مدلسازی فرسایش خاک و اولویت بندی تولید رسوب در حوضه ی سد ستارخان اهر با استفاده از مدل های MUSLE و SWAT

نوع مقاله : علمی

نویسندگان

1 استاد ژئومورفولوژی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران، (نویسنده ی مسئول)

2 استاد ژئومورفولوژی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

چکیده

چکیده 
در این پژوهش برای مدلسازی فرسایش، تولید رسوب و شناسایی زیرحوضه ­های بحرانی از نظر تولید رسوب در حوضه ­ی سد ستارخان اهر در شمال غرب کشور از مدل­ های SWAT و MUSLE استفاده شـد. بـرای این منـظور از داده­ های رسوب ماهانه­ ی ایسـتگاه اورنـگ در خروجی حوضه اسـتفاده شد. مرحله­ ی واسنجی مدل برای دوره­ ی آماری 1388-1383 و مرحله­ ی اعتبارسنجی آن برای دوره ­ی آماری 1392-1389 انجام شد. برای ارزیابی شبیه­سازی مدل از روش­های آماری شامل ضریب تعیین (R2)، ضریب نش - ساتکلیف (NS) و نسبت میانگین مجذورات خطا به انحراف معیار داده­ های مشاهد­اتی (RSR) استفاده شد. نتایج نشان داد مقادیر R2، NS و RSR برای مرحله­ ی واسنجی به ترتیب 76/0، 95/0 و 06/0 و برای مرحله­ ی اعتبارسنجی به ترتیب 96/0، 93/0 و 1/0 به دست آمد. بررسی تغییرات مکانی فرسایش و تولید رسوب نشان داد که اراضی حوضه ­ی سد ستارخان از نظر متوسط سالانه رسوب از یکدیگر تفاوت دارند. مناطق بحرانی با مقادیر تولید رسوب زیاد و خیلی زیاد در بالادست حوضه در بخش­ های شمالی، شمال شرقی، غرب و جنوب غربی قرار دارند و حدود 17/34 درصد از مساحت حوضه را شامل می­شوند. با توجه به نتایج خیلی خوب کارایی مدل، در تعیین اراضی بحرانی فرسایش و رسوب، پیشنهاد می­شود از آن در بررسی اثرات اقدامات مدیریتی و حفاظت خاک استفاده شود.

تازه های تحقیق

-

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Modeling of Soil Erosion and Prioritizing Sediment Production in Sattarkhan Dam Basin Using MUSLE and SWAT Models

نویسندگان [English]

  • Fariba Karami 1
  • Maryam Bayati Khatibi 2
1 - Professor in Geomorphology, University of Tabriz, Tabriz, Iran, (Corresponding Author),
2 Professor in Geomorphology, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Introduction
Soil erosion is one of the most serious environmental degradation problems that adversely affects many natural and human-managed ecosystems. In agricultural watersheds, soil erosion not only removes nutrient-rich top soil on site, but also degrades water quality as a result of transported sediments off site. The estimation of soil erosion is often complicated due to the complex interplay of many factors such as climate, land cover, soil, topography, lithology, and human activities. Erosion models can be used as predictive tools for soil loss assessment, conservation planning, soil erosion inventories, and project planning. Moreover, models can be used as tools for understanding erosion processes and their impact. They are basically categorized into three types of empirical, conceptual, and physical based models. Empirical models are usually statistical in nature and generally applicable only to conditions for which the parameters have been calibrated. The commonly used empirical soil erosion models are USLE, RUSLE, and MUSLE. Soil erosion based- physical models include AGNPS, WEPP, SWAT, and the like. One of the most widely applied watershed models is SWAT which has been extensively used for simulating hydrologic and water quality processes in watersheds with a wide range of scales and environmental conditions. Iran is among the most affected

 

countries in the world in terms of the extent and intensity of soil erosion. Current estimates suggest that soil erosion in Iran is around 25 tons per hectare annually which is four times greater than the world average. In the Northwest of the country, the Sattarkhan Dam has been constructed on the Aharchay River, which is the source of drinking water, agriculture, and industry in the region. In the catchment area of the Sattarkhan Dam, which includes the Aharchay upstream, physical conditions such as being mountainous and the unstability of land management such as the spread of rainforests with plowing in the direction of gradient and developmental activities cause soil erosion, sediment production, damping reservoir capacity reduction and increasing reservoir sedimentation costs. The goal of this study was to model and evaluate the spatial distribution of soil erosion in the Sattarkhan Dam basin. In this study, Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and MUSLE models were served for simulating sediment yield and identifying critical areas of soil erosion in the Sattarkhan Dam basin, located in the North West of Iran.
Methodology
The SWAT model is a continuous-time, semi-distributed, process-based river basin or watershed scale model. It was developed to predict the impact of land management practices on water, sediment and chemical yields in agricultural watersheds with varying soils, land use, and management conditions over a long period of time. It divides a watershed into sub watersheds. Each sub watershed is connected through a stream channel. In addition, each sub watershed is divided into Hydrologic Response Unit (HRU). HRU is a unique combination of soil, land use, and slope type in a sub watershed. SWAT predicts the sediment yield within each HRU using Modified Universal Soil Loss Equation (MUSEL). Sequential Uncertainty Fitting-2 (SUFI-2), a SWAT-CUP2012 sub-module computer program, was applied to optimize the parameters of the SWAT using monthly observed sediment yield data at a monitoring site in the Sattarkhan Dam basin. In this study, sediment discharges data series during 2004-2009 and 2010-2013 were respectively used for model calibration and validation. To

 
 evaluate model performance, the statistical methods consisted of the determination coefficient (R2), Nash-Sutcliffe coefficient (NS), and root mean square error observations standard deviation ratio (RSR).
Results and Discussion
Seven highly sensitive parameters were recognized for sediment yield simulation including CN2, ESCO, CH_K2, SMFMN, CH_N2, PRF, and USLE_K.  The calibration outputs for simulation showed a very good model performance for sediment yield where the values of R2, NS and RSR were respectively 0.76, 0.95, and 0.06. During the validation period, the annual sediment yield simulation of R2, NS, and RSR values were respectively 0.96, 0.93, and 0.1. Also, the results showed that the spatial pattern of the regions differed in terms of the erosion and sediment production. The critical areas were located in the upper part of the basin and sediment production was very high and high, which included about 34.15% of the area of the Sattarkhan Dam basin.
Conclution
 This study showed that the SWAT model is competent of predicting sediment yields and, hence, can be used as a tool for water resource planning and management in the study watershed. The prediction of sediment yield at ungauged watershed with SWAT could be possible under comparable topography, land use, soil management, climate condition for the purpose of soil erosion assessment, scenario analysis, and recommendation of best management practices to support watershed management initiatives in the semi-dry mountainous regions of Iran.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Soil erosion
  • Sediment production
  • SWAT model
  • MUSLE model
  • Sattarkhan Dam Basin
منابع
ـ بصیرانی، نصرالله؛ کریمی، حاجی، مقدم ­نیا و علیرضا ابراهیمی (1394)، بهینه ­سازی و تحلیل حساسیت پارامترهای مؤثر بر بار رسوب بر پایه­ ی الگوریتم SUFI2 (مطالعه­ ی موردی: حوضه­ ی آبخیز رودخانه ­ی دویرج)، مجله­ی علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک،شماره­ ی 72، صص252-243.
ـ بیاتی خطیبی، مریم و فریبا کرمی (1395)،برآورد میزان فرسایش آبی و خاک تلف شده از یک خندق در سطح حوضه­ ی آتش­ بیگ، هیدروژئومورفولوژی، شماره­ ی 7، صص 106-86.
ـ رضازاده، محمد سهیل، بختیاری بهرام، عباسپور، کریم، احمدی، محمد و مهدی(1397)، شبیه­ سازی رواناب، رسوب و تبخیر- تعرق با استفاده از سناریوهای مدیریتی برای کاهش بار رسـوب با استفاده از مدل SWAT، نشریه­ ی عـلوم و مهندسی آبخیزداری ایران، شماره­ ی 40، صص 51-41.
ـ زارع گاریزی، آرش، طالبی، علی و منیرهفرامرزی (1395)،شناسایی و اولویت بندی مناطق بحرانی حوزه آبخیز از نظر فرسایش و رسوب با مدل SWAT، نشریه­ ی مهندسی و مدیریت آبخیز، شماره­ ی 4، صص 361-350.
ـ صدوق، سیدحسن؛ حسین­زاده، محمدمهدی و فهیمه آزادی(1394)، پهنه­ بندی فرسایش در حوضه ­ی آبخیز کهمان با استفاده از سه مدل EPM، BLM و Fargas، هیدروژئومورفولوژی، شماره ­ی 2، صص 154-137.
ـ عارفی­اصل، اکرم؛ نجفی­ نژاد، علی؛ کیانی، فرشاد و عبدالرسول سلمان ماهینی(1392)، شبیه سازی رواناب و رسوب با استفاده از مدل SWAT در آبخیز چهل ­چای استان گلستان، نشریه ­ی مرتع و آبخیزداری، دوره ­ی 6 6، شماره ­ی 3، صص 446-433.
ـ عرفانیان، مهدی؛ بیاضی، منصور؛ عبقری، هیراد و اباذر اسمعلی عوری(1394)، شبیه­ سازی ماهانه دبی جریان و رسوب حوضه­ ی آبخیز نازلوچای با مدل SWAT و اولویت­ بندی نواحی تولید رسوب، نشریه­ ی مهندسی و مدیریت آبخیز، جلد 7، شماره­ ی 4، صص 562-552.
ـ غفاری، گلاله(1397)،پهنه ­بندی شدت فرسایش با استفاده از مدل SWAT در حوضه­ ی سد قشلاق، جغرافیا و توسعه، شماره­ ی 50، صص 74-55.
ـ محمدی، شاهین؛ کریم­زاده، حمیدرضا و میثم علیزاده(1397)،برآورد مکانی فرسایش خاک کشور ایران با استفاده از مدل RUSLE، اکوهیدرولوژی، شماره ­ی 2، صص 569-551.
ـ نوحه­ گر، احمد؛ کاظمی، محمد و سیدجواد احمدی (1396)، مقایسه­ ی سهم زیرحوضه­ ها در  فرسایش و رسوب با استفاده از مدل­ های ترکیبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه­ ی موردی: حوضه­ ی آبخیز تنگ بستانک، استان فارس)، هیدروژئومورفولوژی، شماره ­ی 12، صص 87-67.
-Abbaspour, K.C., Vejdani, M., Haghighat, S., (2007), SWATCUP Calibration and Uncertainty Programs for SWAT. In: Oxley, L., Kulasiri, D. (Eds.), Proc. Intl. Congress on Modeling and Simulation (MODSIM'07). Modeling and Simulation Society of Australia and New Zealand, Melbourne, Australia, PP. 1603–1609.
-Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S. and Williams, J.R. (1998), Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development. J .American Water Resources Association, Vol. 34, No.1, PP.73-89.
-Ayele, G.T., Teshale, E.Z., Yu, B., Rutherfurd, I.D., Jeong, J. (2017), Streamflow and Sediment Yield Prediction for Watershed Prioritization in the Upper Blue Nile River Basin, Ethiopia, Water, Vol.9, No,782, PP. 1-29.
-Betrie, G.D., Mohammed, Y.A., Griensven, A.V., R. Srinivasan. (2011), Sediment management modelling in the Blue Nile Basin using SWAT model. Hydrology and Earth System Sciences, Vol. 15, PP.807–818.
-Briak, H., Moussadek, R., Aboumaria, KH., Mrabet, R., (2016), Assessing sediment yield in Kalaya gauge dwatershed (Northern Morocco) using GIS and SWAT model, International Soil and Water Conservation Research,No.4, PP. 177- 185.
-Duru, U., Arabi, M., Whol, E., (2018), Modeling stream flow and sediment yield using the SWAT model: a case study of Ankara River basin, Turkey, Journal Physical Geography, Vol,39, No. 3, PP. 264-289.
-Gull, S., MA, A., Dar, A.M., (2017), Prediction of Stream Flow and Sediment Yield of Lolab Watershed Using SWAT Model.  Hydrology Current Research, Vol.8, No.1, PP. 1-9.
-Merritt, W.S., Letcher, R.A., Jakeman, A.J. (2003), A review of erosion and sediment transport models. Environmental modelling and Software, No.18, PP. 761-799.
-Moriasi, D.N.; Arnold, J.G.; Van Liew, M.W.; Bingner, R.L.; Harmel, R.D.; Veith, T.L. (2007), Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. ASABE, No.50, PP. 885–900.
-Muche, H., Temesgen, M., Yimer, F., (2013), Soil loss prediction using USLE and MUSLE under conservation tillage integrated with ‘fanya juus’ in Choke Mountain, Ethiopia, International Journal of Agricultural Sciences,Vol. 3, No.10, PP. 046-052.
-Nash, J.E.; Sutcliffe, J. (1970), River flow forecasting through conceptual models: Part I. A discussion of principle. J. Hydrol, No. 10, PP. 282–290.
-Pandey, A.; Himanshu, S.K.; Mishra, S.; Singh, V.P. (2016), Physically based soil erosion and sediment yield models revisited. Catena, No. 147, PP.595–620.
-Patrick Laceby, J., McMahon, J., Evrard, O., Olley, J. (2015), A Comparison of geological and statistical approaches to element selection for sediment fingerprinting, Soils Sediments, No.15, PP.2117–2131.
-Tran Thi Phuong, Chau Vo Trung Thong, Nguyen Bich Ngoc, Huynh Van Chuong, (2014), Modeling Soil Erosion within Small Moutainous Watershed in Central Vietnam Using GIS and SWAT, Resources and Environment,Vol.4, No.3, PP. 139-147.