Analysis of the relationship between morphometric properties and erodibility using topographic position index in the Pivehzhen binalod

Naemitabar, Mahnaz; Zanganeh Asadi, Mohammad Ali; Zandi, Rahman

doi:10.30495/girs.2023.686216

Manuscript ID : GIRS-2106-1925 (R1) Visit : 460 Page: 66 - 85

10.30495/girs.2023.686216

https://dorl.net/dor/20.1001.1.26767082.1402.14.1.4.9

Article Type: Original Research

Analysis of the relationship between morphometric properties and erodibility using topographic position index in the Pivehzhen binalod

Subject Areas : Applications in water resources management

Mahnaz Naemitabar ¹ , Mohammad Ali Zanganeh Asadi ² , Rahman Zandi ³

1 - PhD. Student of Geomorphology, Department of Geomorphology, Faculty of Geography and Environmental Sciences, University of Hakim Sabzevari, Sabzevar, Iran
2 - Associate Professor, Department of Geomorphology, Faculty of Geography and Environmental Sciences, University of Hakim Sabzevari, Sabzevari, Iran
3 - Associate Professor, Department of Remote sensing and GIS, Faculty of Geography and Environmental Sciences, University of Hakim Sabzevari, Sabzevar, Iran

Received: 2021-06-25 Accepted : 2021-11-06 Published : 2023-01-21

Keywords: Topographic Position Index (TPI), Erodibility, Morphometry, landform,

Abstract :

Background and Objective The morphometric parameters of the catchment are very suitable indicators for the analysis of geomorphological processes. Erosion studies and sediment production are among the most important research carried out by geoscientists, especially geomorphologists, to implement soil and water conservation programs, reduce erosion, change the hydraulic flow of rivers, and prevent the reduction of reservoir dam lake capacity. To measure the geometric (geometric) characteristics of a river, the term morphometry or river shaping is used. In fact, morphometrics is the quantitative analysis of the geomorphic features of landforms in an area. Morphometric analysis is one of the effective methods for prioritizing sub-basins that can indicate the status of the drainage network of the basin. Investigation of morphometric features of the Piveh Gene watershed is based on morphometric and geomorphometric indices. Considering the importance of studying morphometric characteristics in watershed studies and examining the degree of erosion in this study, the aim is to analyze the morphometric features with the type of landform and predict the amount of erosion through landforms.Materials and Methods In the present study, for morphometric analysis, ArcGIS software, a digital elevation model (DEM) with an accuracy of 20 meters, prepared from 1:50,000 digital topographic maps of the National Mapping Organization and Aster satellite images were used. Has been. To extract the number of waterways, ArcView software, a digital terrestrial model (DEM), has been used. For the slope parameter and the slope direction and height of the study area, we used a topographic map and a digital elevation model of the earth. In order to prepare the drainage density parameter, the existing elevation waterways were extracted from the digital elevation model using the module (Spectral indices) in Archydro and the digital elevation model of the Aster satellite. A threshold of 25-50 cells was selected for drainage network extraction and the drainage network was plotted. In the last step, waterways were classified by astral method and morphometric parameters were extracted. To separate the landforms of the region, a digital model of height with a resolution of 20 meters was used and then the type of landforms were identified based on TPI or topographic position index and according to equation TPIi = Z0 – Σ n-1 Zn/n (Z0 Model point height under evaluation, Zn The height of the grid, n The total number of surrounding points considered in the evaluation) comparing the height of each cell in a digital model TPI, Height is adjacent to the average height of the cells. Finally, the average height decreases from the height value in the center.Results and Discussion Morphometric parameters studied in this paper include the number of streams (Nu), the rank of streams (U), the length of streams (L), bifurcation coefficient (Rb), roughness coefficient (Bb), drainage density (Dd), frequency of streams (F), shape factor (Rf), roundness coefficient (Rc) and rectangle coefficient are equivalent (Re). The results showed that according to the number of waterways (184 waterways), the existence of first, second, and third-degree waterways, the length of waterways, the high ratio of waterway lengths to the area of the basin, and the high unevenness coefficient of the erodible area And requires optimal planning and management. Also, landform studies in the study area showed that with the help of morphometric features, they determined the susceptibility of landforms to erosion in the area. So that after preparing the landforms using the topographic position index (TPI) and considering erosion-sensitive areas through morphometric features, erosion-sensitive landforms in the study area were identified. By comparing the landform map and the erosion zoning map of the study area, it was found that Class 2 landforms (U-shaped valley) and Class 4 landforms (high drains) have the highest erosion. The results showed that with increasing the drainage density, the amount of erosion increases.Conclusion After mapping the landforms using the topographic position index (TPI) and considering erosion-sensitive areas through morphometric features, erosion-sensitive landforms in the study area were identified. So that the increase in the number of waterways and their length in the watershed indicates an increase in erosion. Then, the topographic position index (TPI), which distinguishes between hollow and bulge, was considered as one of the geomorphometric indicators. The lower and upper limits of the index (TPI) for the study area were calculated as -39.21 and 33.51, respectively. Areas with negative TPI indicate low topography (concavities and pits) while areas with positive TPI indicate high topography (convex or ridges). The presence of dimples and holes (in areas with low TPI) increases the latency of surface currents in the area and causes water infiltration, which in turn can have a significant impact on the storage of precipitation and surface runoff. Have. The results of studies of morphometric parameters indicate that the erodibility conditions of the region are more favorable and the situation is critical. Analysis of classified data showed that the area and length of the canal are effective in erosion. By comparing the landforms map and the waterways map of the study area, it was found that the 4th floor landforms (U-shaped valleys) and the 3rd-floor landforms (high drainages) have the highest erodibility. Also, with an increasing degree of unevenness, the amount of erosion in the area increases, which in landforms located at high altitudes, such as ridges (Class 8 and 10 landforms), the highest amount and, consequently, the highest sensitivity of these landforms are determined. Class 3 locations have the highest drainage density. Due to its natural features, morphometric and physiographic features, the study area is round, which makes the time of short concentration and literal peak larger and more prone to flooding. By examining other morphological components, we came to the conclusion that the study area is prone to erosion.

References:

Ajaykumar K K, Jaweed TH, Kale SS, Umrikar BN, Sankhua RN. 2019. Identification of erosion-prone areas using modified morphometric prioritization method and sediment production rate: a remote sensing and GIS approach. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 10(1): 986-1006. https://doi.org/10.1080/19475705.2018.1555189.

Arabameri A, Pourghasemi H, Rezaei K, Sohrabi M. 2019. Prioritization sub-watershed of Acemangar Basin in Chaharmahal-e- Bakhtiari for soil and water management using morphometric parameters and ensemble of TOPSIS-multivariate linear regression algorithm. Iranian Watershed Management Science and Engineering, 13(45): 87-96. http://dorl.net/dor/20.1001.1.20089554.1398.13.45.11.5. (In Persian).

Bahrami S, motamedi rad m, akbari e. 2013. Evaluation of the effect of tectonic in the quantitative characteristics of drainage system (case study: four catchments in northeast of Iran). Arid Regions Geographic Studies, 3(12): 85-102. http://journals.hsu.ac.ir/jarhs/article-1-295-en.html. (In Persian).

De Reu J, Bourgeois J, Bats M, Zwertvaegher A, Gelorini V, De Smedt P, Chu W, Antrop M, De Maeyer P, Finke P. 2013. Application of the topographic position index to heterogeneous landscapes. Geomorphology, 186: 39-49. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2012.12.015.

Farhan Y, Anbar A, Al-Shaikh N, Mousa R. 2016. Prioritization of semi-arid agricultural watershed using morphometric and principal component analysis, remote sensing, and GIS techniques, the Zerqa River Watershed, Northern Jordan. Agricultural Sciences, 8(1): 113-148. https://doi.org/10.4236/as.2017.81009.

Gayen S, Bhunia GS, Shit PK. 2013. Morphometric analysis of Kangshabati-Darkeswar Interfluves area in West Bengal, India using ASTER DEM and GIS techniques. http://111.93.204.14:8080/xmlui/handle/123456789/582.

Gidey G, Ketema T, Gashu G, Deressa S. 2021. GIS Based Morphometric Analysis of Gudina Wacho Watershed, Western Ethiopia: Suggestion for Surface Irrigation Development. Journal of Water Resources and Ocean Science, 10(5): 92-99. https://doi.org/10.11648/j.wros.20211005.11.

Gomez-Heras M, Ortega-Becerril JA, Garrote J, Fort R, Lopez-Gonzalez L. 2019. Morphometric measurements of bedrock rivers at different spatial scales and applications to geomorphological heritage research. Progress in Earth and Planetary Science, 6(1): 1-18. https://doi.org/10.1186/s40645-019-0275-0.

Gudowicz J, Paluszkiewicz R. 2021. MAT: GIS-Based Morphometry Assessment Tools for Concave Landforms. Remote Sensing, 13(14): 2810. https://doi.org/10.3390/rs13142810.

Horton RE. 1945. Erosional development of streams and their drainage basins; hydrophysical approach to quantitative morphology. Geological society of America bulletin, 56(3): 275-370.

Jafari GH, Qafori K. 2021. Erodibility status analysis of sub-basins of Zagros Morphotectonic unit in relation to morphometric characteristics. Environmental Erosion Research Journal, 10(4): 74-89. http://dorl.net/dor/20.1001.1.22517812.1399.10.4.1.8. (In Persian).

Joshi M, Kumar P, Sarkar P. 2021. Morphometric parameters based prioritization of a Mid-Himalayan watershed using fuzzy analytic hierarchy process. In: E3S Web of Conferences. EDP Sciences, p 10004. https://doi.org/10010.11051/e10003sconf/202128010004.

Khan M, Gupta V, Moharana P. 2001. Watershed prioritization using remote sensing and geographical information system: a case study from Guhiya, India. Journal of Arid Environments, 49(3): 465-475. https://doi.org/10.1006/jare.2001.0797.

Kumar B, Rao CUB, Rao KS, Patel A, Kushwaha K, Singh SK. 2021. Geomorphic analysis, morphometric-based prioritization and tectonic implications in Chite Lui river, Northeast India. Journal of the Geological Society of India, 97: 385-395. https://doi.org/10.1007/s12594-021-1696-0.

Kumar R, Singh P, Mishra VN, Singh A, Sajan B, Shahi AP. 2019. Geospatial approach for quantitative drainage morphometric analysis of varuna river basin, India. Journal of Landscape Ecology, 12(2): 1-25. https://doi.org/10.2478/jlecol-2019-0007.

Lalramchulloa DA, Rao CUB, Rinawma P. 2021. Morphometric and Sinuosity Analysis of Tlawng River Basin: A Geographic Information System Approach. Journal of Geographical Studies, 5: 22-32. https://doi.org/10.21523/gcj5.21050103.

Mahala A. 2020. The significance of morphometric analysis to understand the hydrological and morphological characteristics in two different morpho-climatic settings. Applied Water Science, 10(1): 1-16. https://doi.org/10.1007/s13201-019-1118-2.

Miller V. 1953. A quantitative geomorphologic study of drainage watershed characteristics in the Clinch Mountain area, Virginia and Tennessee. Project NR 389042, Tech Report 3. Columbia University Department of Geology. ONR Geography Branch. New York. 77-93.

Moglen GE, Eltahir EA, Bras RL. 1998. On the sensitivity of drainage density to climate change. Water resources research, 34(4): 855-862. https://doi.org/10.1029/97WR02709.

Mohammed A, Adugna T, Takala W. 2018. Morphometric analysis and prioritization of watersheds for soil erosion management in Upper Gibe catchment. Journal of Degraded and Mining Lands Management, 6(1): 1419. https://doi.org/10.15243/jdmlm.2018.061.1419.

Muralitharan J, Abebe A, Duraisamy R. 2021. Drainage Morphometric Analysis of Shope watershed, Rift Valley, Ethiopia: Remote sensing and GIS-based approach. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol 1. IOP Publishing, pp 012009. https://doi.org/012010.011088/011755-011315/012796/012001/012009.

Nawaj S, Siddiqui L, Islam MS, Parveen N, Saha M. 2021. Evolution of river course and morphometric features of the River Ganga: A case study of up and downstream of Farakka Barrage. International Soil and Water Conservation Research, 9(4): 578-590. https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2021.01.006.

Obeidat M, Awawdeh M, Al‐Hantouli F. 2021. Morphometric analysis and prioritisation of watersheds for flood risk management in Wadi Easal Basin (WEB), Jordan, using geospatial technologies. Journal of Flood Risk Management, 14(2): e12711. https://doi.org/10.1111/jfr3.12711.

Psomiadis E, Charizopoulos N, Soulis KX, Efthimiou N. 2020. Investigating the correlation of tectonic and morphometric characteristics with the hydrological response in a Greek river catchment using earth observation and geospatial analysis techniques. Geosciences, 10(9): 377. https://doi.org/10.3390/geosciences10090377.

Rajabi M, Roostaei S, Akbari B. 2019. Investigation of Meandering Pattern of Aji-Chay River Using Central Angle Indices and Curvature coefficient (Area between Bakhshayesh and Khajeh). Hydrogeomorphology, 6(20): 21-40. http://dorl.net/dor/20.1001.1.23833254.1398.6.20.2.5. (In Persian).

Różycka M, Migoń P. 2021. Morphometric properties of river basins as indicators of relative tectonic activity–Problems of data handling and interpretation. Geomorphology, 389: 107807. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2021.107807.

Schumm SA. 1956. Evolution of drainage systems and slopes in badlands at Perth Amboy, New Jersey. Geological society of America bulletin, 67(5): 597-646. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1956)67[597:EODSAS]2.0.CO;2.

Sethupathi A, Narasimhan CL, Vasanthamohan V, Mohan S. 2011. Prioritization of miniwatersheds based on Morphometric Analysis using Remote Sensing and GIS techniques in a draught prone Bargur–Mathur subwatersheds, Ponnaiyar River basin, India. International Journal of Geomatics and Geosciences, 2(2): 403-414.

Singh W, Barman S, Tirkey G. 2021. Morphometric analysis and watershed prioritization in relation to soil erosion in Dudhnai Watershed. Applied Water Science, 11(9): 151. https://doi.org/10.1007/s13201-021-01483-5.

Strahler AN. 1952. Hypsometric (area-altitude) analysis of erosional topography. Geological society of America bulletin, 63(11): 1117-1142. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1952)63[1117:HAAOET]2.0.CO;2.

Strahler AN. 1957. Quantitative analysis of watershed geomorphology. Eos, Transactions American Geophysical Union, 38(6): 913-920. https://doi.org/10.1029/TR038i006p00913.

_||_

Gudowicz J, Paluszkiewicz R. 2021. MAT: GIS-Based Morphometry Assessment Tools for Concave Landforms. Remote Sensing, 13(14): 2810. https://doi.org/10.3390/rs13142810.

Horton RE. 1945. Erosional development of streams and their drainage basins; hydrophysical approach to quantitative morphology. Geological society of America bulletin, 56(3): 275-370.

Moglen GE, Eltahir EA, Bras RL. 1998. On the sensitivity of drainage density to climate change. Water resources research, 34(4): 855-862. https://doi.org/10.1029/97WR02709.

Strahler AN. 1957. Quantitative analysis of watershed geomorphology. Eos, Transactions American Geophysical Union, 38(6): 913-920. https://doi.org/10.1029/TR038i006p00913.

Full-Text:

تحلیل ارتباط ویژگیهای مورفومتری و فرسایشپذیری با استفاده از شاخص موقعیت توپوگرافی در حوضه آبریز پیوهژن بینالود

چکیده

از مهمترین مباحث علم ژئومورفولوژي و مدیریت رودخانه، موضوع مورفولوژي کانالهاي رودخانهاي است که به کمک آن میتوان به مجموعهای از اطلاعات مفید درباره شکل هندسی، فرم بستر، پروفیل طولی، مقاطع عرضی، تغییر شکل و موقعیت آبراههها در طول زمان دست یافت. برنامهریزی و اولویتبندی زیرحوضهها و شناسایی خصوصیات مورفومتریک حوضههای آبخیز، از لحاظ توسعه پایدار و مدیریت سرزمین، بسیار ضروری است. برای استخراج آبراهههای منطقه و بررسی حوضه آبخیز از نظر مورفومتری از مدل رقومی ارتفاع (DEM) 20 متر استفاده شد. پارامترهای مورفومتری بررسی شده در این مقاله شامل تعداد آبراههها (Nu)، رتبه آبراههها (U)، طول آبراههها (L)، ضریب بیفورکاسیون (Rb)، ضریب ناهمواری (Bb)، تراکم زهکشی (Dd)، فراوانی آبراههها (F)، فاکتور شکل (Rf)، ضریب گردی (Rc) و ضریب مستطیل معادل (Re) میباشد. نتایج نشان داد که با توجه به تعداد آبراههها (184آبراهه) وجود آبراهههای درجه اول، دوم و سوم، زیاد بودن طول آبراههها، بالا بودن نسبت طول آبراههها به مساحت حوضه و ضریب ناهمواری بالا منطقه فرسایشپذیر بوده و نیاز به برنامهریزی و مدیریت بهینه دارد. همچنین مطالعات لندفرمها در منطقه مورد مطالعه نشان داد که به کمک ویژگیهای مورفومتری و میزان حساسیت لندفرمها به فرسایش را در منطقه مشخص نمود. به طوری که بعد از تهیه نقشه لندفرمها با استفاده از شاخص موقعیت توپوگرافی(TPI) و در نظرگرفتن مناطق حساس به فرسایش از طریق ویژگیهای مورفومتری، لندفرمهای حساس به فرسایش در منطقه مورد مطالعه مشخص شدند. با مقایسه نقشه لندفرمها و نقشه پهنهبندی فرسایش منطقه مورد مطالعه مشخص شد که لندفرمهای کلاس 2 (دره U شکل) و لندفرمهای کلاس 4 (زهکشهای مرتفع) از بیشترین فرسایشپذیری برخوردار هستند. نتایج نشان داد که با افزایش میزان تراکم زهکشی میزان فرسایشپذیری افزایش مییابد.

واژه‌های کلیدی: مورفومتری، خصوصیات مورفومتریک ، لندفرم، شاخص موقعیت توپوگرافی(TPI)، فرسایشپذیری.

مقدمه

مورفولوژی رودخانه علم شناخت سیستم رودخانه از نظر شکل و فرم کلی، ابعاد و هندسه هیدرولیکی، راستا و پروفیل طولی بستر و نیز روند و نحوه تغییرات آن میباشد. مورفولوژی رودخانه به فاکتورهای متعددی چون تغییرات جریان آب، شیب بستر، سطح مقطع رودخانه، زمینشناسی منطقه، تکتونیك یا مورفوتکتونیك منطقه و نیز زمان لازم برای شکلگیری و تغییر شکل رودخانه، بستگی دارد (29). برای اندازهگیری ویژگیهای ژئومتری (هندسی) رودخانه، از اصطلاح مورفومتری یا شکلسنجی رودخانهای استفاده میشود. در واقع مورفومتری، تحلیلهای کمی از ویژگیهای ژئومورفیک لندفرمهای یک منطقه است. تحلیل مورفومتریک یکی از روشهای موثر برای اولویتبندی زیرحوضههاست که میتواند بیانگر وضعیت شبکه زهکشی حوضه باشد )14). پارامترهای مورفومتری حوضه آبریز شاخصهای بسیار مناسب برای تحلیل فرآیندهای ژئومورفولوژیکی هستند. مطالعات فرسایش و تولید رسوب از مهمترین تحقیقاتی هستند که به منظور اجرای برنامههای حفاظتی آب وخاک، کاهش فرسایش، تغییر هیدرولیک جریان رودخانهها و همچنین جلوگیری از کاهش گنجایش دریاچه سدهای مخزنی، توسط متخصصان علوم زمین و به خصوص ژئومورفولوژیستها انجام میگیرد (3). پیشرفت در فناوری GIS طبقهبندی خودکار بر اساس شاخص موقعیت توپوگرافی TPI را تسهیل کرده است (31). رابطه بین پارامترهای مورفومتریک از طریق زمینشناسی زیرین آن، ژئومورفولوژی و ویژگیهای هیدرولوژیکی مختلف مشخص میشود (20). برای توصیف رابطه بین پارامترهای مختلف زهکشی یک حوضه ، تجزیه و تحلیل ریختسنجی کمی روشی مناسب است که با انجام مطالعه همبستگی ویژگیهای ریخت شناسی و هیدرولوژیکی حوضه بدست می آید (36). تاکنون مطالعات زیادی در این زمینه انجام شده است که به مواردی از آنها اشاره میشود. زنگنه اسدی و همکاران (37) در پژوهشی در حوضه آبریز کرج جهت جهت براورد خطر فرسایش و رسوب با استفاده از روشهای مورفومتری و تجربی به این نتایج دست یافتند که روش مورفومتری از نزدیکترین برآورد نسبت به دادههای واقعی برخوردار است و برای برآورد فرسایش در حوضههای آبریز بزرگ روش مناسبی محسوب میشود. فرهان و همکاران(5) با استفاده از مورفومتری، تکنیکهای سنجش از دور و GIS به اولویتبندی حوضه آبخیز رودخانه(Zargha) در شمال اردن پرداختند. نتایج نشان داد که اولویتبندی حوضههای آبریز بر مبنای تحلیل مورفومتری، سازگارتر و برای تصمیمگیری در برنامهریزی حفاظت در مقایسه با رویکرد PCA بهتر است. کومار رای و همکاران (16) جهت بررسی تراکم زهکشی حوضه رودخانه وارونا (Varuna) هند با استفاده ازGIS و دادههای مدل ارتفاع دیجیتال (DEM) به این نتایج دست یافتند که پارامترهای ریختسنجی مشتق شده با کمک دادههای ارتفاعیDEM مبتنی بر ASTER استر(SRTM) یا از طریق تکنیکهای GIS اطلاعات بسیار مفیدی در زمینه تفسیر دادههای هیدرولوژیکی حوضهها ارائه میدهد. عرب عامری و همکاران (2) در پژوهشی جهت اولویتبندی مورفومتریک حوزههای آبخیز به منظور مدیریت بهینه منابع آب و خاک به این نتیجه رسیدند که پارامترهای مورفومتریک و مدل ترکیبی دارای دقت بالایی در شناسایی زیرحوضههای با پتانسیل سیل خیزی و فرسایشپذیری بالا است. از دیگر پژوهشهای صورت گرفته میتوان به گومز هرز و همکاران(8)، گودویکز و همکاران(9)، کومار و همکاران(15)، محمد و همکاران(21)، روزیکا و همکاران(29) اشاره کرد. هدف از پژوهش حاضر بررسی ویژگیهای مورفومتری حوضه آبخیز پیوهژن بر مبنای شاخصهای مورفومتری و ژئومورفومتری است. با توجه به اهمیت بررسی ویژگیهای مورفومتری در مطالعات حوضه آبخیز و بررسی میزان فرسایشپذیری در این مطالعه هدف بررسی ویژگیهای مورفومتری با نوع لندفرم و پیشبینی میزان فرسایش از طریق لندفرمها است.

روش تحقیق

موقعیت جغرافیایی محدوده مورد مطالعه

حوضه پيوهژن درجنوب غربي شهرستان مشهد قرار دارد. حوضه از شمال به روستاي مغان، از جنوب به روستاي حاجي آباد و فخر داود، از غرب به روستاي قاسم آباد و ديز باد بالا و از شرق به روستاي اوارشك محدود ميشود. مساحت منطقه مورد مطالعه 16/42 کیلومتر مربع با موقعيت طول جغرافيايي "61 َ34 ْ59 و عرض جغرافيايي "38 َ05 ْ36 میباشد. سنگ شناسی منطقه مورد مطالعه متنوع بوده اگرچه 60/71 درصد از منطقه را واحدهاي سري مایان که متشکل از فیلیت، شیل، ماسه سنگ و کوارتزیت هستند، تشکیل داده است. از نظر نوع کاربري اراضی، 51/72 درصد از کاربري منطقه را اراضی مرتعی تشکیل داده و حداقل و حداکثر میانگین بارش سالانه بین 302-480 میلیمتر متغیر هست (شکل 1).

شکل (1). نقشه موقعیت منطقه مورد مطالعه

Fig1. Location map of the study area

مواد و روشها

در پژوهش حاضر جهت تحلیلهای مورفومتری از نرم افزار Arc gis 10.4، مدل رقومی ارتفاعی (DEM) با دقت 20 متر تهیه شده از نقشههای توپوگرافی 1:50000 رقومی سازمان نقشه برداری کشور و تصاویر ماهوارهای استر (Aster) استفاده شده است. جهت استخراج تعداد آبراههها از نرم افزار آرک ویو (ArcView)، مدل ارتفاعي رقومي زمين (DEM)، استفاده شده است. برای پارامتر شیب و جهت شیب و ارتفاع منطقه مطالعاتی از نقشه توپوگرافی و مدل ارتفاعی رقومی زمین استفاده نمودیم. جهت تهیه پارامتر تراکم زهکشی نیز از مدل رقومی ارتفاع با استفاده از ماژول (Spectral indices) در Arc hydro و مدل رقومی ارتفاعی ماهواره استر (Aster) به صورت اتوماتیک آبراهههای موجود حوضه استخراج گردید. آستانه 25-50 سلول برای استخراج شبکه زهکشی انتخاب و شبکه زهکشی ترسیم شد. درآخرين مرحله، رتبهبندي آبراههها به روش استرالر انجام و پارامترهای مورفومتری استخراج شد. ویژگیهای مورفومتری مورد بررسی به همراه فرمولها و نحوه آنها در جدول یک نشان داده شده است. در روش ردهبندی استرالر، بخشی از آبراهه که هیچ سرشاخهای ندارد به عنوان آبراهه درجه 1 است و با اتصال دو آبراهه درجه 1، آبراهه درجه 2 و با اتصال دو آبراهه درجه 2، آبراهه درجه 3 و با اتصال دو آبراهه درجه 3، آبراهه درجه 4 نامیده میشود. به طور کلی با اتصال دو آبراهه با درجه مشابه آبراهه یک درجه بالاتر تشکیل میشود. در هر سیستم زهکشی بینهایت اتصال وجود دارد و در حالت طبیعی باید آبراهههای درجه 1 به آبراهه درجه 2 و دو آبراهه درجه 2 به یک آبراهه درجه 3 بریزد.

شکل 2. مدل رقومی ارتفاع حوضه

Fig2. Basin elevation classes

Fig 2. Digital model of basin height

جدول 1. ویژگیهای مورفومتری بررسی شده در حوضه آبخیز مورد مطالعه

Table 1. Morphometric features studied in the studied watershed

ویژگیهای مورفومتری	فرمول	توصیف	منابع
رتبه رودخانه(u)	-	-	استرالر (38)
طول رودخانه(Lu)	-	-	هورتون (13)
میانگین طول رودخانه (Lsm)	Lsm = Lu/Nu	Nu تعداد کل آبراهه ها	استرالر (38)
نسبت طول رودخانه (RL)	RL= Lu/L (u-1)	L(u-1) مجموعه طول رودخانه	هورتون (13)
نسبت بیفورکاسیون (Rb)	Rb =Nu/N (u+1)	N (u+1) تعداد رودخانههای رتبه بالاتر	شوم (33)
میانگین نسبت بیفورکاسیون (Rbm)	Rbm = AverageRb Ofaiiorders	-	استرالر (39)
ضریب ناهمواری (Rh)	Rh = H/L	H کل رلیف حوضه و Lb طول حوضه آبخیز	شوم (33)
ضریب مستطیل معادل (Re)	Re = (2/Lb) * (A/π)0/5	Π = 3.14	شوم (33)
نسبت گردی (Rc)	RC = 4t * A/P2	-	میلر (21)
ضریب شکل (Rf)	Rf = A/Lb2	-	هورتون (12)
بافت زهکشی (Rt)	Rt = NU/P	P محیط حوضه	هورتون (13)
فراوانی آبراهه (FS)	FS = NU/A	-	هورتون (12)
تراکم زهکشی (D)	D = LU/A	A مساحت حوضه	هورتون (12)

طبقهبندی لندفرمها به روش TPI

برای جداسازی لندفرمهای منطقه از مدل رقومی ارتفاع با قدرت تفکیک 20 متر استفاده شد و سپس نوع لندفرمها بر اساس TPI یا شاخص موقعیت توپوگرافی شناسایی شدند و طبق معادله (1) مقایسه ارتفاع هر سلول در یک مدل رقومی TPI، ارتفاع با میانگین ارتفاع سلولها همسایه میباشد. در نهایت ارتفاع میانگین از مقدار ارتفاع در مرکز کم میشود. بهرامی و همکاران(3).

رابطه(1): TPIi = Z0 – Σ n-1 Zn/n

Z0: ارتفاع نقطه مدل تحت ارزیابی

Zn: ارتفاع از شبکه

n: تعداد کل نقاط اطراف در نظر گرفته شده در ارزیابی

ترکیب TPI در مقیاس کوچک و بزرگ اجازه میدهد تا انواع اشکال ایجاد شود (جدول 2). شاخص موقعیت توپوگرافی، ارتفاع هر پیکسل در مدل رقومی ارتفاع را با پیکسل مشخص اطراف آن پیکسل مقایسه میکند. مقادیر مثبت TPI نشاندهنده مناطقی است که بالاتر از نقاط اطراف قرار گرفته (تپهها) و مقادیر منفی TPI نشاندهنده مناطقی است که پایینتر از اطرافشان هستند (درهها)، مقادیر صفر و نزدیک صفر نیز نشان دهنده مناطق مسطح (جایی که شیب نزدیک صفر است) یا مناطقی با شیب ثابت هستند (شکل 3).

$C:\Users\nasle javan\Desktop\بوشهر\Untitled.tif$

شکل 3. شاخص موقعیت توپوگرافی(TPI)

Fig 3. Topographic index TPI

جدول 2. طبقهبندی انواع لندفرمها بر اساس شاخص موقعیت توپوگرافی(30)

Table 2. Classification of landforms based on topographic position index (30)

شماره کلاس		نوع لندفرم		مقادیر TPI
1		در هها و بریدگیهای واقع بر ارتفاعات و دامنهها		TPId -1
2		درههای آبراهههای میانی		1- > TPI>1
3		زهکشهای مرتفع		TPIe1
4		درههایU شکل		TPId -1
5		دشتهای کوچک		TPI<1, > -1 Slope d 5o
6		دشت سر		TPI<1, > -1 Slope > 5o
7		فلاتهای بالایی(سطوح مسطح واقع بر ارتفاعات)		TPIe 1
8		خط الرأسهای مرتفع		TPId-1
9		تپه		TPI<1 > -1
10	خط الرأسهای مرتفع، قله کوه		TPIe 1

نتایج

به منظور استخراج آبراههها و تعیین رتبه هر یک از آبراههها ابتدا محدوده حوضه آبخیز مورد مطالعه تعیین شد. سپس به کمک اتصال خط الرأسهای منطقه و استفاده از نقشههای توپوگرافی، پارامترهایی از قبیل نقشه طبقات ارتفاعی، جهت جریان، بیشترین تجمع جریان، آبراهههای منطقه و در نهایت رتبه هر یک از آبراههها تعیین شدند (شکل4). در این مطالعه به منظور رتبهبندی آبراههها از روش استرالر استفاده شد. رودخانه اصلی دارای رتبه 3 است. طبق شکل 5 مشخص میشود که کمترین مقدار جهت برای منطقه مورد مطالعه (مسطح و بدون جهت) و بیشترین آن340 درجه (شمالی) میباشد. نقشه شیب منطقه در محیطArcGIS با استفاده از DEM منطقه تهیه شد که در شکل 5 نشان داده شده است. با توجه به شکل 6 مشخص میشود که بیشترین شیب در منطقه 51/73 درجه میباشد. شیبهای بسیار زیاد نشان دهنده سرعت زیاد رواناب و در نتیجه فرسایش زیاد حوضه آبخیز مورد مطالعه هستند. بیشینه ارتفاع محاسبه شده در حوضه آبخیز مورد مطالعه 2590 متر و کمینه آن 1239 متر میباشد که در شکل 7 نشان داده شده است. تعداد کانالها در هر رتبه را در اصطلاح تعداد آبراهههای آن رتبه میگویند. یک قانون کلی وجود دارد که طبق آن تعداد آبراهههای یک حوضه آبخیز با کاهش رتبه آبراههها افزایش مییابد. تعداد آبراهههای منطقه مورد مطالعه در جدول 3 نشان داده شده است.

شکل 4. تعداد آبراهه های حوضه

Figure 4. Number of watersheds in the basin

شکل 5. جهت شیب حوضه

Figure 5. Direction of basin slope

شکل 6. شیب حوضه

Fig 6. Basin Slope

شکل 7. طبقات ارتفاعی حوضه

Fig7. Basin elevation classes

شکل 8. نقشه تراکم زهکشی حوضه مورد مطالعه

Fig 8. Drainage density map of the studied basin

جدول 3. تعداد آبراههها در رتبههای مختلف حوضه مورد مطالعه

Table 3. Number of waterways in different ranks of the studied basin

IV	III	II	I	رتبه آبراهه
1	19	99	121	Nu

شمار بسیار زیادی از آبراهههای با طول کوچک در قسمتهای بالا دست حوضه آبخیز گسترش پیدا کردهاند و دارای طول ثابتی نمیباشند و پیوسته در حال تغییر هستند ولی آبراهههای اصلی حوضه تقریباً دارای طول ثابتی هستند ستاپاتی (31). نتایج مربوط به طول حوضه آبخیز مورد مطالعه در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول4. طول آبراهههای حوضه مورد مطالعه

Table 4. Length of waterways of the studied basin

IV	III	II	I	رتبه آبراهه
12/10	55/16	78/19	61/22	Lu

نسبت بین طول آبراههها با رتبههای متفاوت در جدول 5 نشان داده شده است. با توجه به نتایج مشخص میشود که آبراهههای درجه اول در مجموع طول بیشتری از حوضه را نسبت به آبراهههای درجه دوم و آبراهههای درجه دوم نسبت به درجه سوم دارا هستند. دلیل این نتایج میتواند به علت تغییرات در شیب و توپوگرافی در منطقه مورد مطالعه باشد.

جدول 5. نسبت طول آبراههها در منطقه مورد مطالعه

Table 5. Ratio length ratio of waterways in the study area

IV/III	III/II	II/I	رتبه آبراهه
12/1	08/0	01/0	RL

ضریب بیفورکاسیون نسبت بین تعداد آبراهههای یک رتبه نسبت به آبراهههای بعد از خودش میباشد. در حوضه آبخیز مورد مطالعه بیشترین مقدار ضریب بیفورکاسیون 11/1 محاسبه شد. در واقع به کمک این ضریب میتوان الگوی زهکشی در منطقه را مشخص نمود. نتایج مربوط به ضریب بیفورکاسیون در جدول 6 نشان داده شده است.

جدول 6. ضریب بیفورکاسیون در منطقه مورد مطالعه

Table 6. Bifurcation coefficient in the study area

III/VI	II/III	I/II	رتبه آبراهه
-	02/1	11/1	Rb

میزان Lsm در منطقه مورد مطالعه بین 09/0 تا 012/0 تعیین شد که در جدول 7 نشان داده شده است. میزانLsm هر رتبه از آبراهه نسبت به رتبه بعدی بیشتر میباشد.

جدول 7. میزان Lsm در منطقه مورد مطالعه

Table 7. Lsm level in the study area

IV	III	II	I	رتبه آبراهه
-	0029/0	09/0	012/0	Lsm

میزان بالای نسبت پستی و بلندیها در منطقه نشاندهنده وجود شیبهای زیاد و ارتفاعات زیاد در منطقه می باشد. Rh به طور نرمال با کاهش زهکشهای منطقه افزایش مییابد. وضعیت پستی و بلندیهای منطقه مورد مطالعه در جدول 8 نشان داده شده است.

جدول 8. وضعیت پستی و بلندیهای منطقه مورد مطالعه

Table 8. Postage and elevation of the study area

ضریب ناهمواری	رلیف	بیشینه ارتفاع	کمینه ارتفاع	تراکم زهکشی
22/0	1732	3200	2000	Rh

تراکم زهکشی در واقع نسبت بین طول کل آبراههها به مساحت حوضه آبخیز میباشد. چگالی زهکشی ارتباط زیادی با میزان درهها، کانالها، رلیف و پوشش گیاهی، خاک و صخرههای منطقه دارد. وضعیتDd منطقه مورد مطالعه در جدول 9 نشان داده شده است (شکل 7).

جدول 9. تراکم زهکشی حوضه آبخیز مورد مطالعه

Table 9. Drainage density of the studied watershed

تراکم زهکشی	مساحت	طول کل آبراهه	Dd
0042/0	66/52	58/43	Dd

فروانی آبراههها در واقع نسبت بین تعداد آبراههها به مساحت حوضه آبخیز منطقه مورد مطالعه است هورتون (10). مقدار فراوانی آبراهههای حوضه آبخیز مورد مطالعه 44/0 میباشد که نشان دهنده ارتباط بین آبراههها و وضعیت زمین شناسی منطقه میباشد (جدول 10).

جدول 10. فراوانی آبراهههای حوضه مورد مطالعه

Table 10. Frequency of waterways in the studied basin

Sf	مساحت	N	Fs
32/0	66/52	184	Fs

هورتون در سال 1932 ضریب فرم حوضه را به عنوان نسبت بین طول حوضه آبخیز به مساحت آن معرفی نمود. با توجه به ضریب فرم میتوان میزان کشیدگی یا گردی حوضه آبخیز را مشخص نمود. به طوری که هر چه این ضریب به یک نزدیکتر باشد، حوضه دارای گردی بیشتری میباشد. در منطقه مورد مطالعه ضریب شکل حوضه 51/0 بدست آمد که نشان دهنده کشیدگی حوضه آبخیز مورد مطالعه میباشد (جدول 11).

جدول 11. فاکتور شکل حوضه آبخیز

Table 11. Watershed shape factor

فاکتور شکل	مساحت	طول حوضه آبخیز	Rf
23/0	66/52	45/18	Rf

میلر در سال 1953 ضریب گردی را برای حوضههای آبخیز تعریف نمود. ضریب گرد شدگی از نسبت بین محیط حوضه آبخیز به مساحت آن محاسبه میشود. نتایج مربوط به ضریب گردی حوضه آبخیز مورد مطالعه در جدول 12 آمده است.

جدول 12. ضریب گردی حوضه مورد مطالعه

Table 12. Round coefficient of the studied basin

ضریب گردشدگی	مساحت	محیط	Rc
39/0	66/52	69/35	Rc

ضریب مستطیل معادل نسبت بین کل طول آبراهههای منطقه به مساحت منطقه مورد مطالعه میباشد. هر چه این ضریب بیشتر باشد میزان سیل خیزی منطقه کمتر میباشد شوم (30). مقدار ضریب مستطیل معادل منطقه مورد مطالعه در جدول 13 آمده است.

جدول 13.ضریب مستطیل معادل حوضه مورد مطالعه

Table 13. Rectangular coefficient equivalent to the studied basin

ضریب مستطیل معادل	مساحت	طول	Re
68/0	66/52	10	Re

نتایج کلی حاصل از تجزیه و تحلیل مورفومتری حوضه آبخیز مورد مطالعه در جدول 14 نشان داده شده است.

جدول 14. نتایج مورفومتری حوضه آبخیز مورد مطالعه

Table 14. Morphometric results of the studied watershed

پارامترهای مورفومتریک	ردیف رودخانه
رده رودخانه (U)	ردیف رودخانه
طول رودخانه(LU)	IV	III	II	I
طول رودخانه(LU)	12/10	55/16	78/19	61/22
نسبت طول رودخانه (RL)	-	00044333/0	01511019/0	001171121/0
نسبت بیفورکاسیون (Rb)	-	2/92	13/1	14/1
میانگین طول رودخانه (Lsm)	003/0	32/0	11/2	39/4
محیط حوضه	-	-	-	69/35
مساحت حوضه	-	-	-	66/52
طول حوضه	-	-	-	121/11
کل پستی و بلندی	-	-	-	1121
ضریب ناهمواری (Rh)	-	-	-	0099131/0
تراکم زهکشی (D)	-	-	-	00112017/0
فراوانی آبراهه (FS)	-	-	-	001100171/0
تعداد آبراهه	13	19	52	00019117/0
فاکتور شکل (Rf)	-	-	-	01300132/0
ضریب گردی (Rc)	-	-	-	1120072/0
ضریب مستطیل معادل (Re)	-	-	-	00051114/0

یکی از عوامل مهم کنترل سیلخیزی و فرسایش در حوضه آبخیز، شناسایی ویژگیهای مورفومتری حوضه آبخیز و اولویتبندی آن ها است تا در صورت اجرای عملیات کنترلی، مناطق دارای اولویتهای بالاتر بیشتر مد نظر و مدیریت قرار گیرند. به منظور بررسی میزان فرسایشپذیری حوضه آبخیز مورد مطالعه با نوع لندفرم از روش TPI به منظور استخراج نقشه لندفرم استفاده شد. مساحت هر یک از طبقات در جدول 15 نشان داده شده است.

جدول 15. مساحت هر یک از واحدهای لندفرم منطقه مورد مطالعه

Table 15. Area of each landform unit in the study area

کد	نوع لندفرم	مساحت بر حسب کیلومترمربع
1	درهها و بریدگیهای واقع بر ارتفاعات و دامنهها	13/6
2	درههای آبراهههای میانی	14/5
3	زهکشهای مرتفع	10/12
4	درههای U شکل	12/7
5	دشتهای کوچک	13/5
6	دشت سر	14/6
7	فلاتهای بالایی (سطوح مسطح واقع بر ارتفاعات)	16/2
8	خط الرأسهای مرتفع	12/2
9	تپه	15/2
10	خط الرأسهای مرتفع، قله کوه	30/4
11	مجموع	66/52

شکل 9. پهنهبندی شدت فرسایش در حوضه مورد مطالعه

Fig 9. Erosion intensity zoning in the study basin

بحث و نتیجهگیری

این پژوهش با هدف کشف ارتباط مولفههای کمی مورفولوژی و نوع لندفرمها و فرسایشپذیری آنها با استفاده از مدل رقومی ارتفاع 20 متر انجام شد. در این پژوهش از مؤلفههای تعداد آبراههها (Nu)، رتبه آبراههها (U)، مجموع طول آبراهه (L)، ضریب بیفرکاسیون (Rb)، ضریب ناهمواری (Bb)، تراکم زهکشی (Dd)، فراوانی آبراهه (F)، فاکتور شکل (Rf)، ضریب گردی (Rc) و ضریب مستطیل معادل (Re) استفاده شده است. سپس شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) گه حالت گودی و برآمدگی را مورد تمایز قرار میدهد به عنوان یکی از شاخصهای ژئومورفومتریک در نظر گرفته شد. حد پایین و بالای شاخص (TPI) برای منطقه مورد مطالعه به ترتیب 21/39- و 51/33 محاسبه گردید. مناطق با TPI منفی نشاندهنده توپوگرافی کم (تعقرها و گودالهاست) در حالی که TPI مثبت نشان دهنده توپوگرافی زیاد (محدب و یا ستیغها) است. وجود گودیها و چالهها (در مناطق با TPI کم) موجب افزایش زمان تاخیر جریان های سطحی در منطقه شده و باعث نفود آب میشود که به نوبه خود میتواند تاثیر بسزایی در ذخیره نزولات و روانابهای سطحی داشته باشد. نتایج بررسیهای پارامترهای موفومتری بیانگر آن است که شرایط فرسایشپذیری منطقه مساعدتر و وضعیت بحرانی است. تجزیه و تحلیل دادههای طبقهبندی شده نشان داد که مساحت و طول آبراهه در فرسایش تاثیر گذار است. نتایج حاکی از آن است که درههای U شکل با مساحت 12/7 کیلومتر مربع و زهکشهای مرتفع با مساحت 12/10 کیلومتر مربع بیشترین میزان فرسایش در حوضه را دارند. پارامترهاي به كار رفته در اين پژوهش نشان از حساسیت اين شاخصها در برابر فرسایش و سیلخیزی است. لندفرم درهها و بریدگیهای واقع بر ارتفاعات و دامنهها با مساحت 13/6 کیلومتر مربع، درههای آبراهههای میانی با مساحت 14/5 کیلومتر مربع، دشتهای کوچک با مساحت 13/5 کیلومتر مربع، دشت سر با مساحت14/6 کیلومتر مربع، فلاتهای بالایی (سطوح مسطح واقع بر ارتفاعات) 16/2 کیلومتر مربع، خط الرأسهای مرتفع با مساحت 12/2 کیلومتر مربع، تپه با مساحت 15/2 کیلومتر مربع، خط الرأسهای مرتفع، قله کوه با مساحت 30/4 کیلومتر مربع میباشد که نشاندهنده فرسایشپذیر بودن حوضه میباشد. حوضه از نظر ساختاري وا پیچیده است و رواناب در حد متوسط تا زیاد میباشد. نسبت شاخههاي این حوضه بالاي 3 است که نشان از توپوگرافی مواج حوضه دارد. قسمت بالای حوضه با زمینهای تپهای مشخص میشود ، در حالی که قسمتهای مرکزی و پایینی توسط درههای وسیع اشغال شده است به طوری که افزایش تعداد آبراههها و طول آن در حوضه آبخیز نشاندهنده افزایش فرسایش است. با مقایسه نقشه لندفرمها و نقشه آبراهههای منطقه مورد مطالعه مشخص شد که لندفرمهای طبقه 4 ( درههای U شکل) و لندفرمهای طبقه 3 )زهکشهای مرتفع) دارای بیشترین فرسایشپذیری هستند. همچنین با افزایش میزان درجه ناهمواری میزان فرسایش در منطقه بیشتر میشود که در لندفرم های واقع در ارتفاعات بالا دست مانند خط الرأسها (لندفرمهای کلاس 8 و 10) بیشترین میزان و در نتیجه بیشترین حساسیتپذیری این لندفرمها مشخص شد. مکانهای واقع در کلاس 3 دارای بیشترین چگالی زهکشی میباشند. منطقه مطالعاتی با توجه به ویژگیهای طبیعی، ویژگیهای مورفومتری و فیزیوگرافی ‌گرد است که باعث میشود زمان‌ تمركز كوتاه‌ و ‌دبي ‌اوج‌ بزرگتر و از لحاظ سیلخیزی مستعدتر باشد. با بررسی سایر مولفههای مورفولوژی به این نتایج دست یافتیم که منطقه مطالعاتی از لحاظ فرسایشپذیری مستعد است. نتایج پژوهش با نتایج سینگ و همکاران (32)، جوشی و همکاران (13)، لرامچلا و همکاران (17)، جیدی و همکاران(7)،رجبی و همکاران (26) مطابقت دارد. بررسي و شناخت مورفومتري حوضهها در زمينه مسائل مختلفي از جمله براي تخمين آبدهي رودخانه، پيشبيني سیلاب، مديريت منابع آب حائز اهميت ميباشد. در این مطالعه با بررسی ویژگیهای مورفومتری و مقایسه آن با لندفرمهای منطقه مورد مطالعه، لندفرمهای حساس به فرسایش در منطقه مشخص شد. به طوریکه در مطالعات بعدی بدون اندازهگیری ویژگیهای مورفومتری میتوان از طریق نقشه لندفرمها که به طور اتوماتیک از مدل رقومی ارتفاع تهیه میشود، مناطق حساس به فرسایش را مشخص نمود و بعد از آن مدیریت و راهکارهای الزم را برای کاهش و پیشروی فرسایش در منطقه مورد مطالعه انجام داد. آنالیز مورفومتري به عنوان روشی کم هزینه و سریع در سالهاي اخیر توجه زیادي را به خود جلب کرده است. به طور کلی بررسی و شناخت مورفومتري حوضهها در زمینه مسائل مختلفی از جمله براي تخمین آب دهی رودخانهها، پیشبینی سیلاب، مدیریت منابع آب، برنامه ریزي جهت بهرهبرداري از سدها، مدیریت زراعی اراضی پایین دست و سایر پروژههاي منابع آب و آبخیزداري حائز اهمیت میباشد.

منابع مورد استفاده

Ajaykumar K, Tasadoq H, Jaweed S, Bhavana N. Rabindranath N 2019. Identification of erosion-prone areas using modified morphometric prioritization method and sediment production rate: a remote sensing and GIS approach. Geomatics, Natural Hazards and Risk. 10(1).

Arab Ameri A.R, Porghasemi H.R, Rezaei Kh, Sohrabi M 2019. Morphometric prioritization of watersheds in order Optimal management of water and soil resources. Iranian Watershed Management Science and Engineering. 13: 45. 87-96.

Bahrami Sh, Akbari A. 2013. Study of tectonic effect on quantitative characteristics of drainage network (Case study: four drainage basins in the northeast of the country). Geographical Studies of Arid Areas. 12. 85-102. (In Persian).

De R, jeroen B, jean B, Machteld Z, Ann G, vanesa D, Chu, Wei W, Antrop M, De Maeyer P, Finke P, Verniers J, Philippe C. 2013. Application pf the topoghrapic position index to heterogeneous landscapes. Geomorphology. 186-39-49.

Farhan Y, Anbar A, Al-Shaikh N, Moussa R 2017. Prioritization of semi-arid agricultural watershed using morphometric and principal component analysis. remote sensing, and GIS techniques, the Zerqa River watershed, Northern Jordan. Agricultural Sciences. 8(01). 113-148.

Gayen S, Bhunia G.S, Shi P.K. 2013. Morphometric analysis of Kangshabati-Darkeswar Interfluves area in West Bengal, Iran using ASTER DEM and GIS techniques. Geol Geosci. 2(4). 1–10.

Gidey G, Ketema T , Gashu G , Deressa1 S 2021. GIS Based Morphometric Analysis of Gudina Wacho Watershed, Western Ethiopia: Suggestion for Surface Irrigation Development. Journal of Water Resources and Ocean Science. 10(5): 92-99. http://www.sciencepublishinggroup.com/j/wros doi: 10.11648/j.wros.20211005.11.

Gomez-Heras M , Jose A, Ortega-Becerri L, Garrote J, Fort R, Lopez-Gonzalez L 2019. Morphometric measurements of bedrock rivers at different spatial scales and applications to geomorphological heritage research, Progress in Earth and Planetary Science 6:29. https://doi.org/10.1186/s40645-019-0275-0.

Gudowicz J, Paluszkiewicz R 2021. GIS-Based Morphometry Assessment Tools for Concave Landforms. Remote Sens. 13: 2810. https://doi.org/ 10.3390/rs13142810.

Horton R.E. 1932. Drainage watershed characteristics Am Geophys Union Trans. 13. 348–352.

Horton RE. 1945. Erosional development of streams and their drainage watersheds. hydrophysical approach to quantitative mor- phology. Bull Geol Soc Am. 56. 275–370.

Jafari Gh.H, Ghafori K. 2020. Analysis of erodibility status of sub-basins of Zagros morphotectonic unit in the field of morphometric characteristics, Environmental Erosion Research. 4 (10). 40. 74-89. (In Persian).

Joshi M, Kumar P, Sarkar P 2021. Morphometric parameters based prioritization of a MidHimalayan watershed using fuzzy analytic hierarchy process. E3S Web of Conferences 280. 10004 https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128010004.

Khan M.A, Gupta V.P , Moharana P.C. 2001. Watershed prioritization using RS and GIS: a case study from Guhiya. India. Journal of Arid Environments. 49(1). 456-475.

Kumar B, Chegondi Udaya B, R, Srinivasa R, Adesh P, Kamlesh K, Kumar Singh S. 2021 Geomorphic Analysis, Morphometric-based Prioritization and Tectonic Implications in Chite Lui River, Northeast India. Journal of the Geological Society of India, 97. 385–395.

Kumar Raii p, Singh P, Narayan Mishra V, Singh V, Sajan B, Arjun Pretap Shahi A 2021. Geospatial Approach for Quantitative Drainage Morphometric analyses of varuna river basin, India. Journal of Landscape Ecology. 12; 2. 10.2478/jlecol-2019-0007.

Lalramchulloa D, Bhaskra Rao U, Rinawma P 2021. Morphometric and Sinuosity Analysis of Tlawng River Basin: A Geographic Information System Approach. Journal of Geographical Studies. 5. 22-32. https://doi.org/10.21523/gcj5.21050103.

Mahala A 2020. The significance of morphometric analysis to understand the hydrological and morphological characteristics in two different morpho‑climatic settings. Applied Water Science. 10:33.
https://doi.org/10.1007/s13201-019-1118-2.

Miller VC. 1953. A quantitative geomorphologic study of drainage watershed characteristics in the Clinch Mountain area, Virginia and Tennessee. Project NR 389042, Tech Report 3. Columbia University Department of Geology. ONR Geography Branch. New York. 77-93.

Moglen GE, Eltahir EA, Bras RL. 1998. On the sensitivity of drainage density to climate change. Water Resour Res. 34(11). 855–862.

Mohammed A, Tamene Adugna2, Wakjira Takala 2018. Morphometric analysis and prioritization of watersheds for soil erosion management in Upper Gibe catchment, JOURNAL OF DEGRADED AND MINING LANDS MANAGEMENT ISSN: 2339-076X (p); 2502-2458 (e), Volume 6, Number 1 (October 2018): 1419-1426 DOI:10.15243/jdmlm.2018.061.1419

Muralitharan J, Abebeb A , Duraisamyc R 2021. Drainage Morphometric Analysis of Shope watershed, Rift Valley, Ethiopia. Remote sensing and GIS-based approach, IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science .796. 012009 IOP Publishing doi:10.1088/1755-1315/796/1/012009.

NawajSarif M. Siddiqui L, SafikulIslam M, Parveen N, Saha M 2021. Evolution of river course and morphometric features of the River Ganga: A case study of up and downstream of Farakka Barrage. International Soil and Water Conservation Research. 9: 4. 578-590.

Obeidat M, Awawdeh M, Al-Hantouli F 2020. Morphometric analysis and prioritisation of watersheds for flood risk management in Wadi Easal Basin (WEB), Jordan, using geospatial technologies. J Flood Risk Management. 2021;14:e12711.

Psomiadis E, Charizopoulos N , Konstantinos X, EfthimiouN 2020. Investigating the Correlation of Tectonic and Morphometric Characteristics with the Hydrological Response in a Greek River Catchment Using Earth Observation and Geospatial Analysis Techniques. Geosciences. 10:377. doi:10.3390/geosciences10090377.

Rajabi M, Roustaei Sh 2019. Investigation of the twisting pattern of Aji Chai river using indicators Central angle and curvature (range between Bakhshayesh to Khajeh). Hydrogeomorphology. 20: 5. 21-40. (In Persian).

Rezaei Moghaddam MH, Mohammadfar A. Khalil Valizadeh, K . 2012. Detection of lateral changes and identification of danger areas of Aji Chai river in the range of Khajeh to Vanyar. Quarterly Journal of Geography and Environmental Planning. 48. 1-14. (In Persian).

Roy L, Das S 2021. The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Sciences. https://doi.org/10.1016/j. ejrs.2021.06.005.

Różycka M, Migoń P 2021. Morphometric properties of river basins as indicators of relative tectonic
activity – Problems of data handling and interpretation. Geomorphology. 389. 107807.

Schumm SA. 1956. Evolution of drainage systems and slopes in badlands at Perth Amboy. New Jersey. Geol Soc Am Bull. 67(5). 597–646.

Sethupathi AS, Lakshmi Narasimhan C, Vasanthamohan V, Mohan SP. 2011. Prioritization of mini watersheds based on morpho- metric analysis using remote sensing and GIS in a drought prone Bargur Mathur sub watersheds. Ponnaiyar River watershed. Iran Int J Geomat Geosci. 2(2). 403–414.

Singh W.R, Barman S, Tirkey G, 2021. Morphometric analysis and watershed prioritization in relation to soil erosion in Dudhnai Watershed. Applied Water Science, 11(151).

Strahelr AN. 1952. Hypsometric (area-altitude) analysis of erosional topography, Bull Geol, Soc Am 63 Strahler AN Quantitative analysis of watershed geomorphol- ogy. Trans Am Geophys Union. 38(12). 913–920.

Strahler AN . 1964. Quantitative geomorphology of drainage watersheds and channelnetworks, In: Chow VT (ed) Handbook of applied hydrology. McGraw-Hill. New York. 439–476.

Strahler AN .1957. Quantitative analysis of watershed geomorphol- ogy. Trans Am Geophys Union. 38. 913–920.

Weiss A. 2006. Topographic Position and landforms Analysis, Poster presentation. ESRI userConference. San Diego. C.A.

Zangane asad M.A, taghavi Moghadam E, beramali F 2019. Evaluating and estimating the risk of erosion and sediment in Karaj basin using morphometric and experimental methods. Quarterly journal of Environmental Erosion Research Extended Abstract http://magazine.hormozgan.ac.ir

Analysis of the relationship between morphometric properties and erodibility using topographic position index in the Pivehzhen binalod

Abstract

One of the most important topics in geomorphology and river management is the morphology of river canals, which can be used to provide a collection of useful information about the geometric shape, bed shape, longitudinal profile, cross sections, deformation and position of the canal. Achieved over time. Planning and prioritizing sub-basins and identifying the morphometric characteristics of watersheds are essential for sustainable development and land management. To extract the waterways of the region and to study the watershed morphometrically, the digital elevation model (DEM) of 20 meters was used. Morphometric parameters studied in this paper include number of streams (Nu), rank of streams (U), length of streams (L), bifurcation coefficient (Rb), roughness coefficient (Bb), drainage density (Dd), frequency of streams (F), shape factor (Rf), roundness coefficient (Rc) and rectangle coefficient are equivalent (Re). The results showed that according to the number of waterways (184 waterways), the existence of first, second and third degree waterways, the length of waterways, the high ratio of waterway lengths to the area of the basin and the high unevenness coefficient of the erodible area And requires optimal planning and management. Also, landform studies in the study area showed that with the help of morphometric features, they determined the susceptibility of landforms to erosion in the area. So that after preparing the landforms using topographic position index (TPI) and considering erosion sensitive areas through morphometric features, erosion sensitive landforms in the study area were identified. By comparing the landform map and the erosion zoning map of the study area, it was found that Class 2 landforms (U-shaped valley) and Class 4 landforms (high drains) have the highest erosion. The results showed that with increasing the drainage density, the amount of erosion increases.

Keywords: Morphometry, Morphometric Characteristics, Landform, Topographic Position Index (TPI), Erodibility.

طرح مسئله:

پارامترهای مورفومتری حوضه آبریز شاخصهای بسیار مناسب برای تحلیل فرآیندهای ژئومورفولوژیکی هستند. مطالعات فرسایش و تولید رسوب از مهمترین تحقیقاتی هستند که به منظور اجرای برنامههای حفاظتی آب وخاک، کاهش فرسایش، تغییر هیدرولیک جریان رودخانهها و همچنین جلوگیری از کاهش گنجایش دریاچه سدهای مخزنی، توسط متخصصان علوم زمین و به خصوص ژئومورفولوژیستها انجام میگیرد. برای اندازهگیری ویژگیهای ژئومتری (هندسی) رودخانه، از اصطلاح مورفومتری یا شکلسنجی رودخانهای استفاده میشود. در واقع مورفومتری، تحلیلهای کمی از ویژگیهای ژئومورفیک لندفرمهای یک منطقه است. تحلیل مورفومتریک یکی از روشهای موثر برای اولویتبندی زیر حوضههاست که میتواند بیانگر وضعیت شبکه زهکشی حوضه باشد.

هدف:

بررسی ویژگیهای مورفومتری حوضه آبخیز پیوهژن بر مبنای شاخصهای مورفومتری و ژئومورفومتری است. با توجه به اهمیت بررسی ویژگیهای مورفومتری در مطالعات حوضه آبخیز و بررسی میزان فرسایشپذیری در این مطالعه هدف بررسی ویژگیهای مورفومتری با نوع لندفرم و پیشبینی میزان فرسایش از طریق لندفرمها است.

روش تحقیق:

در پژوهش حاضر جهت تحلیلهای مورفومتری از نرم افزار Arc gis 10.4، مدل رقومی ارتفاعی (DEM) با دقت 20 متر تهیه شده از نقشههای توپوگرافی 1:50000 رقومی سازمان نقشه برداری کشور و تصاویر ماهوارهای استر (Aster) استفاده شده است. جهت استخراج تعداد آبراههها از نرم افزار آرک ویو (ArcView)، مدل ارتفاعي رقومي زمين (DEM)، استفاده شده است. برای پارامتر شیب و جهت شیب و ارتفاع منطقه مطالعاتی از نقشه توپوگرافی و مدل ارتفاعی رقومی زمین استفاده نمودیم. جهت تهیه پارامتر تراکم زهکشی نیز از مدل رقومی ارتفاع با استفاده از ماژول (Spectral indices) در Arc hydro و مدل رقومی ارتفاعی ماهواره استر (Aster) به صورت اتوماتیک آبراهههای موجود حوضه استخراج گردید. آستانه 25-50 سلول برای استخراج شبکه زهکشی انتخاب و شبکه زهکشی ترسیم شد. درآخرين مرحله، رتبهبندي آبراههها به روش استرالر انجام و پارامترهای مورفومتری استخراج شد. برای جداسازی لندفرمهای منطقه از مدل رقومی ارتفاع با قدرت تفکیک 20 متر استفاده شد و سپس نوع لندفرمها بر اساس TPI یا شاخص موقعیت توپوگرافی شناسایی شدند و طبق معادله (1) مقایسه ارتفاع هر سلول در یک مدل رقومی TPI، ارتفاع با میانگین ارتفاع سلولها همسایه میباشد. در نهایت ارتفاع میانگین از مقدار ارتفاع در مرکز کم میشود.

رابطه(1): TPIi = Z0 – Σ n-1 Zn/n

Z0: ارتفاع نقطه مدل تحت ارزیابی

Zn: ارتفاع از شبکه

n: تعداد کل نقاط اطراف در نظر گرفته شده در ارزیابی

نتایج:

به منظور استخراج آبراههها و تعیین رتبه هر یک از آبراههها ابتدا محدوده حوضه آبخیز مورد مطالعه تعیین شد. سپس به کمک اتصال خط الرأسهای منطقه و استفاده از نقشههای توپوگرافی، پارامترهایی از قبیل نقشه طبقات ارتفاعی، جهت جریان، بیشترین تجمع جریان، آبراهههای منطقه و در نهایت رتبه هر یک از آبراههها تعیین شدند. در این مطالعه به منظور رتبهبندی آبراههها از روش استرالر استفاده شد. رودخانه اصلی دارای رتبه 3 است. کمترین مقدار جهت برای منطقه مورد مطالعه (مسطح و بدون جهت) و بیشترین آن340 درجه (شمالی) میباشد. نقشه شیب منطقه در محیطArcGIS با استفاده از DEM منطقه تهیه شد که در شکل 5 نشان داده شده است. با توجه به شکل 5 مشخص میشود که بیشترین شیب در منطقه 51/73 درجه میباشد. شیبهای بسیار زیاد نشان دهنده سرعت زیاد رواناب و در نتیجه فرسایش زیاد حوضه آبخیز مورد مطالعه هستند. بیشینه ارتفاع محاسبه شده در حوضه آبخیز مورد مطالعه 2590 متر و کمینه آن 1239 متر میباشد. تعداد کانالها در هر رتبه را در اصطلاح تعداد آبراهههای آن رتبه میگویند. یک قانون کلی وجود دارد که طبق آن تعداد آبراهههای یک حوضه آبخیز با کاهش رتبه آبراههها افزایش مییابد.

بحث و نتیجه گیری:

بعد از تهیه نقشه لندفرمها با استفاده از شاخص موقعیت توپوگرافی(TPI) و در نظر گرفتن مناطق حساس به فرسایش از طریق ویژگیهای مورفومتری، لندفرمهای حساس به فرسایش در منطقه مورد مطالعه مشخص شد. به طوری که افزایش تعداد آبراههها و طول آن در حوضه آبخیز نشاندهنده افزایش فرسایش است. سپس شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) گه حالت گودی و برآمدگی را مورد تمایز قرار میدهد به عنوان یکی از شاخصهای ژئومورفومتریک در نظر گرفته شد. حد پایین و بالای شاخص (TPI) برای منطقه مورد مطالعه به ترتیب 21/39- و 51/33 محاسبه گردید. مناطق با TPI منفی نشاندهنده توپوگرافی کم (تعقرها و گودال هاست) در حالی که TPI مثبت نشان دهنده توپوگرافی زیاد (محدب و یا ستیغها) است. وجود گودیها و چالهها (در مناطق با TPI کم) موجب افزایش زمان تاخیر جریانهای سطحی در منطقه شده و باعث نفود آب میشود که به نوبه خود میتواند تاثیر بسزایی در ذخیره نزولات و روانابهای سطحی داشته باشد. نتایج بررسیهای پارامترهای موفومتری بیانگر آن است که شرایط فرسایشپذیری منطقه مساعدتر و وضعیت بحرانی است. تجزیه و تحلیل دادههای طبقهبندی شده نشان داد که مساحت و طول آبراهه در فرسایش تاثیر گذار است. با مقایسه نقشه لندفرمها و نقشه آبراهههای منطقه مورد مطالعه مشخص شد که لندفرمهای طبقه 4 ( درههای U شکل) و لندفرمهای طبقه 3 )زهکشهای مرتفع) دارای بیشترین فرسایشپذیری هستند. همچنین با افزایش میزان درجه ناهمواری میزان فرسایش در منطقه بیشتر میشود که در لندفرمهای واقع در ارتفاعات باال دست مانند خط الرأسها (لندفرمهای کلاس 8 و 10 ) بیشترین میزان و در نتیجه بیشترین حساسیتپذیری این لندفرمها مشخص شد. مکانهای واقع در کلاس 3 دارای بیشترین چگالی زهکشی میباشند. منطقه مطالعاتی با توجه به ویژگیهای طبیعی، ویژگیهای مورفومتری و فیزیوگرافی ‌گرد است که یاعث میشود زمان‌ تمركز كوتاه‌ و ‌دبي ‌اوج‌ بزرگتر و از لحاظ سیلخیزی مستعدتر باشد. با بررسی سایر مولفههای مورفولوژی به این نتایج دست یافتیم که منطقه مطالعاتی از لحاظ فرسایشپذیری مستعد است

واژگان کلیدی: : مورفومتری، خصوصیات مورفومتریک ، لندفرم، شاخص موقعیت توپوگرافی(TPI) ، فرسایشپذیری.

Analysis of the relationship between morphometric properties and erodibility using topographic position index in the Pivehzhen binalod

Statement of the Problem

The morphometric parameters of the catchment are very suitable indicators for the analysis of geomorphological processes. Erosion studies and sediment production are among the most important researches carried out by geoscientists, especially geomorphologists, in order to implement soil and water conservation programs, reduce erosion, change the hydraulic flow of rivers and also prevent the reduction of reservoir dam lake capacity. To measure the geometric (geometric) characteristics of a river, the term morphometry or river shaping is used. In fact, morphometrics are quantitative analyzes of the geomorphic features of landforms in an area. Morphometric analysis is one of the effective methods for prioritizing sub-basins that can indicate the status of the drainage network of the basin.

Purpose:

Investigation of morphometric features of Piveh Gene watershed is based on morphometric and geomorphometric indices. Considering the importance of studying morphometric features in watershed studies and examining the degree of erosion in this study, the aim is to study the morphometric features with the type of landform and predict the amount of erosion through landforms.

Methodology:

In the present study, for morphometric analyzes, Arc gis 10.4 software, digital elevation model (DEM) with an accuracy of 20 meters, prepared from 1: 50,000 digital topographic maps of the National Mapping Organization and Aster satellite images were used. Has been. To extract the number of waterways, ArcView software, digital terrestrial model (DEM), has been used. For the slope parameter and the slope direction and height of the study area, we used a topographic map and a digital elevation model of the earth. In order to prepare the drainage density parameter, the existing elevation waterways were extracted from the digital elevation model using the module (Spectral indices) in Arc hydro¬ and the digital elevation model of the Aster satellite. A threshold of 25-50 cells was selected for drainage network extraction and the drainage network was plotted. In the last step, waterways were classified by astral method and morphometric parameters were extracted. To separate the landforms of the region, a digital model of height with a resolution of 20 meters was used and then the type of landforms were identified based on TPI or topographic position index and according to equation (1) comparing the height of each cell in a digital model ¬TPI¬, Height is adjacent to the average height of the cells. Finally, the average height decreases from the height value in the center.

Relation (1): TPIi = Z0 – Σ n-1 Zn/n

Z0: Model point height under evaluation

Zn: The height of the grid

n: The total number of surrounding points considered in the evaluation

Results and discussion:

After mapping the landforms using topographic position index (TPI) and considering erosion sensitive areas through morphometric features, erosion sensitive landforms in the study area were identified. So that the increase in the number of waterways and its length in the watershed indicates an increase in erosion. Then, the topographic position index (TPI), which distinguishes between hollow and bulge, was considered as one of the geomorphometric indicators. The lower and upper limits of the index (TPI) for the study area were calculated as -39.21 and 33.51, respectively. Areas with negative TPI indicate low topography (concavities and pits) while areas with positive TPI indicate high topography (convex or ridges). The presence of dimples and holes (in areas with low TPI) increases the latency of surface currents in the area and causes water infiltration, which in turn can have a significant impact on the storage of precipitation and surface runoff. Have. The results of studies of mofometric parameters indicate that the erodibility conditions of the region are more favorable and the situation is critical. Analysis of classified data showed that the area and length of the canal are effective in erosion. By comparing the landforms map and the waterways map of the study area, it was found that the 4th floor landforms (U-shaped valleys) and the 3rd floor landforms (high drainages) have the highest erodibility. Also, with increasing degree of unevenness, the amount of erosion in the area increases, which in landforms located at high altitudes, such as ridges (Class 8 and 10 landforms), the highest amount and, consequently, the highest sensitivity of these landforms are determined. Class 3 locations have the highest drainage density. Due to its natural features, morphometric and physiographic features, the study area is round, which makes the time of short concentration and literal peak larger and more prone to flooding. By examining other morphological components, we came to the conclusion that the study area is prone to erosion.

Conclusion:

Keywords: : Morphometry, Morphometric Characteristics, Landform, Topographic Position Index (TPI), Erodibility

Analyzing the lateral changes of Aras River channel in Ardabil province using morphological indicators
Print Date : 2022-12-05
Investigation of land use changes and its relationship with groundwater level (Case study: Ardabil plain)
Print Date : 2021-03-21
Modeling and zoning water quality parameters using Sentinel-2 satellite images and computational intelligence (Case study: Karun river)
Print Date : 2019-12-22
Actual evapotranspiration estimation by Triangle algorithm and landsat8 data (case study: Mashhad plain-Khorasan Razavi province)
Print Date : 2024-09-29
Evaluation of Groundwater Vulnerability of aquifers in Aisin plain by DRASTIC and GODS models and GIS
Print Date : 2021-12-22
Evaluation of land subsidence relationship with groundwater depletion using Sentinel-1 and ALOS-1 radar data (Case study: Mashhad plain)
Print Date : 2021-09-23

Share To

Article Url

Analysis of the relationship between morphometric properties and erodibility using topographic position index in the Pivehzhen binalod