دانلود تحقیق برآورد فرسایش و رسوب به کمک داده های ماهواره

آثار سوء پدیده فرسایش در کوتاه مدت ممکن است چندان چشمگیر و محسوس نباشد، ولی در بلند مدت محسوس خواهد بود.

فرسایش و هدررفت خاک یکی از عوامل اصلی در کاهش حاصلخیزی خاک، کاهش محصول، رسوب مواد در آبراهه ها ، کانالهای آبیاری و رودخانه ها، کاهش ظرفیت مخازن سدها وکاهش عمر آنها ، وقوع سیل وآلودگی محیط زیست و مسدود شدن راهها میشود.

تخمین مقدار رسوبدهی حوضه های آبخیز ،مقابله با خطرات ناشی از تجمع رسوب در سازه های آبی و مخازن سدها از اهداف اساسی در مدیریت منابع آب می باشد.

این تحقیق با هدف برآورد فرسایش و رسوب حوزه آبخیز زیارت واقع در استان گلستان با مساحتی بالغ بر73/98 کیلومترمربع با استفاده ازتکنیک های RS, GIS ومدلMPSIACانجام گرفته است.

مدل MPSIAC وضعیت فرسایش وتولید رسوب رادرهر واحد کاری بر حسب شدت و ضعف نقش 9 عامل محیطی مشتمل برزمین شناسی، خاکشناسی ، اقلیم، رواناب ، توپوگرافی، پوشش زمین، کاربری اراضی، فرسایش سطحی و فرسایش رودخانه ای بررسی می کند.

در این تحقیق، لایه های مربوط به عوامل مدل در محیط GISتهیه شد و نهایتا با استفاده از تحلیلهای مکانی و همپوشانی لایه های اطلاعاتی مقدار رسوب 79/22043 تن در سال برآورد گردید.

برای محاسبه فرسایش ویژه از ضریبSDR(نسبت تحویل رسوب )استفاده شد و میزان فرسایش برای حوزه مورد نظر 58/698 تن در سال بدست آمد.

طبقه بندی کیفی حوزه بر اساس راهنمای مدل MPSIACنشان می دهدکه بخش اعظم حوزه در کلاس فرسایشی متوسط قرار می گیرد.

مقدار رسوب ایستگاه هیدرومتری 23/18582 تن در سال بوده است.

تقارب نتایج ضبط شده در ایستگاه هیدرومتری با نتایج حاصله از مدل مورد بررسی نشان می دهد که با استفاده ازبرخی مشاهدات صحرائی و تصاویرماهواره ای(به خصوص درصورت صعب العبوربودن منطقه) می توان مقدار رسوب را در حوزه مورد مطالعه با دقت بالائی برآورد نمود تا در راستای برنامه های مدیریتی و آبخیزداری مورد استفاده قرار گیرد.

فرسایش و رسوبزایی یکی از مشکلات مهم در مدیریت حوزه های آبخیز کشور می باشد.

فرسایش و پیامد های ناشی از آن، با تشدید بهره برداری انسان از طبیعت از اوائل قرن بیستم، اثرات منفی خود را براکوسیستم حیاتی وارد ساخته است.عامل اصلی آن افزایش جمعیت و استفاده بیش از حد از زمین است.

به منظور اجرای برنامه های حفاظت و کنترل فرسایش خاک و کاهش رسوبدهی ضرورت دارد که حجم کل بار رسوبی و شدت فرسایش پذیری در یک حوزه آبخیز ارزیابی و برآورد گردد و عوامل مؤثردر فرسایش حوزه شناسایی گردند.

بطوریکه شناسایی این عوامل ما را در انتخاب راهکار های مناسب جهت کنترل فرسایش و حفظ منابع طبیعی یاری نماید.

لذا تحلیل و برآورد میزان فرسایش و رسوب ، تهیه نقشه شدت فرسایش ، بررسی عوامل خطر فرسایش و ارائه راهکار های مدیریتی با توجه به روند فزآینده فرسایش خاک و مساحت وسیع اراضی وگاهی صعب العبور بودن مناطق، با استفاده از تکنیکهای سنجش از دور وسامانه اطلاعات جغرافیایی امری ضروری به نظر می رسد(جهان سیر،1380).

در این راستا حوزه آبخیز زیارت نیز با سطح معادل 73/98کیلومترمربع واقع در استان گلستان به دلیل اهمیت ویژه اش در تامین آب شهری، دارا بودن ویژگیهای توریستی وگردشگری، از سوی دیگر به دلیل تبدیل کاربری اراضی جنگلی به کاربری های مسکونی وکشاورزی و شرایط بهره برداری نادرست از زمین های کشاورزی مانند ساختمان سازی، تاسیسات و جاده ها، وقوع سیلاب های شدیددر چند سال اخیر، بررسی وضعیت فرسایش و رسوبدهی را در آن را امری اجتناب ناپذیر ساخته است.

از طرفی شیب دامنه ها در منطقه زیاد بوده و تاحدودی امکان انجام عملیات صحرایی را با مشکل روبرو می کند.

مدیریت اصولی این مناطق به اطلاعات کمی، به هنگام و دقیق نیاز دارد.

یکی از روشهای دسترسی به این اطلاعات و مکان یابی مناطق پر خطر فرسایشی،استفاده از داده های ماهواره ای است.
شرستا و همکاران(1996) با انجام یک مطالعه موردی در منطقه یوتا در تایلند میزان نرخ فرسایش خاک را با استفاده از مدلUSLE و با استفاده از سیستم های GISوRS مورد بررسی قرار دادند که میزان نرخ فرسایش را از 0 تا 32/279 برآورد نمودند.

در تحقیقی که توسط گروه علوم خاک دانشکده کشاورزی دانشگاه آنکارا در سال1996بر روی مقدار کمی فرسایش بااستفاده از RSو GISدر حوزه کوبوک آنکارا انجام شد، مقدار خاک هدررفته، 08/12 تن در هکتار در سال بر آورد گردید.
دانیل و همکاران (1998)اقدام به تهیه نقشه پهنه بندی خطر فرسایش درایالت پسیفیک واشنگتن نمودند واز محیط GIS(نرم افزار (ERDASدر تهیه نقشه تفکیکی مناطقی با خطر فرسایش و از داده های رقومی تصاویرسنجنده TMاستفاده کردند.
کوخ وشرستا(2001)با استفاده از تصاویر ماهواره ای اقدام به پهنه بندی فرسایش و کاربری اراضی در حوزه خولا کشور نپال نمودند و درنهایت مقدار فرسایش خاک را به میزان 01/0تا4/0 تن درهکتاردرسال در اراضی با کاربری کشاورزی و آبی ودر نهایت میزان فرسایش خاک را 6/12تن درهکتاربرآوردکردند.
حمیدی فر و همکاران (1384) ضمن تهیه نقشه کاربری و فرسایش در دو مقطع زمانی سالهای 81-67 با استفاده ازتصاویررقومیTMوETM+ و مقایسه آن با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی رودخانه در ایستگاههای مختلف، امکان بررسی وضعیت حوزه آبخیز کرخه را مهیا کردند.

رحمانی و همکاران(1384) از داده های ماهواره ای و سامانه اطلاعات جغرافیایی در برآورد فرسایش و رسوب با استفاده از مدل MPSIAC در حوزه آبخیز شرفخانه- شبستر استفاده کردند ووجود همبستگی بالای این مدل با رسوب اندازه گیری شده در ایستگاه هیدرومتری(تقریبا89%) را نشان دادند.

راستگوو همکاران(1385) مقدار فرسایش و رسوب حوزه آبخیز تنگ کنشت با مدل های MPSIAC و EPM را به کمک GIS برآورد کردند ونتیجه گرفتند که مدلMPSIAC نتایج بهتری را نسبت به مدل EPM برای حوزه موردنظر ارائه داده است.
هدف از این تحقیق بر آورد فرسایش و رسوب با داده های ماهواره ای و سامانه اطلاعات جغرافیایی با استفاده از مدل MPSIACدر حوزه آبخیز مورد نظر و بررسی میزان همخوانی رسوب برآورد شده از طریق مدل تجربی MPSIACبا رسوب اندازه گیری شده در ایستگاه رسوب سنجی نهارخوران، شناسایی و اولویت بندی عوامل خطر به ترتیب اهمیت آنها بوده است.

مواد وروشها
موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه
حوزه آبخیز زیارت با مساحت9873 هکتار ، یکی از زیر حوزه های رودخانه قره سو می باشد که در جنوب شهرگرگان واقع شده است (شکل1).

این حوزه در محدوده جغرافیایی55 '23 ˚54 تا 10 '31 ˚54 طول شرقی و
58 '36 ˚36 تا 11 '46 ˚36 عرض شمالی قرار گرفته است.

متوسط نزولات منطقه 575 میلیمتر و متوسط دما5/7درجه سانتیگراد است.

پایین ترین نقطه آن 550 مترو بالاترین نقطه آن2950 متر ارتفاع دارد.

براساس مطالعات فیزیوگرافی حوزه آبخیز زیارت به6 زیرحوزه فرعی سوته رود، آبشار، سفیدآب، ناتکه، خالودره و میدان تقسیم شده است.

شیب متوسط حوزه 18/48 است که میزان بالای آن در رسوبدهی و ایجاد انواع فرسایش و حرکات توده ای نقش زیادی دارد.

سازندهای سنگی حوزه زیارت شامل سازند خوش ییلاق، سازند لار، دونین- کربونیفر، سازندمبارک، سازند شمشک و شیست گرگان می باشد.

محدوده مورد نظرتماما از بخش کوهستانی و ارتفاعات تشکیل شده است.

گونه های مرتعی چون بروموس – آچیلا و جانی پروس سابین گونه های جنگلی مانند توسکا، ممرز، بلوط، راش، انجیلی و نمداررا رویشگاه حوزه راتشکیل داده است وسطح حوزه آبخیز از کاربری های جنگل، مرتع، اراضی کشاورزی، باغات ودیمزارهای رها شده و مناطق مسکونی پوشیده شده است(مهندسین مشاور گلستان،1375).

"58 '36 ˚36 تا "11 '46 ˚36 عرض شمالی قرار گرفته است.

محدوده مورد نظرتماما" از بخش کوهستانی و ارتفاعات تشکیل شده است.

شکل1- موقعیت حوزه زیارت در استان گلستان روش تحقیق: برای ارزیابی فرسایش و رسوب در این حوزه آبخیز و بررسی فاکتورهای نه گانه مدلMPSIAC،مراحل تحقیق را می توان به شرح ذیل خلاصه نمود.

1) بازدید های میدانی برای تعیین نقاط کنترل زمینی 2) تهیه داده های مکانی شامل نقشه های پایه برای انجام تحقیق 3) استخراج داده ها از تصاویر ماهواره ای ETM+2002 4) آنالیز داده های ماهواره ای با نرم افزار های Ilwis, Arcview در مرحله بعدی عوامل نه گانه فرسایش در حوزه آبخیز مورد نظر تهیه و ارزش گذاری آنها به شرح زیر صورت گرفت: الف: عامل زمین شناسی در مدل MPSIACبرای این عامل ضریبی اعمال نمی شود،یعنیY1=X1.

بر مبنای نقشه زمین شناسی 1:100000که توسط سازمان زمین شناسی و معادن کشور منتشر شده، تشکیلات و سازند های حوزه آبخیز استخراج ودرمحیطGIS واحدها رقومی شد.

سپس براساس حساسیت سازندها به فرسایش امتیاز بین 1 تا10 داده شد و به صورت رستری جهت تحلیل های بعدی آماده گردید.

(معادله1) X1=Y1 ب: عامل خاک برای ارزیابی این عامل ازنقشه قابلیت اراضی به منظور تعیین فاکتور فرسایش پذیری خاک(K) استفاده گردید.

بعد از محاسبه فاکتور فرسایش پذیری خاک در هر یک از اجزای واحد اراضی، مساحت تحت اشغال درآنها مشخص و متوسطK از طریق میانگین وزنی محاسبه شد.

با استفاده از معادله ذیل درجه نهایی این عامل تعیین گردید.

(معادله2) X2=16.67K که K فاکتور فرسایش پذیری متوسط خاک است.

ج: عامل اقلیم برای ارزش دهی عامل از بارندگی 6ساعته با دوره بازگشت 2ساله(P2)، که بیشترین همبستگی را با فرسایش پذیری خاک دارد،استفاده شد وارزش این عامل بوسیله معادله 3 تعیین گردید.

(معادله3 ) X3=0.2P2 که درآنP2مقدار بارندگی 6 ساعته با دوره بازگشت دوساله است.

د: عامل رواناب درروشMPSIACبرای برآوردامتیاز عامل رواناب ازرابطه زیر استفاده می شود: (معادله4) X4=0.006R+10Qp که درآن X4 امتیاز عامل رواناب،R ارتفاع سالانه رواناب بر حسب میلیمتر وQp دبی ویژه پیک سیلاب بر حسب مترمکعب برثانیه درکیلومترمربع می باشد که از تقسیم دبی پیک سیلاب به مساحت بدست می آید(رفاهی،1382).

ذ: عامل توپوگرافی برای محاسبه امتیاز عامل توپوگرافی از نقشه شیب تهیه شده از مدل رقومی ارتفاع (DEM)حوزه آبخیز استفاده شد.

مدل رقومی ارتفاع(DEM) از نقشه های رقومی شده 1:25000توپوگرافی منطقه به کمک نرم افزارIlwis استخراج گردید.

سپس با استفاده از آن نقشه شیب تهیه شد.

(معادله 5) X5=0.33S کهS شیب متوسط حوزه (%)است.

ر: عامل پوشش زمین برای تهیه این عامل از شاخص پوشش گیاهی(NDVI) با استفاده از دو باند4 و3 سنجندهETM2002استفاده گردید.

(معادله6) NDVI=(band4-band3)/(band4+band3) بعد از تهیه نقشه NDVIتوزیع و پراکنش اراضی بایر معین گردید وسپس با استفاده از معادله 6درجه فاکتور پوشش زمین معین گردید.

X6=0.2Pb ( معادله7) :Pbدرصداراضی لخت و فاقد وپوشش است.

ز: عامل کاربری اراضی برای تهیه این لایه اطلاعاتی بر مبنای داده های ماهواره ای با استفاده از باند های2،3و4 تصویرترکیب رنگی با ترکیب باندی2، 3 و4 (RGB) ساخته شد و بر اساس تغییرات رنگ با تفسیر هیبرید مرز هر پلی گون رقومی شد و برای آن انواع کاربری اراضی تعریف شد.

متوسط درصد تاج پوشش به طریق وزنی برآورد گردید.

سپس درمعادله8 که برای تعیین عامل کاربری اراضی در مدل MPSIAC استفاده میشود،قرار گرفت.

(معادله8) X7=20-0.2Pc که درآن Pcمقدار تاج پوشش بر حسب درصد است.

س: عامل فرسایش سطحی نقشه مربوط به این عامل با استفاده از نقشه های زمین شناسی و پوشش گیاهی تهیه گردید.

امتیاز این عامل با استفاده از روش اداره مدیریت اراضی(BLM) ایالات متحده آمریکا بدست می آید.

BLMبرای تعیین امتیاز عامل سطح خاک(S.S.F) ازهفت عامل حرکت توده خاک، پوشش لاشبرگ، پوشش سنگی سطح زمین، قطعات سنگی تحکیم یافته، شیارهای سطحی، فرم آبراهه ها و توسعه فرسایش خندقی استفاده می شود(رفاهی،1382).

با داشتن امتیاز هریک از عوامل موثر در S.S.Fمقدار آن برای حوزه تعیین شد.

و با توجه به معادله زیر، امتیاز فاکتور فرسایش سطحی برای حوزه تعیین شد.

(معادله9) X8=0.25 S.S.F ن: عامل فرسایش رودخانه ای برای تعیین این عامل از ارزش فرسایش خندقی در روشBLM وطبق معادله مربوط به این فاکتور، استفاده گردید.

باتوجه به معادله شماره 10، ،مقدار S.S.Fgتعیین شد، امتیاز این عامل در مدل تعیین گردید.

(معادله10) X9=1.67S.S.Fg بعد از تعیین عوامل مؤثر در مدل موردنظر ونحوه امتیاز دهی به آنها مطابق با جدول 1کلاس رسوب دهی مشخص می گردد.

جدول1- تعیین میزان تولید رسوب سالانه وکلاس فرسایش خاک در روش PSIAC نتایج وبحث: نتایج حاصل ازکمی نمودن عوامل خطر فرسایش: به منظور بررسی و کمی نمودن عوامل خطر فرسایش، نقشه های زمین شناسی، کاربری اراضی، پوشش زمین، شیب وخاک تهیه و امتیاز دهی شد که نتایج آن در شکل(2) ارائه شده است.

شکل2- انواع نقشه های پایه تهیه شده جهت ارزیابی خطر فرسایش به کمک مدل MPSIACدر منطقه مورد مطالعه پس از وزن دهی لایه های اطلاعاتی، می توان تمام لایه ها را به طور عمقی با هم جمع نمود.

حاصل این تلفیق، نقشه درجه رسوب دهی شکل(3) می باشد.

بعد از تهیه نقشه درجه رسوب دهی (R) با استفاده از معادله شماره (11) مقدار رسوب ویژه در هر زیر حوزه تعیین گردید و سپس به کمک راهنمای ارائه شده در جدول(1) نقشه رسوب دهی حوزه تهیه گردید که نتیجه آن در شکل4 مشاهده می شود.

نقشه جدیدی تحت عنوان نقشه مقداررسوب دهی با توجه به جدول(1) بدست آمد که در شکل4 مشاهده می شود.

این تقسیمات به تفکیک برای هر کدام از زیر حوزه های زیارت محاسبه شد.

(معادله11) 0.036R Qs=0.253e جهت تبدیل رسوب ویژه به فرسایش ویژه ازنسبت تحویل رسوب(SDR) مطابق معادله (12) استفاده شده است.

Log(SDR)=1.8768-0.14191Log(10A) (معادله12) مساحت کل حوزه و زیرحوزه ها براساس مایل مربع است.

Aدر معادله مزبور شکل3- نقشه درجه رسوب دهی(R)