اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

ارزیابی تأثیر عملیات مکانیکی آبخیزداری بر روی ذخیره رواناب حوزه‌های آبخیز (مطالعه موردی: حوزه آبخیز کاریزک شهرستان خلیل‌آباد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد، گروه آبخیزداری، کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسلامی تربت‌جام، تربت‌جام، ایران.
3 دانش‌آموخته دکتری، گروه مناطق خشک و نیمه‌خشک، دانشکده کویرشناسی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
چکیده
سابقه و هدف: افزایش جمعیت و مصرف‌گرایی جوامع انسانی، فشار بر منابع آب و خاک را افزایش داده و منجر به کاهش نفوذپذیری خاک، زوال پوشش گیاهی، تشدید فرسایش، رسوب‌گذاری، و بروز مشکلات اقتصادی و اجتماعی شده است. عملیات آبخیزداری به‌عنوان راهکاری برای کاهش رواناب، کنترل سیلاب، و جلوگیری از رسوب‌گذاری در پشت سدها در بسیاری از مناطق ایران اجرا شده است. با این حال، به دلیل سابقه کوتاه این اقدامات، ارزیابی کمی و کیفی آن‌ها کمتر مورد توجه قرار گرفته است. این مطالعه با هدف بررسی تأثیر عملیات مکانیکی آبخیزداری بر ذخیره رواناب و کاهش سیلاب در حوزه آبخیز کاریزک شهرستان خلیل‌آباد، واقع در استان خراسان رضوی، انجام شد. هدف اصلی، تحلیل میزان نفوذ آب و کاهش دبی اوج سیلاب در اثر احداث سازه‌های خاکی و گابیونی و ارائه راهکارهایی برای بهبود مدیریت این اقدامات بود.
مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه، حوزه آبخیز کاریزک با مساحت 1/5695 هکتار، در بخش مرکزی شهرستان خلیل‌آباد قرار دارد. این حوزه دارای اقلیم خشک سرد و رژیم رطوبتی و حرارتی آریکوترمیک است. برای انجام پژوهش، داده‌های توپوگرافی، شیب، و طبقات ارتفاعی با استفاده از مدل ارتفاعی رقومی استخراج شد. مشخصات 9 سازه خاکی و 4 گابیون احداث‌شده از طریق نقشه‌برداری میدانی ثبت گردید. سرعت نفوذ آب در خاک با استفاده از استوانه‌های مضاعف در مناطق رسوب‌گرفته و شاهد (بدون رسوب) در مخازن بندهای خاکی اندازه‌گیری شد. این آزمایش در سه ناحیه (جنوب شرقی، جنوب، و جنوب غربی) و در مخازن بندهای خاکی شماره 4، 5، و بند قدیمی دهه هفتاد انجام شد. همچنین، حجم تبخیر و نفوذ در مخازن بندها با محاسبه سطح آب در بازه‌های 10 روزه از زمان احداث تا پایان سال آبی 98-1397 برآورد شد. داده‌های بارش و کاربری اراضی نیز برای تحلیل واکنش حوزه به بارش قبل و بعد از اقدامات آبخیزداری استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که سرعت نفوذ آب در مناطق رسوب‌گرفته به دلیل پر شدن خلل و فرج خاک توسط رسوبات دانه‌ریز، به‌طور قابل‌توجهی کمتر از مناطق شاهد است. در بندهای خاکی، حجم نفوذ آب حدود 10 میلیون متر مکعب (92 درصد حجم سیلاب) و حجم تبخیر حدود 9/0 میلیون متر مکعب (8 درصد حجم سیلاب) برآورد شد. این امر نشان‌دهنده نقش برجسته نفوذ نسبت به تبخیر در کاهش حجم آب در مخازن بندها است، که احتمالاً به زمان بارش‌ها (فروردین تا اواسط خرداد) و دمای پایین‌تر در این دوره مرتبط است. همچنین، سازه‌های مکانیکی با کاهش دبی اوج سیلاب، خسارات ناشی از سیل را کنترل کرده و تغذیه قنوات را بهبود بخشیدند. با این حال، اشکالاتی در جانمایی و ارتفاع سازه‌ها نسبت به حجم رواناب بالادست مشاهده شد. از نظر اقتصادی، نسبت هزینه به درآمد در طرح‌های مکانیکی 6/10، در طرح‌های بیولوژیکی 4/4، و در کل حوزه 9/4 بود، که نشان‌دهنده توجیه اقتصادی اقدامات آبخیزداری است.
نتیجه‌گیری: اقدامات آبخیزداری در حوزه کاریزک با افزایش نفوذ آب و کاهش دبی اوج سیلاب، تأثیر مثبتی بر مدیریت منابع آب و خاک داشته است. این اقدامات با ذخیره حدود 11 میلیون متر مکعب آب، نقش مهمی در تغذیه قنوات و کاهش اثرات خشکسالی ایفا کرده‌اند. با این حال، بهبود جانمایی و طراحی سازه‌ها برای افزایش کارایی ضروری است. نتایج این مطالعه بر اهمیت ارزیابی مستمر اقدامات آبخیزداری و تدوین روش‌های دقیق برای تحلیل عملکرد آن‌ها تأکید دارد. پیشنهاد می‌شود در مطالعات آتی، تعداد و محل بهینه سازه‌ها با استفاده از مدل‌های پیشرفته‌تر شبیه‌سازی شود تا کارایی این اقدامات بیش از پیش افزایش یابد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Evaluation of the Impact of Mechanical Watershed Management Operations on Runoff Storage in Watersheds (Case Study: Karizak Watershed, Khalilabad County)

نویسندگان English

fereshteh rahimi aghcheshme 1
amir mohammmad saleh ashuri nejad 1
mohammad moradian 2
azadeh soltani 3
1 PhD Student, Faculty of Natural Resources, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
2 MSc Graduate, Islamic Azad University, Torbat-e Jam Branch, Torbat-e Jam, Iran.
3 PhD Graduate, Department of Arid and Semi-arid Regions, Faculty of Desert Studies, Semnan University, Semnan, Iran.
چکیده English

Background and Objectives: The escalating global population and the shift toward consumerist lifestyles have intensified the demand for water and food resources, leading to overexploitation of natural landscapes. This has resulted in reduced soil permeability, degradation of vegetation cover, increased flooding, intensified erosion, downstream sedimentation, recurring droughts, and associated socioeconomic challenges. To address these issues, watershed management operations have been implemented across various regions of Iran to enhance runoff infiltration, reduce peak flood discharge, and mitigate sedimentation behind dams. However, due to the relatively recent implementation of such measures, comprehensive quantitative and qualitative evaluations remain limited. This study aims to assess the impact of mechanical watershed management operations on runoff storage and flood reduction in the Karizak watershed, located in Khalilabad County, Razavi Khorasan Province, Iran. The primary objective is to analyze the effects of constructed earthen and gabion structures on water infiltration and peak flood attenuation, while providing insights for optimizing future watershed management strategies.
Materials and Methods: The study area, the Karizak watershed, spans 5,695.1 hectares in the central district of Khalilabad County, characterized by a cold arid climate and an aridic-thermic moisture and temperature regime. Topographic data, slope, and elevation classes were derived using a digital elevation model (DEM). Field surveys documented the characteristics of nine earthen check dams and four gabion structures. Infiltration rates were measured using double-ring infiltrometers in sediment-laden and control (sediment-free) areas within the reservoirs of selected earthen check dams (numbers 4, 5, and an older dam from the 1970s) across three zones (southeast, south, and southwest). Evaporation and infiltration volumes were estimated for 10-day intervals from the time of dam construction until the end of the 2018-2019 water year, based on reservoir water surface mapping. Rainfall and land-use data were analyzed to evaluate the watershed’s response to precipitation before and after the implementation of watershed management measures.
Results: The results revealed that infiltration rates in sediment-laden areas were significantly lower than in control areas due to the filling of soil pores with fine sediments. In the earthen check dams, approximately 10 million cubic meters of water (92% of the flood volume) infiltrated, while 0.9 million cubic meters (8% of the flood volume) were lost to evaporation. This high infiltration rate, relative to evaporation, is likely attributed to the timing of rainfall (April to mid-June) when temperatures are lower. The mechanical structures effectively reduced peak flood discharge, mitigating flood-related damage and enhancing groundwater recharge through qanats. However, issues with the siting and height of the structures relative to upstream runoff volumes were identified. Economically, the cost-to-benefit ratio was 10.6 for mechanical measures, 4.4 for biological measures, and 4.9 for the entire watershed, indicating the economic viability of the implemented watershed management operations.

Conclusion: Watershed management operations in the Karizak watershed have significantly enhanced water infiltration and reduced peak flood discharge, thereby improving water and soil resource management. The structures facilitated the storage of approximately 11 million cubic meters of water, primarily contributing to qanat recharge and mitigating drought impacts. Nonetheless, optimizing the design and placement of structures is critical to further improving efficiency. This study underscores the importance of continuous evaluation of watershed management operations and the development of robust methodologies for performance analysis. Future studies should employ advanced simulation models to determine the optimal number and placement of structures to maximize the effectiveness of watershed management initiatives.

کلیدواژه‌ها English

Watershed Management
GIS Software
Runoff Storage
Flood Reduction
Karizak
1.   Alhalimi, F. L., Elsayed, S., Gelete, G., Bhagat, S. K., Al-Areeq, N., Rana, B., & Tachi, S. E. (2024). Global Insights into Check Dam Utilization: Elevating Water Management, Erosion Mitigation, and Ecological Health. AUIQ Technical Engineering Science, 1(1), 3.
2.   Balist, J., Malekmohammadi, B., Jafari, H.R. et al. Detecting land use and climate impacts on water yield ecosystem service in arid and semi-arid areas. A study in Sirvan River Basin-Iran. Appl Water Sci 12, 4 (2022). https://doi.org/10.1007/s13201-021-01545-8
3.   Brian, O. 2003. Soils, Infiltration, and On-site Testing. GeoEnvironmental Sciences and Environmental Engineering Department. Texas Council of Governments.
4.      Doty, R.D.1971. Contour trenching effects on stream flow from a Utah watershed. USDA. Forest Service Res. Paper INT.98. Int. Forest and Range Exp .Sta
5.      Moazeni-Noghondar, S., Golkarian, A., Azari, M., & Asgari Lajayer, B. (2021). Study on soil water retention and infiltration rate: a case study in eastern Iran. Environmental Earth Sciences, 80(14), 474.
6.   Mozzi G, Pavelic P, Alam MF, Stefan C and Villholth KG (2021) Hydrologic Assessment of Check Dam Performances in Semi-Arid Areas: A Case Study From Gujarat, India. Front. Water 3:628955. doi: 10.3389/frwa.2021.628955.
7.   nikbakht, Z. , Emadi, A. and Mirnaseri, M. (2022). Laboratory and Numerical Investigation of the Effect of Gabion Check Dams on the Transient Storage Model (TSM) Parameters in Pollution Transport in Rivers. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 23(87), 119-144. doi: 10.22092/idser.2022.359198.1515
8.   Nimmo, J. R., & Shillito, R. (2023). Infiltration of Water Into Soil. Oxford Research Encyclopedia of Environmental Science. https://doi.org/10.1093/acrefore/9780199389414.013.768.
9.   Noble, E.L. 1963. Sediment Reduction through watershed rehabilition. Interagency Sedimentation Conf. 29. P.U.S. Forest and Game.
10.  Rajora, R. 1998. Integrated Watershed Management, AField Manual for Equitable, Productive and Sustainable Development. Rawat publication. New Delhi, India. 616 p.
11.  Razzaghi, S., Khodaverdiloo, H., & Ghorbani Dashtaki, S. (2016). Effects of long-term wastewater irrigation on soil physical properties and performance of selected infiltration models in a semi-arid region. Hydrological sciences journal, 61(10), 1778-1790.
12.  Roshani, R. 2003 " Evaluation the effect of check dams on flood peaks to optimize the flood control measures (Case study in Iran), M.Sc Thesis in Watershed and Environmental Management. International Institute for Geo Information Science and Earth Observation Enschede, the Nederland. 43p.
13.   Satterland, J.B. 1962. Soil Conservation Service– Engineering field manual for conservation practices.
14.  Sharma, K.D., H.P. Singh and O. P. 1983. Rainwater infiltration rate response into a bare loamy sand. Hydrological Science Journal, 28: 417-427
15.  Weaver, R.J. and R.A. Kuthy. 1975 " Filed evaluation of a recharge basin", New Yorkstate department of transportation, engineering research and development. Research report 26.
16.  Wu, H., Cheng, S., Li, Z., Ke, G., & Liu, H. (2022). Study on Soil Water Infiltration Process and Model Applicability of Check Dams. Water, 14(11), 1814. https://doi.org/10.3390/w14111814

  • تاریخ دریافت 06 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 07 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 09 دی 1404