بررسی میزان فرسایش خاک و تولید رسوب با استفاده از مدل) RUSLE )و روش پسیاک اصلاح شده (مطالعه موردی: حوضه آبریز کال اسماعیل دره شهرستان شاهرود استان سمنان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آموزش جغرافیا، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران.

2 دانشیار گروه ژئومورفولوژی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران.

3 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، دانشگاه حکیم سبزواری، ایران.

10.22034/gmpj.2022.360813.1374

چکیده

یکی از مهمترین منابع طبیعی هر کشوری خاک است. خاک یک منبع زنده، پویا، تجدید‌پذیر در طول عمر انسان است که برای تولید غذا و همچنین توازن اکوسیستم‌ها ضروری و حیاتی به نظر می‌رسد. منابع‌آب و خاک از نظر اقتصادی و اکولوژی به عنوان ارکان اصلی منابع طبیعی و توسعه فعالیت‌های کشاورزی شناخته شده و در واقع منشا تولید مایحتاج اولیه بشر و تامین کننده نیازهای طبیعی گیاهان و موجودات زنده دراکوسیستم می‌‌باشد. بنابراین در حوضه‌های آبریز نیاز به بررسی و کنترل فرسایش رسوب وجود دارد. و برای حفاظت از هدر رفت رسوب باید تمهبدات ویزه‌ای متناسب با هر حوضه اتخاذ شود.در حوضه کال اسماعیل دره با استفاده مطالعات کتابخانه‌ای، مشاهدات میدانی، تصاویر هوایی و نقشه های GIS، فاکتور-های مدلی جهانی تجدید نظر شده فرسایش خاک(RUSLE) شامل: فرسایش پذیری باران، فرسایش پذیری خاک، طول شیب، درجه شیب، پوشش گیاهی مورد ارزیابی قرار گرفت وهمچنین عوامل 9 گانه مدل پسیاک محاسبه شد.باستفاده از نقشه‌های GIS و فرمول‌های مربوطه در مدل جهانی تجدید نظر شده فرسایش خاک، میزان فرسایش رسوب در منطقه مورد مطالعه 17.197 تن در هکتار برآورد شده و براساس مدل پسیاک نیز میزان برداشت رسوب 3.54 تن در هکتار محاسبه گردید. بنابراین از نظر شدت رسوب دهی، منطقه‌ درکلاسI و دارای فرسایش خیلی‌کم می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the rate of soil erosion and sediment production using the RUSLE model and the modified method PSIAC (case study: kal basin of Ismail , Shahrood city, Semnan province)

نویسندگان [English]

  • mohammad motamedirad 1
  • Mohamad Ali Zangane Asadi 2
  • Hossein Ajam 3
1 Department of Geography Education, Farhangian University,
2 Deanship of Hakim Sabzevari University
3 Department of Education
چکیده [English]

Sediment erosion monitoring using the revised universal equation of soil erosion and modified PSIAC method. (Case study: kal basin of Ismail valley, Shahrood city, Semnan province)




Extended Abstract



Introduction

Soil erosion and production of sediment load in the watershed has become one of the important environmental problems today, and therefore, Preventing its occurrence is one of the most important factors for protecting natural resources. Increasing soil loss in watersheds

Watershed is a continuous challenge that is caused by the increase in population and the pressure on natural resources and unsustainable cultivation in soils and lands Slope causes a decrease in production in the land (Ahmad Abadi, 2017). One of the most important factors of soil destruction and fertility reduction is soil erosion, which is increasing nowadays and leads to Loss of good agricultural soil.



Methodology

which is called the RUSLE relationship and is a function of six factors as follows:

A=R*K*L*S*C*P (2)

A: average soil loss per surface unit (tons per hectare per year)

R: rain erosion factor, K: soil erodibility factor, L: slope length, S: slope degree, C: management factor

Vegetation, P: Factor of soil protection measures

This model is still the best available erosion prediction model that can be easily applied at the local level area to be used. In this method, using the DEM map of the basin in the GIS environment and having the factors RKLSCP factors, raster maps are prepared and finally, with the correlation of these maps, the soil erosion map is obtained.

In the GIS environment, rain erosibility index maps (R), soil erodibility index (K), slope length index (L), Slope degree index (S) is prepared. Also, Landsat satellite bands 1 and 7 are used to prepare the NDVI map, Vegetation index (C) is prepared.

- Third step: modified PSIAC method

In 1968, the American Water Management Committee presented the Psiak method qualitatively. This model is based on the sum of 9 factors (X1-9)

Effective on erosion, it gives the sedimentation of the basin, according to which the erosion class of the basin can be determined. In the year

1982 Johnson and Wegbhart took these factors numerically (Y1-9) so that the model takes on a quantitative state and its accuracy to increase Factors affecting erosion in this model include: lithology, soil, climate, runoff, topography, vegetation, Land use, the current state of erosion and erosion of Khanhai River.

- Fourth step: preparing the necessary invoices:

As stated, the revised global equation of soil erosion is an empirical model of soil erosion estimation based on the global equation. Soil erosion is designed. This model, in addition to being able to use data such as the physical characteristics of the basin and Meteorological stations can estimate the amount of soil erosion, it also enables the spatial distribution of soil erosion.



Results and Discussion

In this regard, in order to calculate the average loss of soil per surface unit (tons per hectare per year), the following factors were examined and calculated and prepared:

- Slope degree:



S=L* H/A S =541781.94*20/144538670=0.074 S=0.074*100=7.4

- Slope length:

Basin slope length 16.03 square kilometers were calculated.

Then, the erosive factors of precipitation, soil erodibility, slope length, slope degree, vegetation cover and protective measures were calculated and put in relation to the global equation as follows:

R=8.86*0.376*0.72*7.17*1 R=17.197

Also, 3 factors involved in the modified Psiak model were calculated as follows and placed in the relevant section as follows:

Q = 0253e^(0/036R) Q = 0.253*〖2.718〗^2.641 0.253×14.02=3.54



Conclusion

In this research, by preparing different layers of information, the state of sediment erosion and the amount of sediment production were determined. According Based on the amount of sediment production calculated and comparing this number with the sediment determination table, it can be said that the basin In terms of sedimentation and erosion, Kal Ismail Dara is in Class I and among the areas with very low intensity of sedimentation. The studied basin has a maximum height of 2000 meters and a minimum height of 1320 meters and in terms of topography (82.38) percent of the region includes, as well as the mountainous region with an area of 25.43 square kilometers, 17.61 percent of the basin includes In this research, using the Revised Universal Equation of Soil Erosion (RUSLE) (sediment erosion rate in the basin)

17.197 tons per hectare per year was obtained in Kal Ismail Valley, and other researchers used the same model for basins.They have calculated different figures. So that Artman et al. (2011) in Navroud, the rate of sediment erosionSediment erosion is 0-100 tons per hectare per year, Mousavi (2015) (in Shahroud-Miami, Mohammadi et al.) (2016)

Taaler, Mahmoudi and Naqshbandi (2019) (in Gavshan dam, Arman et al.(2015) in Teng Sarkh dam, Mozbani et al.( 2021) In Sikan, the amount of sediment erosion was calculated as 2.31-68.185, 0-92.01, 35.2 and 62.17 tons per hectare respectively.

Other researchers have also provided different figures for different basins using the PSIAC method. Rostaminia and Safarlaki (2017) In the Cham Gardalan basin, Eylamra 9.6, Alipour et al. (2016) in the Iver basin, 2.95 and Divasalari et al. (2013) in Solqan Qom, Nasiri et al. (2021) in Bakhtar, Qochan and Ghafari et al. (2015) in Cannes, the amount of sediment erosion

They calculated 19.85, 4.5-84.2, 4.6-4.17 and 72.78 tons per hectare respectively. The basin of Kal Ismail Dara has an elongated shape



Keywords: Sediment erosion, watershed, revised global equation of soil erosion

کلیدواژه‌ها [English]

  • erosion
  • sediment
  • basin
  • soil erosion
احمد آبادی، ع.، صدیقی فر،ز.،1396. برآورد میزان فرسایش و تولید رسوب با کمک معادله جهانی فرسایش خاک اصلاح شده(RUSLE) در حوضه آبریز حبله رود. فصل­نامه جغرافیای طبیعی، سال دهم، شماره 37، پاییز 1396ص103-83
آرمان، ن.، سلاجقه، ع.،فیض نیا، س.،احمدی، ح.،قدوسی، ج.،کیانی راد، ع.،1394. تعیین حوضه­های آبخیز همگن جهت برآورد فرسایش رسوب با استفاده از روش­های مختلف تحلیل خوشه­ای( مطالعه موردی: دامنه شمالی البرز)، مرتع وآبخیزداری، مجله منابع طبیعی ایران دوره 69، شماره 2، تابستان 1395، ص273-261.
ارخی، ص.، بارنی، شهرام.، عمادالدین، س.، 1400، پهنه بندی خطر فرسایش برآورد رسوب در حوضه چم­گردلان( استان ایلام با استفاده از مدل تجدید نظر شده جهانی فرسایش خاک(RUUSLE)، مجله مخاطرات محیط طبیعی.
امانپور، س.، عبیات،م.، عبیات، م.، عبیات، م.، بررسی اثر تغییرات کاربری اراضی بر فرسایش خاک و تولید رسوب در حوضه رامهرمز با استفده از طبقه بندی شیء گرا و مدلRUSLE، مجله تحقیقات آب و خاک ایران(مجله علوم کشاورزی ایران)، دوره 52، شماره3، خرداد 1400، ص 649 – 635.
امینی، ع.، کرمی مقدم، م.، سدری، م.، کاظمی، س.، تعیین میزان فرسایش رسوب با استفاده از روشMPSIAC و سامانه GIS در حوضه خور خوره استان کردستان، نشریه سنجش از دور GIS ایران.
دیوسالار، ا.، و ذبیحی، ع.، و شعبانی، م.، و ابراهیمی، ش.، و حمیدیان، س.،1392. برآورد حجم رسوبات و بررسی عوامل محیطی موثر بر آن با استفاده از مدل MPSIAC در محیط GIS (مطالعه موردی: حوزه آبخیز سولقان قم). پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز, 4(7), 101-113. https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=232314
رودباری موسوی، م.م.، امیری، ا و جاماسبی، ح.،1396. بررسی و برآورد رسوبگذاری رودخانه قزل اوزون در مخزن سد سفید رود با استفاده از مدل HFC-RAS ، تحقیقات منابع ایران، سال سیزدهم، شماره 3، پاییز 1396،  ص186-181.
علی پور، ن.، فرزانه پی، ف.، ترابی، ع.، بخشی نیا، س.،  مصباح زاده، ط.، سلاجقه، س.، 1395. نشریه اکوسیستم­های طبیعی ایران، پاییز 1395، دوره7، شماره3، ص38-29.
غفاری، گ.، و احمدی، ح.، و بهمنی، ا.، و نظری سامانی، ع.،1394. ارزیابی اثر طرح آبخیزداری حوضه آبخیز کن بر میزان فرسایش و رسوب. مرتع و آبخیزداری (منابع طبیعی ایران), 68(3), 607-624. ttps://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=268528
گلی مختاری، ل.،  شفیعی، ن.، رحمانی، ا .،1397. برآورد میزان فرسایش خاک با استفاده از مدل (RUSLE) مطالعه موردی حوضه آبریز نورآباد ممسنی، مجله اکوهیدرولوژی ، شماره 17، زمستان 1397، ص21-1.
محمدی، م .، فلاح، م.، کاویان، ع.ا.، غلامی، ل.، امیدوار، ا.، 1395.کاربرد مدل RUSLE در تعیین توزیع مکانی خطر هدر رفت خاک، مجله هیدرولوژی، دوره 3، شماره 4 ، زمستان1395، ص658-645.
محمودی، م.، و نقشبندی، س.،1398. برآورد میزان فرسایش خاک با استفاده از مدل RUSLE و داده های سنجش از دور در حوضه آبخیز سد گاوشان. آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی), 33(6 ), 845-856. https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=540733
مددی، ع.، نیک پور، ش.، 1392. برآورد فرسایش خاک وتولید رسوب در حوضه آبخیز رودخانه زال با استفاده از روش پسیاب   و پسیاب اصلاح شده و GIS، مجله پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال دوم، شماره 1، تابستان 1392ص 154-133.
مرادی، ی.، محمدی لیمانی، س.،خانمحمدی، م.، لوهمندر، پ.،1394. برآورد فرسایش وتولید رسوب با مدل EPM در حوزه آبخیز زماکن با استفاده از GIS  ، مجله پژوهش های فرسایش محیطی ، بهار 1394،   ص 26-13.
مزبانی، م.، و رضایی مقدم، م.، و حجازی، ا. (1400). ارزیابی خطر فرسایش خاک در کاربری های اراضی با استفاده از معادله اصلاح شده جهانی فرسایش خاک (مطالعه موردی: حوضه آبریز سیکان). جغرافیا و مخاطرات محیطی, 10(37 ), 41-63. https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=565192
موسوی، س.ح.، 1394. برآورد میزان فرسایش خاک در حوضه آبخیز شاهرود – میامی با استفاده از مدل SLMSA وتکنیک GIS ، مجله آمایش جغرافیایی فضا، فصلنامه علمی – پزوهشی دانشگاه گلستان سال هفتم، شماره مسلسل بیست وچهارم.
نصیری،ی .، تقدیسی، س.،  محمودی قرایی، م.ح .، محبوبی، ا .، خانه باد، م .، صداقت نیا، م .، پاسبان،ع .،1400. ارزیابی فرسایش خاک و تولید رسوب با به کارگیری مدل پسیاک اصلاحی و GIS در حوضه آبریز عشق آباد- سوله (جنوب باختر قوچان)، دوره 9، شماره 17 - شماره پیاپی 17، تیر 1400، صفحه 65-82
نور؛ ح.، عرب خدری، م.، 14001، برآورد فرسایش خاک و نسبت تحویل رسوب با استفاده از مدل RUSLE  در پایگاه تحقیقات حفاظت خاک سنگانه، مجله مدل سازی و مدیریت آب و خاک ، روره 3، شماره 1، فروردین 1402، ص 63 – 42.
هنرمند، م.، اسدی، ح.، وظیفه دوست، م.، موسوی، س.ع.،1390.  ارزیابی خطر فرسایش خاک با استفاده از مدل جهانی تلفات خاک اصلاح شده، سامانه اطلاعات جغرافیایی و سنجش­از­دور در حوضه آبخیز ناورود، دوازدهمین کنگره علوم خاک ایران، تبریز، 12 الی 14 شهریور 1390.
Birhan Getachew a,c, Busnur R. Manjunatha b Gangadhara H. Bhat Assessing current and projected soil loss under changing land use and climate using RUSLE with Remote sensing and GIS in the Lake Tana Basin, Upper Blue Nile River Basin, Ethiopia Contents lists available at ScienceDir 24(2021) 907-918  
Devente,J.. poesen.. Bazzo, p.. van Rompaey, A. & verstraeten, G. (2006) predicting Catchment sediment yield mediterranean Environmennts: the Importance of sediment sources and Connect ivity in Italian Drainage Basins, Earth Surface Processes and Landfroms, Vol. 31, No. 8,pp. 1017-1034                                                                                         
Pei Tian a, *, Zhanliang Zhu a, b, Qimeng Yue a, b, Yi He a, Zhaoyi Zhang c, Fanghua Hao a, Wenzhao Guo d, Lin Chen c, Muxing Liu a Soil erosion assessment by RUSLE with improved P factor and its validation: Case study on mountainous and hilly areasofHubei Province, China nternational Soiland Water Conservation Research 9 (2021)433-  444
Engin Gürtekin a,, Oğuz Gökçe Estimation of erosion risk of Harebakayiş sub-watershed, Elazig, Turkey, using GIS based RUSLE model Environmental Challenges 5(2021)   
Renard, K.G., Ston, J. J., 1982, Sediment Yield from Small Semiarid Range Land Water
Sheds. USDA- SEA-ARM, Western series- No. 26, 129-144.   
Renard K, Foster G, Weesies G, McCool D, Yoder D. Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss EquationRUSLE). US Department of Agriculture (Ed.), Agricultural Handbook. US Department of Agriculture, Washington. 1997;703:1–251    
    Zandi, J. (2012). Prioritization of controlling area on soil erosion using RS & GIS Techniques: a case study from Vazroud watershed, Mazandaran Province (In Persian). M.Sc thesis. University of Sari agricultural sciences and natural resources. 161p.   
Shi, Z.H., Cai, C.F., Ding, S.W., Wang, T.W., Chow, T.L., (2004), "Soil conservation planning at the small watershed level using RUSLE with GIS: a case study in the Three Gorge Area of China", Catena, 55:33-48  
Wischmeier, W.H., & Smith, D.D., (1978), Predicting rainfall erosion, losses: a guide toconservation planning, Agriculture Handbook, Vol. 537. US Department of Agriculture, Washington, DC, PP. 58-77 
Lin, C., Lin, W., Chou, W. (2002), Soil erosion prediction and sediment yield estimation: theTaiwan experience, Soil Tillage Res, No. 68, PP. 143–152.