Simulation of surface runoff using GIS-based model of Limburg soil erosion model (LISEM)

Subject Areas : Geospatial systems development

Roya Jafari ¹ , Vahed Berdi Sheikh ² , Mohsen Hosseinalizadeh ³ , Hassan Rezaei Moghadam ⁴

1 - MSc. student of Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
2 - Assoc. Prof. College of Range Land and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
3 - Assis. Prof. College of Range Land and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
4 - MSc. student of Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources

Received: 2014-12-10 Accepted : 2015-06-20 Published : 2015-12-22

Keywords:

Abstract :

Simulation of runoff resulted from any significant rainfall events can help to estimate the severity of floods. To protect watersheds, application of a model which is able to predict runoff at certain times and places is essential. Therefore, this study aimed to simulate runoff generation in upstream catchments of the Shahrake Behzisti as well as assessing the effect of implementation of vegetation management scenarios, using three relatively intense rainfall events occurred in recent years. The model of physically based Limburg soil erosion model (LISEM) within PCRaster GIS and programming language was applied in this study. In order to run the LISEM model, four basic raster maps of digital elevation model, landuse, soil texture and roads (impervious areas) were prepared. Digital elevation model map of the catchment was extracted from the Ultracam image of 1 m resolution within the ArcGIS environment. During this study, only two events on 2/11/2014 and 16/9/2015  led to runoff generation. Thus, the first event was used for calibration and the second one for validation of the model. Statistical comparison of the simulated and observed hydrographs of the rain events on 2/11/2014 and 16/9/2015 showed the correlation coefficients of 0.80 and 0.76 and Nash-Sutcliffe criteria of 0.8 and 0.5 respectively. The results of the simulation showed that the model was able to predict total runoff, peak discharge, runoff initiation time and time to peak discharge with relatively good performance. The results of the application of the LISEM model showed that runoff volume and peak discharge significantly decreased by implementation of vegetation management scenarios.

References:

1. احمدی ایلخچی، ع.، م. ع. حاج عباسی و ا. جلالیان. 1381. اثر تغییر کاربری‌های زمین‌های مرتعی به دیم‌کاری بر تولید‌ رواناب، هدررفت و کیفیت خاک در منطقه دوراهان چهارمحال بختیاری. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، 6(4): 103-116.

2. افشار، ع. 1364. مهندسی هیدرولوژی، چاپ اول، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی، 459 صفحه.

3. برزگر، ع. 1383. فیزیک خاک پیشرفته. انتشارات دانشگاه چمران اهواز. 309 صفحه.

4. بهرامی، س. ع. 1390. بررسی اثر تغییر کاربری اراضی بر خصوصیات هیدرولوژیک حوزه آبخیز سد بوستان استان گلستان با استفاده از مدل HEC-HMS. پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان. 110 صفحه.

5. پیشداد سلیمان‌آباد، ل.، ع. سلمان ماهینی و ع. نجفی‌نژاد. 1390. ارزیابی اقتصادی تغییر کاربری اراضی با استفاده از سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی ( مطالعه موردی: حوزه آبخیز چراغ ویس سقز). فصلنامه کاربرد سنجش از دور و GIS در علوم منابع طبیعی، 2(1): 15-29.

6. تلوری، ع. ر. 1375. مدل‌های هیدرولوژیکی به زبان ساده. انتشارات دانشگاه تهران. 401 صفحه.

7. جهانگیر، ع.، م. رائینی سرجاز و م. خ. ضیاتباراحمدی. 1387. شبیه‌سازی فرآیند بارش-رواناب با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی در حوزه کارده. آب و خاک، 22(2): 72-84.

8. کلته، آ.، و. ب. شیخ، ا. سعدالدین و ن. نورا. ۱۳۸۹. ارزیابی کارایی مدل فیزیکی LISEM به منظور برآورد سیل در حوضه معرف و زوجی کچیک استان گلستان. چهارمین همایش ملی فرسایش و رسوب، نور، دانشگاه تربیت مدرس. 6 الی 9 شهریور ماه.

9. مخدوم، م. 1380. شالوده آمایش سرزمین، چاپ دهم، انتشارات دانشگاه تهران، 285صفحه.

10. میردیلمی، س. ز.، غ. حشمتی و ی. همت‌زاده. 1390. آمایش حوزه آبخیز کچیک بر اساس مدل سیستمی رایج در آمایش سرزمین به روش دو ترکیبی. فصلنامه کاربرد سنجش از دور و GIS در علوم منابع طبیعی، 2(3): 65-75.

11. ولیخانی، ن.، ا. ح. چرخابی، م. خیرخواه زرکش و م. ج. سلطانی. 1390. کاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی و تصیم‌گیری چند معیاره MCDM در پهنه‌بندی درجه تناسب فیزیکی اراضی شهری ( مطالعه موردی: شمال شهر کرج). فصلنامه کاربرد سنجش از دور و GIS در علوم منابع طبیعی، 2(2): 1-14.

12. Bewket W, Stroosnijder L. 2003. Effects of agroecological land use succession on soil properties in Chemoga watershed, Blue Nile basin, Ethiopia. Geoderma, 111(1): 85-98.

13. De Roo A, Wesseling C, Jetten V, Offermans R, Ritsema C. 1995. LISEM, Limburg Soil Erosion Model, User Manual. Department of Physical Geography, Utrecht University, The Netherlands. 72 pp.

14. De Roo A. 1996. The LISEM project: an introduction. Hydrological Processes, 10(8): 1021-1025.

15. Elsen EVD, Stolte J. 2002. Soil erosion modeling: description and data reqirements for the LISE physically based erosion model. Department of Soil and Land Use Wageningen University. 20 pp.

16. Harun S, Nor NIA, Kassim AHM. 2012. Artificial neural network model for rainfall–runoff relationship. Jurnal Teknologi, 37(1): 1–12.

17. Hessel R, Jetten V. 2007. Suitability of transport equations in modelling soil erosion for a small Loess Plateau catchment. Engineering Geology, 91(1): 56-71.

18. Izquierdo AE, Grau HR. 2009. Agriculture adjustment, land-use transition and protected areas in Northwestern Argentina. Journal of Environmental Management, 90(2): 858-865.

19. Jetten VG. 2002. LISEM Limgurg Soil Erosion Model user manual. University of Utrecht. 64 pp.

20. Kamphorst E, Jetten V, Guérif J, Iversen B, Douglas J, Paz A. 2000. Predicting depressional storage from soil surface roughness. Soil Science Society of America Journal, 64(5): 1749-1758.

21. Nash J, Sutcliffe JV. 1970. River flow forecasting through conceptual models part I-A discussion of principles. Journal of hydrology, 10(3): 282-290.

22. Onstad C. 1983. Depressional storage on tilled soil surfaces. Paper-American Society of Agricultural Engineers (USA) Microfiche collection, no. fiche 83-2050.

23. Rahmati M, Neyshabouri MR, Fakherifard A, Oskouei MM, Ahmadi A, Sheikh JV. 2013. Rainfall-runoff prediction using LISEM model in Lighvan watershed, North West of Iran. Technical Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(16): 1893-1901.

24. Sheikh V, van Loon E, Hessel R, Jetten V. 2010. Sensitivity of LISEM predicted catchment discharge to initial soil moisture content of soil profile. Journal of Hydrology, 393(3): 174-185.

25. Skidmore AK. 1989. A comparison of techniques for calculating gradient and aspect from a gridded digital elevation model. International Journal of Geographical Information System, 3(4): 323-334.

26. Smith R, Parlange JY. 1978. A parameter‐efficient hydrologic infiltration model. Water Resources Research, 14(3): 533-538.

27. von Hoyningen-Huene J. 1981. Die Interzeption des Niederschlags in landwirtschaftlichen Pflanzenbeständen. Arbeitsbericht Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau, DVWK, 280p.