ارزیابی پتانسیل وقوع سیل با استفاده از مدل های داده کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز فریزی)

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: سیل مانند سایر پدیده­های هیدرولوژیکی یک پدیده غیر قطعی است که در هر زمان و مکان احتمال وقوع آن وجود داشته و تحت تاثیر عوامل مختلف اقلیمی، مشخصات فیزیکی حوضه، وضعیت پوشش گیاهی و کاربری اراضی و دخالت­های انسانی است. تعیین سهم هر یک از پارامترها بر میزان بروز سیل مهم است. در حال حاضر­، با ارتقای سامانه ­های اطلاعات جغرافیایی (GIS)، روش­های سنجش از دور (RS) و ماشین یادگیری (ML) می­توان مدل سازی بسیار دقیقی از احتمال وقوع سیلاب انجام داد. با این وجود، ساخت این مدل­ها نیازمند دانش دقیق و اصولی از فرآیند وقوع سیل، بررسی پارامترهای موثر در شکل­گیری سیل، درک چگونگی تاثیر هر پارامتر بر ایجاد سیل و انتخاب و توسعه مدل مناسب و ارزیابی آن است. با توجه به اهمیت تعیین مناطق مستعد وقوع سیل در مناطق مختلف به خصوص حوضه­ های واقع در مناطق خشک و نیمه­ خشک همچون منطقه مورد مطالعه، تحقیق حاضر به منظور ارزیابی خطر­پذیری سیل با استفاده از مدل­های داده ­کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی در این منطقه هدف­گذاری شده است. مواد و روش ها: در پژوهش حاضر جهت بررسی خطر وقوع سیل از مدل­های داده­کاوی ماشین بردار پشتیبان­، چاید و جنگل تصادفی  استفاده شده است. به طور کلی هدف از ارائه مدل­های داده کاوی رسیدن به یک تخمین معقول و دقیق از پیش­بینی مکانی وقوع سیل، مقایسه کارایی مدل­ها و انتخاب مناسب­ترین روش برای تهیه نقشه ارزیابی حساسیت سیل می­باشد. در این پژوهش از اطلاعات مختلف همچون نقشه توپوگرافی مقیاس۱:۵۰۰۰۰ جهت استخراج خطوط تراز­، نقشه زمین شناسی مقیاس ۱:۱۰۰۰۰۰­، نقشه خاک تهیه شده توسط اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان خراسان رضوی، تصویر مدل رقومی ارتفاع (DEM) با قدرت تفکیک مکانی ۱۲/۵ متر، تصاویر ماهواره­ای گوگل ارث، داده ­های هواشناسی باران­سنجی دوره آماری ۲۰ ساله (۹۸-۷۸) ایستگاه­های اندرخ، اولنگ اسدی، سد کارده، مارشک، بلغور، گوش بالا، آل، چناران، مغان، چکنه علیا، آبقد فریزی، تلغور، قدیر آباد و کبکان استفاده شده است. طبقات ارتفاعی، شیب، جهت شیب، شبکه­ های زهکشی و آبراهه ­های اصلی، تحدب سطح زمین از روی تصویر DEM و خطوط تراز استخراج گردیدند. کاربری اراضی منطقه از روی تصاویر ماهواره­ای گوگل ارث مربوط به سال ۲۰۲۰ و به روش طبقه ­بندی نظارت شده تهیه گردید. نقشه پوشش گیاهی منطقه نیز بر اساس شاخص NDVI و از روی تصاویر ماهواره­ای لندست ۸ سال ۲۰۱۸ تهیه گردید. یافته ها: عامل ارتفاع نقش کلیدی در کنترل جهت حرکت سیل و عمق سطح آب دارد. در ارتفاع ۲۰۰۰ متر و بیشتر با افزایش ارتفاع پتانسیل سیل­ خیزی در منطقه مورد مطالعه افزایش می ­یابد­. بر اساس نتایج در بین کاربری­های حوضه مورد مطالعه، اراضی آبی و باغی به علت نفوذ بیشتر، رواناب کمتری تولید نموده و کمتر مستعد سیل­ خیزی می­باشند. در منطقه مطالعاتی در شیب ۶۰ درجه به دلیل افزایش شیب، زمان تاخیر حوضه کم، میزان نفوذ آب در خاک کم و در نتیجه حجم سیلاب و رواناب سطحی افزایش خواهد یافت. کلاس ۰/۰۱۲۰-۰/۰۰۷۴ بیشترین تاثیر را در وقوع سیلاب حوضه دارد­. دامنه ­های شمالی، شمال غربی و غربی به دلیل دریافت بارش زیاد، ماندگاری طولانی مدت برف و داشتن رطوبت دارای پتانسیل سیل­خیزی می­ باشد­. در منطقه مورد مطالعه بارش بیش از ۲۵۰ میلی متر بیشترین تاثیر را در رخداد سیلاب دارا است. در منطقه مورد مطالعه خاک مزیک  به دلیل نفوذ­پذیری نسبتا کم باعث تولید رواناب بیشتر و ایجاد سیل می ­شود­. بر اساس نتایج طبقات شاخص رطوبت توپوگرافی در منطقه مورد مطالعه کلاس ۳۵۹/۹۹-۲۶۸/۳۸ تاثیر زیادی در وقوع سیلاب داشته است. در منطقه مورد مطالعه مناطق مقعر در ایجاد سیل تاثیر زیادی دارد به این دلیل که  مهمترین و موثرترین فاکتورها در وقوع سیل شیب و انحنا زمین می­باشد. در حال حاضر قابلیت پیش ­بینی حساسیت سیلاب منطقه مطالعاتی با استفاده از سطح زیر منحنی مورد بررسی قرار گرفت و از مقدار AUC­، درصد نرخ موفقیت و قابلیت پیش­ بینی هر دو در پژوهش حاضر ۱۶ سناریو با ترکیب پارامترهای مختلف به عنوان ورودی مدل ایجاد شدند .نتایج این تحقیق نشان می­دهد که در مدل ماشین بردار پشتیبان خطی با بهترین سناریو M۳ با بالاترین ضریب همبستگی ۰/۹۷۲ و کمترین مقدار ۰/۵۳۸=MAE­، در مدل جنگل تصادفی بهترین سناریو M۱۰ با بالاترین ضریب همبستگی  ۰ /۹۶۱و کمترین مقدار خطا ۰/۶۸۵=­MAE، در مدل درخت تصمیم نوع چاید بهترین سناریو M۸ با بالاترین ضریب همبستگی ۰/۹۵۴ و کمترین مقدار خطا ۰/۷۲۳= MAE بوده است. نتیجه­ گیری: به طور کلی بر اساس نتایج تحقیق حاضر طبقات با پتانسیل سیل­خیزی کم و متوسط بیشتر در بخش­های شرقی و جنوبی حوضه قرارگرفته­اند به طوری­ که در بخش شرقی حو­ضه به علت شیب کم و نفوذپذیری مناسب خطر سیل­ خیزی متوسط می ­باشد. بر اساس نتایج به دلیل وجود کاربری­های مرتعی فقیر در نیمه غربی و شمال غربی حوضه بیشترین پتانسیل سیل­ خیزی مشاهده شده  قرار دارند. همچنین نتایج نشان داد قسمت­های شمالی و غربی حوضه که از نظر زمین­شناسی و لیتولوژی دارای سازندهای سطحی مانند مارن، رس و سیلت بوده و ضریب نفوذ­پذیری آن­ها بسیار کم و پوشش گیاهی ناچیز دارن،  از پتانسیل بالایی در بروز سیلاب برخوردار هستند. در این پژوهش ارزیابی مدل­ها با استفاده از ضریب همبستگی (R) و مقادیر میانگین قدر مطلق خطا (MAE) صورت گرفت. بررسی نتایج مدل­ها نشان داد که به ترتیب مدل های ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی با سناریوی M۳، M۸ و M۱۰ با بیشترین میزان همبستگی و کمترین خطای میانگین، از دقت بالایی در برآورد خطر وقوع سیل در منطقه مطالعاتی برخوردار هستند. علاوه بر این، به منظور ارزیابی مدل های ارائه شده از مساحت زیر منحنی (ROC) استفاده شد. بر این اساس این مقادیر هم در داده­ های تعلیمی و هم در داده ­های آموزشی در الگوریتم (SVM) و مدل الگوریتم نوین جنگل تصادفی دارای نتایج دقیق­تری  می­باشد. این نتیجه بیانگر این مطلب است که هر دو مدل از نظر صحت و اعتبار مدل­سازی مورد تایید قرار گرفته­اند.

کلیدواژه ها:

Friesian watershed ، Flood ، Data mining models ، ROC curve ، Zoning ، پهنه­ بندی ، حوزه آبخیز فریزی ، سیل ، مدل­های داده ­کاوی ، منحنی ROC