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Integrated Assessment of Gully Erosion Processes, Using Multispectral Remote Sensing, Stochastic Modelling, and GIS-based Morphotectonic Analysis; A Case Study in the Southwest of Iran
Bodenerosion und besonders Gully-Erosion sind zwei der hauptverantwortlichen
Erscheinungen auf der Erde, die zu einer Abnahme der ProduktivitÀt von Böden und zur
Verunreinigung von Wasserressourcen fĂŒhren. Gully-Erosion gehört zu den intensivsten
Prozessen der Land-Degradation, besonders in groĂen Teilen Irans, die ackerbauliche
Nutzung und Weideland bedrohen. Vorangegangenen Studien zufolge zÀhlen das anstehende
Gestein, die Vegetationsdichte, die Topographie und die Landnutzung und ihre VerÀnderung
zu den Hauptursachen fĂŒr Bodenerosion und Gully-Erosion im Speziellen.
Im ersten Teil der Arbeit wird die AnfĂ€lligkeit des Mazayjan-Beckens (MZJ) im SĂŒdwesten
Irans hinsichtlich der Gully-Erosion ermittelt. HierfĂŒr wurden eine detaillierte digitale
GelÀndeanalyse sowie eine stochastische Modellierung basierend auf den Prinzipien der
mechanischen Statistik durchgefĂŒhrt. Zu den GelĂ€ndeparametern mit dem gröĂten Einfluss
zÀhlen der Konvergenz Index, die Horizontalwölbung sowie die Hangneigung. Gully-Erosion
ist die einflussreichste Form der Wasser-Erosion und trÀgt signifikant zur Sedimentdynamik
im Einzugsgebiet bei.
Aus diesem Grund wurden im zweiten Teil dieser Arbeit Geographische Informationssysteme
und Fernerkundungsdaten eingesetzt, um Eingabedaten fĂŒr die numerischen Modelle zu
generieren, welche Erosions- und Ablagerungsraten im MJZ-Becken ermitteln. Da
verschiedene Mechanismen wie Graben-, Sheet- und Gully-Erosion im Untersuchungsgebiet
vorkommen, wurde das Unit Stream Power-based Erosion Deposition-Modell (USPED) in
Kombination mit dem Stream Power Index (SPI) und der Flow Accumulation (FA)
ausgewÀhlt. Den Berechnungen zufolge, bei welchen die USPED angewandt und Gully-
Erosion durch den SPI ermittelt wurde, sind rund 17,5 % der FlÀchen im Untersuchungsgebiet
stabil oder von sehr geringen Erosions- und Ablagerungsraten betroffen. 28,2 % hingegen
unterliegen sehr hoher Erosion und 19,2 % sind von Ablagerungsprozessen betroffen.
Tektonische AktivitÀt im Untersuchungsgebiet, welches Teil der Zargos-Berge (ZM) ist, trug
in der Vergangenheit signifikant zur Ausbildung der Abflussbedingungen bei und dadurch zur
Entwicklung der Landschaft. JĂŒngere tektonische Prozesse (Oberes QuartĂ€r) in Form von
Erdbeben und damit verbundenen Hebungsprozessen, BrĂŒchen und Verwerfungen sind in
groĂen Teilen des Untersuchungsgebiets noch aktiv.
Im dritten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Ermittlung der AnfÀlligkeit
geologischer Formationen hinsichtlich der Gully-Erosion, welche auch durch die jĂŒngeren
tektonischen AktivitÀten verursacht wurden Dies erfolgte anhand von Digitalen OberflÀchenmodellen (DEMs) unterschiedlicher Herkunft (ASTER-Daten, Topographische
Karten und Luftbilder) und rÀumlicher Auflösung (30 m, 10 m und 5 m). Weitere
Untersuchungen zum Vorkommen von Gullysystemen und tektonischen AktivitÀten, wie
beispielsweise die Analyse von FluĂeinzugsgebietsmorphologien sowie der Analyse der
Longitudinalprofile der Vorfluter, zeigen dass die Gebiete, welche besonders anfÀllig
gegenĂŒber Gully-Erosion sind, durch Hebungen und Verwerfungen geprĂ€gt sind. Die
Software TecDEM wurde verwendet, um abrupte VerÀnderungen im Flussprofil im mittleren
Bereich des Einzugsgebiets (alluviale Ablagerungen) zu ermitteln. Folglich deutet das
Vorhandensein von âKnickpointsâ tektonische AktivitĂ€ten an, welche wiederum die
Erosionsprozesse entlang des Flussprofils verÀndern. Die Ergebnisse zeigen, dass starke
Gully-Erosion in Zusammenhang mit diesen tektonischen AktivitĂ€ten steht, insbesondere im SĂŒdwesten des MZJ-Beckens.Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die AnfĂ€lligkeit fĂŒr Gully-Erosion in einem GIS-basierten
stochastischen Modell, dem âMaximum Entropy Modellâ regionalisiert. Dies erfolgte unter
der Verwendung von multispektralen ASTER-Daten, aus welchen die geologischen Faktoren,
welche hauptverantwortlich fĂŒr die rĂ€umliche Verteilung von Gully-Erosion sind, durch
Band-Ratios abgeleitet wurden. Eine multispektrale Analyse von ASTER-Daten liefert
wertvolle Ergebnisse ĂŒber die mineralische Ausdifferenzierung im ZM-Gebiet, welche
rÀumlich höher aufgelöste Informationen liefert als die herkömmlichen geologischen Karten
des Gebiets.
In dieser Studie wurde das VerhÀltnis zwischen vorhandener Gully-Erosion und der
Kombination von Predictor-Variablen, bestehend aus topographischen Indizes und ASTERBand-
Ratios, untersucht. Die rĂ€umliche Vorhersage zeigt, dass Gully-Erosion ĂŒberwiegend in
colluvialen/ alluvionalen Gebieten mit hohen Anteilen von Salz, Gips und/ oder schluffiger
Textur auftritt und besonders in den Ebenen im sĂŒdlichen Untersuchungsgebiet vorkommen.
Die vorgestellte Methode ermöglicht eine wirkungsvolle AbschÀtzung der Gully-Erosion,
welchen den Bodenschutz und das Land-Management im SĂŒdwesten Irans unterstĂŒtzen kann
Quantitative mapping of desertification risk using the modified MEDALUS model :a case study in the Mazayejan Plain, Southwest Iran
This paper presents the Modified MEDALUS (MMEDALUS) approach, a quantitative assessment of desertification, in the case study area located in the Southern part of Iran. Six main factors of desertification including: soil, climate, plant cover, management, erosion state and ground water situation were considered for the model approach. Then several sub-factors determining the quality of each main factor were quantified according to their quality and weighted on a scale between 1.0 and 2.0. We used a Geographic Information System (GIS) software to analyze and prepare the spatial distribution of the factor layers. Subsequently, the final desertification hazard map was prepared by combining the different MEDALUS factors in Arc GIS 10.3 in order to define the final hazard classes on the basis of hazard scores based on the geometric mean of the main factors. The MEDALUS and MMEDALUS models show the âDesertification Potentialâ that in turn was validated with the current state of desertification observed in the field. The results show that the applied MMEDALUS approach yield significantly better results than the MEDALUS model in the study area. The results also show that the areas under severe and very severe hazard are the most extensive classes in the desertification map. Thus, we illustrate that most of the study area is sensitive to desertification. However, we highlight that management, climate and water table qualities were the most important indicators affecting the desertification processes, while soil quality seems to play a minor role in our study area.23223
Prediction of gully erosion susceptibilities using detailed terrain analysis and maximum entropy modeling: A case study in the Mazayejan plain, southwest Iran
Gully erosion is one of the most severe environmental problems in large areas of Iran. Land degradation and accelerated desertification are the consequence in susceptible areas. Gully erosion normally takes place when surface runoff is concentrated and thus, detach and transfer soil particles down the slopes into the drainage network. In traditional soil erosion studies these processes often have been neglected. In this study we investigate the spatial distribution of gully erosion processes with a quantitative method since in many national assessment approaches just qualitative models were applied. For this study we utilized a detailed terrain analysis and a stochastic modeling approach using mechanical statistics. Moreover we predict the potential spatial distribution of gullies in the Mazayejan plain of Fars province in southwestern Iran where gully erosion is the main environmental threat. Our methodological approach consists in the following steps: i) mapping of gully erosion phenomena in a test area based on Google Earth images; ii) development of a digital elevation model (DEM) with 10 meter resolution, iii) detailed terrain analysis deriving more than 20 terrain indices, iv) application of the Maxent model for the test area using the gully erosion forms as dependent variable and topographic indices as predictor variable and finally v) prediction of the spatial distribution of gully erosion potential for the entire study area. Model performance was evaluated by the Receiver Operating Characteristic (ROC). The results obtained show that the Maxent model perform very well and thus, it is suitable for the prediction of the gully erosion potential in the area. Among the terrain indices utilized in the prediction the most important ones are: convergence index, plan curvature, and slope. The proposed methodology allows conducting a proper gully erosion assessment in order to identify the priority areas for soil conservation and land use management