب، جهت شیب، ارتفاع، فاصله از جاده، فاصله از آبراهه، کاربری اراضی، خاک، بارش و قابلیت اراضی اقدام به پهنه‌بندی حساسیت اراضی به فرسایش خندقی حوضه مراغه گردید. به این منظور عوامل موثر در نرم افزارهایILWIS  و ArcGIS رقومی و برای تحلیل‌های مبتنی بر تئوری مجموعه‌های فازی مورد استفاده قرار گرفتند. تحلیل‌های فازی با استفاده از نرم افزار Matlab7.1 در دو مرحله شامل تعیین توابع عضویت پیوسته فازی برای هر یک از طبقات عوامل موثر و همچنین عوامل موثر در وقوع فرسایش خندقی انجام شدند. نتایج اعتبارسنجی مدل نشان داد که حدود 87 درصد از خندق های گروه ارزیابی در طبقات با حساسیت زیاد و خیلی زیاد قرار می‌گیرند و رسوبات آبرفتی Qt1، اجزاء واحد اراضی 1،4،3 شامل فلات‌ها و تراس‌های فوقانی، خاک های T.H.X و کاربری مراتع ضعیف به عنوان عوامل اصلی و سپس به ترتیب طبقه شیب 30%- 15، حداکثر بارش روزانه 4/26-7/23 میلیمتر با دوره بازگشت دو سال، فاصله 200 متر از آبراهه و جهت های غرب و جنوب بیشترین تاثیر را در ایجاد فرسایش خندقی حوضه مراغه داشته‌اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Zoning of gully erosion susceptibility in Maragheh catchment by using Fuzzy Multi- Attribute Decision Making

نویسنده [English]

  • Soheila Rowshanzamir
payam noor university
چکیده [English]

Introduction
Assessing the impacts of climatic and land use changes on rates of soil erosion by water is the objective of many national and international research projects (e.g., Van Oost et al., 2000 Nearing., 2001 Vanacker et al., 2003 Chaplot et al., 2005). However, over the last decades, most of the related studies have mainly focused on sheet and rill erosion processes operating at the plot scale. Field-based evidence suggests that sheet and rill erosion as measured on runoff plots are not realistic indicators of total catchment erosion nor do they indicate satisfactorily the redistribution of eroded soil within a field. It is through gully erosion that a large fraction of soil eroded within a field or catchment is redistributed and delivered to water courses. Indeed, most sediment produced by interrill and rill erosion in uplands is often deposited at the foot of hill slopes or in depressions within the landscape and therefore does not reach the river channel. Hence, other sediment-generating processes in catchments such as gully or channel erosion must play an important role in the production of sediments which are transported by rivers and which cause reservoir infilling. Gully erosion is defined as the erosion process whereby runoff water accumulates and often recurs in narrow channels and, over short periods, removes the soil from this narrow area to considerable depths ( Poesen, 2003). Maragheh catchment is a sub-catchments of the Mazlaghan river in Markazy Province due to loose alluvial deposits, sparse vegetation and topographic conditions are severely affected by gully erosion. This penomena not only caused the loss of soil and degradation of agricultural and pasture land but also aggravated offsite effects of water erosion (e.g. flooding, pollution) with transferring runoff and sediment from uplands to valley bottoms and permanent channels. This research has been performed to investigate effective factors on gully erosion and designing gully erosion susceptibility zonation map in Maragheh catchment by using Fuzzy Multi- attribute Decision Making.
Study area:
Maragheh catchment, covering about 8892 ha, is located 70 Km away from west Saveh between 35˚ 19' and 35˚ 00' latitude North and between 49˚ 41' and 35˚ 00' longitude East. The study area is situated at an altitude of 1608 to 2987 meters from sea level and has a cold semi-arid climate.
Materials and Methods
In this study, the factors of litology, slope, slope aspect, elevation, distance from road, distance from river, land use, soil, precipitation and land suitability were studied for zoning of gully erosion susceptibility. These factors were obtained by using topographic maps (scale 1:25000), geologic map (scale 1:100000), aerial photographs (scale 1: 40000), IRS image (2003), data rain gauge stations, results of laboratory analysis of soil samples, and GPS tool was also used to record field observation. For production and analysis of maps, we have used software Ilwis 3.3 and ArcGIS 9.3. In the current research, zoning of gully erosion susceptibility has been performed by using Fuzzy Multi Attribute Decision Making via Maximum-Minimum operator. In this method, decision making is done in two steps. The first step, the weights of classes of effective factors was computed by way of Frequency Ratio and its normalization. After that membership functions were defined for each class of various factors. The second step, weight of each effective factor was obtained through Analytical Hierarchy Process (AHP). Then, weights obtained through AHP were used in determination of that membership functions on gully erosion. Determination of membership functions and fuzzy analysis were performed by using the software Matlab7.1. Then, output of software computed susceptibility for each pixcel in case study map transformed to ILWIS software environment and gully erosion susceptibility zonation map was made by using fuzzy Triangular and Gaussian membership function.
Results and Discussion
The results of this study showed that very high susceptibility areas were affected by litology of loose alluvial sediments of Quaternary (Qt1), soil of sandy loam or sandy clay loam, land type Plateaus and Upper Terraces, land use of poor range as the main factors. Also, this areas were affected by other factors such as slope 15-30% , maximum daily rainfall with return of two years 23/7- 26/4mm, distance from rivers 0-200m, slope aspect of the west and south and altitude of 2000-2400m.
Conclusion
In this research, gully erosion susceptibility zoning of maps were obtained in four classes by using Fuzzy Multi Attribute Decision Making (MADM) and via the Maximum-Minimum operator composition. Index Quality Sum shows that type function has no much effect on results of zoning. Solving problems via Fuzzy Multi Attribute Decision Making were done in two stages. In the first step, membership function was defined for each of the classes of factors by normalized Frequency Ratio. In the second step, priority of the factors assigned by using AHP model and then membership function was determined for the factors based on AHP model. Therefore, this method has great capability of preparing gully erosion susceptibility map zonation. As in Maximum operator numbers are trending toward zero, therefore a greater numbers of pixels are locating in very sensitivity class to gully erosion. For this reason, this operator has very little sensitivity in zoning. In Minimum operator, numbers are trending toward one. Therefore, a greater number of pixels are locating in low sensitivity class to gully erosion and has low sensitivity in zoning. In this study, for adjusting of very high sensitivity of Minimum operator and low accuracy of Maximum operator, we were used the Maximum- Minimum operator composition.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gully Erosion
  • Fuzzy method
  • Fuzzy membership functions
  • Maragheh catchment
  • باعقیده، م.، علیجانی، ب. و ضیائیان،پ (1390). بررسی امکان استفاده از شاخص پوشش گیاهی NDVI در تحلیل خشکسالی های استان               
  • اصفهان، مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، سال اول، شماره چهارم، تابستان 1390 ، صص 16- 1
  • پورقاسمی، ح. ر.، مرادی، ح. ر.، فاطمی عقدا، م.، مهدوی فر، م. ر. و محمدی، م (1390). ارزیابی عوامل ژئومورفولوژیکی و زمین شناسی در    تهیه نقشه خطر با استفاده از منطق فازی و روش سلسه مراتبی (مطالعه موردی: بخشی از حوضه آبخیز هراز )، مجله پژوهش های حفاظت آب و خاک، جلد هجدهم، شماره چهارم، صص 20- 1
  • پورقاسمی، ح. ر.، مرادی، ح. ر.، فاطمی عقدا، م.، مهدوی فر، م. ر. و محمدی، م ( 1388). ارزیابی خطر زمین لغزش با استفاده از روش تصمیم گیری چند معیاره‌ی فازی، مجله علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، سال سوم، شماره 8 ، صص 62-51 
  • پورقاسمی، ح. ر. (1386). ارزیابی خطر زمین لغزش با استفاده از منطق فازی (مطالعه موردی: بخشی از حوضه آبخیز هراز ). پایان‌نامه کارشناسی ارشد آبخیزداری تربیت مدرس، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی
  • داودی راد، ع. ا.، شادفر، ص.، ابراهیمی، ن.، زاهدی پور، ج.، پور متین، ا.، آقا رضی، ج. و قدبیگلو، ج. (1388). گزارش نهایی طرح تحقیقاتی:  واسنجی، اعتبار یابی و تکمیل مدل پیش بینی حساسیت اراضی به فرسایش خندقی در حوزه ‌های آبخیز خشک و نیمه خشک ( استان مرکزی)، وزارت جهاد کشاورزی، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری
  • روشن ضمیر، س. (1388). پهنه‌بندی خطر زمین ‌لغزش با استفاده از روش ارزش اطلاعاتی (مطالعه‌موردی: حوضه‌ی مراغه)، گزارش طرح تحقیقاتی، دانشگاه پیام نور
  • شادفر، ص.، پیروان، ح. ر.، خلخالی، ع.، جعفری اردکانی، ع.، غیاثی، ن.، طباطبایی، م. ر.، عرب خدری، م.، شریفی، ا.، سر رشته داری، ا. و سپنجی، ع. (1390). گزارش نهایی طرح تحقیقاتی:  واسنجی، اعتبار یابی و تکمیل مدل پیش بینی حساسیت اراضی به فرسایش خندقی در حوزه ‌های آبخیز خشک و نیمه خشک (طرح ملی)، وزارت جهاد کشاورزی، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، 105 ص
  • شادفر، ص. (1390). بررسی فرسایش خندقی با استفاده از روش تحلیل سلسه مراتبی در شهرستان رودبار استان گیلان، فصلنامه پژوهش های محیطی، سال اول، شماره سوم، دانشگاه هرمزگان، صص 30- 16
  • شادفر، ص. (1389). مقدمه ای بر فرسایش خندقی، چاپ اول، نشر انتخاب، 141ص
  • شمسی پور، ع. ا. و شیخی، م. (1389). پهنه بندی مناطق حساس و آسیب پذیری محیطی در ناحیه غرب فارس، با روش طبقه بندی فازی و    
  • ·فرآیند تحلیل سلسله مراتبی، پژوهش های جغرافیای طبیعی، شماره 73، صص 68- 53
  • ·صفاری، ا. و احذر، آ. (1391) مقایسه مدل نسبت فراوانی و توابع عضویت فازی در پهنه بندی خطر زمین لغزش مطالعه موردی: جاده مریوان-
  • ·سنندج، جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره 4، صص 96- 79
  • ·عیسائی، حسین، امیر حسین چرخابی و حسین اعتراف،1384، بررسی ارتباط خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک های لسی با اشکال
  • ·فرسایشی در حوضه های اترک و گرگانرود در استان گلستان، سومین همایش ملی فرسایش و رسوب،صص 639-637
  • ·فاطمی عقدا، س. م.، غیومیان، ج.، تشنه لب، م. و اشقلی فراهانی، ج. (1384). بررسی خطر زمین لغزش با استفاده از منطق فازی- مطالعه
  • ·موردی: منطقه رودبار، مجله علوم دانشگاه تهران، شماره 31، صص 64- 43
  • ·قدوسی، ج، (1382). مدل‌سازی مرفولوژی فرسایش خندقی و پهنه‌بندی خطر آن (مطالعه موردی در آبخیز زنجان رود) پایان نامه دکتری آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران
  • کوره پزان دزفولی، ا. (1387). اصول تئوری مجموعه های فازی و کاربردهای آن در مدل سازی مسائل مهندسی آب، چاپ دوم، انتشارات جهاد دانشگاهی واحد صنعتی امیرکبیر، 261 ص
  • گنجعلی، ن. (1388). بررسی عوامل موثر بر فرسایش خندقی و پهنه بندی آن در منطقه نیزار قم، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه زابل
  • مهدوی فر، م. ر. (1376). پهنه بندی خطر زمین لغزش منطقه خوش رستم (جنوب غربی شهرستان خلخال)، پایان نامه کارشناسی ارشد زمین شناسی مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، 154 ص
  • مهدوی فر، م. ر.(1379). برنامه های محاسبه پهنه بندی خطر زمین لغزش با استفاده از مجموعه های فازی، چاپ نشده
  • مهدوی فر، م. ر. و فاطمی عقدا، م.(1376). کاربرد تحلیل مجموعه های فازی در پهنه بندی خطر زمین لغزش و شرح سیستم کامپیوتری تهیه شده، مجموعه مقالات دومین سمینار زمین لغزه و کاهش خسارت آن. موسسه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله صص 145-137
  • ناجی، س. (1385). پهنه بندی خطر زمین لغزش در محور ساری- کیاسر، پایان نامه کارشناسی ارشد زمین شناسی زیست محیطی. دانشگاه صنعتی شاهرود، 85 ص
 
  • Bouchnak, H., Sfar Felfoul, M., Boussema, M.R., Snane, M.H., (2009). Slope and rainfall effects on the   volume of sediment yield by gully erosion in the Souar lithologic formation (Tunisia). Catena78, 170–177       
  • Capra, A., Porto, P., Scicolone, B., (2001). Relationships between rainfall characteristics and ephemeral gully erosion in a cultivated catchment in Sicily (Italy). Soil & Tillage Research 105 (2009) 77–87
  • Chaplot, V., Giboire, G., Marchand, P., Valentin, C., 2005. Dynamic modelling for linear erosion initiation and development under climate and land-use changes in northern Laos. Catena 63, 318–328.
  • Conforti, M., Aucelli, P.P.C., Robustelli, G., Scarciglia, F.(2011). Geomorphology and GIS analysis for mapping gully erosion susceptibility in the Turbolo Stream catchment (Northern Calabria, Italy).  Natural Hazards 56, 881–898.
  • Dlapa, P., Chrenková, K., Mataix-Solera, J., Šimkovic, I.(2011). Soil profile improvement as a by-product of gully stabilization measures. Catena 92 (2012) 155–161
  • Gabris, Gy., Kertesz, A., Zambo, L., (2003). Land use change and gully formation over the last 200 years in a hilly catchment. Catena 50, 151– 164                                                                           
  • Hajeb, A., (2007). Cation Exchange Capacity. Hajeb. Blogfa.com
  • Kompani-Zare, M., Soufi, M., Hamzehzarghani, H., Dehghani., M., (2011). The effect of some watershed, soil characteristics and morphometric factors on the relationship between the gully volume and length in Fars Province, Iran. Catena 86, 150–159
  • Lucà, F., Conforti, M., Robustelli, G., (2011). Comparison of GIS-based gullying susceptibility
  • mapping using bivariate and multivariate statistics: Northern Calabria, South Italy. Geomorphology 134, 
  • 297–308
  • Mahdavifar, M.R., and Fatemi Aghda, S.M. (2002). Application fuzzy sets analysis in landslide hazard zonation and description provided computer system, Proceeding 2st landslide and its increase      
  • Munshower F.F. (1994). Practical handbook of disturbed land revegetation Lewis, Boca Raton [etc.].
  • disasters, International Institute of Earthquake Engineering and Seismology (IIEES), pp: 137-  145         
  • Nazari Samani, A., Ahmadi, H., Jafari, M., Boggs, G., Ghoddousi, J., Malekian, A., (2009). Geomorphic
  • threshold conditions for gully erosion in Southwestern Iran (Boushehr-Samal watershed). Journal of
  • Asian Earth Sciences 35, 180–189                                   
  • Nearing, M.A., 2001. Potential changes in rainfall erosivity in the US with climate change during the 21(st) century. Journal of Soil and Water Conservation 56 (3), 220–232.
  • Nyssen, J., Poesen, J., Moeyersons, J., Luyten, E., Veyret Picot, M., Deckers, J., Mitiku, H., Govers, G.,
  • (2002). Impact of road building on gully erosion risk, a case study from the northern Ethiopian highlands.
  • Earth. Surface Processes and Landforms 27 (12), 1267– 1283.
  • Osman Salleh, K., F Mousazadeh, F., (2011). Gully erosion in semiarid regions. Procedia Social and
  • Behavioral Sciences 19, 651–661
  • Poesen, J., Nachtergale, J., Vertstraeten, G., Valentin, C., (2003). Gully erosion and. Importance and
  • research needs. Catena 50 (2–4), 91– 134.
  • Shahrivar, A., Sung, C.T., Jusop, S., Rahm, A.A., Soufi, M. (2012). Roles of SAR and EC in Gully Erosion Development (A Case Study of Kohgiloye va Boyerahmad Province, Iran). Journal of Research in Agricultural Science Vol. 8, No. 1, Pages: 1- 12
  • Strunk, H., (2003). Soil degradation and overland flow as causes of gully erosion on mountain pastures and in forests. Catena 50, 185– 198
  • Vanacker, V., Vanderschaeghe, M., Govers, G., Willems, E., Poesen, J., Deckers, J., De Bievre, B., 2003. Linking hydrological, infinite slope stability and land-use change models through GIS for assessing the impact of deforestation on slope stability in high Andean watersheds. Geomorphology 52, 299–315
  • Valentin, C., Poesen, J., Li, Y., (2005). Gully erosion: impacts, factors and control. Catena 63, 132–153.
  • Van Oost, K., Govers, G., Desmet, P., 2000. Evaluating the effects of changes in landscape structure on soil erosion by water and tillage. Landscape Ecology 15, 577–589.
  • Vanwalleghem, T., Poesen, J., Nachtergaele, J., Verstraeten, G., (2005). Characteristics, controlling under
  • factors and importance of deep gullies cropland on loess-derived soils. Geomorphology 69, 76– 91
  • Vanwalleghem, T., Van Den Eeckhaut, M., Poesen, J., Govers, G., Deckers, J., (2007).  Spatial analysis of factors controlling the presence of closed depressions and gullies under forest: Application of rare event logistic regression. Geomorphology 95, 504–517
  • Zucca, C., Canu, A., Della Peruta, R., (2006). Effects of land use and landscape on spatial distribution and
  • morphological features of gullies in an agro-pastoral area in Sardinia (Italy). Catena 88, 87–95.