ارزیابی پتانسیل وقوع سیل با استفاده از مدل های داده کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز فریزی)
عنوان مقاله: ارزیابی پتانسیل وقوع سیل با استفاده از مدل های داده کاوی ماشین بردار پشتیبان، چاید و جنگل تصادفی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز فریزی)
شناسه ملی مقاله: JR_JWMR-13-25_013
منتشر شده در در سال 1401
شناسه ملی مقاله: JR_JWMR-13-25_013
منتشر شده در در سال 1401
مشخصات نویسندگان مقاله:
مهدی زارعی - Hakim Sabzevari University
رحمان زندی - Hakim Sabzevari University
مهناز ناعمی تبار - Hakim Sabzevari University
خلاصه مقاله:
مهدی زارعی - Hakim Sabzevari University
رحمان زندی - Hakim Sabzevari University
مهناز ناعمی تبار - Hakim Sabzevari University
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.
کلمات کلیدی: Friesian watershed, Flood, Data mining models, ROC curve, Zoning, پهنه بندی, حوزه آبخیز فریزی, سیل, مدلهای داده کاوی, منحنی ROC
صفحه اختصاصی مقاله و دریافت فایل کامل: https://civilica.com/doc/1487141/