بررسی رابطه غلظت رسوب معلق ایستگاه‎‌های هیدرومتری دوآب مرگ و پل چهر با پوشش گیاهی در مناطق بالادست با استفاده از تصاویر sentinel-2 msi

مقدمه و هدف: فرسایش خاک و رسوب‌ دهی در زمره مهم‌ترین معضلات و چالش‌های زیست‌محیطی حوزه‌های آبخیز محسوب می‌شود. بار رسوب رودخانه مشکلات زیادی از جمله رسوب‌گذاری در مخازن سدها، تغییر مسیر رودخانه‌ها به‌دلیل رسوبگذاری در بستر آن‌ها، کاهش ظرفیت آبگذری آبراهه‌ها و تاسیسات انتقال آب و تغییر کیفیت آب به لحاظ مصارف شرب و کشاورزی به وجود می‌آورد رسوبات معلق در آب‌ رودخانه‌ها مورد توجه دانشمندان، محققان و مدیران منابع آب هستند زیرا می‌توان از آن برای بررسی رسوب، فرسایش و اثرات بالقوه بر فرآیندهای بیولوژیکی استفاده کرد. بنابراین، بررسی و ارزیابی غلظت رسوب معلق در تعیین کیفیت آب و عملکردهای هیدرولوژیکی ضروری است. در این راستا استفاده از تکنیک‌های دقیق، گسترده و مقرون به صرفه، مانند سنجش از دور، جهت بهبود برآورد رسوب و در نتیجه بررسی کیفیت آب، ارزش زیادی دارد شناخت روابط مکانی پوشش گیاهی بالادست با رسوب‌دهی حوضه‌ها جهت کنترل و مدیریت بهینه منابع آب و خاک ضروری است. پژوهش حاضر با هدف تعیین روابط بین پوشش گیاهی با غلظت رسوب معلق در دو حوزه آبخیز دوآب مرگ و گاماسیاب انجام گرفت. مواد و روش‌ها: در این پژوهش در مرحله اول داده‌های ماهواره‌ای سنتینل-2 مورد بررسی قرار گرفت و در صورت وجود شرایط ابری، ریزگردها یا سایر اشکالات رادیومتریک از محاسبات خارج گردید. در ادامه برای انتخاب پیکسل مناسب تصویر (جهت اخذ انعکاس طیفی آب)، عواملی نظیر نوع باند (باندهای مرئی و مادون قرمز)، عرض رودخانه (بالاتر از پیکسل تصویر- 40 متر در ایستگاه دوآب و 80 متر در ایستگاه پل‌چهر) و قدرت تفکیک مکانی سنجنده (10 و 20 متر) مد نظر قرار گرفته و پیکسل مربوط به ایستگاه هیدرومتری و اطراف آن انتخاب و انعکاس طیفی استخراج شد. سپس به‌منظور بررسی همبستگی میان بازتاب طیفی باندهای تصاویر سنتینل-2 و غلظت رسوب از آمار غلظت رسوبات معلق ایستگاه دوآب مرگ واقع در رودخانه قره‌سو و ایستگاه پل‌چهر واقع در رودخانه گاماسیاب در دوره پنج ساله (2016 تا 2020) همزمان با آن‌ها استفاده شد. در ادامه شاخص تفاضل پوشش گیاهی نرمال شده (ndvi) برای دو فصل اردیبهشت و خرداد با استفاده از تصاویر سنتینل-2 استخراج شد و رابطه پوشش گیاهی و غلظت رسوب معلق ثبت شده در ایستگاه و استخراج شده از تصاویر به‌صورت مجزا برآورد شد. یافته‌ها: نتایج تحلیل همبستگی غلظت رسوب معلق نشان داد که بهترین نتیجه برای ایستگاه دوآب مربوط به باند 4 (r^2=0.86) و برای ایستگاه پل‌چهر مربوط به باند 5 (r^2=0.83) بود. نتایج به‌دست آمده نشان داد که غلظت رسوب معلق در ایستگاه دوآب مرگ 0/17 تا 76/45 و در ایستگاه پل‌چهر از 0/44 تا 118/86 میلی‌گرم بر لیتر متغیر بوده است. هم چنین مشخص شد که در ایستگاه دوآب مرگ در حالت توانی بین داده‌های مشاهداتی (ثبت شده در ایستگاه) و داده‌های مستخرج شده از تصاویر دارای بیشترین ضریب همبستگی می‌باشد. و در ایستگاه پل‌چهر در دو حالت چندجمله‌ای و حالت نمایی دارای ضریب همبستگی بالایی بود. بهترین مقادیر ضریب تبیین (r^2) شاخص تفاضل پوشش گیاهی نرمال شده برای دو ایستگاه دوآب و پل‌چهر به‎ترتیب 0/98 و 0/64 بدست آمد که نشان‌دهنده این است که با افزایش پوشش گیاهی مقادیر رسوب کاهش می‌یابد. میانگین مقادیر متوسط شاخص گیاهی برای حوزه آبخیز مرگ برابر با 0/35 است و برای حوزه آبخیز گاماسیاب برابر 0/28 بدست آمد که نشان از پوشش گیاهی نسبتاً تنک منطقه دارد. کمترین مقدار میانگین پوشش گیاهی در فصل مورد بررسی (بهار) در حوزه آبخیز مرگ خرداد ماه برابر 0/11 و برای حوزه آبخیز گاماسیاب اواخر اردیبهشت ماه برابر 0/21 بدست آمد. همانطور که نتایج آزمون ‌رگرسیون نشان داد که رابطه قوی و معناداری بین تراکم پوشش گیاهی و میزان غلظت رسوب معلق ثبت شده در ایستگاه‌های هیدرومتری دو حوضه‌ وجود دارد. نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که 6 مدل برای منطقه مورد مطالعه استخراج شد که دارای ضرایب تعیین و مقادیر خطای قابل قبول و مناسب بودند. از میان مدل‌های بدست آمده مشخص شد که در حالت تک باند نتایج بهتری بدست آمد نسبت به حالتی که نسبت باندی مورد استفاده قرار گرفته شد. بیشترین همبستگی در ایستگاه دوآب مرگ مربوط به باند های b2، b3،b4 و b5 بوده است و برای ایستگاه پل چهر b4 و b5 می‌باشد. بالاترین ضریب تعیین بدست آمده برای دو ایستگاه به‎ترتیب 0/86 و 0/83در حالت نمایی بوده است. نتایج این مطالعه نشان داد که سنتینل-2 می‌تواند به‌عنوان ابزار مناسبی برای تخمین غلظت رسوب معلق با دقت قابل قبولی در حوضه‌های کوچک مقیاس و شرایط سیلاب استفاده شود که در تعدادی از مطالعات مشابه تایید شده است وجود رابطه معکوس و نزدیک بین متوسط شاخص گیاهی ndvi با رسوب اشاره به تاثیر مثبت پوشش گیاهی بر حفاظت خاک و کاهش تولید و انتقال رسوب در داخل حوزه‌های آبخیز دارد. در کل، نتایج نشان داد که پوشش گیاهی به­ طرز موثری در کمیت و کیفیت تغییرات مکانی میزان رسوب‌دهی حوضه‌ها موثر افتاده و شاخص گیاهی ndvi به‌عنوان نماینده پوشش گیاهی به طرز موفقیت آمیزی برای ایجاد یک مدل آماری از تغییرات میزان رسوب‌دهی می‌تواند مورد استفاده واقع شود، و احیا پوشش گیاهی در برنامه‌های توسعه‌ای قرار گیرد. 

the relationship between the suspended sediment concentration of doab mereg and pol chehr hydrometric stations with vegetation in upstream areas using sentinel-2 msi images

background: soil erosion and sedimentation are among the major problems and environmental challenges in watersheds. the sediment load in rivers causes numerous issues, such as sedimentation in dam reservoirs, changes in river courses due to sedimentation in their beds, reduced water carrying capacity in waterways and water transfer facilities, and changes in water quality for drinking and agriculture. these problems are of great concern to researchers and water resource managers as they can investigate sedimentation, erosion, and potential effects on biological processes. therefore, it is essential to investigate and evaluate suspended sediment concentrations to determine water quality and hydrological functions. in this regard, the use of accurate, extensive, and cost-effective techniques, such as remote sensing, is invaluable for improving sedimentation estimation and, consequently, water quality assessment. understanding the spatial relationships between upstream vegetation and sedimentation is crucial for the effective control and optimal management of water resources and soil. the present study aimed to determine the relationship between vegetation cover and suspended sediment concentrations in the doab mereg and gamasiab watersheds.methods: in this research, the sentinel-2 satellite data were investigated in the first step. if there were cloudy conditions, dust particles, or other radiometric problems, they were removed from the calculations. then, factors such as band type (visible and infrared bands), river width (higher than the image pixel - 40 meters at the doab station and 80 meters at the polchehr station), separation power, and sensor location (10 and 20 meters) were considered to select the appropriate image pixel for obtaining the spectral reflectance of water. the pixel corresponding to the hydrometric station and its surroundings was selected to extract the spectral reflectance. then, the suspended sediment concentration statistics of the doab mereg station located in the qarasu river and the polchehr station located in the gamasiab river in the five-year period (2016 to 2020) were used simultaneously to investigate the correlation between the spectral reflectance of the sentinel-2 image bands and sediment concentration. next, the normalized difference vegetation index (ndvi) for the two may and june seasons was extracted using sentinel-2 images. the relationship between vegetation cover and suspended sediment concentration recorded at the station and extracted from the images was estimated separately.results: the results of the correlation analysis of suspended sediment concentration showed that the best result for the doab and polchehr stations belonged to band 4 (r2 = 0.86) and band 5 (r2 = 0.83), respectively. the suspended sediment concentrations varied from 0.17 to 76.45 and 0.44 to 118.86 mg/liter in the doab mereg and polchehr stations, respectively. in the doab station, the depth of the power state had the highest correlation coefficient between the observational data (recorded in the station) and the data extracted from the images. in the polchehr station, it had a high correlation coefficient in both polynomial and exponential modes. the best values of the coefficient of determination (r2) of the normalized vegetation cover difference index for the doab and polchehr stations were 0.98 and 0.64, respectively. this means that the amount of sediment decreases with an increase in vegetation cover. the average values of the vegetation index for the mereg watershed (0.35) and the gamasiab watershed (0.28) show the relatively sparse vegetation in the area. the lowest average values of vegetation cover in the studied season (spring) were respectively equal to 0.11 and 0.21 in the mereg watershed in june and the gamasiab watershed at the end of may.