بخشی از مقاله
مقدمه
حفاظت از منابع طبیعی یک حوزه آبخیز - خاک، پوشش گیاهی، آب و غیره - به منظور جلوگیری از فرسایش و هدررفت خاک، انتقال رسوب، سیلابهای مخرب و خشکسالی و در عین حال پایداری رژیم آبی رودخانهها با بهرهبرداری بهینه از منابع طبیعی حوزه فراهم میآید که لازمه آن برنامهریزیهای صحیح و مدیریت بهینه حوزه آبخیز است - بسالت پور . - 1391 به منظور اعمال یک مدیریت بهینه در حوزه آبخیز توجه به کلیه عوامل و فاکتورهای مؤثر بر تصمیمگیریها و برنامهریزیها نظیر قابلیت اراضی حوزه، عوامل اقتصادی و اجتماعی، فیزیوگرافی و توپوگرافی، هواشناسی و اقلیم، زمینشناسی و هیدرولوژی و بسیاری دیگر از عوامل الزامی است.
این امر بر پیچیدگیها و عدم قطعیت تصمیمگیریها افزوده و بنابراین لزوم استفاده از فناوریهای نوین بهینه-سازی در تصمیمگیریها و برنامهریزیهای مدیریتی را بیش از پیش نمایان میسازد. دراین پژوهش قابلیت استفاده از روش خوشهبندی فازی- الگوریتم ژنتیک برای تعیین زیرحوزههای بحرانی از نظر خطر فرسایش خاک در حوزه آبخیز بازفت - یکی از 6 زیرحوزه اصلی حوزه آبخیز کارون شمالی - بررسی شد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه حوزه آبخیز بازفت - 49 34 تا 50 32 طول شرقی و 31 37 تا 32 39 عرض شمالی - یکی از 6 زیرحوزه اصلی حوزه آبخیز کارون شمالی بود. بخش اعظم این حوزه - حدود 50 درصد - کوهستانی است و شیب متوسط آن متغیر و بیشترین آن مربوط به کلاس شیب 40 تا 70 درصد است. به منظور برآورد خطر فرسایش در منطقه مورد مطالعه با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک - خوشهبندی فازی، میانگین وزنی 12 پارامتر زودیافت که در منابع مختلف به عنوان پارامترهای مؤثر بر هدررفت خاک و تولید رسوب معرفی شدهاند - شامل درصد شیب، جهت شیب - Aspect - ، فاکتور توپوگرافی - LS - ، اختلاف ارتفاع - Height difference - ، Hypsometric Integral، شاخص پوشش گیاهی - NDVI - ، شاخص قدرت جریان - Stream power - ، شاخص انتقال رسوب - Sediment transport index - ، شاخص رطوبتی - Wetness index - ، انحنای مسطح - Plan curvature - ، انحنای پروفیلی - Profile curvature - و مساحت زیرحوزه - برای هر یک از زیرحوزهها تعیین شد.
برای این منظور، ابتدا نقشه هر یک از پارامترها با استفاده از نقشه مدل رقومی ارتفاعی - DEM - حوزه آبخیز مورد مطالعه به عنوان نقشه پایه در محیط نرمافزار SAGA تهیه گردید. نقشه شاخص NDVI نیز با استفاده از تفسیر تصویر ماهوارهای IRS 2008 در محیط نرمافزار ArcGIS تهیه شد. پس از تهیه نقشه پارامترهای مورد نیاز، متوسط وزنی هر پارامتر برای هریک از زیرحوزهها با اعمال دستور Zonal در محیط نرم-افزار ArcGIS تعیین گردید. جداسازی زیرحوزهها بر اساس توپوگرافی سطحی منطقه و با استفاده از نقشههای مدل رقومی ارتفاعی و شبکه جریان حوزه آبخیز در محیط نرمافزار ArcGIS و با استفاده از مدل SWAT انجام شد.
پس از استانداردسازی دادهها از نرمافزار GA-Fuzzy Clustering برای مدلسازی خطر فرسایش با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک - خوشهبندی فازی در حوزه آبخیز بازفت استفاده شد. خوشهبندی فازی بر مبنای الگوریتم ژنتیک ضمن یافتن تعداد بهینه مرکز خوشهها با در نظر گرفتن برخی اشیاء داده به عنوان مراکز خوشه-ها، سبب کارایی بهتر الگوریتم خوشهبندی میشود. در این الگوریتم ابتدا ماتریس فاصلهها - که معمولاً فاصله اقلیدسی هر شیء داده نسبت به دیگر اشیاء داده را نگهداری میکند - محاسبه میشود.
سپس به ازای هر شیء داده j ، یک شعاع همسایگی r تعریف شده تا در صورتیکه آن شیء داده به عنوان مرکز خوشه قرار گیرد، میزان تعلق شیء داده - i j - i که در فاصله r از شیء مرکزی j قرار میگیرد، برابر 0/5 شود . - ij =0/5 - مقدار i به میزان پراکندگی مجموعه دادهها بستگی دارد. پس از خوشهبندی زیرحوزهها به منظور تعیین زیرحوزههای بحرانی با بیشترین خطر فرسایش، ابتدا یک خوشه فرضی که در آن 12 پارامتر مورد استفاده برای برآورد خطر فرسایش به صورتی در نظر گرفته شدند تا بیشترین فرسایش و رسوب حاصل شود، تعریف شد. سپس فاصله شباهت1 بین هر خوشه و خوشه فرضی با استفاده از معیار فاصله اقلیدسی تعیین گردید.
نتایج و بحث
با اجرای مدل SWAT به منظور بستن حوزه آبخیز و تشکیل زیرحوزهها، حوزه آبخیز بازفت به 55 زیرحوزه تقسیم شد. با انجام مدلسازی خطر فرسایش با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک - خوشهبندی فازی، مقدار عضویت هر یک از زیرحوزهها به خوشههای مختلف تعیین شد - شکل 1 به عنوان نمونه چگونگی عضویت زیرحوزه شماره 1 به خوشههای مختلف را نشان میدهد - . با تعیین مقدار بیشینه درجه عضویت هر زیرحوزه، شماره خوشهای که هر زیرحوزه به آن تعلق خواهد داشت، مشخص میگردد.
بر این اساس، زیرحوزههای شماره 1 تا 8 به ترتیب به خوشههای شماره 5، 9، 6، 6، 2، 9، 9 و 9 تعلق یافتند - جدول . - 1 مقدار بیشینه درجه عضویت زیرحوزههای شماره 9 تا 16 به ترتیب برابر 0/5407، 0/3753، 0/1447، 0/3439، 0/6000، 0/7281، 3834 و 0/8093 بود و بنابراین این زیرحوزهها به ترتیب به خوشههای شماره 2، 9، 7، 2، 2، 2، 9 و 2 تعلق پیدا کردند. زیرحوزههای شماره 17 تا 24 نیز با مقادیر بیشینه درجه عضویت برابر 0/1342 ، 0/7598، 0/1687، 0/1817، 0/6242، 0/2213، 0/5634 و 0/1478 به ترتیب به خوشههای شماره 10، 6، 7، 9، 4، 6، 4 و 1 تعلق یافتند.
زیرحوزههای شماره 25 تا 32 به ترتیب به خوشههای شماره 9، 3، 4، 4، 1، 3، 3 و 6 تعلق یافتند. زیرحوزه شماره 33 با مقدار بیشینه درجه عضویت 0/1430 به خوشه شماره 8 تعلق داشت و زیرحوزههای شماره 34 تا 40 نیز به ترتیب به خوشههای شماره 3، 9، 7، 7، 1، 10 و 6 متعلق بودند. مقدار بیشینه درجه عضویت زیرحوزههای شماره 41 تا 48 به ترتیب برابر 0/4579، 0/2699، 0/1473، 0/1540، 0/2471، 0/4332، 0/2464 و 0/1421 بود و بنابراین این زیرحوزهها به ترتیب به خوشههای شماره 9، 6، 10، 1، 9، 6، 10 و 3 تعلق یافتند. زیرحوزههای شماره 49 تا 55 به ترتیب به خوشههای شماره 9، 7، 10، 10، 3، 3 و 3 تعلق یافتند.
بر اساس نتایج معیار فاصله شباهت - شکل - 2، خوشه شماره 9 دارای بیشترین شباهت با خوشه فرضی بود که بیانگر آن است که زیرحوزههای متعلق به این خوشه - زیرحوزههای شماره 2، 6، 7، 8، 10، 15، 20، 25، 35، 41، 45 و - 49 دارای بیشترین خطر فرسایش - خطر فرسایش خاک خیلی زیاد - در میان سایر زیرحوزههای حوزه آبخیز بازفت هستند. مساحت کل این زیرحوزهها حدود 638/79 کیلومترمربع میباشد که در مجموع حدود 30 درصد از وسعت کل حوزه آبخیز بازفت را شامل میشوند - شکل . - 3
