مقایسه روش‌های تعیین حجم رسوبات پشت سدهای اصلاحی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز رئین شیرآباد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه آموزشی مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران.

10.22034/nawee.2025.515827.1149
چکیده
هدف: سدهای اصلاحی به‌عنوان یکی از راهکارهای مؤثر در کاهش فرسایش و کنترل رسوبات در حوزه‌های آبخیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. برآورد دقیق حجم رسوبات انباشته‌شده پشت این سدها از اهمیت بالایی برخوردار است، چرا که اطلاعات دقیق در این زمینه می‌تواند به بهینه‌سازی طراحی و اجرای پروژه‌های آبخیزداری کمک کند. این پژوهش با هدف مقایسه دقت چهار روش مختلف شامل روش‌های هندسی، منشور، ذوزنقه‌ای و هرمی در تخمین حجم رسوبات پشت سدهای اصلاحی در حوزه آبخیز رئین شیرآباد شهرستان مانه و سملقان انجام شد. همچنین، اصلاح اریبی بر نتایج این روش‌ها اعمال گردید تا میزان دقت تخمین‌ها بهبود یابد.
مواد و روش‌ها: برای انجام این مطالعه، ابتدا داده‌های میدانی مربوط به حجم رسوبات انباشته‌شده پشت سدهای اصلاحی از طریق نقشه‌برداری دقیق و اندازه‌گیری‌های مستقیم جمع‌آوری گردید. سپس، چهار روش هندسی، منشور، ذوزنقه‌ای و هرمی برای برآورد حجم رسوبات مورد استفاده قرار گرفت. به‌منظور ارزیابی دقت هر یک از این روش‌ها، معیارهای آماری از جمله ضریب همبستگی ()، ریشه میانگین مربعات خطا نرمال شده (NRMSE) و میانگین خطای اریب (MBE) محاسبه شد. علاوه بر این، اصلاح اریبی بر داده‌های حاصل از این روش‌ها اعمال شد تا تأثیر آن در بهبود دقت نتایج بررسی شود.
نتایج: نتایج این تحقیق نشان داد که روش‌های هندسی و منشور دارای دقت بیشتری در تخمین حجم رسوبات در مقایسه با روش‌های ذوزنقه‌ای و هرمی هستند. پیش از اعمال اصلاح اریبی، مقدار NRMSE برای روش منشور برابر با 30/0 و برای روش هندسی 31/0 بود، که نسبت به روش‌های ذوزنقه‌ای و هرمی مقدار کمتری داشت. همچنین، مقدار MBE در روش منشور نشان‌دهنده کمترین میزان خطای تخمین بود. پس از اعمال اصلاح اریبی، مقادیر خطای روش هندسی و منشور‌ تقریباً 25% کاهش داشته‌اند و مقدار NRMSE هر چهار روش حدود 29/0 شده و میزان دقت برآوردها به‌طور چشمگیری بهبود پیدا کرد. مقادیر MBE نیز به صفر نزدیک شدند که نشان‌دهنده کاهش خطای تخمین و افزایش دقت محاسبات بود.
نتیجه‌گیری: نتایج این مطالعه نشان داد که انتخاب روش مناسب برای برآورد حجم رسوبات پشت سدهای اصلاحی تأثیر قابل‌توجهی در دقت نتایج دارد. روش‌های هندسی و منشور به‌عنوان دقیق‌ترین روش‌ها در این مطالعه شناخته شدند، به‌ویژه پس از اعمال اصلاح اریبی که موجب کاهش چشمگیر خطا شد. یافته‌های این پژوهش می‌تواند در بهینه‌سازی روش‌های برآورد حجم رسوبات و بهبود مدیریت پروژه‌های آبخیزداری و حفاظت از منابع آب و خاک مؤثر باشد. پیشنهاد می‌شود که در تحقیقات آینده، از روش‌های پیشرفته‌تری مانند مدل‌سازی رقومی زمین و سنجش از دور برای ارزیابی دقیق‌تر حجم رسوبات پشت سدهای اصلاحی استفاده شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Comparative Analysis of Sediment Volume Measurement Methods in Check Dams (Case Study: Rhine Shirabad Watershed)

نویسندگان English

morteza seyedian
Ali Akbar Khezri
Abolhasan Fathabadi
Department of Range and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Gonbad Kavous University, Gonbad Kavous, Golestan, Iran.
چکیده English

Objective: This study aims to compare four different methods for estimating sediment volume behind check dams: the geometric, pyramidal, trapezoidal, and prismatic methods. The study area is the Rhein Shirabad watershed in the Maneh and Samalqan region of North Khorasan Province, Iran. The primary objective is to evaluate the accuracy and applicability of these methods in estimating sediment deposition and to determine the most reliable approach for sediment volume calculation.
Methods: The geometric, pyramidal, trapezoidal, and prismatic methods were applied to estimate sediment volume. To enhance the accuracy of the estimations, bias correction was implemented on the computed values. Statistical performance metrics, including the coefficient of determination (R²), root mean square error (RMSE), and mean bias error (MBE), were used to assess the accuracy of each method. The calculated values from each method were compared with actual field measurements to determine their reliability.
Results: The findings indicate that the geometric and prismatic methods provide higher accuracy in estimating sediment deposition compared to the pyramidal and trapezoidal methods. Before bias correction, the RMSE values for the prismatic and geometric methods were lower (728.06 and 736.16, respectively) than those of the trapezoidal and pyramidal methods. The MBE values suggested that the prismatic method had the least estimation error. After applying bias correction, the RMSE values for all methods decreased significantly, indicating improved estimation accuracy. The mean bias error (MBE) values for all methods approached zero after correction, demonstrating a closer alignment between estimated and actual sediment volumes.

کلیدواژه‌ها English

Sediment Volume
Check Dam
Watershed management
Bias Correction
آرمین، م.، زاهدی خواه، ح.، مزین، م (1403). ارزیابی تله‌اندازی رسوب در سدهای اصلاحی، مطالعه موردی: حوزه آبخیز نهضت‌آباد. مهندسی و مدیریت آبخیز، 16(4), 586-599.
اسماعیلی‌نامقی، ع.، حسن‌لی، ع.م )1386(. بررسی عملکرد سدهای اصلاحی رسوب گیر خشکه چین در طول آبراهه‌ها در ترسیب مواد ریزدانه (مطالعه موردی: حوضه سد درودزن) . نشریه تولید و فرآوری محصولات زراعی و باغی، ۱۱(۱) ,۱۳-۲۴.
بایز شریف، ه.، خالق پناه، ن.، داوری، م.، رحیم زاده، م) 1402(. بررسی عملکرد بندهای اصلاحی در دانه بندی رسوبات در حوضه متأثر از جریان واریزه (ننور بانه). مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 30(1), 111-130.
جعفری، ا.، سرائی تبریزی، م.، بابازاده، ح (1399). ارزیابی تأثیر عملیات آبخیزداری بر کاهش فرسایش و رسوب (مطالعه موردی: حوزه آبخیز علی‌کندی بوکان). تحقیقات کاربردی خاک، 8(4), 57-68.
روغنی، م )1390(. بررسی نقش سازه­‌های حفاظت آب و خاک در کنترل و ذخیره رواناب (مطالعه موردی حوزه آبخیز حیدری). پژوهش­‌های آبخیزداری، 37,96-49.
سازمان منابع طبیعی و آبخیزداری کشور )1401(. فصلنامه فرسایش و رسوب در حوزه‌های آبخیز. 58 صفحه.
عباسی، ع. ا )1391(. بررسی صحرایی و ارائه رابطه جدید برای تعیین شیب حد در بالادست بند‌های اصلاحی. علوم ومهندسی آبخیز‌داری ایران، 6(2), 6-19.
قضاوی، ر.، ولی، ع.، محمد‌اسماعیلی، م) 1390(. بررسی احداث Check Dam بر مورفولوژی آبراهه‌­ها و ترسیب رسوبات (مطالعه موردی: حوزه آبخیز آب جوان- فارس). مجله پژوهش آب ایران، 5(9), 232-229.
Abbasi, A.A., 2012. Field study and presentation of a new relationship for determining the limit slope upstream of correction dams. Iranian Watershed Science and Engineering, 6(2), 6-19 (In Persian).
Armin, M., Zahedikhah, H., Mazin, M., 1403. Evaluation of sediment trapping in reclamation dams, case study: Nehzatabad watershed. Watershed Engineering and Management, 16(4), 586-599 (In Persian).
Bayez Sharif, H., Khaleq Panah, N., Davari, M., Rahimzadeh, M., 2023. Investigating the performance of correction dams in sediment gradation in a basin affected by debris flow (Nanur Baneh). Journal of Soil and Water Conservation Research, 30(1), 111-130 (In Persian).
Bombino, G., Barbaro, G., D’Agostino, D., 2022. A method for estimating stored sediment volumes by check dam systems at the watershed level: example of an application in a Mediterranean environment. J Soils Sediments, 22,1329–1343.
Bombino, G., Barbaro, G., D’Agostino, D., Denisi, P., Labate, A., Zimbone, S.M., 2022. A method for estimating stored sediment volumes by check dam systems at the watershed level: example of an application in a Mediterranean environment. Journal of Soils and Sediments, 22(4), 1329-1343.
Cao, Z., Wang, S., Luo, P., Xie, D., Zhu, W., 2022. Watershed Ecohydrological Processes in a Changing Environment. Opportunities and Challenges, Water, 14(9), 1502.
Castillo, V.M., Mosch, W.M., García, C.C., Barberá, G.G., Cano, J.N. and López-Bermúdez, F., 2007. Effectiveness and geomorphological impacts of check dams for soil erosion control in a semiarid Mediterranean catchment: El Cárcavo (Murcia, Spain). Catena, 70(3), pp.416-427.
Díaz, V., Mongil, J. and Navarro, J., 2014. Topographical surveying for improved assessment of sediment retention in check dams applied to a Mediterranean badlands restoration site (Central Spain). Journal of Soils and Sediments, 14,2045-2056.
Diez, I., Navarro‐Hevia, J., San Martín Fernández, R., Mongil‐Manso, J., 2017. Final analysis of the accuracy and precision of methods to calculate the sediment retained by check dams. Land Degradation & Development, 28(8), 2446-2456.
Esmaili Nameghi, A., Hassanli, A., 2007. Peformance Evaluation of Checkdams Location across Some Streams in the Fine Sediment Retention (Case Study: Droudzan Watershed). Journal of Crop Production and Processing, 11(1), 13-24 (In Persian).
Fang, N.F., Zeng, Y., Ni, L.S. and Shi, Z.H., 2019. Estimation of sediment trapping behind check dams using high-density electrical resistivity tomography. Journal of Hydrology, 568,1007-1016.
Fowler, H., Blenkinsop, S., Tebaldi, C., 2007. Linking climate change modeling to impacts studies: recent advances in downscaling techniques for hydrological modeling. International Journal of Climatology. A Journal of the Royal Meteorological Society, 27(12), 1547- 1578.
Ghazawi, R., Vali, A., Mohammad Esmaili, M., 2011. Investigation of Check Dam Construction on Watercourse Morphology and Sediment Deposition (Case Study: Ab Javan Watershed- Fars). Iranian Journal of Water Research, 5(9), 229-232 (In Persian).
Jafari, A., Saraei Tabrizi, M., Babazadeh, H., 2019. Evaluation of the impact of watershed management operations on reducing erosion and sedimentation (Case study: Ali-Kandi-Bokan watershed). Applied Soil Research, 8(4), 57-68 (In Persian).
Luffman, I., Nandi, A., Luffman, B., 2018. Comparison of geometric and volumetric methods to a 3D solid model for measurement of gully erosion and sediment yield. Geosciences, 8(3), 86.
Natural Resources and Watershed Management Organization., 1401. Quarterly Journal of Erosion and Sedimentation in Watersheds. 58 pages (In Persian).
Pham, M.V., Kim, Y.T., 2023. Performance evaluation of check dam location using small-scale flume channel and numerical simulation. Environmental Earth Sciences, 82(21), 506.
Roghani, M., 2011. Investigating the role of water and soil conservation structures in controlling and storing runoff (a case study of the Heydari watershed). Watershed Management Research, 96, 44-37 (In Persian).
Sougnez, N., van Wesemael, B., Vanacker, V., 2011. Low erosion rates measured for steep, sparsely vegetated catchments in southeast Spain. Catena, 84(1-2), pp.1-11.
Wongsa, S., S Ramos-Diez, I., Navarro-Hevia, J., Fernández, R.S.M., Díaz-Gutiérrez, V., Mongil-Manso, J., 2016. Geometric models for measuring sediment wedge volume in retention check dams. Water and Environment Journal, 30, 119-127.
Zeng, Y., Meng, X., Zhang, Y., Dai, W., Fang, N., Shi, Z., 2022. Estimation of the volume of sediment deposited behind check dams based on UAV remote sensing. Journal of Hydrology, 612, p.128143.