تعیین مؤثرترین ویژگی های فیزیکی و مکانیکی خاک برافزایش سطح مقطع آبکندها در استان اردبیل

آب و خاک

مقاله 7، دوره 30، شماره 6 - شماره پیاپی 50، بهمن 1395، صفحه 2060-2077   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v30i6.52921

نویسندگان

حسین شهاب آرخازلو^{* 1}؛ حجت امامی²؛ غلامحسین حق نیا²؛ اباذر اسمعلی³

¹فردوسی مشهد

²دانشگاه فردوسی مشهد

³محقق اردبیلی

چکیده

فرسایش آبکندی یکی از مهمترین انواع فرسایش در سطح کشور است که در نقاط مختلف استان اردبیل وجود دارد و یکی از شاخص های گسترش آبکند افزایش سطح مقطع آن می باشد. توپوگرافی منطقه و ویژگی های خاک از جمله مهمترین عوامل مؤثر بر فرسایش آبکندی می باشند. با وجود اهمیت ویژگی های خاک در فرسایش آبکندی، تأثیر مستقیم این عوامل کمتر بررسی شده است و مطالعات محدودی در مورد تأثیر ویژگی-های فیزیکی و مکانیکی خاک بر فرسایش آبکندی انجام شده است. هدف این پژوهش تعیین تأثیر توپوگرافی بر فرسایش آبکندی و تأثیر ویژگی-های فیزیکی و مکانیکی خاک سطحی و زیرسطحی بر افزایش سطح مقطع آبکندها و در نهایت انتخاب مهمترین ویژگی های خاک مؤثر بر آن در سه منطقه اُرتاداغ، ملااحمد و سرچم استان اردبیل بود. همچنین رابطه بین مهمترین ویژگی های خاک و عوامل توپوگرافی نیز بررسی گردید. با استفاده از دو روش رابطه طبقات شیب با تراکم آبکندها و شاخص آستانه توپوگرافی که S و A شیب و مساحت حوضه زه کشی آبکند و a و b ضرائب محیطی هستند، تأثیر توپوگرافی بر فرسایش آبکندی در سه منطقه ارزیابی شد. پس از انتخاب مجموعه ای مشابه از آبکندها در هر منطقه از نظر مشخصات حوضه زه کشی، گسترش آبکندها با اندازه گیری افزایش سطح مقطع آن ها در طول دو سال و در چهار نقطه از طول آبکندها اندازه گیری شد. با اندازه گیری 17 ویژگی مکانیکی و فیزیکی خاک سطحی و زیرسطحی در نقاط اندازه گیری سطح مقطع، با استفاده از تحلیل مؤلفه-های اصلی (PCA) مهمترین ویژگی های مؤثر بر افزایش سطح مقطع آبکند تعیین شد. در نهایت مدل رگرسیونی افزایش سطح مقطع آبکند در اثر مهمترین ویژگی های خاک حاصل از PCA، با رگرسیون گام به گام برای هر منطقه به دست آمد. رابطه طبقات شیب و تراکم آبکند نشان داد در منطقه ملااحمد با افزایش شیب تراکم آبکند بیشتر شده است و در منطقه اُرتاداغ تا شیب 20-30 درصد این روند مشاهده شد، در حالی که در منطقه سرچم رابطه ای بین طبقات شیب و تراکم آبکند وجود نداشت. با استفاده از شاخص آستانه توپوگرافی، فرآیند غالب هیدرولوژیکی تشکیل آبکند برای منطقه ملااحمد رواناب سطحی و برای منطقه سرچم جریان زیرزمینی تشخیص داده شد و در اُرتاداغ هر دو نوع جریان سطحی و زیرزمینی مؤثر شناخته شد. با انجام PCA در دو منطقه ملااحمد و اُرتاداغ عمدتا ویژگی های مکانیکی و پایداری خاکدانه ها بر افزایش سطح مقطع آبکند تأثیر بیشتری داشتند، در حالی که در منطقه سرچم کلاس های اندازه ذرات و شاخص های پایداری خاکدانه ها تأثیر بیشتری داشتند. به طور کلی رابطه ی بین تراکم آبکند در طبقات مختلف شیب، آستانه توپوگرافی تشکیل آبکند و ویژگی های فیزیکی و مکانیکی مؤثر بر گسترش آبکندها نشان داد که بین نوع جریان هیدرولوژیکی تشکیل آبکند و مهمترین ویژگی های خاک مؤثر بر افزایش سطح مقطع آبکند هماهنگی وجود دارد.

کلیدواژه‌ها

آستانه توپوگرافی؛ بالاکند؛ تحلیل عاملی؛ فرسایش زیرزمینی

مراجع

1- Agharazi H., Davodirad A., and Soufi M. 2014. Area-slope threshold of gully's in Zahir Abad watershed of Markazi province. Journal of Watershed Engineering and Management, 6:1-9. (in Persian)

2- Bayatti M. 2006. Gully properties and gully controlling factors, case study: between Meshkinshahr and ahhar. Geography and Development Iranian Journal, 4:115-136. (in Persian)

3- Bili P., and Dramis F. 2003. Geomorphological investigation on gully erosion in the rift valley and the northern highlands of Ethiopia. Catena, 50: 353-368.

4- Bradford J., and Piest R. 1980. Erosional development of valley bottem gullies in the upper midwestern United States, p. 75-101. In: D.R. coates, andJ.D. Vited (ed.) Geomorphic thresholds, Dowden and culver, Stroudsburg, Pennsylvania.

5- Canton Y., Sole-Benet A., Asensio C., Chamizo S., and Puigdefabregas J. 2009. Aggregate stability in range sandy loam soils. Relationships with runoff and erosion. Catena, 77:192–199.

6- Chaplot V. 2013. Impact of terrain attributes, parent material and soil types on gully erosion. Geomorphology, 186:1-11.

7- Chaplot V., Coadou le Brozec E., Silvera N., and Valentin C. 2005. Spatial and temporal assessment of linear erosion in catchments under sloping lands of northern Laos. Catena, 63: 167–184.

8- Deng Q., Qin F., Zhang B., Wang H., Luo M., Shu C., Liu H., and Liu G. 2015. Characterizing the morphology of gully cross-sections based on PCA: A case of Yuanmou Dry-Hot Valley. Geomorphology, 228: 703-713.

9- Dexter A.R. 2004. Soil physical quality Part I. Theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth. Geoderma, 120:201-214.

10- Di Stefano C., Ferro V., Pampalone V., and Sanzone F. 2013. Field investigation of rill and ephemeral gully erosion in the Sparacia experimental area, South Italy. Catena, 101:226–234.

11- Dlapa P., Chrenkova K., Mataix-Solera J., and Šimkovic I. 2012. Soil profile improvement as a by-product of gully stabilization measures. Catena, 92:155–161.

12- Esteves M., and Lapetite J.M. 2003. A multi scale approach of runoff generation in a Sahelian gully catchment: a case study in Niger. Catena, 50:255-271.

13- Faulkner H. 2013. Badlands in marl lithologies: A field guide to soil dispersion, subsurface erosion and piping-origin gullies. Catena, 106:42-53.

14- Frankl A., Poesen J., Scholiers N., Jacob M., Haile M., Deckers J., and Nyssen J. 2013. Factors controlling the morphology and volume (V)-length (L) relations of permanent gullies in the northern Ethiopian Highlands. Earth Surface Process Landforms, 38:1672–1684.

15- Gao X., Wu P., Zhao X., Zhang B., Wang J., and Shi Y. 2012. Estimating the spatial means and variability of root-zone soil moisture in gullies using measurements from nearby uplands. Journal of Hydrology, 476:28-41.

16- Gee G.W., and Bauder J.M. 1986. Partical-size analysis.p. 383-411. In: A.L. Page et al. (ed.) Methods of Soil Analysis, Part 1, Physical and Mineralogical Methods. Agronomy Monogroph No. 9 (2nd edition), American Society of Agronomy, Madison, WI.

17- Hafezi Moghaddas N. 2011. Engineering Geology. Arses press. 488p. (in Persian)

18- Hossein Zadeh M., Esmaeili R., Kalhor S., and Nosrati K. 2011. Assesment of local changes of gully erosion under geomorphology factors with multivariate statistics. Environmental Erosion Research. 1: 57-66. (in Persian)

19- Kemper W.D., and Rosenau R.C. 1986. Aggregate stability and size distribution. p. 425–442. In: A. Klute (ed.) Methods of Soil Analysis. Part a: Physical and Mineralogical Methods. American Society of Agronomy. Soil Science Society of America, Madison, WI.

20- Khalil Moghadam B., Afyuni M., Jalalian A., Abbaspour K.C., and Dehghani A.A. 2011. Estimation Surface Soil Shear Strength by Pedo-Transfer Functions and SoilSpatial Prediction Functions. Water and Soil, 25:187-195. (in Persian)

21- Marquez C.O., Garcia V. J., Cambardella C. A., Schultz R. C., and Isenhart T. M. 2004. Aggregate-Size Stability Distribution and Soil Stability. Soil Science Society of American Journal, 68:725-735.

22- Moghimi I., and Salammi N. 2011. Mechanism of geomorphologic creation and development of gully in the winter quarter of Haj Mohammad in the northern slope of Khoroslu in Ardebil. Territory, 30:49-61. (in Persian)

23- Morgan R.P.C., and Mngomezulu D. 2003. Threshold conditions for initiation of valley-side gullies in the middle veld of Swaziland. Catena, 50:401-414.

24- Mortezaei Gh., Ahmadi H., Ghoddosee J., Feiznia S., and Jafari M. 2008. Evaluation of the quantitative effects of environmental parameters on occurance of gully erosion. Journal of the Iranian Natural Resource, 60: 1211-1223. (in Persian)

25- Nachtergaele J., and Poesen J. 2002. Spatial and temporal variations in resistance of loess-derived soils to ephemeral gully erosion. European Journal of Soil Science, 53:449– 463.

26- Nayebi H. 2014. Applied advanced statistics by SPSS. University of Tehran press. 401p. (in Persian).

27- Poesen J. 1993. Gully typology and gully control measures in the European loess belt. p. 221– 239.In: S. Wicherek (ed.) Farm Land Erosion in Temperate Plains Environment and Hills. Elsevier, Amsterdam.

28- Poesena J., Nachtergaelea J., Verstraetena G., and Valentin C. 2003. Gully erosion and environmental change: importance and research needs. Catena, 50:91– 133

29- Rafahi H.Gh. 2006. Water erosion and conservation. University of Tehran press. 671p. (in Persian)

30- Reynolds W.D., Drury C.F., Tan C.S., Fox C.A., and Yang X.M. 2009. Use of indicators and pore volumefunction characteristics to quantify soil physical quality. Geoderma, 152:252-263.

31- Reynolds W. D., Elrick D. E., and Youngs E.G. 2002. Ring or cylinderinfiltrometers (vadose zone). p. 818- 826. In: J.H. Dane, G.C. and Topp (ed.) Methods of soil analysis, Part 4. Physical methods, Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin USA.

32- Servati M., ghodosi J., and dadkhah M. 2008. Gully erosion formation and extension controlling factors in losses. Pajohesh and sazandeghi, 78:20-33. (in Persian)

33- Shadfar S., Zahedi S., Namaki M., and Sharifi I. 2007. Assessment of gully erosion development in Ali Abad watershed of Guilan province. 4th Iran watershed science and engineering congress. 20-21 Feb. 2007. Karaj, Iran. (in Persian)

34- Shahrivar A., and Hassan Pour B. 2005. Effect of soluble salts, area and slope of gully basin on gully erosin in Sog region. 9th Iranian soil science congress. 28-31 Aug. 2005. Shahre Kord, Iran. (in Persian)

35- Soleimanpour S.M., Soufi M., Ahmadi H. 2009. Determining Effective Factors on Gully Development in Konartakhte Region, Fars Province. Water and Soil, 23:131-141. (in Persian)

36- Soufi M., and Esaei H. 2010. Estimate of gully erosion volume with morphometric and soil properties in Gholestan province. Journal of Watershed Engineering and Management, 2:73-82. (in Persian)

37- Valentin C. J., Poesen J., Yong Li. 2005. Gully erosion: Impacts, factors and control. Catena, 63:132–153.

38- Vandekerckhove L., Poesen J., Oostwoud Wijdenes D., Nachtergaele J., Kosmas C., Roxo M.J., and De Figueiredo T. 2000. Thresholds for gully initiation and sedimentation in Mediterranean Europe. Earth Surface Processes and Landforms, 25:1201–1220.

39- Wick A.F., Ingram L.J., and Stahl P.D. 2009. Aggregate and organic matter dynamics in reclaimed soils as indicated by stable carbon isotopes. Soil Biology and Biochemistry, 41:201–209.

40- Yasrebi B., Soufi M., Mirnia K., and Mohammadi J. 2013. Effect of topography and soil on development of gully's in agriculture lands, case study: Illam province. Journal of Watershed Engineering and Management, 5:31-40. (in Persian)

41- Zhu H., A. S.M., and Horton R. 2008. Impact of Gully on Soil Moisture of Shrubland in Wind-Water Erosion Crisscross Region of the Loess Plateau. Pedosphere, 18: 674-680.