بهبود رویکرد GIS-DRP با استفاده از مشخص کردن ویژگی‌های رواناب با پارامترهای مربوط به تخلیه جدید

چکیده

در حال حاضر استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای ارزیابی تولید رواناب رایج است. یکی از این ابزارهای مبتنی بر GIS برای تولید نقشه‌های فرآیندهای رواناب غالب، رویکرد GIS-DRP است. این ابزار که عمدتاً بر اساس مناطق کشاورزی توسعه یافته است، از داده‌های ورودی معمولی مانند مدل رقومی ارتفاع (DEM)، اطلاعات زمین‌شناسی و همچنین اطلاعات کاربری زمین استفاده می‌کند. هدف از این مطالعه آزمایش، اعتبار سنجی و بهبود این روش GIS-DRP برای مناطق جنگلی و جنگلی است. از این رو، تحقیقات خاک-هیدرولوژیکی و چندین تکنیک نقشه برداری از فرآیندهای رواناب غالب در 25 قطعه آزمایشی در چهار حوضه آبریز جنگلی در راینلند-فالتز (آلمان) و دوک نشین بزرگ لوکزامبورگ انجام شد. با مقایسه نتایج تکنیک‌های نقشه‌برداری و نمودارهای آزمایشی، نقاط ضعف در روش اصلی GIS-DRP شناسایی شد. متعاقبا، بهبود رویکرد GIS-DRP با ترکیب پارامترهای مربوط به تخلیه جدید مانند آب بندی خاک سطحی، رویدادهای آب و هوایی شدید و نیمه نفوذپذیری زیر لایه امکان پذیر شد. علاوه بر این، رویکرد بهبود یافته GIS-DRP را می توان به طور گسترده در مناظر مختلف و برای زمینه های مختلف استفاده کرد. روش اقتباس شده اکنون می‌تواند از جنگل‌بانان و تصمیم‌گیرندگان در برنامه‌ریزی جنگلداری پشتیبانی کند، به سؤالات مربوط به تعادل آب چشم‌انداز و حفظ آب محیطی پاسخ دهد یا اطلاعات اضافی برای برنامه‌ریزی جنگل‌های پایدار در زمان‌های تغییر اقلیم ارائه دهد. رویدادهای شدید آب و هوایی و نیمه نفوذپذیری زیر لایه. علاوه بر این، رویکرد بهبود یافته GIS-DRP را می توان به طور گسترده در مناظر مختلف و برای زمینه های مختلف استفاده کرد. روش اقتباس شده اکنون می‌تواند از جنگل‌بانان و تصمیم‌گیرندگان در برنامه‌ریزی جنگلداری پشتیبانی کند، به سؤالات مربوط به تعادل آب چشم‌انداز و حفظ آب محیطی پاسخ دهد یا اطلاعات اضافی برای برنامه‌ریزی جنگل‌های پایدار در زمان‌های تغییر اقلیم ارائه دهد. رویدادهای شدید آب و هوایی و نیمه نفوذپذیری زیر لایه. علاوه بر این، رویکرد بهبود یافته GIS-DRP را می توان به طور گسترده در مناظر مختلف و برای زمینه های مختلف استفاده کرد. روش اقتباس شده اکنون می‌تواند از جنگل‌بانان و تصمیم‌گیرندگان در برنامه‌ریزی جنگلداری پشتیبانی کند، به سؤالات مربوط به تعادل آب چشم‌انداز و حفظ آب محیطی پاسخ دهد یا اطلاعات اضافی برای برنامه‌ریزی جنگل‌های پایدار در زمان‌های تغییر اقلیم ارائه دهد.

کلید واژه ها:

رویکرد GIS ; تولید رواناب ; فرآیندهای رواناب غالب ؛ خاک-هیدرولوژی

1. مقدمه و هدف

انتظار می رود که تغییرات آب و هوای جهانی بر تعادل آب در راینلاند-فالتز (جنوب غربی آلمان) به دلیل تغییر دما و توزیع بارندگی تأثیر بگذارد (Grigoryan et al. [ 1 ] (p. 1) and Casper et al. [ 2 ]). بنابراین، دانش تولید رواناب و همچنین فرآیندهای رواناب غالب (DRP) و توزیع فضایی آنها در یک حوضه یا چشم‌انداز با توجه به رفتار هیدرولوژیکی حوضه‌های چند مقیاسی، رژیم‌های آب چشم‌انداز و احتیاط سیلاب بسیار مهم است. در این زمینه [ 1 ، 3]، اطلاعات دقیق در مورد فرآیندهای رواناب غالب می تواند از اقدامات پیشگیرانه در مناطق مناسب پشتیبانی کند و به پیاده سازی دانش تخصصی در مدیریت پایدار منظر کمک کند. تحقیقات میدانی برای توصیف DRPها بهترین روش برای بررسی و تجزیه و تحلیل پارامترهای خاک – هیدرولوژیکی و فرآیندهای رواناب غالب است. متأسفانه، نقشه برداری متحرک و سایر تحقیقات میدانی بسیار کار و هزینه بر است. بنابراین، امروزه استفاده از انواع مختلف مدل‌های هیدرولوژیکی یا کاربردهای GIS برای شبیه‌سازی تولید رواناب رایج است [ 4 ]. چندین روش مبتنی بر GIS برای شناسایی فرآیندهای رواناب، از مقیاس نمودار تا مقیاس مزو در طول سال‌های گذشته توسعه یافته‌اند (به عنوان مثال، [ 5 ، 6 ، 7 ،8 ، 9 ، 10 ، 11 ، 12 ، 13 ]). با این حال، اکثر رویکردهای موجود فقط به حوضه های آبریز در مقیاس خرد اشاره می کنند و بر اساس داده های جغرافیایی بسیار دقیق هستند (به عنوان مثال، نقشه های خاک 1:5000، نقشه برداری از چشم انداز، نقشه برداری سایت جنگل و غیره ). این امر، منطقه‌بندی و کاربرد در مناطق جغرافیایی بدون نقشه را بسیار چالش برانگیز می‌کند. به همین دلیل مولر و همکاران. [ 14] یک رویکرد مبتنی بر GIS برای شناسایی و منطقه‌ای کردن فرآیندهای رواناب غالب در چشم‌انداز (GIS-DRP) با استفاده از داده‌های جغرافیایی رایج در دسترس توسعه داد. تلاقی یک DEM (رزولوشن فضایی 5 متر × 5 متر تا 20 متر × 20 متر)، نقشه های زمین شناسی دیجیتال (1:200000) و همچنین اطلاعات کاربری زمین (ATKIS، Amtlich Topographisch-Kartographisches Informationssystem؛ آلمان)، نقشه های DRP و توزیع فضایی آنها نقشه های GIS-DRP قادر به شناسایی مناطق سیل زا هستند. (ب) به عنوان ورودی برای مدل های هیدرولوژیکی خدمت می کند. (iii) برای شناسایی مناطق برای نگهداری احتمالی آب، و علاوه بر این، آنها اطلاعات پشتیبانی در مورد برنامه ریزی و مدیریت حوضه ها ارائه می دهند. با این وجود، این برنامه عمدتاً بر اساس مناطق کشاورزی توسعه یافته است. با توجه به تطبیق پذیری روش،

هدف از مطالعه ارائه شده اعتبارسنجی و بهبود روش GIS-DRP است. به ویژه در حوضه های آبریز عمدتاً مورد استفاده در جنگل. این رویکرد باید بتواند فرآیندهای رواناب غالب را در طول انواع مختلف شدت بارش در انواع کاربری زمین پوشش دهد. به عنوان مبنایی برای اعتبارسنجی، بررسی خاک-هیدرولوژیکی و نقشه‌برداری فرآیندهای رواناب غالب در چهار سایت آزمایشی در راینلند-فالتز (آلمان) و دوک‌نشین بزرگ لوکزامبورگ انجام شد. آزمایش‌های آبپاشی، آزمایش‌های نفوذ و بررسی‌های فیزیکی خاک در مقیاس پلات و نقطه به منظور اعتبار سنجی نقشه‌های GIS-DRP ایجاد شده، اعمال شد. یک رویکرد نگاشت میدانی مبتنی بر Scherrer [ 5 ] اعتبارسنجی و مقایسه نتایج را حتی بیشتر ممکن کرد.

2. منطقه مطالعه

بررسی خاک-هیدرولوژیکی و نقشه برداری DRP در چهار حوضه آبریز، که در ایالت فدرال آلمان راینلند-فالتز (فرانکلباخ و هولزباخ) و در دوک نشین بزرگ لوکزامبورگ (وایرباخ و هوئولرباخ) واقع شده اند، انجام شد. در مجموع، 25 قطعه آزمایشی بررسی شد. تمام قطعات آزمایشی در حوضه های آبریز جنگلی هستند، به جز یک سایت مزرعه زراعی در حوضه آبریز فرانکلباخ، که برای مقایسه گنجانده شده است. هر قطعه نمایانگر یک بخش معمولی از حوضه است، و فرض بر این است که تمام قطعات آزمایشی ترکیبی، مشخصات کلی حوضه را نشان می دهند [ 15 ]]. یکی دیگر از معیارهای انتخاب، در دسترس بودن کرت های آزمایشی به منظور انجام آزمایش های بسیار کار فشرده به بهترین شکل ممکن بود. مشخصات طبیعی و موقعیت حوضه های مختلف در جدول 1 ، شکل 1 آورده شده است. مکان های پلات ها در نقشه های GIS-DRP در قسمت نتایج نشان داده شده است.

چندین ماده اصلی زمین شناسی مختلف و همچنین مناظر متفاوتی که در منطقه مورد مطالعه وجود دارد، پوشش وسیعی از انواع خاک و شرایط جنگلی را ممکن می سازد.

جدول 1. ویژگی های اساسی سایت های آزمایش ForeStClim در راینلند-فالتز و لوکزامبورگ.

شکل 1. موقعیت مکان های آزمایش ForeStClim در راینلند-فالتز و لوکزامبورگ ( http://www.mygeo.info ). FRA = فرانکلباخ، HOL = هولزباخ، HUE = Huewelerbach، WEI = وایرباخ.

در طول پلیستوسن، فرآیندهای سولیفوئیدی پری یخبندان در رشته کوه های کم ارتفاع جنوب غربی آلمان و ایالت های مجاور رایج بود [ 15 ]. بنابراین، بسیاری از پروفیل های خاک در محل های آزمایش با یک “لایه پایه” طبقه بندی شده متراکم در زیر خاک و یک “لایه اصلی” سست و نفوذپذیر در خاک سطحی مشخص می شوند [ 16 ، 17 ، 18 ].]. این تجمع خاک تأثیر عمده ای بر تولید دبی و فرآیندهای رواناب غالب در یک حوضه دارد زیرا عمدتاً از فرآیندهای جریان زیرسطحی با سرعت های مختلف واکنش حمایت می کند. با این وجود، همه انواع DRP (انواع جریان سطحی و زیرسطحی) را می توان در طول مبارزات میدانی خاک-هیدرولوژیکی تعیین کرد، که نشان دهنده ناهمگونی کلی بالای قطعات جنگلی است.

3. روش ها

3.1. رویکردهای DRP

طرح های تصمیم گیری فرآیند

بر اساس تعداد زیادی از آزمایش‌های مزرعه‌ای، Scherrer [ 5 ] و Scherrer & Naef [ 8 ] به اصطلاح طرح‌های تصمیم‌گیری فرآیند (PBS) را برای تعیین فرآیندهای رواناب غالب در پروفایل خاک توسعه دادند. رویکرد ذکر شده به طور موثر در سوئیس توسعه و اعمال شد [ 8 ، 9 ]. به طور کلی، این روش ویژگی های اقلیمی و فیزیوگرافی را ادغام می کند [ 5 ، 9 ، 10 ، 19 ]. این روش به عنوان پارامترهای اصلی استفاده می کند: کاربری زمین، پوشش گیاهی، خاک، امداد و زمین شناسی [ 5 ، 8 ، 9 ، 20 ]]. فرآیندهایی که می توانند توسط این طرح های تصمیم گیری فرآیند تخمین زده شوند عبارتند از: جریان زمینی هورتونی (HOF 1, 2)، جریان زمینی اشباع (SOF 1, 2, 3)، جریان زیرسطحی (SSF 1, 2, 3) و نفوذ عمیق (DP) و معمولاً پس از رویدادهای بارندگی طولانی مدت رخ می دهد ( شکل 2 ). اعداد در اختصارات سرعت فرآیند تخلیه را منعکس می کنند، به عنوان مثال ، 1 مخفف سریع، 2 برای متوسط و 3 برای فرآیندهای تاخیری است. تقسیم بندی طرح های تصمیم گیری به انواع کاربری زمین (زمین زراعی، علفزار، جنگل و تاکستان)، شیب (20% <S> 3% و S> 3%، S> 5% برای تاکستان)، شدت بارندگی (I <) بستگی دارد. 20 mm·h ^-1 ؛ I > 20 mm·h ^-1) و خصوصیات خاک (خاکهایی با خصوصیات غیر راکد و خاکهایی با خصوصیات ساکن). از این رو، نه طرح تصمیم گیری فرآیندی برای شناسایی DRP یک نمودار مشخص [ 8 ] در دسترس است.

شکل 2. فرآیندهای رواناب غالب (DRP) در یک شیب (Scherrer [ 5 ] و * Schüler [ 6 ]، اصلاح شده).

GIS-DRP

به عنوان ساده‌سازی روش مبتنی بر Scherrer [ 5 ]، GIS-DRP-ابزار توسعه‌یافته توسط مولر و همکاران. [ 14 ] تجزیه و تحلیل توپوگرافی، اطلاعات زمین شناسی و انواع کاربری زمین را ترکیب می کند. بنابراین، نقشه‌های فرآیندهای رواناب غالب بدون نیاز به استفاده از نقشه‌های دقیق خاک یا سایر اطلاعات جغرافیایی، که اغلب در دسترس نیستند، ایجاد می‌شوند. GIS-DRP به یک DEM، یک نقشه زمین شناسی و اطلاعات کاربری زمین به عنوان ورودی داده نیاز دارد [ 14 ]. اگرچه نتایج مولر و همکاران. [ 14 ] تطابق 80٪ را نشان می دهند، آنها همچنان به کاربر توصیه می کنند تا نتایج GIS-DRP را با یک کمپین نقشه برداری اعتبار سنجی کند تا نتایج تمرین نقشه برداری را بهبود بخشد.

روش مولر و همکاران. [ 14 ] را می توان به صورت زیر توصیف کرد: در مرحله اول، شیب ها با یک DEM محاسبه و طبقه بندی می شوند. در مرحله دوم، لایه های زمین شناسی حوضه ها طبقه بندی می شوند. این طبقه بندی زیرلایه بر اساس زومشتاین و همکاران است. [ 21 ] که نفوذپذیری نفوذ لایه زیرین را با توجه به لیتولوژی و ویژگی‌های ژئوهیدرولوژیکی آن مانند شکستگی‌ها و تخلخل طبقه‌بندی کرد و هشت کلاس نفوذپذیری مختلف را به‌دست آورد. مولر و همکاران [ 14 ] این طبقه بندی زومشتاین و همکاران را اصلاح کرد. [ 21]. علاوه بر این، برخی استثناها بر اساس مطالعات میدانی انجام شده توسط هومان و همکاران ایجاد شد. [ 15 ]، به عنوان مثال، رسوب تریاس Buntsandstein (تریاس پایین) به سه عصر اصلی تقسیم می شود. Buntsandstein به طور کلی به عنوان نفوذپذیر طبقه بندی می شود ([ 21 ]، عمدتاً بسترهای شنی). با این حال، به دلیل تجربه میدانی هومان و همکاران. [ 15 ]، بالاترین لایه Buntsandstein (هوازدگی رسی) به عنوان غیرقابل نفوذ طبقه بندی می شود.

در مرحله سوم، داده های دیجیتالی از پیش پردازش شده قطع می شوند، که منجر به نقشه هایی می شود که فرآیندهای رواناب غالب (DRP) را نمایش می دهند. وابستگی فرضی DRP برای زمین های زراعی، علفزار و جنگل، در جدول 2 آورده شده است و به عنوان مبنایی برای تلاقی داده ها و شناسایی DRP برای هر چند ضلعی عمل می کند. نامگذاری چندین فرآیند تخلیه به ترتیب بر اساس طرح های تصمیم گیری فرآیند Scherrer [ 5 ] است.

جدول 2. جدول پایه سیستم اطلاعات جغرافیایی فرآیندهای رواناب غالب (GIS-DRP). DRP در مورد شیب، زیر لایه زمین شناسی و کاربری زمین (بر اساس مولر و همکاران [ 14 ]، اصلاح شده).

علاوه بر این معیارهای تعریف شده قبلی، چند فرض اضافی در تجزیه و تحلیل اعمال می شود [ 20 ] (ص. 108)، مناطق شهری به دلیل مناطق بزرگ سطوح مهر و موم شده تمایل به تولید جریان زمینی Hortonian (HOF) دارند. ثانیاً، منطقه ساحلی توسط مناطقی با واکنش سریع جریان زمینی اشباع شده (SOF 1) در دو طرف شبکه جریان نشان داده می شود. اندازه این به اصطلاح “بافر” به نسبت عرض کانال جریان و شیب شیب های همسایه بستگی دارد. به طور کلی GIS-DRP شامل شدت بارندگی متوسط و درجات بالای پوشش گیاهی است که از سطح خاک در برابر ضربه فوری باران و باد محافظت می کند. تاکنون، GIS-DRP پنج «کلاس رویداد» زیر را بر اساس شدت بارش، فصل و درجه پوشش پوشش می‌دهد:

بارش شدید کوتاه در تابستان (بیش از 50 درصد پوشش گیاهی)
بارندگی زیاد طولانی مدت در تابستان (بیش از 50 درصد پوشش گیاهی)
بارش شدید کوتاه در زمستان (بیش از 50 درصد پوشش گیاهی)
بارندگی زیاد طولانی مدت در زمستان (بیش از 50 درصد پوشش گیاهی)
بارندگی زیاد طولانی مدت در زمستان (کمتر از 50 درصد پوشش گیاهی)

با این حال، این روش عمدتا در مناطق مورد استفاده کشاورزی توسعه یافته است. کاربرد آن در مناطق عمدتاً جنگلی حاکی از پتانسیل خطای خاصی است، زیرا تعامل کلی بین جنگل، خاک و آب در مناطق مورد استفاده جنگل‌کاری بسیار پیچیده است. همچنین، هر کلاس رویداد ممکن (پنج از هشت، در زیر) نمی‌تواند تحت پوشش پایه GIS-DRP باشد و اعتبار سنجی نقشه‌های GIS-DRP در مناطقی که عمدتاً جنگلی هستند الزامی است. مقایسه این نقشه‌های DRP با نتایج کار میدانی خاک-هیدرولوژیکی و سایر روش‌های طبقه‌بندی DRP به این امر دست می‌یابد. تنها اعتبار سنجی نقشه های فرآیند تخلیه ایجاد شده توسط GIS-DRP می تواند از صحت ابزار در مورد نتایج قابل اعتماد و واقعی و منابع احتمالی خطا اطمینان حاصل کند.

3.2. بررسی های هیدرولوژیکی خاک

بررسی های فیزیکی خاک

نمونه های دست نخورده (V = 100 سانتی متر مکعب ^؛ n = 6 در هر افق) از هر افق خاک (n = 105) از هر گودال خاک (n = 25؛ مطابق با تعداد کرت ها) برای تعیین ویژگی های فیزیکی خاک برداشت شد. توطئه های مختلف در آزمایشگاه، پارامترهای چگالی ظاهری، حجم منافذ کل و توزیع اندازه منافذ، مقاومت در برابر نفوذ، هدایت هوا و همچنین هدایت آب اشباع تعیین شد. این نتایج به منظور تفسیر ساخت خاک و مقایسه با نتایج آزمایش‌های آبپاشی و نفوذ به ترتیب برای بررسی معقول بودن نقشه‌برداری‌های انجام شده مورد استفاده قرار گرفت.

آزمایش های پاشیدن در مقیاس پلات (50 متر ^مربع )

راه اندازی آزمایش آبپاشی در مقیاس کرت از هومان و همکاران پیروی کرد. [ 15 ]، مولر [ 22 ] و شوبل [ 23 ] و بر اساس مفهوم کارل و تولدریان [ 24 ] است. این روش بسیار کار فشرده امکان شبیه سازی رویدادهای بارندگی واقعی با شدت 40 mm·m ^–² ·h ^–¹ را می دهد. همچنین بارندگی مصنوعی در سه روز متوالی با میزان بارندگی 120 میلی متر توزیع شد. میزان بارندگی و توزیع آن در طول سه روز بر اساس یک رویداد سیل در حوضه آبریز راین در مارس 2001 است [ 25 ].]. اجرای یک آزمایش آبپاشی در مجموع پنج تا شش روز طول می کشد که شامل نصب تجهیزات، خود آبپاشی و اندازه گیری رواناب بعدی می شود. برای اطمینان از مقایسه و از آنجایی که رهگیری در مورد بارندگی‌های طوفانی یا بارندگی طولانی مدت در دوره‌های مرطوب زمستانی (به بالا مراجعه کنید) به سختی اهمیتی ندارد، آزمایش‌های آبپاشی در زیر سایبان تاج توده‌های جنگلی انجام شد [ 15 ].] (ص 642). یکی از مزایای عمده این روش این است که فرآیندهای رواناب مختلف را می توان به طور مستقیم مشاهده و اندازه گیری کرد. مزیت دیگر به دلیل تحرک مجموعه آزمایشی است که امکان مقایسه نتایج حوضه ها یا مناظر مختلف را فراهم می کند. شبیه ساز بارندگی از یک سیستم لوله U شکل با مساحت آبیاری تقریباً 50 متر مربع ⁽ 5 متر × 10 متر؛ شکل 3 ) تشکیل شده است. مقدار آبیاری سربار در طول آزمایش ها و همچنین توزیع با سه باران سنج هلمن و شش باران سنج در منطقه آبیاری ثبت شد [ 22]. به طور مستقیم در لبه پایین شیب منطقه آبی، گودال خاکی به عرض 3 متر راه اندازی شد. عرض گودال کمتر از عرض منطقه آبی بود. مساحت 1 متر در هر طرف به عنوان یک مانع زهکشی عمل می کرد و مانع از تخلیه آب آبیاری به مناطق مجاور و کمتر آبیاری می شد. در نتیجه، مساحت مربوط به دبی در هر قطعه 30 متر مربع ^بود(3 متر × 10 متر). صفحات منحرف کننده وارد شده به پروفایل خاک در اعماق مختلف برای تعیین کمیت جریان سطحی و زیرسطحی به طور جداگانه استفاده شد. برای هر لایه خاک شناسایی شده، صفحات لبه اریب جریان آب را جمع آوری کرده و آن را به یک ظرف اندازه گیری هدایت می کنند. صفحات جریان سطحی نزدیک به سطح خاک قرار داده شدند. جریان زیرسطحی و زیرسطحی عمیق در دو عمق مختلف ثبت شد: یکی در یک افق خاکی بالا، طبقه بندی شده و دیگری درست در زیر مرز به لایه پایه عمیق تر و فشرده [ 15 ].

شکل 3. شبیه ساز بارش بر اساس ایده کارل و تولدریان [ 24 ] در محل آزمایش هولزباخ با گودال خاک و صفحات جمع کننده قابل مشاهده در پیش زمینه

اگر یک واکنش جریان سطحی رخ دهد، با استفاده از مشاهدات بصری و همچنین قضاوت متخصص به عنوان یک نوع Hortonian (HOF) یا یک نوع اشباع (SOF) طبقه بندی می شود [ 15 ]. اگر یک واکنش جریان زیرسطحی رخ دهد، به عنوان SSF 1، SSF 2 یا SSF 3 طبقه بندی می شود که به سرعت واکنش و عمق تخمینی جریان آب بستگی دارد. اگر تقریباً هیچ روانابی قابل مشاهده نباشد، فرآیند رواناب غالب به عنوان جریان زیرسطحی عمیق (dSSF) یا نفوذ عمیق (DP) تعریف می شود که به بستر زمین شناسی غالب بستگی دارد [ 15 ].

آزمایش های آبپاشی در اواخر بهار انجام شد. در آن زمان خاک کرت های مورد بررسی کاملاً اشباع نشده بود. محتوای رطوبت اولیه خاک از 61٪ تا 77٪ ظرفیت مزرعه (≥ pF 1.8) متغیر بود [ 15 ] (ص. 642). اطلاعات دقیق تر در مورد آزمایش های آبپاشی کاربردی در Hümann و همکاران ارائه شده است. [ 15 ].

آزمایش های پاشیدن در مقیاس نقطه ای (0.28 متر ^مربع )

آزمایش‌های آبپاشی در مقیاس نقطه‌ای در مناطقی انجام شد که آزمایش‌های آبپاشی در مقیاس کرت به دلیل کمبود زیرساخت حوضه آبریز یا یک ماده اولیه بسیار نفوذپذیر (Huewelerbach) امکان‌پذیر نبود (شکل 4) . آزمایش پاشیدن در مقیاس نقطه ای بر اساس ایده Calvo و همکاران است. [ 26 ] و لاسانتا و همکاران. [ 27 ]. روی خواص خاک سطحی و تولید رواناب سطحی به دلیل آب بندی و پوسته شدن یا اثرات آبگریز ناشی از دوره های خشکسالی طولانی تر متمرکز می شود. در اینجا، یک نازل، که در یک قاب آلومینیومی به ارتفاع 2 متر ساخته شده است، شدت بارندگی 40 میلی متر در ساعت ^{-1 را دریافت می کند.}. رواناب سطحی در فواصل پنج دقیقه ای جمع آوری می شود. سپس مقدار آب و رسوب دهی را می توان در آزمایشگاه تخمین زد. اطلاعات دقیق تر در مورد راه اندازی و مدیریت این نوع شبیه ساز بارندگی، به عنوان مثال، Iserloh et al. [ 28 ].

شکل 4. شبیه ساز بارندگی قابل حمل کوچک با ترکیب مخزن آب-پمپ (زرد؛ پیش زمینه) و سیستم نازل-پیوند-برزنت (سبز).

آزمایش های نفوذ

برای تعیین نرخ نفوذ مکان‌ها و کرت‌های آزمایش، آزمایش‌های نفوذ با نفوذ سنج حلقه‌ای دوتایی (نوع بر اساس نفوذ سنج DIN) انجام شد ( شکل 5 ). در یک قطعه، حداقل چهار آزمایش نفوذ انجام شد (∑ = 116). طبقه بندی Wohlrab et al. [ 29 ] نرخ های نفوذ حاصل را طبقه بندی می کند.

شکل 5. نفوذ سنج دو حلقه در طول اندازه گیری.

4. نتایج

4.1. کاربرد و اعتبارسنجی

کاربرد GIS-DRP منجر به چهار نقشه فرآیند رواناب شد که فرآیندهای رواناب غالب و توزیع فضایی آنها را در حوضه های مورد بررسی نشان می دهد ( شکل 6 ، شکل 7 ، شکل 8 ، شکل 9).). سه مورد از این نقشه‌های GIS-DRP (فرانکلباخ، هولزباخ و وایرباخ) تحت تأثیر فرآیندهای جریان زیرسطحی با سرعت‌های واکنش متفاوت (73 درصد از SSF 1 تا 95 درصد از SSF 3) قرار دارند. در مقابل، حوضه آبریز Huewelerbach توسط نفوذ عمیق (DP)، که با رنگ آبی روشن (62٪ از کل منطقه) نشان داده شده است. به طور کلی، شبکه جریان توسط مناطق قرمز رنگ احاطه شده است. این پهنه های ساحلی (به ویژه عرض آنها) به نقش برجسته مجاور بستگی دارد. مناطق ساحلی (به اصطلاح مناطق “حائل”) تمایل به تولید جریان اشباع خشکی با واکنش سریع دارند (SOF 1؛ تا 15٪ برای حوضه های مورد بررسی). شبکه جاده ها و نواحی سکونتگاهی به دلیل سطوح خاکی مهر و موم شده، جریان زمینی Hortonian (HOF، بنفش) ایجاد می کنند.

شکل 6. نقشه GIS-DRP حوضه آبریز فرانکلباخ، راینلند-فالتز (خطا = کمبود داده های اساسی).

شکل 7. نقشه GIS-DRP حوضه آبریز هولزباخ، راینلند-فالتز (خطا = کمبود داده های اساسی).

شکل 8. نقشه GIS-DRP حوضه آبریز وایرباخ، لوکزامبورگ.

شکل 9. نقشه GIS-DRP حوضه آبریز Huewelerbach، لوکزامبورگ (خطا = کمبود داده های اساسی).

همانطور که قبلا ذکر شد، GIS-DRP در مناطق عمدتا کشاورزی توسعه داده شد. بنابراین، نقشه‌های GIS-DRP باید به‌ویژه برای مناطق جنگلی با مقایسه نتایج آنها با نتایج روش شناسایی DRP (PBS) پس از Scherrer [ 5 ] و نتایج حاصل از تحقیقات میدانی خاک-هیدروولوژیکی انجام‌شده در چهار حوضه اعتبارسنجی شود. جدول 3 چندین رویکرد ((i) GIS-DRP؛ (2) PBS بعد از Scherrer [ 5 ] و (iii) اندازه‌گیری DRP) و نتایج آنها را برای تمام نمودارهای آزمایشی حوضه‌ها (سبز = تطبیق؛ زرد = نوع؛ قرمز) فهرست می‌کند. = مناسب نیست).

جدول 3 نشان می دهد که 18 قطعه از 25 نمودار عمدتاً فرآیندهای جریان زیرسطحی با سرعت های مختلف واکنش (اندازه گیری DRP) را ایجاد می کنند. این یک واکنش تخلیه معمولی در رشته کوه های کم جنگلی در کوه های رنیش اسلیت (آلمان) است. در اینجا، لایه‌های سطحی خاک عمدتاً از نظر ساختار سست هستند و در بالای آن لایه‌های آلی قرار دارند که از خاک محافظت می‌کنند و نفوذ آب باران را بهبود می‌بخشند. همانطور که در بخش 2 (منطقه مطالعه) توضیح داده شد، لایه‌های پری یخبندان گسترده، یک لایه پایه لایه‌ای متراکم را در زیر خاک تشکیل می‌دهند و مانع نفوذ آب در حال نفوذ به افق‌های عمیق‌تر خاک می‌شوند. جریان آب عمودی به یک جریان افقی تبدیل می شود که جریان زیرسطحی را به دنبال دارد.

اندازه‌گیری‌های متفاوت در حوضه فرانکلباخ (FRA) را می‌توان به دلیل وجود مواد مادر بسیار ناهمگن (پرمین روتلیجندس، ماسه‌سنگ قرمز جدید) و همچنین انواع مختلف استفاده از زمین و استراتژی‌های مدیریت در آن حوضه توضیح داد.

در حوضه حوضه Huewelerbach (HUE) تنها نفوذ عمیق (DP) به دلیل مواد مادر زمین شناسی بسیار نفوذپذیر ماسه سنگ Lias (li2) مشخص شد.

جدول 3. مقایسه نتایج از رویکردهای مختلف شناسایی DRP.

DRP مشخص شده در جدول 3 نشان می دهد که رویکرد GIS-DRP به خوبی با روش شناسایی (PBS) بر اساس Scherrer [ 5 ] مطابقت دارد. فرآیندهای رواناب محاسبه شده تنها در سه مورد (FRA-6، HOL-1، HOL-2) از 25 قطعه مورد بررسی متفاوت است. تفاوت عمده در نمودار FRA-6 مشخص شد. GIS-DRP SSF2 (جریان زیرسطحی واکنش‌دهنده متوسط) را تعریف می‌کند، اما نقشه‌برداری Scherrer (PBS) منجر به فرآیند HOF 2 (جریان زمینی هورتونی با تأخیر کوتاه مدت) می‌شود. این تفاوت به این دلیل رخ می دهد که آب بندی خاک سطحی به عنوان پارامتری اجرا می شود که به شدت بر تولید دبی در روش شناسایی (PBS) بر اساس Scherrer [ 5 ] تأثیر می گذارد.]. از این رو، آب بندی خاک سطحی به عنوان پارامتر اضافی به منظور بهبود روش GIS-DRP شناسایی شد (به بخش 4.2 (i) مراجعه کنید).

علاوه بر شناسایی آب بندی خاک و جریان زمینی هورتونی حاصل در سایت کشاورزی (FRA-6)، انواع رواناب سطحی (SOF و HOF) حتی در جنگل کاری (FRA-2، راش و بلوط) و یک جنگل مستقر ( FRA-4، صنوبر داگلاس). با انجام آزمایش‌های آبپاشی در مقیاس کرت و نقطه با شدت بارندگی بالا 40 میلی‌متر در ساعت ^-1 ، آبگریزی خاک سطحی (FRA-4، HOF) و همچنین یک افق غیر قابل نفوذ خاک ساکن در عمق 15 سانتی‌متری (FRA-2). SOF) به عنوان عوامل مسئول رواناب سطحی شناسایی شدند. انباشت پیش بینی شده از رویدادهای آب و هوایی شدید ناشی از تغییرات آب و هوایی [ 1 ، 2] پیاده سازی شدت بارش های بالاتر در GIS-DRP را منطقی به نظر می رساند. بنابراین، شرایط آب و هوایی مختلف را می توان ارزیابی کرد و واکنش های رواناب در طول رویدادهای شدید را می توان به روشی دقیق تر تخمین زد. در نتیجه، اجرای نقشه‌های DRP مبتنی بر رویدادهای شدید آب و هوایی به دومین هدف اصلاح GIS-DRP زیر تبدیل شد (به بخش 4.2 (ii) مراجعه کنید).

به طور کلی، هنگام مقایسه نتایج GIS-DRP با نتایج اندازه‌گیری‌های تحقیقات میدانی، می‌توان تفاوت‌های بیشتری را تعیین کرد ( جدول 3 ). یکی از دلایل اصلی جریان زیرسطحی عمیق تر (dSSF) است که با اقدامات هیدرولوژیکی خاک مشخص می شود. جریان زیرسطحی عمیق‌تر توسط شولر [ 6 ] معرفی شد و فرآیندهای تخلیه جانبی را در افق‌های عمیق‌تر خاک یا در فصل مشترک خاک و سنگ بستر به نام ترومپ ون مرولد و مک‌دانل [ 30 ] توصیف کرد.]. فرآیند dSSF در سه مورد از چهار حوضه مورد بررسی پیدا شد. این به دلیل عمق زیاد خاک (فرانکلباخ)، لایه‌های پایه غیرقابل نفوذ در زیر خاک عمیق‌تر (هولزباخ) یا لایه‌های بزرگ اطراف یخچالی با مقادیر بسیار زیاد ذرات درشت خاک در زیر خاک (وایرباخ) رخ داد. این پارامتر با توصیف زیرلایه زمین شناسی به عنوان نیمه تراوا همراه است. فرآیندهای نیمه تراوا یا dSSF نه در GIS-DRP و نه در روش شناسایی (PBS) بر اساس Scherrer [ 5 ] اجرا نمی شوند. این امر دلیلی برای ادغام سومین پارامتر جدید در GIS-DRP داد (به بخش 4.2 (iii) مراجعه کنید).

4.2. بهبودها

با خلاصه کردن نتایج بخش 4.1 ، سه پارامتر باید به ابزار GIS-DRP اضافه شود تا دقت کلی و همچنین توزیع فضایی چندین فرآیند رواناب غالب در یک چشم انداز یا حوضه افزایش یابد. آنها از موارد زیر تشکیل شده اند:

(من): آب بندی خاک سطحی؛
(II): حوادث آب و هوایی شدید و
(iii): نیمه نفوذپذیری زیر لایه (dSSF).

انطباق GIS-DRP با توجه به سه پارامتر تعریف شده با اصلاح جدول پایه GIS-DRP ( جدول 2 ) به دست می آید که محور الگوریتم درخواست GIS را نشان می دهد که ابزار را قادر می سازد فرآیندهای رواناب غالب را شناسایی کند.

(من)

آب بندی خاک سطحی:

جدول جدید در مورد آب بندی خاک سطحی عمدتاً برای زمین های زراعی نفوذ ناپذیر و نفوذپذیر تغییر کرد ( جدول 4 ). تغییرات جزئی بیشتر مربوط به مراتع و جنگل های غیرقابل نفوذ است. این اصلاح برای آب بندی خاک سطحی به طور مشابه سازگاری با کلاس های رویداد را در بر می گیرد. در نتیجه، خصوصیات جدید DRP دو کلاس را که تاکنون اجرا نشده است را پوشش می دهد:

VI.: بارندگی گسترده طولانی مدت در تابستان (<50% درجه پوشش) و
VII.: بارش شدید کوتاه در زمستان (<50% درجه پوشش).

(II)

حوادث آب و هوایی شدید:

نتایج انطباق جدول پایه GIS-DRP در رابطه با پارامترهای رویدادهای شدید در جدول 5 فهرست شده است. تقریباً تمام DRP در هر نوع کاربری زمین و هر شیب اصلاح شد، به جز توده‌های جنگلی با بسترهای نفوذپذیر. در اینجا، هیچ تغییری در خصوصیات ضروری نیست، زیرا حتی در رویدادهای آب و هوایی شدید، جنگل‌هایی با خاک و سنگ بستر بسیار نفوذپذیر تمایل به ایجاد نفوذ عمیق (DP) دارند. در مورد استفاده از علفزار، عمدتاً فرآیندهای جریان زمینی اشباع شده (SOF) به دلیل نتایج مطالعات میدانی انجام شده توسط هومان و همکاران، طبقه بندی شدند. [ 15]. علاوه بر این، SOF 2 و SOF 1 برای ایجاد تمایز بین فرآیندهای جریان زمینی هورتونی با واکنش سریع (HOF) در مناطق شهری مانند خیابان‌ها یا سطوح سطحی خاک مهر و موم شده و فرآیندهای SOF کمی تأخیر در مرتع انتخاب شدند. در اینجا لازم به ذکر است که یک عدم قطعیت خاص به دلیل ویژگی های سطح متغیر در مناطق علفزار (مانند چرای شدید یا گسترده، علفزار همکار، چمن زار و غیره ) باقی می ماند.). این ویژگی های سطح متغیر را نمی توان به طور قطع با داده های پایه استفاده شده در رویکرد GIS-DRP متمایز کرد. بنابراین، فرآیندهای رواناب غالب حاصل در علفزار (SOF 1 و SOF 2) در طول رویدادهای آب و هوایی شدید باید به عنوان تقریبی برای فرآیندهای واقعی در حال وقوع در نظر گرفته شود. با این وجود، با این طبقه بندی جدید از فرآیندهای رواناب غالب، می توان طبقه رویداد هشتم را نیز پوشش داد:

هشتم.: بارش شدید کوتاه در تابستان (<50% درجه پوشش).

جدول 4. آب بندی خاک سطحی جدول GIS-DRP .

جدول 5. جدول GIS-DRP رویدادهای شدید .

بر این اساس، پنج کلاس رویداد محصور شده در GIS-DRP (که در بخش 3.2 ذکر شد ) را می توان به عنوان شدت نسبتاً کم طبقه بندی کرد. بنابراین، این گونه های بارندگی با هم نشان دهنده کلاس شدت بارندگی رویدادهای اساسی هستند .

کلاس‌های رویداد VI و VII – که با سازگاری با آب‌بندی خاک سطحی معرفی شدند – کلاس شدت بارندگی رویدادهای متوسط را تشکیل می‌دهند .

کلاس هشتم رویداد شدت بارندگی بسیار بالایی را نشان می دهد. از این رو، این ترکیب از نوع بارندگی، فصل و درجه پوشش، کلاس شدت بارش رویدادهای شدید را مشخص می کند.

(iii)

نیمه تراوا:

پارامتر نیمه تراوا ، که نشان دهنده ویژگی های خاک و سنگ بستر و نفوذپذیری آن برای آب است، یک نیاز اساسی برای تولید جریان زیرسطحی عمیق (dSSF) است. از آنجایی که dSSF فقط در قطعات جنگلی تعیین شد، این فرآیند رواناب با استفاده از جنگل در جدول GIS-DRP اصلاح شده مرتبط است ( جدول 6 ).

جدول 6. نیمه تراوا جدول GIS-DRP .

5. بحث

5.1. آب بندی خاک سطحی

جریان زمینی هورتونی (HOF) یکی از دلایل مهم ظهور مستقیم جریان زمینی در طول یک رویداد بارندگی است. علت دیگر آب بندی و پوسته شدن خاک سطحی [ 31 ] به دلیل اثرات پاشش است که باعث تجزیه فیزیکی خاکدانه ها می شود [ 32 ]. در مورد دوم، یک لایه یا پوسته خاک مهر و موم شده نازک ایجاد می شود، که نفوذ آب را بسیار موثر مهار می کند [ 33 ]. نقشه GIS-DRP تجدید شده برای حوضه فرانکلباخ که شامل پارامتر آب بندی خاک سطحی است، خصوصیات فرآیند رواناب تغییر یافته را نشان می دهد، به ویژه در زمین های زراعی ( شکل 10 ) که در آن آب بندی خاک یک مشکل شناخته شده است که باعث جریان و فرسایش زمینی می شود.

شکل 10. نقشه GIS-DRP آب بندی خاک سطحی فرانکلباخ (خطا = کمبود داده های اساسی).

پس از این اصلاح، نقشه GIS-DRP حاصل و همچنین نقشه‌برداری میدانی شرر و نتایج خاک-هیدرولوژیکی تحقیقات میدانی تناسب مناسبی را ارائه می‌دهند. به خصوص در قطعه آزمایشی FRA-6 (هکتاری)، که قبل از بهبود GIS-DRP به طور متفاوتی طبقه بندی شده بود، DRP تعریف شده اکنون کافی است. علاوه بر این، در مقایسه با یک نقشه DRP بر اساس ارزیابی بسیار دقیق بررسی مکان جنگل آلمان (اطلاعات بیشتر در مورد این رویکرد در [ 6 ] داده شده است) روند رواناب غالب جریان زمینی Hortonian در این قطعه اکنون کافی است. علاوه بر این، با مقایسه فرآیندهای رواناب اصلی (HOF، SOF، SSF و DP) رویکرد اصلاح شده GIS-DRP و رویکرد بررسی مکان جنگل بر اساس شولر [ 6 ]]، بهبود از 78٪ به 89٪ دقت کل DRP تعریف شده را می توان ثبت کرد. این بدان معنی است که توزیع فضایی بهینه فرآیندهای رواناب مختلف و همچنین شناسایی فرآیند آب بندی خاک سطحی تضمین شد. با این حال، در طول کاربرد عملی رویکرد بهبود یافته GIS-DRP، مطالعه کافی خطر آب بندی خاک، به عنوان مثال، با استفاده از پایگاه داده ها/نقشه های رایگان خاک در دسترس، اهمیت زیادی دارد.

5.2. رویداد افراطی

در صورت استفاده از رویکرد رویداد شدید GIS-DRP جدید ، انواع فرآیند به طور کلی به سمت تغییرپذیری فرآیند واکنش سریع‌تر تغییر می‌کنند. به عنوان مثال، SSF 3 به SSF 2 یا حتی SSF 1 تبدیل می شود. از این رو، جریان زیرسطحی با واکنش سریع را می توان در جنگل ها به عنوان فرآیند غالب در طول رویدادهای طوفان شدید باران یافت ( جدول 5 ؛ شکل 11 ). به‌ویژه در مناطق جنگلی با ویژگی‌های اساسی خاک ضعیف، مانند ورود آب یا عمق کم خاک (به عنوان مثال، همانطور که در طرح FRA-2 (جنگل‌کاری 30 ساله) مشاهده می‌شود)، جریان زیرسطحی با واکنش سریع و حتی جریان زمینی اشباع شده را می‌توان در طول شدید تخمین زد. بارش [ 15 ].

علفزار عمدتاً با فرآیندهای مختلف جریان زمینی اشباع شده در طول بارندگی شدید (SOF 1 و SOF 2) واکنش نشان می دهد. برخلاف این تخمین، چندین نویسنده یک تومنتوم ریشه بسیار متراکم را توصیف می‌کنند که در سایت‌های مرتع رخ می‌دهد که یک اثر بازدارنده بر ظرفیت نفوذ دارد، به عنوان مثال، [ 23 ، 34 ، 35 ]] و بنابراین ممکن است به جریان زمینی Hortonian (HOF) منجر شود. ظهور چنین مناطق تومنتوم ریشه در مناطق علفزار از نظر توزیع زمانی و مکانی بسیار ناهمگن است و نمی توان با داده های اساسی تعمیم یافته مورد استفاده برای رویکرد GIS-DRP شناسایی کرد. این امر از ادغام در ابزار GIS یا اصلاح تومنتوم ریشه جلوگیری می کند. از این رو، هیچ فرآیند HOF در علفزار را نمی توان با این روش تعیین کرد.

مناطقی که تمایل به آب بندی و پوسته شدن خاک دارند (عمدتاً زمین های زراعی) به طور عمده HOF 2 یا حتی HOF 1 را در طول رویدادهای بارانی تولید می کنند، اما این بستگی به شیب دارد. علاوه بر این، آنچه با بررسی نقشه GIS-DRP رویداد شدید فرانکلباخ آشکار می شود ( جدول 5 ) این است که نقاط داغ تولید دبی (مناطق رواناب سطحی غالب یا رواناب متمرکز) را می توان تعیین کرد: منطقه بین کرت های FRA-2 و FRA- 3 (علفزار) فرآیندهای جریان زمینی اشباع شده (SOF 2 و SOF 1) را در صورت وقوع یک رویداد آب و هوایی شدید ایجاد می کند. آب های سطحی مستقیماً به شبکه جریان چند ساله متصل می شوند. این به خوبی می تواند علت سیل مکرر روستای فرانکلباخ باشد که در سال های 1993، 1995 و 2002 رخ داد [ 36 ]].

شکل 11. نقشه GIS-DRP رویداد شدید فرانکلباخ (خطا = کمبود داده های اساسی).

پس از اعمال رویداد شدید GIS-DRP در سایر حوضه های مورد بررسی، فرآیندهای رواناب در نقشه های GIS-DRP عمدتاً به انواع سریع تر خود تغییر می کنند (به عنوان مثال، SSF 3 به SSF 2 یا SSF 1). هیچ تغییر عمده ای از ویژگی های فرآیند در یک حوضه مشاهده نشد. از آنجایی که این حوضه ها عمدتاً جنگلی هستند، فرآیندهای جریان زیرسطحی نوع غالب تخلیه هستند به جز Huewelerbach در لوکزامبورگ، که عمدتاً به دلیل مواد اولیه نفوذپذیر (ماسه سنگ ژوراسیک) نفوذ عمیق (DP) ایجاد می کند.

5.3. نیمه تراوا

طبقه‌بندی مواد اولیه زمین‌شناسی یک منطقه یا حوضه خاص در این مرحله شامل امکان انتخاب بین ویژگی‌های «نفوذپذیر» یا «نفوذ ناپذیر» در رویکرد پایه GIS-DRP [ 20 ] بود. یک ماده زمین شناسی نفوذپذیر، مانند ماسه سنگ ژوراسیک (Li2) در حوضه حوضه Huewelerbach، بنابراین عمدتاً به فرآیندهای نفوذ عمیق منجر شد [ 37 ]. در مقابل، یک ماده اصلی طبقه‌بندی‌شده به عنوان غیرقابل نفوذ، مانند شیست دونین، عمدتاً به شناسایی فرآیندهای جریان زمینی و جریان زیرسطحی منجر شد، البته بسته به کاربری غالب زمین، شیب و شرایط سطح.

با این حال، بررسی خاک – هیدرولوژیکی در حوضه آبریز وایرباخ نشان داد که در موارد خاص این طبقه‌بندی “سیاه یا سفید” کافی نیست. نتایج حوضه حوضه هولزباخ و همچنین سایت‌های آزمایش وایرباخ نشان داد که تجمع‌های بزرگ خاک، مقدار شن زیاد مرتبط با ساختار خاک سست و لایه‌های پوششی اطراف یخبندان که از قطعات سنگ بلوکی ساخته شده‌اند، طبقه جدیدی از نفوذپذیری را می‌طلبد. در اینجا، آب نفوذی به دلیل لایه‌های غیرقابل نفوذ به یک سیستم جریان جانبی هدایت نمی‌شود، که برای لایه‌های پوششی پری یخچالی که عمدتاً از یک لایه اصلی متخلخل تشکیل شده است که روی یک لایه پایه متراکم قرار دارد، معمول است [ 38 ].]. علاوه بر این، آب می تواند به لایه های زیرین خاک یا زیر لایه نفوذ کند که رسانایی آب را کاهش می دهد، اما کاملاً غیر قابل نفوذ نیست. این کلاس در بین کلاس های قبلی “نفوذ” و “غیر نفوذپذیر” قرار دارد و مطابق با زومشتاین و همکاران، “نیمه تراوا” نامگذاری شد. [ 21 ]. ویژگی های ذکر شده که منجر به “نیمه نفوذپذیری” زیر لایه می شود، پیش شرط ایجاد جریان به اصطلاح زیرسطحی عمیق تر (dSSF) است.

با اجرای پارامتر نیمه تراوا و فرآیند رواناب غالب جریان زیرسطحی عمیق تر (dSSF) در GIS-DRP، بازتولید دقیق DRP برآورد شده در حوضه آبریز وایرباخ با رویکرد دیجیتال امکان پذیر شد ( شکل 12 ). با توجه به اندازه کوچک حوضه، نقشه جدید جزئیات زیادی را در تولید دبی نشان نمی دهد. برای نشان دادن نتایج به روشی بهتر، حوضه آبریز کوچک وایرباخ در حوضه آبریز 258 کیلومتر مربعی آترت تعبیه شد ⁽ شکل 13 ). این نقشه نیمه‌تراوای GIS-DRP در سطح متوسط نشان می‌دهد که نفوذپذیری زیرلایه و توزیع فضایی آن تأثیرات قابل‌توجهی بر نتیجه رویکرد GIS-DRP دارد.

در سایت آزمایش هولزباخ، پوشش واقعی تری از DRP شناسایی شده نیز با روش بهینه GIS بدست آمد. پنجاه درصد از نمودارها در حال حاضر دقیقاً مشخص شده اند، در حالی که 50 درصد باقیمانده تنها با یک کلاس (HOL-2، HOL-3) یا دو کلاس (HOL-1) تفاوت دارند، که طبق نظر Scherrer [ 5 ] قابل توجیه است.

علاوه بر این، اجرای این یافته های جدید GIS-DRP در مدل های هیدرولوژیکی بسیار جالب خواهد بود. هلبراند و همکاران [ 4 ] قبلاً نیاز به بهبود شناسایی فرآیند رواناب غالب و جنبه های فصلی را برای بهبود عملکرد مدل هنگام استفاده از GIS-DRP نشان داده است.

شکل 12. GIS-DRP-نقشه نیمه تراوا وایرباخ .

شکل 13. GIS-DRP-map Attert semipermeability (خطا = عدم وجود داده های اساسی).

6. نتیجه گیری

نقشه‌های فرآیندهای رواناب غالب می‌تواند ابزار مفیدی در رابطه با کار تصمیم‌گیرندگان در مدیریت کاربری اراضی، برنامه‌ریزی جنگلداری و ذینفعان چندین زمینه کاری مرتبط با محیط زیست باشد. داده‌های توسعه‌یافته دیجیتال، مانند نقشه‌های GIS-DRP پیشرفته، دانش تخصصی در مدیریت کاربری زمین در مورد فرآیندهای رواناب غالب، تولید دبی و همچنین تعادل آب چشم‌انداز را ادغام می‌کند. این اطلاعات می تواند به طور مستقیم در یک برنامه ریزی فعال و پایدار پیاده سازی شود.

استفاده از نقشه های مبتنی بر GIS امکان تعریف سایت های جنگل کاری یا شناسایی نقاط داغ تولید دبی را فراهم می کند. سپس می توان اقدامات جنگل کاری را برای فرآیندهای رواناب نامطلوب ایجاد کرد و در ترکیب با اقدامات اصلاحی مانند سست کردن عمیق، احتمالاً تعادل آب و ویژگی های رواناب مناطق تعیین شده را افزایش می دهد. علاوه بر این، اقدامات احتیاطی در برابر سیل مانند حوضچه های نگهداری، اقدامات سست کردن یا بازگرداندن آب های سطحی به پشت درخت می تواند در نقاط داغ برای کاهش تأثیر منفی آنها بر تولید سیل اعمال شود.

مزایای ذکر شده در بالا ناشی از اجرای ابزار GIS-DRP در حوضه های آبریز در مقیاس خرد و متوسط، اثرات مثبتی را در مورد برنامه ریزی جنگلی مناسب و اقدامات مدیریتی مناسب ایجاد می کند که همچنین منعکس کننده تعادل آب چشم انداز پایدار و سازگاری بیشتر جنگل ها است. به شرایط خشکسالی یا تنش آبی.

منابع

گریگوریان، GV; کاسپر، ام سی; گوئر، جی. Vasconcelos، AC; Reiter، PP تاثیر تغییرات آب و هوایی بر تعادل آب سایت‌های جنگلی در راینلاند-فالتز، آلمان. Adv. Geosci. 2010 ، 27 ، 37-43. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
کاسپر، ام سی; گریگوریان، جی. گرونز، او. گوجهر، ا. هاینمن، جی. لی، آر. راک، الف. تجزیه و تحلیل رفتار هیدرولوژیکی پیش بینی شده حوضه های آبریز بر اساس شاخص های امضا. هیدرول. سیستم زمین علمی 2012 ، 16 ، 409-421. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
هیئت بین دولتی تغییرات آب و هوایی Ipcc Klimaänderung 2007—Zusammenfassungen für politische Entscheidungsträger ; Deutsche ÜbersetzungDeutsche IPCC-Koordinierungsstelle: اشتوتگارت، آلمان، 2007.
هلبراند، اچ. مولر، سی. فنیسیا، اف. ماتگن، پی. Savenije، H. آزمون اثبات فرآیند برای مفاهیم مدل: مدل‌سازی مقیاس مزو. فیزیک شیمی. زمین 2011 ، 36 ، 42-53. [ Google Scholar ]
Scherrer, S. Bestimmungsschlüssel zur Identifikation von Hochwasserrelevanten Flächen; بریخت 18 ; اداره دولتی برای اقتصاد آب راینلاند-فالتز: ماینز، آلمان، 2006; صص 1-126. [ Google Scholar ]
Schüler, G. شناسایی مناطق جنگلی سیل زا و اقدامات جنگلداری برای حفظ آب. برای. Snow Landscape Res. 2006 ، 80 ، 99-114. [ Google Scholar ]
پشکه، جی. اتزنبرگ، سی. مولر، جی. تاپفر، جی. Zimmermann, S. Das Wissensbasierte System FLAB—Ein Instrument zur rechnergestützten Bestimmung von Landschaftseinheiten mit gleicher Abflussbildung. IHI-Schriften 1999 ، 10 ، 122. [ Google Scholar ]
شرر، اس. Naef, F. یک طرح تصمیم برای شناسایی فرآیندهای جریان غالب در مقیاس قطعه برای ارزیابی مناطق کمک کننده در مقیاس حوضه. هیدرول. روند. 2003 ، 17 ، 391-401. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
شرر، اس. Naef, F. A Decision Scheme برای شناسایی فرآیندهای جریان غالب در مقیاس قطعه برای ارزیابی مناطق کمک کننده در مقیاس حوضه. در تولید رواناب و تاثیرات برای مدلسازی حوضه رودخانه ; Leibundgut, C., Uhlenbrook, S., McDonnell, J., Eds.; Selbstverlag des Institutes für Hydrologie der Universität Freiburg: فرایبورگ، آلمان، 2003; جلد 13، ص 11-16. [ Google Scholar ]
اشموکر-فاکل، پی. نایف، ف. Scherrer, S. شناسایی فرآیندهای رواناب در مقیاس کرت و حوضه آبریز. هیدرول. سیستم زمین علمی 2007 ، 11 ، 891-906. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
Schobel, S. Erläuterungsbericht zur Abflussprozesskarte der Einzugsgebiete des Grundsgrabens und Schleidweiler Baches bei Gemeinde Zemmer/Eifel ; Bericht Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft Rheinland-Pfalz: Trippstadt، آلمان، 2005; پ. 76. [ Google Scholar ]
تیلچ، ن. اولنبروک، اس. Leibundgut، C. Regionalisierungsverfahren zur Ausweisung von Hydrotopen in von periglazialem Hangschutt geprägten Gebieten. Grundwasser 2002 ، 7 ، 206-216. [ Google Scholar ]
تیلچ، ن. زیلگنز، بی. اولنبروک، اس. لیبوندگوت، چ. کرنباوئر، آر. Merz، B. GIS-gestützte Ausweisung von hydrologischen Umsatzräumen und Prozessen im Löhnersbach-Einzugsgebiet (Nördliche Grauwackenzone، سرزمین سالزبرگر). Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 2006 ، 58 ، 141-151. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
مولر، سی. هلبراند، اچ. سیگر، م. Schobel, S. شناسایی و منطقه ای کردن فرآیندهای رواناب غالب – یک رویکرد آماری مبتنی بر GIS. هیدرول. سیستم زمین علمی 2009 ، 13 ، 779-792. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
هومان، ام. شولر، جی. مولر، سی. اشنایدر، آر. جوست، م. کاسپاری، تی. شناسایی فرآیندهای رواناب – تأثیر انواع مختلف جنگل و خواص خاک بر روابط متقابل خاک و آب و سیل. جی هیدرول. 2011 ، 409 ، 637-649. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
Sauer, T. Modellierung von Bodenwasserhaushalt und Abflussprozessen auf der Plotskale در Abhängigkeit von Substrat und Landnutzung. Ph.D. Thesis, Universität Trier, Trier, Germany, 2009; پ. 269. [ Google Scholar ]
Stahr، K. Die Bedeutung periglazialer Deckschichten für Bodenbildung und standortseigenschaften im Südschwarzwald. Freiburger Bodenkundliche Abhandlungen 1979 , 9 , 233. [ Google Scholar ]
وولکل، جی. زپ، اچ. Kleber، A. Periglaziale deckschichten in mittelgebirgen—Ein offenes forschungsfeld. Berichte zur deutschen Landeskunde 2002 ، 76 ، 101-114. [ Google Scholar ]
هلبراند، اچ. تئوری‌ها، آزمایش‌ها، ابزارها – ارزیابی مکانی-زمانی هیدرولوژیکی کاربردی حوضه‌های مقیاس متوسط با دیدگاهی به منطقه‌بندی. Ph.D. Thesis, TU Delft, Delft, The Netherlands, 2010. [ Google Scholar ]
شرر، اس. Demuth, N. Die Identifikation von Hochwasserrelevanten Flächen als Grundlage für die Beurteilung von Extremen Abflüssen. در Dezentraler Wasserrückhalt in der Landschaft durch vorbeugende Maßnahmen der Waldwirtschaft, der Landwirtschaft und im Siedlungswesen, Mitteilungen der FAWF; Schüler, G., Gellweiler, I., Seeling, S., Eds.; Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft، 64/07: Trippstadt، آلمان، 2007; صص 175-182. [ Google Scholar ]
زومشتاین، جی اف. ژیل، ای. دلوکس، جی پی؛ پاریس، P. Atlas de la Lithologie et de la Perméabilité du Bassin Rhin-Meuse ; Agence de l’eau Rhin-Meuse: Moulin-lès-Metz، فرانسه، 1989. [ Google Scholar ]
مولر، سی. در Trierer Bodenkundliche Schriften ; Emmerling, C., Ed. Universität Trier: Trier، آلمان، 2010; جلد 15، ص. 219. [ Google Scholar ]
Schobel، S. Infiltrations- und Bodenabflussprozesse in Abhängigkeit von Landnutzung und Substrat in der Trier-Bitburger Mulde. Ph.D. Thesis, Universität Trier, Trier, Germany, 2008. [ Google Scholar ]
کارل، جی. Toldrian، H. Eine قابل حمل Beregnungsanlage für die Messung von Oberflächenabfluss und Bodenabtrag. Wasser und Boden 1973 ، 25 ، 63-65. [ Google Scholar ]
اداره ایالتی برای اقتصاد آب راینلاند-فالتز، Hochwasser im Rheineinzugsgebiet—März 2001; LFW-BERICHT NR. 204/01 ; Landesamt für Wasserwirtschaft: Mainz، آلمان، 2001.
کالوو، ا. گیزبرت، جی.ام. پالائو، ای. Romero، M. Un simulador de Lluvia Portátil de Fácil Construcción. In Métodos y Técnicas Para la Medición en el Campo de Procesos Geomorfológicos ; Sala, M., Gallart, F., Eds. Sociedad Española de Geomorfología: بارسلونا، اسپانیا، 1988; صص 6-15. [ Google Scholar ]
لاسانتا، تی. پرز رونتوم، ام سی; Garcia-Ruiz، JM Efectos Hidromorfológicos de Differentes Alternativas de Retirada de Tierras en Ambientes Semiáridos de la Depresión del Ebro. در Efectos Geomorfológicos del Abandono de Tierras ; Lasanta, T., Garcia-Ruiz, JM, Eds. SEG: ساراگوزا، اسپانیا، 1994; صص 69-82. [ Google Scholar ]
ایسرلوه، تی. فیستر، دبلیو. Ries، JB; Seeger، M. طراحی و کالیبراسیون شبیه ساز باران قابل حمل کوچک دانشگاه تریر. در مجموعه مقالات مجمع عمومی EGU 2010، وین، اتریش، 2-7 مه 2010. پ. 2769.
وهلرب، بی. ارنسبرگر، اچ. میوزر، آ. Sokollek, V. Landschaftswasserhaushalt. Wasserkreislauf und Gewässer im ländlichen Raum. Veränderungen durch Bodennutzung, Wasserbau und Kulturtechnik ; Verlag Paul Parey: Hamburg und Berlin، آلمان، 1992. [ Google Scholar ]
Tromp-van Meerveld، HJ; مک دانل، JJ روابط آستانه در جریان طوفان زیرسطحی: 2. فرضیه پر شدن و نشت. منبع آب Res. 2006 . [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
Schröder, R. Modellierung von Verschlämmung und Infiltration in landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten ; Asgard-Verlag: Sankt Augustin، آلمان، 2000. [ Google Scholar ]
فائو، خاک‌ورزی خاک در آفریقا: نیازها و چالش‌ها. بولتن خاک فائو 69 ; منابع خاک، مدیریت و خدمات حفاظتی بخش توسعه زمین و آب: رم، ایتالیا، 1993.
اشمیت، دبلیو. زیمرلینگ، بی. نیتسچه، او. Krück، ST خاکورزی حفاظتی – یک استراتژی جدید در کنترل سیل. ناتو علمی سر. 2001 ، 6 ، 287-293. [ Google Scholar ]
مارکارت، جی. کهل، بی. سوتیه، بی. شوئر، تی. بونزا، جی. Stern، R. Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten bei konvektiven Starkregen; BFW-Documentation ; Bundesamt und Forschungszentrum für Wald: Wien, Österreich, 2004. [ Google Scholar ]
Sokollek, V. Untersuchungen über den Einfluß der Landnutzung auf den Oberflächenabfluss ; Jahresbericht der ökologischen Forschungsstation Justus-Liebig-Universität Gießen: Gießen، آلمان، 1977. [ Google Scholar ]
Johst, M. Experimentelle und Modellgestützte Untersuchungen zur Hochwasserentstehung im Nordpfälzer Bergland unter Verwendung Eines Neuartigen Spatial-TDR-Bodenfeuchtemessgeräts. Ph.D. Thesis, Universität Trier, Trier, Germany, 2011. [ Google Scholar ]
جولیرت، جی. Iffly، JF; هافمن، ال. Hissler, C. پتانسیل بررسی خاک به عنوان ابزاری برای نقشه برداری زمین شناسی سطح: مطالعه موردی در یک حوضه آبریز تجربی هیدرولوژیکی (Huewelerbach، دوک بزرگ لوکزامبورگ). Geologica Belgica 2012 ، 15 ، 36-41. [ Google Scholar ]
چیفلارد، پی. دیدزون، ج. Zepp, H. Skalenübergreifende prozess-studien zur abflussbildung in gebieten mit periglazialen deckschichten (Sauerland, Deutschland). Grundwasser 2008 ، 13 ، 27-41. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

© 2013 توسط نویسندگان; دارنده مجوز MDPI، بازل، سوئیس. این مقاله یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط و ضوابط مجوز Creative Commons Attribution (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/) توزیع شده است.

;کاربردهای GIS مقالات

درخواست مشاوره

09120049370

8 صبح تا 12 شب

09120049370

چکیده

1. مقدمه و هدف

2. منطقه مطالعه