نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی دکتری دانشکده علوم جغرافیایی و برنامهریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
2 دانشیار دانشکده علوم جغرافیایی و برنامهریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
3 دانشجوی دکتری دانشکده جغرافیا و علوم محیطی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Abstract
Morphometric analysis is a vital scientific approach for watershed management, soil erosion assessment, and natural resource management. It offers essential strategies for soil conservation, flood control, and prevention of ecological imbalances. In the context of Iran’s arid climate and limited soil formation rates, assessing erosion susceptibility in watersheds—such as the Komeh Basin in Semirom County (southern Isfahan Province)—is critically important. This study examined linear, areal, and relief parameters using the methods of Strahler and Horton to prioritize sub-basins and predict erosion risk. The findings revealed that Sub-basin 9 was the most vulnerable area to erosion.
Keywords: Morphometrics, Horton, Strahler, Komeh Watershed, Erodibility.
Introduction
The foundational research conducted by Horton (1945) and Strahler (1964) established the basis for modern geomorphology through the development of frameworks for analyzing landforms and drainage systems. This knowledge is essential for identifying geomorphological hazards, such as soil erosion, floods, and landslides, and conducting effective watershed management. Morphometric analyses, which utilize quantitative parameters (linear, areal, and relief), enable the prediction of natural hazards and assessment of watershed vulnerability. In arid regions like Iran characterized by low soil formation rates and high erosion susceptibility, these analyses are crucial for maintaining ecological balance and managing water resources. The Komeh Watershed in southern Isfahan Province, notable for its complex geological topography, climatic conditions, and human activities, is particularly prone to erosion. This study aimed to prioritize soil erosion susceptibility across the Komeh Basin and its nine sub-basins by analyzing morphometric indices and generating an erosion susceptibility map to identify high-risk zones.
Literature Review
Domestic Studies:
Manbari et al. (2023) demonstrated the effectiveness of factor analysis in grouping morphometric parameters in the watersheds of Kurdistan Province, highlighting its utility for hydrological modeling. Negahban (2021) identified 91% of the Dinor Basin as comprising sub-basins with high tectonic activity. Zali et al. (2022) linked elongated basin shapes and gentle slopes to a reduced risk of flooding in the Nekaroud Basin.
International Studies:
Benzougagh et al. (2022) prioritized 48 sub-basins in Morocco using morphometric parameters and GIS, confirming the method’s effectiveness in natural resource management. Kadam et al. (2019) emphasized the sensitivity of semi-arid watersheds to land degradation and the critical role of morphometric analysis.
Study Area
The Komeh Watershed spans approximately 165,015 hectares in southern Isfahan Province, which is bordered by the provinces of Fars and Kohgiluyeh-Boyer Ahmad. Situated between latitudes 30°42' and 31°11' north and longitudes 51°21' and 51°56' east, it is part of Semirom County. Elevations within the watershed range from 1,783 m in the northwest to 4,000 m in the southwest, featuring an average slope of 28%. This rugged and complex topography is significantly influenced by the Dena Mountain Range, the highest fold of the Zagros Mountains.
The basin experiences a cold climate with an average annual rainfall of 650 mm. Heavy precipitation and resultant runoff are major contributors to soil erosion in the area. Geologically, the basin is characterized by diverse rock formations dating from the Triassic to Quaternary periods, with Cretaceous rocks (limestone, marl, shale) predominating, especially in the southern regions. Its geomorphological features include mountainous karst landforms (such as caves and sinkholes), floodplains, alluvial terraces, and colluvial hills. Fragile lithology, steep slopes, human activities, and high-intensity rainfall—particularly in central areas receiving 640–690 mm of precipitation—combine with calcareous lithology and slopes to render this region highly susceptible to erosion. Annual precipitation data indicate a volume of 946.1 million cubic meters, which plays a critical role in generating runoff and facilitating erosion processes.
The interaction of these natural factors with human interventions, such as changes in land use, has increased the erosion potential in the Komeh Basin. By precisely identifying vulnerable areas through the integration of spatial data layers—including rainfall zones, lithology, and slope—targeted management strategies can be developed to mitigate erosion-related damages and enhance the effective utilization of water and soil resources. This approach is not only relevant to the Komeh Basin, but also serves as a replicable model for other regions in Iran with similar climatic and geological conditions.
Materials & Methods
This study employed a 30-meter resolution Digital Elevation Model (DEM) from ASTER as the primary dataset for analysis. The drainage network of the Komeh Basin was delineated by using Global Mapper software and applying Strahler’s stream ordering method and was subsequently divided into 9 sub-basins. Selection of these sub-basins was based on stream orders of greater than 2 and their direct connectivity to the main river channel. 13 morphometric parameters were calculated and categorized into 3 groups: linear (e.g., area, perimeter, stream length, drainage density), areal (e.g., form factor, elongation ratio, circularity ratio), and relief (e.g., ruggedness index). Standardized formulas were utilized for these calculations, drawing on methodologies from Horton (1945), Strahler (1964), Miller (1953), and Kadam (2019).
Parameters, such as bifurcation ratio (Rb) and drainage density (Dd) were processed using spatial data in GIS Pro and integrated with Excel. A composite parameter (Cp) was created for each sub-basin by combining linear and areal parameters, allowing for prioritization based on the lowest Cp values. This analysis indicated that Sub-basin 9 with the lowest Cp exhibited the highest susceptibility to erosion. Key factors contributing to this vulnerability included a high drainage density (due to extensive stream length) and an elongated form factor, which suggests a rapid hydrological response to rainfall.
The hydrographic network revealed two dominant patterns: rectangular (with streams of orders 1–3 running perpendicular to orders 4–6) and parallel, featuring irregular tributaries, particularly in the northern sector, which intensified the complexity of erosion dynamics. The integration of classical methods (e.g., Horton and Strahler) with GIS technology facilitated the identification of critical zones, enabling the development of management strategies, such as flood control structures and erosion-resistant vegetation planting. This methodology provides a replicable framework for similar basins in arid and semi-arid regions of Iran that are facing comparable soil erosion challenges.
Basin Parameters
The linear parameters of the Komeh Basin—including stream order (U), stream number (Nu), stream length (Lu), stream length ratio (RL), bifurcation ratio (Rb), drainage density (Dd), drainage texture (Dt), stream frequency (Fs), form factor (Ff), circularity ratio (Rc), elongation ratio (Re), overland flow length (Lg), and compactness coefficient (Cc)—were calculated based on the methodologies of Horton (1945) and Strahler (1964). These parameters were directly correlated with the erodibility of the basin.
Stream order (U) was classified up to the 6th order, reflecting a complex drainage system shaped by regional tectonics. The stream number (Nu) decreased with higher orders, peaking in 1st-order streams (ranging from 85 to 220), which underscored the influence of topography, lithology, and soil permeability. Stream length (Lu) reached its maximum in 1st-order streams (between 97,254 and 290,281 m), declining in higher orders due to gentle to moderate slopes and lithological factors.
The bifurcation ratio (Rb) ranged from 0.94 to 1.0 indicating structural control with Sub-basin 4 (Rb = 1.0) demonstrating the highest vulnerability. Drainage density (Dd), which ranged from 754 to 941 m/km², indicated a rapid hydrological response and erosion potential in Sub-basins 4 and 5 linked to impermeable lithology (such as marls and limestone) and steep slopes. Drainage texture (Dt) values ranged from 0.48 to 1.63, identifying Sub-basins 9 (Dt = 1.63) and 4 (Dt = 1.34) as particularly prone to erosion.
Stream frequency (Fs) ranged from 0.57 to 0.80, peaking in Sub-basin 2 (Fs = 0.80) due to its high relief and low permeability. The form factor (Ff) ranging from 0.25 to 0.49 confirmed basin elongation, with Sub-basin 3 (Ff = 0.49) being the most susceptible to flooding. The circularity ratio (Rc), which ranged from 0.17 to 0.32, along with the elongation ratio (Re) (0.56 to 0.79), further validated the elongated shapes of the basins. Overland flow length (Lg) was measured between 0.0021 and 0.0026 km, indicating rapid drainage. Sub-basin 4 (Cc = 0.57) exhibited the highest erosion risk according to the compactness coefficient (Cc), which ranged from 0.40 to 0.57.
Research Findings
Sub-basin 9 demonstrated the highest erosion susceptibility (Cp = 3.2–4.6) attributed to extreme relief, high annual rainfall (~650 mm), and fragile lithology. In contrast, Sub-basin 3 (Cp < 1) exhibited the lowest erosion risk due to its gentle slopes and permeable soils.
Key Drivers:
Linear Parameters: Metrics, such as drainage density (Dd = 941 m/km²) and bifurcation ratio (Rb = 1.0), showed a direct correlation with erosion susceptibility.
Areal Parameters: Values like the circularity ratio (Rc = 0.17) and form factor (Ff = 0.49) indicated a rapid hydrological response.
Soil Analysis:
Silty loam soils found in the western and northwestern sectors displayed the highest erodibility, aligning with RUSLE maps that emphasized rainfall erosivity (R) and slope (LS).
Management Strategies:
Urgent Measures: Implementing sediment traps and planting Astragalus in Sub-basins 9, 6, and 4
Conservation Agriculture: Promoting practices in moderate-risk zones, particularly Sub-basins 7 and 1
Land-Use Monitoring: Maintaining oversight in low-risk areas, such as Sub-basins 3 and 8
Technology Integration:
The use of GIS and remote sensing significantly enhanced precision in data analysis, providing a transferable model applicable to arid and mountainous basins.
Discussion of Results & Conclusion
Morphometric and RUSLE analyses identified Sub-basins 9 and 6 as high-risk zones characterized by dense drainage (940 m/km²), steep slopes of 28%, and fragile lithology. RUSLE highlighted the eastern silty loam soils as erosion hotspots. Divergences between the methods arose from Horton-Strahler’s emphasis on drainage structure compared to RUSLE’s focus on climate and soil factors; however, both approaches concurred on the risks present in the central and northern regions. Key factors contributing to erosion included the path of the main river, extreme relief (up to 4,000 m), and loss of vegetation. In contrast, low-risk Sub-basins 3 and 8 exhibited gentle slopes and permeable soils.
Recommendations:
Implementing sediment traps and plant erosion-resistant vegetation, such as Astragalus
Encouraging reduced tillage and contour farming practices
Utilizing satellite-based land-use regulation for better management.
Integrating morphometric analyses, RUSLE, and local knowledge can optimize management strategies. This comprehensive approach supports decision-making in data-scarce regions, helping to mitigate soil degradation and promote ecological balance.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
به دنبال پژوهشهای هورتون و استرالر ( Horton, 1945; Strahler, 1964)، ژئوموفولوژیستها چارچوب کاملاً متفاوتی را از دانش توسعه دادند که در آن میتوان دانش مطالعه و بررسی دربارۀ لندفرمها را قرار دارد (ثروتی و منصوری، 1392). یکی از وظایف حائز اهمیت دانش ژئومورفولوژی، تجزیهوتحلیل مکانهایی با مخاطرات ژئومورفولوژیکی و ریسک خطرپذیری بالا است. حوضههای آبخیز و زیرحوضههای آنها، محیطهایی کاربردی و سودمند برای مدیریت منابع آب و شناخت آنها سبب کاهش تأثیر بلایای طبیعی ازجمله سیل و فرسایش میشود. برنامهریزی برای مدیریت حوضههای آبخیز مانند تکنیکهای مدیریت فرسایش رودخانه در زیرحوضههای آبخیز برای ارزیابی خطرات و تهدیدات طبیعی (فرسایش خاک، سیل، لغزش و غیره) نیز انجام میشود. رایجترین نوع تخریب زمین فرسایش خاک است که ناشی از تأثیر کاربری سطح زمین، تأثیر ذرات قطرات باران و روانابها است که به جداشدن، جابهجایی و رسوب خاک منجر میشود (Das et al., 2021)؛ بهبیاندیگر میتوان گفت فرسایش خاک بهوسیلۀ آب بهعنوان یکی از دلایل اصلی از بین رفتن زمین در سراسر جهان شناخته شده است.
در سالهای اخیر تحلیلهای کمّی و ریاضی برای تجزیهوتحلیل ساختار سطح زمین و اجزاهای تشکیلدهندۀ آن ازجمله تحلیلهای ویژگیهای مورفومتریک توانسته است کمک شایانی به اهداف متعدد مانند فرسایش خاک و خطر سیلاب کند (منبری و همکاران، 1402)؛ بهبیاندیگر میتوان اذعان داشت که شاخصهای مورفومتریک نقش تعیینکنندهای در پاسخهای هیدرولوژیکی حوضههای آبریز دارند. تجزیهوتحلیل مورفومتری زهکشها با فرایندهایی مانند خیزش، فرسایش خاک، رسوبگذاری رودخانه، خشکشدگیهایی که باعث تغییر مسیر رودخانه و انشعاب میشوند، با ویژگیهای آبراهۀ حوضۀ آبخیز و تکمیل و پایداری سدهای آن و مخزنهای موجود مرتبط است (Al-Assadi, 2020). رودخانه و آبراهههای آن و همچنین نوع انشعابات رودخانهها از مقدار و شدت آب تأثیر میگیرد. برای درک رفتار ژئوهیدرولوژیکی حوضۀ آبخیز و شبکۀ آبراهههای موجود در آن بهتر است که مورفومتریک آبراهههای حوضه، اقلیم غالب و زمینشناسی حوضه مطالعه شود.
باتوجهبه اهمیت موضوع مطالعاتی در داخل و خارج از ایران صورت گرفته است؛ برای نمونه با مروری بر ادبیات میتوان چندین رویکرد توسعهیافته را برای تحلیل مورفومتریک و پیشبینی فرسایش خاک مشاهده کرد که در ادامه تعدادی از آنها آورده شده است.
منبری و همکاران (1402) در تحقیقی که با هدف بررسی اهمیت پارامترهای موفومتریک در سیلخیزی حوضههای آبریز استان کردستان با استفاده از روش تحلیل عاملی انجام دادهاند، نتایج حاصل از تحقیق آنها نشان داد که تجزیهوتحلیل عاملی ابزار مهمی برای گروهبندی پارامترهای مورفومتری حوضه است که پارامترهای اندازهگیریشده را به چند شاخص برای کارهای بعدی مانند مدلسازی هیدرولوژیکی و رواناب در یک حوضۀ آبخیز کاهش میدهد. نگهبان (1400) با استفاده از تحلیل 15 پارامتر مورفومتریک و ارزیابی تکتونیک فعال حوضۀ دینور (غرب ایران) نشان داد که زیرحوضههایی با فعالیت تکتونیکی خیلی زیاد و زیاد، 91درصد مساحت حوضه دینور را دربر گرفتهاند. زالی و همکاران (1401) در تحلیل مورفومتری حوضۀ نکارود نشان دادند که این آبخیز دارای یک سیستم زهکشی با ۶ مرتبه است که حساسیت بسیار بالایی به سیلاب دارد. بررسیهای انجامشده در این حوضه حاکیازآن است که دلیل پایینبودن خطر طغیان در بخشی از زیرحوضه، به شکل حوضه و میزان شیب آن مربوط میشود. این ناحیه دارای شکل کشیده و توپوگرافی تقریباً مسطح است که موجب کاهش خطر سیلاب میشود. در خارج از کشور بنزوقا و همکاران شناسایی مناطق در معرض خطر فرسایش و اولویتبندی 48 زیرحوضۀ حوضۀ ایناوئن را با استفاده از پارامترهای مورفومتریک و دادههای مکانی سیستم اطلاعات جغرافیایی حوزۀ آبخیز انجام دادهاند. نتایج نشان داد که تحلیلهای مورفومتریک بهعنوان یک تخمینگر وضعیت فرسایش حوزۀ آبخیز برای اولویتبندی طرحهای حفاظت از زمین و آب و مدیریت منابع طبیعی است (Benzougagh et al., 2022) که طبق گفتۀ کادام و همکاران حوزههای آبخیز مناطق نیمهخشک به فرایندهای تخریب اراضی حساس هستند که در آن بررسی مورفومتریک جنبۀ مهمی برای بازکردن مناطق مستعد است (Kadam et al., 2019).
حوضۀ آبخیز کمه در جنوب استان اصفهان به دلیل توپوگرافی زمینشناسی، لیتولوژی اقلیمی و انسانی خود بهعنوان یکی از مناطق مستعد فرسایشپذیری است. ازآنجاییکه هدف این پژوهش تهیۀ اولیتبندی فرسایش خاک حوضه است، پس عوامل مختلف و درنهایت ارائۀ نقشۀ فرسایشپذیری حوضۀ کمه و 9 زیرحوضۀ آن، بهمنظور شناسایی مناطق دارای حساسیت بالا با استفاده از شاخصهای موفومتریک و آنالیز آنها در محیط نرمافزارGlobal Mapper و GIS Pro بررسی شده است. برنامهریزان میتوانند از نتایج حاصل بهمنظور ارائۀ راهکارهای مدیریتی مناسب درخصوص مقابله با بحران ناشی از فرسایش خاک، کاهش خسارات و بهبود وضعیت زیستمحیطی حوضۀ مطالعاتی استفاده کنند. ضرورت انجام این تحقیق شناسایی مناطق مستعد فرسایش خاک بر اثر عوامل محیطی و فیزیوگرافی در حوضۀ آبخیز کمه در استان اصفهان است؛ درنتیجه، اولویتبندی برای درک بهتر ویژگیهای رودخانهای و مورفولوژیکی حوضههای آبخیز و زیرحوضههای فرعی آن و همچنین افزایش بهرهوری بهتر، بهمنظور حفظ خاک زیرحوضهها در برابر فرسایش و درنهایت جمعآوری هرچه بهتر آبهای روان بر روی یک حوضه ثمربخش است؛ ازاینرو مطالعۀ حاضر با هدف تحلیل پارامترهای مورفومتریک (خطی، ناهمواری و مساحتی) با تکنیکهای سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای تعیین مناطق بحرانی مستعد فرسایش خاک برای اولویتبندی حوضۀ آبخیز کمه و تأثیر آنها با فرسایشپذیری منطقه در جهت مطالعۀ فرسایش صورت گرفته است.
مبانی نظری پژوهش
منطقۀ مطالعهشده
حوضۀ آبخیز کمه با مساحتی در حدود ۱۶۵۰۱۵ هکتار در مختصات ۳۰ درجه و ۴۲ دقیقه تا ۳۱ درجه و ۱۱ دقیقه عرض شمالی و ۵۱ درجه و ۲۱ دقیقه تا ۵۱ درجه و ۵۶ دقیقۀ طول شرقی در جنوب اصفهان و در مرز با استانهای فارس و کهگلویه و بویراحمد قرار دارد که ازنظر تقسیمات سیاسی بخشی از شهرستان سمیرم در استان اصفهان است (جدول 1، شکل1). حوضۀ آبخیز مطالعهشده با میانگین ارتفاع ۲۵۰۰ متر از سطح دریا و شیب متوسط ۲۸درصد، در دامنههای شرقی رشتهکوه دنا واقع شده است و ازجمله مناطق سردسیر محسوب میشود (ذاکرینژاد و کهرانی، 1402). منطقۀ مطالعاتی در این پژوهش، براساس نامگذاری جاماب در واحد هیدرولوژیک 2314 (جدول 1) حوضۀ کمه درکوهپایههای شرقی کوهستان دنا با آبوهوای سرد قرار گرفته است (نوجوان و همکاران، 1398).
جدول 1: دستورالعمل ضوابط و کدگذاری حوضۀ آبریز و محدودۀ مطالعاتی در سطح کشور (منبع: مدیریت منابع آب، 1391)
Table 1 Guidelines for Watershed and Study Area Coding System at the National Level (Source: Water Resources Management, 2012)
|
حوضۀ آبریز درجۀ 1 |
نام حوضۀ آبریز درجۀ 2 |
حوضۀ آبریز درجه 3 |
کد حوضۀ آبریز |
نام محدودۀ مطالعاتی |
کد محدودۀ مطالعاتی |
مساحت کیلومترمربع |
|
حوضۀ آبریز خلیج فارس و دریای عمان |
حوضۀ آبریز کارون بزرگ |
رودخانۀ کمه |
232322 |
کمه |
2314 |
1681 |
حوضۀ آبخیز کمه بهعنوان بیست و پنجمین زیرحوضه از حوضۀ درجه دو آبریز رودخانۀ کارون بزرگ و حوضۀ آبریز درجۀ یک خلیج فارس و دریای عمان است. قلۀ دنا یا رشتهکوه دنا بلندترین و بزرگترین چینخوردگی رشتهکوه بزرگ زاگرس محسوب میشود و دارای خط الرأسی به طول تقریبی ۹۰ کیلومتر است. کمترین ارتفاع حوضۀ کمه 1783 متر در بخش شمال غرب و بیشترین ارتفاع آن 4000 متر در مناطق جنوب غربی حوضه قرار دارد. این حوضه با پیچیدگی توپوگرافی گسترده و زمینشناسی توصیف می شود (ذاکرینژاد و کهرانی، 1402).
شکل 1: موقعیت منطقۀ مطالعهشده (حوضۀ آبخریز کمه – شهرستان سمیرم – استان اصفهان (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 1 Location of the Study Area (Komeh Watershed – Semirom County – Isfahan Province (Source: Authors, 2024)
حوضۀ کمه از سه واحد ژئومورفولوژیکی کوهستان، دشت و تپه ماهور تشکیل شده است. در واحد دشت لندفرمهای فرسایشی، دشت آبرفتی، بستر روخانههای اصلی و فرعی، دشتهای سیلابی و درنهایت پادگانههای آبرفتی شکل گرفته و در ارتفاعات به علت وجود شرایط کارستزائی مناسب، ژئومورفولوژی توسعهیافته کارست و لندفرمهایی همچون غارهای نهان و پیدا، فروچاله و غیره شکل گرفتهاند. ارتفاعات شمالی حوضۀ کمه از درهها، اشکال فرسایش آبی، واریزه و قطعات ریزشی نهشتهها تشکیل شده است (ذاکرینژاد و کهرانی، 1402).
از نقطه نظر زمینشناسی، حوضه بسیار ناهمگن و متفاوت است و شامل سازندهای مختلف از تریاس (شروع مزوزوئیک) تا کواترنر (پایان سنوزوئیک) است. رخنمون سنگهای کرتاسه تقریباً در سراسر ناحیه یافت میشود، ولی در قسمتهای جنوبی گسترش بیشتری دارند. این سنگهای رسوبی در قاعده با یک کنگلومرا و ماسهسنگ قرمزرنگ شروع می شود که بهوسیلۀ آهک، مارن و شیل دنبال شده است. سنرسوبها از بارمین تا ماستریشیتین است. رسوبات کرتاسه در مناطق شمال غرب، غرب، جنوب و جنوب غرب اصفهان رخنمون دارد. ناهمواریهای جنوبی بهطور ناخواسته حوضۀ آبخیز در کرانۀ چپ را کنترل میکند که با غلبۀ سازندهای مارن مشخص میشود (درگاه ملی کاتالوگ و مجموعه دادههای باز و کاربردی، 1399). این حوضه در منطقهای با آبوهوای سرد با میزان بارندگی بالا قرار دارد که میانگین بارندگی سالانه در این منطقه تقریباً 650 میلیمتر است) (جدول 2). بارش و پسازآن روانابها نقش کلیدی در ایجاد فرسایش دارند. تهاجمیبودن باران موجب تخریب خاک و در پی آن فرسایش میشود؛ این فرسایش با محاسبۀ شاخص تهاجمی اقلیمی تعیین میشود که اثر تأثیر قطرات باران (اثر پاشش) و پتانسیل رواناب را مشخص میکند که هر دو متأثر از بارش باران هستند ( مدیریت منابع آب، 1391).
جدول 1: متوسط حجم بارندگی و حجم بارش محدودۀ مطالعاتی کمه (ذاکری، 1396)
Table 2: Average Rainfall Volume and Precipitation Data for the Komeh Study Area (Source: Zakeri, 2017)
|
نام محدوده مطالعاتی |
متوسط بارندگی سالانه (میلیمتر) |
حجم بارش (میلیون مترمکعب) |
||||
|
کوه |
دشت |
کل |
کوه |
دشت |
کل |
|
|
کمه |
7/591 |
8/532 |
4/574 |
779 |
1/185 |
1/946 |
میتوان با تلفیق لایههای اطلاعاتی شامل پهنههای بارندگی، واحدهای ژئومورفولوژیکی و سایر عوامل مؤثر مانند ویژگیهای سنگشناسی، شرایط توپوگرافی، وضعیت پوشش گیاهی و فعالیتهای انسانی، مناطق مستعد فرسایش را شناسایی و میزان آسیبپذیری خاک را تعیین و ارزیابی دقیق کرد. (شکل 2)
شکل 2: ساختار ژئومورفولوژی و بارش (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 2 Geomorphological Structure and Precipitation Patterns in the Komeh Watershed (Source: Authors, 2024)
شکل 2 محدودههایی با ویژگیهای زیر را نمایش میدهد:
میزان بارندگی بالا در محدودۀ 640 تا 690 میلیمتر، جنس لیتولوژی عمدتاً آهکی و دارای ساختار شکنندۀ وجود مخروطافکنهها، شیبهای تند و شدید این مناطق بهعنوان حساسترین نواحی در مقابل فرسایش خاک شناسایی شدهاند که کانون اصلی آن در بخش مرکزی حوضۀ آبخیز واقع شده است.
روششناسی پژوهش
دادهها و روششناسی
باتوجهبه گستردگی محدودۀ مطالعهشده و نیز ماهیت پژوهش و افزایش دقت مطالعاتی، ترکیبی از دادهها و مواد همراه با روشهای تحقیق استفاده شدهاند؛ به این صورت که در فرایند تحقیق و با هدف عملیاتیکردن پژوهش، نقشههای توپوگرافی محدوده با مدل ارتفاعی رقومی (ASTER[1]) با وضوح 30 متری استفاده شده است. سپس از مدل رقومی ارتفاع (DEM) بهعنوان پایۀ تحلیلی استفاده شد. شبکۀ زهکشی حوضه براساس ویژگیهای توپوگرافی و هیدرولوژی سطحی و با بهکارگیری روش رتبهبندی آبراهههای استرالر در نرمافزار Global Mapper ترسیم شد؛ برایناساس، حوضۀ کمه به ۹ زیرحوضۀ فرعی تقسیم شد تا شاخصهای مورفومتریک برای هریک از آنها محاسبه شود. این رویکرد امکان تحلیل دقیقتر ویژگیهای مورفولوژیکی هر زیرحوضه را فراهم آورد. در حوضۀ آبریز رودخانۀ کمه، پس از رتبهبندی آبراههها تمامی شاخههای فرعی که رتبۀ بیشتر از 2 داشتند و مستقیما ً به رودخانۀ اصلی وارد میشدند، بهعنوان حوضههای کوچکتر (زیرحوضه) انتخاب شدند. برای ترسیم نقشههای رستری نرمافزارهای GIS Pro و Excel بهمنظور تسهیل محاسبات و استخراج دادهها و برای طبقهبندی و تجزیهوتحلیل دادهها استفاده شدهاند. با استفاده از برنامۀ GIS Pro پارامترهای ترکیبی مانند تعداد و طول آبراههها، مساحت حوضه و عرض و محیط کلی حوضه محاسبه شدهاند. چنین پارامترهایی با استفاده از نرخ زهکشی، تراکم زهکشی، ضریب شکل، ضریب کشیدگی و ضریبهای دایرهای برای تمام 9 زیرحوضه از حوضۀ آبخیز کمه تعیین شدهاند. درنهایت، نمودار روش پژوهش و نحوۀ محاسبه شاخصهای مورفومتریک به همراه محققینی که برای اولین بار از آنها استفاده کردهاند در شکل 3 و جدول 3 نشان داده شده است.
شکل 3: نمودار جریان روششناسی کار (منبع: Benzougagh et al., 2022)
Figure 3: Methodological Workflow Diagram (Source: Benzougagh et al., 2022)
پارامترهای مورفومتریک (جدول3) بهعنوان معیارهای ارزیابی ریسک فرسایش و با اهمیت برای حوضهها و زیرحوضهها شناخته میشوند (منبری و همکاران، 1402). براساس تحقیقات Nookaratnam et al.(2005) پارامترهای خطی با فرسایشپذیری رابطۀ مستقیم دارد. همچنین نوع ناهمگونی بافت زهکشی حوضه و زیرحوضه رابطۀ معکوس با فرسایشپذیری دارد. پس از رتبهبندی براساس هر پارامتر، مقادیر رتبهبندی برای هر زیرحوضه برای دستیابی به مقدار ترکیبی (Cp)[2] برای تمام پارامترهای خطی و شکلی هر زیرحوضه اعمال میشود (Benzougagh et al., 2022)؛ بااینوجود، بیشترین اولویت به زیرحوضه با کمترین مقدار پارامتر ترکیبی تعلق گرفته و سپس بهصورت نزولی اولویتبندی شده است. در حوضههای فرعی، بالاترین اولویت نشاندهندۀ افزایش میزان فرسایش خاک است.
جدول 2: روش محاسبۀ پارامترهای مورفومتریک (منبع: پروین، 1401)
Table 3: Methods for Calculating Morphometric Parameters of Watersheds (Source: Parvin, 2022)
|
پارامترهای مورفومتریک |
فرمول و تعریف |
مراجع |
|
پارامترهای خطی |
||
|
مساحت حوضه (A) |
مساحت کلی حوضه (کیلومترمربع) |
|
|
محیط حوضه (P) |
محیط حوضه (کیلومتر) |
|
|
ترتیب آبراهه (U) |
براساس نظم سلسلهمراتبی |
|
|
شماره آبراهه (Nu) |
Nu= تعداد کل بخشهای آبراهه و آبراهههایی از رده u |
|
|
طول آبراهه (LU) |
طول آبراهه |
|
|
میانگین طول آبراهه (Lsm) |
Lsm=Lu/Nu Lu= میانگین طول آبراهۀ یک ردۀ معین (کیلومتر)، Nu=تعداد آبراههها |
|
|
ضریب طول آبراهه(RL) |
RL=Lu/Lu1- Lu= طول آبراهۀ کل رده (u)، Lu-1= طول کل جریان یک رده پایینتر |
|
|
ضریب انشعاب(Rb) |
Rb=Nu / Nu+1 Nu= تعداد آبراهههای موجود 1Nu+=تعداد آبراههای یک رده بالاتر |
|
|
طول جریان سطحی(Lg) |
Lg=1/2Dd که در آن Dd= تراکم زهکشی |
|
|
پارامترهای مساحتی Horton 1945 |
||
|
فراوانی آبراهه(Fs) |
Fs= Nμ /A L= تعداد کل آبراههها A= مساحت حوضه |
|
|
ضریب بافت) (Dt |
Dt = Nμ /P = Nμ تعداد کل آبراهههای حوضه = P محیط حوضه |
|
|
فاکتور فرم(Ff) |
Ff=A/ L2b 2 A= مساحت حوضه کیلومترمربع L2b= طول حوضه کیلومتر |
|
|
ضریب دایرهای(Rc) |
Rc=4πA/P2 Rc=12.56(A/P2) که در آن A= مساحت حوضه 3.14= π P= محیط حوضه |
|
|
ضریب کشیدگی (Re) |
Re =(2/Lb) ∗ (A/π )0.5 که در آن A= مساحت حوضه π =3.14 Lb= طول حوضه |
|
|
ضریب تراکم (Cc) |
CC = 0.2821 )P/A(0.5 که در آن P= محیط حوضه، A=مساحت حوضه |
|
|
تراکم زهکشی |
Dd= Lμ/A = Lμ مجموع طول آبراهه = A مساحت حوضه |
|
|
پارامترهای ناهمواری |
||
|
ضریب ناهمواری |
Rr=H/Lb H = ناهمواری حوضه Lb = طول حوضه |
|
در تجزیهوتحلیل مورفومتریک حوضۀ آبخیز، نامگذاری ترتیب آبراهه اولین گام است؛ بااینحال، براساس رتبهبندی پیشنهادشده توسط Strahler (1964) در مطالعۀ فعلی حوضۀ کمه به 9 زیرحوضه تقسیم شده است و پارامترهای اساسی از زیرحوضهها ازجمله مساحت، محیط، عرض آبراهه، تعداد آبراههها و اندازۀ حوضه به دست آمده است (شکل 4). در این مطالعه، شرح توصیفی بهعنوان مبنایی برای تجزیهوتحلیل شبکۀ هیدروگرافی استفاده میشود. در تمام حوضه بهویژه شمال آن، انشعاب نامنظم شاخههای آبراههها که در بسیاری از جهات روان بودهاند به یک آبراهه اصلی میپیوندند (شکل 4). بررسی ویژگیهای هیدروگرافی این حوضه نشان میدهد که به دلیل وجود ناهمواریهای متنوع و گسترده، دو الگوی متمایز از شبکۀ زهکشی در منطقه شکل گرفته است: نخست، شبکهای با الگوی مستطیلی متشکل از آبراهههای رتبۀ 1 تا 3 که عمدتاً بهصورت عمود بر آبراهههای رتبۀ 4 تا 6 قرار گرفتهاند. این الگو همراه با تغییرات ناگهانی در مسیر زهکشها مشاهده میشود؛ دوم، شبکهای با الگوی موازی که از آرایش منظم آبراههها تشکیل شده است. (شکل 4)
تجزیهوتحلیل مورفومتریک با اندازهگیری آبراهههاو پارامترهای مساحتی انجام میشود.
شکل 4: حوضههای فرعی حوضۀ کمه و شبکۀ هیدروگرافی آنها به روش Strahler (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 4 Sub-basins of the Komeh Watershed and Their Hydrographic Networks Strahler Method (Source: Authors, 2024)
پارامترهای خطی حوضۀ کمه
همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، شاخصهای خطی از آبراهههای یک حوضه است؛ مانند مسیر یک ترتیب آبراهه (U)، طول آبراهه (Lu) شمارۀ آبراهه (Nu)، میانگین طول آبراهه (Lsm) و ضریب طول آبراهه (RL).
ترتیب آبراهه (U)[3]
مبانی نظری رتبهبندی آبراههها را نخستین بار هورتون در سال 1954 ارائه کرد که بعدها استرالر در سال 1964 اصلاح و تکمیل کرد. در این سیستم طبقهبندی، مرحلۀ اولیه تحلیل کمّی حوضههای آبریز مبتنیبر تعیین رتبۀ آبراهههاست. این روش بر پایۀ روابط سلسلهمراتبی بین بخشهای مختلف شبکۀ زهکشی استوار است. براساس دستورالعمل هورتون، آبراهههای رتبۀ ۱ بهعنوان مسیرهای فاقد هرگونه انشعاب تعریف میشوند. هنگامی که دو آبراهۀ رتبۀ ۱ به یکدیگر میپیوندند، یک آبراهۀ رتبۀ ۲ تشکیل میشود؛ به همین ترتیب، اتصال دو آبراهۀ رتبۀ ۲ به ایجاد آبراهۀ رتبۀ ۳ منجر میشود و این روند بهصورت تصاعدی ادامه مییابد (Strahler, 1964). مطالعات انجامشده بر روی مدل زهکشی حوضۀ آبخیز کمه نشان میدهد که الگوی جریانهای سطحی در این منطقه متأثر از ساختارهای تکتونیکی بوده است. بررسیها حاکیازآن است که شبکۀ زهکشی این حوضه در ۶ رتبۀ مختلف تفکیک و تحلیل میشود.
شمارۀ آبراهه (Nu)[4]
براساس Horton(1945) و Strahler(1964)، شمارۀ آبراهه (Nu) به تعداد کل بخشهای آبراهۀ قسمت u یعنی ترتیب آبراهه اشاره دارد. در این تحلیل، تعداد شمارۀ آبراههها با افزایش ترتیب در همۀ زیرحوضهها کاهش یافت. شمارۀ آبراههها در منطقۀ مطالعهشده براساس کاهش آبراههها در رتبۀ پایین است. تغییر در اندازه و بزرگی زیرحوضه به دلیل شرایط توپوگرافی، فیزیوگرافی، ژئومورفولوژی و ساختار منطقه و همچنین ظرفیتهای نفوذی است (Benzougagh et al., 2022). بالابودن حجم آب آبراهههای رتبۀ یک به این معنی است که احتمال وجود رسوبات ناخواسته پس از بارندگی شدید در جریانهای پاییندست وجود دارد.
طول آبراهه (Lu)[5]
طول آبراهه (Lu) با محاسبۀ طول کلی بخشهای آبراهه در هریک از مرتبهها و با شمارش تعداد بخشهای آبراهه با ترتیب متفاوت محاسبه میشوند. بیشترین جریان و طول امتداد آبراههها بهطور معمول در آبراهههای رتبۀ یک است که با افزایش رتبۀ آبراههها کاهش مییابد. طول تجمعی بخشهای آبراهه در آبراهههای رتبۀ اول با همۀ زیرمجموعهها بیان میشود و با افزایش مرتبۀ فعلی کاهش مییابد؛ درنهایت آبراهه در زمینهایی با شیب ملایم یا شیبهای نسبتاً تند جریان مییابد که حاصل زمینشناسی و سنگشناسیهای خاص منطقۀ کمه است. طول کل مقاطع آبراهه در تمامی آبراههها از رتبۀ 1 تا 6 در منطقۀ مطالعهشده مشهود بود.
ضریب طول آبراهه (RL)[6]
ضریب طول آبراهه طبق قانون Horton(1945) ضریب طول آبراهۀ کل رده (Lu) به طول کل جریان یک رده پایینتر (Lu-1)است. ضریب طول جریان رتبههای مختلف در منطقۀ مطالعهشده نشاندهندۀ تغییرات در حوضه است. این تغییر به دلیل تنوع در توپوگرافی و شیب است که نشاندهندۀ اواخر توسعۀ ژئومورفیک یا زاگرس رورانده و زون سنندج سیرجان در منطقۀ مطالعهشده است. تفاوت در هر زیرحوضه را میتوان در ضریب طول آبراهه بین آبراهههای رتبههای مختلف حوضههای کمه یافت. برای زیرحوضهها، مقادیر RL بین 0.02 و 5.67 متفاوت است. این تغییر به دلیل تغییرات در توپوگرافی و شیب است که نشاندهندۀ میزان زهکشی منطقۀ مطالعهشده است و ضریب بیشتر طول آبراهه نشاندهندۀ فعالیت بالای فرسایش است.
شکل 5: تعداد هر آبراهه در هر مرتبه از حوضۀ آبخیز کمه (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 5 Stream Count per Strahler Order in the Komeh Watershed (Source: Authors, 2024)
ضریب انشعاب (Rb)[7]
ضریب انشعاب (Rb) حاصل تقسیم شمارۀ آبراهه به بالاترین مرتبۀ بعدی بهعنوان تعدادی جریان تعریف میشود. Schumm(1956) با فرمول زیر، ضریب انشعاب را بیان کرد:
که در آن
ضریب انشعاب یک پارامتر مهم است که نشاندهندۀ درجۀ انشعاب و شدت تأثیر سیستم زهکشی است.
Horton(1945) ضریب انشعاب را بهعنوان مقیاس ناهمواری و پستی و بلندی منطقه در نظر گرفته است. Strahler(1964) نشان داده است که ضریب انشعاب فقط یک تغییر جزئی سطح زمین است، نه متأثر از ساختار زمینشناسی آن. ضریب انشعاب برای یک میزان تراکم زهکشی یا فرسایشپذیری معین بهطور گسترده توسط ناهمواریهای یک حوضه تعیین میشود و کوچکترین تغییر (از 3 تا 5) را هرچند ساختار زمینشناسی آن ثابت باشد، از یک منطقه به منطقۀ دیگر نشان میدهد (Chorley, 1995). وقتی تعداد انشعابات آبراههها بیشتر از ویژگیهای فرسایشپذیری حوضه باشد، بدین منظور است که حوضه ازنظر ساختاری آسیب کمتری دیده است. میزان ضریب انشعاب بالاتر نشاندهندۀ ناهمواری بالا در این مطالعه است، درحالیکه مقادیر ضریب انشعاب پایین نشان میدهد که متأثر از ناهمواری قرار نگرفتهاند (SBV2-Rb=0.94).
پارامترهای خطی حوضۀ آبخیز کمه بررسی شد. برای جریانهای مرتبۀ ششم در تمام زیرحوضهها، جریانهای آب متصل به شبکۀ زهکشی منشعب هستند. پارامترهای خطی کلیدی طول آبراهه و ضریب انشعاب (Rb) هستند. تغییرات در ضریب طول جریان برای تغییرات توپوگرافی و شیب کافی است. مقادیر کمتر نشان میدهد که تغییرات ساختاری تحت تأثیر قرار نمیگیرند، درحالیکه مقادیر Rb بیشتر نشان میدهد که الگوهای زهکشی بهشدت ساختار مرتبی دارند.
بنابراین ،ضریب انشعاب با ماهیت ساختاری زمین همبستگی ملموسی دارد که این خود عامل اصلی را در ایجاد روابط مستقیم بین پارامترهای خطی و فرسایشپذیری فراهم میکند. انشعاب جریانهای آبراههای تأثیر مستقیمی از زهکشپذیری بستر مسیر از جهت زمینشناسی، ساختار و ناهمواری میگیرد؛ بنابراین، هرچه میزان فرسایشپذیری بیشتر باشد، ارزش کمتری دارد.
مساحت منطقهای حوضۀ زهکشی یک مشخصۀ مورفومتریک مهم است؛ زیرا با توزیع فضایی طیفی از ویژگیهای مهم ازجمله تراکم زهکشی، سرعت جریان آبراهه، ضریب زهکشی، ضریب دایرهای و کشیدگی، طول آبراهه برروی زمین، تراکم فشردگی، حفظ مسیر آبراهه و تعداد نفوذ مرتبط است. همۀ این پارامترها جامع و مهم هستند.
تراکم زهکشی (Dd)[8]
مجموع طول آبراهه در مقایسه با مساحت حوضه است که با یک محاسبۀ کمّی میتوان در فرمول زیر یافت: (Chorley, 1969; Horton, 1932)
Dd= Lμ/A
= Lμ مجموع طول آبراهه
= A مساحت حوضه
در تحقیق حاضر بهطور گسترده رابطۀ بین متغیرهای مختلف محیطی و تراکم زهکشی بررسی شده است و یافتهها نشان میدهد که سرعت گسترش سیل به تعدادی از متغیرها ازجمله آبوهوا (عمدتاً بارندگی)، توپوگرافی (شیب)، سنگشناسی، خاک، زمینشناسی، فرسایش حوضه، پوشش گیاهی آن، نفوذپذیری بالقوۀ بستر آبراهه و نفوذ آب بستگی دارد.
تحقیقات زیادی نشان میدهد که تعداد زیاد آبراههها در یک منطقه به دو دلیل اصلی، شیب و عدم نفوذپذیری منطقه ازلحاظ زمینشناسی (جنس، و بافت رسوبات و خاک) ایجاد میشود، درحالیکه تراکم کم در حوضهها نشاندهندۀ سطحی با شیب کم و نفوذپذیری بالا است (Strahler, 1964). درضمن، تراکم کم در خروجی حوضهها نشاندهندۀ بافت درشت و تراکم زیاد در ورودی حوضه نشاندهندۀ بافتی ریز و کوچک برای زهکشی است. درواقع تراکم زهکشی به معنای پاسخ ضعیف هیدروژئولوژیکی به یک حوضه با زهکشی ضعیف است.
ناحیهای با بستری از خاکهای نفوذپذیر معمولاً به تراکم کم زهکشی منجر میشود [1.75-0]. خاک سطحی کم و نفوذناپذیر، پوشش گیاهی پراکنده و ناهمواری کوهستانی عامل تراکم زهکشی بالا هستند ( Dd>3.50)؛ بنابراین، این حوضه واکنشهای هیدرولوژیکی نسبتاً سریع به بارش را نشان میدهد.
تراکم زهکشی متوسط [1.75-3.50] نشاندهندۀ نفوذپذیری بسیار بالای سطح و عمق خاک بستر است. طبق نتایج بهدستآمده در حوضۀ کمه تراکم زهکشی 753 الی 940 نشاندهندۀ تراکم زهکشی زیاد تا بسیار زیاد در این مطالعه است (شکل 6).
شکل 6: تراکم زهکشی زیرحوضههای کمه (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 6 Drainage Density (Dd) of Komeh Sub-basins (Source: Authors, 2024)
بافت زهکشی (Dt)[9]
بافت زهکشی توسط Horton(1945) بهعنوان تعداد کل مجموع آبراهه در هر حوضه و زیرحوضۀ منطقه تعریف شده است که برمبنای تعدادی از عوامل طبیعی مانند بارش، آبوهوا، خاک و نوع سنگ، نفوذ، پوشش گیاهی و توالی حساب میشود (جدول 4).
براساس جدول ۳ که Horton(1945) ارائه کرده است، بافت زهکشی حوضههای آبریز در پنج طبقۀ اصلی دستهبندی شده است. نتایج حاصل از بررسیهای انجامشده در این پژوهش نشان میدهد که مقادیر بافت زهکشی در حوضۀ مطالعهشده در محدودۀ ۰.۴ (زیرحوضه SBV2 با بافت خیلی درشت) تا ۱.۶ (زیرحوضه SBV8 با بافت درشت) در نوسان است (شکل 7).
جدول 3: طبقهبندی بافت زهکشی (منابع: Chorley, 1969 Horton, 1932; )
Table 4 Classification of Drainage Texture (T) (Sources: Chorley, 1969; Horton, 1932)
|
طبقهبندی |
بافت زهکشی |
بافت |
|
1 |
2< |
خیلی درشت |
|
2 |
[4–2] |
درشت |
|
3 |
[6–4] |
متوسط |
|
4 |
[8–6] |
خوب |
|
5 |
8> |
خیلی خوب |
شکل 7: نسبت بافت زهکشی 9 زیرحوضۀ کمه (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 7 Drainage Texture Ratio of the 9 Sub-basins in Komeh Watershed (Source: Authors, 2024)
فراوانی آبراهه (Fs)[10]
Horton(1932) فراوانی آبراهۀ حوضۀ (Fs) را بهعنوان تعداد کلی قطعات جریان در واحد سطح برای همۀ آبراههها مشخص کرده است. فراوانی آبراهه را سطح زهکشی نیز میگویند. فرمول محاسبۀ فراوانی پخششدگی آبراههها توسط Horton(1945) در زیر آمده است:
Fs=Nu/A
که در آن Fs= فراوانی آبراهه، Nu= تعداد کل شمارۀ آبراههها از مرتبۀ U، A= مساحت حوضه است.
تراکم آبراههها در درجۀ اول به لیتولوژی حوضه بستگی دارد و بافت سیستم زهکشی را نشان میدهد که این نمونهای متفاوت از مرحلۀ انتقال رسوب از حوضه است. فراوانی آبراهه با نفوذپذیری (ساختار سنگ)، شیب، ناهمواری، نوع بارندگی و مجموع آبراههها و گنجایش در مقابل نفوذ آب در مواد زیرسطحی مرتبط است. آنها دریافتند که فراوانی آبراهه همراستا با افزایش تعداد آبراهه کاهش مییابد و بهطور مثبت با مقادیر تراکم حوضه مرتبط است (شکل 8).
مقالۀ حاضر، فراوانی آبراهۀ بالای 0.8 در زیرحوضۀ شماره 2 را به دلیل سطح بالای نفوذ و ناهمواری نشان میدهد و تراکم تعداد آبراهه در حوضه را افزایش میدهد.
شکل 8: نمودار رابطۀ بین تراکم زهکشی (Dd) و فراوانی آبراهه (Fs) 9 زیرحوضۀ کمه (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 8 Relationship Between Drainage Density (Dd) and Stream Frequency (Fs) in the 9 Sub-basins of Komeh Watershed (Source: Authors, 2024)
فاکتور فرم(Ff)[11]
بهمنظور محاسبۀ شار یک حوضه در یک منطقۀ تعریفشده، Horton(1932 1945;) این متغیر را پیشنهاد کرد. در Ff، نسبت بین مساحت حوضه و مربع طول حوضه مشخص شده است. فاکتور فرم رابطۀ طول و عرض بین حوضه را نشان میدهد و با فرمول Horton(1932) تعیین میشود، همانطور که در زیر نشان داده شده است:
Ff=A/ L2b
که در آن A= مساحت حوضه (km2)، =L2b مربع طول حوضه است.
فاکتور فرم (Ff) همیشه زیر 0.7854 است؛ زیرا شکل حوضهها کاملاً دایرهای نیست. فاکتور فرم در این تحلیل از 25 تا 0.49 برای تمامیحوضههای آبخیز متغیر است. مقدار کمبودن فاکتور فرم به این معنی است که حوضه بزرگتر است. اوج نرخ فاکتور فرم در مدت زمان کوتاه اتفاق میافتد. حوضههای فرعی مرتفع و کمفرم، سطح اوج کمتری در مقایسه با مدت زمان اوج نرخ دارند. آبراهۀ چنین حوضههای کشیده را میتوان راحتتر از حوضۀ دایرهای شکل هدایت کرد (Benzougagh et al., 2022).
ضریب دایرهای (Rc)[12]
به گفتۀ Miller(1953) ضریب دایرهای نسبت ناحیۀ حوضه در یک محیط فرضی دایرهای است که فاصلۀ آن با محیط حوضۀ آبخیز برابر است. در معادلۀ Miller (1953) ضریب بهصورت زیر محاسبه میشود:
RC = A/AC or RC = 4π (A/P2)
جایی که Rc ضریب دایرهای، A مساحت حوضه (km2) است.
مقادیر پایین، متوسط و زیاد ضریب دایرهای نشاندهندۀ مرحلۀ جوان، متوسط و قدیمی چرخۀ تشکیل شاخههای آبراههها هستند. این بر شرایط آبوهوایی، طول و شدت آبراهه، سیستمهای زمینشناسی، چشمانداز و کاربری زمین، ناهمواریهای بستر رودخانه و شیب حاکم است. مقادیر Rc برای همۀ حوضههای آبخیز در این منطقه نشان میدهد که بیشتر زیرحوضهها تقریباً کشیده هستند. تنوع شرایط ساختاری، ناهمواری و زمین درن حوضهها باعث این ناهنجاری میشود.
ضریب کشیدگی (Re)[13]
ضریب کشیدگی (Re) شکل حوضۀ رودخانه را منعکس میکند. ضریب کشیدگی بهعنوان نسبت بین قطر دایره از همان ناحیۀ حوضۀ زهکشی و طول کل حوضه شناخته میشود. معادله بهصورت زیر است:
Re =(2/Lb) ∗ (A/π)0.5
که در آن A مساحت حوضه (km2)، π =3.14، و Lb (km) طول حوضۀ موازی با خط اصلی زهکشی است.
مقادیر ضریب کشیدگی به پنج دسته تقسیم میشود. برای حوضههای کشیده تا 1.0 و همچنین برای حوضۀ دایرهای از 0.6 تا 1.0 متغیر است که معمولاً براساس انواع مختلف آبوهوا و زمینشناسی متغیر است. برای مناطق با ناهمواری بسیار کم، مقادیر تقریبی. 1.0 است. مقادیر در محدودۀ 0.6 تا 0.8 معمولاً مربوط به ناهمواریهایی با شیب تند است (Strahler, 1964) ضریب کشیدگی در حوضههای آبخیز دایرهای بیشتر از یک حوضۀ آبخیز کشیده است (جدول 5).
جدول 4: طبقهبندی ضریب کشیدگی (منابع: Chorley, 1969; Horton, 1945)
Table 5: Classification of Elongation Ratio (Re) (Sources: Chorley, 1969; Horton, 1945)
|
طبقهبندی |
ضریب کشیدگی |
رده |
|
1 |
>0.9 |
گرد |
|
2 |
[0.8–0.9] |
بیضی |
|
3 |
[0.7–0.8] |
کشیدگی کم |
|
4 |
[0.5–0.7] |
کشیده |
|
5 |
<0.5 |
کشیدگی زیاد |
درنتایج بهدستآمده Re برای حوضههای آبخیز 0.56-0.79 است. بیشترین Re از حوضههای آبخیز منطقۀ مطالعهشده (79.17٪) با فرم کشیده [0.5-0.7] همتراز هستند و ناهمواری کمتر و شیب تند را نشان میدهند. شکل کمتر کشیده 20.83درصد حوضهها نشان داده شده است.
طول جریان سطحی (Lg)
طبق گفتۀ Horton(1945) جریان سطحی (Lg)، قبل از اینکه در یک مجرای آبراهۀ مشخص متمرکز شود، آب بر روی سطح خاک جریان دارد. تراکم زهکشی برابر با نصف تراکم زهکشی، Lg=1⁄2 Dd است. طول جریان سطحی بهطور معکوس با شیب متوسط کانال ارتباط دارد. همچنین ازنظر فیزیکی، توپوگرافی و هیدرولیکی بر گسترش حوضۀ آبخیز تأثیر زیادی دارد. به دلیل زمینهایی با شیب متوسط و رو به مسطحبودن، عامل اصلی جریان سطحی کم در زمینهای تپهای است که این بستگی به نوع سنگ، آبوهوا، نفوذپذیری، پستی و بلندی و پوشش گیاهی و همچنین مدت فرسایش دارد. مقدار Lg بالاتر معمولاً نشاندهندۀ ناهمواری کم است و در نتیجه روند رواناب کندتر است و در نواحی کمارتفاعی یافت میشود که فرسایش در آنها قوی نیست که معمولاً به مرحلۀ گسترش حوضه مرتبط است. طول جریان سطحی بین 0.0021تا 0.0026 برای هر حوضه از حوضۀ آبخیز کمه متغیر است. همچنین، این میزان کم Lg ناهمواری بالا، زهکشی بیشتر و سکون کمتر را نشان میدهد.
ضریب تراکم (Cc)[14]
ضریب تراکم یک حوضه، محیط حوضه به محیط دایرهای است که مساحت آن برابر با حوضۀ زهکشی، مطابق با فرمول Gravelius[15] (1914) است:
CC = 0.2821 )P/A(0.5
ضریب تراکم (Cc) برای توصیف ارتباط بین یک حوضۀ آبخیز هیدرولوژیکی با حوضۀ مدور همان منطقه است که این نسبت بهطور مستقیم برای ارزیابی ریسک فرسایش استفاده شده است؛ به این معنی که مقادیر کمتر عوامل ریسک فرسایش نشاندهندۀ آسیبپذیری کمترین هستند، درحالیکه مقادیر بالاتر نشاندهندۀ کشیدگی کمتر حوضه و فرسایشپذیری بیشتر است؛ پس نیاز به حفاظت از مناطق در معرض فرسایش، بیشتر احساس میشود. بالاترین مقدار موجود در زیرحوضۀ شماره 4 (0.57) است، درحالیکه کمترین مقدار برای زیرحوضۀ شماره 3 (0.4) است. و درنهایت نتایج حاصل از تحلیل و بررسی پارامترهای ترکیبی برای هریک از 9 زیرحوضۀ کمه به دست آمده است (جدول 6).
جدول 5: نتایج حاصل از محاسبۀ مقادیر ترکیبی برای هریک از 9 زیرحوضه (منبع: نویسندگان، 1403)
Table 6: Composite Parameter (Cp) Results for the 9 Sub-basins of Komeh Watershed (Source: Authors, 2024)
|
LAYER |
STREAM_ID |
AreA مساحت حوضه |
primeter محیط حوضه |
Rc ضریب دایره ای |
Nμ مجموعه آبراهههای حوضه |
Fs فراوانی آب راهه |
Lb طول حوضه |
Rb ضریب انشعاب |
Rf فاکتور فرم |
Bs فاکتور شکل |
Lμ مجموع طول آبراهه |
Dd تراکم زهکشی |
Dt ضریب بافت زهکشی |
طول جریان سطحی |
ضریب کشیدگی |
ضریب تراکم |
ضریب ناهمواری |
|
زیرحوضه شماره 1 |
1 |
129 |
76 |
0.28 |
85 |
0.66 |
19.1 |
0.988 |
0.35 |
2.83 |
97254.2 |
754 |
1.118 |
0.00265 |
0.67 |
0.47 |
20.2 |
|
زیرحوضه شماره 2 |
2 |
108 |
72 |
0.26 |
86 |
0.80 |
16.18 |
0.989 |
0.41 |
2.42 |
92270.3 |
854 |
1.19 |
0.00234 |
0.72 |
0.44 |
15.03 |
|
زیرحوضه شماره 3 |
3 |
28 |
33 |
0.32 |
16 |
0.57 |
7.57 |
0.941 |
0.49 |
2.05 |
23743.2 |
848 |
0.48 |
0.00236 |
0.79 |
0.40 |
38.6 |
|
زیرحوضه شماره 4 |
4 |
299 |
148 |
0.17 |
199 |
0.67 |
34.7 |
1.0 |
0.25 |
4.03 |
281215.1 |
941 |
1.34 |
0.00213 |
0.56 |
0.57 |
6.7 |
|
زیرحوضه شماره 5 |
5 |
107 |
85 |
0.19 |
71 |
0.66 |
17.84 |
0.986 |
0.34 |
2.97 |
98184.4 |
918 |
0.84 |
0.00218 |
0.65 |
0.49 |
14.7 |
|
زیرحوضه شماره 6 |
6 |
337 |
129 |
0.25 |
196 |
0.58 |
31.32 |
0.995 |
0.34 |
2.91 |
272987.6 |
810 |
1.52 |
0.00247 |
0.66 |
0.48 |
12.5 |
|
زیرحوضه شماره 7 |
7 |
175 |
99 |
0.22 |
126 |
0.72 |
23.5 |
0.992 |
0.32 |
3.16 |
148697.3 |
849.7 |
1.27 |
0.00235 |
0.64 |
0.50 |
11.7 |
|
زیرحوضه شماره 8 |
8 |
114 |
75 |
0.25 |
66 |
0.58 |
15.64 |
0.985 |
0.47 |
2.15 |
89872.4 |
788 |
0.88 |
0.00254 |
0.77 |
0.41 |
25.9 |
|
زیرحوضه شماره 9 |
9 |
363 |
135 |
0.25 |
220 |
0.61 |
32.2 |
0.995 |
0.35 |
2.86 |
290281.6 |
800 |
1.63 |
0.00250 |
0.67 |
0.48 |
9.8 |
یافتههای پژوهش و تجزیهوتحلیل آنها
اولویتبندی زیرحوضههای آبخیز
حوضۀ آبخیز کمه در ارتفاع متوسط 2800 متری از سطح دریا و شیب متوسط 28درصدی در کوهپایههای شرقی کوهستان دنا قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که خواص مورفومتریک متمایز هریک از زیرحوضهها، نشاندهندۀ اثرپذیری از واکنشهای هیدرولوژیکی منطقه است. توجه به اولویتبندی براساس تجزیهوتحلیل مورفومتریک میتواند کمک شایانی در جهت ارزیابی ریسک مخاطرات داشته باشد؛ زیرا پارامترهای مورفومتریک بهعنوان پارامترهای ارزیابی خطر شناخته میشود، بهویژه برای مخاطراتی مانند فرسایش و سیل. فرسایش پارامترهای مورفومتریک مختلف هر زیرحوضه براساس حساسیت آنها به خطر فرسایش خاک رتبهبندی شدند. فرسایشپذیری خاک رابطۀ مستقیمی با پارامترهای خطی دارد؛ بنابراین، بیشترین مقدار برای پارامترهای خطی یک در نظر گرفته شد و دومین اولویت بهعنوان دو و به همین ترتیب تا پایان، زیرحوضهها طبقهبندی شدند؛ ولی فرسایشپذیری خاک با پارامترهای مساحتی بهصورت معکوس مرتبط است (Benzougagh et al., 2022). هرچقدر فرسایشپذیری کمتر باشد، رتبهای پایینتر دارد. در اولویتبندی پارامترهای مساحتی کمترین ارزش در اولین رتبه و آخرین رتبه بالاترین ارزش را دارد؛ بنابراین، رتبهبندی فرسایشپذیری زیرحوضهها با اولویت در پارامترهای خطی براساس بیشترین ارزش و کمترین ارزش محاسبه شد.
بنابراین، مقادیر طبقهبندی برای هریک از 9 زیرحوضه برای دستیابی به یک مقدار تجمعی برای تمام پارامترهای خطی و مساحتی اعمال شد. پس از آن زیرحوضهها براساس پارامترهای ترکیبی (خطی_مساحتی) به پنج دسته طبقهبندی شدند که دارای اولویت بسیار کم، کم، متوسط، زیاد و خیلی زیاد هستند (جدول 7، شکل 9).
جدول 6: طبقهبندی زیرحوضههای آبریز کمه براساس فرسایشپذیری (منبع: نویسندگان، 1403)
Table 7 Erosion Susceptibility Classification of Komeh Sub-watersheds (Source: Authors, 2024)
|
اولویتبندی زیرحوضهها |
زیرحوضهها براساس بالاترین میزان فرسایشپذیری |
مقدار فرسایشپذیری |
|
اول |
زیرحوضه شماره 9 |
خیلی زیاد 3.2 الی 4.6 |
|
دوم |
زیرحوضه شماره 6 |
|
|
سوم |
زیرحوضه شماره 4 |
زیاد 2.4 الی 3.2 |
|
چهارم |
زیرحوضه شماره 7 |
متوسط 1.6 الی 2.4 |
|
پنجم |
زیرحوضه شماره 1 |
|
|
ششم |
زیرحوضه شماره 2 |
کم 1.02 الی 1.6 |
|
هفتم |
زیرحوضه شماره 5 |
|
|
هشتم |
زیرحوضه شماره 8 |
خیلی کم 0 الی 1 |
|
نهم |
زیرحوضه شماره 3 |
شکل 9: فرسایشپذیری حوضۀ کمه و 9 زیرحوضۀ آن (منبع: نویسندگان، 1403)
Figure 9 Erosion Susceptibility of Komeh Watershed and Its 9 Sub-basins (Source: Authors, 2024)
حوضۀ آبخیز کمه در ارتفاع متوسط 2800 متری از سطح دریا و شیب متوسط 28درصدی در کوهپایههای شرقی کوهستان دنا قرار گرفته است. مطالعۀ حاضر کاربرد پارامترهای مورفومتریک با سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) را برای تحلیل مورفومتریک زیرحوضههای حوضه آبخیز کمه است که نتایج آن نشان میدهد که خواص مورفومتریک متمایز هریک از زیرحوضهها، نشاندهندۀ اثرپذیری از واکنشهای هیدرولوژیکی منطقه است. پارامترهای مورفومتریک مختلف هر زیرحوضه براساس حساسیت آنها به خطر فرسایش خاک رتبهبندی شد. روشهای اولویتبندی مبتنیبر پارامترهای ترکییبی (Cp) با کمک تکنیکهای GIS، تمامی 9 زیرحوضۀ فرعی را به عنوان آسیبپذیرترین مناطق در برابر خطر فرسایش شناسایی میکنند؛ اما در اویتبندی زیرحوضهها زیرحوضۀ شمارۀ 9 با بالاترین میزان ناهمواری و بارش دارای بیشترین میزان فرسایشپذیری و زیرحوضۀ شمارۀ 3 دارای کمترین میزان فرسایشپذیری است. این میزان فرسایش مستلزم ایجاد راهبردهای اصلاحی فوری و قابلدوام برای حفاظت از خاک، مدیریت سیل و جلوگیری از فرسایش است. مطالعۀ حاضر بیشتر کاربرد تکنیکهای سنجش از دور و GIS را در اولویتبندی حوضههای آبخیز نشان میدهد که ممکن است برای اجرای اقدامات در حفاظت از خاک و آب مفید باشد (شکل 9).
بر طبق تحقیقات ذاکری (1396) با استفاده از تحلیل عوامل با مدل RUSLE چند عامل علاوهبر عوامل بالا ارزیابی شدهاند؛ ازجمله: عامل R یا فرسایندگی باران، عامل K یا جدایش ذرات خاک بر اثر نیروی بارش و رواناب، عامل C کاربری اراضی، عامل LS تغییرات ارتفاعی و شیب منطقه و عامل P با عدد تعیینشدۀ 1، سپس نقشۀ فرسایشپذیری منطقه را به دست آوردهاند: براساس پژوهشهای انجامشده، بالاترین فرسایشپذیری خاک در خاکهای لوم سیلتی و پایینترین فرسایشپذیری در خاکهای شن لومی و شنی دیده میشود. فرسایشپذیری خاک رابطۀ معناداری با تولید رواناب در خاکها دارد و مهمترین عامل مؤثر بر رواناب و فرسایشپذیری خاک، رخداد بارندگی است (شکل 10).
شکل 10: نقشۀ پهنهبندی فرسایش (منبع: ذاکری، 1396)
Figure 10 Erosion zoning map (Source: Zakeri, 2017)
بخش اعظم خاکهای نمونهبرداریشده در محدودۀ دارای بافت رسی لومی است. غرب وشمال غرب حوضه که دارای بیشترین بارش و مقدار R را به خود اختصاص داده، بافت خاک بیشتر از نوع سیلتی لومی رسی است که انتظار میرود که نرخ فرسایش در این بخش بیش از سایر بخشهای حوضه باشد. پراکندگی میزان ماسه، رس و سیلت در خاکهای محدودۀ کمه و نقشه بافت خاک منطقه قابلمشاهده است.
نتیجهگیری
در مطالعات فرسایشپذیری خاک در حوضۀ آبریز کمه، باتوجهبه نبود ایستگاههای رسوب سنج و اهمیت مطالعۀ رسوب در این حوضه، به تقسیم حوضه به چند زیرحوضه و بهکارگیری روشهای مورفومتری اقدام شد، تا نتایج دقیقتری حاصل شود. شاخصهای مورفومتری نشان داد که در زیرحوضههایی که مقدار شاخصهای خطی و توپوگرافی بالا و شاخصهای مساحتی پایین است، مقدار حساسیت به فرسایش نیز بیشتر است. حوضۀ کمه در جنوب استان اصفهان به علت تنوع لیتولوژیکی، ناهمواری و آبراهههای متعدد در معرض فرسایش خاک قرار دارد. به علت وجود شرایط گوناگون عوامل محیطی مؤثر در فرسایش خاک در زیرحوضههای آن، توانایی ایجاد فرسایش خاک یکسان است. بهکارگیری پارامترهای مورفومتری در اولویتبندی فرسایش خاک زیرحوضههای حوضۀ کمه به علت نبود دادههای مشاهداتی در تمامی آنها، یک روش مناسب و کارآمد است. نتایج حاصل نشاندهندۀ فرسایش شدید آبی در تمامی حوضۀ کمه است، اما با تقسیمبندی حوضۀ کمه به 9 زیرحوضه میتوان پرخطرترین مناطق در حوضۀ اصلی را به دست آورد. این زیرحوضه با استفاده از پارمترهای مختلف ازجمله بارش، ناهمواری، تراکم بالای آبراهه، مساحت بزرگتر و غیره با خطرفرسایشپذیری خیلی زیاد مواجه است که در قسمت جنوبی تا مرکز حوضۀ کمه واقع شده است و پس از آن زیرحوضۀ شمارۀ 6 از غرب تا مرکز حوضۀ کمه در رتبۀ دوم است. سپس زیرحوضۀ شمارۀ 4 در شمال شرق حوضه با خطر فرسایشپذیری زیاد، زیرحوضۀ شمارۀ 7 در شرق و زیرحوضۀ شمارۀ 1 در شمال با خطر فرسایشپذیری متوسط، زیرحوضههای 2و 5 با خطر فرسایشپذیری کم در شمال و زیرحوضههای 8 و 3 با خطر فرسایشپذیری خیلی کم است. علت اصلی فرسایشپذیری این زیرحوضهها علاوهبر پارامترهای مورفومتریک محاسبهشده، عبور رودخانۀ اصلی از مرکز حوضه (حوضههای 9 و 6)است که موجب تشدید فرسایش در این منطقه شده است؛ اما در مدل RUSLEپرخطرترین مناطق فرسایشی در شرق حوضه واقع شده است که میتوان علت اصلی آن را کمبودن پارامترهای سنجش دانست؛ زیرا در روش هورتون -استرالر تعداد پارامترهای تعیینکننده بیشتر و حیاتیتر و درنتیجه تأثیرگذاری آنها مشخصتر است؛ اما در دید کلی با استفاده از هر دو روش مرسوم یعنی بررسی خصوصیات مورفومتری حوضه براساس سیستم هورتن _استرالر و تحلیل عوامل با مدل RUSLE نشان داد که در شمال و مرکز حوضه بیشترین فرسایشپذیری مشاهده میشود.
[1] https:/search.earthdata.nasa.gov
[2] The compound parameter
[3] Stream order (U)
[4] Stream number (Nu)
[5] Stream length (Lu)
[6] Stream length ratio (RL)
[7] Bifurcation ratio
[8] Drainage density
[9] Drainage texture
[10] Stream frequency
[11] Form factor
[12] Circularity ratio
[13] Elongation ratio
[14] Compactness coefcien
[15] شاخصی که بیشتر به آن اشاره میشود، ضریب فشردگی است که توسط (1914) Gravelius پیشنهاد شده است.
)