ارزیابی عملکرد شاخص‌های پیوستگی رسوب و ظرفیت انتقال رسوب در تحلیل مکانی الگوی شار رسوب حوزة آبخیز نی‌ریز استان فارس

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان فارس، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

2 استادیار، بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان کردستان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، سنندج، ایران

3 استاد پژوهشکدة حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

4 استاد، گروه جغرافیا و مطالعات محیطی، کالج هنرهای لیبرال، دانشگاه ایالتی تگزاس، سن‌مارکوس، ایالت متحدة آمریکا

10.22098/mmws.2024.15007.1454

چکیده

بررسی الگوی مکانی شار رسوب در حوزة آبخیز در تدوین برنامه‌های مدیریت جامع حوزة آبخیز و اقدامات مهار فرسایش و رسوب اهمیت ویژه‌ای دارد. اگرچه شاخص‌ها و مدل‌های مختلفی در این زمینه توسعه یافته، اما تاکنون عملکرد آن‌ها بر اساس داده‌های مشاهداتی و روش‌های آماری ارزیابی نشده است. هدف از انجام این تحقیق، تحلیل الگوی شار رسوب حوزة آبخیز نی‌ریز واقع در شرق استان فارس، مبتنی بر شاخص‌های پیوستگی ‌رسوب و ظرفیت انتقال رسوب و مقایسة عملکرد آن‌ها بر اساس شواهد رسوب میدانی است. بدین منظور، ابتدا، مدل رقومی ارتفاع زمین با قدرت تفکیک مکانی 5/12 متر تهیه و شبکة زهکشی حوزة آبخیز استخراج شد. شاخص پیوستگی ‌رسوب بر اساس مؤلفه‌های بالادست و پایین‌دست هر پیکسل و با در نظر گرفتن عامل ناهمواری به‌عنوان عامل مقاومت جابه‌جایی رسوب محاسبه و نقشة پیوستگی ‌رسوب حوزة آبخیز ساخته شد. نقشة شاخص ظرفیت انتقال رسوب نیز بر اساس مفهوم زمین‌ریخت‌سنجی، با استفاده از لایة مدل رقومی ارتفاع زمین تهیه شد. پس از انجام بازدیدهای میدانی از بخش‌های مختلف حوزة آبخیز، شواهد مربوط به شار رسوب بررسی و موقعیت آن‌ها با استفاده از سامانة مکان‌یابی جغرافیایی ثبت شد. در نهایت، با استفاده از روش‌های ارزیابی مبتنی بر ماتریس خطا (آمارة مهارت صحیح (TSS)، کارایی (E) و امتیاز F (F-score)) صحت‌سنجی شاخص‌های پیوستگی ‌رسوب و ظرفیت انتقال رسوب به‌صورت کمی انجام گرفت. بر اساس یافته‌ها، شاخص پیوستگی ‌رسوب با آمارة مهارت صحیح (TSS) 833/0، مقدار کارایی (E) 916/0 و امتیاز F (F-score) 915/0، عملکرد بهتری نسبت به شاخص ظرفیت انتقال رسوب (633/0TSS=، 816/0E=، 825/0F-score=) داشته است. علاوه‌بر آن، با استناد به مقادیر مؤلفة نادرست مثبت در ماتریس خطا، شاخص ظرفیت انتقال رسوب در بسیاری از موقعیت‌ها، پتانسیل شار رسوب را بالا پیش‌بینی نمود. در حالی‌که در مشاهدات میدانی، صحت نداشته است. در نهایت، تحلیل‌ها نشان داد که ماهیت و مدل مفهومی شاخص‌ها نقش مهمی در توصیف شار رسوب حوزة آبخیز نی‌ریز داشته است. به‌گونه‌ای که شاخص پیوستگی ‌رسوب با در نظر گرفتن مؤلفه‌های بالادست و پایین‌دست هر نقطه، سعی در شبیه‌سازی فرآیند انتقال رسوبات را دارد. بر اساس یافته‌ها، شاخص پیوستگی ‌رسوب از قابلیت‌های زیادی برای پایش الگوی شار رسوب در حوزه‌های آبخیز برخوردار بوده و پیشنهاد می‌شود که در مطالعات آبخیزداری به آن توجه شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Allouche, O., Tsoar, A., & Kadmon, R. (2006). Assessing the accuracy of species distribution models: prevalence, kappa and the true skill statistic (TSS). Applied Ecology, 43(6), 1223-1232. doi:10.1111/j.1365-2664.2006.01214.x
Arab, S., Segar, Y., Naderi Khorasgani, M., Asadi, M., & Kia., P. (2020). Estimation of runoff, sediment discharge and recognition geomorphometric factors using DTM in Bahadorbeyg Basin. Watershed Engineering and Management, 12(2), 467-480. doi:10.22092/ijwmse.2019.123155.1539 [In Persian]
Arabkhedri, M., Gherami, Z., Bayat, R., Nabipeylashkarian, S., Pashutani, P., & Shokrisaghazchi, I. (2022). Investigating erosion and sedimentation areas in plowed soil using the sediment binding index. Final report of research project, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, 96 pages. [In Persian]
Arabkhedri, M., Heidary, K., & Parsamehr, M.R. (2021). Relationship of sediment yield to connectivity index in small Watersheds with similar erosion potentials. Soils and Sediments, 21(7), 1-10. doi:10.1007/s11368-021-02978-z
Batista, P.V., Fiener, P., Scheper, S., & Alewell, C. (2022). A conceptual-model-based sediment connectivity assessment for patchy agricultural catchments. Hydrology and Earth System Sciences26(14), 3753-3770. doi:10.5194/hess-26-3753-2022
Borselli, L., Cassi, P., & Torri, D. (2008). Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape: A GIS and field numerical assessment. Catena, 75, 268-277. doi:10.1016/j.catena.2008.07.006
Bracken, L.J., Turnbull, L., Wainwright, J., & Bogaart, P. (2015). Sediment connectivity: a framework for understanding sediment transfer at multiple scales. Earth Surface Processes and Landforms, 40(2), 177-188. doi:10.1002/esp.3635
Buter, A., Spitzer, A., Comiti, F., & Heckmann, T. (2020). Geomorphology of the Sulden River basin (Italian Alps) with a focus on sediment connectivity. Journal of Maps, 16(2), 890-901. doi:10.1080/17445647.2020.1841036
Cavalli, M., & Marchi, L. (2008). Characterization of the surface morphology of an alpine alluvial fan using airborne LiDAR. Natural Hazards Earth System Sciences, 8, 323-333. doi:10.5194/nhess-8-323-2008
Cavalli, M., Trevisani, S., Comiti, F., & Marchi, L. (2013). Geomorphometric assessment of spatial sediment connectivity in small Alpine catchments. Geomorphology, 188, 31-41. doi:10.1016/j.geomorph.2012.05.007
De Roo, A.P.J., (1998). Modelling runoff and sediment transport in catchments using GIS. Hydrological Processes, 12(6), 905-922. doi:10.1002/(SICI)1099-1085(199805)12:6<905::AID-HYP662>3.0.CO;2-2
Derakhshan-Babaei, F., Mirchooli, F., Mohammadi, M., Nosrati, K., & Egli, M. (2022). Tracking the origin of trace metals in a Watershed by identifying fingerprints of soils, landscape and river sediments. Science of The Total Environment, 835, 155583. doi.:10.1016/j.scitotenv.2022.155583
Frattini, P., Crosta, G., & Carrara, A. (2010). Techniques for evaluating the performance of landslide susceptibility models. Engineering Geology, 111(1-4), 62-72. doi:10.1016/j.enggeo.2009.12.004
Fryirs, K.A., Brierley, G.J., Preston, N.J., & Kasai, M. (2007). Buffers, barriers and blankets: the (dis)connectivity of catchment-scale sediment cascades. Catena, 70(1), 49-67. doi:10.1016/j.catena.2006.07.007
Gay, A., Cerdan, O., Mardhel, V., & Desmet, M. (2016). Application of an index of sediment connectivity in a lowland area. Journal of Soils and Sediments, 16, 280-293. doi:10.1007/s11368-015-1235-y
Gerami, Z., Arabkhedri, M., Karimi, A., & Asadi, H. (2023). A Review of fundamentals and applications of sediment connectivity index in soil erosion studies. Iranian Journal of Soil and Water Research, 53(9), 2191-2208. doi: 10.22059/IJSWR.2022.345385.669310 [In Persian]
Heckmann, T., Cavalli, M., Cerdan, O., Foerster, S., Javaux, M., Lode, E., Smetanova, A., Vericat, D., & Brardinoni, F. (2018). Indices of sediment connectivity: opportunities, challenges and limitations. Earth-Science Reviews, 187(12), 77-108. doi:10.1016/j.earscirev.2018.08.004
Hirschberg, J., Badoux, A., McArdell, B.W., Leonarduzzi, E. & Molnar, P. (2021). Evaluating methods for debris-flow prediction based on rainfall in an Alpine catchment. Natural Hazards and Earth System Sciences, 21(9), 2773-2789. doi:10.5194/nhess-21-2773-2021
Houben, P. (2008). Scale linkage and contingency effects of field-scale and hillslope-scale controls of long-term soil erosion: Anthropogeomorphic sediment flux in agricultural loess Watersheds of Southern Germany. Geomorphology, 101(1), 172-191. doi:10.1016/j.geomorph.2008.06.007
Kalantari, Z., Cavalli, M., Cantone, C., Crema, S., & Destouni, G. (2017). Flood probability quantification for road infrastructure: Data-driven spatial-statistical approach and case study applications. Science of the Total Environment, 581-582, 386-398. doi:10.1016/j.scitotenv.2016.12.147
Keesstra, S., Nunes, J.P. Saco, P., Parsons, T., Poeppl, R., Masselink, R., & Cerda, A. (2018). The way forward: Can connectivity be useful to design better measuring and modelling schemes for water and sediment dynamics?. Science of The Total Environment, 644, 1557-1572. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.06.342
Kheir, R.B., Wilson, J., & Deng, Y. (2007). Use of terrain variables for mapping gully erosion susceptibility in Lebanon. Earth Surface Processes and Landforms: The Journal of the British Geomorphological Research Group, 32(12), 1770-1782. doi:10.1002/esp.1501
Liu, W., Shi, C., Ma, Y., & Wamg, Y. (2022). Evaluating sediment connectivity and its effects on sediment reduction in a catchment on the Loess Plateau, China. Geoderma, 408, 115566. doi:10.1016/j.geoderma.2021.115566
Llena, M., Vericat, D., Cavalli, M., Crema, S., & Smith, M.W. (2019). The effects of land use and topographic changes on sediment connectivity in mountain catchments. Science of the Total Environment, 660, 899-912. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.12.479
López-Vicente, M., & Ben-Salem, N. (2019). Computing structural and functional flow and sediment connectivity with a new aggregated index: A case study in a large Mediterranean catchment. Science of the Total Environment, 651, 179-191. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.09.170
Lu, X., Li, Y., Washington-Allen, R.A., & Li, Y. (2019). Structural and sedimentological connectivity on a rilled hillslope. Science of the Total Environment, 655, 1479-1494. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.11.137
Mishra, K., Sinha, R., Jain, V., Nepal, S., & Uddin, K. (2019). Towards the assessment of sediment connectivity in a large Himalayan river basin. Science of The Total Environment, 661, 251-265. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.01.118
Najafi, S., Dragovich, D., Heckmann, T., & Sadeghi, S.H.R. (2021). Sediment connectivity concepts and approaches. Catena, 196, 104880. doi:10.1016/j.catena.2020.104880
Najafi, S., Sadeghi, S.H.R., & Heckmann, T. (2017). Temporospatial variations of structural sediment connectivity patterns in Taham-Chi Watershed in Zanjan Province, Iran. Water and Soil Conservation, 24(3), 131-147. doi: 10.22069/JWFST.2017.11220.2557 [In Persian]
Najafi, S., Sadeghi, S.M., & Heckmann, T. (2018). Analyzing structural sediment connectivity pattern in Taham Watershed, Iran. Watershed Engineering and Management, 10(2), 192-203. doi:10.22092/ijwmse.2018.116466 [In Persian]
Poeppl, R.E., Fryirs, K.A., Tunnicliffem, J., & Brierley, G.J. (2020). Managing sediment (dis) connectivity in fluvial systems. Science of the Total Environment, 736, 139627. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.139627
Poesen, J. (2018). Soil erosion in the anthropocene: research needs. Earth Surface Processes and Landforms, 43(1), 64-84. doi:10.1002/esp.4250
Rahmati, O., Kornejady, A., Samadi, M., Deo, R.C., Conoscenti, C., Lombardo, L., Dayal, K., Taghizadeh-Mehrjardi, R., Pourghasemi, H.R., Kumar, S., & Bui, D.T. (2019). PMT: New analytical framework for automated evaluation of geo-environmental modelling approaches. Science of the total environment, 664, 296-311. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.02.017
Rahmati, O., Soleimanpour, S.M., Arabkhedri, M., Mehrjo, S., Kalantari, Z., Crema, S., Cavalli, M., & Bahmani, A. (2022). Evaluating the impact of Watershed management measures on sediment connectivity in the Khamesan Watershed, Kurdistan province. Final report of research project, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, 98 pages. [In Persian]
Soleimanpour, S.M., Pourghasemi, H.R., & Zare, M. (2021). A comparative assessment of gully erosion spatial predictive modeling using statistical and machine learning models. Catena, 207, 105679. doi:10.1016/j.catena.2021.105679
Soleimanpour, S.M., Rahmati, O., Arabkhedri, M., & Tiefenbacher, J. (2024). Evaluation and modification of sediment connectivity index for application in smooth Watersheds conditions (case study: Neyriz Watershed, Fars province). Final report of research project, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, 84 pages. [In Persian]
Website of the General Department of Meteorology of Fars Province. (2023). Reporting meteorological statistics of the cities of Fars province (https://www.farsmet.ir/ReportAmar.aspx).
Zhang, Y., Huang, C., Zhang, W., Chen, J., & Wang, L. (2021). The concept, approach, and future research of hydrological connectivity and its assessment at multiscales. Environmental Science and Pollution Research, 28, 52724-52743. doi:10.1007/s11356-021-16148-8
Zingaro, M., Refice, A.D., Addabbo, A., Hostache, R., Chini, M., & Capolongo, D. (2020). Experimental application of sediment flow connectivity index (SCI) in flood monitoring. Water, 12(7), 1857. doi:10.3390/w12071857
Zingaro, M., Refice, A.D., Giachetta, E.D., Addabbo, A., Lovergine, F., De Pasquale, V., Pepe, G., Brandolini, P., Cevasco, A., & Capolongo, D. (2019). Sediment mobility and connectivity in a catchment: A new mapping approach. Science of the Total Environment, 672, 763-775. Doi:10.1016/j.scitotenv.2019.03.461