مدل‌سازی تصادفی بار رسوب با استفاده از جنگل تصادفی و رگرسیون چندک

Abstract

سابقه و هدف: ارزیابی بار معلق رسوبی رودخانه‌ها بسیار مهم است. کیفیت آب رودخانه‌ها و محیط‌زیست تحت تأثیر بار رسوب می‌باشد. همچنین طراحی سازه‌های هیدرولیکی و سایر تأسیسات آبرسانی، مدیریت حوزه آبخیز و اجرای برنامه‌های حفاظت خاک و مشکلات عمده‌ی دیگر ناشی از آورد رسوب رودخانه‌ها به تخمین صحیح بار رسوب وابسته است. از آنجایی که برآورد مستقیم بار رسوبی بسیار دشوار و وقت‌گیر است، لذا این امر سبب شد محققان به برآورد غیرمستقیم بار رسوبی که به روش‌های گوناگون امکان‌پذیر است روی آورند. یکی از راه‌های آسان برآورد غیرمستقیم بار رسوبی، منحنی سنجه رسوب است. این روش تنها می‌تواند معرف یک مقدار رسوب در یک دبی معین باشد و به علت عوامل مختلفی در طبیعت ممکن است چندین مقدار بار رسوبی برای یک دبی مشخص وجود داشته باشد. بر این اساس در پژوهش حاضر از روش‌های رگرسیون چندک و جنگل تصادفی که بتوانند مقدار بار رسوب را برای یک مقدار دبی معین در احتمالات مختلف تخمین بزنند استفاده شد. با به کار گیری این دو روش می‌توان احتمال وقوع بار رسوب در رویدادهای استثایی و سیلاب‌های عظیم را تحلیل کرد.مواد و روش‌ها: در این پژوهش از مدل‌های منحنی سنجه رسوب، رگرسیون چندک و جنگل تصادفی به منظور برآورد بار رسوب چهار ایستگاه‌ جنگلده، نوده، ارازکوسه و قزاقلی واقع در رودخانه‌ی گرگانرود در استان گلستان استفاده گردید. به این منظور داده‌های دبی- رسوب متناظر چهار ایستگاه مورد مطالعه به دو بخش 75% برای آموزش‌ و 25% برای آزمون تفکیک شدند. در روش منحنی سنجه، مقدار رسوب با استفاده از معادله‌ی توانی برازش داده شده بین دبی و رسوب متناظر، حاصل گردید. الگوریتم‌های رگرسیون چندک و جنگل تصادفی با استفاده از نرم‌افزار آماری R اجرا گردیدند. مقدار بهینه پارامترهای متغیر این دو روش با استفاده از آزمون و خطا تعیین شد. با اجرای مدل، مقدار رسوب مربوط به یک دبی در سطوح احتمال مختلف (1% تا 99%) محاسبه شد.یافته‌ها: با به کارگیری این دو روش، بار رسوبی در چندک‌های 5/2، 50 و 5/97% تعیین و دامنه عدم قطعیت در هر ایستگاه مشخص شد. روش جنگل تصادفی در ایستگاه‌های جنگلده و نوده با مقدار RMSE به ترتیب برابر 96 و 210 تن بر روز و رگرسیون چندک در ایستگاه‌های ارازکوسه و قزاقلی با مقدار RMSE به ترتیب 6453 و 24886 تن بر روز به عنوان بهترین روش برآورد بار رسوبی انتخاب شدند. مقدار معیار ارزیابی RMSE رسوب برآورد شده توسط منحنی سنجه رسوب کلاسیک در ایستگاه‌های جنگلده، نوده، ارازکوسه و قزاقلی به ترتیب برابر 199، 288، 7505 و 25811 تن بر روز به دست آمد.نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد منحنی سنجه رسوب کلاسیک علاوه بر اینکه قادر به برآورد بار رسوبی در دامنه‌ی عدم قطعیت‌های مختلف برای یک مقدار دبی معین نیست، بار رسوبی را نیز با مقدار خطای بیشتری برآورد می‌کند. با استفاده از روش‌های رگرسیون چندک و جنگل تصادفی برای یک دبی معین مقدار رسوب در احتمالات مختلف قابل پیش‌بینی است و این امر کمک زیادی به برنامه‌ریزی صحیح و جامع برای ساخت سازه‌های آبی می‌کند و از این طریق، خطرات تخریب این تأسیسات را که ناشی از سیلاب‌های عظیم می‌باشد کاهش می‌دهد.

Keywords

• منحنی سنجه رسوب
• رگرسیون چندک
• جنگل تصادفی
• رودخانه‌ی گرگانرود