کاربرد GIS و RS در تخمین فرسایش خاک‍

نویسنده

روپش جایارام پاتیل

 ترجمه

سعید جوی‌زاده | زهرا اسدی

مقدمه ای بر کتاب کاربرد GIS و RS در تخمین فرسایش خاک :

تخمین فرسایش خاک، به عنوان یکی از مهمترین موضوعات مرتبط با مدیریت منابع طبیعی، در طول سالیان گذشته به یکی از مباحث پرکاربرد در علوم زمین شناسی تبدیل شده است. با توجه به اینکه فرسایش خاک به عنوان یکی از عواملی که به شدت بر کیفیت خاک و بوم زیستی تأثیر می‌گذارد، شناخت دقیق آن از اهمیت بسزایی برخوردار است.
از آنجایی که فناوری اطلاعات جغرافیایی (GIS) و سنجش از دور (RS)، ابزارهایی بسیار مهم در تحقیقات زمین شناسی هستند، به کارگیریاین دو فناوری در تخمین فرسایش خاک نیز مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از GIS و RS در تخمین فرسایش خاک، به ما این امکان را می‌دهد که با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای و نقشه‌های جغرافیایی، به دقت بالاتری در تخمین فرسایش خاک دست یابیم. برای مثال، با کمک این فناوری‌ها، می‌توان نقشه‌هایی از شیب، ارتفاع، نوع خاک و پوشش گیاهی در یک منطقه تهیه کرد و با استفاده از مدل‌های ریاضی، میزان فرسایش خاک را تخمین زد.

کتاب کاربرد GIS و RS در تخمین فرسایش خاک، به بررسی کاربرد GIS و RS در تخمینفرسایش خاک پرداخته شده است. در فصل اول، به معرفی مفاهیم اولیه فرسایش خاک، GIS و RS پرداخته شده و روش‌های مختلف تخمین فرسایش خاک با استفاده از این فناوری‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم، به نحوه جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز برای تخمین فرسایش خاک با استفاده از GIS و RS پرداخته شده و روش‌های مختلف جمع‌آوری این داده‌ها توضیح داده شده است. در فصل سوم، به توضیح روش‌های مختلف تخمین فرسایش خاک با استفاده از GIS و RS پرداخته شده و مزایا و معایب هر روش توضیح داده شده است. در فصل چهارم، به نحوه استفاده از مدل‌های ریاضی در تخمین فرسایش خاک با استفاده از داده‌های GIS و RS پرداخته شده است. در این کتاب، همچنین به مطالعه موارد کاربردی این فناوری‌ها در تخمین فرسایش خاک در مناطق مختلف جهان و نیز به بررسی چالش‌های موجود در این زمینه پرداخته شده است.

کتاب کاربرد GIS و RS در تخمین فرسایش خاک برای دانشجویان رشته زمین‌شناسی، محققان و متخصصان فناوری اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور، مدیران منابع طبیعی و همچنین علاقه‌مندان به تحقیقات مرتبطبیعی و مدیریت محیط‌زیست مناسب است. کتاب کاربرد GIS و RS در تخمین فرسایش خاک، با ارائه مطالبی علمی و کاربردی، به خوانندگان کمک می‌کند تا با استفاده از GIS و RS، به دقت بالاتری در تخمین فرسایش خاک دست یابند و از این طریق می‌توانند به بهبود مدیریت منابع طبیعی و حفظ بوم‌های زیستی کمک کنند. همچنین، کتاب حاضر با ارائه مطالبی جدید در این زمینه، به پژوهشگران و محققان کمک می‌کند تا در تحقیقات خود، از آخرین دستاوردهای علمی و فناوری در این حوزه بهره بگیرند. با توجه به اهمیت تخمین فرسایش خاک در حفظ منابع طبیعی و مدیریت محیط زیست، امیدواریم که این کتاب بتواند به عنوان یک منبع مهم در این زمینه شناخته شود و به دانشمندان و متخصصان این حوزه کمک کند تا با بهره‌گیری از GIS و RS، به دقت بالاتری در تخمین فرسایش خاک دست یابند و از این طریق به حفظ بوم‌های زیستی و منابع طبیعی کمک کنند.

دکتر سعید جوی زاده یک متخصص سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور است که در زمینه فرسایش خاک فعالیت می‌کند. ایشان به عنوان یکی از متخصصان اصلی در این زمینه، کتاب‌های زیادی را در زمینه GIS و RS نوشته و به دانشجویان تقدیم شده است. همچنین، ایشان هر ساله کارگاه‌ها و سمینارهای مختلفی را در این زمینه برگزار می‌کنند که به علاقه‌مندان و دانشجویان این حوزه کمک می‌کند تا مهارت‌های خود را در GIS و RS بهبود دهند.

دکتر جوی زاده صاحب قدیمی‌ترین وب‌سایت آموزشی در ایران در زمینه GIS است و با ارائه منابع آموزشی متنوع، به دانشجویان و علاقه‌مندان این حوزه کمک می‌کند تا مفاهیم و تکنولوژی‌های GIS را با دقت و مرتبط با نیازهای ایرانیان فراگیرند. در حال حاضر، ایشان به عنوان مدیر موسسه هوش پیروزی در ایران فعالیت می‌کنند و بهبود کاربرد GIS و RS در صنایع مختلف از جمله کشاورزی، محیط زیست و مدیریت منابع طبیعی را هدف خود قرار داده‌اند.

در کل، دکتر سعید جوی زاده با سابقه‌ی طولانی در زمینه GIS و RS، به عنووان از متخصصان برجسته در این حوزه محسوب می‌شود. با نوشتن کتاب‌های مختلف و برگزاری کارگاه‌ها و سمینارهای آموزشی، ایشان به دانشجویان و علاقه‌مندان این حوزه کمک کرده‌اند تا مهارت‌های خود در GIS و RS را بهبود دهند. همچنین، با راه‌اندازی وب‌سایت آموزشی و فعالیت در موسسه هوش پیروزی، به بهبود کاربرد GIS و RS در صنایع مختلف مانند کشاورزی، محیط زیست و مدیریت منابع طبیعی کمک کرده‌اند. به طور کلی، دکتر جوی زاده با تلاش و پیگیری در زمینه GIS و RS، به بهبره استفاده از این فناوری‌ها در مدیریت منابع طبیعی، حفاظت از محیط زیست و بهبود کیفیت زندگی انسان‌ها کمک کرده است.

مدلسازی فرسایش خاک با استفاده از GIS (سیستم اطلاعات جغرافیایی) به شما امکان می‌دهد که فرایندهای فرسایش خاک را در یک منطقه مورد بررسی قرار دهید و این فرایندها را بر اساس عوامل مختلف محیطی و انسانی تحلیل کنید. برای این کار، می‌توانید از مدل‌های موجود مانند RUSLE (مدل جهانی فرسایش خاک) یا USLE (مدل فرسایش خاک ایالات متحده) استفاده کنید.

برای مدلسازی فرسایش خاک با استفاده از GIS، مراحل زیر را دنبال کنید:

1. جمع‌آوری داده‌ها: ابتدا باید داده‌های مورد نیاز برای مدلسازی را جمع‌آوری کنید. این داده‌ها می‌توانند شامل اطلاعاتی در مورد خاک، شیب زمین، نوع گیاهان، بارندگی و فعالیت‌های انسانی باشند.

2. پردازش داده‌ها: پس از جمع‌آوری داده‌ها، باید آن‌ها را در قالب مناسب برای استفاده در GIS تبدیل کنید. این مرحله ممکن است شامل تبدیل داده‌ها به فرمت‌های مکانی، تصحیح خطاها و حذف نویزها باشد.

3. اجرای مدل فرسایش: با استفاده از داده‌های پردازش شده و مدل‌های موجود مانند RUSLE یا USLE، می‌توانید فرسایش خاک را در منطقه مورد نظر مدلسازی کنید. این مرحله شامل تعیین عوامل مؤثر بر فرسایش و محاسبه میزان فرسایش خاک است.

4. تحلیل و ارزیابی نتایج: پس از اجرای مدل، باید نتایج را تحلیل و ارزیابی کنید. این مرحله می‌تواند شامل مقایسه نتایج مدل با داده‌های میدانی، بررسی دقت مدل و ارائه راهکارهای بهبود فرایند فرسایش خاک باشد.

5. ارائه نتایج: در نهایت، نتایج مدلسازی را به صورت نقشه‌ها و گزارش‌ها ارائه دهید. این نتایج می‌توانند برای برنامه‌ریزی و مدیریت منابع طبیعی و کاهش آسیب‌های ناشی از فرسایش خاک مورد استفاده قرار گیرند.

بخشی از کتاب:

فصل 1

مقدمه

فرسایش خاک یک تهدید جهانی برای منابع طبیعی به ویژه عامل کاهش عملکرد گیاه در نتیجه کاهش بهره وری زمین و ظرفیت ذخیره سازی مخازن چند منظوره به دلیل سیلتی شدن مداوم خاک است. فرسایش سریع خاک اثرات منفی اقتصادی و زیست محیطی دارد. ارزیابی خطر فرسایش خاک می‌تواند برای ارزیابی زمین در منطقه‌ای که فرسایش خاک اصلی ترین تهدید برای کشاورزی پایدار است، مفید باشد، زیرا خاک اساس تولید کشاورزی است. مدلهای فرسایش برای پیش بینی فرسایش خاک استفاده می‌شود. مدل سازی فرسایش خاک می‌تواند بسیاری از فعل و انفعالات پیچیده‌ای را که بر فرسایش با شبیه سازی فرایندهای فرسایش در حوضه آبریز تأثیر می‌گذارد، در نظر بگیرد. اکثر این مدلها برای برآورد از دست دادن خاک به اطلاعات مربوط به نوع خاک  کاربری زمین، شکل زمین، آب و هوا و توپوگرافی نیاز دارند. یکی از بزرگترین مشکلات در آزمایش این مدلها، ایجاد داده‌های ورودی است که بسیار فضایی است و روشهای متداول برای تولید این داده‌های ورودی بسیار پرهزینه و زمان بر است. با توجه به پیشرفت‌های فناوری سنجش از دور، بدست آوردن اطلاعات فضایی در مورد پارامترهای ورودی راحت تر و مقرون به صرفه تر شده است. با قابلیت‌های پردازش داده‌های مکانی قدرتمند سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و سازگاری آن با داده‌های RS، رویکردهای مدلسازی فرسایش خاک جامع تر و قوی تر و به دست آوردن اطلاعات فضایی در مورد پارامترهای ورودی راحت تر و مقرون به صرفه تر شده است.

کلیدواژه‌ها فرسایش خاک سنجش از دور GIS USLE

فرسایش خاک توسط آب در سراسر جهان رخ می‌دهد. این فرایند جدا شدن یا جذب، انتقال ذرات سطحی خاک از محل اولیه و رسوب آن به یک منطقه رسوبی جدید است. فعالیتهای مختلف انسانی باعث تخریب سطح زمین و در نتیجه تغییر قابل توجهی درسرعت طبیعی فرسایش می‌شود. فرسایش آب به عنوان شدیدترین خطری که حفاظت از خاک را تهدید می‌کند  شناخته شده است زیرا با حذف خاک حاصلخیز سطحی، بهره وری خاک را کاهش می‌دهد (FAO/UNEP 1994). در نقشه جهانی وضعیت تخریب خاک ناشی از انسان، اعتقاد بر این است که از بین رفتن خاک سطحی و تغییر شکل زمین به دلیل فرسایش خاک، از پیامدهای جنگل زدایی، حذف پوشش گیاهی طبیعی و چرای بیش از حد در مناطق کوهستانی است (Shrestha 1997)

در هند، 69 Mha زمین به شدت تخریب شده و 106 Mha به شدت فرسایش یافته است و نرخ  متوسط جداشدن خاک 4/69 تن در هکتار در سال است (Singh 2000). این کشور تنها 2 درصد از مساحت جغرافیایی جهان را در اختیار دارد اما بیش از 5/17 درصد از جمعیت جهان را پشتیبانی می‌کند. بنابراین، منابع زمینی هند برای برآوردن نیازهای افزایش جمعیت تحت فشار زیادی قرار دارد. از این رو، فرسایش خاک در هند یکی از نگرانی‌های اصلی ملت است زیرا کشاورزی تحت تأثیر منفی قرار دارد. کاهش دسترسی به زمین برای کشاورزی، که انتظار می‌رود تا سال 2035 میلادی فقط 15/0 هکتار به ازای هر نفر برسد، شدت مشکل را نشان می‌دهد (سینگ 2000).

خاک یک منبع تجدید ناپذیر است و رسوب تا حد زیادی مسئول به خطر انداختن مقدار و کیفیت آب و آلودگی منابع آب است (دسیلوا و همکاران 2010). علاوه بر کاهش  جدی تولید در نتیجه فرسایش خاک و تخریب زمین به دلیل فعالیتها و دخالتهای انسانی، اثر دیگر این مشکل از طریق سیلتی شدن بیش از حد و زودرس مخازن چند منظوره مشاهده می‌شود. تقریباً 10 درصد از خاک جدا شده، سالانه در مخازن سطحی رسوب می‌کند و در نتیجه حدود 2 درصد از ظرفیت ذخیره سازی سالانه از بین می‌رود. این مخازن در هند با اهداف مختلف مانند تولید برق آبی، آبیاری، تامین آب خانگی، کنترل فرسایش خاک و کاهش سیل که هزینه‌های زیادی را شامل می‌شود، ساخته شده است. اکثر آنها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که حداقل 100 سال عمر کنند، اما لجن زیاد ناشی از فرسایش سریع، عمر مفید این سازه‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش داده است. سالانه حدود 6000 تن خاک در هند از 80 Mha زمین قابل کشت از بین می‌رود و باعث هدر رفتن 4/8 تن مواد مغذی می‌شود. تلفات مواد مغذی به این روش  بسیار بیشتر از مقداری است که در حال حاضر در کشور استفاده می‌شود  (سینگ 2000). از بین 16 رودخانه جهان، که فرسایش شدیدی را تجربه می‌کنند و بار رسوبی سنگینی را حمل می‌کنند، سه رودخانه به نام‌های گانگا، براهماپوترا و کوسی به ترتیب موقعیت‌های دوم، سوم و چهارم را به خود اختصاص داده اند. همچنین افزایش میزان هزینه سالانه برای برنامه‌های کمک به خشکسالی و سیلاب نشان دهنده تخریب زمین در کشور است (میشرا و همکاران 2003).

1-1. تهدید فرسایش خاک برای محیط زیست و کشاورزی

فرسایش خاک یک بحران زیست محیطی جهانی است که امروزه محیط زیست و کشاورزی ما را تهدید می‌کند. فرسایش سریع خاک دارای آثار منفی اقتصادی و اکولوژیکی است (Lal 1998). این اثرات در محل و خارج از محل در نتیجه کاهش کیفیت زمین/خاک بر بهره وری ایجاد می‌شود (Lal 2001). میزان رایج تخریب زمین‌های کشاورزی در سراسر جهان در اثر فرسایش خاک و عوامل دیگر منجر به کاهش بهره وری جبران ناپذیر در حدود 6 میلیون هکتار زمین حاصلخیز در سال می‌شود (دودال 1981). آسیا دارای بالاترین میزان فرسایش خاک 74 تن در هکتار در سال است و رودخانه‌های آسیایی حدود 80 درصد از کل رسوبات وارد شده به اقیانوس‌های جهان را شامل می‌شوند (El-Swaify 1997). منابع خاک برای معیشت انسان ارزشمند است. استفاده پایدار از زمین به حفاظت و استفاده احتمالی از منابع خاک و آب بستگی دارد.

ظرفیت تولیدی اراضی، خطری برای امنیت غذایی جهانی ایجاد می‌کند (مصباحی و همکاران 2013). رانش زمین، رانش گل و لای، فرو ریختن تراس‌های مصنوعی، از بین رفتن خاک از دامنه‌های تند و کاهش مناطق جنگلی/ مرتعی از دلایل اصلی تخریب منابع زمین است. مشاهده شده است که از دست دادن خاک سطحی حاصلخیز به دلیل فرسایش سطحی و گالی یک پدیده شایع است و اراضی کشاورزی را به مناطقی که دارای پوشش خاک حاشیه‌ای هستند، تبدیل کرده است. بنابراین، منابع طبیعی در مناطق کوهستانی به دلیل جنگل زدایی شدید، چرای بی رویه و کشاورزی معیشتی در نتیجه فشار جمعیت، احداث جاده در مقیاس بزرگ و معدن به همراه سایر فعالیت‌های انسانی، عمدتا تحت تأثیر تخریب زمین قرار می‌گیرد. به دلیل جنگل زدایی همراه با بارندگی زیاد، مناطق حساس همراه با شیب‌های تند مستعد فرسایش شدید خاک شده‌اند (El-Swaify 1997)

1-2. نیاز به ارزیابی خطر فرسایش خاک

ارزیابی خطر فرسایش خاک می‌تواند برای ارزیابی زمین در مناطقی که فرسایش خاک تهدید اصلی برای کشاورزی پایدار است مفید باشد. ارزیابی فرسایش خاک و نقشه برداری از مناطق مستعد فرسایش به دانش حفاظت از خاک و مدیریت آبخیزداری کمک می‌کند. بنابراین،  اندازه گیری میزان فرسایش برای سیاست گذاران از اهمیت بالایی برخوردار هستند. در نتیجه، نظارت برای بررسی بدتر شدن منابع طبیعی، به ویژه  آنهایی که بر فعالیت‌های کشاورزی اثر می‌گذارد  ضروری است. از این رو، ارزیابی خطر فرسایش خاک برای برنامه حفاظت از خاک بسیار مهم است.

روشهای مختلفی برای ارزیابی میزان فرسایش خاک در دسترس است. تکنیک‌های مرسوم مطالعات زمینی برای اندازه گیری فرسایش و رواناب خاک گران و زمان بر است. علاوه بر این، این تکنیک‌ها به دلیل پیچیدگی فعل و انفعالات و مشکل در تعمیم نتایج محدودیت هایی دارند. و به احتمال زیاد دقت آن ضعیف است و مشخص نیست که خاک از کجا و در چه زمانی آمده است (هادسون 1995). در اندازه گیری رسوب معلق، میزان تخلیه و رسوب که از نقطه‌ای در خروجی حوضه عبور می‌کند، برای نشان دادن میزان خاک از بین رفته از حوضه آبریز، کنترل می‌شود. با این حال، منشا و میزان بار رسوبی از حوضه آبریز ناشناخته است. به طور مشابه، رسوب خاک فرسایش یافته  در مکان‌های دیگر بدون رسیدن به ایستگاه اندازه گیری قابل محاسبه نیست. استفاده از  این خروجی‌های تجربی برای تعیین میزان تلفات خاک از مناطق وسیع تر با موقعیتهای گوناگون  هنوز قابل بحث است. نقشه برداری زمین با استفاده از روش‌های شناسایی برای تخمین تلفات خاک، میزان تقریبی  فرسایش را با استفاده از  اندازه گیری تغییر سطح بررسی می‌کند. با این وجود، برای زمین‌های زراعی محدودیت دارد زیرا سطح آن تحت تأثیر کشت و کار قرار می‌گیرد.

مطالعات هیدرولوژیکی شامل تجزیه و تحلیل مکرر در عمل بسیار حیاتی است. پارامترهای ژئومورفولوژیکی به طور مستقیم یا غیر مستقیم تقریباً کل عوامل ایجاد کننده حوضه آبخیز را تحت تأثیر قرار می‌دهند که بر میزان رواناب و از دست دادن رسوب تأثیر می‌گذارد. ویژگی‌های سطحی واحدهای اساسی تجزیه و تحلیل قبل از اتخاذ هر گونه ابزارهای پیچیده برای نظارت بر پاسخ حوضه در ارتباط با هر یک از فرآیندهای هیدرولوژیکی  است که بر روی آن تأثیر می‌گذارد. نیاز به اطلاعات دقیق در مورد رواناب و عملکرد رسوب در چند دهه گذشته به همراه سرعت بخشیدن به برنامه‌های آبخیزداری برای حفاظت، توسعه و استفاده مفید از این منابع به سرعت افزایش یافته است (حکیم و چاندراکران 2005).

1-3. مدلسازی فرسایش خاک

مدلهای فرسایش برای پیش بینی فرسایش خاک استفاده می‌شود. مدل سازی فرسایش خاک می‌تواند بسیاری از فعل و انفعالات پیچیده‌ای را که با شبیه سازی فرآیندهای فرسایش در حوضه آبریز بر میزان فرسایش تأثیر می‌گذارد، در نظر بگیرد. مدلهای پارامتری مختلفی مانند مدلهای تجربی (آماری/متریک)، مفهومی (نیمه تجربی)، و فرایندهای فیزیکی (تعیین کننده) برای محاسبه اتلاف خاک در دسترس هستند. به طور کلی، این مدل‌ها بسته به فرایندهای فیزیکی شبیه سازی شده توسط مدل، الگوریتم‌های مدل توصیف کننده این فرایندها و وابستگی داده‌های مدل طبقه بندی می‌شوند. مدلهای تجربی ساده ترین مدل از هر سه نوع مدل هستند. آنها ماهیت آماری دارند، اساساً بر اساس تجزیه و تحلیل مشاهدات، و به دنبال توصیف پاسخ این داده‌ها هستند. الزامات داده برای چنین مدلهایی در مقایسه با مدلهای مفهومی و فیزیکی معمولاً کمتر است. مدل‌های مفهومی نقش واسطه‌ای بین مدل‌های مبتنی بر فرایند فیزیکی و تجربی ایفا می‌کنند. مدلهای مبتنی بر فرایند فیزیکی ترکیبی از اجزای فردی را که بر فرسایش تأثیر می‌گذارد، از جمله فعل و انفعالات پیچیده بین عوامل مختلف و تنوع مکانی و زمانی آنها را در نظر می‌گیرد. این مدل‌ها نسبتاً بیش از حد پارامتر شده اند.

اکثر این مدلها برای برآورد مقدار خاک ازبین رفته به اطلاعات مربوط به نوع خاک، کاربری اراضی، شکل زمین، آب و هوا و توپوگرافی نیاز دارند. آنها برای مجموعه خاصی از شرایط، مربوط به منطقه خاص طراحی شده اند. معادله جهانی اتلاف خاک (USLE) (ویشمایر و اسمیت 1965) برای پیش بینی  مقدار خاک از دست رفته ناشی از فرسایش ورقه‌ای  و شیاری در شرایط خاص از زمین‌های کشاورزی طراحی شد. معادله جهانی اتلاف خاک اصلاح شده (MUSLE) (ویلیامز و برند 1972)، نسخه اصلاح شده USLE، با معرفی فاکتور  هیدرولوژیکی رواناب برای برآورد عملکرد رسوب، در شرایط دیگر به کاربرده می‌شود. پروژه پیش بینی فرسایش آب (WEPP) (Nearing and Lane 1989) یک مدل شبیه سازی مداوم مبتنی بر فرایند است که به عنوان جایگزین USLE توسعه یافته است (Okoth 2003). مدل  ANSWERS (بیسلی و همکاران، 1980) برای محاسبه فرسایش خاک در حوضه آبریز طراحی شده است. مدل فرسایش خاک اروپا (EUROSEM) یک مدل تک فرایندی برای ارزیابی و پیش بینی خطر فرسایش خاک در مناطق و حوضه‌های آبریز کوچک است. مدل مورگان، مورگان و فینی (MMF) یک مدل تجربی است که برای برآورد میانگین سالانه اتلاف خاک از مناطق بزرگ در دامنه تپه تهیه شده است (مورگان و همکاران 1984، 1999) که دارای پایه فیزیکی قوی هستند.

USLE (ویشمایر و اسمیت 1965) ساده ترین مدل ریاضی است که از دهه 1960 در سراسر جهان استفاده می‌شود. USLE یک مدل تجربی است که برای تخمین میزان از دست رفتن سالانه خاک استفاده می‌شود. برای به دست آوردن اطلاعات سریع و کارآمد در مورد از دست رفتن خاک، اغلب از ترکیب  GIS -USLE استفاده می‌شود (Fistikoglu and Harmancioglu 2002).

مدل  USLE متوسط ​​تلفات بلند مدت خاک از حوضه‌های کشاورزی را تخمین می‌زند. همچنین USLE به احتمال زیاد ساده ترین روش موجود برای انجام مطالعات فرسایش خاک در حوضه‌های بزرگ باقی می‌ماند (Julien and Tanago 1991). استفاده وسیع از USLE در مقیاس بزرگتر توسط بسیاری از محققان گزارش شده است (Jain and Kothyari 2000؛ Jain and Goel 2002؛ Pradhan et al. 2012؛ Khosrokhani and Pradhan 2014).

1-4. سنجش از دور و GIS در ارزیابی فرسایش خاک

یکی از بزرگترین مشکلات در بررسی این مدلها، ایجاد داده‌های ورودی است که بسیار فضایی است. روشهای متداول برای تولید این داده‌های ورودی بسیار پرهزینه و زمان بر هستند. با ظهور فناوری سنجش از دور (RS)، بدست آوردن اطلاعات مکانی در مورد پارامترهای ورودی امکان پذیرتر و مقرون به صرفه تر شده است. علاوه بر این، با قابلیت پردازش داده‌های مکانی قدرتمند سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و سازگاری آن با داده‌های RS، رویکردهای مدلسازی فرسایش خاک جامع تر و قوی تر شده است (Bhaware 2006 ). RS می‌تواند مطالعه عوامل افزایش دهنده فرسایش مانند نوع خاک، شیب شیب، زهکشی، زمین شناسی و پوشش زمین را تسهیل کند. تصاویر ماهواره‌ای چند زمانی اطلاعات ارزشمندی را در ارتباط با پویایی کاربری فصلی اراضی ارائه می‌دهد. از داده‌های ماهواره‌ای می‌توان برای مطالعه ویژگی‌های فرسایشی مانند گالی ها، موانع  بارندگی توسط پوشش گیاهی و فاکتور پوشش گیاهی استفاده کرد. مدل ارتفاع دیجیتال (DEM)، یکی از ورودی‌های حیاتی مورد نیاز برای مدل سازی فرسایش خاک، به وسیلع تجزیه و تحلیل داده‌های نوری استریوسکوپی و مایکروویو RS تولید شده است. RS یک منبع قابل توجهی از داده‌های زمان واقعی و دقیق مربوط به زمین و خاک را ارائه می‌دهد. و قادر به فراهم کردن  اطلاعات مشابه در مناطق بزرگ است  بنابراین می‌تواند تا حد زیادی به ارزیابی فرسایش منطقه‌ای کمک کند. تصاویر ماهواره‌ای چند زمانی برای استخراج اطلاعات ارزشمند مرتبط با پویایی کاربری فصلی اراضی  به منظور نقشه برداری از کاربری زمین/پوشش زمین مفید است. و از آن  میتوان برای تولید فاکتور پوشش و مدیریت (عامل C) استفاده کرد (Morgan 1995 ؛ Wischmeier and Smith 1978) که یکی از ورودی ضروری در مدل سازی فرسایش است. فاکتور‌های  مرتبط با طبقه بندی خاک مانند خصوصیات خاک، آب و هوا، پوشش گیاهی، توپوگرافی و سنگ شناسی را می‌توان به طور بالقوه با RS ماهواره‌ای ترسیم کرد تا تفاوت‌های فضایی در فرسایش پذیری را در نظر بگیرند، که به عنوان داده‌های ورودی برای مدل سازی فرسایش عمل می‌کنند. از تصاویر ماهواره‌ای نوری می‌توان برای نقشه برداری خاک  که عمدتا از طریق ترسیم بصری الگوهای خاک می‌باشد استفاده کرد (Dwivedi و همکاران 1997). نیاز اساسی هر مطالعه هیدرولوژیکی یا ژئومورفولوژیکی یک DEM است که به ما امکان استخراج ویژگی‌های مختلف توپوگرافی مانند ارتفاع، شیب و پارامترهایی را که برای تجزیه و تحلیل ویژگی‌های فیزیکی حوضه ضروری است  را می‌دهد. داده‌های DEM از تصاویر ماهواره‌ای زمین مانند تصاویر نوری استریو استخراج می‌شود (کومار 2003).

GIS به عنوان ابزاری قدرتمند برای بررسی داده‌های جغرافیایی  فضایی و غیر فضایی به منظور تهیه و تجسم ورودی و خروجی و تعامل با مدلهای فرسایش خاک به وجود آمده است.  پتانسیل قابل توجهی برای استفاده از فناوری GIS به عنوان کمک به وجود فرسایش خاک دررابطه با مدل سازی فرسایش خاک و ارزیابی خطر فرسایش وجود دارد.

از GIS می‌تواند برای مقیاس بندی تا سطوح منطقه‌ای و تعیین مقدار اخلاف  در برآورد تلفات خاک تولید شده توسط مقیاس‌های مختلف نقشه برداری خاک که به عنوان لایه داده در مدل نقش دارد استفاده کرد . استفاده توام  RS و GIS می‌تواند به ارزیابی کمی تلفات خاک در مقیاس‌های مختلف و شناسایی مناطقی که در معرض خطر فرسایش خاک هستند، کمک کند (سها و همکاران 1992). چندین مطالعه کاربرد بالقوه تکنیک‌های GIS در  ارزیابی کمی خطرات فرسایش خاک با استفاده از مدلهای مختلف فرسایش خاک را نشان داده است (Saha et al. 1992؛ Shrestha 1997). با توجه به غیرقابل دسترس بودن زمین‌های تپه ای، اگر منطقه وسیعی باشد، RS برای تطبیق اطلاعات و تنوع مکانی ضروری است. مدل سازی فضایی شامل استفاده از GIS برای نشان دادن مدل مفهومی و انجام محاسبات ریاضی ساده بر روی ویژگی‌های ذخیره شده  GIS به منظور نمایش نتایج به صورت مکانی است (Kumar and Rastogi 2005).

1-5. اهداف مطالعه

با توجه به موارد فوق، اهداف این تحقیق عبارتند از:

1. ارزیابی میزان فرسایش سالانه خاک از یک حوزه آبخیز با استفاده از اطلاعات توزیع شده برای توپوگرافی، کاربری اراضی و خاک با استفاده از تکنیک‌های RS و GIS.
2. مقایسه تلفات رسوب شبیه سازی شده با تلفات رسوب مشاهده شده.

فصل 2

ارزیابی فرسایش خاک بر اساس USLE – GIS: یک مرور کلی

چکیده

امروزه فرسایش خاک در اثر دخالت انسان در زمین‌های قابل کشت یا جنگل به دلیل افزایش شدید جمعیت از نگرانی‌های اصلی می‌باشد. کانال‌های ساخته شده توسط انسان و انحراف جریان طبیعی رودخانه منجر به زهکشی نامناسب و در نتیجه  تسریع در تخریب خاک می‌شود. ابزارهای موجود برای ارزیابی میزان فرسایش خاک در یک منطقه خاص معمولاً شامل ترکیبی از معادله جهانی تلفات خاک (USLE) و ابزارهای ارزیابی فضایی است. محققان معمولاً فرسایش خاک را به صورت عددی و مکانی ارزیابی کرده و خروجی‌ها را با مجموعه داده‌های مشاهده شده اعتبارسنجی می‌کنند. بارندگی، خاک، توپوگرافی و پوشش زمین پارامترهای کلیدی مورد استفاده در مدل سازی فرسایش خاک توزیع شده هستند. نرم افزارهای سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) مانند ArcGIS، ERDAS Imagine، Idrisi و ILWIS برای ایجاد، ذخیره، و تجزیه و تحلیل لایه‌های رستری فاکتورهای USLE استفاده می‌شود. محققان زیادی  به وضعیت فعلی USLE و GIS بر اساس مدل سازی فرسایش خاک  توزیع شده کمک کرده اند. علاوه بر این، روش‌ها و تکنیک‌های مختلفی برای تعیین فاکتور‌های USLE پیشنهاد شده است.

کلیدواژه‌ها: USLE GIS RUSLE DEM SDR

کنترل تلفات خاک  از حوضه‌های آبخیز یک مشکل چالش برانگیز برای مدیران حوزه و حفاظت کنندگان خاک است. فرایندها و فاکتورهای اساسی که عامل ایجاد تخریب زمین، به ویژه فرسایش خاک و پدیده‌های مرتبط با آن هستند برای مفهوم سازی، طراحی و اجرای سیستم‌های کشاورزی مولد و پایدار بسیار مهم است. به ویژه در زمین‌های شیب دار، احتمال فرسایش خاک و تلفات روان آب زیاد است. خطرات بهره وری و تخریب در این زمین‌ها با آب و هوا، خاک و توپوگرافی محل تعیین می‌شود. با این حال، منحصر به فرد بودن آنها با محدودیتهای توپوگرافی بیشتر از سایر عوامل  ارتباط دارد. استفاده از زمین‌های شیب دار به دلیل افزایش جمعیت و تجاوز مداوم به زمین‌های تپه‌ای در مناطق گرمسیری به طور فزاینده‌ای رایج است. پتانسیل فرسایش و فرسایش واقعی در چنین مواردی ممکن است حتی از صدها تن خاک در هکتار در سال فراتر رود. بنابراین، انتخاب و طراحی سیستم‌های کشت، سیستم‌های مدیریت زمین و سیستم‌های مدیریت آب باید به منظور دستیابی به کنترل موثر فرسایش و رواناب مورد استفاده قرار گیرد تا از آثار زیانبار آنها هم در محل و هم خارج از سایت. جلوگیری شود.

این فصل به طور خلاصه تحقیقات انجام شده در هند و خارج از کشور را در رابطه با اهداف این مطالعه توضیح می‌دهد.

2-1. برآورد فرسایش خاک با استفاده از رویکرد RS و GIS

کوتیری و جین (1997) روشی را برای تعیین عملکرد رسوب از  یک حوزه آبخیز با استفاده از GIS توسعه دادند. این روش شامل تجزیه فضایی حوزه آبخیز به سلولهایی با  خصوصیات یکنواخت فرسایش خاک است. فرسایش سطحی از هر یک از سلولهای گسسته با استفاده از مفهوم نسبت تحویل رسوب (SDR)، هدایت شده به خروجی حوزه آبخیز و  به عنوان تابعی از مساحت یک سلول پوششیده شده از جنگل تعریف شده است. میزان رسوب حوزه آبخیز به عنوان مجموع رسوبات تحویل داده شده  توسط هر یک از سلولها تعریف می‌شود. تفکیک مکانی حوزه آبخیز و مشتق پارامترهای فیزیکی مربوط به فرسایش در سلولها با استفاده از تکنیک GIS و به وسیله بسته اطلاعات سیستم یکپارچه  زمین و آب (ILWIS) انجام شد.

جین و کوتیاری (2000) روشی مبتنی بر GIS به منظور  شناسایی مناطق منبع رسوب و پیش بینی مقدار رسوب برواناب از حوزه آبخیز پیشنهاد کردند. از داده‌های حوزه آبخیز ناگوا و کارسو در بیهار (هند) و  از بسته اطلاعات سیستم  یکپارچه زمین و آب  GIS  (ILWIS) برای انجام تجزیه و تحلیل جغرافیایی استفاده شد. از یک پردازنده تصویر سیستم تجزیه و تحلیل منابع زمین (ERDAS) برای آنالیز دیجیتالی داده‌های ماهواره‌ای به منظور استخراج پوشش زمین و خصوصیات خاک حوزه آبخیز استفاده شد. حوزه آبخیز به سلولهای شبکه‌ای همگن هیدرولوژیکی تفکیک شدند تا ناهمگونی حوزه آبخیز را به تصویر بکشند.  سپس سلولهای تشکیل شده بر اساس میزان مناطق تجمع جریان آنها به سلولهای مناطق جریان  سطحی و سلولهای مناطق کانال جریان متمایز می‌شوند. فرسایش ناخالص خاک در هر سلول با استفاده از معادله جهانی تلفات خاک (USLE) با تعیین دقیق پارامترهای مختلف آن محاسبه شد. از مفهوم SDR برای تعیین مقدار کل رسوب در هر حوزه در مدت زمان  وقوع یک باران استفاده شد.

فرناندز و همکاران (2002) اظهار داشتند که به دلیل افزایش نگرانی‌ها در مورد کیفیت آب و زیستگاه آبزیان، نیاز مبرم به کمی  سازی و پیش بینی مقدار رسوب در سطح حوزه وجود دارد. مدلهای تعیین کنده مقدار رسوب در مناطقی که فاقد داده هستند، برای راهنمایی برنامه‌های جمع آوری داده‌ها و پیش بینی تأثیرات آینده فعالیتهای کشاورزی، کاربری اراضی، تثبیت جریان و روشهای کنترل سیل، اطلاعات ارزشمندی را ارائه می‌دهند. این مطالعه به منظور توسعه یک روش با استفاده از GIS و مدل سازی رایانه‌ای برای برآورد توزیع مکانی فرسایش خاک و مقدار رسوب در حوزه آبخیز Lawyers Creek واقع در غرب-مرکزی آیداهو انجام شده است.

فرسایش خاک و میزان رسوب برای حوزه آبخیز Lawyers Creek با استفاده از مدل اصلاح شده جهانی تلفات خاک (RUSLE) و مدل توزیع تحویل رسوب (SEDD) ترکیب شده  با GIS برآورد شد.

هوشیکاوا و همکاران (2005)  مقدار رسوب بالقوه را با استفاده از ادغام USLE و GIS در هشت زیر حوزه در ژاپن: حوزه‌های  Katagiri، Matsukawa، Shintoyone، Minowa، Koshibu و Misakubo  برآورد کردند.  مقدار رسوب برآورد شده با مقدار رسوب واقعی اندازه گیری شده از مخازن اعتبارسنجی شد. مطالعه آنها  نشان داد که تغییرات رسوب سالانه مشاهده شده در مخازن، روند مشابهی با مقدار رسوب برآورد شده USLE در حوزه ابخیز  مورد مطالعه دارد. این نتیجه قابلیت اطمینان و سازگاری روش  USLE ترکیب شده با GIS برای برآورد مقدار رسوب بالقوه سالانه در حوزه ‌های بزرگ که  دارای توپوگرافی و زمین شناسی پیچیده است، تایید می‌کند.

لیم و همکاران (2005) اظهار داشتند که فرسایش سریع خاک به دلیل اثرات اقتصادی و زیست محیطی آن یک مشکل جهانی است. برای برآورد موثر فرسایش خاک و ایجاد برنامه‌های مدیریت فرسایش خاک، مدلهای کامپیوتری زیادی توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است. RUSLE در بسیاری از کشورها مورد استفاده قرار گرفته است و داده‌های پارامترهای ورودی برای RUSLE طی سالها به خوبی ثابت شده است. با این حال، RUSLE نمی‌تواند برای برآورد مقدار رسوب در یک حوزه آبخیز استفاده شود. بنابراین، ابزار ارزیابی رسوبات مبتنی بر GIS برای کنترل موثر فرسایش (SATEEC) به منظور تخمین تلفات خاک و مقدار رسوب در هر مکان در حوزه با استفاده از RUSLE و SDR توزیع شده فضایی توسعه داده شد. SATEEC در این مطالعه با توسعه ماژول‌های جدید برای (1) شبیه سازی اثرات حوضچه‌های رسوب گیر بر روی اجزای گیرنده آب  افزایش یافت، (2) برآورد مقدار رسوب از یک رویداد رواناب، و (3) تهیه پارامترهای ورودی برای سیستم پشتیبانی از تصمیم گیری رسوبات مبتنی بر وب با استفاده از رابط GIS توسعه یافت. سیستم SATEEC توسعه یافته  در حوزه‌های مورد مطالعه استفاده شد تا نشان دهد که چگونه می‌توان از سیستم توسعه یافته برای کنترل فرسایش خاک به طور موثر استفاده کرد.  تمام مراحل با برنامه نویسی با  Avenue و پایگاه داده کاملا خودکار بودند. بنابراین، سیستم توسعه یافته SATEEC به GIS مجرب نیاز ندارد.

کیم (2006) از RUSLE و GIS برای مدل سازی فرسایش خاک در حوزه Imha، در کره جنوبی استفاده کرند. مدل RUSLE با تکنیک‌های GIS به منظور تجزیه و تحلیل میزان تلفات ناخالص خاک ناشی از باران ” Maemi” و میانگین سالانه تلافات خاک و ارزیابی توزیع فضایی میزان تلفات خاک در کاربری‌های مختلف ترکیب شد. میانگین سالانه میزان تلفات خاک و میزان تلفات خاک ناشی از باران  Maemi به ترتیب 3450 و 2920 تن/کیلومتر مربع در سال پیش بینی شده بود. همچنین، فاکتور مدیریت پوشش مناطق جنگلی حوزه Imha با استفاده از روش آزمون و خطا از رابطه بین تلفات سالانه خاک و مدلهای مختلف SDR کالیبره شد. مقدار C تعیین شده برای منطقه جنگلی 03/0 بود و سه برابر بیشتر از منطقه جنگلی دست نخورده است. میزان  SDR   برابر با 25 درصد از میانگین تلفات سالانه خاک و رسوبات مورد بررسی در حوزه Imha بود.

هتون و همکاران (2007) آنالیز الگوی فضایی تخریب زمین را با استفاده از داده‌های سنجش از دور ماهواره‌ای (SRS) و GIS بر روی حوزه Mandalay، در میانمار مرکزی آنالیز کردند. این مطالعه  تأثیر فاکتورهای اقتصادی اجتماعی اصلی بر فرایندهای فرسایش و اقدامات حفاظتی در زمینه کشاورزی مناطق خشک را به منظور تهیه نقشه خطر فرسایش در منطقه بررسی کرد. همچنین روشی برای مطالعه فرسایش خاک و برهم کنش بین عوامل فرسایش خاک با ادغام GIS و RS  ارائه شد.

در مرحله اول، تصاویر ماهواره‌ای (ETM) و شرایط واقعی زمین تصحیح شد. سپس، با توجه به عوامل اکولوژیکی و محیطی، پایگاه داده فضایی و مدل ارتفاع دیجیتال (DEM) در منطقه مورد مطالعه ساخته شد. در نهایت، با توجه به USLE، کمی سازی و توزیع فرسایش خاک، خطرات و تغییرات بدست آمد. نتیجه این ارزیابی توزیع فضایی شدت تخریب زمین‌های مختلف را در سطح منطقه بر اساس حوزه آبخیز نشان داد. این مطالعه به منظور توسعه مدلی بر اساس اطلاعات مکانی و داده‌های جمعیت شناختی انجام شده است.