تحلیل مکانی حساسیت‌پذیری خشکسالی هواشناسی با رویکرد پایش جنگل‌ها و حوزه‌های آبخیز استان کردستان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آبخیزداری، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

2 دانشیار، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه‌، ارومیه، ایران

3 محقق پسا دکتری، دانشگاه جزیره پرنس ادوارد، کانادا

چکیده

مقدمه و هدف: خشکسالی هواشناسی به عنوان یکی از فاجعه بارترین انواع خشکسالی­ها با پیامدهای مخرب و گسترده مستقیم یا غیرمستقیم بر جامعه است که می­تواند در صورت رخداد حتی دیگر پدیده­های طبیعی را نیز تحت تاثیر قرار قرار دهد. کشور ایران از نظر موقعیت جغرافیایی در نوار خشک و نیمه خشک قرار گرفته و مستعد خشکسالی است که در طی سه دهه اخیر خشکسالی­های مکرر و شدیدی را در حوزه‌های آبخیز و جنگلی تجربه کرده است. پیش­بینی مکانی (­عدم شناسایی نقاط شروع آن) و زمانی دقیق خسارات احتمالی خشکسالی در سطح جهانی و کشور بسیار دشوار است. اما در یک بررسی کلی تحقیقات نشلن داده است که خسارات ناشی از خشکسالی هواشناسی در مناطق جنگلی نسبت به حوزه‌های آبخیز خود را بیشتر نمایان کرده است. شناسایی عوامل موثر، اندازه­گیری، پیش­بینی و تعریف یک مخاطره طبیعی مانند خشکسالی به دلیل پیچیدگی که دارد، اغلب بسیار دشوار و عملی نیست. از این‌رو اجرای اقدامات سازگار و متناسب با منطقه مستلزم شناسایی اجزای اصلی، تشخیص روابط پیچیده و درک کامل عوامل موثر و ارزیابی خطرات خشکسالی از طریق تهیه نقشه­های خطرپذیری و حساسیت خشکسالی است.
مواد و روش: موقعیت جغرافیایی استان کردستان بین مختصات ۳۴ درجه و ۴۴ دقیقه تا ۳۶ درجه و ۳۰ دقیقه عرض شمالی و ۴۵ درجه و ۳۱ دقیقه تا ۴۸ درجه و ۱۶ دقیقه طول شرقی از نصف‌النهار گرینویچ قرار دارد. نقشه پراکنش نقاط خشکسالی با  شاخص (DSI) در محیط گوگل ارث انجین تهیه شد. عوامل طبیعی، انسانی و شاخص­های موفومتری دخیل در وقوع خشکسالی در نظر گرفته می­شوند. نقشه مدل رقومی ارتفاعی از سایت زمین­شناسی آمریکا دانلود و به‌منظور تهیه لایه­های اطلاعاتی ارتفاع، شیب و شاخص­های مورفومتری استفاده شد. لایه بارندگی، دما، تبخیر و تعرق و اقلیم از داده­های ایستگاه­های بارانسنجی،­سنوپتیک و کلیماتولوژی برای کل استان تهیه و با روش کریجینگ آماده شد. لایه شاخص تفاوت نرمال شده پوشش گیاهی از تصاویر Sentinel_2 و نقشه خاک استان کردستان از نقشه خاک سازمان فائو استخراج شد. نقشه­های لایه­های اطلاعاتی در نرم‌افزار ArcGIS و SAGA_GIS تهیه خواهد شد. نقشه مناطق دارای حساسیت به خشکسالی با استفاده از مدل یادگیری ماشین ترکیبی Bagging – Random Forest، تاثیر هر عامل در رخداد خشکسالی با شاخص جایگشت و ارزیابی مدل با منحنی ROC در محیط برنامه نویسی R انجام شد.
یافته‌ها: نتایج حاصل از ارزیابی مدل­ با استفاده از منحنی ROC  بعد از تهیه نقشه حساسیت­پذیری منطقه به وقوع خشکسالی با روش Bagging – Random Forest  نشان می­دهد که مدل با  مقدار سطح زیرمنحنی (9/0AUC> ) در تعیین مناطق حساس دارای عملکرد سطح عالی است. نتایج حاصل از بررسی درصد مساحت مناطق حساس و دارای آسیب‌پذیری در محدوده مطالعاتی نشان می‌دهد که حدود 60 درصد حوزه‌های آبخیز و جنگلی استان در محدوده مناطق دارای آسیب پذیری متوسط تا خیلی زیاد قرار دارد. نتایج حاصل از بررسی جایگشت (Permutation‌) برای مدل فوق در تعیین عوامل موثر بر رخداد خشکسالی در استان کردستان نشان می­دهد که عوامل جوی مانند بارندگی، دما، اقلیم و تبخیر و تعرق به ترتیب بیشترین تاثیر و کمترین تاثیر مربوط شاخص نرمال شده تفاوت پوشش زمین و شاخص تعادل جرم است.‌
نتیجه‌گیری: نتایج مدل ترکیبی Bagging Random Forest  برای استان کردستان نشان داد که مناطق دارای حساسیت بالا به خشکسالی بیشتر شرق و تا حدودی قسمت‌های جنوبی این استان را در بر می‌گیرد. از آنجایی که اغلب حوضه‌های جنگلی و دارای مراتع مرغوب در غرب این استان قرار دارند؛ بنابراین حساسیت این مناطق به خشکسالی نسبت به دیگر مناطق در درجات پایین‌تری قرار می‌گیرد. نتایج ارزیابی نقشه‌ پیش‌بینی مدل در مناطق غربی این استان که دارای جنگل‌ها و مراتغ مرغوب هست، نشان داد که حوزه‌های دارای مناطق جنگلی نسب حوزه‌های آبخیز در شرایط بحرانی‌تری قرار دارد و اولویت برنامه‌ریزی‌های آینده باید در این مناطق باشد

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Resilience Assessment and Spatial Analysis of Drought Susceptibility in Watersheds and Forest Basins in Kurdistan Province to Drought

نویسندگان [English]

  • Abdulaziz Hanifinia 1
  • Hirad Abghari 2
  • khabat khosravi 3
1 Ph.D. Student of Watershed Management, Urmia University, Urmia, I. R. Iran
2 Associate Professor, Department of Rangeland and Watershed Management, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, Iran
3 Postdoctoral researcher, University of Prince Edward Island, Canada
چکیده [English]

Background and objectives: Meteorological drought is one of the most disastrous types of drought, with extensive direct and indirect consequences for society. Its occurrence can also impact other natural phenomena. Iran, due to its geographical location within the arid and semi-arid belt, is highly prone to drought. Over the past three decades, the country has experienced frequent and severe droughts in its watersheds and forested areas. Predicting the exact temporal and spatial occurrence of drought-induced damages at both global and national scales remains highly challenging. However, research indicates that the impacts of meteorological drought are more pronounced in forested areas compared to watersheds. Identifying influential factors, measuring, forecasting, and defining a natural hazard such as drought is often complex and impractical due to its multifaceted nature. Therefore, implementing adaptive measures tailored to specific regions requires identifying key components, understanding complex interrelationships, and comprehensively assessing drought risks. This can be achieved by developing drought hazard and susceptibility maps.
Materials and Methods: Kurdistan province is geographically located between 34°44' to 36°30' N latitude and 45°31' to 48°16' E longitude from the Greenwich meridian. The drought occurrence distribution map was prepared using the Drought Severity Index (DSI) in the Google Earth Engine environment. Natural, anthropogenic, and morphometric factors contributing to drought occurrence were considered. A digital elevation model (DEM) was downloaded from the US Geological Survey (USGS) website to generate elevation, slope, and morphometric index layers. Precipitation, temperature, evapotranspiration, and climate data were collected from rain gauge, synoptic, and climatology stations across the province and interpolated using the Kriging method. The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) layer was extracted from Sentinel-2 images, while the soil map of Kurdistan province was obtained from the FAO soil database. The thematic layers were processed using ArcGIS and SAGA-GIS software. The drought susceptibility map was generated using the Bagging–Random Forest machine learning model, and the impact of each factor on drought occurrence was analyzed using the permutation index. The model’s performance was evaluated using the Receiver Operating Characteristic (ROC) curve in the R programming environment.
Findings: The model evaluation results, based on the ROC curve after generating the drought susceptibility map using the Bagging–Random Forest method, indicate that the model performs at an excellent level with an Area Under the Curve (AUC) value greater than 0.9. The analysis of the percentage of areas susceptible to drought within the study region reveals that approximately 60% of the watersheds and forested areas of Kurdistan province fall within moderate to very high vulnerability zones. The permutation analysis for the model indicates that climatic factors such as precipitation, temperature, climate, and evapotranspiration have the highest impact on drought occurrence, whereas the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and mass balance index have the least influence.
Conclusion: The results of the Bagging–Random Forest model for Kurdistan province indicate that areas with high drought susceptibility are primarily located in the eastern and, to some extent, southern parts of the province. Since most of the high-quality forest and rangeland areas are concentrated in the western part of the province, these regions exhibit lower drought sensitivity compared to other areas. The evaluation of the model’s predicted map for the western part of the province, which contains valuable forest and rangeland ecosystems, indicates that forested areas are in a more critical condition compared to watersheds. Therefore, future planning and management strategies should prioritize these regions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Climatic factors
  • Ensemble learning models
  • Natural hazards
  • Permutation index
Ahmadalipour, A.; Moradkhani, H.; Multi-dimensional assessment of drought vulnerability in Africa: 1960–2100. Science of the Total Environment 2018644, 520-535.‏
Ahmadi, A.; Noorali, H.; Campana, M.; Barroudi, M.; Analyzing the hydropolitical tensions of the Hirmand/Helmand River through the evaluation of land use changes using the SVM method. Human Geography Research 202355(4), 225-243).In Persian(  
Ahmed, K.; Shahid, S.; Chung, E. S.; Wang, X. J.; Harun, S. B.; Climate change uncertainties in seasonal drought severity-area-frequency curves: Case of arid region of Pakistan. Journal of Hydrology 2019, 570, 473-485.‏
Al-Qubati, A.; Zhang, L.; Pyarali, K.; Climatic drought impacts on key ecosystem services of a low mountain region in Germany. Environmental Monitoring and Assessment 2023195(7), 800.‏
Anderegg, W.R.L.;. Anderegg, L.D.L.; and Huang, C.;. “Testing Early Warning Metrics for Drought-Induced Tree Physiological Stress and Mortality.” Global Change Biology 2019, 25: 2459–69.
Ansari, A.; Rao, K. S.; Jain, A. K.; Ansari, A.; Formulation of multi-hazard damage prediction (MhDP) model for tunnelling projects in earthquake and landslide-prone regions: A novel approach with artificial neural networking (ANN). Journal of Earth System Science 2023132(4), 164.‏
Azevedo, B. F.; Rocha, A. M. A.; Pereira, A. I., Hybrid approaches to optimization and machine learning methods: a systematic literature review. Machine Learning 2022, 1-43.‏
Azizi, M.; Rostami, F.; & Heidari, R. H;. Evaluation of livelihood resilience of agroforestry system users in Paveh city in the face ‎of drought. Forest Research and Development 20239(1), 29-45. )In Persian(
Bandak, I.; Karami, P.; Karaji, M. G.; Dragovich, D., Exclosure and Changes in Soil and Vegetation Properties in Different Land Utilization (1976–2021) in Kurdistan Grasslands, Iran. Journal of Soil Science and Plant Nutrition 2024, 1-13.‏
Bordbar, M.; Aghamohammadi, H.; Pourghasemi, H. R.; Azizi, Z., Multi-hazard spatial modeling via ensembles of machine learning and meta-heuristic techniques. Scientific Reports 202212(1), 1451.‏
Breiman, L., Bagging predictors. Mach Learn 1996, 24:123–140
Gerdener, H.; Engels, O.; Kusche, J., A framework for deriving drought indicators from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Hydrol Earth Syst Sci 2020, 24(1):227–248.
Gupta, N.; Kanungo, D. P.; Das, J., Multi-hazard susceptibility mapping of landslides and earthquakes in Bhagirathi Valley region of Uttarakhand Himalaya, India. Journal of Spatial Science 2024, 1-26.‏
Hanifinia, A.; and Nazarnejad, H.; The Effect of Morphometry Indices on Improving the Performance of Data Mining Models for Landslide Sensitivity Zoning in Cherikabad Watershed, Urmia. Journal of Geography and Environmental Hazards 202210(4), 47-68. )In Persian(
Hanifinia, A.; Abghari, H., Predicting flood-prone areas using generalized linear and maximum entropy machine learning models. Journal of Natural Environmental Hazards 202514(43), 19-34. )In Persian(
Haidari, M.; Matinizadeh, M.; Pourhashemi, M.; Nouri, E.; Bagheri Delijani, N., Investigating changes in the physical and chemical characteristics of soil in control and dieback stands in Marivan county, Kurdistan province in Iran. Forest Research and Development 202410(1), 95-111.
IPCC., Climate Change. Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, Pachauri, R.K and Reisinger, A. (eds.)]. IPCC, Geneva 2007, Switzerland: 104.
Jaferyan, E.; pilehvar, B.; & Tavakoli, M.; (). Physiological responses of mature Persian oak (Quercus brantii L.) under natural conditions to drought stress. Forest Research and Development 202410(2), 167-181. )In Persian(
Janizadeh, S.; Bateni, S. M.; Jun, C.; Im, J.; Pai, H. T.; Band, S. S.; Mosavi, A., Combination four different ensemble algorithms with the generalized linear model (GLM) for predicting forest fire susceptibility. Geomatics, Natural Hazards and Risk 202314(1), 2206512.‏
Khorrami, B.; Gündüz, O., Detection and analysis of drought over Turkey with remote sensing and model-based drought indices. Geocarto International 2022, 37(26), 12171-12193.‏
Mani, Z. A.; Khorram-Manesh, A.; Goniewicz, K., Global health emergencies of extreme drought events: Historical impacts and future preparedness. Atmosphere 202415(9), 1137.‏
Mao, Y.; Nijssen, B.; Lettenmaier, D. P., Is climate change implicated in the 2013–2014 California drought? A hydrologic perspective. Geophysical Research Letters 2015, 42(8), 2805-2813.
Massoudi, M.; Goodarzi, M.; Moini, A.; Motamedvaziri, B.,  Evaluation and Comparison of Different Meteorological Drought Indices and Determination of Relevant Index in Fars Province. Journal of Crops Improvement 202426(3), 605-620. )In Persian(
Mogholi, M., Evaluation and Modeling of Land Use Changes of Firozabad Using Multitemporal Satellate Imagery. Human Geography Research 202456(2), 191-212 .)In Persian(
Nazeri Tahroudi, M.; Ramezani, Y.; Ahmadi, F., Hydrogeological Drought Management Based on HDMI Multivariate Index. Environment and Water Engineering 20206(4), 473-484. )In Persian(   
              Park, H.; Kim, K.; Lee, D. K., Prediction of severe drought area based on random forest: Using satellite image and topography data. Water 201911(4), 705.
Rokach, L., "Ensemble-based classifiers". Artificial Intelligence Review 201033 (1–2), 1–39.
Rotello, C. M.; & Chen, T.; ROC curve analyses of eyewitness identification decisions: An analysis of the   recent debate. Cognitive Research: Principles and Implications 2016, 1, 1-12.
Saha, S.; Saha, A.; Hembram, T. K.; Kundu, B.; Sarkar, R., Novel ensemble of deep learning neural network and support vector machine for landslide susceptibility mapping in Tehri region, Garhwal Himalaya. Geocarto International 202237(27), 17018-17043. ‏
Sheikh Oveisi, M.; Taheri, A.; Mirlotfi, P. R., Political and security approaches to drought in Sistan and tension with Afghanistan. Geography (Regional Planning)  2024, 143-158. )In Persian(   
Singh, P.; Kannaujiya, A. K.; Deep, A.; Singh, S.; Mohanty, T.; Prakash, K., Spatio‐temporal drought susceptibility assessment of Ken River Basin, Central India, and its evaluation through river's morphometry. Geological Journal 202358(2), 755-779.‏
Stephens, S.L.; Collins, B.M.; Biber, E.; and. Fulé, P.Z.; “U.S. Federal Fire and Forest Policy: Emphasizing Resilience in Dry Forests.” Ecosphere 2018, 7: 1–19.
Talukdar, S.; Mankotia, S.; Shamimuzzaman, M.; Shahfahad, Mahato, S., Wetland‐inundated area modeling and monitoring using supervised and machine learning classifiers. Advances in remote sensing for natural resource monitoring 2021, 346-365.‏  
Torabinezhad, N.; Zarrin, A.; Dadashi-Roudbari, A., Analysis of Different Types of Droughts and Their Characteristics in Iran Using the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). Water and Soil 202337(3), 473-486. )In Persian( 
Wang, H.; Li, Y.; Huang, G.; Zhang, Q.; Ma, Y.; Li, Y., Development of a random-forest-copula-factorial analysis (RFCFA) method for predicting propagation between meteorological and hydrological drought. National Science Open 20243(1), 20230022.‏  
Wang, Q.; Zhao, L.; Wang, M.; Wu, J.; Zhou, W.; Zhang, Q.; Deng, M., A random forest model for drought: Monitoring and validation for grassland drought based on multi-source remote sensing data. Remote Sensing 202214(19), 4981.
Yi, S.; Pei, W., Study on agricultural drought disaster risk assessment in Heilongjiang reclamation area based on SSAPSO optimization projection pursuit model. Environmental Monitoring and Assessment 2024196(5), 1-19.‏
Yusof, M. K. T. M.; Rashid, A. S. A.; Apandi, N. M.; Khanan, M. F. B. A.; Rahman, M. Z. B. A., A review of the application of support vector machines in landslide susceptibility mapping. Disaster Advances 202316(11), 71-83