پهنه بندی حساسیت فرسایش خندقی با استفاده از مدل های CART, ANN و RF

فرسایش خندقی یکی از انواع فرسایش آبی است که سهم زیادی در تخریب اراضی دارد و به عنوان یکی از مهمترین مخاطرات محیطی در جهان و به خصوص در ایران شناخته شده است. در سال های اخیر، فن های یادگیری ماشینی و سامانه اطلاعات جغرافیایی در زمینه تعیین مناطق حساس به فرسایش خندقی دارای کارایی بالایی بوده اند و باعث افزایش دقت و سرعت در زمینه ارزیابی، پتانسیل فرسایش خندقی شده اند که این فن ها در تعیین عوامل موثر بر فرسایش خندقی نیز موثر بوده اند. اراضی لسی استان گلستان به دلیل عمق کافی و دانه بندی تقریبا یکنواخت سیلتی، استفاده مفرط، کشت در اراضی شیب دار و مدیریت غلط اراضی، فرسایش پذیری آبی بیشتری دارند، به طوری که همه انواع فرسایش را در این مناطق می توان مشاهده کرد. متداول ترین نوع فرسایش در این مناطق، فرسایش خندقی است. حوزه آبخیز مورد مطالعه در استان گلستان، با افزایش زمین های دیم و رها شده، تغییر کاربری اراضی، حضور دام مازاد در جنگل ها و همچنین، افزایش جمعیت روبه رو است. لذا، این حوضه با افزایش حساسیت فرسایش خندقی مواجه است و باید مناطق دارای پتانسیل فرسایش خندقی شناسایی و مدیریت شوند. 

حوزه آبخیز مورد مطالعه با مساحت 222 هزار هکتار و دامنه ارتفاعی 58 تا 2168 متر، در شمال شرقی استان گلستان قرار دارد. میانگین بارندگی حوضه بین 224 تا 736 میلی متر است. در این پژوهش، ابتدا موقعیت خندق ها از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان دریافت شد. سپس، از مجموع 1127 موقعیت خندق، به صورت تصادفی 70 درصد به عنوان داده های آموزش و 30 درصد به عنوان داده های اعتبارسنجی طبقه بندی شدند. به منظور تعیین متغیرهای موثر در حساسیت فرسایش خندقی، 14 عامل شناسایی شد و در مرحله بعد تست هم خطی بین متغیرها با استفاده از نرم افزار SPSS انجام شد. با استفاده از شاخص های ضریب تحمل و عامل تورم واریانس در صورت وجود هم خطی بین متغیرها از روند مدلسازی حذف شدند. با توجه به اهمیت نقشه مدل رقومی ارتفاع و کاربرد آن در تهیه عوامل مختلف پژوهش حاضر، مدل رقومی ارتفاع (با اندازه سلول 12.5 متر) با استفاده از تصاویر ماهواره ALOS تهیه شد. لایه های شیب و جهت شیب با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و به ترتیب از توابع Slope و Aspect تهیه شده اند. شاخص طول شیب در نرم افزار SAGA GIS، لایه های فاصله از آبراهه بر اساس نقشه آبراهه ها (استخراج از نرم افزار SAGA GIS) و فاصله از جاده بر اساس جاده های موجود و با استفاده از تابع فاصله اقلیدسی در نرم افزار ArcGIS تهیه شدند. لایه های تراکم آبراهه و تراکم جاده، بر اساس نقشه آبراهه ها و جاده های موجود در منطقه و با استفاده از تابع Line Density در نرم افزار ArcGIS به دست آمدند. لایه سنگ شناسی از نقشه زمین شناسی منطقه (مقیاس 1:100000) استخراج شده است و لایه کاربری اراضی از اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان گلستان دریافت شد. نقشه بارندگی با استفاده از اطلاعات 35 ایستگاه باران سنجی تهیه شده است. ابتدا، میانگین بارندگی 26 ساله (دوره آماری مشترک) برای هر ایستگاه محاسبه شد و سپس، با استفاده از روش کریجینگ جهانی (به دلیل کمترین میزان RMSE) در نرم افزار ArcGIS پهنه بندی بارندگی انجام گرفت. لایه شاخص موقعیت توپوگرافیک، با استفاده از مدل رقومی ارتفاع و با کمک نرم افزار SAGA GIS تهیه شد. به منظور ارزیابی مدل ها، از منحنی تشخیص عملکرد نسبی (ROC) جهت قدرت پیش بینی مدل ها استفاده شد. 

نتایج نشان داد که بین متغیرها هم خطی وجود ندارد و لذا، کلیه متغیرها در روند مدلسازی مورد استفاده قرار گرفتند. رابطه بین فرسایش خندقی و ارتفاع نشان داد که ارتفاعات پایین تر حساسیت بیشتری نسبت به ارتفاعات بالاتر دارند و نزدیک به آبراهه ها حساسیت فرسایش خندقی بیشتر است. نتایج نشان داد که با افزایش تراکم زهکشی، حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا می کند. همچنین، پادگانه های قدیمی، شیل و لس ها بیشترین تاثیر را بر حساسیت فرسایش خندقی دارند. نتایج نشان دهنده کاهش حساسیت فرسایش خندقی با کاهش شاخص HAND است. در واقع این نتیجه بیانگر این است که در مناطقی که میزان سطوح اشباع در سطح حوزه آبخیز افزایش می یابد، احتمال وقوع و حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا می کند. نتایج نشان داد که در میان انواع کاربری ها، مسیل ها، مراتع فقیر و کاربری کشاورزی، دارای بیشترین حساسیت فرسایش خندقی هستند. این در حالی است که مناطق جنگلی دارای کمترین میزان حساسیت به این فرسایش بوده اند. نتایج نشان داد که در دامنه بارندگی 220 تا 420 میلی متر، احتمال رخداد فرسایش خندقی افزایش پیدا کرده است و از دامنه 420 تا 500 میلی متر، بالاترین میزان حساسیت را نشان داده است و با افزایش بارندگی از 500 میلی متر، حساسیت فرسایش خندقی کاهش یافته است. از دلایل کاهش حساسیت فرسایش خندقی در بارندگی های بالاتر می توان به افزایش پوشش گیاهی و ایجاد شرایط مناسب برای زمین لغزش ها اشاره کرد. نتایج نشان داد که عمق دره تا 235 متر، باعث افزایش احتمال فرسایش خندقی شده است و از 235 متر به بالا، باعث کاهش احتمال رخداد فرسایش شده است. نتایج نشان داد که نزدیک به جاده ها میزان حساسیت فرسایش خندقی افزایش پیدا می کند و این مورد اثرات جاده سازی و تشدید شرایط برای فرسایش خندقی را نشان می دهد. 

این پژوهش با هدف تعیین عوامل موثر بر فرسایش خندقی و پهنه بندی توزیع مکانی آن در شمال شرق استان گلستان انجام شد. در این پژوهش، با در نظر گرفتن 14 عامل مهم و با استفاده از مدل های جنگل تصادفی، شبکه عصبی مصنوعی و درخت رگرسیون و طبقه بندی، نقشه حساسیت وقوع فرسایش خندقی تهیه شد. با توجه به این که شناسایی مناطق دارای حساسیت فرسایش خندقی مبتنی بر روش های سنتی و نظرات کارشناسی از دقت قابل قبولی برخوردار نیست، استفاده از روش های نوین یادگیری ماشینی امری ضروری است. نتایج نشان داد که عوامل فاصله از جاده و کاربری اراضی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر حساسیت فرسایش خندقی هستند که مدیریت کاربری اراضی را از سوی انسان می طلبد. منحنی ROC، نشان داد که دقت مدل ها در برآورد مناطق دارای حساسیت فرسایش خندقی در مرحله آزمون عالی (ANN)، و در مرحله آزمون و اعتبارسنجی خیلی خوب (RF  و CART) بوده است که به معنای عملکرد عالی مدل ها است.