Χαρτογράφηση και Ανάλυση Καταλληλότητας Περιοχής Φράγματος

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1. Περιοχή Μελέτης: Sharjah, Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα

Εικόνα 2. Διάγραμμα Μεθοδολογίας

Εικόνα 3. Βασικά Θεματικά Επίπεδα (a) Βροχόπτωση, (b) Λεκάνες απορροής, (c) Πυκνότητα αποστράγγισης, (d) Γεωμορφολογία, (e) Γεωλογία, (f) CN, (g) TDS, (h) Υψόμετρο, (i) Κλίσεις, (j) Απόσταση από μεγάλες ρηγματώσεις

Εικόνα 4. Χάρτης καταλληλότητας θέσης φράγματος

Πίνακας 1. Τελικοί δείκτες στάθμισης θεματικών επιπέδων

Αντικείμενο Εφαρμογής: Χαρτογράφηση και Ανάλυση Καταλληλότητας Περιοχής Φράγματος με Χρήση Ολοκληρωμένων Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων και Αλγορίθμου Ταξινόμησης

Πρωτότυπος Τίτλος: 'Dam Site Suitability Mapping and Analysis Using an Integrated GIS and Machine Learning Approach'

Συγγραφείς: Rami Al-Ruzouq(1),(2), Abdallah Shanableh(1),(2), Abdullah Gokhan Yilmaz(1),(2),(3), AlaEldin Idris(4), Sunanda Mukherjee(2), Mohamad Ali Khalil(2) and Mohamed Barakat A. Gibril(2)

(1) Civil and Environmental Engineering Department, University of Sharjah, Sharjah 27272, UAE
(2) Research Institute of Sciences and Engineering, University of Sharjah, Sharjah 27272, UAE
(3) Department of Engineering, School of Engineering and Mathematical Sciences, La Trobe University, Melbourne, Victoria 3086, Australia
(4) Sharjah Electricity and Water Authority, Sharjah 135, UAE

Πηγή: Water 2019, 11(9), 1880 (1)

Λέξεις Κλειδιά: Καταλληλότητα Περιοχής Φράγματος, Τηλεπισκόπηση, Αλγόριθμος Ταξινόμησης, GIS, Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα, Λειψυδρία, Αναλυτική Ιεραρχική Διαδικασία

Περίληψη: Η ικανοποίηση των αναγκών σε νερό είναι ένας κρίσιμος πυλώνας για τη διατήρηση του φυσιολογικού ανθρώπινου βιοτικού επιπέδου, την εξέλιξη της βιομηχανίας και τη γεωργική ανάπτυξη. Τα κύρια εμπόδια για τις αναπτυσσόμενες χώρες σε άνυδρες περιοχές συντελούνται από αυθαίρετη αστικοποίηση και περιορισμένους υδάτινους πόρους. Ο εντοπισμός κατάλληλων θέσεων και η κατασκευή φραγμάτων αποτελεί στρατηγική προτεραιότητα των χωρών για να διατηρούν και να αποθηκεύουν νερό. Πρόσφατες εξελίξεις στην τηλεπισκόπηση (Remote Sensing - RS), το γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών (GIS) και τις τεχνικές μηχανικής μάθησης (Machine Learning - ML) παρέχουν πολύτιμα εργαλεία για την παραγωγή ενός χάρτη καταλληλότητας θέσης φράγματος (Dam Site Suitability Map - DSSM). Σε αυτήν την έρευνα, αναπτύχθηκε μια υβριδική τεχνική λήψης αποφάσεων μέσω GIS, που υποστηρίζεται από αλγόριθμο ML, για τον προσδιορισμό της καταλληλότερης θέσης κατασκευής ενός νέου φράγματος για τη Σάρτζα (Sharjah), μία από τις μεγαλύτερες πόλεις των Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων. Έχουν αναπτυχθεί εννέα θεματικά επίπεδα για την προετοιμασία του DSSM, ήτοι οι βροχοπτώσεις, η πυκνότητα αποστράγγισης (DSD), η γεωμορφολογία, η γεωλογία, ο αριθμός καμπύλης απορροής (CN), το ολικό διαλυμένο στερεό (TDS), το υψόμετρο, οι κλίσεις και οι μεγάλες ρηγματώσεις. Οι δείκτες στάθμισης των θεματικών επιπέδων προσδιορίστηκαν μέσω της αναλυτικής ιεραρχικής διαδικασίας (AHP), η οποία υποστηρίζεται από διάφορες τεχνικές ML, όπου η καλύτερη τεχνική ML που δοκιμάστηκε ήταν η μέθοδος Random Forest με ακρίβεια 76%. Οι κατακρημνίσεις και η πυκνότητα αποστράγγισης ήταν οι πιο σημαντικοί παράγοντες που επηρέασαν το DSSM. Το DSSM που αναπτύχθηκε, επικυρώθηκε χρησιμοποιώντας υπάρχοντα φράγματα σε όλη τη περιοχή μελέτης, όπου το DSSM παρέχει ακρίβεια 83% για φράγματα που βρίσκονται στις υψηλές και μέτριες ζώνες. Αναγνωρίστηκαν τρεις σημαντικές τοποθεσίες ως κατάλληλες θέσεις για την κατασκευή νέων φραγμάτων στη Sharjah. Η προσέγγιση που υιοθετείται σε αυτήν τη μελέτη μπορεί να εφαρμοστεί για οποιαδήποτε άλλη τοποθεσία παγκοσμίως για τον εντοπισμό εν δυνάμει θέσεων φράγματος.

Αντικείμενο μελέτης:

• Διερεύνηση κατάλληλων ζωνών για την κατασκευή φράγματος στη Sharjah υπό του άξονα της διαχείρισης των αναπληρωμένων υδατικών πόρων
• Προσδιορισμός και χαρτογράφηση γεωλογικών, γεωμορφολογικών και κλιματολογικών παραγόντων και ανάδειξη της σταθμισμένης σχέσης τους στην απόφαση για την καταλληλότερη τοποθεσία για κατασκευή φράγματος
• Χρήση τεχνικών ML, AHP και μιας ανάλυσης σταθμισμένης αλληλεπίθεσης για την προετοιμασία ενός DSSM
• Εκτέλεση μιας ανάλυσης ευαισθησίας για τον προσδιορισμό παραγόντων που καθορίζουν τις κατάλληλες τοποθεσίες για κατασκευή φράγματος
• Επικύρωση του αποτελέσματος του DSSM μέσω ήδη υπαρχόντων φραγμάτων στη Sharjah

Περιοχή μελέτης: Η μελέτη εκπονείται για τη Sharjah (Εικόνα 1), το μεγαλύτερο εμιράτο στα ΗΑΕ. Η Sharjah καλύπτει έκταση 2590 km2, που είναι περίπου 3,3% της συνολικής έκτασης των ΗΑΕ. Η Sharjah εκτείνετε σε δύο ακτές: στον Αραβικό Κόλπο στα δυτικά και στον Κόλπο του Ομάν στα ανατολικά.

Μεθοδολογία:

• Συλλογή ανεπεξέργαστων δεδομένων που απαιτούνται για την ανάπτυξη των θεματικών επιπέδων της περιοχής μελέτης. Ήταν απαραίτητα η συλλογή δεδομένων από ένα κατάλληλο πρόγραμμα απεικόνισης και τα ιστορικά αρχεία κλιματολογικών δεδομένων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε συλλογή δεδομένων πεδίου για τη μέτρηση της ποιότητας των υπόγειων υδάτων.
• Επεξεργασία των πρωτογενών δεδομένων για τη δημιουργία θεματικών επιπέδων. Αναπτύχθηκαν εννέα θεματικά επίπεδα για την περιοχή μελέτης (Εικόνα 3): βροχόπτωση, DSD, γεωμορφολογία, γεωλογία, CN, ολικό διαλυμένο στερεό, υψόμετρο, κλίση και μεγάλες ρηγματώσεις. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές επεξεργασίας και στατιστικοί αλγόριθμοι σε χωρικό πλαίσιο για την ανάπτυξη αυτών των θεματικών επιπέδων.
• Επεξεργασία όλων των θεματικών επιπέδων για τη μοντελοποίηση και τη χαρτογράφηση της καταλληλότερης τοποθεσίας φράγματος στη Sharjah. Δεδομένου ότι οι μονάδες κάθε θεματικού παράγοντα είναι διαφορετικές, ο συνδυασμός και η σύζευξη των θεματικών παραγόντων δεν μπορεί να εφαρμοστεί. Επομένως, όλα τα θεματικά επίπεδα τυποποιήθηκαν ανακατατάσσοντας το καθένα σε πέντε κατηγορίες μέσω της μεθόδου φυσικών ορίων (Jenks). Κάθε κατηγορία βαθμονομήθηκε σε μια κλίμακα από ένα έως εννέα ανάλογα με τη σχέση του με μια κατάλληλη τοποθεσία για κατασκευή φράγματος. Ακολουθήθηκαν δύο βασικές προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό της στάθμισης, δηλαδή των τεχνικών AHP και ML. Η μοντελοποίηση AHP εξαρτάται κυρίως από τον προσδιορισμό του βάρους σύμφωνα με τη βιβλιογραφία και τη γνώμη των εμπειρογνωμόνων. Αντίθετα, η προσέγγιση ML εξαρτάται από πραγματικά δεδομένα εδάφους σχετικά με τα διαθέσιμα υπόγεια ύδατα στην περιοχή μελέτης. Ισορροπώντας τις δύο προσεγγίσεις προέκυψε ένας νέος δείκτης στάθμισης για τα θεματικά επίπεδα (Πίνακας 1). Η νέα στάθμιση χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του DSSM για το Sharjah ακολουθώντας την παρακάτω εξίσωση:

όπου k = στοιχείο του συνόλου θεματικών επιπέδων, f = σύνολο όλων των θεματικών επιπέδων, W = βάρος κάθε θεματικού επιπέδου και r = βαθμολογία των υποκατηγοριών κάθε θεματικού επιπέδου.

• Επικύρωση του DSSM συγκρίνοντας με υπάρχοντα φράγματα στην περιοχή μελέτης, όπου η στάθμιση μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να επιτευχθεί ακρίβεια. Οι ροές αποστράγγισης (διανυσματική μορφή) ,τελικά, επικαλύφθηκαν με το DSSM για την επιλογή των καταλληλότερων θέσεων για φράγματα στη Sharjah.

Αποτελέσματα:

• Η πολύ υψηλή ζώνη βρίσκεται στο βορειοανατολικό τμήμα της Sharjah. Οι ιδιότητες των παραμέτρων εισόδου περιλαμβάνουν κλίση περίπου 3%, υψόμετρο στα 130 m, γεωλογία άμμου, γεωμορφολογία υψηλών αμμόλοφων, πυκνότητα αποστράγγισης 0,21 ανά km2 και βροχόπτωση περίπου 85-90 mm για την κατηγοριοποιημένη περιοχή. Η γειτονική περιοχή αυτής της θέσης έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του φράγματος Falajalamala που βρίσκεται στο εμιράτο Umm Al-Quwain και έχει χωρητικότητα αποθήκευσης 0,068 εκατομμύρια m3.
• Το ανατολικό τμήμα της Sharjah χαρακτηρίζεται ως μια πολύ κατάλληλη τοποθεσία λόγω των ικανοποιητικών ιδιοτήτων αποστράγγισης και γεωλογίας. Αντίθετα, το δυτικό τμήμα της Sharjah χαρακτηρίζεται ως μια πολύ ή μέτρια κατάλληλη τοποθεσία για κατασκευή φράγματος από το μοντέλο AHP.
• Προτείνονται τρεις τοποθεσίες για την κατασκευή φράγματος: Τοποθεσίες Α, Β και Γ (Εικόνα 4). Οι τοποθεσίες Α και Β έχουν κατηγοριοποιηθεί ως πολύ κατάλληλες περιοχές σύμφωνα με το μοντέλο AHP. Η τοποθεσία C προκύπτει ως εξαιρετικά κατάλληλη περιοχή για κατασκευή φράγματος.
• Το φράγμα Shokah με χωρητικότητα αποθήκευσης 0,275 εκατομμύρια m3 έχει ήδη κατασκευαστεί στη ροή πρώτης τάξης της προτεινόμενης τοποθεσίας A. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους παράγοντες, η θέση προτάθηκε στη τομή της δεύτερης και τρίτης τάξης ροών. Η τοποθεσία Α δέχεται περίπου 84 mm βροχόπτωσης και έχει υψηλή γεωμορφολογία αμμόλοφων και ιλυώδης γεωλογία. Η πυκνότητα αποστράγγισης είναι κοντά στα 0,34 ανά km2 και το TDS κυμαίνεται μεταξύ 1400–1430 mg / L.
• Η τοποθεσία Β προτάθηκε στη τομή της δεύτερης και τρίτης τάξης ροών. Το φράγμα Koderah έχει ήδη κατασκευαστεί στο παρακείμενο ρεύμα, οπότε επιλέχθηκε ένα παράλληλο σημείο σύνδεσης για κατασκευή φράγματος. Η μέση βροχόπτωση για την προτεινόμενη τοποθεσία είναι περίπου 85 mm, η πυκνότητα αποστράγγισης είναι 0,44 ανά km2, το TDS είναι 1550 mg / L και το υψόμετρο είναι 122 m.
• Η τοποθεσία C προτάθηκε στη τομή των ροών τρίτης και τέταρτης τάξης που εμπίπτουν σε μια πολύ κατάλληλη περιοχή. Στη περιοχή παρατηρείται βροχόπτωση 82 mm, αποστράγγιση 0,4 ανά km2, γεωμορφολογία υψηλών αμμόλοφων και άμμο ως γεωλογική δομή.

Συμπεράσματα: Το αποτέλεσμα αυτής της έρευνας, που παρουσιάζεται στην Εικόνα 4, παρέχει έναν οδηγό για ερευνητές και ενδιαφερόμενους μηχανικούς για τον προσδιορισμό της καταλληλότερης τοποθεσίας για την κατασκευή νέων φραγμάτων στην περιοχή μελέτης. Η τεχνική που αναπτύχθηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό νέων τοποθεσιών για την κατασκευή φράγματος καθώς αυξάνει την αποδοτικότητα και εξοικονομεί χρόνο και πόρους. Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να επικεντρωθεί στη σύγκριση άλλων τεχνικών λήψης αποφάσεων έναντι των αλγορίθμων ML. Επιπλέον, θα μπορούσαν να εφαρμοστούν πρόσθετες μελέτες για το συσχετισμό της βέλτιστης χωρητικότητας του πρόσφατα προτεινόμενου φράγματος με GIS και RS.