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Title: Predictive Modeling of Soil Erosion Using GIS and Artificial Intelligence. Tafna watershed case.
Authors: Zineddine, FERKHI
Keywords: Soil erosion, Sediment transport, Artificial Neural Networks (ANN), Tafna watershed, GIS, RUSLE.
Érosion des sols, Transport de sédiments, Réseaux de neurones artificiels (RNA), Bassin versant de la Tafna, SIG, RUSLE
Issue Date: Jun-2025
Publisher: univercity centre of abdelhafid boussouf mila
Citation: Urban Hydraulics
Abstract: Water erosion still presents a significant challenge that leads to the negative change of productivity of arable land located sources of watersheds through loss of soil, fertilizers, nutrients, and organic matter, which imultaneously reduces the longevity of hydraulicstructures downstream, such as dams, due to quickly ccumulating sediments in their reservoirs. Water erosion is triggered by factors that include a combination of physicoclimatic and anthropogenic agents, such as rainfall intensities, terrain morphology, land use, vegetative cover, and soil characteristics, and in the Tafna watershed in northwestern Algeria, all of these factors are particularly effective in the triggering and encouragement of water erosion. The aim of this research is to estimate soil loss by water erosion and to assess areas susceptible to this change in the Tafna watershed. The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) was used to estimate soil loss and areas affected, within a Geographic Information System (GIS). The application of the RUSLE model considers five main factors, which are Rainfall Erosivity; Topographical factor (Slope, length, slope steepness); Soil Erodibility; Cover agement/Land cover/ Vegetation; and Anti-Erosion Practices. Their assessment and spatial integration in GIS allowed the simulation of potential annual soil loss and identification of areas with priority issues for anagement. The results indicate that soil loss in the Tafna watershed is as low as 2.92 t/ha/year and as high as 5.87 t/ha/year based upon slope, land use, and rainfall erosivity, indicating a variability of erosion potential. While, also the vast majority of the watershed continues to be below an acceptable erosion threshold (less than 7.0 t/ha), local areas experience considerably higher soil loss; many areas experience soil loss rates over 45 t/ha/year in local hotspots in steep poorly vegetated sub-basins in the watershed catchment. These unresolved critical zones contribute an inordinate share of the sediment yield in the watershed and thus, are indeed priority areas for soil conservation and management. Also, modeling of sediment transport was undertaken using artificial neural networks (ANN) - specifically the Multi Layer Perceptron (MLP) versions in MATLAB - based upon measured suspended sediment concentrations and flow rates. The performance of the models to predict sediment yield were deemed satisfactory, as validated through determination of correlation constant and Nash–Sutcliffe Efficiency (NSE),The correlation coefficient(R) highlighting their utility in forecasting sediment yield
Description: L’érosion hydrique reste un défi important qui entraîne une diminution de la productivité des terres arables situées en amont des bassins versants par la perte de sol, d’engrais, de nutriments et de matière organique, réduisant simultanément la longévité des ouvrages hydrauliques en aval, tels que les barrages, en raison de l’accumulation rapide de sédiments dans leurs réservoirs. L’érosion hydrique est déclenchée par une combinaison de facteurs physico-climatiques et anthropiques, tels que l’intensité des précipitations, la morphologie du terrain, l’utilisation des terres, la couverture végétale et les caractéristiques du sol. Dans le bassin versant de la Tafna, au nord-ouest de l’Algérie, tous ces facteurs contribuent particulièrement au déclenchement et à l’intensification de l’érosion hydrique. L’objectif de cette recherche est d’estimer la perte de sol due à l’érosion hydrique et d’évaluer les zones sensibles à ce phénomène dans le bassin versant de la Tafna. L’équation universelle révisée de perte de sol (RUSLE) a été utilisée pour estimer la perte de sol et les zones affectées, dans un système d’information géographique (SIG). L’application du modèle RUSLE prend en compte cinq facteurs principaux : l’érosivité des précipitations ; le facteur topographique (longueur et pente de la pente) ; l’érodibilité du sol ; la couverture végétale/l’utilisation des terres/la végétation ; et les pratiques anti-érosives. Leur évaluation et leur intégration spatiale dans le SIG ont permis la simulation de la perte de sol annuelle potentielle et l’identification des zones prioritaires à gérer. Les résultats indiquent que la perte de sol dans le bassin versant de la Tafna varie entre 2,92 t/ha/an et 5,87 t/ha/an selon la pente, l’utilisation des terres et l’érosivité des précipitations, montrant une variabilité du potentiel d’érosion. Alors que la grande majorité du bassin versant reste en dessous du seuil acceptable d’érosion (moins de 7,0 t/ha), certaines zones locales enregistrent des pertes de sol nettement plus élevées ; de nombreuses zones subissent des pertes de sol supérieures à 45 t/ha/an dans des points chauds locaux situés dans des sousbassins escarpés et faiblement végétalisés du bassin versant. Ces zones critiques non traitées contribuent de manière disproportionnée à la production de sédiments dans le bassin et doivent donc être considérées comme prioritaires pour la onservation des sols et la gestion. En outre, la modélisation du transport de sédiments a été réalisée à l’aide de réseaux de neurones artificiels (RNA) – en particulier la version Multi Layer Perceptron (MLP) sous MATLAB – basées sur les concentrations mesurées de sédiments en suspension et les débits. Les rformances des modèles pour prédire la production de sédiments ont été jugées satisfaisantes, comme validées par la détermination du coefficient de corrélation, de l’efficacité de Nash–Sutcliffe (NSE) et le coefficient de correlation (R), soulignant leur utilité pour la prévision de la production de sédiments
URI: http://dspace.centre-univ-mila.dz/jspui/handle/123456789/4505
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