علوم و مهندسی آبیاری

علوم و مهندسی آبیاری

تغییرات رابطه بارش–رواناب تحت تأثیر اقلیم و توسعه شهری در حوضه کن تهران: رویکرد هوش مصنوعی تبیین‌پذیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
استادیار گروه مهندسی عمران دانشکده مهندسی دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
چکیده
تغییرات اقلیمی و توسعه شهری از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر دگرگونی رفتار هیدرولوژیکی حوضه‌های شهری به‌شمار می‌روند؛ با این حال، تفکیک سهم نسبی این دو عامل در تغییر رابطه بارش–رواناب همچنان یکی از چالش‌های اصلی مطالعات هیدرولوژی شهری است. هدف این پژوهش، تحلیل تغییرات رابطه بارش–رواناب در حوضه رودخانه کن تهران و بررسی نقش نسبی تغییرپذیری اقلیم و توسعه شهری با بهره‌گیری از رویکرد هوش مصنوعی تبیین‌پذیر است.

به این منظور، داده‌های هیدرولوژیکی و اقلیمی به‌همراه شاخص‌های استخراج‌شده از سنجش‌ازدور و نمایه‌های مرتبط با توسعه شهری گردآوری شد. پس از بررسی روندهای زمانی و ناایستایی سامانه، مدل‌های یادگیری ماشین برای شبیه‌سازی پاسخ رواناب در شرایط متغیر محیطی توسعه یافتند. سپس از روش SHAP برای ارزیابی اهمیت نسبی متغیرها و تبیین الگوی اثرگذاری آن‌ها بر خروجی مدل استفاده شد.

نتایج این پژوهش با فراتر رفتن از تحلیل‌های رایج روند، نشان داد که رابطه بارش–رواناب در حوضه کن تحت تأثیر یک گسست ساختاری غیرخطی قرار گرفته است. نوآوری اصلی این مطالعه در تبیین وزن‌دهی‌شده متغیرها توسط تحلیل SHAP نهفته است که آشکار ساخت چگونه توسعه کالبدی با تغییر آستانه‌های نفوذپذیری، حساسیت حوضه به بارش‌های حدی را نسبت به دهه‌های گذشته به‌طور معناداری افزایش داده است؛ یافته‌ای که ضرورت بازنگری در طراحی سازه‌های هیدرولیکی بر اساس شرایط ناایستا را دوچندان می‌کند. با این حال، نتایج پژوهش باید به‌عنوان شواهد مبتنی بر مدل و نه اثبات قطعی روابط علّی تفسیر شوند.

یافته‌های این مطالعه می‌تواند در مدیریت منابع آب شهری، ارزیابی اثر توسعه کالبدی بر پاسخ هیدرولوژیکی حوضه و طراحی راهبردهای سازگاری با تغییرات محیطی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Climate and Urban Development Effects on the Rainfall–Runoff Relationship in the Kan River Basin, Tehran: An Explainable AI Approach

نویسنده English

Morteza Shokri
Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
چکیده English

Climate change and urban development are among the most significant drivers of hydrological shifts in urban watersheds; however, disentangling their relative contributions to the changing rainfall–runoff relationship remains a major challenge in urban hydrology. This study aims to analyze the evolution of the rainfall–runoff relationship in the Kan River Basin, Tehran, and evaluate the relative roles of climate variability and urban expansion using an Explainable Artificial Intelligence (XAI) framework. To this end, hydrological and climatic datasets were integrated with remote sensing-derived indices and urban development indicators. Following an assessment of temporal trends and system non-stationarity, machine learning models were developed to simulate runoff responses under varying environmental conditions. Subsequently, the SHAP (SHapley Additive exPlanations) method was employed to quantify feature importance and interpret the influence patterns of variables on model outputs.

Moving beyond conventional trend analyses, the results indicate that the rainfall–runoff relationship in the Kan Basin has undergone a non-linear structural decoupling. The primary innovation of this study lies in the weighted attribution of variables through SHAP analysis, revealing how physical development—by altering infiltration thresholds—has significantly increased the basin’s sensitivity to extreme precipitation compared to previous decades. These findings underscore the critical need to revise the design of hydraulic structures based on non-stationary conditions. Nevertheless, the results should be interpreted as model-based evidence rather than definitive proof of causal relationships. The findings of this study offer valuable insights for urban water resources management, assessing the impact of physical expansion on hydrological responses, and designing environmental adaptation strategies.

کلیدواژه‌ها English

Hydrological non-stationarity
Attribution assessment
Interpretable machine learning
SHAP values
Hydrological thresholds

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 28 شهریور 1405

  • تاریخ دریافت 14 تیر 1405
  • تاریخ بازنگری 25 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 28 شهریور 1405
  • تاریخ انتشار 28 شهریور 1405