g
مقایسه برآورد میزان فرسایش و رسوب زایی در زیرحوضه سزار
)حوضه آبریز سد دز( با استفاده از مدل های تجربی ای پی ام و ام پسیاک با کمک دانش فازی
چکیده
در این پژوهش از دو روش تجربی MPSIACو EPM برای برآورد فرسایش و رسوبزایی در زیرحوضه سزار (حوضه سد دز، استان لرستان) به کمک سیستم اطالعات جغرافیایی استفاده شده است. نقشه های توپوگرافی، کنترل صحرایی، تصاویر سنجنده Liss III و ماهواره IRS-ID نتیاج ایستگاه های رسوب سنجی از جمله داده های اولیه این پژوهش میباشند. با استفاده از این اطلاعات، میزان شاخصهای موثر در مدلهای ام پسیاک و ای پی ام در محیط GIS محاسبه و سپس از تلفیق این لایه ها میزان رسوب ویژه و سالانه برحسب زیرحوضه ها تخمین زده شده است. در هر دو روش بیش از 80 درصد منطقه در رده فرسایشی زیاد تا خیلی زیاد قرار گرفتند. مناطق با فرسایش پذیری زیاد در جنوب غربی منطقه و در جایی که از سازنده های پابده، گورپی و گچساران تشکیل شده اند واقع شده اند.
1
در گام بعدی، با استفاده از نظریه مجموعه های فازی ، از دو روش خوشه سازی و مدل فازی به ترتیب برای پهنه بندی پیوسته و پیش بینی میزان رسوب زایی و فرسایش استفاده گردیده است. نتایج حاصل از پهنه بندی پیوسته نشان داده که مرزها در طبیعت به صورت تدریجی میباشد. در نهایت میزان رسوب ویژه و سالانه حوضه آبریز سزار در مدلهای ای پی ام و ام پسیاک به ترتیب برابر با 15/15/98 ، 5205725 ، 12 مترمکعب در کیلومتر مربع و 880/18 ، 2942818/20 مترمکعب برآورد شدند. این مقادیر برای مدلهای تلفیقی فازی- ای پی ام و فازی- ام پسیاک به ترتیب برابر با 1697/90 ،5830412/00 ،859/08 و 2869280/30 می باشند. همچنین مقایسه هر سه روش نشان میدهد که هر چند هر سه روش تمایل به بیش برآورد دارند، ولی روش ام پسیاک نتایج بهتری ارائه می کند.
چکیده
2
روش مورد مطالعه در این پژوهش شامل مقایسه فرسایش و رسوب زایی با استفاده از روش های تجربی ای پی ام و ام پسیاک و سپس مقایسه نتایج آنها با استفاده از دانش فازی است. داده های مورد نیاز در این مطالعه شامل، نقشه های توپوگرافی، تصاویر ماهواره ای ETM Sat Land ،عکسهای هوایی، بازدیدهای صحرایی (سنجش شدت فرسایش، کنترل زمین شناسی سطحی، وضعیت فعلی فرسایش و فرسایش رودخانه ای وحمل رسوب) و داده های مطالعات پیشین است. از دادههای مطالعات پیشین بر روی حوضه دز (دزآب، 1384 )در محاسبه مشخصه (پارامتر) های مرتبط با شدت فرسایش و رسوب زایی و از نتایج خاک شناسی )جاماب، 1365 )در محاسبه ضریب فرسایش پذیری خاک استفاده شده است
تولید داده ها
3
این روش برای اولین بار با استفاده از اطلاعات حاصل از اندازه گیری رسوب زایی زمینهای مستعد فرسایش، در یک دوره 40 ساله درکشور یوگسالوی سابق ارایه گردیده است (1988,Gavrilovic )از آنجا که این روش قادر است با استفاده از 4 مشخصه (پارامتر)نتایج مناسب و قابل قبولی از میزان فرسایش را محاسبه نماید، در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش چهار مشخصه شامل ضریب فرسایش حوضه آبخیز (J) ، ضریب استفاده از زمین (Xa) ، ضریب حساسیت سنگ و خاک به فرسایش(y)و شیب متوسط حوضه (I)در واحدهای مختلف اراضی یا در شبکه های ایجاد شده در نقشه هایی با فرمت رستر و با پیکسل هایی در ابعاد 24 * 24 متری مورد بررسی قرار گرفته است.
مدل آی پی ام
4
شرایط فرسایش حوضه آبخیز J ) )با توجه به این که فرسایش حوضه آبخیز به مشخصه های شیب، پوشش گیاهی، خاک، سنگهای رخنمون یافته و کاربری زمین وابسته میباشد، مقدار این پارامتر در منطقه مورد مطالعه از ترکیب لایه های فوق در نرم افزار GIS/ARC محاسبه گردیده است.
مدل آی پی ام
5
شکل1 – موقعیت زیرحوضه های مورد مطالعه در محدوده حوضه آبریز سد دز
ضریب استفاده از زمین (X) : مقدار این پارامتر پس از تولید نقشه پوشش گیاهی که بر مبنای عکس های ماهواره ای ایجاد شده است به دست آمده است. نقشه پوشش گیاهی نیز با جدول استاندارد مدل ای پی ام )1988،(Gavrilovic مقایسه و ضرایب کاربری اراضی در آنها اعمال شد. حساسیت خاک و سنگ به فرسایش : (Y)این پارامتر از ترکیب دو لایه زمین شناسی و خاک شناسی در محیط GIS/ARC محاسبه گردیده است. مقدار این پارامتر با توجه به رخنمون های سنگی در منطقه مورد مطالعه بر اساس روش فیضنیا (1374) و نمونه های خاک، به ترتیبی تقسیم بندی گردیده است که کمترین امتیاز (0/25) به آهک های پرمین، به علت مقاومت بالا در برابر فرسایش اختصاص داده شود .
6
مدل آی پی ام
شیب متوسط حوضه (I) در این مطالعه جهت استخراج پارامتر شیب، ابتدا نقشه های توپوگرافی رقومی شده در بانک 1 در محیط GIS به نقشه داده ها با استفاده از روش درون یابی مدل رقومی ارتفاعی DEM تبدیل شدند و آنگاه از این نقشه با دستور SLOPE در محیط نرم افزاری، نقشه درصد متوسط شیب استخراج گردیده است . با توجه به چهار فاکتور محاسبه شده در مرحله قبل (شرایط فرسایش حوضه آبخیز ، ضریب استفاده از زمین، حساسیت خاک و سنگ به فرسایش و شیب متوسط حوضه) ، مقدار Z یا ضریب شدت فرسایش برای هر یک از اجزای واحد اراضی یا شبکه ها با استفاده از رابطه 1 محاسبه میگردد .
7
مدل آی پی ام
با قرار دادن مقدارZ در جدول استاندارد که براساس شدت فرسایش و ضریب شدت فرسایشZ تنظیم شده است، رده (کلاس) فرسایش برای هر واحد یا شبکه از حوضه تعیین میگردد و نقشه فرسایش حوضه نیز بر اساس رده های فرسایش واحدهای اراضی و یا شبکه ها تهیه میگردد . برای این منظور، با اعمال فرمول 1 در محیط GIS/ARC ، نقشه فرسایش حوضه بدست آمده است. سپس این نقشه مطابق با جدول استاندارد به کلاس های مختلف در گستره حوضه آبخیز طبقه بندی گردید در روش EPM برای تخمین متوسط سالانه رسوب ویژه در حوضه آبخیز، از رابطه )1988,(Gavrilovic استفاده شده است.
مدل آی پی ام
8
شکل 2- نقشه زمین شناسی منطقه مورد مطالعه
شکل 3- نقشه شیب متوسط (درصد) حوضه آبریز سزار
تصاویر
9
در این روش 9 ضریب مختلف بر اساس جدول استاندارد و رابطه های تعریف شده در مدل محاسبه شده و سپس نتایج به صورت لایه های اطلاعاتی با فرمت رستر وارد محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی گردیده است .
زمینشناسی سطحی (Y1) در روش ام پسیاک امتیاز عامل زمین شناسی سطحی از رابطه 4 ( جدول 3 ) حاصل میشود که بر اساس نوع سنگ ، سختی ، شکستگی و هوازدگی تعین می گردد . جهت تعین این عامل از نقشه زمین شناسی موجود برای امتیازگذاری فرسایشی سازندهای زمین شناسی سطحی استفاده گردید. بر اساس مقاومت سنگ ها در برابر هوازدگی و فرسایش (فیض نیا، 1374) رده شناخته شده است که کمترین امتیاز در آن ها به آهک های پرمین و بیشترین امتیاز به بخش مارنی سازند گچساران نسبت داده شده است .
روش MPSIAC
10
جدول
11
جدول 3 – عوامل موثر در مدل MPSIAC
خاکشناسی (Y2) در این بررسی ضریب فرسایندگی خاک k ) ) برای محاسبه فاکتور خاک شناسی خاک از رابطه 5( جدول 3 ) استفاده شده است .
آب و هوا(Y3) عامل آب و هوا از روی شدت بارش با مدت دوام شش ساعته ( در دوره بازگشت دو ساله ) در ایستگاه های باران-سنجی محدوده مورد مطالعه برآورد شده است .
رواناب (Y4) در روش MPSIAC برای برآورد امتیاز عامل روان آب ، از رابطه 7 ( جدول 3 )استفاده می شود . لازم به توضیح است که برای مطالعه آبدهی براساس تناوب دوره های خشک و مرطوب، دوره شاخص مطالعات سیلاب بین سالهای 80-1334 در نظر گرفته شده است، سپس مقادیر دبی حداکثر لحظهای و رواناب برای هر زیرحوضه تعیین گردیده است.
روش MPSIAC
12
توپوگرافی (Y5) در این مطالعه جهت استخراج پارامتر شیب، ابتدا نقشه های توپوگرافی رقومی شده و در بانک داده قرار گرفتند، سپس این خطوط با استفاده از روش درون یابی در محیط GIS به نقشه مدل رقومی ارتفاعی DEM تبدیل شده اند و آنگاه از این نقشه با دستور SLOPE در محیط نرم افزاری ، نقشه درصد متوسط شیب استخراج گردید و پس از اعمال رابطه 8 (جدول 3) نقشه پارامتر Y5 بدست آمده است.
نحوه استفاده از زمین (Y6) در روش ام پسیاک بر مبنای درصد تاج پوشش گیاهی، مشخصه نحوه استفاده از زمین محاسبه میگردد . در مطالعات سنجش از دور، جهت استخراج درصد تاج پوشش گیاهی، از اعمال شاخص های پوشش گیاهی بر روی تصویر ماهواره ای استفاده می شود . جهت استخراج درصد تاج پوشش گیاهی شاخص NDVI به دلیل این که همبستگی بالایی را با درصد تاج پوشش گیاهی نشان می دهد ، انتخاب گردیده است. مقدار این پارامتر پس از اعمال رابطه 9( جدول 3 )به دست می آید .
روش MPSIAC
13
پوشش زمین (Y7) منظور از پوشش زمین عبارت است از هر گونه پوششی که خاک را در مقابل عوامل فرساینده مانند ضربه قطرات باران، باد و روان آب محافظت نماید )رفاهی، 1375) در روش MPSIAC برای تعیین امتیاز پوشش زمین از رابطه 10 (جدول 3 )استفاده میشود.
وضعیت فعلی فرسایش در سطح حوضه (Y8)در روش MPSIAC برای تعیین امتیاز عامل وضعیت فعلی فرسایش، از رابطه 11 ( جدول 3 ) استفاده میشود . تعیین این عامل در حوضه با کمک اطلاعات مربوط به داده های صحرایی و با توجه به نوع فرسایش در سطح حوضه آبریز با استفاده از جدول BLM صورت گرفته است .
روش MPSIAC
14
فرسایش آبراه های (رودخانه ای) و انتقال رسوب (Y9) برای تعیین امتیاز این عامل از رابطه 12( جدول 3 )استفاده شده است . به منظور تعیین امتیاز فرسایش آبراههای و انتقال رسوب، SSF به عنوان یکی از پارامترهای جدول BLM مد نظر قرار گرفته و در نهایت به صورت لایه های اطلاعاتی با فرمت رستر وارد محیط GIS گردیده است. در ادامه جهت انجام برآورد رسوب حاصل از فرسایش ، طبق مدل ام پسیاک از رابطه 13 استفاده شده است . Safamanesh et al 2006))
روش MPSIAC
15
شکل ها
16
شکل 7 – خوشه بندی (رده بندی شدت فرسایش)
شکل 8 – خوشه بندی حوضه آبریز سزار
در این روش ، داده های موجود شامل امتیاز فرسایش پذیری در طبقه بندی ام پسیاک برای 9 متغیر و همچنین امتیاز فرسایش پذیری در طبقه بندی ای پی ام برای چهار متغیر از لایه های موجود و با استفاده از نرم افزار View/ARC استخراج گردیده است . سپس با حفظ داده های مکانی ، وارد جعبه ابزار فازی نرم افزار ریاضی tMa Lab شده و با استفاده از دستورات این جعبه ابزار یا رابط گرافیکی ((Math Works Co, 2001خوشه سازی ، داده ها روی Find cluster انجام گرفته است . با آزمایش سعی و خطا بر روی مراکز خوشه ها چنین نتیجه گیری شده است که می توان داده ها را به سه خوشه تقسیم کرد (جدول های 4 و 5 ) درجه عضویت های حاصل، به بانک اطلاعاتی برگردانده شده و با مختصات خود هماهنگ گردیده اند، به طوری که جدول حاصل شامل طول و عرض جغرافیایی مرکز چهارگوش میباشد و Z در آن ، درجه عضویت به خوشه را نشان میدهد. نتیجه حاصل به صورت شکلهای (8 و7) نمایش داده شده است .
خوشه سازی فازی با استفاده از روشFCM
17
این پژوهش با هدف برآورد میزان فرسایش و رسوب زایی و همچنین پهنه بندی مناطق حساس به فرسایش در 10 زیرحوضه از حوضه آبریز سزار به سه روش ای پی ام ، ام پسیاک و فازی انجام شده است. نتایج حاصل نشان میدهند که در هر دو روش ای پی ام و ام پسیاک، بیشترین میزان فرسایش مربوط به زیرحوضه شماره 19 و کمترین مقدار آن مربوط به زیرحوضه شماره 9 میباشد. میزان برآورد رسوب با استفاده از روشهای ای پی ام و ام پسیاک اختلاف زیادی را با هم نشان میدهند . منطقه مورد مطالعه از لحاظ فرسایش پذیری در سه رده فرسایشی متوسط ، زیاد و خیلی زیاد قرار میگیرد . نتایج هر دو روش نشان میدهند که حدود 80 درصد از حوضه آبریز سزار در رده فرسایشی شدید و خیلی شدید قرار میگیرند . در روش ای پی ام، زیر حوضه شماره 9 در رده فرسایشی متوسط و زیرحوضه های 10 ،11 ،14 و 15 در رده فرسایشی زیاد و زیرحوضه های 16 ، 17 ،18 ،19 و 20 در رده فرسایشی خیلی زیاد قرار میگیرند.
18
نتیجه گیری
این در حالی است که در روش ام پسیاک زیر حوضه شماره 9 ،10 ،11 در رده فرسایشی متوسط، زیرحوضه های 14 ،15 ،16 و 20 در رده فرسایشی زیاد و زیرحوضه های 17 ،18 و 19 در رده فرسایشی خیلی زیاد قرار میگیرند. در هر سه روش ای پی ام، ام پسیاک و فازی بیش ترین میزان تولید رسوب مربوط به سازندهای پابده و گورپی و گچساران میباشد که در جنوب و جنوب غربی حوضه واقع شده اند. اختلاف بین مقادیر محاسبه شده میزان رسوب سالانه به روش ام پسیاک و مدل فازی ناچیز میباشد. این در حالی است که این اختلاف در مدل فازی به روش ای پی ام زیاد میباشد و دقت روش ام پسیاک در برآورد میزان رسوب را نشان میدهد . در نهایت میزان رسوب ویژه و سالانه حوضه آبریز سزار در مدل های ای پی ام، ام پسیاک، مدل فازی ای پی ام و مدل فازی ام پسیاک به ترتیب برابر با 8/1515 ،18/90 ،18/880 ،2942818/20 ،5205725/12 و مربع کیلومتر در مترمکب 859/1697 00/5830412 ،30/2869280 متر مکعب در سال می باشد.
نتیجه گیری
19