Evaluating the Impact of Land Use Changes on Erosion and Sedimentation using the EPM model (Case Study: Kal-Aji Basin, Golestan Province)

Document Type : Research Article

Authors

• Saleh Arekhi ¹
• Somia Salmani ²
• Somia Emadaddian ³

¹ Assistant Professor in Remote Sensing, Golestan University, Gorgan, Iran

² MA Student in Environmental Hazards, Golestan University, Gorgan, Iran

³ Assistant Professor in Geomorphology, Golestan University, Gorgan, Iran

10.22067/geoeh.2022.74281.1145

Abstract

The present study was conducted to investigate the trend of land use changes and its impact on erosion and sediment, using Landsat satellite images of 1987, 2010 and 2019 and EPM model in the Kal-Aji watershed of Golestan province. Land use map was prepared using the maximum likelihood method. Training data were used to evaluate the accuracy of the results. Then, the most important methods of accuracy assessment, including total accuracy and classification kappa coefficient, were extracted. Those for 1987, 2010 and 2019, the total accuracy were 95, 98 and 95 and kappa coefficient were 0.93, 0.96 and 0.93, respectively. Erosion and sedimentation zoning maps were performed using the resulted land use maps, and such factors as slope, lithology, soil and precipitation were performed using the EPM method. The results showed that one of the most important factors in the Kal-Aji watershed is the loss of rangeland vegetation and its conversion into agricultural land. According to the hypothesis, the role of land use changes in the amount and increase of erosion and sediment was significantly determined. That is, with the change of land use, erosion and sediment have also increased. The reasons for the increase in the amount of sediment in the Kal-Aji area are the development of agricultural land uses and the decrease in rangeland between 1987 and 2019 (16.83%). These changes have reduced the important role of rangelands and vegetation of Kal-Aji watershed and have increased the amount of sediment in the outflow of sub-watersheds. Based on the obtained results, the total amount of special sediment was related to the period of 1987 (4353 cubic meters), which increased to 5164 cubic meters in 2019, which indicates the changes in land use that occurred in the watershed.

Graphical Abstract

Keywords

• Erosion and Sediment
• Land Cover
• Land Use
• EPM
• GIS
• Kal-Aji

---

References

احمدی، حسن؛ 1386. ژئومورفولوژی کاربردی جلد 1 (فرسایش آبی)، انتشارات دانشگاه تهران.  688ص.

اسفندیاری، مهرداد؛  معینی، ابوالفضل؛ مقدسی، راحله؛ 1393. بررسی تأثیر کاربری اراضی و پوشش گیاهی بر اشکال فرسایش و میزان تولید رسوب (مطالعه موردی حوزه آبخیز رود ورس استان قزوین). مجله جغرافیای سرزمین، 11 (2)، 51-62.

https://sarzamin.srbiau.ac.ir/article_7974_931e5dd1c2fe799361af66c7f9057b3a.pdf

اصغری­سراسکانرود، صیاد؛ آقایاری، لیلا؛ پیروزی، الناز؛ 1396. بررسی تغییرات کاربری اراضی و تأثیر آن بر فرسایش با استفاده از RS و GIS (مطالعه موردی: شهرستان نیر). مجله سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی،  8(4)، 49-62.

 https://journals.iau.ir/article_539088_e6b20b13c35e7d599fb4903c04889227.pdf

بیات، رضا؛ سررشته‌داری، امیر؛ جعفری­اردکانی، علی؛ سکوتی­اسکویی، رضا؛ 1391. شبیه‌سازی تأثیر مدیریت کاربری اراضی بر فرسایش ‏خاک حوزه آبخیز دریاچه ارومیه. مهندسی و مدیریت آبخیز،  4(3)، 118-126.

https://jwem.areeo.ac.ir/article_101747_0478a26d93d1e69b070962d76161e3ad.pdf

تاجیکی، مهدی؛ 1386. ارزیابی اثر اقدامات آبخیزداری بر روی سیل­خیزی و رسوبدهی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز رامیان). پایان­نامه کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

خاکسار، کاوه؛ گودرزی، مسعود؛ غریب­رضا، محمد رضا؛ رحمتی، مراحم؛ 1385. تعیین حساسیت سازندهای زمین­شناسی حوضه آبخیز مهارلو به فرسایش.  فصلنامه علوم زمین، 62، 116-129.

 https://www.sid.ir/paper/31920/fa

دادرسی سبزوار، ابوالقاسم؛ رنگ­آور، عبدالصالح؛ 1384. بررسی اثر تغییرات عمق خاک و شیب بر میزان تولید رسوب، مجموعه مقالات سومین همایش ملی فرسایش و رسوب، مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری.

https://civilica.com/doc/8325

رفاهی، حسینقلی؛ 1388. فرسایش آبی و کنترل آن، انتشارات دانشگاه تهران.672ص.

علوی پناه، سید­کاظم؛ احسانی، امیرهوشنگ؛ 1382. بررسی بیابانزایی و تغییرات اراضی پلایای دامغان با استفاده از داده­های ماهواره­ای چندزمانه و چند طیفی. مجله بیابان، 9(1)، 154-143.

https://www.sid.ir/paper/5320/fa

عابدینی، موسی؛ شبرنگ، شنو؛ اباذر، اسمعلی؛ 1392. بررسی میزان فرسایش خاک و رسوب‌دهی در حوضه آبخیز مشکین­چای به روش EPM، فصلنامه جغرافیا و توسعه، 11(30)، 87-100.

https://gdij.usb.ac.ir/article_245_2765332d8717e2e654a4562074d00f1d.pdf

فیضی زاده، بختیار؛ 1396. مدلسازی تغییرات کاربری اراضی و اثرات آن بر سیستم فرسایش در حوضه سد علویان با استفاده از تکنیک­های سنجش‌ازدور و GIS. هیدروژئومورفولوژی، 3 (11)، 38-21.

https://hyd.tabrizu.ac.ir/article_6712_863dc2dac02f02a7b0225f6656988e3d.pdf

قهرمان‌نژاد، اسلام؛ نظرنژاد، حبیب؛ میر‌یعقوب‌زاده، میرحسن؛ 1396. تأثیرسناریوهای مختلف مدیریت کاربری اراضی بر میزان فرسایش خاک با مدل USLE در حوضه کلیبرچای. نشریه حفاظت منابع آب و خاک (علمی - پژوهشی)، 7 (2)، 91-104.

https://wsrcj.srbiau.ac.ir/article_11548_fbb577c5d2c4a9acfce07613bcb0189f.pdf

قنبرزاده، هادی؛ غلامرضایی، محمدرضا؛ 1388. برآورد پتانسیل فرسایش و رسوب با مدل EPM  در حوضه آبخیز آرکمر در فریمان با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی. مجله علوم  جغرافیایی، شماره 7(8)، 187-206.

https://magazine.hormozgan.ac.ir/article-1-161-fa.pdf

مرادی، علیرضا؛ جعفری، محمد؛ ارزانی، حسین؛ ابراهیمی، مهدیه؛ 1395. ارزیابی تغییر کاربری اراضی مرتعی به دیم­زار با استفاده از تصاویر ماهواره­ای و سیستم اطلاعات جغرافیایی. مجله سنجش‌ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی،  7(1)، 89-100.

https://girs.bushehr.iau.ir/article_521998_022633f2b5e8579d69d594091d629719.pdf

نبی­پی لشکریان، سارا؛ 1379. بررسی اثرات کاربری اراضی در فرسایش خاک و رسوبدهی حوضه آبخیز رودخانه ماسوله در گیلان، پایان­نامه کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگانhttps://www.virascience.com/thesis/4940                                                                         

یمانی، مجتبی؛ اسکندری­نژاد، فاطمه؛ 1389. تأثیر عوامل ژئومورفولوژیک بر رسوب­زایی حوضه قزقنچای (زیر­حوضه حبله­رود در بالا دست سد نم­رود). مجله پژوهش­های علوم زمین 1، 1-17.

 /https://rtis2.ut.ac.ir/cv/myamani

 

Adélia N, Nunes  ACA. and Celeste C., 2011. Impact of land use and cover type on runoff and soil erosion in a marginal area of Portugal. Applied Geography, 31(2): 687–699. DOI: 10.1016/j.apgeog.2010.12.006. https://doi.org/10.1016/j.apgeog.2010.12.006

Battany MC. and Grismer ME., 2000. Rainfall runoff and ero-sion in Napa Valley vineyards effect of slope cover and surface roughness, Hydrological process. Vol. 14, PP: 1289-1304.  https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-1085(200005)14:7<1289::AID-HYP43>3.0.CO;2-R

Bolstad, P. V, and Lillesand, T. M, (1991). Rapid maximum likelihood classification Photogramm. Eng. Remote Sens. 57.

https://www.asprs.org/wp-content/uploads/pers/1991journal/jan/1991_jan_67-74.pdf

Chavez PS., 1996. Image-based atmospheric corrections-Revisited and improved. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 62, 1025– 1036. http:// static1.1.sqspcdn.com/ static/f/891472/15133582/1321370214637/Chavez_P.S._1996.pdf

Da Silva VPR, Silva MT. and De Souza, EP., 2016. Influence of land use change on sediment yield: a case study of the sub-middle of the Sao francisco river basin, Soil Engineering, 36 (6), 1005-1015. https://doi.org/10.1590/1809-4430-Eng.Agric.v36n6p1005-1015/2016

Dai FC. and Lee C.F., 2002. Landslide characteristics and slope stability Modeling using GIS, Lantau, Island, Hong Kong, Geomorphology, 31, 181-216.http://dx.doi.org/10.1016/S0169-555X(01)00087-3

Du Y, Teillet PM. and Cihlar J., 2002. Radiometric normalization of multi-temporal high-resolution satellite images with quality control for land cover change detection. Remote Sensing of Environment 82: 123–134.https://doi.org/10.1016/S0034-4257(02)00029-9

Ghosh K, Kumar DS, Sushima S. and Bandyopadhyay S., 2013. Assessment of soil loss of the Dhalai River Basin, Tripura, India using RUSLE. International Journal of Geosciences., 4: 11-23. https://www.scirp.org/pdf/IJG_2013011115152357.pdf

Martínez-Murillo MJF, Lopez Vicente M, Poesen J. and Ruiz Sinoga JD., 2011. Modelling the effects of land use changes on runoff and soil Eerosion in two Mediterranean catchments with active gullies (South of Spain), Landform Analysis, 17(1), 99-104. https:// idp.kuleuven.be/ idp/ profile/ SAML2/ Redirect/ SSO? execution=e2s1

Milevski I., 2008. Estimation of soil erosion risk in a upper part of Bregalnica watershed- republic of Macedonia, based on digital elevation model and satellite imagery, 5^th international Conference on Geographic Infromation systems (ICGIS), 351-358. http:// www.milevski.50webs.com/trudovi/Ivica%20Milevski%20Estimation%20of%20soil%20erosion%20risk%20in%20the%20upper%20part%20of%20Bregalnica%20watershed.pdf

Paroissien JB, Darboux F, Couturier A, Devillers B, Mouillot F, Raclot D. and Le Bissonnais Y., 2015. A Method for modeling the effects of Climate and Land Use Changes on Erosion and Sustainability of Soil in a Mediterranean Watershed (Languedoc, France). Journal of Environmental Management. 150:57-68 https://shs.hal.science/halshs-01103359/document

Shellberg JG, Spencer J, Brooks AP. and Pietsch TJ., 2016. Degradation of the Mitchell River Fluvial Megafan by Alluvial Gully Erosion Increased by Post-European Land Use Change, Queensland, Australia. Geomorphology, 266: 105–120. https:// doi.org/ 10.1016/ j. geomorph. 2016. 04.021

Tangestani M., 2006. Comparison of EPM and PSIAC models in GIS for erosion and sediment yield in a semi-arid Environment, Journal of Asian earth Science, 27(5), 585-597. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2005.06.002

Ye B. and Bai Z., 2008. Simulating land use/land cover changes of Nanjing County based on Ca-markov model. In IFIP International Federation for Image processing, Vol, 1, 321-329.https://dl.ifip.org/db/conf/ifip12/ccta2007-1/YeB07.pdf

Yuan Z, Chu Y. and Shen Y., 2015. Simulation of surface runoff and sediment yield under different land-use in a Taihang Mountains watershed, North China. Soil & Tillage Research. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167198715000872.