ارزیابی خطر فرسایش آبی با استفاده از ترکیب مدل تجدید نظر شده‌ی جهانی فرسایش خاک(RUSLE) و نقشه تراکم خندقی در حوضه آبخیز علامرودشت استان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه جغرافیا طبیعی دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان.

2 دانشجوی سابق کارشناسی ارشد ژئومورفولوژی، دانشگاه اصفهان.

10.22034/gmpj.2022.360905.1375

چکیده

فرسایش خاک و تولید رسوب یک محدودیت عمده در استفاده از منابع آب و خاک است، بنابراین فرآیندهای حاکم بر رفتار آنها برای درک بهتر سیستم‌های آبخیزداری و تبیین شیوه‌های مدیریت مناسب ضروری است. در این مطالعه به بررسی پتانسیل فرسایش آبی با استفاده از مدل تجدید نظر شده ی جهانی فرسایش خاک (RUSLE) در حوضه آبخیز علامرودشت در جنوب استان فارس که یکی از حوضه ها ی تحث تاثیر شدید انواع فرسایش های آبی (ورقه ای، شیاری و خندقی) پرداخته است. لایه‌ های ورودی این مدل عبارتند از عامل فرسایندگی بارش (R) ، عامل فرسایش پذیری خاک (K)، شاخص توپوگرافی (LS) عامل پوشش (C) و عامل عملیات مدیریتی(P) تهیه شد. نتایج نشان داد، که 44/54 درصد حوضه مورد مطالعه، در طبقه فرسایش خیلی زیاد (بیش از 60در هکتار در سال) قرار دارد که بیشتر در نواحی شمال شرق، شرق و بخش هایی از نواحی مرکزی حوضه را در برمی گیرد، در حالی که 22/32 درصد از کل مساحت حوضه در کلاس فرسایش کمتر از 20 تن در هکتار در سال می باشد، که این مناطق بیشتر در نواحی کم شیب و مرکزی حوضه مورد مطالعه واقع شده اند. در انتها با توجه به ضعف این مدل در تخمین کم میزان فرسایش در مناطق دارای فرسایش خندقی، اقدام به تهیه نقشه تراکم خندقی با استفاده از تابع تراکم کرنل (Kernel Density) در محیط GIS گردید. در نهایت این نقشه با نقشه پهنه بندی پتانسیل فرسایش آبی تلفیق گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Water Erosion Hazard Map Using the Combination of the RUSLE Model and Gully Erosion Density Map in Alamarvdasht Watershed of Fars Province, Iran

نویسندگان [English]

  • reza zakeri 1
  • Salman Falah 2
1 Isfahan
2 UI
چکیده [English]

Introduction

Soil is one of the most important natural resource and a place for cultivation. Soil erosion is the main cause of the decline in global available land resources. Water erosion is a major problem because of its socioeconomic impact and the reduction in the agriculture productivity by soil loss, leaching of organic matter, and soil nutrients as well as by reducing water availability and water retention. Quantitative estimates of soil erosion by water are a key component of land-use management plans, which are designed to protect and recover soils. The impact of soil erosion and related sediments decreases dramatically water quality and reservoir capacity in a quantitative and qualitative way. Empirical models such as the Erosion Potential Method (EPM, Flanagan and Nearing 1995), the Modified Pacific Southwest Interagency Committee Model (MPSIAC, Pacific Southwest Interagency Committee 1968 or the most commonly used Universal Soil Loss Equation (USLE, Wischmeier and Smith 1978) and its reviewed version (RUSLE, Renard et al. 1997).Water erosion is one of the most important of soil loss as one type of land degradation and desertification in many part of Iran. In this study we have applied the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) model in Alamarvdasht watershed in the south of Fars province in Iran. This study area is actually effect by different type of water erosion (sheet, rill and gullies). In this study we have applied RUSLE model in Alamarvdasht watershed with focus on gully erosion to produce a potential risk map of water erosion for the whole area.



Methodology



Our study area in this research is Alaamarvdasht watershed in south of Fars province. This area is actually effect by different type of water erosion (sheet, rill and gullies). For evaluating the severity of soil loss in our study area we have applied the RUSLE model. The input layers of the this model are, Rainfall erosivity (R-factor) is an index that describes the power of rainfall to cause soil erosion, the soil erodibility index or the K factor is defined as the rate of soil loss, the combined LS-factor describes the effect of topography on soil erosion, C is the cover-management factor, is used to reflect the effect of cropping and management practices on erosion rates and management practice factor (P-factor). The R factor has been prepared by the annual perception from the near climate stations of the study area. For K factor we have collected 23 soil samples from different part of the area and then we have determined the soil texture for each sample in laboratory and in sequence the K-factor for each point have been calculated. We have then interpolated the K-factor for whole the study area (by IDW). For C-factor also we used the Sentinel-2 data for making a LULC for the study area and then for each land use the proper score has been given. LS factor has been prepared from SRTM-30m digital elevation model (DEM) in SAGA-GIS. P-factor in this research because of any soil conservation practice in the study area assume score 1 for the whole of this layer. In the next step, by using resample function in ArcGIS10.8, all the layers have been resampled into 30m resolution then with using the raster calculator we have multiplied all the layers for generate the potential soil erosion map.



Results and Discussion

The results of the final map showed that the largest areas of the study area (54.44 %) is in the category of very high erosion class (more than 75 tons / ha/y), which includes many parts of the northeast, east, and parts of the center and southeast of the study area. While 32.22% of the total area of the basin is in the class of less than 20 tons / ha/y, these areas are mostly located in the low slope and central areas. In the end, due to the weakness of this model in estimating the low amount of erosion in areas with gully erosion, the gully density map was prepared using the Kernel Density function in the Arc GIS10.8. Finally, this map was merged with the water erosion map, and then areas with gully erosion were also classified in severe erosion class. According to the results of this research, it is very necessary to carry out soil protection and watershed management works. The RUSLE model and it combination with the index for assessment of gully erosion can be useful for evaluating of water erosion rate especially in area with deficiency of available data.



Conclusion

Empirical soil erosion models, though relatively simple, are easy to interpret physically, need minimal resources and can be worked out with readily available inputs to precisely the area with high level of soil erosion and degredation. This paper demonstrates the application of empirical soil erosion model such as RUSLE integrated with GIS and Gully density to estimate soil erosion potential and the potential zones in Almarvdasht watershed in south of Iran. The erosion severity map revealed that about 49% of the area comes under high and very high erosion category. The result would help to take appropriate erosion control methods in the severely affected areas. The results acquired from the study can assist in developing management scenarios and provide selections to policy makers for managing soil erosion risks in the most effective method for arrangement of different areas of the study area.



Keywords: Soil erosion, RUSLE model, GIS.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water erosion
  • RUSLE Model
  • GIS
ابوالوردی، ز.، صوفی، م.، و نجابت، م.،1390، مقایسه نرخ رشد آبکند در منطقه علامرودشت شهرستان لامرد در استان فارس،پنجمین کنفرانس سراسری آبخیزداری و مدیریت منابع آب و خاک کشور،کرمان.
احمدی، ح.، 1390، ژئومرفولوژی کاربردی(فرسایش آبی)، انتشارات دانشگاه تهران، چاپ پنجم، ص 688.
احمد آبادی، ع و صدیقی فر، ز.، ۱۳۹۶، 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 ۳۷،ص۸۳-۱۰۳.
انصاری لاری، ا و  انصاری، م.1395،  برآورد میزان فرسایش خاک در دشت مرودشت استان فارس با استفاده از مدل تجربی RUSLE. پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، سال چهارم، شماره ۴، ص ۱۳۴- ۱۴۹.
آرخی، ص و نیازی، ی.، 1389، بررسی کاربرد  GIS و RS برای تخمین فرسایش خاک و بار رسوب با استفاده از مدل RUSLE حوضه بالادست سد ایلام . مجله پژوهشهای حفاظت آب وخاک.
رضایی مقدم، م.، حجازی، ا.، , مزبانی، م.، 1400، برآورد فرسایش- رسوب حوضه آبریز سراب سیکان با استفاده از مدل RUSLE.  هیدروژئومورفولوژی. 3(2): 14-20.
شجاعی، س و ارست، م.، ۱۳۹۳، تعیین روند تغیرات پوشش گیاهی در منطقه تالاب هامون، با استفاده از شاخص NDVI و نرم افزار ENVI. اولین همایش ملی محیط زیست دانشگاه پیام نور، ص ۱-۸.
ذاکری نژاد، ر.، 1399، ارزیابی مدل های رقومی ارتفاع جهت تهیه نقشه پتانسیل فرسایش خندقی با استفاده از مدل مکسنت و سامانه اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز سمیرم، جنوب استان اصفهان). سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی،11 (3)،24-21.
ذاکری نژاد، ر.، وثوقی، ش.، انتظاری، م.، 1401، مقایسه دقت انواع روش‌های طبقه‌بندی‌های نظارت شده برای تهیه نقشه کاربری اراضی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز علامرودشت)،  پژوهش های فرسایش محیطی، 2:12(46)، 138-153.
محمدی، م.، مقدسه، ک.، عطاالله غلامی، ل. و امیدوار،  ا.، 1395، کاربرد مدل RUSLE در تعیین توزیع مکانی خطر هدر رفت خاک. اکو هیدرولوژی، دوره 3، شماره ۴، ص ۶۴۵ ۶۵۸.
مهندسین مشاور حاسب کرجی.، 1386، مطالعات اجرایی طرح مدیریت مناطق بیابانی علامرودشت لامرد، جلد اول، مطالعات پایه، اداره کل منابع طبیعی استان فارس، اداره امور بیابان، 134.
عبیات، م.، , عبیات، م.، عبیات، م.، 1400، بررسی تغییرات کاربری اراضی و اثر آن بر روند فرسایش خاک در حوضه باغملک با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و مدل RUSLE. محیط شناسی.
فیض نیا، س.، احزان، ک.، 1388، تعیین فرسایش پذیری نهشته های منفصل با استفاده از معادله جهانی فرسایش آب روش USLE در حوزه آبخیز دماوند. رسوب و سنگ رسوبی، شماره 4: 13-28.
یمانی، م.، موغلی، م.، کریمی، هادی.، 1390، فرسایش خندقی و تأثیر آن بر توسعه سکونتگاهی در بخش علامرودشت. فصلنامه جغرافیای طبیعی، سال چهارم، شماره ، 12.
Adediji, A., Tukur, AM., Adepoju, KA. (2010). Assessment of Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) in Katsina Area, Katsina State of Nigeria using remote sensing (RS) and geographic information system (GIS). Iran J Energy Environ 1(3):255–264.
 
Angileri, S. E., Conoscenti, C., Hochschild, V., Märker, M., Rotigliano, E., & Agnesi, V. (2016). Water erosion susceptibility mapping by applying Stochastic Gradient Treeboost to the Imera Meridionale River Basin (Sicily, Italy). Geomorphology, 262: 61-76.
Arabameri, A., Chandra, Pal S., Costache, R, Saha, A., Rezaie, F., Seyed Danesh, A., Pradhan, B., Lee S. & Hoang, N. (2021). Prediction of gully erosion susceptibility mapping using novel ensemble machine learning algorithms. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 12:1, 469-498.
Babur, E., Uslu, Ö. S., Battaglia, M. L., Diatta, A., Fahad, S., Datta, R., Fahad, S., Datta, R., Hye, M., Hussain, G.S & Danish, S., (2021). Studying soil erosion by evaluating changes in physico-chemical properties of soils under different land-use types. Saudi Society of Agricultural Sciences, 20(3): 190-197.
BCEOM (1998) Abay River Basin Integrated Development Master Plan, Main Report. Ministry of Water Resources, Addis Ababa.
Farhan, Y., Nawaiseh, S., (2015). Spatial assessment of soil erosion risk using RUSLE and GIS techniques. Environ Earth Sci. 74(6), P4649-4669.
Flanagan, DC., Nearing, MA., (1995). USDA water erosion prediction project: hillslope profile and watershed model documentation. NSERL Report No. 10. USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory, West Lafayette.
Farhan, Y., Nawaiseh, S., (2015). Spatial assessment of soil erosion risk using RUSLE and GIS techniques. Environ Earth Sci. 74(6), P4649-4669.
Ferro, V., Giordano G., Iovino, M., (1991). Isoerosivity and erosion risk map for Sicily. Hydrol Sci J 36:549–564.
Sadeghifard D, Jabari E, Ghayasian H (2004). Rainfall erosivity zonation in Iran, the first national conference on civil engineering, Sharif University of Technology, Iran. CIVILICA online journal: http://www. civilica.com/Paper-NCCE01-226_2417394703.html, 1–8. (in Persian) (last view 30.01.2015).
Ganasri, B.P., & Ramesh, H., (2015). Assessment of soil erosion by RUSLE model sensing and GIS- a case study of nethravathi basin. Geoscience frontiers,1-9.
Ganasri, B.P., & Ramesh, H., (2015). Assessment of soil erosion by RUSLE model sensing and GIS- a case study of nethravathi basin. Geoscience frontiers,1-9.
Grellier, S., Kemp, J., Janeau, J. L., Florsch, N., Ward, D., Barot, S., & Valentin, C. (2012). The indirect impact of encroaching trees on gully extension: a 64year study in a sub-humid grassland of South Africa. Catena, 98, 110-119.
Hughes, Andrew., Prosser, Ian.  (2012). Gully erosion prediction across a large region: Murray–Darling Basin, Australia. Soil research, 50:267-277.
Jahun, B, G., Ibrahim, R., Dlamini, N.S., Musa, S.M., (2015). Review of Soil Erosion Assessment using RUSLE Model and GIS. Journal of Biology, Agriculture and Healthcare, Vol5, No9, P36-47
Kayet, Na.., Pathak, K., Chakrabarty, A., Sahoo, S., (2018). Evaluation of soil loss estimation using the RUSLE model and SCS-CN method in hillslope mining areas. International Soil and Water Conservation Research, p 31-42.
Kefi, M., Yoshino, K., Setiawan, Y., Zayani, K., Boufaroua, M., (2011). Assessment of the effects of vegetation on soil erosion risk by water: a case of study of the Batta watershed in Tunisia. Environ Earth Sci 64(3):707–719.
Kheir R., Wilson J. & Deng Y. (2007). Use of terrain variables for mapping gully erosion susceptibility in Lebanon. Earth Surface Processes and Landforms, 32: 1770-1782.
Lal, R. (2001). Soil degradation by erosion. Land Degrad Dev 12:519–539.
Lee, S., Chu, M. L., Guzman, J. A., & Botero-Acosta, A., (2021). A comprehensive modeling framework to evaluate soil erosion by water and tillage. Environmental Management, 279, 111631.
Moore, I.D., BuRCH, G.J. (1986), Physical basis of the length-slope factor in the Universal Soil Loss Equation. Soil Science Society of America Journal, volume 50 (5): 1294-1298.
Pacific Southwest Interagency Committee., (1968). Report of the water management subcommittee on factors affecting sediment yield in the pacific southwest area and selection and evaluation of measures for reduction of erosion and sediment yield. ASCE, 98, Report No. HY12.
Panagosa, P., Meusburger, K., Ballabio, C., Borrellia, P., Alewell, C. (2014). Soil erodibility in Europe: A high-resolution dataset based on LUCAS. Science of The Total Environment, 479–480: 189-200.
Poesen, J., Nachtergaele, J., Verstraeten, G., Valentin, C., (2003). Gully erosion and environmental change: importance and research needs. CATENA, 50(2): 91-133. doi:https://doi.org/10.1016/S0341- 8162(02)00143-1.
Singh, S., Bhardwaj, A., Verma, V. K., (2020). Remote sensing and GIS based analysis of temporal land-use/land-cover and water quality changes in Harike wetland ecosystem, Punjab, India. Environmental Management, 262, 110355.
Shahrivar, A., Tehbconsung, C., Jusop, S., Abdul, Rahim A., Soufi, M., (2012). Roles of SAR and EC in Gully Erosion Development (A Case Study of Kohgiloye va Boyerahmad Province, Iran). J Res Agric Sci 8(1):1–12.
Shi, Z.H., (2002). Assessment of Erosion Risk with the Rusle and Gis in the Middle and Lower Reaches of Hanjiang River. 12th ISCO Conference Beijing. 73-78.
Shirazi, M.A., Boersma, L. (1984). A unifying quantitative analysis of soil texture, Soil Science Society of America Journal, 48: 142-147.
Valentin, C., Poesen, J., Yong, L., (2005). Gully erosion: impacts, factors and control. Catena 63:132–153.
Renard, KG., Freimund, JR., (1994). Using monthly precipitation data to estimate the R-factor in the revised USLE. J Hydrol. 157:287–306, European Commission Joint Research Centre Institute for Environment and Sustainability.
Renard, KG., Foster, G.R., Weesies, GA, McCool DK., Yoder, DC., (1997). Prediction soil erosion by water: a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation. Agricultural Handbook 703. US Department of Agriculture p. 404.
Tangestani, M., (2006). Comparison of EPM and PSIAC models in GIS for erosion and sediment yield assessment in a semi-arid environment: Afzar Catchment, Fars Province, Iran. J Asian Earth Sci 27:585–597.
Veihe, A. (2002). The spatial variability of credibility and its relation to soil types: a study from northern Ghana. Geoderma, 106(1):101-120.
Zakerinejad, R, Maerker, M., (2014). Prediction of Gully erosion susceptibilities using detailed terrain analysis and maximum entropy modeling: a case study in the Mazayejan Plain, Southwest Iran. Geogr Fis Din Quat 37(1):67–7.
Zakerinejad, R., Michael, M., (2015). An integrated assessment of soil erosion dynamics with special emphasis on gull in the Mazayjan basin, southwestern Iran. Natural Hazards, 79(1): 25-50. doi:10.1007/s11069-015-1700-3. 29.
Zakerinejad, R, Omran, A, Hochschild, V., Maerker, M., (2018). Assessment of gully erosion in relation to lithology in the Southwestern Zagros Mountains, Iran using ASTER data, GIS and stochastic modeling. Geografia Fisica Edinamica Quaternaria, 41(2): 95-104. doi:https://doi.org/10.4461/ GFDQ.2018.41.15. erosion in the Mazayjan basin, southwestern Iran, Nat Hazards.