مدل‌سازي برخي از عوامل موثر بر فرسايش شياري با استفاده از منطق فازي

Modeling some factors of affecting rill erosions using fuzzy inference system

سابقه و هدف: فرسايش شياري علاوه بر تخريب خاك و كاهش پتانسيل اكوسيستم‌هاي مرتعي، باعث بروز شرايط نامطلوب براي استقرار گياهان مي‌شود. بنابراين شناخت، مدل‌سازي و پيش‌بيني اين نوع فرسايش در مديريت اكوسيستم‌هاي مرتعي و منابع طبيعي ضروري به‌نظر مي‌رسد. يكي از چالش‌هاي بزرگ در فرآيند برنامه‌ريزي و مديريت اكوسيستم‌هاي طبيعي از جمله مراتع، عدم درك پيچيدگي‌ها و پويايي اين اكوسيستم‌ها در مدل‌هاي مرسوم مي‌باشد، اما براساس ايده اساسي تيوري فازي مي‌توان اين محدوديت را وارد مدل نمود. اين پژوهش با هدف طراحي و بررسي عملكرد مدل پيش‌بيني فرسايش شياري به كمك سيستم استنتاج فازي در بخشي از مراتع منطقه احمدآباد مشهد انجام گرفته‌ است. مواد و روش‌ها: با استقرار ترانسكت‌هاي 50 متري در دامنه‌هاي تپه‌ماهوري منطقه احمدآباد مشهد با فرسايش شياري كاملًا مشهود، در هر يك از طول‌هاي مختلف دامنه، پارامترهاي موثر در شكل‌گيري شيارها شامل: تاج‌پوشش گياهي، پوشش سطح زمين، سنگريزه سطح زمين، شن، سيلت و رس موجود در خاك، شيب و اثر مشترك طول شيب و مقدار شيب تعيين شدند. فراواني شيارها، عرض و عمق آن‌ها اندازه‌گيري و اندازه سطح مقطع شيارها با توجه به شكل آن‌ها، محاسبه شد. سپس با استفاده از آزمون گاما، تركيب بهينه متغيرهاي "درصد سنگريزه سطح زمين"، "اثر مشترك طول شيب و درصد شيب" و "درصد سيلت موجود در خاك" به‌عنوان عوامل ورودي و "سطح مقطع شيار در واحد طول" به‌عنوان متغير خروجي (تابع)، به‌منظور مدل‌سازي فازي انتخاب شد. 9 تركيب متنوع از توابع عضويت به‌منظور فازي‌سازي متغيرهاي ورودي و خروجي با 5 روش غيرفازي‌ساز با استفاده از روابط تركيب ماكزيمم- مينيمم فازي مورد سعي و خطا قرار گرفتند، تا مدلي انتخاب شود كه علاوه بر كوچك بودن مقدار IPE، از تعميم‌پذيري مناسبي نيز برخوردار باشد. يافته‌ها: نتايج نشان دادند كه روش دفازي كوچك‌ترين ماكزيمم (SOM) با كم‌ترين ميزان IPE روش مناسبي براي غيرفازي‌سازي نتايج پيش‌بيني فرسايش در مدل‌هاي فازي ساخته‌شده مي‌باشد، پس از آن روش ميانگين ماكزيمم (MOM) با كم‌ترين ميزان IPE در اولويت دوم استفاده قرار گرفت. در تمامي روش‌هاي دفازي‌سازي، به‌جز روش بزرگ‌ترين ماكزيمم، مدل‌هاي فازي با تركيب توابع عضويت "گوسي و ذوزنقه"، "گوسي 2 و ذوزنقه" و تابع عضويت "گوسي 2" جز مدل‌هاي منتخب از نظر كم‌ترين ميزان IPE شناخته شده‌اند. آن‌چه كه در ميان مدل‌هاي بهينه قابل‌توجه مي‌باشد، حضور تابع گوسي به تنهايي يا در تركيب با ساير توابع است. همچنين نتايج نشان دادند كه در مدل‌سازي فرسايش شياري، استفاده از توابع نرم‌تر نظير توابع گوسي نتايج بهتري نسبت به توابع تيز و ساده نظير ذوزنقه و مثلث به دنبال دارد. همچنين براساس نتايج به‌‌دست‌ ‌آمده، اگر تنها سادگي مدل مد نظر باشد تركيب دو تابع ذوزنقه و مثلث از نتايج بهتري نسبت به استفاده از هر يك به تنهايي، برخوردار است. نتيجه‌گيري: تابع عضويت گوسي با روش دفازي كوچك‌ترين ماكزيمم به‌عنوان مدل بهينه در پيش‌بيني فرسايش شياري در منطقه احمدآباد مشهد انتخاب شد.

Background and Objectives: Rill erosion causes soil degradation, loss of rangeland potential and unfavorable conditions for plant establishment. So understanding, modeling and predicting this type of erosion on rangeland and natural resource management is important. One of the major challenges in planning and management of natural ecosystems such as rangelands is lack of understanding the complexities and dynamics of these ecosystems in conventional models. That based on basic idea of fuzzy theory, this limit can be entered in the model. The main aim of this study is to design and evaluate the performance of rill erosion prediction model using fuzzy inference systems on a part of Ahmadabad- Mashhad rangelands. Materials and Methods: In this study by establishing 50-m transects in each different slope length, the number of rills and effective parameters in shaping rills, including canopy cover, ground cover, gravel, sand, silt, clay, slope and mutual effects between length and degree of slope have been measured. By measuring, width and depth of any rill and their geometric section, cross-section of rills have been calculated. Then by using Gamma test, the optimal combination of variables "percentage of gravel surface", "mutual effects between length and degree of slope" and "amount of silt available in soil" as inputs factors and "cross-section of rills per unit length" as variable Output (Function) were chosen for the fuzzy modeling. Some (9) different combinations of membership functions to fuzzification of input and output variables with 5 defuzzification approach combined maximum - minimum of fuzzy were trial and error. Model is chosen so that the addition of small amounts of IPE, the generalizability also is appropriate. Results: Results showed that the defuzzification of smallest maximum (SOM) has the lowest IPE compared with the other methods and then the mean of maximum method (MOM) with the lowest IPE was used in second priority. In all methods of defuzzification (except the mean of maximum method), models such as “Gaussian – trapezoidal” “Gaussian 2 – trapezoidal” and “Gaussian 2” selected models are known. According to the results obtained, in the erosion modeling using the softer functions such as Gaussian, will lead to better results than the sharp and simple functions such as trapezoidal and triangular. The combination of two trapezoids and triangles will have better results than using each alone, if only the simplicity of the model has to be considered. Conclusion: Gaussian membership function with the defuzzification of smallest maximum is the optimal model for predicting rill erosion in Ahmad-Abad area of Mashhad.