ارزیابی پاسخ هیدرولوژیکی حوضۀ آبخیز تیل‌آباد استان گلستان در طی دوره‌های آتی تحت تأثیر تغییر کاربری اراضی پیش‌بینی شده

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آبخیزداری، دانشکدۀ مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار، دانشکدۀ مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار، دانشکدۀ شیلات و محیط زیست، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 استاد، دانشکدۀ مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

5 استادیار، دانشکدۀ مرتع و آبخیزداری، دانشگاه گنبد کاووس

چکیده

هدف از این تحقیق، بررسی رواناب و رسوب و دیگر مؤلفه‏های چرخۀ هیدرولوژیکی حوضۀ ‏آبخیز تیل‏آباد طی دوره‏های آتی تحت تأثیر تغییر کاربری اراضی پیش‏بینی‌شده در نظر گرفته شد. به این منظور، با استفاده از تصاویر سـنجنده‏هـای MSS (1986)، ETM+ (2000) و OLI (2015) ماهوارۀ‏ Landsat و اطلاعات جانبی منطقه تغییر کاربری اراضی در هفت طبقه تهیه و نقشۀ کاربری اراضی سال‏های 2025 و 2040 بر اساس رویکرد مدل‏سازی زنجیرۀ مارکوف و اتومای سلولی پیش‏بینی شد. شبیه‏سازی در پایۀ زمانی ماهانه در سال‏های 2000ـ 2014 و با استفاده از مدل SWAT و برنامۀ SUFI2 انجام پذیرفت. بعد از هر اجرای مدل SWAT بر اساس کاربری آتی، خروجی مدل استخراج و نتایج شبیه‏سازی با مقادیر پایه مقایسه شد. نتایج ارزیابی نقشۀ کاربری سال‏های 1986، 2000 و 2015 با شاخص کاپای برابر 955/0، 865/0 و 961/0 روند کلی تخریب در منطقه را نشان داد. ارزیابی میزان تطابق بین کاربری اراضی شبیه‏سازی‌شده و واقعی برای سال 2015 ضریب کاپای 799/0 را نشان داد. در مرحلۀ واسنجی ضرایب نش‌ـ ساتکلیف، تعیین و ریشۀ میانگین مربعات خطا برای مقادیر رواناب ماهانه در خروجی حوضه به‌‌ترتیب 71/0، 70/0 و 32/3 و در مرحلۀ اعتبارسنجی 61/0، 61/0 و 36/4 به‌دست آمد. این ضرایب برای غلظت رسوب ماهانه در دورۀ واسنجی به‌ترتیب 65/0، 67/0 و 2/1643 و در مرحلۀ اعتبارسنجی 57/0، 61/0 و 02/1861 به‌دست آمد. نتایج بررسی نشان داد شبیه‏سازی رواناب ماهانه نسبت به رسوب دقت بیشتری دارد. در تحلیل کاربری اراضی مشخص شد که با تخریب منطقه در جهت قهقرا مقدار رواناب سطحی، رسوب، کل جریان آب، جریان زیرقشری و تبخیر و تعرق افزایش و مقادیر جریان آب زیرزمینی، جریان برگشتی از آبخوان سطحی، تغذیۀ آبخوان عمیق، نفوذپذیری و آب‏گذری کاهش چشمگیری پیدا می‌کند؛ همچنین مقادیر اوج و میانۀ جریان بیشتر می‌شود و جریان پایه کاهش می‏یابد. به‏طور کلی، آثار تغییرات در سال 2040 نسبت به سال 2025 بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Hydrological Response in Tilabad Watershed of Golestan for Future Periods as Affected by the Predicted Land use Change

نویسندگان [English]

  • Hossein Salmani 1
  • Vahed Berdi Sheikh 2
  • Abdolrassoul Salman Mahiny 3
  • Majid Ownegh 4
  • Abolhasan Fathabadi 5
2 Faculty Range land and Watershed Management, Gorgan University of agricultural sciences and natural resources
3 Faculty Fisheries and Environmental Sciences, Gorgan University of agricultural sciences and natural resources, Gorgan
4 Faculty Range land and Watershed Management, Gorgan University of agricultural sciences and natural resources, Gorgan
5 Gonbad Kavous University
چکیده [English]

The aim of study was set to evaluate components of the hydrological cycle in Tilabad Watershed during future periods as affected by the predicted land use change. For this purpose, using MSS (1986), ETM+ (2000) and OLI (2015) Landsat satellite images a land use map was produced in seven categories. Then, two likely future land use maps were predicted based on Markov chain modeling and cellular Automata approach for the years 2025 and 2040. Simulation for 2000-2014 years and by using SWAT model and SUFI2 program was done. The results of maps assessment of the years 1986, 2000 and 2015 with the kappa index 0.9553, 0.8655 and 0.9612 respectively, shows destruction trend overall. The match assessment between simulated and actual land use for 2015 showed a kappa coefficient 0.7993. In the analysis of land use was determined with degradation of the region to runoff, sediment, the water, subcortical flow, and evapotranspiration increased and the amount of groundwater flow, backflow from the aquifer surface, deep aquifer recharge, and permeability and Hydraulic conductivity were reduced significantly. Also, the value of peak and medium was increased and base flow as reduced. Generally, the effects of changes in 2040 Compared to 2025 was more.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tilabad Watershed
  • land use changes, Markov chain - Cellular Automata, hydrological cycle, SWAT model
[1]. Jaehak J, Narayanan K, Jeff Arnold R, Glick LG, Raghavan S. Development and Integration of Sub-hourly Rainfall–Runoff Modeling Capability within a Watershed Model. Water Resources Management. 2010. 24(15): 4505–4527.
[2]. Bieger K, Hormann G, Fohrer N. The impact of land use change in the Xiangxi Catchment (China) on water balance and sediment transport. Regional Environmental Change. 2015. 15(3): 485–498.
[3]. Tadesse W, Whitaker S, Crosson W, Wilson C. Assessing the Impact of Land-Use
Land-Cover Change on Stream Water and Sediment Yields at a Watershed Level Using SWAT. Open Journal of Modern Hydrology. 2015. 5: 68-85.
[4]. Briones RU, Ella VB, Bantayan NC. Hydrologic Impact Evaluation of Land Use and Land Cover Change in Palico Watershed, Batangas, Philippines Using the SWAT Model. Journal of Environmental Science and Management. 2016. 19(1): 96-107.
 
[5]. Palamuleni LG, Ndomba PM, Annegarn HJ. Evaluating land cover change and its impact on hydrological regime in Upper Shire river catchment, Malawi. Journal of Regional Environmental Change. 2011. 11(4): 845-855.
[6]. Khoi DN, Suetsugi T. The responses of hydrological processes and sediment yield to land-use and climate change in the Be River Catchment, Vietnam. Hydrological Processes. 2014. 28(3): 640–652.
[7]. Schmalz B, Fohrer N. Comparing model sensitivities of different landscapes using the eco hydrological SWAT model. Advances in Geosciences. 2009. 21: 91-98.
[8]. Salmani H, Mohseni Saravi M, Rouhani H, Salajeghe A. Evaluation of Land Use Change and its Impact on the Hydrological Process in the Ghazaghli Watershed, Golestan Province. Journal of Watershed Management Research. 2012. 3(6): 43-60. [Persian].
[9]. Anaba LA, Banadda N, Kiggundu N, Wanyama J, Engel B,. Moriasi D. Application of SWAT to Assess the Effects of Land Use Change in the Murchison Bay Catchment in Uganda. Computational Water, Energy, and Environmental Engineering. 2017. 6: 24-40.
[10].            Wang S, Kang S, Zhang L, Li F. Modelling hydrological response to different land-use and climate change scenarios in the Zamu River basin of northwest China. Journal of Hydrological Processes. 2008. 22: 2502-2510.
[11].            Huang TCC, Lo KFA. Effects of Land Use Change on Sediment and Water Yields in Yang Ming Shan National Park, Taiwan. Environments. 2015. 2: 32-42.
[12].            Zuo D, Xu Z, Yao W, Jin S, Xiao P, Ran D. Assessing the effects of changes in land use and climate on runoff and sediment yields from a watershed in the Loess Plateau of China. Science of the Total Environment. 2016. 544: 238-250.
[13].            Aghabeighi Amin S, Ildromi A, Nouri HR, Hghighi Kermanshahi A. The impact of suspended sediment from land use changes in the watershed Dinawar Kermanshah Province. 2016. Journal of Ecohydrology. 3(4):611-621. [Persian].
[14].            Ngo TS, Nguyen DB, Shrestha RP. Effect of land use chanfe on runoff and sediment yield in Da River Basin of Binh province, Northwest Vietnam. Journal of Mountain Science. 2015. 12(4): 1051–1064.
[15].            Da Silva VDP, Silva MT, De Souza EP. Influence of Land Use Change on Sediment Yield: A Case Study of the Sub-Middle of the São Francisco River Basin. Journal of the Brazilian Association of Agricultural Engineering. 2016. 36(6): 1005-1015.
[16].            Saleh DK, Kratzer CR, Green CH, Evans DG. Using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to Simulate Runoff in Mustang Creek Basin, California, Scientific Investigations Report 2009–5031, U.S. Geological Survey, Reston, Virginia, the American water resources association. 2009. 44(1): 48-61.
[17].            Iranmehr M, Pourmanafi S, Soffianian A. Ecological Monitoring and Assessment of Spatial-Temporal Changes in Land Cover with an Emphasis on Agricultural Water Consumption in Zayandeh Rood Region. 2015. Journal of Ecohydrology. 2(1):23-38. [Persian].
[18].            Karimi K, Komaki CB. Monitoring, assessment and prediction of spatial changes of land use /cover using Markov chain model (Case study: Bostagh Plain - South Khorasan). RS & GIS for Natural Resources. 2015. 6(2): 75-88. [Persian].
[19].            Heidarizadi Z, Mohamadi A. Predicting the Land Use Change Using Markov- Cellular Automata Model in Mehran Plain. Desert Ecosystem Engineering Journal. 2016. 5(10): 57-68. [Persian].
[20].            Yilmaz KK, Gupta HV, Wagener T. A process-based diagnostic approach to model evaluation: Application to the NWS distributed hydrologic model. Water Resour. Res. 2008. 44(9). W09417. DOI: 10.1029/2007WR006716.
[21].            Casper MC, Grigoryan G, Gronz O, Gutjahr O, Heinemann G, Ley R, Rock A. Analysis of projected hydrological behavior of catchments based on signature indices. Hydrol. Earth Syst. Sci. 2012. 16: 409–421.
[22].            Sang L, Zhang C, Yang J, Zhu D, Yun W. Simulation of land use spatial pattern of towns and villages based on CA–Markov model. Mathematical and Computer Modelling. 2011. 54(3): 938-943.
[23].            Chang CL, Chang JC. Markov model and cellular automata for vegetation. Journal of Geographical Research. 2006. 45: 45-57.
[24].            Farajollahi A, Asgar HR, Ownagh M, Mahboubi MR, Salman Mahini R. Monitoring and prediction of spatial and temporal changes of landuse/ cover (Case study: Marave Tappeh region, Golestan). RS & GIS for Natural Resources. 2016. 6(4): 1-14. [Persian].
[25].            Gebremicael TG, Mohamed YA, Betrie GD, Zaag P, Teferi E. Trend analysis of runoff and sediment fluxes in the Upper Blue Nile basin: a combined analysis of statistical tests, physically-based models and landuse maps. Hydrology. 2013. 482: 57–68.
[26].            Vafakhah M, Javadi, MR, Najafi Majd J. Effect of Land Use Changes on Runoff Depth in
Chalousrud Watershed. 2015. Journal of Ecohydrology. 2(2):211-220. [Persian].
[27].            Ahmadvand Kahrizi M. Modeling the effects of climate change on runoff and sediment Arazkoseh watershed, Golestan Province. Master's thesis Watershed Management, Gonbad University. 154 pp. [Persian].