دانشكده كشاورزي
پايان نامه دوره کارشناسي ارشد رشته آبياري – زهكشي
کاربرد مدل WEPP براي تخمين سيلاب، فرسايش و رسوب
مطالعه موردي: حوزه آبخيز مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز و زير حوزه خسرو شيرين از حوزه آبخيز سد ملاصدرا، استان فارس و مقايسه نتايج آن با نتايج مدلهاي ANSWERS و MPSIAC
بوسيلهي :
انسيه باقري
استاد راهنما:
دكتر سيف الله امين
شهريور ماه 89
به نام خدا
کاربرد مدل WEPP براي تخمين سيلاب، فرسايش و رسوب
مطالعه موردي: حوزه آبخيز مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز و زير حوزه خسرو شيرين از حوزه آبخيز سد ملاصدرا، استان فارس و مقايسه نتايج آن با نتايج مدلهاي ANSWERS و MPSIAC
بوسيله :
انسيه باقري
پايان نامه
ارائه شده به دانشکده تحصيلات تکميلي به عنوان بخشي از فعاليت هاي تحصيلي لازم براي اخذ درجه کارشناسي ارشد
در رشتهي
آبياري و زهکشي
از دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوري اسلامي ايران
ارزيابي و تصويب شده توسط کميته پايان نامه با درجه : عالي
امضاء اعضاي کميته پايان نامه:
دکتر سيف الله امين، استاد بخش مهندسي آب (استاد راهنما)…………………………………………….
دکتر سيد فخرالدين افضلي، استاديار بخش مناطق بياباني (استاد مشاور)…………………………..
دکتر داورخليلـي ، دانشيـار بخش مهندسي آب (استاد مشاور)……………………………………………
دکتر تورج هنــر، دانشيار بخش مهندسي آب (استاد مشاور)………………………………………………
شهريور1389
به نام خدا
اظهارنامه
اينجانب انسيه باقري (860638) دانشجوي رشته ي مهندسي کشاورزي گرايش آبياري و زهکشي دانشکده ي کشاورزي اظهارمي کنم که اين پايان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي که از منابع ديگران استفاده کرده ام، نشاني دقيق و مشخصات کامل آن را نوشته ام. همچنين اظهارمي کنم که تحقيق و موضوع پايان نامه ام تکراري نيست و تعهد مي نمايم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. کليه حقوق اين اثر مطابق با آيين نامه مالکيت فکري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام ونام خانوادگي :انسيه باقري
تاريخ و امضا: 10/7/1389
سپاسگذاري
سپاس خداوندي را که همه ي وجود از آن اوست. الهي! تنها با ستايش تو، زبان به مدح و ثنايت باز مي کنم و مي دانم که تو از روي لطف توفيق اين کار خوب را عطايم کرده اي. الهي! باور دارم که وقتي پاي گذشت و مهرباني در کار باشد، تو مهربان ترين بخشندگاني و در جايگاه بزرگي و کبريا، سرآمد قدرت هايي. معبود من! چه اندوه هاي فراواني بودند که بر من آسانشان ساختي، چه بسيار غصه هايي که از من زدودي، چه گسترده لغزش هايم که از آنها چشم پوشيدي، چه رحمت بيکراني که مرا در آن غوطه ور نمودي و چه حلقه هاي گرفتاري که دست و پايم را بسته بودند و تو آنها را باز کردي. الهي! بنده نادانت را ببخش و با همان فضل و احسان هميشگي ات او را درياب که تو بخشنده اي و کريم. اکنون که اين رساله به پايان رسيده است خود را وام دار لطف بيکران اساتيد گرانقدرم جناب دکتر سيف الله امين، دکتر فخرالدين افضلي، دکتر داور خليلي و دکتر تورج هنر مي دانم و صميمانه ترين مراتب سپاس خود را تقديم ايشان مي نمايم که در طول اين پژوهش مرا از رهنمودهاي ارزشمندنشان بهرمند ساختند. همچنين، از تمامي كساني كه به نحوي در طي اين چند سال به من كمك نمودند تقدير و تشكر مي‌نمايم.
چکيده
کاربرد مدل WEPP براي تخمين سيلاب، فرسايش و رسوب
مطالعه موردي: حوزه آبخيز مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز و زير حوزه خسرو شيرين از حوزه آبخيز سد ملاصدرا، استان فارس و مقايسه نتايج آن با نتايج مدلهاي ANSWERS و MPSIAC
توسط
انسيه باقري
فرسايش يک تهديد جدي براي منابع آب و خاک بشمار مي رود. روش هاي متنوعي براي برآورد فرسايش و رسوب حوزه هاي آبخيز در دنيا ارائه شده اند که به کمک آن ها مي توان مقادير رسوب دهي و فرسايش حوزه ها را مشخص کرد. در اين پژوهش ابتدا مقادير سيلاب، فرسايش و رسوب توسط مدل WEPP براي حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز به وسعت 62/3 هکتار تخمين زده شد و سپس مدل WEPP براي حوزه خسروشيرين از زير حوزه هاي معرف حوزه آبخيز سد ملاصدرا به وسعت 6392 هکتار نيز اجرا شد. و در نهايت نتايج بدست آمده از مدل WEPP با نتايج دو مدل ANSWERS و MPSIAC مقايسه شد. نتايج نشان داد که مقادير سيلاب، فرسايش و رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP با مقادير مشاهده شده و مقادير تخمين زده شده توسط مدل ANSWERS همبستگي خوبي داشته و مقدار R2 بين 9/0 تا 98/0 مي باشد. و آزمون آماري F-test نشان داد که اختلاف بين مقادير تخمين زده شده توسط مدل WEPP و مقادير مشاهده شده و همچنين مقادير تخمين زده شده توسط مدل ANSWERS معني دار نيست. اما در مقايسه نتايج مدل WEPP با نتايج مدل MPSIAC مشاهده شد که ميزان رسوب برآورده توسط مدل MPSIAC حدود 8/5 تن در هکتار در سال بوده که با ميزان اندازه گيري شده در ايستگاه رسوب سنجي (معادل 85/9 تن در هکتار در سال) اختلاف فاحشي دارد. در صورتي که مدل WEPP مقدار رسوب را معادل 5/10 تن در هکتار در سال تخمين زد که با مقدار رسوب اندازه گيري شده در ايستگاه رسوب سنجي تقريباً نزديک است.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه2
1-1- کلياتي درمورد مدل WEPP4
1-1-1- معايب و محدوديت هاي کاربرد مدل WEPP5
1-1-2- محاسن مدل 6
1-2- هدف 8
1-3- مدل ANSWERS 8
1-4- مدلMPSIAC 9
فصل دوم: مروري بر تحقيقات گذشته11
2-1- تقسيم بندي مدل هاي فرسايشي11
2-1-1- انواع مدل ها بر اساس ساختار فرمولي11
2-1-2- انواع مدل ها از نظر ساختار مکاني13
2-2- تکامل مدل هاي فرسايش13
فصل سوم: مواد و روش ها17
3-1- تئوري مدلWEPP17
3-1-1- معادله پيوستگي رسوب17
3-1-2- محاسبات هيدرولوژي20
3-1-2-1- تنش برشي جريان21
3-1-2-2- ظرفيت حمل رسوب22
3-1-3- نرمال نمودن22
3-1-4- پارامترهاي فرسايش پذيري خاک 24
3-2- روش تحقيق 27
3-3- مراحل اجراي مدل 27
3-4- سيماي عمومي مناطق مورد مطالعه36
فصل چهارم: بحث و نتيجه گيري46
4-1- نتايج مربوط به منطقه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز 46
4-2- نتايج منطقه خسروشيرين 60
4-3- مقايسه نتايج مدل MPSIAC و WEPP در منطقه خسروشيرين67
فصل پنجم: نتيجه گيري و پيشنهادها69
– فهرست منابع73
– پيوست78
– چکيده به زبان انگليسي
فهرست جدول ها
عنوانصفحهجدول(4-1)مقادير روانآب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه……………………………………………..48جدول(4-2)مقادير رسوب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه……………………………………………..50جدول(4-3)مقادير فرسايش خاک تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه……………………………….51جدول(4-4)مقادير روانآّب، فرسايش خاک و رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP
(بارندگي 11/12/1377)………………………………………………………………………………………..60جدول(4-5)مقادير روانآّب، فرسايش خاک و رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP
(بارندگي 30/9/1380)…………………………………………………………………………………………..61جدول(4-6)مقادير روانآّب، فرسايش خاک و رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP
(بارندگي 15/9/82)………………………………………………………………………………………………..62جدول(4-7)مقادير روانآّب، فرسايش خاک و رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP
(بارندگي 21/10/1382)………………………………………………………………………………………..63جدول(4-8)مقادير روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف……………………………………………………………………………………………..64جدول(4-9)مقادير فرسايش خاک تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS
براي بارندگي هاي مختلف……………………………………………………………………………………..64جدول(4-10)مقادير رسوب و فرسايش تخمين زده شده توسط مدل MPSIAC…………………….67جدول(4-11)مقادير رسوب و فرسايش تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي سالانه………………………………………………………………………………………………………………………68
فهرست شکل ها
عنوانصفحه
شکل (3-1)يک فايل اقليم ساخته شده براي منطقه باجگاه…………………………………………………………29شکل (3-2)يک نمونه فايل خاک ساخته شده براي منطقه باجگاه………………………………………………34شکل (3-3)يک نمونه فايل مديريت ساخته شده براي منطقه باجگاه………………………………………….35شکل (3-4)يک نمونه فايل شيب ساخته شده براي منطقه باجگاه………………………………………………36شکل (3-5)موقعيت منطقه کاليبراسيون در ايران ( گروسي، 1376)………………………………………….37شکل (3-6)موقعيت منطقه کاليبراسيون (گروسي، 1376)………………………………………………………….38شکل (3-7)نقشه خاکشناسي منطقه کاليبراسيون (گروسي، 1376)…………………………………………..38شکل (8-3)نقشه توپوگرافي منطقه کاليبراسيون (گروسي، 1376)……………………………………………..40شکل(3-9)سيماي عمومي حوزه آّبريز خسروشيرين (نوذري، 1388)………………………………………..42شکل (3-10)نقشه واحد کاري حوزه آبريز خسروشيرين (نوذري، 1388)……………………………………..43شکل (3-11)نقشه شيب منطقه خسروشيرين (نوذري، 1388)……………………………………………………..44شکل(4-1)رابطه بين مقدار روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز ……….46شکل(4-2)رابطه بين مقدار روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز ………………..46شکل(4-3)رابطه بين مقدار رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز ……….47شکل(4-4)رابطه بين مقدار رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز ………………..47شکل(4-5)رابطه بين مقدار فرسايش خاک تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز ………………………………………………………………………………………………………….47شکل(4-6)رابطه بين مقدار فرسايش خاک تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه مطالعاتي غرب دانشکده کشاورزي شيراز ………………………………………………………………………………………………………….48شکل(4-7)مقادير روانآب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه………………………………………………….49شکل(4-8)همبستگي روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک………………………49شکل(4-9)همبستگي روانآب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک………………………49شکل(4-10)مقادير رسوب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه …………………………………………………50شکل(4-11)همبستگي رسوب تخمين زده شده توسط مدلWEPP و ANSWERS براي بارندگي 9/1/1376در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک ………………………50شکل(4-12)همبستگي رسوب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………….51شکل(4-13)مقادير فرسايش خاک تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه …………………………………..51شکل(4-14)همبستگي فرسايش خاک تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………….52شکل(4-15)همبستگي فرسايش خاک مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 9/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………….52شکل(4-16)مقادير روانآب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه ……………………………………………52شکل(4-17)همبستگي بين روانآب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک ……………….53شکل(4-18)همبستگي بين روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک ……………….53شکل(4-19)مقادير رسوب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه ……………………………………………53شکل(4-20)همبستگي بين رسوب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPPبراي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک ……………….54شکل(4-21)همبستگي بين رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک ……………….54شکل(4-22)مقادير فرسايش خاک تخمين زده شده با مدل WEPP و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه …………………………………………………………54شکل(4-23)همبستگي بين فرسايش خاک مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 27/10/1375 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک ……………………………………………………………………………………………………………………………..55شکل(4-24)مقادير روانآب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه …………………………………………………55شکل(4-25)همبستگي بين روانآب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………….55شکل(4-26)همبستگي بين رواناب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………….56شکل(4-27)مقادير رسوب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه …………………………………………………56شکل(4-28)همبستگي بين رسوب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………….56شکل(4-29)همبستگي بين رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………….57شکل(4-30)مقادير فرسايش خاک تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه …………………………………..57شکل(4-31)همبستگي بين فرسايش خاک مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 4/1/1376 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک57شکل(4-32)مقادير روانآب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 5/12/1366 در منطقه باجگاه ………………………………………………58شکل(4-33)همبستگي بين روانآب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 5/12/1366 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………..58شکل(4-34)همبستگي بين رواناب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 5/12/1366 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………..58شکل(4-35)مقادير رسوب تخمين زده شده با مدل WEPP و ANSWERS و مقدار مشاهده شده اي براي بارندگي 5/12/1366 در منطقه باجگاه ………………………………………………59شکل(4-36)همبستگي بين رسوب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي 5/12/1366 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………..59شکل(4-37)همبستگي بين رسوب مشاهده شده و تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي بارندگي 5/12/1366 در منطقه باجگاه و برازش آن با خط يک به يک …………………..59شکل(4-38)نتايج تخمين زده شده توسط مدل WEPP براي زير حوزه B5KH با تغيير مديريت ………………………………………………………………………………………………………………………64شکل(4-39)رابطه بين مقدار روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه آبريز خسروشيرين …………………………………………..65شکل(4-40)همبستگي بين روانآب تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS در حوزه آبريز خسروشيرين و برازش آن با خط يک به يک ………………………………………….65شکل(4-41)رابطه بين مقدار فرسايش خاک تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS براي بارندگي هاي مختلف در حوزه آبريز خسروشيرين …………………..65شکل(4-42)همبستگي بين فرسايش خاک تخمين زده شده توسط مدل WEPP و ANSWERS در حوزه آبريز خسروشيرين و برازش آن با خط يک به يک ………………66
فصل اول
مقدمه
انسان براي ادامه حيات خود به مواد غذايي نيازمند است که دراثر وجود آب و خاک به دست مي آيد. عاملي که تامين آب و خاک را به خطر مياندازد فرسايش خاک است که مبارزه با آن اجتناب ناپذير بوده و ليکن نمي توان از وقوع آن کاملا جلوگيري کرد. ولي فعاليت هاي انسان مي تواند آن را تشديد نموده و يا کاهش دهد. همه ساله عرصه وسيعي از خاک هاي کشور ايران و ساير کشورها تحت فرسايش آبي و بادي قرار مي گيرد. در مناطقي که فرسايش خاک کنترل نمي شود خاک ها بتدريج فرسايش يافته، حاصلخيزي خود را از دست مي دهند، سبب فقير شدن خاک و متروک شدن مزارع مي گردد و از اين راه خسارت زياد و جبران ناپذيري به جا مي گذارد، همچنين با رسوب مواد فرسايش يافته در آبراهه ها، مخازن سدها، بنادر وکاهش ظرفيت آبگيري آنها زيان هاي فراواني را سبب مي گردد. بر پايه برآورد هاي انجام شده بر اثر فرسايش خاک سالانه چندين ميليون هکتار از اراضي کشاورزي جهان به کام نابودي کشيده مي شود. براساس همين برآورد پيش بيني مي شود که تا سال 2010 ميلادي يک سوم تا يک پنجم اراضي کشاورزي بر اثر فرسايش خاک عقيم و غيرقابل استفاده شوند (کاظمي، 1385). رشد روزافزون جمعيت و افزايش نياز به منابع طبيعي موجب گرديده تا مهار فرسايش خاک به عنوان امري ضروري در دهه هاي اخير مطرح گردد. متاسفانه ميزان فرسايش خاک در ايران بيشتر از ميزان متوسط جهاني است. نتايج بررسي هاي انجام شده در ايران نشان مي دهد که سالانه نزديک به 2 ميليارد تن از خاک هاي با ارزش کشور در اثر فرسايش هدر مي رود و همه ساله خسارات هنگفتي از اين طريق بر کشور وارد مي گردد. با توجه به تحقيقات انجام شده متوسط فرسايش خاک در ايران 2500 تن در کيلومتر مربع (25 تن در هکتار) در سال برآورد شده است که حدود سه تا چهار برابر متوسط فرسايش جهاني و 20 تا 30 برابر حد قابل قبول فرسايش مي باشد (جلاليان و همکاران، 1373). اين در حالي است که ميزان فرسايش در آمريکا و اروپا کمتر از يک تن در هکتار در سال مي باشد (FAO, 1994).
فرسايش خاک منجر به هدر رفت مواد غذايي خاک و بهم خوردن ساختمان خاک شده و يکي از مشکلات بزرگ اقتصادي، اجتماعي و زيست محيطي شناخته شده است. در اکثرکشورهاي جهان براي مبارزه و کنترل آن کوشش فراوان و اعتبارات هنگفتي درنظرگرفته شده است. با افزايش فعاليت هاي عمراني و تخريب منابع مورد استفاده، طبيعي به نظر مي رسد فرسايش خاک ناشي از تمرکز رواناب سطحي افزايش يابد (Wischmeier, 1978).
تاثير متقابل چهار عامل اصلي اقليم، پستي و بلندي، پوشش گياهي و فرسايش پذيري ذاتي خاک تعيين کننده مقدارفرسايش هرمنطقه است. فرسايش با هدر رفت فيزيکي خاک زمينه رابراي کاهش مولفه هاي خاک (شاخص هاي ساختمان، بافت، پايداري، مقدار عناصر غذايي … ) پديد مي آورد. استفاده غير علمي کشاورزان از خاک بخصوص در امتداد شيب، انجام خدمات اگروتکنيکي در امتداد شيب، آبياري غير اصولي و غيره باعث فرسايش جدي خاک سطحي مي شود. چنانچه بهره برداري از خاک ها بر اساس شناسايي و تعيين نوع کاربري مناسب و مبتني بر رعايت اصول صحيح و علمي باشد، ميزان فرسايش و رسوب به حداقل خود کاهش مي يابد. در اين رابطه پيش بيني فرسايش بايستي از طريق ايستگاه هاي سنجش رسوب انجام گيرد ولي به لحاظ محدوديت اين ايستگاه ها، از روش هاي مدل تجربي1 و شبيه سازي توسط مدل هاي رياضي2 استفاده مي شود. مدل هاي تجربي اساساً بر مبناي مشاهدات پايه گذاري شده اند و معمولاً آماري هستند. اين مدل ها بيشتر براي پيش بيني متوسط فرسايش به کار مي روند. اگرچه گاهي اوقات براي پيش بيني رسوب هم استفاده مي شوند. در مدل هاي رياضي خصوصيات يک سيستم يا تمام و يا بخشي از نحوه کارکرد سيستم با نمادهاي رياضي نمايش داده شده و مورد بحث رياضي قرار مي گيرد. اين مدل ها براي بيان نحوه عملکرد سيستم، چگونگي تاثير متقابل عناصر يک سيستم و براي توصيف نحوه عمل سيستم بکار مي روند (رفاهي، 1385).
در برنامه ريزي کنترل فرسايش خاک ابتدا لازم است که بررسي جامعي از عوامل مؤثر در فرسايش خاک به عمل آيد. اين بررسي ها خصوصاً در اراضي بحراني واقع در حوزه هاي آبخيز بسيار لازم و ضروري است و بدون شناسايي دقيق مختصات و شرايط آنها و تجزيه و تحليل جامع شرايط حوزه آبخيز و تهيه طرح کامل آبخيزداري، عمليات کنترل و مبارزه با فرسايش مقدور و معقول نخواهد بود.
ميزان خسارات وارده و همچنين برآورد هزينه و انجام پروژه هاي مهار و کنترل فرسايش و رسوب نيازمند آمار و اطلاعات دقيق و صحيح، روش و فرمول هاي مناسب براي مناطق مختلف يک حوزه آبخيز مي باشد. به دليل مشکلات و محدوديت هاي موجود در روش هاي مستقيم اندازه گيري فرسايش خاک و همين طور پيشرفت شايان توجهي که در درک مفاهيم و مکانيزم فرآيند فرسايش حاصل شده، ابداع مدل هاي مختلف در زمينه فرسايش و رسوب از سال ها پيش مورد توجه قرار گرفته است. تامين نيازمندي هاي فوق و ايستگاه هاي رسوب سنجي با استفاده از اندازه گيري هاي زميني دشوار و پرهزينه مي باشد، به همين دليل متخصصين آبخيزداري، هيدرولوژي و منابع آب در ارائه راه حل هاي مناسب تلاش زيادي نموده و فرمول هاي تجربي و مدل هاي رياضي را پيشنهاد کرده اند.
مدل هاي فرآيندي که بيانگر روابط منطقي بين پديده هاي فيزيکي يک حادثه فرسايش است مي تواند در تخمين مقادير کمي فرسايش با دقت بيشتري نسبت به ساير مدل هاي تجربي مورد استفاده قرار گيرد. از نتايج حاصل از بعضي مدل ها با مقادير واقعي تطبيق نزديکي داشته از اينرو استفاده از مدل هاي فرسايش و رسوب در مطالعات حوزه آبخيز افزايش يافته است. از طرفي با توجه به پيچيده بودن اکوسيستم حوزه هاي آبخيز به ويژه حوزه هاي آبخيزکوهستاني، با استفاده از امکانات رايانه اي مي توان مدل مناسبي را انتخاب و مورد بهره برداري قرار گيرد به منظور به کارگيري مدل ها در شرايط جديد، لازم است تا سازگاري آنها در اين مناطق مورد ارزيابي قرار گيرد (صادقي، 1384).
مهمترين ويژگي هاي مدل هاي شبيه سازي، ماهيت،کارايي، عموميت وسهولت کاربرد آنان مي باشد (غلامي، 1382). تکامل مدل هاي فرسايش خاک، از مدل هاي تجربي مانند معادله جهاني تلفات خاک (USLE)شروع و تا طراحي مدل هايي که اساس رياضي- فيزيکي دارند ادامه يافته است. مدل هاي رياضي ارزش تاثير تکنولوژي را بر تخمين فرسايش خاک در زمين هاي متفاوت ثابت مي کنند. مدلWEPP3 نسل جديدي از مدل هاي فرسايش خاک است که فرسايش خاک را در مقياس مکان و زمان پيش بيني ميکند. اين مدل براي زير حوزه ها و حوزه هاي کوچک براي تخمين فرسايش خاک بطور ساعتي، ماهانه و يا سالانه بکار مي رود (Pudasaini et al., 2004). در اين پژوهش مدل WEPP به منظور تخمين سيلاب، فرسايش و رسوب در دو منطقه از استان فارس استفاده شده و با دو مدل ANSWERS و MPSIAC مقايسه شده است.
1-1- کلياتي درمورد مدل WEPP
اين مدل توسط سرويس تحقيقات كشاورزي آمريكا، سرويس حفاظت منابع طبيعي آمريكا، سرويس جنگل امريكا و ساير ارگان هايي كه به نحوي با مسائل آب و خاك در ارتباط هستند استفاده مي شود. مدل فرسايش WEPP روشي بر اساس علوم هيدرولوژي و فرسايش خاك است. اين مدل قادر است فرسايش خاک و نهشته شدن آن را در داخل آبراهه ها و دامنه ها در محدوده اي با زمين هاي كاملا? هندسي تا زمين هايي كاملا? غير هندسي و متفاوت برآورد كند. اين مدل همچنين در كاربري هاي كشاورزي، مرتع، جنگل و راه ها استفاده شده است. مدل WEPPدر دو مكان دامنه و حوزه آبخيز قابل استفاده است. و با مجموعه اي از نرم افزارها در رايانه هاي شخصي قابل نصب كردن است (گلکاريان، 1383).
مدل WEPP قادر است ميزان فرسايش و رسوب و رواناب را به صورت سال هاي متوالي و يا براي رگبارهاي مستقل شبيه سازي كند. يك حوزه آبخيز شامل يك يا تعداد بيشتري دامنه است كه اين دامنه ها در حال زهكشي به داخل يك يا تعداد بيشتري آبراهه مي باشند. كوچكترين حوزه آبخيز شامل تنها يك دامنه و يك آبراهه مي باشند. مدل WEPP يك مدل فرايندياب بوده به گونه اي كه مكان هايي كه ذرات خاك از سطح زمين جدا شده به همراه مقدار برداشت مكان هايي ذرات رسوب همراه آب نهشته مي شوند و مقدار رسوب گذاري و در نهايت مكان هايي كه تنها عمل حمل رسوبات انجام مي شود را براي روي دامنه مشخص مي كند. با تركيب كردن دامنه هاي موجود روند يابي رواناب و رسوب انجام شده و كار شبيه سازي به پايان مي رسد.
داده هاي ورودي اصلي در مدل WEPP عبارتند از اقليم، خاك، مديريت، شيب و خروجي هاي اصلي شامل تلفات خاک، رسوب و رواناب است. مدل WEPP همچنين خروجي ها را به دو صورت گرافيكي و متني ارائه مي دهد كه قبل از شبيه سازي با انتخاب موارد مورد نظر امكان رويت و چاپ خواهد بود.
1-1-1- معايب و محدوديت هاي کاربرد مدل WEPP
معايب مدل WEPP را بايستي به دو دسته تقسيم کرد.
الف- معايب مربوط به مدل
ب- معايب و مشکلاتي که در اثر فقر اطلاعات پايه در کشور ما وجود دارد.
الف- معايب مربوط به مدل
1- در اين مدل کاربري مناطق شهري و مسکوني لحاظ نشده است. با توجه به اينکه در مناطق مسکوني سطح خاک به وسيله آسفالت و … پوشيده شده ميزان فرسايش به حداقل رسيده ولي ضريب روانآب به شدت افزايش مي يابد و اين مسئله خصوصا در مناطق روستايي ممکن است سبب افزايش ميزان فرسايش و حجم روانآب در مناطق پايين دست شود.
2- در نظر گرفتن طول شيب به صورت افقي، در اين مدل بر اساس نظريه آقاي فوستر4 ، فرسايش به دو دسته شياري و بين شياري تقسيم شده است. بر اساس تعريف علت ايجاد فرسايش بين شياري برخورد قطرات باران به سطح خاک و جدايي ذرات خاک در اثر نيروي وارده و حمل آن به سمت پايين است و علت فرسايش شياري، نيروي برشي جريان هاي متمرکز و کنده شدن ذرات از کناره و کف مجاري عبوري آب است. بر اين اساس طول مسير جريان، رابطه مستقيم با ميزان فرسايش شياري دارد و صحيح تر است که بجاي طول افقي، طول روي شيب در نظر گرفته شود.
ب- معايب و مشکلاتي در اثر فقر اطلاعات پايه در کشور
مهمترين مشکل در اين زمينه تکميل اطلاعات پنجره پايگاه اطلاعاتي گياه (plant database) است. در اين پنجره يکسري اطلاعات فيزيولوژيکي و فنولوژيکي از گياهان موجود در هر واحد خواسته مي شود (همانند دماي پايه براي شروع رشد، شاخص سطح برگ، نسبت انرژي به بيوماس و …) که اين قبيل اطلاعات خصوصا در مورد گياهان مرتعي يا وجود ندارد و يا بسيار اندک است.
1-1-2- محاسن مدل
1- در اين مدل هيچ يک از پارامترهاي ورودي ميانگينگيري نمي شود و پارامترها بصورت مطلق در مدل وارد مي شوند. در بسياري از مدل هايي که هم اکنون براي اندازه گيري ميزان فرسايش و رسوب مورد استفاده قرار مي گيرد، بسياري از پارامترها خصوصاً پارامتر شيب به صورت متوسط براي يک واحد کاري ارائه مي شود. در بسياري موارد متوسط گيري باعث تعديل يک پارامتر شده که خود موجب بروز خطا در برآورد فرسايش و رسوب مي شود. همچنين ورود اطلاعات شيب به صورت پروفيل طولي سبب مي شود مدل در هر بخش از دامنه ميزان فرسايش يا نهشته شدن را مشخص کند. اين مسئله در تعيين نوع و مکان اعمال مديريت بر روي دامنه کمک شاياني ميکند.
2- هيچگونه محدوديتي براي مقياس مطالعه، دقت اطلاعات ورودي و نوع منطقه مطالعاتي وجود ندارد. در برخي از مدل ها چنانچه شرايط خاصي فراهم نباشد نمي توان از آنها استفاده کرد. مثلاً درمدل RUSLE2 چنانچه نقشه توپوگرافي با گام دومتر (خطوط تراز با فواصل عمودي دو متر) وجود نداشته باشد، نمي توان از اين مدل استفاده کرد. همچنين استفاده از RUSLE2 در شيب هاي بيش از 30 درصد همراه با خطا بوده و در شيب هاي بالاي 100 درصد امکان استفاده از آن وجود ندارد ولي مدلWEPP هيچ گونه محدوديتي ندارد و فقط با داشتن ده سال آمار بارندگي و درجه حرارت (روزانه) مي توان اين مدل را اجرا کرد.
3- دراغلب مدل هاي موجود براي برآورد ميزان فرسايش و رسوب چنانچه نياز به پارامترهاي پوشش گياهي باشد، محقق معمولاً تنها يک بار و ترجيحاً در فصل رويش، در منطقه حاضر شده و اطلاعات مورد نياز را جمع آوري مي کند. اين در حالي است که روند رشد گياهان در مراتع، گوناگون است. دوران رشد برخي از گياهان يکساله ممکن است تنها دو يا سه ماه طول بکشد در حالي که گياهان بوته اي يا درختچه اي روند رشد متفاوتي دارند. چنانچه پارامترهاي گياهي (همانند درصد پوشش، ارتفاع پوشش، درصد لاشبرگ و…) تنها يکبار در سال اندازه گيري شود وضعيت اين پارامترها در سايراوقات سال در نظر گرفته نمي شود و اعداد بدست آمده در يک تاريخ به عنوان ميزان پارامترهاي اندازه گيري شده در کل سال در نظر گرفته مي شود. اما مدل WEPP با استفاده از پاره اي اطلاعات گياهي و اقليمي روند رشد گياهان را در تمام طول سال برآورد کرده و مورد استفاده قرار مي دهد.
4- مدل WEPP قادر است ميزان فرسايش و رسوب را در اراضي با کاربري هاي زراعي، مرتع و جنگل برآورد کند. اغلب مدل هايي که تاکنون براي برآورد ميزان فرسايش و رسوب ارائه شده اند تنها در يک کاربري خاص مورد استفاده قرار مي گيرند و به کار بردن آنها در کاربري هاي ديگر مجاز نمي باشد. از آنجايي که اراضي يک حوزه آبخيز ممکن است به کاربري هاي گوناگون اختصاص داشته باشد و برآورد فرسايش و رسوب از کل اين اراضي مد نظر است، مدل WEPP به راحتي مي تواند خصوصيات مربوط به هر کاربري را منعکس کرده و براي کل منطقه مورد استفاده قرار گيرد.
5- روش برآورد فرسايش و رسوب در اين مدل بدين گونه است که ابتدا با استفاده از شبکه آبراهه اي نقشه هاي موجود در منطقه دامنه هاي منتهي به هر آبراهه مشخص شده و مشخصات آن در مدل وارد شده و در نهايت ميزان فرسايش و رسوب در کليه دامنه ها و آبراهه ها برآورد مي شود، روش برآورد به اين صورت است که در کليه نقاط يک دامنه ميزان فرسايش با نهشته شدن برآورد مي شود. برآورد ميزان بدين روش به مديران حوزه آبخيز براي برنامه ريزي هر چه بهتر کمک زيادي مي کند. زيرا در اين روش مي توان حوزه آبخيز را براساس ميزان و شدت فرسايش به دقت کلاسه بندي کرد و در مکان هاي مورد نظر اقدام به اعمال حمايتي و مديريتي نمود.
6- در بسياري از مدل هايي که در حال حاضر براي تعيين ميزان فرسايش و رسوب در کشور ما استفاده قرار مي شود، ارزيابي تمام يا تعدادي از فاکتورها از طريق امتياز دهي صورت مي گيرد، اين قبيل امتيازدهيها از روي جداولي انجام مي شود که موارد موجود در آنها بر اساس شرايط کشور سازنده مدل طراحي شده است و در بسياري از موارد با شرايط موجود در کشور ما سازگار نمي باشند و کاربر مجبور است اين عوامل را براساس نظر کارشناسي خود امتياز دهي کند. همچنين در بعضي مدل ها محدوده امتيازات خيلي زياد بوده و اين موضوع سبب مي شود که تفاوت زيادي بين امتياز دهي افراد مختلف وجود داشته باشد. در مدل وپ غالب فاکتورها از طريق اندازه گيري و يا محاسبه بدست مي آيد و اعمال نظر کارشناسي به حداقل ممکن کاهش مي يابد. اين امر سبب مي شود نتايج بدست آمده از مطالعه چند کارشناس در يک منطقه به يکديگر نزديک باشد.
7- در پنجره اقليم علاوه بر شبيه سازي متوالي براي يک يا چند سال، مشخصه اي وجود دارد که به کاربر اجازه مي دهد، ميزان فرسايش رسوب و رواناب ناشي از هر رگبار را به صورت مجزا برآورد کند.
8- پويايي مدل WEPP : از سال 1981 که يک تيم ده نفره مطالعه بر روي مدل WEPP را آغاز کردند تا به امروز چندين نسخه تحت Dos و هفت نسخه تحت ويندوز اين مدل ارائه شده که آخرين نسخه آن در ماه آوريل سال 2010 در دسترس عموم قرار گرفت. در طي اين سال ها علاوه بر محققان اصلي چندين گروه و سازمان در آمريکا مشکلات و نواقص اين مدل را بررسي کرده و در هر نسخه اقدام به برطرف کردن آنها نمودند. با توجه به اينکه مطالعات بر روي مدل WEPP همچنان در دستور کار محققين قرار دارد، با گذشت زمان توانايي هاي اين مدل افزايش يافته و مشکلات آن نيز حل خواهد شد. همچنين در صورت مشاهده نواقص و مشکلاتي در مدل مي توان با مکاتبه نمودن با محققين مربوطه براي رفع آن اقدام نمود.
1-2- هدف
هدف از انجام اين تحقيق برآورد ميزان فرسايش و رسوب با استفاده از مدل WEPP در حوزه آبريز مطالعاتي دانشکده کشاورزي در منطقه باجگاه به وسعت62/3 هکتار، واقع در 15 کيلومتري شمال غربي شهر شيراز به عنوان منطقه کاليبراسيون و سپس کاربرد آن در زير حوزه خسرو شيرين از حوزه آبخيز سد ملاصدرا به وسعت 21/6391 هکتار، واقع در 97 کيلومتري جنوب غربي شهرستان اقليد و مقايسه نتايج حاصل آن با نتايج مدل ANSWERS5 و MPSIAC6 مي باشد.
1-3- مدل ANSWERS
يک مدل پخشي7 است که مي تواند ميزان سيلاب و رسوب از يک حوزه آبريز کشاورزي را به خوبي پيش بيني نمايد. بوسيله اين مدل مي توان اثرات رگبارهاي مستقل را روي يک حوزه آبريز پيش بيني کرده و نقاط حساس به فرسايش را نشان داده و به طراح اين امکان را مي دهد که با تغيير نوع کشت محصولات کشاورزي، پوشش گياهي را تغيير داده و اثرات فرسايش را با مدل سازي در حوزه بررسي نمايد (Dillaha, 1993 and De Roo et al., 1989). ساختمان کلي مدل فوق شامل يک مدل هيدرولوژيک، مدل فرسايش و رسوب، قوانين حرکت آب در جريانات سطحي، زيرزميني و در کانال ها و در نهايتا? روابط ميان آنها مي باشد و در طي آن برگاب، نفوذ، ذخيره سطحي، جريان زير سطحي، و جريان سطحي توضيح داده مي شود (امين و همکاران، 1373). مفهوم هيدرولوژي مدل ANSWERS براي تخمين نرخ رواناب در يک حوزه با در نظر گرفتن ذخيره سطحي، نفوذ و ميان يابي توسط هاگينز و مانک انجام شد بعد از آن امين، هاگينز، بيزلي و ديلاها اين مدل را اصلاح کردند تا توانايي انجام ديگر مفاهيم هيدرولوژي و کيفيت آب نظير فرسايش، زهکشي و انتقال آلودگي را داشته باشد. مدل ANSWERS يک مدل براي شبيه سازي رفتار هيدرولوژيکي، عملکرد رسوب و تمرکز رسوب است که در حوزه هاي کشاورزي به کار مي رود. اولين کاربرد آن در برنامه ريزي و تعيين استراتژي براي کنترل آلودگي از مناطق با دفعات کشت بالا است (امين، 1373). مدل ANSWERS-2000 براي ارزيابي کارآيي فعاليت هاي کشاورزي و مديريت عمليات پايه8 شهري در کاهش رسوب و انتقال مواد مغذي به جريان هاي آب و رواناب سطحي از حوزه هاي کشاورزي و شسته شدن نيتروژن از منطقه ريشه تهيه شد (Bouraoui et al., 1994). در مطالعه ممتحن(1368)، در حوزه اي به مساحت 83/4 هکتار در شمال غربي دانشکده کشاورزي شيراز، از مقايسه بين نتايج مدل ANSWERS در پيش بيني سيلاب و آنچه از طريق اندازه گيري حاصل شده بود مشاهده شد که اين مدل از قابليت کارايي بالايي در شبيه سازي توزيع زماني شدت جريان سيلاب در طول يک بارندگي، برخوردار است (Amin et al., 1990). در سال1990، Amin و Engel در حوزه Ward Road واقع در نزديکي Fort Wayne در ايالت ايندياناي آمريکا در زمينه کاربرد مدل ANSWERS مطالعه ديگري انجام دادند که نتايج آن بيان کننده توان بسيار بالاي اين مدل در پيش بيني رواناب خروجي از حوزه مي باشد.
1-4- مدلMPSIAC
مدل PSIAC در سال 1968 ميلادي توسط کميته مديريت آب در آمريکا براي محاسبه شدت فرسايش خاک و توليد رسوب مناطق خشک و نيمه خشک غرب ايالات متحده آمريکا ارائه شده است و براي اولين بار در حوزه آبخيز تحقيقاتي Walnut Gulch واقع در جنوب شرق ايالت آريزونا آزمايش گرديد. اين روش در مقايسه با ساير روش هاي تجربي موجود بيشترين عامل مؤثر در فرسايش خاک جهت محاسبه فرسايش ويژه و توليد رسوب را در نظر گرفته است. در اين روش بسته به شدت و ضعف هر عامل، عددي به آن نسبت داده مي شود. بالاخره با در نظر گرفتن مجموع اعداد به دست آمده براي فاکتورهاي مختلف ميزان رسوبدهي حوزه برآورد مي شود. در اين روش 9 عامل محيطي، زمين شناسي، خاک، آب، هوا، رواناب، توپوگرافي، پوشش زمين، کاربري اراضي، فرسايش سطحي و رودخانه اي بررسي مي شود. اين روش با توجه به معايب آن درسال 1982 اصلاح شد و به مدل MPSIAC موسوم گشت (سبحاني، 1380). اين روش براي اولين بار در ايران در سال 1352 در حوزه هاي آبخيز کشور مانند دو خواهران، کهير، زاينده رود، دز و … مورد استفاده قرار گرفت. در حال حاضر نيز براي بررسي فرسايش خاک و توليد رسوب در طرح هاي جامع کشور از اين روش استفاده مي شود (رحماني و همکاران، 1384). جليلي و حديدي (1384) برآورد کمي وکيفي فرسايش خاک و توليد رسوب به روش MPSIAC بااستفاده از GIS را مورد مطالعه قرار دادند، مقايسه نتايج حاصل از رسوبدهي حوزه با ميزان رسوب توليدي که با کاربرد ناصحيح مدل در واحدهاي هيدرولوژي به دست آمده بود، نشان دهنده اختلاف نتايج دو روش بود و ضرورت کاربرد صحيح مدل را در واحد هاي همگن رسوب زا نشان داد.
فصل دوم
مروري بر تحقيقات گذشته
جهت برخورد علمي و اصولي با فرسايش خاک و تدوين سياست هاي حفاظت آب و خاک، تعيين ميزان فرسايش ايجاد شده در حوزه هاي آبريز و ميزان رسوبات توليد شده امري ضروري مي باشد. اندازه گيري مستقيم اين مقادير به دليل هزينه هاي بسيار زياد و عدم امکان اندازه گيري در تمام حوزه هاي آبريز و همچنين نياز به دوره هاي اندازه گيري دراز مدت، به منظور تجزيه و تحليل يافته ها، امکان پذير نبوده و لذا سعي مي شود تا با استفاده از شبيه سازي اين مقادير تخمين زده شوند (USDA, 1981). دقت داده هاي تخمين زده شده ي فرسايش و رسوب هميشه کمتر از اندازه گيري مستقيم است اما در مقايسه با صرفه جويي بعمل آمده در هزينه و زمان، بر روش مستقيم برتري داشته و امروزه بيشتر مورد توجه و استفاده مي باشد.
2-1- تقسيم بندي مدل هاي فرسايشي
روش هاي مختلفي براي تقسيم بندي مدل هاي فرسايشي وجود دارد. مدل ها بر اساس ساختار فرمولي به دو دسته مدل هاي تجربي9 (رگرسيوني، شاخصي) و مدل هاي فرآيندي10 و بر اساس ساختار مکاني به دو دسته مدل هاي ميانگيني11 و مدل هاي پخشي تقسيم مي شوند که مختصري در معرفي هر کدام در ادامه خواهد آمد (Doe et al., 1999).
2-1-1- انواع مدل ها بر اساس ساختار فرمولي
الف- مدل هاي رگرسيوني12
ساختار مدل، روش استفاده براي توسعه و طراحي مدل هاي فرسايشي را تعيين مي کند. از روش هاي مورد استفاده براي مدل سازي فرسايش، کاربرد روش هاي رگرسيون آماري به منظور برازش يک معادله به يک مجموعه اطلاعات است، که بهترين برازش را بر داده هاي آزمايشي داشته باشد. کارايي اين مدل ها شديدا به کميت و کيفيت داده هايي که از آن حاصل شده اند وابسته است. از مزاياي اين مدل ها سادگي و سهولت کار با آن و



قیمت: تومان


پاسخ دهید