کمبود آب و تنش آبی
حدود ۲ میلیارد نفر در مناطق خشک و نیمهخشک در تنش آبیاند و ضعف تغذیه آبخوانهای استان سمنان کاملاً مشهود است.
پروژه ۰۲ — جزئیات
سامانه پشتیبان تصمیم مکانیابی و اولویتبندی نواحی مستعد احداث پخش سیلاب در استان سمنان
استان سمنان
این پروژه با تلفیق دادههای خاک، اقلیم، سنجش از دور و مدلهای یادگیری ماشین، چارچوبی یکپارچه برای مکانیابی و اولویتبندی نواحی مستعد احداث پخش سیلاب در استان سمنان ارائه میدهد. خروجی آن نقشه نهایی ۴۹ محل مستعد بههمراه تحلیل شرایط بالادست است.
مشخصات کلی
شناسنامه پروژه
عنوان پروژه
تهیه سیستم پشتیبان تصمیمگیری برای مکانیابی و اولویتبندی نواحی مستعد احداث پخش سیلاب در استان سمنان
منطقه مطالعه
استان سمنان (پردازش دادههای ایستگاهی، میدانی و ماهوارهای در مقیاس استانی)
کارفرما / شریک علمی
اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان سمنان (کارفرما)؛ دانشگاه سمنان (شریک علمی)
استاد راهبر
دکتر علیاصغر ذوالفقاری
تیم اصلی
زهرا شیخ (پسادکتری، هیدرولوژی)؛ مریم رئیسی (دکتری، اقلیم و مدلسازی اقلیمی)؛ آزاده سلطانی (دکتری، GIS و ژئومورفولوژی)؛ مهدی یعقوبزاده (کارشناسی مهندسی طبیعت، نمونهبرداری و آزمایشگاه)
دادههای میدانی
حدود ۷۰۰ نمونه خاک، ۱٬۱۰۰ نقطه عمق خاک و ۴۶۰ نمونه تاجپوشش
محلهای مستعد نهایی
۴۹ محل احداث پخش سیلاب، با پایش میدانی و بررسی دقت
تأمینکنندگان داده
اداره کل هواشناسی استان سمنان، شرکت آب منطقهای سمنان، اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان سمنان
وضعیت
تکمیلشده و تحویل گزارش نهایی
۷۰۰
نمونه خاک از سطح استان
۴۹
محل مستعد احداث پخش سیلاب
۱۹
متغیر کمکی مدلسازی مکانی
۱۳
کلاس کاربری اراضی (LULC)
چکیده پروژه
مکانیابی علمی عرصههای پخش سیلاب در مقیاس استان
این پروژه یک سامانه پشتیبان تصمیم دادهمحور برای مکانیابی و اولویتبندی نواحی مستعد احداث پخش سیلاب در استان سمنان ارائه میدهد. پخش سیلاب بهعنوان اقدامی چندمنظوره، رواناب و سیلابهای آبراههها را به دشتها منتقل میکند، از خطر سیل میکاهد و همزمان آبخوانها را تغذیه و بیابانزایی را مهار میکند. این پژوهش برای نخستینبار در مقیاس استانی، یادگیری ماشین، نقشهبرداری رقومی خاک، دادههای اقلیمی بازتحلیل، تصاویر Landsat 8 و دادههای میدانی را برای تولید نقشههای پایه خاک، اقلیم و پوشش زمین تلفیق کرد.
پس از تهیه نقشههای پایه، پهنههای مستعد وقوع سیل استان با چهار روش دادهکاوی (RF، SVR، Treebag و Glmnet) در قالب رویکرد Ensemble و انتخاب ویژگی Boruta استخراج و نقشههای شماره منحنی (CN) و عمق رواناب با روش SCS تهیه و بر اساس ایستگاههای هیدرومتری واسنجی شد. در گام نهایی با اعمال فیلترهای شیب (۱ تا ۵ درصد)، فاصله از آبراهه، عمق خاک، کاربری اراضی و وجود آبخوان، ۴۹ محل مستعد احداث پخش سیلاب شناسایی شد؛ پس از ارزیابی شرایط بالادست (حجم رواناب سالانه، فرسایشپذیری و نگهداشت آب)، نقشه نهایی با اعتبارسنجی میدانی تحویل گردید.
بیان مسئله و ضرورت طرح
چرا مکانیابی علمی پخش سیلاب ضروری است؟
کمبود آب چالش بزرگ مناطق خشک و نیمهخشک است و حدود ۲ میلیارد نفر در تنش آبی بهسر میبرند. از سوی دیگر، سیل در بازه ۱۹۹۵ تا ۲۰۱۵ پُرتکرارترین مخاطره طبیعی جهان بوده و حدود ۲٫۳ میلیارد نفر را متأثر کرده است. در ایران حدود ۲۰ درصد بارشها به سیلابهای ناگهانی تبدیل میشود و استان سمنان ۲۱ درصد خسارات سیل کشور را به خود اختصاص داده است. پخش سیلاب اقدام چندمنظوره و کمهزینهای برای مهار سیل و تغذیه آبخوانهاست، اما موفقیت آن به دقت مکانیابی و توجه به شرایط بالادست وابسته است.
سیل، پُرتکرارترین مخاطره جهان
سیل با سهم ۵۶ درصدی، پُرتکرارترین مخاطره طبیعی جهان (۱۹۹۵–۲۰۱۵) و یکی از سه مخاطره اصلی طبیعی ایران است.
محدودیت مکانیابی مرسوم
مکانیابی مرسوم اغلب دقت کافی ندارد و به شرایط بالادست عرصهها کمتوجه است و اثربخشی طرحها را کاهش میدهد.
فقدان دادههای پایه
کمبود اطلاعات مطمئن خاک، اقلیم و مخاطره سیل در مقیاس استان، تولید نقشههای رقومی پایه با روشهای نوین را اجتنابناپذیر میکند.
هدف طرح، تبدیل دادههای پراکنده خاک، اقلیم و پوشش زمین به یک سامانه پشتیبان تصمیم برای مکانیابی بهینه احداث پخش سیلاب و مهار همزمان خطر سیل و کمبود آب است.
اهداف مطالعه
اهداف اصلی پروژه
ارائه یک سامانه پشتیبان تصمیم دادهمحور برای مکانیابی و اولویتبندی نواحی مستعد احداث پخش سیلاب در استان سمنان.
تولید نقشههای پایه ویژگیهای خاک (بافت، کربن آلی، فرسایشپذیری و هدایت هیدرولیکی اشباع) با نقشهبرداری رقومی خاک از حدود ۷۰۰ نمونه.
درونیابی دادههای بارش و دمای ERA5-Land با اصلاح بایاس مبتنی بر دادههای ایستگاهی و تهیه نقشههای اقلیمی ۳۰ ساله دقیق استان.
استخراج پهنههای مستعد وقوع سیل با چهار روش دادهکاوی و الگوریتم Boruta با بهرهگیری از ۱۹ متغیر کمکی، CN و نقشه عمق رواناب.
مکانیابی عرصههای مستعد احداث پخش سیلاب بر پایه شیب، فاصله از آبراهه، عمق خاک، کاربری اراضی و وجود آبخوان و شناسایی ۴۹ محل نهایی.
ارزیابی شرایط بالادست محلهای پیشنهادی (حجم رواناب سالانه، CN، فرسایشپذیری و نگهداشت آب) و اعتبارسنجی نتایج با پایش میدانی.
فناوریها و تکنیکها
ابزارها و دادههای پیشرفته پروژه
یادگیری ماشین
چهار روش دادهکاوی — Random Forest، SVR، Treebag و Glmnet — با رویکرد Ensemble و الگوریتم انتخاب ویژگی Boruta برای مدلسازی مکانی.
نقشهبرداری رقومی خاک
تولید نقشههای خاک سطح استان از حدود ۷۰۰ نمونه با استفاده از متغیرهای کمکی استخراجشده از DEM، Landsat 8 و زمینشناسی.
دادههای اقلیمی بازتحلیل
استفاده از ERA5-Land و اصلاح بایاس کمّی (Quantile Mapping) بر اساس دادههای ایستگاههای هواشناسی استان.
سنجش از دور
تصاویر Landsat 8 (OLI) با شاخصهای NDVI و MSAVI برای تهیه نقشه درصد تاجپوشش و پوشش سطح زمین.
مدلسازی هیدرولوژیکی
استخراج نقشه شماره منحنی (CN) از دادههای Ks و LULC و برآورد عمق رواناب با روش SCS و واسنجی بر ایستگاههای هیدرومتری.
تحلیل ژئوفضایی
استخراج مشتقات DEM مانند شیب، جهت، TWI، SPI، STI و انحنا در محیط GIS برای مدلسازی پهنههای مستعد سیل.
فعالیتهای انجامشده
اجرای میدانی، آزمایشگاهی و مدلسازی
۰۱
نمونهبرداری خاک و تحلیل آزمایشگاهی
جمعآوری حدود ۷۰۰ نمونه خاک، اندازهگیری سیلت، شن، رس و کربن آلی و برآورد فرسایشپذیری و هدایت هیدرولیکی اشباع (Saxton و Rawls).
۰۲
پردازش دادههای اقلیمی و ماهوارهای
تجمیع دادههای ایستگاههای هواشناسی، پردازش تصاویر ERA5-Land و Landsat 8 و نمونهبرداری ۴۶۰ نقطه تاجپوشش.
۰۳
مدلسازی، مکانیابی و اعتبارسنجی
استخراج پهنههای مستعد سیل، تهیه نقشههای CN و عمق رواناب، مکانیابی ۴۹ عرصه پخش سیلاب و پایش میدانی نتایج.
گالری نقشهها
نقشههای پروژه
خروجیهای مکانی تولیدشده در فرآیند مطالعات در گالری زیر آمده است؛ با کلیک روی هر نقشه، نمای بزرگ آن باز میشود.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
دستاوردهای پروژه
از دادههای پراکنده تا نقشه نهایی مکانیابی
مهمترین دستاورد این پروژه ایجاد نخستین مجموعه نقشههای رقومی پایه (خاک، اقلیم و پوشش زمین) استان و تبدیل آن به سامانه پشتیبان تصمیم برای پخش سیلاب است. پهنههای مستعد سیل با چهار روش دادهکاوی در سطح دقت قابل ارزیابی استخراج، نقشههای شماره منحنی و عمق رواناب تهیه و واسنجی، و در نهایت ۴۹ عرصه مستعد احداث پخش سیلاب در قالب یک نقشه اعتبارسنجیشده تحویل گردید.
این زیرساخت فناورانه افزون بر مکانیابی پخش سیلاب، در مدیریت آبخوانها، برنامهریزی منابع آب، پایش گرد و غبار و تصمیمسازی راهبردی منابع طبیعی استان سمنان کاربرد دارد و با ورود دادههای جدید بهسهولت بهروزرسانی میشود.
افق آینده
توسعه سامانه به کاربردهای دیگر
با تکمیل نقشههای رقومی خاک استان (افزایش نقاط نمونه از حدود ۷۰۰ به بیش از ۵٬۰۰۰ لازم)، گسترش پایگاه داده مکانی، بهرهگیری از تصاویر راداری برای پایش پهنههای سیل اراضی خشک و نیمهخشک و اتصال نتایج به سامانههای پایش آنلاین، این زیرساخت میتواند به پلتفرمی ملی برای مکانیابی طرحهای آبخیزداری و تغذیه مصنوعی تبدیل شود.