شبیه‌سازی هدررفت عناصر غذایی خاک در حوضه سد قشلاق با استفاده از مدل swat

سابقه و هدف: یکی از اثرات بسیار مضر فرآیندهای فرسایشی از دست رفتن مواد غذایی خاک به وسیله رواناب و رسوب ناشی از فرسایش می‌باشد. نیتروژن و فسفر از عناصر غذایی اصلی خاک در حوضه‌های آبخیز هستند، اما انباشتگی این عناصر در آب رودخانه‌ها و آبراهه‌ها یکی از موضوعات مهم در هدررفت عناصر غذایی خاک بوده و می‌تواند منجر به رشد گیاهان آبزی، جلبک‌ها و پدیده یوتریفیکاسیون آب‌ها گردد. هدف از این تحقیق شبیهسازی میزان فسفر و نیتروژن کل حمل شده توسط رواناب و رسوب در زیر حوضه‌های سد قشلاق، تهیه نقشه‌ی مناطق هدررفت عناصر غذایی در سطح حوضه و تعیین زیر حوضه‌های بحرانی با استفاده از مدل swat (soil and water assessment tool) است. مواد و روش‌ها: در این پژوهش برای شبیه‌سازی باررسوب و بررسی میزان هدرروی عناصر غذایی خاک، از مدل پیوسته و نیمه توزیعی swat استفاده شد. بدین منظور ابتدا اقدام به جمع‌آوری نقشه‌های مدل رقومی ارتفاع، شبکه آبراهه، کاربری و خاک شد. پایگاه داده‌های اقلیم، خصوصیات خاک و مدیریت برای حوضه آبخیز سد قشلاق تهیه شد. پس از اجرای مدل از داده‌های مشاهده‌ای رواناب، رسوب و کیفیت آب سال‌های 1993 تا 2003 برای واسنجی مدل و داده‌های مشاهداتی سال‌های 2004 تا 2007 برای اعتبارسنجی مدل با استفاده از الگوریتم sufi2 استفاده گردید. یافته‌ها: نتایج نشان داد که مدل swat دبی، باررسوب، فسفر و نیتروژن حوضه سد قشلاق را به خوبی شبیه‌سازی کرده است. به عنوان مثال ضرایب r2، ns، rfactor و pfactor برای واسنجی رواناب ماهانه در ایستگاه چهلگزی به ترتیب 0.80، 0.72، 0.78 و 0.52 و در ایستگاه خلیفه‌ترخان و 0.82، 0.74، 0.80 و 0.54 برآورد شد. این ضرایب برای فسفر در ایستگاه چهلگزی به ترتیب 0.68، 0.63، 0.39 و 0.55 و در ایستگاه خلیفه‌ترخان 0.69، 0.66، 0.55 و 0.49 می‌باشد. وضعیت حوضه برای حمل نیتروژن آلی، نیترات، فسفر آلی، فسفر محلول و فسفر معدنی به ترتیب 323، 12، 48، 0.18 و 71 کیلوگرم بر هکتار، شبیه‌سازی شد. بیشترین منابع هدررفت عناصر خاک به ترتیب در زیر حوضه‌های شماره 50، 47، 43، 51، 48، 34 و 31 قرار دارند که منشاء حدود 30 درصد هدررفت عناصر خاک در حوضه می‌باشند. نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که این مدل می‌تواند به‌طور کار‌آمدی برای تعیین زیر حوضه‌های بحرانی از نظر تلفات مواد مغذی فسفر و نیتروژن به کار گرفته شود. زیر حوضه‌های دارای کاربری زراعی بر روی اراضی شیبدار غرب حوضه، دارای وضعیت بحرانی از نظر هدررفت عناصر غذایی خاک هستند. به منظور کنترل هدررفت عناصر غذایی خاک حوضه آبخیز سد قشلاق، بهترین عملیات مدیریتی، کاهش و کنترل کودهای شیمیایی نیترات و فسفات، تبدیل زمین کشاورزی شیبدار به مراتع و جنگلکاری و نهایتاً ایجاد یک منطقه حائل در طول رودخانه می‌باشد.

The Soil nutrient Loss Simulation in Gheshlagh Dam Basin Using SWAT Model

Abstract Background and objectives: One of the harmful effects of erosion processes is soil nutrient loss by runoff and sediment. Nitrogen and phosphorus are the main nutrients of soil in watersheds, but the accumulation of these elements in rivers and channels is the one of the most important issues in the nutrient soil loss, that can lead to the growth of aquatic plants, algae and led to Eutrophication phenomena. The aim of this study is to simulate the amount of total phosphorus and nitrogen that carried by runoff and sediment in the subbasins of the Gheshlagh dam basin, mapping of nutrient loss in the basin and determining the critical subbasins using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. Materials and methods: To simulate the sediment load and the amount of soil nutrients loss, continuous and semidistributed SWAT model was used. For this purpose, at first the DEM, network of streams, land use and soil maps were collected. The climate, soil and management databases were prepared for Gheshlagh dam basin. The observation data of runoff, sediment and water quality of 1993 to 2003 years were used for model calibration and those for 2004 to 2007 years were used for model validation using the SUFI2 algorithm. Results: The results showed that the SWAT model has simulated discharge, sediment, phosphorus and nitrogen in Gheshlagh dam basin very well. For example, the R2, NS, rfactor and pfactor coefficients for monthly runoff calibration in Chehelgazi station were estimated 0.80, 0.72, 0.78 and 0.52 respectively and in Khalyfetarkhan station 0.82, 0.74, 0.80 and 0.54. The coefficients for phosphorus in Chehelgazi station are 0.68, 0.63, 0.39 and 0.55 respectively and in Khalyfetarkhan station 0.69, 0.66, 0.55 and 0.49. The organic nitrogen, nitrate, organic phosphorus, soluble phosphorus, and mineral phosphorus were estimated to be 323, 12, 48, 0.18 and 71 kg per hectare, receptively. The subbasins with highest sources of soil loss are 50, 47, 43, 51, 48, 34 and 31 subbasins, respectively, which are the source of about 30 percent of total nitrogen and phosphorus load in the basin. Conclusion: The results showed that the model can be effectively applied to determine the critical subbasins with regard to nitrogen and phosphorus loss. The cultivated lands on steep slopes in west of basin have critical situation in terms of soil nutrient loss. In order to control soil nutrient loss of Gheshlagh dam watershed, the best management practices are reduction and control of nitrate and phosphate fertilizers, conversion of agricultural land to rangeland or forest in slopes and also creating a buffer zone along the river to reduce nitrogen and phosphorus losses entering to the reservoir basin.