Soil Erosion Analysis Using the Universal RUSLE Model and Its Relationship with Environmental Indices (Case Study: Ghouri Chay Watershed)

Subject Areas :

Aghil Madadi ¹ , AmirHesam Pasban ²

1 - Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
2 - Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.

Received: 2025-08-14 Accepted : 2025-09-22 Published : 2025-09-23

Keywords: RUSLE, Environmental Indices, Pearson correlation, coefficient of determination (R²), Ghouri-Chay watershed.,

Abstract :

Abstract

In this study, the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) was applied to estimate and analyze soil erosion in the Ghouri-Chay watershed, located in Ardabil Province, Iran. Five main factors of the model—rainfall erosivity, soil erodibility, slope length and steepness, vegetation cover, and conservation practices—were calculated, and the corresponding maps for each factor were prepared in ArcGIS 10.8. The input data included a 12.5 m resolution Digital Elevation Model (Alos PALSAR), rainfall statistics from the Iran Meteorological Organization, the Iranian soil texture map at a scale of 1:250,000, and Sentinel-2 satellite images for 2024. In addition to the RUSLE factors, the influence of environmental indices such as the Topographic Wetness Index (TWI), Stream Power Index (SPI), slope curvature, slope gradient, and vegetation cover on erosion was examined. Pearson’s correlation test and linear regression analysis were used to calculate correlation coefficients and coefficients of determination (R²). The final annual soil erosion map indicated that erosion rates in the watershed range from 0 to 18.37 t/ha/year, with the highest intensities occurring in the western, northeastern, and some central areas. These regions are mainly characterized by steep slopes, sparse vegetation cover, high rainfall erosivity, and erosion-prone soil textures. Statistical analysis results revealed that slope had the highest correlation with soil erosion (r = 0.33, R² = 0.11), highlighting the significant role of topography and elevation differences in erosion intensity. The SPI and NDVI indices also showed positive and significant correlations (r = 0.20 and r = 0.22, respectively), whereas the TWI and slope curvature indices exhibited no significant relationships. The findings of this study underscore the necessity of implementing protective measures such as vegetation stabilization, land use management, and runoff control in high-risk areas of the watershed.

References:

1. احمدی لمراسکی، رضا و ديگران (1403). شبیه‌سازی سناریوهای عملیات بیولوژیکی حفاظت خاک بر تغییرات فرسایش با استفاده از مدل RUSLE (حوزه آبخیز مرگاو-بخش فریم استان مازندران). انجمن آبخیزداری ایران. 64 (18)، 15-28.
2. احمدی، حسین (1388). ژئومورفولوژی کاربردی (فرسایش آبی). تهران: انتشارات دانشگاه تهران.
3. آرخی، صالح؛ نیازی، یعقوب (1389). بررسی کاربرد GIS و RS برای تخمین فرسایش خاک و بار رسوب با استفاده از مدل RUSLE (مطالعه موردی: حوضه بالادست سد ایلام). پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 17 (2)، 1-27.
4. داودی، شکوفه؛ غفاری، حیدر؛ فرخیان فیروزی، احمد (1403). برآورد مکانی فرسایش و رسوب در محیط GIS با استفاده از مدل SEDD و RUSLE در حوزه آبخیز رودزرد استان خوزستان،. انجمن آبخیزداری ایران. 66 (18)، 1-7.
5. شگرخدایی، سیده زینب؛ فتح‌نیا، امان‌اله؛ هاشمی دره‌بادامی، سیروس (1402). بررسی ارتباط آلاینده‌های هوا با شاخص‌های سنجش‌ از دور NDVI، NDBI،LST و ATIدر شهر تهران. جغرافیا و مخاطرات محیطی. 12 (3)، 123-144.
6. عابدینی، موسی؛ پاسبان، امیرحسام (1403). تجزیه و تحلیل و پهنه‌بندی میزان فرسایش خاک و ارتباط آن با شاخص‌های هیدروژئومورفیک و پوشش گیاهی، مطالعه موردی: حوضه آبریز خیاوچای، مشکین‌شهر. هیدروژئومورفولوژی. 10 (35)، 19-59.
7. غلامی، لیلا و ديگران (1403). ارزیابی اثر تغییر کاربری اراضی بر فرسایش خاک با استفاده از مدل RUSLE در حوزه آبخیز چرداول ایلام. انجمن آبخیزداری ایران. 65 (18)، 1-11.
8. قادری‌دهکردی، نگین و ديگران (1404). تحلیل تغییرات فرسایش خاک و تولید رسوب در یک قرن اخیر در حوزه آبخیز معرف-زوجی خامسان. مهندسی و مدیریت آبخیز. 17 (1)، 1-13.
9. قربان‌نیا، وجیهه؛ آرمین، محسن (1403). تجزیه و تحلیل اقتصادی فرسایش خاک در حوزه آبخیز نهضت آباد در شهرستان کهگیلویه. جغرافیا و مطالعات محیطی. 13 (50)، 24-36.
10. کلارستاقی، عطااله و ديگران (1387). پیش‌بینی تغییرات احتمالی کاربری جنگل به دیم کاری با استفاده از مدل‌سازی احتمالاتی در حوزه آبخیز فریم صحرا–استان مازندران. پژوهش و سازندگی. 21، 62-52.
11. گرشاسبی، فاطمه؛ جوکارسرهنگی، عیسی (1403). بررسی تاثیر تغییرات کاربری اراضی و بارش بر میزان فرسایش خاک در حوضه اوارد نکارود. پژوهش‌های فرسایش محیطی. 53 (14)، 104-120.
12. محمدی، شاهین؛ کریم‌زاده، حمیدرضا؛ علیزاده، میثم (1397). برآورد مکانی فرسایش خاک کشور ایران با استفاده از مدل RUSLE. اکوهیدرولوژی. 5 (2)، 551-569.
13. مددی، عقیل؛ اصغری سراسکانرود، صیاد؛ حاجت‌پور قلعه رودخانی، حسین (1403). بررسی تغییرات کاربری اراضی با تاکید بر پوشش جنگلی و اثرات آن بر فرسایش خاک با استفاده از طبقه‌بندی شی‌گرا و تکنیک چندمعیاره مارکوس مطالعه موردی: حوضه آبریز قلعه رودخان فومن. هیدروژئومورفولوژی. 39 (11)، 141-164.
14. مددی، عقیل و ديگران (1399). پهنه‌بندی خطر سیلاب در حوضه آبریز قوری‌چای کورائیم در استان اردبیل. پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی. 9 (2)، 81-97.
15. مددی، عقیل؛ شریفی، زهرا (1403). تلفیق شاخص‌های ژئومورفومتری و پوشش گیاهی برای برآورد خطر فرسایش خاک در حوضه آبخیز سامیان، استان اردبیل. جغرافیا و روابط انسانی. 10.22034/gahr.2024.451130.2083
16. Aneseyee, A.B. et al (2020). Land use/land cover change effect on soil erosion and sediment delivery in the Winike watershed, Omo Gibe Basin, Ethiopia. Science of the Total Environment. 728, 138776.
17. Bharath, A. et al (2021). Drainage morphometry based sub-watershed prioritization of Kalinadi basin using geospatial technology. Environmental Challenges. 5, 100277.
18. Birhanu, L. et al (2024). Impact of land use and land cover change on soil erosion in Dondor Watershed, Blue Nile Basin, Northwestern Ethiopia. Sustainability. 16 (23),10421.
19. De Crop, W. et al (2023). Accelerated soil erosion and sedimentation associated with agricultural activity in Crater-Lake Catchments of Western Uganda. Land. 12 (5), 976.
20. Ma, S. et al (2023). Impacts of land use/land cover and soil property changes on soil erosion in the black soil region, China. Environ Manag. 328, 117024.
21. Margiorou, S.; Kastridis, A. & Sapountzis, M. (2022). Pre/post-fire soil erosion and evaluation of check-dams effectiveness in Mediterranean Suburban catchments based on field measurements and modeling. Land. 11, 1705.
22. Merchan, L. et al (2023). Water erosion risk analysis in the Arribes del Duero natural park (Spain) using RUSLE and GIS techniques. Sustainability. 15 (2), 1627.
23. Moore, I.D. & Grayson, R.B. (1991). Landson. digital terrain modeling: A review of hydrological, geomorphological and biological application. Hydrol. 5, 3-30.
24. Mukanov, Y. et al (2019). Estimation of annual average soil loss using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) integrated in a Geographical Information System (GIS) of the Esil River basin (ERB), Kazakhstan. Acta Geophys. 67, 921–938.
25. Othman, A.A. et al (2023). Insights for estimating and predicting reservoir sedimentation using the RUSLE-SDR approach: A case of Darbandikhan Lake Basin, Iraq–Iran. Remote Sens. 15, 697.
26. Pradhan, B. et al (2012). Soil erosion assessment and its correlation with landslide events using remote sensing data and GIS: A case study at Penang Island, Malaysia. Environmental monitoring and assessment. 184 (2), 715-727.
27. Renard, K.G. et al (1996). Predicting soil erosion by water: A guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Agriculture handbook. 703.
28. Renard, K.G. & Freidmund, J.R. (1994). Using monthly precipitation data to estimate the R-factor in the RUSLE, National Agricultural Library. Journal of Hydrology. 157, 287-306.
29. Sengupta, S.; Mohinuddin, S. & Arif, M. (2021). Sub-watershed prioritization for soil erosion potentiality estimation in tenughat catchment, India. Geocarto International. 16. 1-30.
30. Serbaji, M.M.; Bouaziz, M. & Weslati, O. (2023). Soil water erosion modeling in Tunisia using RUSLE and GIS integrated approaches and Geospatial Data. Land. 12 (3), 548.
Sharma, A., (2010). Integrating terrain and vegetation indices for identifying potential soil erosion risk area. Geo-Spatial Information Science. 13 (13), 201-209.
31. Wischmeier, W.H. & Smith, D.D. (1978). Predicting rainfall erosion losses: a guide to conservation planning Department of Agriculture, Science and Education Administration.
Wondie, M. & Mekuria, W. (2018). Planting of Acacia decurrens and dynamics of land cover change in Fagita Lekoma district in the Northwestern highlands of Ethiopia. MtRes Dev. 38, 230–239.