شناسایی مکان های مستعد برای سیلاب با الگوهای خود همبستگی فضایی سرعت نفوذ آب در خاک

علیائی, محمد صادق; باریکلو, علی; ثروتی, مسلم

doi:10.22111/jneh.2019.27243.1456

شناسایی مکان های مستعد برای سیلاب با الگوهای خود همبستگی فضایی سرعت نفوذ آب در خاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار، عضو هیات علمی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری (معاونت پژوهش و فناوری)، تهران

² دانش آموخته کارشناسی ارشد علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان

³ استادیار مرکز آموزش عالی شهید باکری میاندواب، دانشگاه ارومیه

10.22111/jneh.2019.27243.1456

چکیده

ویژگی‌‌های خاک در مقیاس بزرگ بر فرآیند میزان نفوذ آب به خاک اثر می‌‌گذارد و می‌‌تواند منجر به افزایش روان‌‌آب در اراضی کشاورزی شود. مدیریت پایدار اراضی برای کنترل روان‌‌آب نیاز به اطلاعات قابل اطمینان در مورد توزیع فضایی میزان نفوذ آب به خاک دارد. روش سنتی آنالیز خاک دشوار و وقت‌‌گیر و پرهزینه است. بنابراین تجزیه و تحلیل فضایی سرعت نفوذ برای تعیین مناطق حساس برای روان‌‌آب سطحی ضروری است. هدف اولیه از این مطالعه ارائه روش‌‌های جایگزین در تعیین میزان نفوذ آب به خاک در مناطق حساس به روان آب (لکه داغ) با استفاده از آنالیز خودهمبستگی فضایی است. این مطالعه در منطقه خدافرین استان آذربایجان شرقی انجام شد. از نظر جغرافیایی منطقه مابین 675500 تا 692500 مختصات طولی و 4332500 تا 4349000 مختصات عرضی واقع شده است. به‌‌منظور دستیابی به اهداف تحقیق 88 نقطه نمونه‌‌برداری با کمک سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدنظر قرار دادن یکنواختی و نوع کاربری اراضی انتخاب شد. داده‌‌های نفوذپذیری نهایی با استوانه‌‌های مضاعف در ٣ تکرار اندازه‌‌گیری شد. یک نمونه خاک از هر نقطه برداشته و جهت انجام آزمایش‌‌های فیزیکی و شیمیایی به آزمایشگاه منتقل شد. برای پوشش‌‌دادن کل اراضی از میان‌‌یابی با روش کریجینگ معمولی استفاده شد، نهایتا لایه ایجاد شده برای اعمال روش تحلیل لکه‌های داغ به محیط GIS منتقل و اقدام به تهیه نقشه‌‌های مورد نظر گردید. نتایج نشان داد که از بین پارامتر‌‌های مورد بررسی درصد شن، سیلت، تخلخل و ماده آلی دارای همبستگی در سطح احتمال 1 درصد با نفوذپذیری آب در خاک هستند. در مجموع دو پارامتر درصد ماده آلی و تخلخل، موثر بر افزایش سرعت نفوذ آب در خاک ارزیابی شد و سایر پارامترهای اندازه‌‌گیری شده فاقـد الگوی خود همبستگی فضایی مشخص به لحاظ آمـاری می‌‌باشد. نهایتا روش هات‌‌اسپات یک روش کارا در ارزیابی روند تغییرات نفوذپذیری خاک با توجه به ویژگی‌‌های موثر بر آن می‌‌باشد.
ویژگیهای خاک در مقیاس بزرگ بر فرآیند میزان نفوذ آب به خاک اثر میگذارد و میتواند منجر به افزایش روانآب در اراضی کشاورزی شود. مدیریت پایدار اراضی برای کنترل روانآب نیاز به اطلاعات قابل اطمینان در مورد توزیع فضایی میزان نفوذ آب به خاک دارد. روش سنتی آنالیز خاک دشوار و وقتگیر و پرهزینه است. بنابراین تجزیه و تحلیل فضایی سرعت نفوذ برای تعیین مناطق حساس برای روانآب سطحی ضروری است. هدف اولیه از این مطالعه ارائه روشهای جایگزین در تعیین میزان نفوذ آب به خاک در مناطق حساس به روان آب (لکه داغ) با استفاده از آنالیز خودهمبستگی فضایی است. این مطالعه در منطقه خدافرین استان آذربایجان شرقی انجام شد. از نظر جغرافیایی منطقه مابین 675500 تا 692500 مختصات طولی و 4332500 تا 4349000 مختصات عرضی واقع شده است. بهمنظور دستیابی به اهداف تحقیق 88 نقطه نمونهبرداری با کمک سیستم اطلاعات جغرافیایی و مدنظر قرار دادن یکنواختی و نوع کاربری اراضی انتخاب شد. دادههای نفوذپذیری نهایی با استوانههای مضاعف در ٣ تکرار اندازهگیری شد. یک نمونه خاک از هر نقطه برداشته و جهت انجام آزمایشهای فیزیکی و شیمیایی به آزمایشگاه منتقل شد. برای پوششدادن کل اراضی از میانیابی با روش کریجینگ معمولی استفاده شد، نهایتا لایه ایجاد شده برای اعمال روش تحلیل لکه‌های داغ به محیط GISمنتقل و اقدام به تهیه نقشههای مورد نظر گردید. نتایج نشان داد که از بین پارامترهای مورد بررسی درصد شن، سیلت، تخلخل و ماده آلی دارای همبستگی در سطح احتمال 1 درصد با نفوذپذیری آب در خاک هستند. در مجموع دو پارامتر درصد ماده آلی و تخلخل، موثر بر افزایش سرعت نفوذ آب در خاک ارزیابی شد و سایر پارامترهای اندازهگیری شده فاقـد الگوی خود همبستگی فضایی مشخص به لحاظ آمـاری میباشد. نهایتا روش هاتاسپات یک روش کارا در ارزیابی روند تغییرات نفوذپذیری خاک با توجه به ویژگیهای موثر بر آن میباشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification of flooding susceptible areas by soil infiltration spatial correlation patterns

نویسندگان [English]

Mohamad sadegh Oliaei ¹
Ali Barikloo ²
Moslem Servati ³

¹ Assistant Professor, And Faculty Member of the Ministry of Science, Research and Technology (Corresponding Author), Tehran, Iran

² M.Sc. Graduated of Soil Science Department, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Respectively

³ Assistant Professor of Shahid Bakeri High Education Center of Miandoab, Urmia University

چکیده [English]

Soil properties at the lands lot scale is a process that effects on infiltration rates, which can lead to an increased stormwater runoff. Sustainable land management for runoff controls requires reliable information on the spatial distribution of soil infiltration rate. The traditional method of soil analysis and interpretation are laborious, time-consuming, hence becoming expensive. Therefore spatial analysis of infiltration rate is necessary for the determination of susceptible areas for surface runoff. The purpose of this study was to propose alternative approaches in searching for infiltration rate and surface runoff hotspots. The study was conducted on an agricultural field at Khodafarin, East Azarbaijan province, Iran. It is with 675500 to 692500 longitudinal coordinates and 4332500 to 4349000 latitude coordinates. To arrive at the goal of this research, 88 sample points were selected with using a geographic information system and considering the Soil distribution pattern and land utilization. Infiltration rate data was collected from double rings method with 3 replicated at each point. Soil samples were obtained from each point and then sent to soil analyzed laboratory to determine physical and chemical properties. Kriging method was used for the interpolation of the study area. Finally, soil properties distribution layer expended in Arc GIS software that analyzing hot spot surface runoff hazard. The significant correlation of infiltration rate with soil parameter including porosity, sand, silt, and organic content. Overall, at wide distances of case study lands organic material and porosity were assessed effectively to water permeability into the soil and other measured parameters due to statistics were without specified spatial distribution. The results showed that Simulation generates equally likely sets of values for a variable, which are consistent with available in-situ measurements. The information on spatial sampling density and hotspot pattern could be useful for long-term monitoring and assessment.

کلیدواژه‌ها [English]

Hot spot analysis
accurate agriculture
lands management
spatial statistics

مراجع

جعفری، محمد؛ سرمدیان فریدون. (1382). مبانی خاکشناسی و رده‌بندی خاک. انتشارات دانشگاه تهران. چاپ اول. 712 ص.

حسنی پاک، علی اصغر. (1389). زمین آمـار (ژئواستاتیسـتیک). انتشارات دانشگاه تهران. چاپ اول. 330 ص.

خسروی محمود؛ عباسنیا محسن؛ قبادی اسدالله؛ آرمش محسن (1396). بررسی ارتباط مکانی بین بارشهای همرفتی بهاره و توپوگرافی شمال غرب ایران. مجله جغرافیا و امایش شهری- منطقهای، شماره 23، صص 38-21.

داوری نژاد غلامحسین؛ حق نیا غلامحسین؛ لکزیان امیر (1383). تاثیر کودهای دامی و کمپوست غنی شده بر عملکرد گندم. مجله علوم و صنایع کشاورزی، دوره 18، شماره 1، صص 34-25.

زارع چاهوکی محمدعلی؛ جعفری محمد؛ آذرنیوند حسین؛ مقدم محمدرضا؛ فرح پور مهدی؛ و شفیعزاده نصرآبادی مرجان (1386). کاربرد‌ روش رگرسیون لجستیک د‌ر بررسی رابطه بین حضور گونههای گیاهی با عوامل محیطی د‌ر مراتع پشتکوه استان یزد‌.‎ مجله پژوهش‌های سازندگی در منابع طبیعی، دوره 20، شماره 3، صص 143-136.

عسکری، علی؛ (1390). تحلیلهای آمار فضایی با ArcGIS، انتشارات سازمان فناوری اطلاعات و ارتباطات شهرداری تهران، تهران.

علیجانی بهلول؛ (1394). تحلیل فضایی، نشریه تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، سال دوم، شماره 3، صص 14- 1.

کرمی علیداد؛ همایی مهدی؛ بایبوردی محمد؛ محمودیان شوشتری محمد؛ دواتگر ناصر (1391). پراکنش مکانی پارامترهای نفوذ آب به خاک در مقیاس ناحیهای. مجله دانش آب و خاک، جلد 22 شماره 1، صص 32-17.

محمدی محمد حسین؛ رفاهی حسینقلی (١٣٨٥). تخمین پارامترهای معادلات نفوذ توسط خصوصیات فیزیکی خاک. مجله علوم کشاورزی ایران، دوره 36، شماره 6، صص 59-42.

Biswas, T.D., M.R. Roy., B.N. Sahu.,(1970), Effect of different sources of organic manures on the physical properties of the soil growing rice. J. Ind. Soc. Soil Sci. 18, pp. 233-242.

Bouma, J., (1983), Use of soil survey data to select measurement techniques for hydraulic conductivity. Agricultural Water Management 6, pp.177–190.

Burgos, P., E. Madejón, A. Pérez-de-Mora., F. Cabrera., (2006), Spatial variability of the chemical characteristics of a trace-element-contaminated soil before and after remediation.Geoderma, 130, pp. 157-175.

Corwin, D.L., S.M. Lesch., J.D. Oster., S.R. Kaffka., (2006), Monitoring management induced spatiotemporal changes in soil quality through soil sampling directed by apparent electrical conduction. Geoderma, 131, pp. 369–387.

Darsow, A., M.T. Schafmeister., T. Hofmann., (2009), An ArcGIS approach to include tectonic structures in point data regionalization. Ground Water, DOI: 10.1111/ j.1745-6584.2009.00546.x.

Folk, R. L., (1966), A Review of Grain Size Parameters, Sedimentology, Vol.6, pp.73-93.

Gee G. W., Or D., (2002), Particle-size analysis. In: Warren, A.D. Eds. Methods of Soil Analysis. Part 4. Physical Methods. Soil Sci. Soc. Am. Inc, pp.255-295.

Getis, A., Ord, j, (1992), The analysis of spatial association by use of distance statistics. Geographical analysis, 24 (3), pp. 189-206.

Giller, K.E., E.C, Rowe., DeRidder, N., VanKeulen, H., (2006), Resource use dynamics and interactions in the tropics: scaling up in space and time, Agr. Syst., 88, pp. 8–27.

Gupta RK., Rudra RP., Dickinson WT., Elrick DE., (1994), Modelling the spatial pattern of three infiltration parameter. Can Agric Eng 36, pp. 9-13.

Hou, X., Lin, H.S., and White E.A., (2008), Surface soil hydraulic properties in four soil series under different land use and their temporal changes. Catena, 73: 180-188.

Kazman Z., Shainberg I., Gal M., (1983), Effect of low levels of exchangeable Na and applied phosphogypsum on infiltration rate of various soils. Soil Science Society of America, 135, pp. 184-192.

MacRae, R.J., G.R. Mehuys., (1985), The effect of green manuring on the physical properties of temperate area soils. Adv. Soil Sci, 3, pp. 71-94.

Mallants, D., Mohanty, BP., Vervoort, A., Feyan J., (1997), Spatial analysis of saturated hydraulic conductivity in soil with macropores. Soil Tech, 10, pp. 115-131.

Mohamad, A.G, & M.A. Adam., (2010), The impact of vegetative cover type on runoff and soil erosion under different land use. Catena, 81:97-103.

Nelson, D. W., Sommer, L. E., (1982), Total carbon, organic carbon, and organic matter. In: Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H., Soltanpour, P. N., Tabatabai, M. A., Johnston, C. T., Sumner, M. E. Eds. Methods of soil analysis: part 3. Chemical and microbiological properties, Soc. Agron., Madison, pp. 539–579.

Nelson, R.E., (1982), Carbonate and gypsum. Pp. 181-197. In: Page AL, Miller RH and Keeney DR (eds). Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Methods. 2nd ed. Agron. Monogr. 9. ASA and SSSA, Madison, WI.

Nussbaum M., Walthert, L., Fraefel, M., Greiner, L., Papritz, A., (2017), Mapping of soil properties at high resolution in

Pérez-Rodríguez, R., Marques, M.J., Bienes, R., (2007), Spatial variability of the soil erodibility parameters and their relation with the soil map at subgroup level. Sci.Total Environ., 378, pp. 166-173.

Prieksat, M.A., Kaspar, T.C., Ankeny, M.D., (1994), Positional and temporal change in pond infiltration in a cornfield. Soil Science Society America Journal, 58, pp. 181-184.

Rossi, J., Govaerts, B., DeVos, B., Verbist, A., Vervoort, J., Poesen, B., Deckers, J., (2009), Spatial structures of soil organic carbon in tropical forests- A case study of Southeastern Tanzania. Catena, 77, pp. 19– 27.

Sarapatka, B., Bednář, M., Netopil, P., (2018), Multilevel soil degradation analysis focusing on soil erosion as a basis for agrarian landscape optimization. Soil and Water Research, Vol. 13. No. 3.

Switzerland using boosted geo additive models. Soil, Vol. 3. No.2.

Tejada, M., Gonzalez, J., (2003), Effects of the application of a compost originating from crushed cotton gin residues on wheat yield under dryland conditions. Europ. J. Agron. 19, pp. 357-368.

Vaezi, A.R., (2014), Modeling runoff from semi-arid agricultural lands in northwest Iran. Pedosphere, 24(5): 595–604.

Valiantzas, JD., (2010), New linearized two parameter infiltration equation for direct determination of conductivity and sorptivity. Journal of Hydrology 384(1–2), pp. 1–13.

Van, G., Toit, L., Snyman, H.A., and Malan, P.J., (2009). Physical impact of grazing by sheep on soil parameters in the Nama Karoo subshrub grass rangeland of South Africa. Journal of Arid Environments, 73:804–810

Vauclin, M., Vieira, SR., Vachaud, G., Nielsen, DR., (1983), The use of cokriging with limited field observations, Soil Sci Soc Am J 47, pp. 175–184.

Vieira S.R., Nielsen. D.R., Biggar, J.W., (1981), spatial variability of field-measured infiltration rate, Soil Sci Soc Am J 45, pp. 1040–1048.

Wang, G., G, Gertner., Parysow, P., Anderson, A.B., (2000), Spatial Prediction and uncertainty analysis of topographic factors for the revised universal soil loss equation (RUSLE), Journal of Soil and Water Conservation, 55(3), pp. 114-123.

Wang, X.Z., G.S. Liu., H.C, Hu., Z.H, Wang., Q.H, Liu., X.F, Liu., W.H, Hao., Y.T, Li., (2009), Determination of management zones for a tobacco field based on soil fertility. Computers and Electronics in Agriculture, 65(2), pp. 168–175.

Wei, J.B., D.N, Xiao., H, Zeng., Y.K, Fu., (2008), Spatial variability of soil properties in relation to land use and topography in a typical small watershed of the black soil region, northeastern China, Environ. Geol., 53, pp. 1663-1672

Zhang, C. S., McGrath, D., (2004), Geostatistical and GIS analyses on soil organic carbon concentrations in grassland of southeastern Ireland from two different periods, Geoderma, 119(3-4), pp. 261-275.

Zhou, X. Lin H.S., White, E.A., (2008), Surface soil hydraulic properties in four soil series under different land use and their temporal change, Catena, 73, pp. 180-188.