ارزیابی شاخص‌‌های فرسایندگی باران با استفاده از تکنیک‌‌‌‌های زمینآمار در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی (نمونۀ موردی: استان گلستان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه جغرافیا، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه گلستان ، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد مخاطرات محیطی، دانشگاه گلستان ، ایران.

چکیده

امروزه فرسایش خاک به‌عنوان یکی از مباحث مهم مدیریت حوضه‌های آبخیز در سطح ملی و جهانی مطرح است. برآورد خطر کاهش خاک و توزیع مکانی آن یکی از عوامل کلیدی برای ارزیابی موفق فرسایش خاک است. شاخص فرسایندگی باران مهم‌‌ترین عامل تأثیرگذار بر فرسایش خاک بوده و تابعی از خصوصیات فیزیکی باران است. هدف پژوهش حاضر، ارزیابی شاخص‌‌های فرسایندگی باران با استفاده از تکنیک‌‌‌‌های زمین‌آمار است. در تحقیق حاضر، فرسایندگی باران در استان گلستان از طریق مدل‌‌های فورنیه، فورنیه اصلاح‌شده، IAS و Ciccacci و براساس دورۀ ﺁماری 20 ساله (1378 تا 1398) ایستگاﻩﻫﺎﻱ سازمان هواشناسی مدﻝﺳﺎﺯﻯ و برﺁورد شده است. پس از محاسبۀ فاکتور فرسایندگی باران برای ایستگاه‌‌های مورد نظر، با استفاده از روش‌‌های دورن‌‌یابی عکس فاصله (IDW)، درون‌‌یابی چندجمله‌‌ای جهانی (GPI)، تابع پایۀ شعاعی (RBF) و درون‌‌یابی کریجینگ (Kriging)، نقشۀ شاخص‌‌های فرسایندگی باران استان ترسیم شد و درجهت انتخاب بهترین روش درون‌‌یابی از شاخص‌‌های آماری ریشۀ میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین قدر مطلق خطا (MAE) و میانگین خطای اریب (MBE) استفاده شد. نتایج نشان داد روش فورنیه اصلاح‌شده بهترین شاخص (برمبنای RMSE، MAE و MBE کمتر در هر چهار روش درون‌‌یابی) و روش تابع پایۀ شعاعی به‌عنوان بهترین روش در میان روش‌‌های مورد استفاده می‌‌تواند برای برآورد فرسایندگی باران مورد استفاده قرار گیرد. همچنین نتایج نشان داد که میزان قدرت فرسایندگی باران در نواحی مرکزی استان به‌خصوص حوضۀ آبخیز گرگانرود و همچنین  شمال و ﺷﻤﺎﻝﺷﺮﻕ استان با میانگین حداقل و حداکثر بارش سالانه (1/216 و 9/776) و چند نقطه در جنوب غرب حوضه با میانگین حداقل و حداکثر بارش سالانه (2/205 و 751) بیشترین مقدار ضریب فرسایندگی باران را دارا هستند که چنین تغییراتی ﻣﻰﺗﻮﺍﻧﺪ متأثر از الگوی توزیع بارندگی، شدت ﺁن و خصوصیات توپوگرافی باشد. بررسی قدرت فرسایندگی باران استان گلستان نشان می‌‌دهد که الگوی توزیع فرسایندگی باران به‌طور چشم‌‌گیری متأثر از میزان متوسط بارش منطقه است. به‌طوری‌که مقادیر فرسایندگی و متوسط بارش در این استان بر هم منطبق بوده و الگوی رفتاری تقریباً یکسانی را از خود نشان می‌‌دهند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluating Rain Erosivity Indices Using Geostatistical Techniques in GIS Environment (Case Study: Golestan Province)

نویسندگان [English]

  • Saleh Arekhi 1
  • Masoud Mahammd Ghasemi 2
چکیده [English]

Today, Soil erosion is considered as one of the important issues of watershed management at the national and global levels. Estimating risk of soil reduction and its spatial distribution is one of the key factors for successful assessment of soil erosion. Rain erosivity index is the most important factor affecting soil erosion and is a function of the physical properties of rain. The aim of this study is to evaluate and model rainfall erosivity indices using geostatistical techniques. In the present study, rain erosivity in Golestan province has been modeled and estimated through Fournier, modified Fournier, IAS and Ciccacci models and based on the 20-years statistical period (1999 to 2019) of the Meteorological Organization stations. After calculating the Rain erosivity factor for the desired stations, using inverse distance method (IDW), universal polynomial interpolation (GPI), radial basis function (RBF) and Kriging interpolation, map  of rain erosivity indices of the province were drawn and to select the best interpolation method, the statistical indices of root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE) and mean basis error (MBE) were used. The results showed that the modified Fourier method is the best index (based on RMSE, MAE and MBE less in all four interpolation methods) and the radial basis function method is the best method among the methods used to estimate of rain erosivity. The results also showed that the rate of rain erosivity in the central areas of the province, especially the Gorganrood watershed and also eastern north and north of province with average minimum and maximum annual rainfall (216.1 and 776.9) and several points in the southwest of the province with average minimum and maximum annual rainfall (2/205 and 751) have more than the amount of rain erosion coefficient that such changes are affected by the pattern of rainfall distribution, intensity and topographic characteristics. The study of rain erosivity power of Golestan province shows that the pattern of rain erosivity distribution is significantly affected by the average rainfall of the region. So that the amounts of erosivity and average rainfall in this province are consistent and show almost the same pattern of behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Erosion
  • Rain Erosivity Indices
  • Geostatistics
  • Golestan Province
احمدی، حسن؛ جوادی، محمدرضا؛ صلواتی، عقیق. (1393). پهنه‌بندی فرسایندگی باران به روش فورنیه با استفاده از برخی روش‌‌های درون‌‌یابی (مطالعۀ موردی: استان قزوین). فصلنامۀ علمی-پژوهشی اکوسیستم‌‌های طبیعی ایران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نور ، دوره 5 ، شماره 2، صص 1-14.http://neijournal.iaunour.ac.ir/article_520558_1f7488d491ac81f272d2dc1786208ac3.pdf
اخوان، رضا؛ زبیری، محمود؛ زاهدی امیری، قوام‌‌الدین؛ نمیرانیان، منوچهر؛ ماندالاز، دنیل. (1385). بررسی ساختار مکانی و برآورد موجودی حجمی جنگل‌‌های خزری با استفاده از روش موجودی حجمی جنگل‌‌های خزری با استفاده از روش زمین‌آماری. مجلة منابع طبیعی، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، دورۀ پنجاه‌ونهم، شمارۀ 1، صص 89-101.https://www.sid.ir/FileServer/JF/56513850107.pdf
ثقفیان، بهرام؛ رزمخواه، هما؛ قرمز‌‌چشمه، باقر. (1390). بررسی تغییرات منطقه‌‌ای بارش سالانه با کاربرد روش‌های زمین‌آمار (مطالعۀ موردی: استان فارس). مجلۀ مهندسی منابع آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، سال چهارم، شماره 9، صص 28-38.http://wej.miau.ac.ir/article_1629_3424ad1c420f51cf1e7f7e77245bc632.pdf
حسنی‌‌پاک، علی‌اصغر. (1377). زمین‌آمار (ئواستاتیستیک). تهران: انتشارات دانشگاه تهران. 314 ص.https://www.adinehbook.com/gp/product/9640340219
حسنی‌پاک، علی‌اصغر. (1386). زمین‌آمار. تهران: دانشگاه تهران، 380 صفحه.https://eshraghipub.com. Detail 
رضائی، پیمان؛ فریدی، پروانه؛ قربانی، منصور؛ کاظمی، محمد. (1393). برآورد فرسایش خاک با استفاده از مدل RUSLE و شناسائی مؤثرترین عامل آن در حوزۀ آبخیز گابریک- جنوب خاوری استان هرمزگان، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، انجمن ایرانی ژئومورفولوژی ، سال سوم، شمارۀ 1، صص 97-113. http://ensani.ir/file/download/article/20160105163012-10010-82.pdf
سالاروند، جواد؛ قاسمی‌‌آقباش، فرهاد،؛ اسدالهی، زهرا .(1397). تهیۀ نقشۀ فرسایندگی باران استان لرستان با استفاده از روش زمین‌آماری کریجینگ، پژوهش‌های اقلیم شناسی، سازمان هواشناسی کشور- پژوهشکده اقلیم شناسی، شمارۀ 36، صص 57-72.http://clima.irimo.ir/article_92044_973ed7d5e274d48d2e208b0bc383984c.pdf
صادقی، سید حمیدرضا؛ ذبیحی، محسن. (1397). تحلیل هم‌روندی تغییرات شاخص‌های‏ فرسایندگی فورنیه اصلاح‌شده و بارش استانداردشده در استان خراسان ‏شمالی، مهندسی و مدیریت آبخیز، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری با همکاری انجمن آبخیزداری ایران، دورۀ دهم، شمارۀ 4، صص 506-515.https://jwem.areeo.ac.ir/article_117879_7a536db68b1ed44da728848095e53773.pdf
علیزاده، امین. (1368). فرسایش و حفاظت خاک(ترجمه). ، انتشارات آستان قدی رضوی (اداره امور فرهنگی)،  258 ص.http://www.lib.ir › book
عیوضی، معصومه؛ مساعدی، ابوالفضل. (1391). بررسی الگوی گسترش مکانی بارش در سطح استان گلستان با استفاده از مدل‌‌های قطعی و زمین‌آماری. مجلۀ آب و خاک. دانشگاه فردوسی مشهد، دورۀ بیست‌وششم، شمارۀ 1، صص 64-53. https://jsw.um.ac.ir/article_35801_01f3c461a2466154e089b9024b396a48.pdf
غلامی، حمید؛ فتحی‌‌زاد، حسن؛ صفری، عطا؛ بی‌‌نیاز، مهدی. (1394). برآورد فاکتور فرسایندگی باران با استفاده از الگوریتم‌های زمین‌‌آمار (مطالعۀ‌ موردی: استان ایلام)، فصلنامۀ علمی-پژوهشی پژوهش‌های فرسایش محیطی، دانشگاه هرمزگان، دورۀ پنجم، شمارۀ 4، صص ۱-۱۶.http://magazine.hormozgan.ac.ir/article-1-256-fa.pdf
عادلی، بهزاد؛ غلامی، حمید؛ نفرزادگان، علیرضا. (1395). بررسی خصوصیات الگوی توزیع مکانی فرسایندگی باران در استان هرمزگان. پژوهش‌‌های ژئومورفولوژی کمّی، انجمن ایرانی ژئومورفولوژی، دورۀ پنجم، شمارۀ 2، صص 94-109.https://www.sid.ir/FileServer/JF/4032413950207.pdf
گرامی، زهرا؛ عربخدری، محمود؛ اسدی، حسین؛ بیات؛ رضا. (1396). تغییرات رسوبدهی معلق تحت‌تأثیر چرخۀ فرسایندگی باران در حوضۀ آبخیز سرخاب. مجلۀ علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، انجمن آبخیزداری ایران، دورۀ یازدهم، شمارۀ 38، صص ۶۱-۷۲.http://jwmsei.ir/article-1-640-fa.pdf
ختاری، داود؛ ولیزاده، کامران؛ خلیل، مرادی؛ مطلق، احسان. (1398). بررسی نقش تغییر روش‌‌های درون‌‌یابی برای تولید عامل R در برآورد فرسایش خاک حوضه‌‌های آبریز به روش RUSLE (مطالعۀ موردی: حوضۀ آبریز بالارود)، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، انجمن ایرانی ژئومورفولوژی، دورۀ هشتم، شمارۀ 3، صص 222-241.https://www.sid.ir/FileServer/JF/4032413980313.pdf
میر‌‌موسوی، سید حسین؛ مزیدی، احمد؛ خسروی، یونس. (1389). تعیین بهترین روش زمین‌‌آمار درجهت تخمین توزیع بارندگی با استفاده از GIS (مطالعۀ موردی: استان اصفهان) ، فضای جغرافیایی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهـر، دورۀ سی‌ام، شمارۀ 10، صص 105-120.https://www.sid.ir/FileServer/JF/40013893006.pdf
نظرنژاد، حبیب؛ شاه حسین، تارا؛ اسدزاده، فرخ. (1397). تغییرات مکانی و زمانی فرسایندگی باران در استان آذربایجان غربی. جغرافیا و پایداری محیط، دانشگاه رازی، دورۀ هشتم، شمارۀ 2، صص 89-99.https://ges.razi.ac.ir/article_921_99e85dc89a692eac5e9b58b31a9274bf.pdf
نیک‌کامی، داود؛ مهدیان، محمدحسین. (1393). تهیۀ نقشۀ شاخص مناسب فرسایندگی باران کشور. مهندسی و مدیریت آبخیز، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری با همکاری انجمن آبخیزداری ایران، دورۀ ششم، شمارۀ 4، صص 364-376.https://jwem.areeo.ac.ir/article_100819_07a772897256f7078a6e2eceb29b5951.pdf
وفاخواه، مهدی؛ محسنی‌‌ساروی، محسن؛ مهدوی، محمد؛ علوی‌‌پناه، سید کاظم. (1387). کاربرد زمین‌آمار در برآورد عمق و چگالی برف در حوضۀ آبخیز اورازان. نشریۀ علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، انجمن آبخیزداری ایران، دورۀ دوم، شمارۀ 4، صص 49-55.https://www.sid.ir/FileServer/JF/48813870405.pdf
 
Arnoldus, H.M.J. (1980). An approximation of the rainfall factor in the Universal Soil Loss Equation. In: De Boodt, M., Gabriels, D. Eds., Assessment of Erosion. Chichester, New York. pp. 127-132.
https://www.scirp.org/(S(czeh2tfqyw2orz553k1w0r45))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=1687726.
Da Silva, A.M. (2004). Rainfall erosivity map for Brazil. Catena, 57(3), 251-259. https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/299519/mod_resource/content/0/Artigo%201%20-%20Silva%202004.pdf
Fournier, F. (1956). The effect of climatic factors on soil erosion estimates of solids transported in suspension in runoff. Association Hydrologic Int. Public, 38:6.
Fournier,  F. (1960). Climate and erosion.paris university of paris.
Hadley, R.F., Lal,  R., Onstad, C.A., Walling,  D.E., Yair  A. (1985). Recent developments in erosion and sediment yield studies. UNESCO, Paris, 127 pp.
Hasani Pak, A. 2013. Geostatistics. Tehran University Press, 314 (In Persian).https://eshraghipub.com/product/detail/55753/.
Kouli, M., Soupios, P., Vallianatos, F. (2009). Soil erosion prediction using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) in a GIS framework, Chain, Northwestern Crete, Greece. Environment Geology. 57: 483–497.https://www.semanticscholar.org/paper/Soil-erosion-prediction-using-the-Revised-Universal-Kouli-Soupios/9b92e98c7dd4ac8aadecdf398e20815541d0e871.
Lal, R., Elliot , W. (1994). Erodibility and erosivity. In Lal, R. (ed.), Soil erosion research methods. Soil and Water Conservation Society. Ankeny. 181-208.https://www.taylorfrancis.com/chapters/edit/10.1201/9780203739358-8/erodibility-erosivity-lal-elliot
Meusburger, K., Steel, A., Panagos, P., Montanarella, L., Alewell, C. (2012). Spatial and temporal variability of rainfall erosivity factor for Switzerland. Hydrology and Earth System Sciences, 16, 167–177.https://doi.org/10.5194/hess-16-167-2012, 2012.
Morgan, R.P.C. (1995). Soil erosion and conservation Addison-Wesley.london, 198p.https://www.scirp.org/(S(i43dyn45teexjx455qlt3d2q))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=117218
Onori, F., Bonis, P.D., Grauso, S. (2006). Soil erosion prediction at the basin scale using the revised universal soil loss equation (RUSLE) in a catchment of Sicily (southern Italy). Environ Geol. 50: 1129-1140.https://doi.org/10.1007/s00254-006-0286-1
Oliveira, P.T.S., Wendland, E., Nearing, M.A. (2013). Rainfall erosivity in Brazil: a review, Catena, 100:139–147.https://doi.org/10.1016/j.catena.2012.08.006
Safarrad‚ T.‚ Hashemi, S.H.‚ Amini, J. (2009). Exploitation of Geostatistical Techniques on Rainfall Erosivity Modeling Using Fournier Method (case study: Bash gheshlagh Catchment area) ‚ Natinal Conference on GIS).http://neijournal.iaunour.ac.ir/article_520558_1f7488d491ac81f272d2dc1786208ac3.pdf?lang=en
Tssung, C.K. (2004). Introduction to geographic information system, 2nd edition, Mc
Graw Hill. 384 pages.https://www.amazon.com/Introduction-Geographic-Information-Systems-Kang-Tsung/dp/0072528117
Wang, G., Gertner, G., Singh, V., Shinkareva, S., Parysow, P., Anderson, A. (2002). Spatial and temporal prediction and uncertainty of soil loss using the revised universal soil loss equation: a case study of the rainfall-runoff erosivity R factor. Ecological Modeling, 153:143–155.https://doi.org/10.1016/S0304-3800(01)00507-5