کاربرد نمایه‌های کمی شبکه زهکشی در جانمایی سازه‌های آبخیزداری بر پایه یادگیری ماشینی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 استادیار، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

4 دانش‌آموخته دکتری آبخیزداری، گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

چکیده

سابقه و هدف: خسارت جانی و مالی ناشی از پدیده سیل و پر شدن سدهای ذخیره آب از رسوب، به‌ویژه در سالیان اخیر به علت استفاده غیراصولی از منابع طبیعی نگران‌کننده است. به‌منظور حل این مشکلات، اقدامات حفاظت خاک و آب در قالب برنامه‌های مختلف آبخیزداری شامل اقدامات سازه‌ای (بیومکانیکی و مکانیکی)، مدیریتی و بیولوژیکی در سطح کشور در حال انجام می‌باشد. اجرای طرح‌های آبخیزداری، به‌عنوان اولویتی زیرساختی، نقش مهمی در کاهش تخریب‌های ناشی از جاری شدن روان آب‌ها و سیلاب‌ها ایفا می‌کند. از مهم‌ترین اهداف اجرای سازه‌های کنترلی آبخیزداری در مسیر رودخانه‌ها و به‌ویژه در بالادست مناطق مسکونی و حوزه‌های آبخیز منتهی به حریم شهر و روستاها، کنترل سیل و رسوب به شمار می‌رود. مهم‌ترین مرحله اجرای طرح‌های مکانیکی به‌عنوان اقدامات سازه‌ای آبخیزداری، شناسایی درست مکان‌های موردنیاز جهت اجرای این طرح‌ها می‌باشد. مکان‌یابی صحیح سازه‌های آبخیزداری، تأثیر فراوانی در کاهش هزینه فعالیت‌های آبخیزداری و افزایش اثربخشی دارد. در این پژوهش تعدادی از مدل‌های رویکرد مبتنی بر یادگیری ماشین شامل شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و مدل حداکثر آنتروپی (ME) با هدف تعیین بهترین مدل رویکرد یادگیری ماشین به‌منظور مکان‌یابی سازه‌های آبخیزداری در آبخیز کوئین استفاده می‌شود.
مواد و روش‌ها: آبخیز کوئین در استان البرز و شمال طالقان و بین مختصات جغرافیایی (50 درجه و 46 دقیقه تا 50 درجه و 56 دقیقه طول شرقی و 36 درجه و 10 دقیقه تا 36 درجه و 18 دقیقه عرض شمالی) واقع شده است. در تحقیق حاضر جهت تعیین مناطق مناسب احداث سازه‌های آبخیزداری از 11 شاخص موثر در جانمایی سازه‌ها شامل عوامل توپوگرافی، هیدرولوژی، زمین‌شناسی، کاربری ‌اراضی و اقتصادی استفاده شده است. نقاط سازه‌های موجود، با استفاده از روش تصادفی به دو دسته داده‌های مدل‌سازی (آموزش) و داده‌های اعتبارسنجی (آزمون) تقسیم شدند. لایه مدل رقومی ارتفاعی با استفاده از نقاط ارتفاعی و خطوط تراز در ابعاد 10*10 متر تهیه شد. لایه‌ شیب با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی و با استفاده از تابع Slope تهیه شده‌ است. لایه‌ فاصله از آبراهه و تراکم آبراهه بر اساس نقشه آبراهه‌ها (استخراج از نرم‌افزار SAGA GIS) و به ترتیب با استفاده از تابع Euclidean distance و Line Density در نرم‌افزار ArcGIS تهیه شدند. لایه سنگ‌شناسی به عنوان یک عامل مهم در تغییرات مکانی و زمانی زهکشی، میزان نفوذپذیری، هیدرولوژی و تولید رسوب آبخیز در نظر گرفته می‌شود و از نقشه زمین‌شناسی استخراج گردید. لایه کاربری اراضی از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان البرز دریافت شده است. نقشه بارندگی با استفاده از اطلاعات 15 ایستگاه باران‌سنجی و هواشناسی در طی یک دوره آماری (18 ساله) به صورت گرادیان بارندگی تهیه شده است. عوامل SPI، رتبه آبراهه‌ها و تجمع جریان با استفاده از نقشه مدل رقومی ارتفاعی و در نرم‌افزار SAGA GIS تهیه شده است. لایه‌ تراکم جاده بر اساس نقشه جاده‌ها و با استفاده از تابع Line Density در نرم-افزار ArcGIS تهیه شد. در این پژوهش از دو مدل حداکثر آنتروپی و شبکه عصبی مصنوعی استفاده شد. پیش‌پردازش عوامل ورودی به‌منظور بررسی عدم وجود هم‌خطی چندگانه با استفاده از عامل تورم واریانس (VIF) و شاخص‌ ضریب تحمل (Tolerance) انجام شد. میزان اهمیت هر یک از عوامل بکار رفته در تبیین مدل با استفاده از مدل حداکثر آنتروپی و با استفاده از نمودار جکنایف (Jackknife) تعیین شد و انجام این فرآیند در نرم‌افزار MaxEnt انجام می‌شود. در این پژوهش، کارایی مدل‌ها در مراحل آموزش و اعتبارسنجی با استفاده از منحنی تشخیص عملکرد گیرنده (ROC) و سطح زیر منحنی آن (AUC) ارزیابی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که بین عوامل هم خطی وجود ندارد و لذا کلیه عوامل در روند مدل‌سازی مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان داد که به ترتیب عوامل فاصله از آبراهه، رتبه آبراهه، تجمع جریان، ارتفاع و میانگین بارندگی مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر جانمایی سازه‌های آبخیزداری هستند و در پیش‌بینی مناطق دارای پتانسیل احداث سازه تاثیرگذار بوده‌اند. میزان دقت پیش‌بینی مدل حداکثر آنتروپی‌ در هر دو بخش آموزش (994/0) و اعتبارسنجی (993/0) عالی بوده است. میزان دقت پیش‌بینی مدل شبکه عصبی مصنوعی نیز‌ در هر دو بخش آموزش (1) و اعتبارسنجی (1) عالی بوده است. با توجه به واقعیت میدانی موجود در آبخیز کوئین به نظر می‌رسد که مدل شبکه عصبی مصنوعی دچار بیش‌برازش شده است و نقشه نهایی پتانسیل سازه‌های آبخیزداری با خطا مواجه است و نتایج مدل حداکثر آنتروپی نتایج منطقی‌تری ارائه داده است. نتایج بازدیدهای میدانی جهت صحت‌سنجی نتایج مدل نشان داد که در تمامی آبراهه-های مورد بررسی، مدل حداکثر آنتروپی به درستی و با دقت بسیار زیاد آبراهه‌های بحرانی را به لحاظ آورد سیل و رسوب تشخیص داده است. در مجموع 47 کیلومتر آبراهه بحرانی به لحاظ آورد سیل و رسوبات تشخیص داده شد. لذا در ادامه و در طی بازدیدهای مختلف تعداد 22 سازه آبخیزداری در آبراهه‌های مورد بازدید جانمایی شد.
نتیجه‌گیری: نتایج بازدیدهای میدانی نشان داد که در تمامی آبراهه‌های مورد بررسی، مدل حداکثر آنتروپی به درستی و با دقت بسیار زیاد آبراهه‌های بحرانی را به لحاظ آورد سیل و رسوب تشخیص داده است. این امر بیانگر توانایی بالای روش‌های مبتنی بر یادگیری ماشین در تلفیق و تحلیل داده‌های مکانی پیچیده و افزایش دقت در مکان‌یابی اقدامات آبخیزداری است. نتایج این پژوهش تأکید دارد که استفاده از روش‌های مبتنی بر یادگیری ماشین می‌تواند بهبود قابل توجهی در دقت مکان‌یابی سازه‌های آبخیزداری ایجاد کند. از این‌رو، پیشنهاد می‌شود که در مطالعات آینده، ترکیب مدل‌های یادگیری ماشین با روش‌های بهینه‌سازی و تحلیل عدم‌قطعیت برای افزایش دقت مکان‌یابی مورد بررسی قرار گیرد. این پژوهش گامی مهم در جهت استفاده از مدل‌های داده‌محور برای بهینه‌سازی اقدامات آبخیزداری بوده و می‌تواند به‌عنوان الگویی برای مطالعات مشابه در سایر حوزه‌های آبخیز مورد استفاده قرار گیرد. این روش نه‌تنها باعث افزایش دقت در تصمیم‌گیری می‌شود، بلکه هزینه‌های اجرایی را نیز کاهش داده و بهره‌وری پروژه‌های آبخیزداری را بهبود می‌بخشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The use of quantitative drainage network in the placement of check dam based on machine learning

نویسندگان [English]

  • Marziyeh Ramezani 2
  • Omid Asadi Nalivan 3
  • Ali Shahbazi 4
1
2 MS.C Student, Department of Arid and Mountainous Areas Restoration, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Assistant Professor, Department of Soil Science and Engineering, Faculty of Agriculture, University of Maragheh, Maragheh, Iran
4 PhD Graduate in Watershed Management, Department of Arid and Mountainous Areas Restoration, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: The loss of life and property damage caused by floods and the overflowing of water storage dams with sediment are causes for concern, especially in recent years due to the unsustainable use of natural resources. In order to address these issues, soil and water conservation measures have been implemented in the form of various watershed management programs, including structural (biomechanical and mechanical), management, and biological measures, at the national level. The implementation of watershed management plans, as an infrastructure priority, plays an important role in reducing the damage caused by runoff and floods. One of the most important goals of implementing check dam along rivers, especially upstream of residential areas and watersheds leading to cities and villages, is flood and sediment control. The most important step in implementing mechanical plans as check dam measures is to correctly identify the locations needed to implement these plans. The correct location of check dam has a great impact on reducing the cost of watershed management activities and increasing their effectiveness. In this study, a number of machine learning-based approaches, including artificial neural network (ANN) and maximum entropy (ME) models, were used with the aim of determining the best machine learning model for locating check dam in the Quein watershed.
Materials and Methods: The Quein watershed is located in Alborz Province, north of Taleghan, and lies between the geographical coordinates (50°46' to 50°56' E and 36°10' to 36°18' N). In the present research, 11 effective indicators in the selection of check dam locations, including topographic, hydrological, geological, land use, and economic factors, were used to determine the appropriate areas for the construction of watershed structures. The points of the existing check dam were divided into two groups modeling data (training) and validation data (test) using a random method. The digital elevation model layer was prepared using elevation points and contour lines with a resolution of 10x10 meters. The slope layer was prepared using the digital elevation model and the Slope function. The distance from the watercourse and watercourse density layers were prepared based on the watercourse map (extracted from SAGA GIS software) using the Euclidean distance and Line Density functions in ArcGIS software, respectively. The lithology layer was considered an important factor in the spatial and temporal changes in drainage, permeability, hydrology, and sediment production of the watershed and was extracted from the geological map. The land use layer was obtained from the General Directorate of Natural Resources and Watershed Management of Alborz Province. The rainfall map was prepared using data from 15 rain gauge and meteorological stations over a statistical period of 18 years in the form of a rainfall gradient. The SPI factors, watercourse rank, and flow accumulation were prepared using the digital elevation model map in SAGA GIS software. The road density layer was prepared based on the road map using the Line Density function in ArcGIS software. In this study, two models maximum entropy and artificial neural network were used. Preprocessing of input factors was performed to check for the absence of multicollinearity using the variance inflation factor (VIF) and the tolerance index. The importance of each factor in explaining the model was determined using the maximum entropy model and the jackknife diagram, performed in MaxEnt software. The efficiency of the models in the training and validation stages was evaluated using the receiver operating characteristic (ROC) curve and the area under the curve (AUC).
Results: The results indicated that there was no collinearity between the factors; therefore, all factors were used in the modeling process. The results showed that the factors of distance from the watercourse, watercourse rank, flow accumulation, elevation, and average rainfall were the most important factors affecting the placement of check dam and were effective in predicting areas with potential for structure construction. The prediction accuracy of the maximum entropy model was excellent in both the training (0.994) and validation (0.993) phases. The prediction accuracy of the artificial neural network model was also excellent in both the training (1) and validation (1) phases. Considering the field reality in the Quein watershed, it seems that the artificial neural network model was over fitted, making the final potential map for check dam subject to errors, whereas the results of the maximum entropy model provided more reasonable outputs. Field visits to verify the model results showed that in all the streams studied, the maximum entropy model correctly and with great accuracy identified critical streams in terms of flood and sediment load. A total of 47 km of critical streams were identified in terms of flood and sediment load. Therefore, during the subsequent visits, 22 check dam were installed in the studied streams.
Conclusion: The results of field reconnaissance showed that in all the streams studied, the maximum entropy model correctly and accurately identified critical streams in terms of flood and sediment load. This indicates the high capability of machine learning-based methods to integrate and analyze complex spatial data, thus increasing accuracy in locating check dam measures. The results of this study emphasize that using machine learning-based methods can significantly improve the accuracy of locating check dam. Therefore, it is suggested that future studies combine machine learning models with optimization and uncertainty analysis methods to further improve location accuracy. This research represents an important step toward using data-driven models to optimize check dam measures and can serve as a model for similar studies in other watersheds. This method not only increases the accuracy of decision-making but also reduces implementation costs and improves the efficiency of watershed management projects.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Watershed Management
  • Maximum Entropy
  • Site Selection
  • Machine Learning