فصل اول: مقدمه ………………………………………………………………………2

1-1- کلیاتی درمورد مدل WEPP…………………………………………………….

1-1-1- معایب و محدودیت های کاربرد مدل WEPP………………………………..

1-1-2- محاسن مدل……………………………………………………………………6

1-2- هدف……………………………………………………………………………….8

1-3- مدل ANSWERS ………………………………………………………………..

1-4- مدلMPSIAC……………………………………………………………………..

فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته ……………………………………………… 11

2-1- تقسیم بندی مدل های فرسایشی………………………………………….. 11

2-1-1- انواع مدل ها بر اساس ساختار فرمولی …………………………………..11

2-1-2- انواع مدل ها از نظر ساختار مکانی………………………………………. 13

2-2- تکامل مدل های فرسایش……………………………………………………. 13

فصل سوم: مواد و روش ها………………………………………………………… 17

3-1- ﺗﺌوری مدلWEPP ……………………………………………………………..

3-1-1- معادله پیوستگی رسوب……………………………………………………. 17

3-1-2- محاسبات هیدرولوژی ……………………………………………………… 20

3-1-2-1- تنش برشی جریان…………………………………………………………21

3-1-2-2- ظرفیت حمل رسوب………………………………………………………. 22

3-1-3- نرمال نمودن……………………………………………………………………22

3-1-4- پارامترهای فرسایش پذیری خاک……………………………………………24

3-2- روش تحقیق……………………………………………………………………..27

3-3- مراحل اجرای مدل……………………………………………………………… 27

3-4- سیمای عمومی مناطق مورد مطالعه…………………………………………36

فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری ……………………………………………………46

4-1- نتایج مربوط به منطقه مطالعاتی غرب دانشکده کشاورزی شیراز………… 46

4-2- نتایج منطقه خسروشیرین……………………………………………………. 60

4-3- مقایسه نتایج مدل MPSIAC  و WEPP در منطقه خسروشیرین…………….67

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها………………………………………………. 69

– فهرست منابع ……………………………………………………………………….73

– پیوست…………………………………………………………………………….. 78

– چکیده به زبان انگلیسی…………………………………………………………

چکیده:

فرسایش یک تهدید جدی برای منابع آب و خاک بشمار می رود. روش های متنوعی برای برآورد فرسایش و رسوب حوزه های آبخیز در دنیا ارائه شده اند که به کمک آن ها می توان مقادیر رسوب دهی و فرسایش حوزه ها را مشخص کرد. در این پژوهش ابتدا مقادیر سیلاب، فرسایش و رسوب توسط مدل WEPP برای حوزه مطالعاتی غرب دانشکده کشاورزی شیراز به وسعت 62/3 هکتار تخمین زده شد و سپس مدل WEPP برای حوزه خسروشیرین از زیر حوزه های معرف حوزه آبخیز سد ملاصدرا به وسعت 6392 هکتار نیز اجرا شد. و در نهایت نتایج بدست آمده از مدل WEPP با نتایج دو مدل ANSWERS و MPSIAC مقایسه شد. نتایج نشان داد که مقادیر سیلاب، فرسایش و رسوب تخمین زده شده توسط مدل WEPP با

 مقادیر مشاهده شده و مقادیر تخمین زده شده توسط مدل ANSWERS همبستگی خوبی داشته و مقدار R2 بین 9/0 تا 98/0 می باشد. و آزمون آماری F-test نشان داد که اختلاف بین مقادیر تخمین زده شده توسط مدل WEPP و مقادیر مشاهده شده و همچنین مقادیر تخمین زده شده توسط مدل ANSWERS معنی دار نیست. اما در مقایسه نتایج مدل WEPP با نتایج مدل MPSIAC مشاهده شد که میزان رسوب برآورده توسط مدل MPSIAC حدود 8/5 تن در هکتار در سال بوده که با میزان اندازه گیری شده در ایستگاه رسوب سنجی (معادل 85/9 تن در هکتار در سال) اختلاف فاحشی دارد. در صورتی که مدل WEPP مقدار رسوب را معادل 5/10 تن در هکتار در سال تخمین زد که با مقدار رسوب اندازه گیری شده در ایستگاه رسوب سنجی تقریباً نزدیک است.

فصل اول

مقدمه:

انسان برای ادامه حیات خود به مواد غذایی نیازمند است که دراثر وجود آب و خاک به دست می آید. عاملی که تامین آب و خاک را به خطر می­اندازد فرسایش خاک است که مبارزه با آن اجتناب ناپذیر بوده و لیکن نمی توان از وقوع آن کاملا جلوگیری کرد. ولی  فعالیت های انسان می تواند آن را تشدید نموده و یا کاهش دهد. همه ساله عرصه  وسیعی از خاک های کشور ایران و سایر کشورها تحت فرسایش آبی و بادی قرار می گیرد. در مناطقی که فرسایش خاک کنترل نمی شود خاک ها بتدریج فرسایش یافته، حاصلخیزی خود را از دست می دهند، سبب فقیر شدن خاک و متروک شدن مزارع می گردد و از این راه خسارت زیاد و جبران ناپذیری به جا می گذارد، همچنین با رسوب مواد فرسایش یافته در آبراهه ها، مخازن سدها، بنادر وکاهش ظرفیت آبگیری آنها زیان های فراوانی را سبب می گردد. بر پایه برآورد های انجام شده بر اثر فرسایش خاک سالانه چندین میلیون هکتار از اراضی کشاورزی جهان به کام نابودی کشیده می شود. براساس همین برآورد پیش بینی می شود که تا سال 2010  میلادی  یک سوم تا یک پنجم اراضی کشاورزی بر اثر فرسایش خاک عقیم و غیرقابل استفاده شوند (کاظمی، 1385). رشد روزافزون جمعیت و افزایش نیاز به منابع طبیعی موجب گردیده تا مهار فرسایش خاک به عنوان امری ضروری در دهه های اخیر مطرح گردد. متاسفانه میزان فرسایش خاک در ایران بیشتر از میزان متوسط جهانی است. نتایج بررسی های انجام شده در ایران نشان می دهد که سالانه نزدیک به 2 میلیارد تن از خاک های با ارزش کشور در اثر فرسایش هدر می رود و همه ساله خسارات هنگفتی از این طریق بر کشور وارد می گردد. با توجه به تحقیقات انجام شده متوسط فرسایش خاک در ایران 2500 تن در کیلومتر مربع (25 تن در هکتار) در سال برآورد شده است که حدود سه تا چهار برابر متوسط فرسایش جهانی و 20 تا 30 برابر حد قابل قبول فرسایش می باشد (جلالیان و همکاران، 1373). این در حالی است که میزان فرسایش در آمریکا و اروپا کمتر از یک تن در هکتار در سال می باشد (FAO, 1994).

فرسایش خاک منجر به هدر رفت مواد غذایی خاک و بهم خوردن ساختمان خاک شده و یکی از مشکلات بزرگ اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی شناخته شده است. در اکثرکشورهای جهان برای مبارزه و کنترل آن کوشش فراوان و اعتبارات هنگفتی درنظرگرفته شده است. با افزایش فعالیت های عمرانی و تخریب منابع مورد استفاده، طبیعی به نظر می رسد فرسایش خاک ناشی از تمرکز رواناب سطحی افزایش یابد (Wischmeier, 1978).

تاثیر متقابل چهار عامل اصلی اقلیم، پستی و بلندی، پوشش گیاهی و فرسایش پذیری ذاتی خاک تعیین کننده مقدارفرسایش هرمنطقه است. فرسایش با هدر رفت فیزیکی خاک زمینه رابرای کاهش مولفه های خاک (شاخص های ساختمان، بافت، پایداری، مقدار عناصر غذایی … ) پدید می آورد. استفاده غیر علمی کشاورزان از خاک بخصوص در امتداد شیب، انجام خدمات اگروتکنیکی در امتداد شیب، آبیاری غیر اصولی و غیره باعث فرسایش جدی خاک سطحی می شود. چنانچه بهره برداری از خاک ها بر اساس شناسایی و تعیین نوع کاربری مناسب و مبتنی بر رعایت اصول صحیح و علمی باشد، میزان فرسایش و رسوب به حداقل خود کاهش می یابد. در این رابطه  پیش بینی فرسایش  بایستی از طریق ایستگاه های سنجش رسوب انجام گیرد ولی به لحاظ  محدودیت این ایستگاه ها، از روش های مدل تجربی[1] و شبیه سازی توسط مدل های ریاضی[2] استفاده می شود. مدل های تجربی اساساً بر مبنای مشاهدات پایه گذاری  شده اند و معمولاً آماری هستند. این مدل ها بیشتر برای پیش بینی متوسط فرسایش به کار می روند. اگرچه گاهی اوقات برای پیش بینی رسوب هم استفاده می شوند. در مدل های ریاضی خصوصیات یک سیستم یا تمام و یا بخشی از نحوه کارکرد سیستم با نمادهای ریاضی نمایش داده شده و مورد بحث ریاضی قرار می گیرد. این مدل ها برای بیان نحوه عملکرد سیستم، چگونگی تاثیر متقابل عناصر یک سیستم و برای توصیف نحوه عمل سیستم بکار می روند (رفاهی، 1385).

 در برنامه ریزی کنترل فرسایش خاک ابتدا لازم است که بررسی جامعی از عوامل مؤثر در فرسایش خاک به عمل آید. این بررسی ها خصوصاً در اراضی بحرانی واقع در حوزه های آبخیز بسیار لازم و ضروری است و بدون شناسایی دقیق مختصات و شرایط آنها و تجزیه و تحلیل جامع شرایط حوزه آبخیز و تهیه طرح کامل آبخیزداری، عملیات کنترل و مبارزه با فرسایش مقدور و معقول نخواهد بود.

 میزان خسارات وارده و همچنین برآورد هزینه و انجام پروژه های مهار و کنترل فرسایش و رسوب نیازمند آمار و اطلاعات دقیق و صحیح، روش و فرمول های مناسب برای مناطق مختلف یک حوزه آبخیز می باشد. به دلیل مشکلات و محدودیت های موجود در روش های مستقیم اندازه گیری فرسایش خاک و همین طور پیشرفت شایان توجهی که در درک مفاهیم و مکانیزم فرایند فرسایش حاصل شده، ابداع مدل های مختلف در زمینه فرسایش و رسوب از سال ها پیش مورد توجه قرار گرفته است. تامین نیازمندی های فوق و ایستگاه های رسوب سنجی با بهره گرفتن از اندازه گیری های زمینی دشوار و پرهزینه می باشد، به همین دلیل متخصصین آبخیزداری، هیدرولوژی و منابع آب در ارائه راه حل های مناسب تلاش زیادی نموده و فرمول های تجربی و مدل های ریاضی را پیشنهاد کرده اند.

 مدل های فرایندی که بیانگر روابط منطقی بین پدیده های فیزیکی یک حادثه فرسایش است می تواند در تخمین مقادیر کمی فرسایش با دقت بیشتری نسبت به سایر مدل های تجربی مورد استفاده قرار گیرد. از نتایج حاصل از بعضی مدل ها با مقادیر واقعی تطبیق نزدیکی داشته از اینرو استفاده از مدل های فرسایش و رسوب در مطالعات حوزه آبخیز افزایش یافته است. از طرفی با توجه به پیچیده بودن اکوسیستم حوزه های آبخیز به ویژه حوزه های آبخیزکوهستانی، با بهره گرفتن از امکانات رایانه ای می توان مدل مناسبی را انتخاب و مورد بهره برداری قرار گیرد به منظور به کارگیری مدل ها در شرایط جدید، لازم است تا سازگاری آنها در این مناطق مورد ارزیابی قرار گیرد (صادقی، 1384).

مهمترین ویژگی های مدل های شبیه سازی، ماهیت،کارایی، عمومیت وسهولت کاربرد آنان می باشد (غلامی، 1382). تکامل مدل های فرسایش خاک، از مدل های تجربی مانند معادله جهانی تلفات خاک  (USLE)شروع و تا طراحی مدل هایی که اساس ریاضی– فیزیکی دارند ادامه یافته است. مدل های ریاضی ارزش تاثیر تکنولوژی را بر تخمین فرسایش خاک در زمین های متفاوت ثابت می کنند. مدلWEPP[3] نسل جدیدی از مدل های فرسایش خاک است که فرسایش خاک را در مقیاس مکان و زمان پیش بینی می­ کند. این مدل برای زیر حوزه ها و حوزه های کوچک برای تخمین فرسایش خاک بطور ساعتی، ماهانه و یا سالانه بکار می رود (Pudasaini et al., 2004). در این پژوهش مدل WEPP به منظور تخمین سیلاب، فرسایش و رسوب در دو منطقه از استان فارس استفاده شده و با دو مدل ANSWERS و MPSIAC مقایسه شده است.

1-1- کلیاتی درمورد مدل  WEPP

این مدل توسط سرویس تحقیقات كشاورزی آمریكا، سرویس حفاظت منابع طبیعی آمریكا، سرویس جنگل امریكا و سایر ارگان هایی كه به نحوی با مسائل آب و خاك در ارتباط هستند استفاده می شود. مدل فرسایش WEPP روشی بر اساس علوم هیدرولوژی و فرسایش خاك است. این مدل قادر است فرسایش خاک و نهشته شدن آن را در داخل آبراهه ها و دامنه ها در محدوده ای با زمین های كاملا هندسی تا زمین هایی كاملا غیر هندسی و متفاوت برآورد كند. این مدل همچنین در كاربری های كشاورزی، مرتع، جنگل و راه ها استفاده شده است. مدل WEPPدر دو مكان دامنه و حوزه آبخیز قابل استفاده است. و با مجموعه ای از نرم افزارها در رایانه های شخصی قابل نصب كردن است (گلکاریان، 1383).

مدل WEPP قادر است میزان فرسایش و رسوب و رواناب را به صورت سال های متوالی و یا برای رگبارهای مستقل شبیه سازی كند. یک حوزه آبخیز شامل یک یا تعداد بیشتری دامنه است كه این دامنه ها در حال زهكشی به داخل یک یا تعداد بیشتری آبراهه می باشند. كوچكترین حوزه آبخیز شامل تنها یک دامنه و یک آبراهه می باشند. مدل WEPP یک مدل فرایندیاب بوده به گونه ای كه مكان هایی كه ذرات خاك از سطح زمین جدا شده به همراه مقدار برداشت مكان هایی ذرات رسوب همراه آب نهشته می شوند و مقدار رسوب گذاری و در نهایت مكان هایی كه تنها عمل حمل رسوبات انجام می شود را برای روی دامنه مشخص می كند. با تركیب كردن دامنه های موجود روند یابی رواناب و رسوب انجام شده و كار شبیه سازی به پایان می رسد.

داده های ورودی اصلی در مدل WEPP عبارتند از اقلیم، خاك، مدیریت، شیب و خروجی های اصلی شامل تلفات خاک، رسوب و رواناب است. مدل WEPP همچنین خروجی ها را به دو صورت گرافیكی و متنی ارائه می دهد كه قبل از شبیه سازی با انتخاب موارد مورد نظر امكان رویت و چاپ خواهد بود.

1-1-1- معایب و محدودیت های کاربرد مدل WEPP

معایب مدل WEPP را بایستی به دو دسته تقسیم کرد.

الف- معایب مربوط به مدل

ب- معایب و مشکلاتی که در اثر فقر اطلاعات پایه در کشور ما وجود دارد.

الف- معایب مربوط به مدل

1- در این مدل کاربری مناطق شهری و مسکونی لحاظ نشده است. با توجه به اینکه در مناطق مسکونی سطح خاک به وسیله آسفالت و … پوشیده شده میزان فرسایش به حداقل رسیده ولی ضریب روانآب به شدت افزایش می یابد و این مسئله خصوصا در مناطق روستایی ممکن است سبب افزایش میزان فرسایش و حجم روانآب در مناطق پایین دست شود.

2- در نظر گرفتن طول شیب به صورت افقی، در این مدل بر اساس نظریه آقای فوستر[1] ، فرسایش به دو دسته شیاری و بین شیاری تقسیم شده است. بر اساس تعریف علت ایجاد فرسایش بین شیاری برخورد قطرات باران به سطح خاک و جدایی ذرات خاک در اثر نیروی وارده و حمل آن به سمت پایین است و علت فرسایش شیاری، نیروی برشی جریان های متمرکز و کنده شدن ذرات از کناره و کف مجاری عبوری آب است. بر این اساس طول مسیر جریان، رابطه مستقیم با میزان فرسایش شیاری دارد و صحیح تر است که بجای طول افقی، طول روی شیب در نظر گرفته شود.

ب- معایب و مشکلاتی در اثر فقر اطلاعات پایه در کشور

مهمترین مشکل در این زمینه تکمیل اطلاعات پنجره پایگاه اطلاعاتی گیاه (plant database) است. در این پنجره یکسری اطلاعات فیزیولوژیکی و فنولوژیکی از گیاهان موجود در هر واحد خواسته می شود (همانند دمای پایه برای شروع