بررسي كارايي مدل ‌WaTEM/SEDEM جهت برآورد فرسايش آبي و خاك‌ورزي (مطالعه موردي: زير حوضه نمونه كچيك؛ مراوه‌تپه - استان گلستان)

Assessment of WaTEM/SEDEM model for water and tillage induced soil erosion (Case study: Sample sub catchment of Kachik-, Golestan Province)

سابقه و هدف: فرسايش آبي و خاك‌ورزي در اراضي كشاورزي شيب‌دار فرآيندي مخرب و جدي محسوب شده كه به‌تدريج منجر به تغيير مورفولوژي منطقه مي‌شود. درعين‌حال، اندازه‌گيري فرسايش خاك و ميزان رسوب به‌صورت مستقيم در بسياري از حوزه‌هاي آبخيز، امري تقريباً غيرممكن به شمار مي‌آيد؛ بنابراين مدل‌سازي و شبيه‌سازي فرسايش خاك براي درك فرآيندهاي كنترل فرسايش خاك، پيش‌بيني ميزان رواناب و فرسايش خاك و تعيين يا انتخاب اقدامات مناسب حفاظت خاك مهم است. مواد و روش‌ها: منطقه موردمطالعه، زيرحوضه نمونه از زيرحوضه‌هاي زوجي كچيك استان گلستان از زيرحوضه‌هاي چندگانه آبخيز گرگان‌رود است. اين منطقه با وسعت تقريبي 192 هكتار، كاملاً از نهشته‌هاي حاصلخيز و فرسايش‌پذير لسي پوشيده شده است. در اين پژوهش براي برآورد فرسايش آبي و خاك‌ورزي منطقه موردمطالعه از نسخه 2004 مدل WaTEM/SEDEM استفاده شد. با استفاده از روش نمونه‌برداري دنباله‌اي موسوم به روش مدل‌مبنا با رويكرد مينيماكس، 20 موقعيت مكاني مختلف جهت تعيين ميزان فعاليت 137Cs، موقعيت‌هاي فرسايش، انتقال و رسوب مشخص شد. در نهايت پس از تعيين ميزان فعاليت راديونوكلوئيد 137Cs، مقدار فرسايش و رسوب با استفاده از مدل‌هاي تبديل اعم از مدل Mass Balance II براي كاربري كشاورزي و مدل Diffusion and Migration‌ براي ساير كاربري‌ها مشخص شد و سپس نقشه نقطه‌اي فرسايش و رسوب براي ارزيابي مدل تهيه شد. يافته‌ها: با استفاده از راديونوكلوئيد 137Cs، 90 درصد موقعيت‌هاي اندازه‌گيري در معرض فرسايش بودند. متوسط فرسايش اندازه گيري شده در اين موقعيت‌ها با استفاده از مدل‌هاي تبديل راديونوكلوئيدها بالغ بر 21/1 تن در هكتار در سال تعيين شد. با استفاده از اين مدل‌ها، نسبت تحويل رسوب حدود 97 درصد تعيين شد كه نشان‌دهنده پتانسيل بالاي منطقه براي توليد رسوب مي‌باشد. متوسط فرسايش آبي و خاك‌ورزي با استفاده از مدل WaTEM/SEDEM به ترتيب 8/28 و 4/78 تن در هكتار در سال و متوسط رسوب حاصل از فرسايش آبي و خاك‌ورزي در مناطق رسوب‌گذاري به ترتيب 18/14 و 7/89 تن در هكتار در سال برآورد شد. متوسط فرسايش و رسوب توسط اين مدل براي كل محدوده موردمطالعه به ترتيب 1/46 و 0/85 تن در هكتار در سال بوده و ميزان تحويل رسوب 0/58 برآورد شد. نتيجه‌گيري: نتايج اين تحقيق حاكي از كم تخميني مدل WaTEM/SEDEM نسبت به مقادير اندازه‌گيري شده 137Cs است؛ درنتيجه مدل فرسايشي WaTEM/SEDEM در نهشته‌هاي لسي، فرسايش‌پذير و حاصلخيز شمال شرق استان گلستان كارايي بالايي ندارد. هرچند الگوي مكاني فرسايش و رسوب آبي و ناشي از خاك‌ورزي مي‌تواند در اجراي اقدامات حفاظت آب‌وخاك مؤثر باشد. از طرفي با توجه به وسعت بالاي اراضي زراعي شيب‌دار در نهشته‌هاي لسي استان، لحاظ كردن فرسايش خاك‌ورزي در تصميمات بسيار حائز اهميت است. هرچند براي قطعيت بيش‌تر، به واسنجي مدل و تكرار اجراي آن در ساير حوزه‌هاي آبخيز زراعي نياز است.

Background and Objectives: Water and tillage-induced soil erosion on steep slopes farmlands are primary causes of land degradation process that gradually change land morphology. Measurement of soil erosion and sedimentation in most watersheds are nearly impossible. So soil erosion modelling and simulation to understand the processes of soil erosion, to predict runoff and soil erosion and also to determine the best management practices of soil conservation is highly important. Materials and Methods: Area of study (Sample sub- catchment) is a sub-watershed of the Kachik watershed in Golestan province, which is one of the sub-basins of the Gorganroud basin. This area is around 197 ha which completely covered with fertile and erosive loess deposits and is a part of Iranian Loess Plateau (ILP). In this study, WaTEM / SEDEM version 2004 used to estimate water and tillage erosion. After soil sampling in 20 different location respected to the model based sampling method on minimax approach, 137Cs activity determined, and all three distinct erosion phases prepared. Finally, erosion map using 137Cs by considering conversion models including Mass Balance II for farmland and Diffusion and Migration for other land uses ‌ produced. Then the erosion and sediment point map produced separately for model evaluation. Results: Using 137Cs radionuclide, 90 % of the soil measurement locations devoted to erosion. Mean annual soil erosion using radionuclide conversion models was 21.1 ton ha-1. This rate of soil erosion regards to 97% SDR (Sediment Delivery Ratio) illustrates high potential for sediment production in the area of interest. Mean of water and tillage erosion by WaTEM/SEDEM were 8.28 and 4.87 ton ha-1 year-1 respectively in erosion locations and this rate for sediment was 18.14 and 7.89 ton ha-1 year-1 for sediment zones as well. Soil erosion and sedimentation rate using WaTEM/SEDEM model was estimated to be 1.46 and 0.85 ton ha-1 year-1 in turn. SDR for WaTEM/SEDEM in this study was around 58 %. Conclusion: Given that the entire study area covered with sensitive and fertile loess deposits, and a significant percentage of area devoted to farmland, so water and tillage induced soil erosion is of great importance. The results of this research indicate a low estimation (under-estimation) of the WaTEM / SEDEM model compared to the actual values (measured 137Cs). As a result, WaTEM / SEDEM erosion model is not effective in the loess deposits of the northeast of Golestan province. On one hand spatial pattern of water and tillage induced soil erosion can be used in soil and water conservation practices. On the other hand, pertaining to large vast area devoted to farmland in Gorganrood Basin, tillage erosion should be taken by decision maker. Although for higher certainty, it is necessary to calibrate the model and repeat its implementation in other watersheds.