Spatial variations of runoff, sediment and runoff threshold of Gharehshiran watershed in Ardabil Province

Authors

1 M.Sc. Graduated, Department of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

2 Associate Professor, Department of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

3 Assistant Professor, Department of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

4 Assistant Professor, Department of Geology, Faculty of Basic Sciences University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

Abstract

Diverse factors affect the characteristics of the watershed that lead to spatial and temporal variations in the runoff and sediment production processes. Runoff and sediment are the main important elements in the hydrological cycle, and their changes directly affect river systems and sedimentary environments; and their spatial and temporal variations change the morphology of the rivers. Due to differences in soil characteristics, source materials and geological formations, vegetation and slope in different parts of a region, the amount of runoff and sediment produced in these areas can vary with spatial variations. The purpose of this study is to evaluate the spatial variations of runoff and sediment and runoff threshold using rainfall simulation data in the Gharehshiran watershed in Ardebil Province. Considering the importance of spatial distribution of sampling points across the catchment area, the locations of the samples were determined, taking into account the access path to the points, as well as sampling in different formations through determining the boundaries of the study area.
The field experiments and simulation of precipitation were carried out using a 1×1m rainfall simulator in 45 points in different geologic formations of the watershed area. The amount of runoff and sediment were measured in each experiment along with recording the threshold time of runoff generation. The measured variables were mapped and interpolated by using Kriging method over the study area. To assess the accuracy of the interpolation results, 7 samples were selected randomly and the Root Mean Square Error (RMSE), Mean Absolute Error (MAE) and Mean Bias Error (MBE) statistical measures were calculated by comparing observational and estimated values. Then, the correlation between the studied variables in various geological formations was evaluated using Pearson correlation analysis. The relationship between sediment and runoff amount, and runoff threshold time were also evaluated using a triple diagram model.
The results of the interpolated maps showed that the lowest values of runoff time threshold (1.99-3.17 min) were observed in the geological formations of upper part of the watershed having dacite and tracite igneous, volcanic rocks. While the runoff time thresholds were increased (6.13-7.25 min) in the low land areas with the old alluvial terraces. The amount of generated runoff in the upper hillslopes of the watershed with dacite and tracite rocks was estimated as (6.07-7.25 lit/m2), and the amount of sediment was low (1.25-1.66 g/l). Meanwhile, in the lower parts of old alluvial terraces, the amount of runoff production was low (2.20-3.50 lit/m2) and the amount of produced sediment was higher with values of (2.25-3.5 g/l). The results of correlation analysis showed that the correlation coefficients between runoff threshold and runoff volume were significant at 0.01 significant level (r = -0.802). Also, a significant negative correlation (r = -0.672), were observed between runoff and sediment values.
The relationship between the runoff time threshold and the sediment content was positive at significant level of 0.01 (r = 0.900). The results of interdependency between the sediment, runoff and runoff time threshold values using triple diagram models showed that the sediment amount was about 2g/l at high runoff time thresholds of 4 minutes with 2.5-5.5 lit/m2 runoff amounts.
In general, it can be said that the sediment production in the study area is strongly under the effects of runoff amounts in lower time thresholds of runoff. As a remark, the results pointed out that the internal relationship of runoff and sediment production are affected by a variety of effective factors which requires comprehensive studies to reach a final conclusion.

Keywords

References

احمدی، ع.، جعفری، و.، نجفی، ن.، پالیزوان زند، ح. و صادق‌زاده، م. ا.، 1396، تغییرات زمانی میزان تولید رواناب و رسوب در طول فصل رشد گیاه زراعی نخود دیم (مطالعه موردی: در ایستگاه تحقیقات حفاظت خاک تیکمه داش، آذربایجان شرقی(. تحقیقات آب و خاک ایران، 48، 2، 308-299.
اسمعلی ا.، فرهودی، م. ح.، جعفریان، ز. و کاویان‌پور، ا. ح.، 1394، اثر پوشش گیاهی بر کاهش رواناب و هدر‏رفت خاک با استفاده از شبیه سازی باران در مراتع نشو استان مازندران. جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، 26، 2، 190-179.
جهانبخشی، ف.، 1393، بررسی توان رسوبزایی و آستانه تولید رواناب در سازند‌های مختلف زمین‌شناسی در شدت‌های متفاوت بارش با استفاده از شبیه‌ساز باران (مطالعه موردی: دامنه‌های شیرکوه یزد). پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد کشاورزی، دانشگاه یزد.
حسنی­پاک، ع. ‌ا.، 1377، زمین‌آمار، انتشارات دانشگاه تهران، 314 صفحه.
حسینی، س. ه.، فیض‌نیا، س.، پیروان، ح. ر. و زهتابیان، غ. ر.، 1388، بررسی تولید رواناب و رسوب در سازندهای ریزدانه نئوژن با کمک باران‌ساز (مطالعه موردی: حوزه آبخیز طالقان)، مرتع و آبخیزداری (منابع طبیعی ایران)، 62، 2، 229-215.
رئیسیان، ر.، 1384، بررسی اثر شیب زمین، شرایط رطوبتی خاک و کاربری اراضی در زمان شروع رواناب، سومین همایش ملی فرسایش و رسوب، مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری کشور، تهران، 10-1.
سازمان زمین‌شناسی کشور، 1995، نقشه 1:100000 زمین‌شناسی ایران شیت‌های اردبیل، مشگین‌شهر، سراب و کیوی.
شریفی، ف.، صفاپور، ش.، ایوب‌زاده، س. ع. و وکیل‌پور، ج.، 1383، بررسی عوامل مؤثر در تعیین آستانه شروع رواناب در مناطق خشک و نیمه‌خشک کشور به‌کمک استفاده از شبیه‌سازی باران و داده‌های بارش-رواناب، منابع طبیعی ایران، 5، 1، 45-33.
شکل‌آبادی، م.، خادمی، ح. و چرخابی، ا. ح.، 1382، تولید رواناب و رسوب در خاک‌های با مواد مادری متفاوت در حوزه آبخیز گل‌آباد اردستان، نشریه علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، 7، 2، 100-85.
شیخ‌ربیعی، م. ر.، فیض‌نیا، س. و پیروان، ح. ر.، 1390، بررسی رواناب و تلفات خاک در واحدهای کاری حوزه آبخیز هیو، مقایسه در مقیاس شبیه‌ساز باران، علوم زمین، 20، 60، 62-57.
صادقی، س. ح. ر.، غلامی، ل.، خالدی‌درویشان، ع. ا. و تلوری، ع. ا.، 1387، تحلیل داده های رسوب نگار حوضه چهل گزی سد قشلاق، تحقیقات منابع آب ایران، 4، 3، 56-47.
عبدی‌نژاد، پ.، فیض‌نیا، س.، پیروان، ح. ر.، فیاضی، ف. ا. و طباخ‌شعبانی، ا. ع.، 1389، بررسی آستانه شروع رواناب در واحدهای مارنی سازندهای زمین‌شناسی استان زنجان با استفاده از دستگاه باران‌ساز مصنوعی، پ‍‍ژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 1، 2، 51-31.
فتحی‌زاد، ح.، کریمی، ح. و توکلی، م.، 1395، نقش حساسیت به فرسایش سازندهای زمین‌شناسی در فرسایش و تولید رسوب (مطالعه موردی: زیرحوزه‌های رودخانه دویرج استان ایلام)، پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 7، 13، 208-193.
فرج‌زاده، م. و قره‌چورلو، م.، 1390، تحلیل مکانی و زمانی رسوب معلق در حوزه آبریز قره‌سو، پژوهش‌های فرسایش محیطی، 3، 84-61.
فیض‌نیا، س. و احزن، ک.، 1388، تعیین فرسایش‌پذیری نهشته‌های منفصل با استفاده از معادله جهانی فرسایش آب (روش ‌USLE) در حوزه آبخیز دماوند، رسوب و سنگ رسوبی، 2، 4، 29-13.
فیض‌نیا، س.، 1374، مقاومت سنگ‌ها در مقابل فرسایش در اقالیم مختلف ایران، منابع طبیعى ایران، 47، 116-95.
گل‌محمدی، گ.، معروفی، ص. و محمدی، ک.، 1387، منطقه‌ای نمودن ضریب رواناب در استان همدان با استفاده از روش‌های زمین‌آماری و GIS، نشریه علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، 12، 46، 514-501.
محمدی، م. ا. و کاویان، ع. ا.، 1390، بررسی تغییرات زمانی رواناب و رسوب‌دهی در مقیاس کرت (مطالعه موردی: حوزه آبخیز معرف خامسان)، دوازدهمین کنگره علوم خاک ایران، تبریز، 12 ال 14 شهریور، دانشگاه تبریز.
مصباح، س. ح.، 1387، بررسی منشاء نهشته‌های دریاچه مهارلو، گزارش نهایی طرح تحقیقاتی، مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی استان فارس.
مصطفی‌زاده، ر.، صادقی، س. ح. ر. و سعدالدین، ا.، 1393، تحلیل رسوب نمود و حلقه های سنجه رسوب رگبار در حوزه آبخیز گلاز اشنویه، آذربایجان غربی، پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 21، 5، 191-175.
مهدیان، م. ح.، 1383، کاربرد زمین­آمار در زهکشی، سومین کارگاه فنی زهکشی، 79-78.
نجفیان، ل.، کاویان، ع. ا.، قربانی، ج. و تمرتاش، ر.، 1389، اثر فرم رویشی و مقدار پوشش گیاهی بر تولید رواناب و رسوب اراضی مرتعی منطقه سوادکوه مازندران، مرتع، 4، 2، 347-334.
نجفی‌سربند، س.، 1390، تعیین روابط بین رخساره‌های فرسایش آبی با عوامل مؤثر بر آنها در حوزه آبخیز قره‌شیران اردبیل. پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد آبخیزداری، دانشگاه آزاد واحد تبریز.
واعظی، ع.ر.، و بهتری، م. 1396. تاثیر مقدار رطوبت اولیه خاک بر تولید رواناب و هدررفت خاک در بافت های مختلف، تحت باران شبیه سازی شده. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران. 11، 39، 21-11.
واعظی، ع. ر.، بهرامی، ح.، صادقی، س. ح. ر. و مهدیان، م. ح.، 1387، تغییرات مکانی رواناب در بخشی از خاک‌های آهکی ناحیه نیمه‌خشک در شمال‌غربی ایران، علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 15، 5، 14-1.
وروانی، ج.، فیض‌نیا، س.، احمدی، ح. و جعفری، م.، 1386، ارزیابی کارایی مدل‌های تجربی برآورد رسوب حوزه‌های آبخیز در زمان سیلاب‌های منفرد و ارائه ضرائب اصلاحی، منابع طبیعی ایران ، 60، 4، 1239-1225.
AghabeigiAmin, S., Moradi, H. R. and Fattahi. B., 2014, Sediment and runoff measurement in different rangeland vegetation types using rainfall simulator, Ecopersia, 2(2): 525-538.
Ahmadi, Sh. and Sedghamiz, A., 2008, Application and evaluation of kriging and cokriging methods on groundwater depth mapping, Environmental Monitoring and Assessment, 138: 357 -368.
Altunkaynak, A. and Wang, K., 2010, Triple diagram models for prediction of suspended solid concentration in Lake Okeechobee, Florida, Journal of Hydrology, 387: 165–175.
Alvisi, S., Mascellani, G., Franchini, M. and Bardossy, A., 2006, Water level forecasting through fuzzy logic and artificial neural network approaches, Hydrology and Earth System Sciences, 10(1): 1-17.
Amos, K. J., Alexander, J., Horn, A., Pocock, G. D. and Fielding, Ch. R., 2004, Supply limited sediment transport in a high-discharge event of the tropical Burdekin River, North Queensland, Australia. Sedimentology, 51: 145-162.
Barua, S. and Perera, B. J. C., 2012, Artificial neural network-based drought forecasting using a nonlinear aggregated drought index, Journal of Hydrologic Engineering, ASCE 17: 1408-1413.
Chen, S. H., Lin, Y. H., Chang, L. C. and Chang, F. J., 2006, The strategy of building a flood forecast model by neuro-fuzzy network, Hydrological Processes, 20(7): 1525-1540.
Chen, Y. and Liu, X. R., 1996, Climate change impact on hydrology of Huaihe Basin, Journal of Hohai University, 24: 111-114.
Chen, Y., Tarchitzky, J., Brouwer, J., Morin, J. and Banin, A., 1980, Scanning electron microscope observation on soil crusts and their formation, Soil Science, 130: 49-55.
Coppus, R. Imeson, A. C. and Serink, J., 2003, Identification, distribution and characteristics of erosion sensitive areas in three different central Andean ecosystems, Catena, 51(3): 315-328.
DE Sutter, R., Verhoeven, R. and Krein, R., 2001, Simulation of sediment transport during flood events, labratoary work and field experiments, Hydrological Sciences Journal, 46(4): 599-610.
Duiker, S. W., Flanagan, D. and Lal, C. R., 2001, Erodibility and infiltration characteristics of fire major soils of southwest Spain, Catena, 45: 103-121.
Einax, J. W. and Soldt, U., 1999, Geostatistic and multivariate statistical methods for the assessment of polluted Soil Merits and Limitations, Chemometrica and Intelligent Laboratory System, 46(1): 79-91.
Fu, B. J., Zhao, W. W., Chen, L. D., Zhang, Q. J., Lu, Y. H., Gulinck, H. and Poesen, J., 2005, Assessment of soil erosion at large watershed scale using RUSLE and GIS: A case study in the Losess Plateau of China, Land Degradation and Development, 16: 73-85.
Goovaerts, P., 1999. Geostatistics in soil science: state-of-the-art and perspectives, Geoderma, 89: 1-45.
Green, I. R. A. and Stephenson, D., 1986, Criteria for comparison of single event models, Hydrological Sciences Journal, 31(3): 395-411.
Hu, B., Wang, T. H., Yang, Z. and Sun, X., 2011, Temporal and spatial variations of sediment rating curves in the Changjiang (Yangtze River) basin and their implications, Quaternary International, 320: 34-43.
Hundecha, Y. and Bárdossy, A., 2004, Modeling of the effect of land use changes on the runoff generation of a river basin through parameter regionalization of a watershed model, Journal of Hydrology, 292(1-4): 281-295.
Isaaks, E. H. and Srivastava, R. M., 1989, An introduction to applied geostatistics, Oxford University Press, New York. 561p.
Jordan, J. P., 1994, Spatial and temporal variability of streamflow generation processes on a Swiss catchment, Journal of Hydrology, 153: 357-382.
Karunanithi, N., Grenney, W., Whitley, D. and Bovee, K., 1994, Neural networks for river flow prediction, Journal of Computing in Civil Engineering, 8(2): 201-220.
Lu, X. X., 2005, Spatial variability and temporal change of water discharge and sediment flux in the Lower Jinsha tributary: Impact of environmental changes, River Research and Applications, 21(2-3): 229-243. 
Ma, Y., Hung, H. G., Xu, J., Brierly, G. J. and Yao, Z., 2010, Variability of effective discharge for suspended sediment transport in a large semi-arid river basin, Journal of Hydrology, 388: 357-369.
Moore, C. P. and Singer, J., 1990, Crusts formation effects on soil erosion processes, Soil Science Society of American Journal, 54: 1117-1123.
Morche, D. and Schmidt, K. H., 2006, Sediment output and effective discharge in two small high mountain catchments in the Bavarian Alps, Germany, Geomorphology, 80(1-2): 131-145.
Oeurng, Ch., Sauvage, S. and Snchez-Pérez, J. M., 2011, Assessment of hydrology, sediment and particulate organic carbon yield in a large agricultural catchment using the SWAT model, Journal of Hydrology, 401: 145-153.
Pebesma, E. J., Switzer, P. and Loague, K., 2005, Error analysis for the evaluation of model performance: rainfall-runoff event time series data, Hydrological Processes, 19(8): 1529-1548.
Poesen, J. W. A. and Lavee, H., 1991, Effects of size and incorporation of synthetic mulch on runoff and sediment yield from interrills in a laboratory study with simulated rainfall, Soil and Tillage Research, 21: 209-223.
Prathapar, S. A. and Abdulla, A. B., 2014, Impact of sedimentation on groundwater recharge at Sahalanowt Dam, Salalah, Oman, Water International, 39(3): 381-393.
Renard, K. G. and Ferreira, V. A., 1993, RUSLE model description and database sensitivity, Environmental Utility Journal, 22: 458-466.
Sadeghi, S. H. R. and Mostafazadeh, R., 2016, Triple diagram models for changeability evaluation of precipitation and flow discharge for suspended sediment load in different time scales, Environmental Earth Sciences, 75(843): 1-12.
Sanguesa, C., Arumi, J., Pizarro, R. and Link, O., 2010, A rainfall simulator for the in situ study of superficial runoff and soil erosion, Chilean Journal of Agricultural Research, 70(1): 170-177.
Seeger, M., 2007, Uncertainty of factors determining runoff and erosion processes as quantified by rainfall simulations, Catena, 71: 56-67.
Tague, C., Grant, G., Farrell, M., Choate, J. and Jefferson, A., 2008, Deep groundwater mediates streamflow response to climate warming in the Oregon Cascades, Climatic Change, 86: 189-210.
Tatsumi, K. and Yamashiki, Y., 2015, Effect of irrigation water withdrawals on water and energy balance in the Mekong River Basin using an improved VIC landsurface model with fewer calibration parameters, Agricultural Water Management, 159: 92-106.
Troendle, C. A., 1985, Variable source area model, in: Hydrological forecasting, edited by: Anderson, M. C. and Burt, T. P., Wiley, Chichester, pp. 347-404.
Vaezi, A. R., Bahrami, H. A. Sadeghi, S. H. R. and Mahdian, M. H., 2010, Modeling relationship between runoff and soil properties in dry-farming lands, NW Iran, Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 7: 2577-2607.
Walling, D. E., Collins, A. L., Sichingabula, H. A. and Leeks, G. J. L. 2001, Integrated assessment of catchment suspended sediment budgets: A Zambian Example. Land Deg. Dev. 12: 387-415.
Wang, S., Yan, Y. and Li. Y., 2012, Spatial and temporal variations of suspended sediment deposition in the alluvial reach of the upper Yellow River from 1952 to 2007, Catena, 92: 30-37.
Wang, W. Z. and Jiao, J. Y., 1996, Rainfall and erosion sediment yield in the Loess Plateau and sediment transportation in the Yellow River Basin, Science Press, 145(142-144): 257-258.
Wang, X. J. and Qi, F., 1998, The effects of sampling design on spatial structure analysis of contaminated soil, The Science of the Total Environment, 224: 29-41.
Webster, R. and Oliver, M. A., 2001, Geostatistics for environmental scientists, John Wiley and Sons, Ltd., Chichester, UK. 271.
Yang, A. W., 2000, Impact of global climate change on China’s water resources, Environmental Monitoring and Assessment, 61: 187-191.
Yates, S. R. and Warrick, A. W., 1992, Estimation soil water content using cokriging, Soil Science Society of America Journal, 51: 23-30.
Zhai, H. J., Hub, B., Luoa, X. Y., Qiua, L., Tangb, W. J. and Jiangb, M., 2016, Spatial and temporal changes in runoff and sediment loads of the Lancang River over the last 50 years, Agricultural Water Management, 174: 74-81.
Zhang, S. R., Lu, X. X., Higgitt, D. L., Chen, Ch. T. A., Han, J. and Sun, H., 2008, Recent changes of water discharge and sediment load in the Zhujiang (Pearl River) Basin, China, Global Planet Change, 60: 365-380.
Journal of the Earth and Space Physics
Volume 44, Issue 3
November 2018
Pages 697-713

Files

Share

How to cite

Statistics