علوم آب و خاک

به‌منظور برنامه‌ریزی و مدیریت سرزمین لازم است عوامل تأثیرگذار بر تغییرات آن را شناسایی و ارزشیابی کرد. تغییرات کاربری زمین یکی از عوامل اصلی تأثیرگذار بر فرایندهای آب‌و‌هوایی محلی، منطقه‌ای و جهانی است که به‌صورت تغییر در نوع استفاده از زمین تعریف می‌شود و یکی از عوامل مهم در تغییر جریان هیدرولوژیک، فرسایش حوضه و انهدام تنوع زیستی است. حوضه آبخیز بهشت‌آباد به‌عنوان یکی از زیرحوضه‌های سامانه کارون بزرگ، حدود 70 درصد از جمعیت استان چهارمحال و بختیاری را دربرمی‌گیرد. به‌همین دلیل با توجه به اهمیت بالای این حوضه در تأمین آب حوضه‌های دیگر و نیز اهمیت شناخت کاربری‌های موجود در منطقه در طول چند دهه گذشته، هدف اصلی از این مطالعه، ارزیابی روند تغییرات مکانی کاربری اراضی در حوضه آبخیز بهشت‌آباد استان چهارمحال و بختیاری با مساحتی حدود 384787 هکتار با استفاده از علم سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی طی یک دوره 25 ساله است. در این تحقیق، ابتدا با تجزیه‌و‌تحلیل و پردازش تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 سنجنده TM مربوط به سال‌های 1991، 2008 و لندست 8 سنجنده OLI سال 2016 و درنظر گرفتن 5 طبقه کاربری شامل اراضی مرتعی، مناطق ساختمانی- شهری، اراضی کشاورزی، اراضی باغی و اراضی بایر، اقدام به تهیه نقشه‌های کاربری اراضی برای سه مقطع زمانی به‌روش چشمی و هیبریدی با دقت قابل قبول شد. دقت کلی برای هر یک از نقشه‌های کاربری به‌دست آمده برای سال‌های 1991، 2008 و 2016 به‌ترتیب برابر 17/92، 29/94 و 41/93 درصد به‌دست آمد که دلالت بر مقبولیت دقت نقشه‌های تهیه شده داشت. سپس روند تغییرات کاربری اراضی و سهم هریک از طبقه‌های کاربری و درصد تغییرات هر یک از کاربری‌ها طی دو دوره مطالعاتی مشخص شد. نتایج این تحقیق نشان‌دهنده تغییراتی در سطح حوضه مورد مطالعه است. مساحت اراضی مرتعی در طی دو دوره روند کاهشی، مناطق ساختمانی- شهری روند افزایشی، اراضی کشاورزی در طی دوره اول روند کاهشی و در طی دوره دوم روند افزایشی، اراضی باغی در طی دو دوره روند افزایشی، اراضی بایر در دوره اول روند افزایشی و در دوره دوم روند کاهشی داشته است. در مجموع باید عنوان کرد که در منطقه بهشت‌آباد شاهد افزایش جایگزینی مراتع با مناطق ساختمانی- شهری، کشاورزی دیم، باغات و اراضی بایر و بروز تخریب پوشش مرتعی در منطقه هستیم.

با توجه به ناکارآمد بودن شاخص DRASTIC در مسائل مربوط به بالا آمدن آب شور در مناطق ساحلی، در این پژوهش، برای ارزیابی آسیب‌پذیری آبخوان ساحلی تالش، سه پارامتر کاربری اراضی، فاصله تا ساحل و اختلاف تراز سطح آب زیرزمینی با سطح آب دریا به شاخص DRASTIC اضافه شد. نتایج حاصل از صحت‌سنجی مدل‌ها با داده‌های EC اندازه‌گیری شده از چاه‌های کیفی در دشت تالش نشان داد که DRASTIC اصلاح شده با ضریب همبستگی 0/52 نسبت به DRASTIC با ضریب 0/45 تطابق به‌نسبت بیشتری با نقشه پهنه‌بندی EC دارد. همچنین آنالیز حساسیت حذف پارامترهای مدل نیز نشان داد، که تغییر شاخص آسیب‌پذیری با حذف پارامتر عمق تا سطح ایستابی (D) در روش DRASTIC و پارامتر کاربری اراضی (Lu) در روش DRASTIC اصلاح شده، بیشتر از سایر پارامترهاست. در ادامه، براساس آنالیز حساسیت تک‌پارامتری، مؤثرترین پارامترها در روش DRASTIC، عمق تا سطح ایستابی و تغذیه خالص است درحالی ­که در روش DRASTIC اصلاح شده، پارامترهای کاربری اراضی و عمق تا سطح ایستابی مؤثرترین پارامترها هستند. به‌طور کلی نتایج این مطالعه نشان داد، که با اصلاح روش DRASTIC درصد مساحت طبقات با آسیب‌پذیری زیاد تا خیلی زیاد کاهش یافته است درحالی که طبقات با آسیب‌پذیری خیلی کم تا متوسط، بیشتر شده است.

شناسایی تغییرات کاربری اراضی برای ارزیابی و پایش مناطق حساس با هدف برنامه‌ریزی و مدیریت پایدار سرزمین امری ضروری است. سنجش ‌از دور و استفاده از فناوری سیستم اطلاعات جغرافیایی، امروزه به‌عنوان یکی از روش‌های متداول و رایج دنیا در امر پایش بررسی تغییرات سرزمین به‌ویژه در بررسی اراضی با وسعت بالا به‌شمار می‌رود. در این مطالعه روند تغییرات مکانی کاربری اراضی در حوزه سد کارون 3 در زمان‌های قبل و بعد از احداث و آبگیری سد با استفاده از علم سنجش ‌از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی طی یک دوره 27 ساله بررسی شد. در این پژوهش، تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 سنجنده TM مربوط به سال‌های 1991 و 2008 و لندست 8 سنجنده OLI سال 2018 مورد تجزیه و تحلیل و پردازش قرار گرفت. با استفاده از طبقه‌بندی شی‌ءگرا نقشه‌های کاربری اراضی برای سه مقطع زمانی 1991، 2008 و 2018 با صحت کلی شاخص کاپا به‌ترتیب 0/93 و 0/89 درصد برای سال 1991، 0/94 و 0/88 درصد در سال 2008 و 0/93 و 0/86 درصد سال 2018 تهیه شد. نتایج نشان می‌دهد کاربری آب منطقه با وسعت 37/68 کیلومترمربع روند افزایشی و اراضی کشاورزی و مناطق مسکونی با وسعت به‌ترتیب 139/04 و 226/56 روند کاهشی، اراضی جنگلی با وسعت 1041/49 به‌عنوان پوشش غالب منطقه باقی ماند و اراضی مرتعی با طی کردن روند کاهشی افزایش در هر دو دوره بعد از کاربری جنگل با وسعت 878/87 بیشترین وسعت را داشتند. با توجه به نتایج به‌دست‌ آمده می‌توان گفت احداث سد کارون 3 باعث زیرآب رفتن زمین‌های کشاورزی و تبدیل آنها به کاربری دیگر شده است، درنتیجه مردم روستا به‌دلیل از دست دادن شغل خود مجبور به مهاجرت شده‌اند و مناطق مسکونی رها شده به سایر کاربری‌های تبدیل می‌شوند.

به‌منظور بررسی مطالعه تغییر و تحول خاک – سیمای اراضی در منطقه چالدران 9 خاکرخ شاهد در 5 واحد ژئومورفیک غالب منطقه ازجمله دشت دامنه‌ای، پدیمنت پوشیده، مخروطه افکنه، دشت، دشت سیلابی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند، تجمع کربنات پدوژنیک در برخی از خاکرخ‌ها به‌صورت کانکرشن و به‌رنگ روشن بود. در خاکرخ‌های شاهد در دشت دامنه‌ای، (خاکرخ 5 و 7)، پدیمنت پوشیده (خاکرخ 6)، و دشت سیلابی (خاکرخ 8) انتقال رس از افق‌های سطحی و تجمع در افق زیرین، ناشی از بارش به‌نسبت خوب منطقه و فصول متمایز خشک و مرطوب، منجر به تشکیل افق آرجیلیک همراه با تشکیل پوسته‌های رسی روی سطوح خاکدانه و واحدهای ساختمانی شده و راسته آلفی‌سولز را ایجاد کرده است. نتایج کانی‌شناسی حضور کانی‌های کلریت، ایلیت، کائولینیت و اسمکتیت را نشان داد. با توجه به شواهد، کانی‌های ایلیت، کلریت و کائولینیت موروثی و کانی‌های اسمکتیت در اثر هوادیدگی و تحول کانی‌های ایلایت، کلریت و یا پالیگورسکایت تشکیل شده است. همچنین نتایج شاخصCIA  در منطقه نشانگر آن است که خاک‌های منطقه در مرحله هوادیدگی ضعیف تا متوسط قرار دارند. به‌طور کلی نتایج پژوهش، نمایانگر نقش مهم زهکشی، کاربری و مواد مادری در خاک‌های منطقه مطالعاتی است.

به‌منظور مدیریت بهینه منابع آب یک حوضه، تعیین میزان تبخیروتعرق واقعی و بررسی روند زمانی آن ضروری است. در این راستا در مقاله حاضر به شبیه‌سازی سری زمانی تبخیروتعرق واقعی و تحلیل روند آن با توجه روند مؤلفه‌های اقلیمی و کاربری اراضی در حوضه آجی‌چای طی دوره 1394-1366پرداخته شد. به این منظور، مدل جامع SWAT برای حوضه آجی‌چای تنظیم، واسنجی و صحت‌سنجی شد. همچنین متوسط تبخیروتعرق واقعی شبیه‌سازی شده محصولات (در سال‌های پرباران) با مقادیر نظیر در سند ملی آب مقایسه شد. نتایج آزمون روند من‌کندال نشان داد که بارندگی سالانه در اکثر ایستگاه‌های هواشناسی روند نزولی داشته و در 10 ایستگاه، روند بارندگی به‌طور معنی‌داری کاهش یافته است. درحالی که دمای حداکثر سالانه در همه ایستگاه‌ها و دمای حداقل در اکثر آنها روند افزایشی معنی‌دار داشته است. بررسی نقشه‌های کاربری اراضی نشان داد که سطح کشت آبی حوضه طی دوره مورد مطالعه 39 درصد افزایش داشته است. بر اساس نتایج تحقیق تبخیروتعرق پتانسیل حوضه با شیب 2/54 میلی‌متر در سال دارای روند افزایشی معنی‌دار بوده است. نتایج نشان داد که با وجود روند صعودی تبخیروتعرق پتانسیل و سطح اراضی کشاورزی آبی، تبخیروتعرق واقعی حوضه به‌دلیل کاهش بارندگی، با نرخ 2/2 میلی‌متر در سال روند کاهشی معنی‌دار داشته است.

از آنجا که تغییر کاربری اراضی و همچنین تغییر متغیرهای اقلیمی از جمله افزایش دما بر بسیاری از فرایندهای طبیعی نظیر فرسایش خاک و تولید رسوب، سیلاب و تخریب خصوصیات فیزیکی و شمیایی خاک اثر می‌گذارد، بنابراین نیاز است تا جنبه‌های مختلف اثر این تغییرات، در مطالعات و تصمیم‌گیری‌ها مورد توجه قرار گیرد. در تحقیق حاضر به‌منظور آگاهی از میزان اثرگذاری تغییر اقلیم و شرایط مدیریت کشت بر میزان سیل‌خیزی، اقدام به آزمون و تحلیل سناریوهای منطقی بر اساس پیشینه حوزه آبخیز مروست با استفاده از مدل مفهومی SWAT شد. در این راستا پس از واسنجی مدل، اقدام به آزمون دو سناریوی مذکور شد. سناریوی اول در زمینه مدیریت زارعی و تبدیل باغات به اراضی کشاورزی و سناریوی دوم افزایش 0/5 درجه‌ای دما با ثابت فرض کردن سایر شرایط درنظر گرفته شده است. نتایج واسنجی و اعتبارسنجی مدل با آزمون نش- ساتکلیف به‌ترتیب 0/66 و 0/68 نشان از کارایی قابل قبول مدل در محدوده مورد مطالعه دارد. در ادامه نتایج به‌کارگیری دو سناریوی تغییر کاربری اراضی و گرمایش نشان از تأثیر 30 درصدی سناریوی اقلیمی با افزایش متوسط دبی ماهانه به‌میزان 3/72 مترمکعب بر ثانیه حاکی از افزایش سیل‌خیزی حوضه به‌ویژه در سال‌های اخیر دارد. از طرفی سناریوی تغییر کاربری اراضی باغی به کشاورزی در دو حالت 20 درصد و 50 درصد تغییر کاربری باعث افزایش متوسط دبی ماهانه به‌ترتیب به میزان 1/26 و 1/5 مترمکعب بر ثانیه و به‌عبارتی 10 و 12 درصد به سیل‌خیزی حوضه اضافه شد. نتایج حاکی از آن است که در مناطق مشابه منطقه مورد مطالعه که در منطقه اقلیمی خشک واقع شده است، افزایش احتمالی دما می‌تواند اثر قابل ملاحظه‌ای را بر سیل‌خیزی حوضه داشته باشد. البته تأثیر غیرمستقیم عامل انسانی نیز به‌صورت افزایش گازهای گلخانه‌ای بر افزایش سیل‌خیزی حوضه را نباید نادیده گرفت.

بخش کشاورزی به¬عنوان یکی از مهم‌ترین بخش‏های مصرف آب در پایداری سیستم‏های منابع آب کشور تأثیرگذار است. این مطالعه، با هدف تخمین برداشت آب از رودخانه‏ برای مصارف کشاورزی در محدوده مطالعاتی نوبران، واقع در حوضه آبریز دریاچه نمک، انجام شده است. تخمین میزان برداشت آب از رودخانه با استفاده از متغیرهای وابسته به فاکتورهای ریخت‌شناسی، هیدرولوژیکی، کاربری اراضی و ترکیبی از متغیرهای آن‌ها که با نمونه‏برداری میدانی جمع‏آوری شده است، انجام گرفت. همچنین، برای تخمین متغیر برداشت آب از رودخانه‌‏ها، روش‏های داده‌کاوی شامل سامانه استنتاجی فازی- عصبی تطبیقی (ANFIS)، روش گروهی مدل‌سازی داده‏ها (GMDH)، شبکه تابع پایه شعاعی (RBF) و مدل درخت تصمیم رگرسیونی (Rtree) به کار گرفته شد. در این مطالعه، مدل GMDH24 با سناریوی ترکیبی شامل متغیرهای عرض رودخانه، عمق رودخانه، حداقل جریان، حداکثر جریان، متوسط جریان، مساحت کشت شده زراعی و باغی به‌عنوان بهترین مدل برای برآورد متغیر برداشت آب از رودخانه‏ معرفی شد. مقدار RMSE برای سناریوی ترکیبی مدل GMDH24 به‌منظور تخمین برداشت آب در محدوده مطالعاتی نوبران 046/0 به‌دست آمد. نتایج حاکی از این است که عملکرد مدل GMDH24 در برآورد برداشت آب رودخانه‏ها برای مقادیر حداکثر بسیار قابل قبول و امیدوارکننده است. بنابراین، مدل‌سازی و شناسایی متغیرهای مختلف تأثیرگذار بر میزان بهینه برداشت آب از رودخانه‏ها جهت تأمین مصارف کشاورزی باعث دستیابی به اهداف مدیریت یکپارچه منابع آب (IWRM) می‌شود.

هدف از انجام این پژوهش پهنه‌بندی مناطق مختلف حوزه مرزداران از نظر خطر وقوع سیل است. از آنجایی که بودجه اختصاص‌یافته برای انجام کارهای مدیریتی محدود است و امکان انجام عملیات در کل حوزه امکان‌پذیر نمی‌باشد، بنابراین، داشتن نقشه‌ای با اولویت‌بندی مناطق مختلف از نظر احتمال وقوع سیلاب بسیار مفید وضروری است. بدین‌منظور، از مدل معروف و شناخته شده یادگیری ماشین یعنی مدل بیشینۀ بی‌نظمی (MaxEnt) به لحاظ الگوریتم محاسباتی توانمند در زمینه ارزیابی فرایند وقوع سیلاب به‌عنوان بنچ‌مارک استفاده شد. شواهد سیلاب با استفاده از بازدیدهای میدانی،گزارش‌ها و اطلاعات سازمانی موجود ثبت و در سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) در قالب نقشه تهیه شد. همچنین براساس مرور منابع گذشته، لایه‌های مربوط به دوازده عامل کنترل‌کننده به‌عنوان عوامل پیش‌بینی کننده وقوع سیل در منطقه مورد مطالعه در سامانه اطلاعات جغرافیایی تهیه شدند. به‌منظور ارزیابی نتایج مدل‌سازی، از مقدار مساحت زیر منحنی (AUC) استفاده شد. سپس براساس نقشه تهیه شده مستعدترین مناطق وقوع سیلاب که برای اجرای عملیات مدیریتی در اولویت هستند، شناسایی شدند. بر اساس نتایج حدود 100 کیلومترمربع از مساحت منطقه مورد مطالعه جزء مستعدترین مناطق برای انجام عملیات مدیریتی شناسایی شدند. بر اساس نتایج دقت مدل بیشینه بی‌نظمی 98 درصد در مرحلۀ آموزش و 95 درصد در مرحله اعتبارسنجی بدست آمد. لایه‌های فاصله از آبراهه، تراکم زهکشی و شاخص رطوبت توپوگرافی به‌ترتیب از مؤثرترین عوامل در وقوع سیلاب شناخته شدند.

تغییرات کاربری اراضی یکی از عوامل اصلی تغییر در میزان رواناب سطحی حوزه‌های آبخیز بوده که بررسی آن برای کاهش خسارات حاصل از سیل (جانی و مالی) و اعمال مدیریت صحیح در حوزه‌های آبخیز ضروری است. این در حالیست که حوضه آبخیز نهر اعظم در شمال کلان‌شهر شیراز واقع شده و در سال‌های قبل شاهد لطمات جانی و مالی فراوان به ساکنین شیراز در اثر سیل بوده‌ایم. پژوهش حاضر به‌منظور بررسی رابطه تغییر کاربری با میزان رواناب حوضه آبخیز نهر اعظم شهر شیراز با مساحت 94463 هکتار بوده که با استفاده از مدل SWAT در بازه زمانی 2020-2004 انجام شده است. مدل با استفاده از داده‌های سال 2004 تا 2014 واسنجی و از سال 2015 تا 2020 اعتبارسنجی شده و از تصاویر ماهواره‌ای لندست مربوط به سال‌های 2003 و 2020 استفاده شد. این تصاویر بعد از انجام پیش‌پردازش‌های ضروری با استفاده از روش طبقه‌بندی نظارت شده به 6 کاربری اصلی طبقه‌بندی شده و با استفاده از روش زنجیره مارکوف برای سال 2040 نقشه کاربری اراضی تهیه شد. سپس با مدل واسنجی شده، تأثیر تغییر کاربری سال 2003 و 2040 روی میزان رواناب شبیه‌سازی شده، ارزیابی شد. نتایج مرحله واسنجی حوضه آبخیز نهر اعظم برای مقادیر پارامترهای آماری برای ضریب تبیین، P-Facor وR-Facor  به‌ترتیب 0/77، 0/72، 2/43 و برای مرحله اعتبارسنجی این پارامترهای آماری به‌ترتیب 0/69، 0/65 و 2/3 به‌دست آمد. تحلیل نقشه کاربری نشان می‌دهد که بیشترین تغییر کاربری موجود در منطقه، مربوط به تبدیل مراتع به زمین کشاورزی آبی (142 هکتار) و اراضی شهری (4854 هکتار) بوده که موجب کاهش مراتع می‌شود. همچنین نتایج حاصل از شبیه‌سازی مدل با به‌کارگیری نقشه‌های کاربری سال‌های 2003 و 2040 نشان می‌دهد میزان رواناب به‌طورکلی 33 درصد کاهش می‌یابد. نتایج نشان داد که اگر همه عدم قطعیت‌ها کمینه شود، مدل SWAT واسنجی شده به خوبی می‌تواند نتایج شبیه‌سازی هیدرولوژی قابل‌قبولی در ارتباط با کاربری اراضی ایجاد کند که برای مدیران منابع طبیعی و آب و محیط‌زیست و سیاستمداران و مدیران شهری شیراز مفید باشد.

کیفیت و کمیت آب به دلیل تغییر اقلیم و فعالیت‌های انسانی به مهم‌ترین نگرانی کشورهای جهان تبدیل شده است. علاوه‌براین تغییرات پوشش و کاربری اراضی و اقلیم به‌عنوان دو عامل مهم و تأثیرگذار بر دبی شناخته شده‌اند. در این پژوهش از چهار مدل تغییر اقلیم HADGEM2-ES، GISS-E-R، CSIRO-M-K-3-6-0، CNRM-CM5.0 تحت دو سناریوی حدی RCP2.6 و RCP8.5 به‌عنوان سناریوهای تغییر اقلیم در دوره آینده 2050-2020 استفاده شد. سناریوی کاربری اراضی آینده (2050) با استفاده از الگوریتم CA-Markov در نرم‌افزار IDRISI با استفاده از نقشه‌های کاربری زمین در سال‌های 1983 و 2020 تهیه شد. مدل SWAT به‌منظور شبیه‌سازی بهتر فرایندهای هیدرولوژیک در دوره 2012-1984 واسنجی و برای دوره 2019-2013 اعتبارسنجی شد و برای ارزیابی اثرات جداگانه و ترکیبی تغییر اقلیم و کاربری اراضی روی دبی مورداستفاده قرار گرفت. پیش‌بینی نتایج تأثیرات تغییر اقلیم بر دبی نشان‌دهنده کاهش دبی در بیشتر مدل‌ها تحت دو سناریو RCP2.6 و RCP8.5 است. متوسط بیشترین میزان کاهش و افزایش تحت سناریوی RCP2.6 به‌ترتیب 60 و 30 درصد است. این کاهش چشمگیر پیش‌بینی‌شده تحت سناریوی RCP8.5 بیشتر است. بررسی اثرات توأم تغییر اقلیم و کاربری اراضی نشان داد، متوسط کاهش دبی در ماه‌های اکتبر، نوامبر، دسامبر و ژانویه تحت دو سناریو به‌ترتیب 2/46 و 58 درصد است. متوسط افزایش دبی تحت سناریوی RCP8.5 ماه‌های آپریل و می در مدلHadGEM2ES  47 درصد پیش‌بینی شده است.