پهنه بندی وقوع خطر زمین لغزش با استفاده از مدل های جنگل تصادفی و ماشین بردار پشتیبان (مطالعه موردی: حوضه آبخیز تالار)

مقدمه زمین لغزش پدیده­ای ژئومورفولوژیکی با پتانسیل بالای خسارات جانی و مالی می­باشد که در اثر حرکت ناگهانی و سریع توده خاک، سنگ و سایر مواد در دامنه­های با شیب کم تا متوسط به سمت پائین دامنه رخ می­دهد. این پدیده در زمره مخرب­ترین حوادث طبیعی در مناطق شیبدار محسوب می­شود. با توجه به اهمیت و حساسیت موضوع، مقاله حاضر به پهنه­بندی خطر وقوع زمین لغزش در حوضه تالار اختصاص دارد. مطالعات انجام شده در کشورهایی با شرایط اقلیمی مشابه، تجارب و چشم اندازهای جهانی در خصوص پهنه­بندی خطر وقوع زمین لغزش می توانند به بهترین شکل در برنامه­ریزی برای مدیریت و کاهش خسارات کمک نمایند. نزدیک به ۷۰ درصد وسعت سرزمینی ایران ارتفاع بالای ۱۰۰۰ متر (Zomordian, ۲۰۰۴) و ۳۴ درصد، شیب بالای ۱۰ درصد دارند (Jedari Eyvazi, ۱۹۹۵). این مساله، بیانگر آن است که ایران کشوری کوهستانی و مستعد وقوع حرکات دامنه­ای می­باشد. نئوتکتونیک فعال به همراه سازندهای جوان دوران سوم زمین­شناسی و شرایط آب و هوایی، زمینه را برای تسهیل وقوع حرکات دامنه به ویژه زمین لغزش مهیا می­کند. در این میان، حوضه آبخیز تالار نیز با دارا بودن شرایط کوهپایه­ای و کوهستانی در قسمت­های مرکزی و جنوبی حوضه، مستعد وقوع زمین لغزش می­باشد. ارتفاعات بلند البرز مرکزی و دره های عمیق از ویژگی های اصلی ناهمواری­های این منطقه هستند. پوشش گیاهی منطقه شامل جنگل های هیرکانی، مراتع کوهستانی و زمین های کشاورزی است. اقلیم حوضه تالار معتدل و مرطوب است. بارش سالانه در این منطقه به طور متوسط بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی متر متغیر است و بیشترین بارش در فصول پاییز و زمستان رخ می دهد. این منطقه به دلیل بارش های فراوان و توپوگرافی خاص، مستعد وقوع سیلاب ها و زمین لغزش ها است. حوضه آبخیز تالار دارای تنوع زمین شناسی قابل توجهی است. سنگ های آهک و شیست از جمله سنگ های غالب این منطقه می­باشند. به دلیل وجود گسل های فعال و ساختارهای زمین شناسی پیچیده، پتانسیل منطقه جهت وقوع زمین لغزش ها و رانش های زمین بالا می­باشد. تغییرات کاربری زمین، جنگل زدایی، آلودگی منابع آب و وقوع زمین لغزش ها از جمله مشکلات اصلی این منطقه هستند. اقدامات حفاظتی و مدیریتی برای کاهش اثرات منفی این مشکلات ضروری است. با توجه به  تنوع و پیچیدگی های طبیعی، اقلیمی و انسانی این منطقه، شناخت دقیق ویژگی های محیطی می تواند به برنامه ریزی بهتر و مدیریت منابع طبیعی و زیست محیطی کمک کند. هدف از پژوهش حاضر آن است تا با بهره­گیری از داده­های گذشته زمین لغزش و بررسی عوامل موثر بر وقوع این پدیده ژئومورفولوژیکی، با استفاده از روش­های جنگل تصادفی و بردار پشتیبان نقشه پهنه­بندی زمین لغزش تهیه گردد و در ادامه دقت و کارایی مدل­های مذکور را در پیش بینی و شناسایی مناطق مستعد زمین لغزش با استفاده از منحنی ROC ارزیابی کند. متاسفانه با توجه به حساسیت بالای سازندهای دامنه شمالی البرز و تمایل مهاجران غیر بومی جهت سکونت و گذران اوقات فراغت در دامنه­های کوهستانی و ییلاقی مشرف به جلگه در حوضه تالار، شرایط جهت تغییرات فاحش در کاربری اراضی فراهم شده است که در صورت وقوع زمین لغزش، خسارات­های بالای جانی و مالی غیر قابل جبرانی به همراه خواهد داشت. لذا بررسی و شناسایی پهنه­های خطر زمین لغزش می­تواند جهت آگاهی بخشی و کنترل لندفرم­ها در مواجهه با فرایندهای دامنه­ای حوضه تالار موثر واقع شود. از طرفی مدل­های مذکور به­طور جداگانه یا در کنار سایر مدل­ها در پهنه­بندی خطر زمین لغزش استفاده شده­اند اما مقایسه کارایی دو مدل مذکور جهت شناسایی بهترین مدل، در محدوده­ای با شرایط محیطی نیمه مرطوب شمال کشورصورت نگرفته است. مواد و روش­ها منطقه مورد مطالعه حوضه آبخیز تالار یکی از ده حوضه بزرگ در بخش مرکزی استان مازندران، با مساحت ۴/۳۲۲۷ کیلومترمربع در استان مازندران و جنوب شهر قائمشهر واقع شده است. حداقل و حداکثر ارتفاع این حوضه بین ۲۶- تا ۴۰۰۲ متر از سطح دریای آزاد و میانگین ارتفاع حوضه ۷۶۷ متر می­باشد. واحدهای ناهمواری حوضه در سه کلاس جلگه (تا ۲۰۰ متر)، تپه (۲۰۰-۵۰۰ متر) و کوهستان (بیش از ۵۰۰) قابل تفکیک است. از آنجایی که در رخداد زمین لغزش عوامل گوناگونی موثر است لذا در این پژوهش از عوامل و متغیرهای طبیعی همچون عوامل توپوگرافی شامل ارتفاع، درجه شیب، جهت شیب، شاخص رطوبت توپوگرافی، انحنای پروفیل و پلان، به ­همراه فاصله از رودخانه ها، فاصله از گسل، سنگ­شناسی، بارش، شاخص پوشش گیاهی نرمال شده (NDVI) و عوامل انسانی نظیر فاصله از جاده و کاربری اراضی استفاده شده است. برای تولید لایه­های ارتفاع، درجه شیب، جهت شیب، شاخص رطوبت توپوگرافی، انحنای پروفیل، انحنای پلان و فاصله از رودخانه­ها از مدل رقومی ارتفاع با پیکسل اندازه ۳۰ متری سازمان زمین­شناسی ایالات متحده آمریکا (USGS) استفاده شده است. برای تولید لایه­های فاصله از گسل و سنگ­شناسی، از نقشه ۱۰۰۰۰۰/۱ زمین­شناسی سازمان زمین شناسی ایران کمک گرفته شد. برای تولید لایه خطوط هم بارش از داده های ایستگاه های باران سنجی حوضه تالار استفاده شده است. برای تهیه لایه پوشش گیاهی (NDVI) از شاخص پوشش گیاهی و جهت تهیه لایه کاربری اراضی از تصاویر ماهواره لندست سنجنده OLI با روش طبقه­بندی نظارت شده حداکثر احتمال در نرم افزار Envi۵.۶  بهره گرفته شد. با استفاده از دستگاه سیستم موقعیت یاب جهانی(GPS)، لایه پراکنش نقاط رخداد زمین لغزش تهیه شد. جهت انجام این کار ابتدا با برداشت میدانی، موقعیت مکانی زمین لغزش­هایی که دسترسی فیزیکی به آنها میسر بود توسط GPS ثبت شد. البته به دلیل شرایط توپوگرافیکی محدوده مورد مطالعه و به دلیل صعب العبور بودن و عدم دسترسی، از نرم افزار گوگل ارث برای شناسایی برخی از نقاط لغزشی استفاده شد و در نهایت تعداد ۶۱ نقطه لغزشی در محدوده مورد مطالعه برداشت و ثبت گردید. ۷۰ درصد نقاط (۴۳ نقطه) به عنوان نقاط آموزشی و ۳۰ درصد نقاط (۱۸ نقطه) برای اعتبارسنجی مدل به صورت تصادفی انتخاب شدند. از داده های آموزشی جهت مدل سازی و از داده های اعتبارسنجی برای صحت سنجی استفاده شد. جهت پهنه­بندی و مدلسازی زمین لغزش­ها از دو روش جنگل تصادفی و ماشین بردار پشتیبان استفاده شده است.  نتایج و بحث در بررسی متغیرهای طبیعی و انسانی مشخص گردید، ۵۶ درصد زمین لغزش­ها در ارتفاعات بین ۴۳۶ تا ۱۱۲۶ متر رخ داده­اند. بیش از ۷۸ درصد زمین لغزش­ها در شیب­های بالای ۲۵ درجه مشاهده می­شوند. ۴۹ درصد زمین لغزش­ها در دامنه­های با جهت شرق، شمال شرق و ۳۸ درصد در جهت­های جنوب و جنوب غرب اتفاق افتاده­اند. ۷۵ درصد زمین لغزش­ها بر روی سنگ­های شیل، ماسه سنگ، کنگلومرا و مارن در سازندهای  TRJsو Mm,s,l رخ داده­اند. دامنه­های با انحنای کم تا متوسط با فراوانی ۵۰ درصد بیشترین همپوشانی را با لغزش­های رخ داده، نشان می­دهند. از نظر شاخص رطوبت توپوگرافی خاک، ۸۰ درصد زمین لغزش­ها در مقادیر بالای ۶/۱ تا ۸ شاخص قرار می­گیرند. حدود ۶۴ درصد زمین لغزش­ها در فاصله صفر تا ۳/۱ کیلومتری از رودخانه­ها قرار دارند و ۵۱ درصد زمین لغزش­های محدوده مورد بررسی، در فاصله صفر تا ۶۰۰ متری از جاده­ها رخ داده­اند. حدود ۷۸ درصد زمین لغزش­ها در فاصله ۵/۲ کیلومتری از گسل­ها واقع شده­اند. تقریبا ۵۰ و ۴۵ درصد زمین لغزش­های ثبت شده، به ترتیب در اراضی مرتعی و جنگلی موجود در حوضه مورد مطالعه مشاهده می­شوند. با توجه به مقادیر بالای بارش در کل حوضه، نقاط لغزشی قابل مشاهده می­باشد اما از نظر فراوانی زمین لغزش­ها، ۳۰ درصد تعداد زمین لغزش­ها در مناطق با بارش بیشتر از ۵۸۱ میلیمتر مشاهده می­شود. با توجه به نتایج پهنه­بندی و اطلاعات دریافتی، در مدل RF بیشترین طبقه خطر به خطر خیلی کم با ۵۴ درصد فراوانی تعلق دارد و طبقه خطر زیاد در این مدل معادل ۴/۱۸ درصد می­باشد. اما در مدل SVM  طبقه خیلی کم با فراوانی ۶/۴۰ درصد بیشترین گسترش را نشان می­دهد و طبقه خطر خیلی زیاد معادل ۱۱ درصد کل حوضه را به خود اختصاص داده است. ۷۰ درصد از ۶۱ نقطه رخداد زمین لغزشی، جهت آموزش (Training) مدل و ۳۰ درصد نقاط جهت صحت سنجی (Validation) مدل، به صورت تصادفی انتخاب شدند تا بتوان دقت مدل را با داده هایی که در فرآیند آموزش استفاده نشده اند، ارزیابی نمود. نتایج ارزیابی در محدوده مورد مطالعه نشان داد که مقدار سطح زیرمنحنی در مدل SVM و RF به ترتیب برابر ۱۲/۸۷ و ۲۷/۸۵ است. که با توجه به طبقه­بندی ارائه شده برای سطح زیر منحنی (۱-۹/۰ عالی، ۹/۰-۸/۰ خیلی خوب، ۸/۰-۷/۰ خوب، ۷/۰-۶/۰ متوسط و ۶/۰-۵/۰ ضعیف)، هر دو مدل دارای دقت خیلی خوب هستند، اما در مقایسه می­توان گفت که پهنه­بندی زمین لغزش حاصل از مدل ماشین­بردار پشتیبان در منطقه مورد مطالعه از میزان دقت بالاتری برخوردار بوده است. به نظر می­رسد اختلاف ناچیز در اعتبار مدل­های مورد بررسی به به تفاوت در تعداد و نحوه وزن دهی معیارها و همچنین اختلاف شرایط آب و هوایی حوضه­های مورد مطالعه، مرتبط باشد. نتیجه­ گیری محدوده مورد بررسی با ۶۱ پهنه لغزشی از مناطق بسیار حساس به زمین لغزش می­باشد که با توجه به فعالیت­های روز افزون انسانی، وقوع این حرکت افزایش چشمگیری داشته است. برای ارزیابی مناطق مستعد زمین لغزش از ۱۲ عامل موثر بر وقوع زمین لغزش (ارتفاع، شیب، جهت شیب، بارش، فاصله از رودخانه، فاصله از گسل، فاصله از جاده، شاخص پوشش گیاهی، رطوبت توپوگرافی خاک، شاخص انحناء، سنگ­شناسی و کاربری اراضی) بهره گرفته شد. همپوشانی نقاط لغزشی و لایه­های عوامل موثر نشان داد که قسمت­های پائین دست حوضه به دلیل شیب ملایم و ارتفاع کم، جنس سنگ­های تشکیل دهنده، حساسیت کمتری به وقوع زمین لغزش دارند و در مقابل قسمت­های میانی و بالادست حوضه تالار به دلیل شرایط کوهپایه­ای و کوهستانی، با ارتفاع و شیب زیاد و سازندهای حساس، بر شرایط بسیار مساعدتر جهت وقوع زمین لغزش دلالت دارد. نتایج حاصل از مدل جنگل تصادفی مناطق با خطر خیلی زیاد و زیاد را به ترتیب معادل ۴/۱۸ و ۹/۱۴ درصد نشان می­دهد. این در حالی است که نتایج حاصل از مدل ماشین بردار پشتیبان، بر مناطق با خطر زمین لغزش خیلی زیاد و زیاد، به ترتیب معادل ۱۱ و ۷/۱۶ درصد از منطقه دلالت دارد. در حوضه آبخیز تالار، کلاس­های با خطر خیلی زیاد و زیاد عمدتا در بخش­های مرتفع جنوبی و مرکز منطقه با شیب زیاد و در حواشی رودخانه­ها، آبراهه­ها و جاده­ها منطبق می­باشد. مقایسه مدل­های مذکور نشان داد که هر دو مدل کارایی بالایی در پهنه­بندی وقوع زمین لغزش دارند اما نتایج ارزیابی منحنی راک نشان داده که مقدار سطح زیرمنحنی به دست آمده برای مدل­های ماشین بردار پشتیبان و جنگل تصادفی به ترتیب برابر ۱/۸۷ و ۳/۸۵ است. که با توجه به طبقه­بندی ارائه شده برای سطح زیر منحنی، مدل­ ماشین بردار پشتیبان از میزان دقت بالاتری در پهنه­بندی حساسیت زمین لغزش در منطقه مورد مطالعه برخوردار می­باشد. با توجه به نتایج به دست آمده از دو مدل، به طور میانگین بیش از ۴۰ درصد حوضه در خطر متوسط تا خیلی زیاد از لحاظ وقوع زمین لغزش قرار دارند و لزوم برنامه­ریزی جهت مدیریت حوضه و توجه بیش از پیش به این پدیده ضروری به نظر می­رسد.

کلیدواژه ها:

حوضه تالار ، جنگل تصادفی ، زمین لغزش ، ماشین بردار پشیبان ، پهنه بندی خطر