Journal of Watershed Management Research

fa پیش‎ بینی مکانی فرسایش آبکندی در حوزه آبخیز سد مارون Prediction of Gully Erosion in the Maroon Dam Watershed فرسايش خاک و توليد رسوب فرسايش خاک و توليد رسوب پژوهشي Research چکیده مبسوط مقدمه و هدف: فرسایش خاک یکی از جدی&lrm;ترین مسائل زیست‌محیطی و تهدید جدی برای اراضی کشاورزی و عرصه‌های طبیعی است. از میان انواع حالت‌های فرسایش خاک، فرسایش آبکندی غالب‌ترین فرآیند تخریب زمین و حالت پیشرفته فرسایش خاک است و به همین دلیل شناسایی عوامل مؤثر و پیش‌بینی مناطق مستعد فرسایش آبکندی از عوامل کلیدی جهت مدیریت و آمایش سرزمین هستند. پیش‌بینی مکانی فرسایش خندقی با استفاده از مدل‌هایی که مبتنی بر حساسیت به فرسایش خندقی هستند و منجر به تهیه نقشه‌های خطر فرسایش می‌شود، مناسب‌ترین راهکار برای برنامه‌ریزی مدیریت اراضی در حوزه‌های آبخیز برای جلوگیری از فرسایش خندقی است. در صورت وجود نقشه پهنه‌بندی فرسایش خندقی در حوزه‌های آبخیز، می‌توان علاوه بر جلوگیری از هزینه‌های بالا به منظور کنترل فرسایش خندقی، خسارات اقتصادی و اجتماعی را از طریق اقدامات و راهکارهای مناسب کنترل کرد. با توجه به مدل‌ها و روابط موجود، می‌توان نتیجه گرفت که بیشترین تلاش‌ها در مدل‌سازی فرسایش خندقی بر مکان‌یابی خندق‌ها و همچنین پیش‌بینی احتمال یا عدم احتمال وقوع خندق متمرکز شده &lrm;اند. به طوری که به دلیل متغیر بودن عوامل مؤثر بر فرسایش خندقی، تنها بخشی از عوامل مؤثر بررسی شده‌اند. هدف از تحقیق حاضر، تعیین مهم‌ترین عوامل مؤثر بر فرسایش خندقی و اولویت‌بندی عوامل و در نهایت پهنه‌بندی نقاط خندقی و حساسیت به خندق در حوزه آبخیز سد مارون است. مواد و روش‌ها: حوزه آبخیز مارون در دامنه‌های جنوبی و جنوب غربی زاگرس میانی واقع شده است. مساحت این حوزه آبخیز ۳۸۳۷ کیلومتر مربع، حداکثر ارتفاع از سطح دریا ۳۴۲۰.۳ متر و حداقل آن ۳۷۲.۸ متر است. میانگین بارندگی سالانه ۸۱۵ میلی‌متر، میانگین دمای بلندمدت سالانه در ایستگاه‌های معرف دشت‌ها ۱۹ و ایستگاه‌های واقع در ارتفاعات ۱۶ درجه سانتی‌گراد است. بر اساس سیستم دومارتن، نوع آب و هوا مدیترانه‌ای تا نیمه‌خشک است. به&lrm;طور خلاصه، تحقیق حاضر به شرح زیر انجام شد: ۱) انتخاب منطقه، تهیه نقشه پراکندگی وقوع خندق (متغیر وابسته) و تقسیم تصادفی آن به دو دسته آموزشی یا واسنجی (۷۰ درصد) و پیش‌بینی (۳۰ درصد)، ۲) تهیه نقشه‌های ۲۳ عامل مؤثر (متغیرهای مستقل)، ۳) انتخاب عوامل مؤثر با استفاده از آزمون هم راستایی بین عوامل مؤثر و وقوع خندق‌ها، ۴) اجرای مدل، ۵) اعتبارسنجی و ارزیابی مدل و ۶) تهیه نقشه پهنه‌بندی حساسیت به فرسایش خندقی. در این پژوهش، ابتدا به &lrm;وسیله سامانه موقعیت‌یاب جهانی، موقعیت های خندق‌های ایجاد شده در حوزه آبخیز سد مارون (تخت دراز) ثبت شدند و سپس با انتقال موقعیت‌های جغرافیایی، خندق‌ها به روی تصاویر گوگل ارث محدوده‌های آبکندی ترسیم شدند. بر اساس توابع تبدیل، محدوده‌های خندق به نقاط آبکندی تبدیل شدند و به&lrm; منظور آماده‌سازی داده‌ها برای وورد به فرایند مدل سازی نقاط ثبت شده در قالب دو دسته داده‌های آموزشی (70 درصد) و آزمایشی (30 درصد) به‌ترتیب به‌منظور واسنجی و اعتبارسنجی مدل‌ها تقسیم ‌شدند. بر اساس منابع علمی و شرایط حوزه آبخیز، 23 عامل مؤثر بر وقوع فرسایش آبکندی براساس شناسایی شدند و نقشه هر کدام از عوامل تهیه شد. وزن این عوامل بر اساس نسبت فراوانی (FR) تعیین و همبستگی عوامل مؤثر با استفاده از آزمون هم‌خطی بررسی شد. در مرحله بعد، سه مدل حداکثر آنتروپی، دمپسترشفر و وزن شاهد با استفاده از داده‌های وزنی عوامل موثر و داده‌های آموزشی و آزمایشی مکانی پراکنش آبکندی مورد واسنجی و اعتبارسنجی قرار گرفتند. نقشه پهنه‌بندی فرسایش آبکندی برای هر کدام از مدل&lrm; ها تهیه و سپس بر اساس داده‌های اعتبارسنجی مدل بهینه انتخاب شد. آزمون جک‌نایف و منحنی مشخصه عملکرد (ROC) به&rlm;‌ترتیب برای تعیین آستانه‌های عوامل موثر در رخداد فرسایش خندقی و ارزیابی کارآمدی مدل‌های مورد بررسی استفاده شدند. یافته‌ها: نسبت فراوانی خندق در طبقه متوسط تا خیلی زیاد بیشتر از دو روش دیگر بود و بر اساس شاخص سطح سلول هسته طبقات، طبقه خیلی کم تا کم بیشترین میزان را داشت. نتایج اعتبارسنجی هر سه مدل حداکثر آنتروپی، دمپستر شفر و وزن شاهد بر اساس شاخص سطح زیر منحنی نشان دادند که به &lrm;ترتیب سطوح زیر منحنی در روش‌های ذکر شده به میزان 0/85، 0/81 و 0/78 بودند که دقت بالاتر مدل حداکثر آنتروپی نسبت به روش دمپسترشفر و وزن شاهد را نشان می دهد. همچنین، روش وزن شاهد کمترین دقت را میان روش‌های مورد بررسی داشت. به &lrm;طور کلی، هر سه مدل دارای درصد قابل قبولی از مساحت زیر منحنی بودند که این مسئله نشان دهنده عملکرد بالای هر سه مدل در منطقه است. پارامترهای کاربری اراضی و زمین‌شناسی با سهم مشارکت 24 و 18 درصد بیشترین سهم مشارکت را در رخداد فرسایش آبکندی داشتند. سهم&lrm; های عوامل فاصله از شبکه زهکشی، نوع خاک، فاصلی از آبراهه، ارتفاع از سطح دریا، مساحت حوضه، بارش، بافت سطحی، تراکم زهکشی، اقلیم، شیب، شاخص تفاوت پوشش گیاهی، طول شیب، سایه روشن، شاخص قدرت جریان، شاخص طبقه بندی انحناء، شاخص رطوبت توپوگرافی، وجه شیب، شاخص همگرایی، انحناء نیمرخ، انحناء دامنه و شاخص انحناء به ترتیب 17، 10، 5/2، 5، 4، 3، 2/7، 2، 1/3، 1/3، 1/1، 0/75، 0/64، 0/36، 0/27، 0/26، 0/09، 0/05، 0/03، 0 درصد بودند. نتیجه‌گیری: فرسایش آبکندی از مهمترین مخاطرات طبیعی در حوضه آبخیز سد مارون است که مستلزم توجه به مسائل حفاظت خاک و مهار فرسایش آبکندی است. در این راستا، یکی از اقدامات اولیه و مورد نیاز برای تعیین پهنه‌های حساس به فرسایش و مهار و اجرای اقدامات مدیریتی مناسب، تهیه نقشه فرسایش آبکندی است. به این منظور، از روش‌ها و مدل‌های مختلف وزن شاهد، مدل دمپسترشفر و روش آنتروپی به&lrm;منظور تهیه نقشه حساسیت فرسایش آبکندی استفاده شد. در مجموع، 23 پارامتر مؤثر در فرسایش آبکندی در سطح حوزه آبخیز شناسایی و به&lrm;عنوان متغیر مستقل برای پیش بینی فرسایش آبکندی استفاده شدند. نتایج عوامل مؤثر بر فرسایش آبکندی نشان دادند که عامل سنگ‌شناسی دارای بیشترین تاثیر بر سطح زیر منحنی بود. نتایج حاصل از تعیین وزن پارامترها نشان دادند که پارامترهای مختلف دارای میزان مشارکت متفاوت در وقوع فرسایش آبکندی بودند و پارامترهای کاربری اراضی، زمین‌شناسی با سهم مشارکت 24 و 18 درصد بیشترین سهم مشارکت را در رخداد فرسایش آبکندی داشتند. به&lrm;طور کلی، با توجه به دقت بالای نقشه حساسیت فرسایش آبکندی حاصل از مدل حداکثر آنتروپی می‌توان از آن برای انجام اقدامات مدیریتی مناسب برای جلوگیری از پیشروی و مهار فرسایش خندق در مناطق خیلی حساس استفاده نمود.   Extended Abstract Background: Soil erosion is one of the most serious environmental threats to agricultural lands and natural areas. Among the various forms of soil erosion, gully erosion is the most dominant process of land degradation and an advanced form of soil erosion. Therefore, identifying effective factors and predicting areas susceptible to gully erosion are the key factors for land management and planning. Spatial forecasting of gully erosion using models that are based on land sensitivity to gully erosion and their output leads to the preparation of gully erosion risk maps in the form of gully erosion is the most suitable strategy for land management planning in watersheds to prevent gully erosion. If there is a zoning map of gully erosion in watersheds, socioeconomic damage could be controlled through appropriate measures and strategies, in addition to preventing high costs to control gully erosion. According to the available models and relationships, it can be concluded that most efforts in gully erosion modeling have been focused on the location of gullies, as well as predicting the possibility or non-possibility of gully occurrence. As such, only a part of the effective factors have been investigated due to the variability of factors affecting the gully. The present research aims to determine the most important factors affecting the gully erosion and prioritize the factors, with final zoning of the gully points and sensitivity to the gully in the Maroon watershed. Methods: Maroon watershed is located in the southern and southwestern slopes of the Middle Zagros. The area of the watershed is 3837 km2, the maximum height from the sea level is 3420.3 m, and the minimum is 372.8 m. The average annual rainfall is 815 mm, and the long-term average annual temperature in the representative stations of the plains and the stations located in the highlands are 19 and 16 ºC, respectively. According to the Dumarten system, the climate type is Mediterranean to semi-arid. In summary, the present research was carried out as follows: 1) Selecting the area, preparation of the distribution map of gully occurrence (dependent variable), and its random division into two training or calibration (70 percent) and experimental or forecasting (30 percent) categories, 2) preparation of the maps of 23 effective factors (independent variables), 3) selecting the affecting factors using alignment test between the affecting factors and the occurrence of gullies, 4) running the model, 5) validation and evaluation of the model, and 6) preparation of a zoning map of susceptibility to gully erosion. In this study, the location of the gullies created in the Maroon Dam watershed was first recorded using a global positioning system and Google Earth images, which were converted to points based on gully polygons. Then, recorded points were divided into two groups of training data (70%) and experimental data (30%) for the purpose of calibration and validation of the models, respectively. Next, 23 factors affecting the occurrence of gully erosion were identified based on scientific sources and watershed conditions, followed by preparing a map of all factors. The weights of these factors were determined based on the frequency ratio (FR). Correlation relationships among factors were examined using the collinearity test. In the next step, three models of maximum entropy, Dempster-Schaffer, and the weight of evidence were calibrated and validated using the weighted data of the affecting factors and the training and experimental spatial data of ditch distribution. A ditch erosion zoning map was prepared for each model, and then the optimal model was selected based on the validation data. The jackknife test and Operating Characteristic (ROC) curve were used to determine the thresholds of the factors affecting the occurrence of gully erosion and to evaluate the efficiency, respectively. Results: The results showed that the ratio of gully frequency has the highest amount in the very high class based on the cell area index. The validation results in maximum entropy, Dempster-Shaffer, and the weight of evidence models based on the ROC index were 0.85, 0.81, and 0.78, respectively, indicating the higher accuracy of the maximum entropy model than the Dempster-Shaffer and the weight of evidence methods. Moreover, the weight of evidence method presented the lowest accuracy among the studied methods. In general, all three models had an acceptable percentage of ROC, which indicates the high performance of all three models. The results showed that land use and geological parameters had the highest contribution in the occurrence of gully erosion, with contributions of 24 and 18 percent, respectively. Conclusion: Gully erosion is one of the most important natural hazards in the Maroon Dam watershed, which requires attention to soil conservation and gully erosion control issues. In this regard, one of the initial and required measures to determine sensitive areas and control and implement appropriate management measures is to prepare a gully erosion map. For this purpose, different methods and models, i.e., the weight of evidence, Dempster-Shaffer model, and entropy method, were used to prepare a gully erosion sensitivity map. In total, 23 parameters affecting gully erosion at the watershed level were identified and used as independent variables to predict gully erosion. The results of the factors affecting gully erosion showed that the lithological factor had the greatest impact on the ROC. Different parameters have different levels of participation in the occurrence of gully erosion, so that land use and geology parameters, with contributions of 24 and 18 percent, had the highest contribution to the occurrence of gully erosion. In general, the high accuracy of the gully erosion sensitivity map obtained from the maximum entropy model can be used to take appropriate management measures to prevent gully erosion in very sensitive areas.   پهنه‌بندی آبکند, حوزه آبخیز تخت دراز, فرسایش خاک, کهگیلویه و بویراحمد, مدل آنتروپی, مدل دمپسترشفر, مدل وزن شاهد Entropy, Erosion, Kohgiluyeh & BoyerAhmad Province, Model, Takht Daraz Watershed, Zoning 48 68 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1914-1&slc_lang=fa&sid=1 Majid Khazaei مجید خزائی m.khazaei@areeo.ac.ir 100319475328460015819 100319475328460015819 Yes Forests, Rangelands and Watershed Management Engineering Department, Kohgiluyeh & Boyerahmad Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Kohgiluyeh & Boyerahmad, Iran بخش تحقیقات جنگل‌ها، مراتع و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان ‌کهگیلویه و بویراحمد، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، یاسوج، ایران Korush Shirani کورش شیرانی k_sh424@yahoo.com 100319475328460015820 100319475328460015820 No Water and Soil Conservation Department, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران Iman Saleh ایمان صالح khazayi64@gmail.com 100319475328460015821 100319475328460015821 No Forests, Rangelands and Watershed Management Engineering Department, Kohgiluyeh & Boyerahmad Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Kohgiluyeh & Boyerahmad, Iran بخش تحقیقات جنگل‌ها، مراتع و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان ‌کهگیلویه و بویراحمد، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، یاسوج، ایران