ارزیابی مدل های رقومی ارتفاع جهت تهیه نقشه پتانسیل فرسایش خندقی با استفاده از مدل مکسنت و سامانه اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: حوزه آبخیز سمیرم، جنوب استان اصفهان)

Abstract

<strong>پیشینه و هدف </strong>فرسایش خندقی به عنوان یک نوع فرسایش آبی در اقلیم‌های متفاوتی از مناطق خشک تا مرطوب گسترش‌یافته است. این نوع از هدر رفت خاک با تجمع رواناب‌ها، موجب جابجای و تخریب افق‌های سطحی خاک می‌گردد. در مناطق وسیعی از ایران در شمال، مرکزی و جنوب با این نوع هدر رفت خاک مواجه می‌باشند. درواقع فرسایش خندقی به دلایل توپوگرافی متنوع، فرسایش‌پذیری خاک، عدم مدیریت صحیح خاک و کاربری نامناسب اراضی در بسیاری از این مناطق رخ می‌دهد. بنابراین برای حفاظت خاک در این مناطق لازم هست که نقشه حساسیت به فرسایش خندقی در دسترس مدیران و برنامه ریزان قرار داشته باشد. پارامترهای زیادی در ایجاد فرسایش خندقی تأثیر دارند ازجمله خاک، زمین‌شناسی منطقه، تکتونیک، هیدرولوژی، کاربری اراضی، پوشش گیاهی و توپوگرافی، که در مطالعات مختلف در سراسر جهان به آن اشاره‌شده است. معیار توپوگرافی منطقه از پارامترهای مهم در ایجاد فرسایش آبی ازجمله فرسایش آبکندی محسوب می‌گردد، که در هر منطقه با توجه به ویژگی‌های فیزیکی منطقه منحصربه‌فرد عمل می­کند. این پارامتر همچنین در واقع به صورت غیرمستقیم بر دیگر شاخص ها و یا معیارها تأثیرگذار است (مانند تأثیر آن بر پوشش گیاهی، اقلیم یا خاک منطقه). اگرچه تحقیقات زیادی در زمینه فرسایش خندقی صورت گرفته است، ولی مطالعات کمی در زمینه کاربرد مدل‌های آماری تصادفی انجام‌گرفته است. این مطالعه اولین تحقیق در زمینه کاربرد مدل آماری حداکثر آنتروپی مکسنت در مناطق مرکزی ایران با تأکید بر اهمیت شاخص‌های توپوگرافی مستخرج از مدل‌های رقومی رایگان است. و به‌عنوان یک روش جدید جهت تهیه نقشه حساسیت فرسایش خندقی در حوزه آبخیز سمیرم در جنوب استان اصفهان است. این حوزه آبخیز توسط تحت تأثیر فرسایش‌های شدید آبی از جمله خندقی، شیاری و لغزشی است. همچنین این مطالعه ارزیابی نتایج در مدل رقومی ارتفاعی SRTM و ASTER با قدرت تفکیک 30 متر در تهیه نقشه خطر فرسایش خندق است که داده‌های فوق از سایت زمین‌شناسی امریکا (USGS) تهیه گردید. تأکید اصلی در این تحقیق بر روی شاخص‌های توپوگرافی بود زیرا که این شاخص‌ها به صورت مستقیم و غیرمستقیم بر روی ویژگی‌ها خاک، پوشش گیاهی و اقلیم نیز تأثیرگذار می‌باشند.<br /> <strong>مواد و روش ­ها</strong> در این تحقیق برای پیش بینی مناطق حساس که در نتیجه فرسایش خندقی می ­باشند شامل مراحل ذیل است. در مرحله اول، با استفاده از تصاویر گوگل ارث و عکس‌های هوایی و همچنین عملیات میدانی اقدام به دیجتایز کردن تعدادی از مناطق فرسایش خندقی به‌صورت پلی گون انجام گردید که در ادامه کار تبدیل به نقاط گردیدند. در مرحله دوم اقدام به تهیه مهم‌ترین شاخص‌های توپوگرافی مؤثر به‌عنوان لایه‌های محیطی مؤثر بر رخداد فرسایش خندقی گردید. شاخص‌های توپوگرافی شامل شاخص رطوبت توپوگرافی، شاخص انحنا، شاخص انحنا پروفایل، شاخص شیب، شاخص جهت، شاخص قدرت فرسایندگی جریان، شاخص طول جریان، شاخص حوزه یا تمرکز جریان، شاخص همگرایی، شاخص ارتفاع و شاخص LS. این شاخص‌ها از دو مدل رقومی ارتفاعی ASTER و SRTM با دقت 30 متر در محیط نرم‌افزار ساگا جی ای اس (SAGAGIS) تهیه گردید که در نهایت تبدیل به فرمت ASCII جهت اجرای مدل گردید. قبل از استخراج این شاخص‌های توپوگرافی، پیش پردازهای لازم شامل فیلترگذاری و حذف خطاهای هیدرولوژیک و در محیط نرم‌افزار ArcGIS و ساگا و با استفاده از الگوریتم داربکس و پلانچون اقدام گردید. مدل مکسنت مدل حداکثر آنتروپی یک روش کلی برای پیش بینی یا استنباط از اطلاعات ناکامل است. این مدل برنامه‌های کاربردی در مناطق مختلف مانند نجوم، بازسازی تصویر، فیزیک آماری و پردازش سیگنال را مورد بررسی قرار می‌دهد. ایده مدل مکسنت تخمین احتمال رخداد هدف مورد مطالعه است. در واقع این مدل تنها نیاز به داده‌های رخداد فرسایش خندقی نیاز دارد (داده‌های موجود) از دیگر مزایای این مدل موارد زیر را شامل می‌شود؛ تنها به اطلاعات مربوط به وجود فرسایش، همراه با اطلاعات زیست محیطی برای کل منطقه مورد مطالعه نیاز دارد. این مدل می‌تواند از هر دو نوع داده‌های پیوسته و یا گسسته جهت متغیرهای مستقل در مدل بکار برده شود.<br /> <strong>نتایج و بحث</strong> با به کار بردن مدل مکسنت در حوزه سمیرم، 70 درصد نقاط خندقی به عنوان نقاط تعلیمی به مدل و 30 درصد آن به عنوان نقاط آزمایشی جهت تعیین صحت ارزیابی نقشه نهایی تعیین گردید. اعتبار مدل مورد استفاده در این تحقیق با استفاده از سطح زیر نمودار راک یا سطح زیر منحنی AUC مورد ارزیابی قرار گرفت. نمودارهای راک به صورت اتوماتیک با اجرای این مدل برای دو نوع داده تعلیمی و آزمایشی تهیه می‌گردد. میزان AUC جهت پهنه‌بندی فرسایش خندقی برای داده‌های تعلیمی نقشه‌های رقومی ارتفاع ASTER و SRTM به ترتیب 0.64 و 0.72 و برای نمونه‌های آزمایشی 0.68 و 0.73 است. این نتایج بیانگر آن است که مدل ارتفاعی SRTM دارای دقت بالاتری نسبت به ASTER است، و نقشه پتانسیل فرسایش خندقی با اجرا کردن شاخص‌های مستخرج از مدل ارتفاعی SRTM آورده شده است به نظر می‌رسد یکی از دلایل پایین بودن دقت مدل ASTER به دلیل تأثیر پوشش گیاهی باشد گه باعث ایجاد خطاهای تراس مانند شده است درحالی‌که در نقشه رقومی ارتفاعی SRTM به دلیل ماهیت راداری امواج این خطا کاهش‌یافته و نقشه دقیق‌تری از این مدل، تهیه‌شده است. نتایج این پژوهش نشان داد که شاخص‌های قدرت فرسایندگی جریان آب با 40.30 درصد، ارتفاع با 22.7 درصد و شاخص همگرایی با 18 درصد دارای بیشترین تأثیر بر میزان فرسایش خندقی منطقه مطالعاتی می‌باشند. در این مطالعه نقشه پهنه‌بندی پتانسیل فرسایش خندقی در حوزه آبخیز سمیرم نشان می‌دهد، که مناطق با پتانسیل بالای فرسایشی بیشتر در نواحی جنوبی و جنوب غربی حوزه مورد مطالعه است.<br /> <strong>نتیجه ­گیری</strong> این مطالعه با استفاده از مدل مکسنت به منظور تهیه نقشه حساسیت به فرسایش خندق در حوزه آبریز سمیرم در جنوب استان اصفهان و با استفاده از شاخص‌های توپوگرافی مؤثر و با استفاده از مدل حداکثر آنتروپی جهت شناسایی مناطق حساس فرسایش خندقی و همچنین شاخص‌های تأثیرگذار اقدام گردید. از نتایج این مطالعه می‌توان برای برنامه‌ریزی کاربری اراضی و مدیریت مناطق دارای فرسایش خندق در جهت توسعه پایدار استفاده کرد. اگرچه نتایج این تحقیق نقش بارز شاخص‌های توپوگرافی را در تهیه نقشه پتانسیل خندقی نشان داده ولی جهت افرایش دقت نتایج مدل‌سازی می‌توان با توجه به قابلیت اطلاعات در دسترس در منطقه مورد از دیگر معیارهای تأثیرگذار در فرسایش خندقی از قبیل کاربری اراضی، پوشش گیاهی و خاک و غیره برای پهنه‌بندی مناطق به حساسیت فرسایش خندقی استفاده نمود.