A Hybrid WSA and AHP-TOPSIS Modeling for Soil Erosion Assessment and Prioritization of the Sub-watershed of Karmanasa River Basin

技術要約：カルマナサ川流域の土壌侵食評価およびサブ流域の優先順位付けのためのハイブリッドWSAおよびAHP-TOPSISモデリング

問題提起
中ガンジス平原の恒久的な支流であるカルマナサ川流域（KRB）は、気候変動、人間活動、およびその特有の地質学的設定に起因する深刻な土壌侵食と土地劣化に直面している。浸食されやすいヴィンディヤン砂岩、頁岩、および石灰岩の形成によって特徴付けられるこの流域は、広範な農業を支えている一方で、再発する洪水と堆積物の輸送に苦しんでいる。過去の研究ではヴィンディヤンおよびガンジス平原における侵食が扱われてきたが、高度で統合されたモデリング手法を用いた系統的なサブ流域の優先順位付けに関して、KRBは未だ十分に探索されていない。詳細な流域特性把握と優先順位付けの欠如が、効果的な土壌保全計画と持続可能な土地管理を妨げている。

手法
本研究では、土壌侵食の感受性を評価し、優先順位を付けるために、統合的な地理空間および多基準意思決定（MCDM）フレームワークを採用している。ワークフローは主に4つの段階で構成される：

1. データ取得と境界画定： 30 m解像度のシャトル・レーダー・トポグラフィー・ミッション（SRTM）DEMデータを用い、流域を6つのサブ流域（SW1–SW6）に画定した。地質、土壌、および地形データは、インド地質調査局（GSI）および国立土壌調査・土地利用計画局（NBSS&LUP）から取得した。
2. 形態計測分析： 22の形態学的パラメータを抽出し、線形、面積、および比高の側面へと分類した。これらには、河川次数、分岐比、排水密度、形状係数、コンパクトネス係数、比高比、および粗度数が含まれる。
3. モデリングと優先順位付け： 侵食感受性に基づいてサブ流域をランク付けするために、3つの異なるモデルを適用した：
   • 加重和分析（WSA）： 侵食との相関係数に基づいて形態学的パラメータに正規化された重みを割り当てることで、複合指数を生成した。
   • 堆積物生成率（SPR）： 形態学的パラメータ（形状係数、循環比、およびコンパクトネス係数）と堆積物収量を結びつける対数モデル。
   • ハイブリッドAHP-TOPSIS： 分析階層プロセス（AHP）を用いて、専門家の判断（15名のスペシャリスト）に基づき14の選択されたパラメータの重みを導出し、一貫性比（CR）0.016を確保した。これらの重みは、理想解および反理想解からの距離に基づいて代替案をランク付けするための、階層分析法による技術的順序決定法（TOPSIS）へと統合された。
4. 統計的検証： 3つのモデルの信頼性と一貫性は、非パラメトリック統計検定であるスピアマンの順位相関係数（SCCT）およびケンドールのタウ順位相関係数（KTCCT）を用いて評価された。

主要な結果

• 形態学的特性： 流域は6次の排水ネットワークを持ち、平均排水密度は0.535 km/km²である。SW3が最大のサブ流域（2,142.21 km²）であり、SW6が最小（804.51 km²）である。排水テクスチャは概して粗く、流域は地形学的進化の青年期から成熟期の段階にある。
• モデル出力：
  • WSA： 流域の約38～40%が脆弱であると特定した。SW4が最も高い優先度（最低スコア）を受け、SW1が最も低い優先度となった。
  • SPR： 流域の42.6%が脆弱であることを示した。SW5は最も高い堆積物生成率（0.50）を示し、非常に高い優先度として分類された一方、SW6は最低（0.000013）であった。
  • AHP-TOPSIS： SW3、SW1、およびSW2を高優先ゾーンとして分類した。モデルは0.22から0.75の範囲の近接係数（$C_i^+$）を算出した。
• 統計的検証： AHP-TOPSISモデルが最も高い安定性と一貫性を示した。これはSPRモデルと正の相関を示し（SCCT = 0.37）、一方でWSAモデルは他の2つのアプローチとの関係性が弱かった。両方の統計テストは、この流域においてAHP-TOPSISが最も信頼性の高い優先順位付けを提供することを裏付けた。
• 空間パターン： 高い侵食感受性は、カイムール高原および高原と沖積平野の間の遷移帯に集中している。これらの領域は、急勾配、高い排水密度、および浸食されやすいレワ頁岩と砂岩の形成によって特徴付けられる。

主要な貢献

• 統合フレームワーク： 本研究は、高度なMCDM手法と形態学的分析を組み合わせたハイブリッドAHP-TOPSISアプローチを、これまで未探索であったガンジス川の支流に適用することに成功し、データが限られた地域における意思決定のための構造化された手法を提示した。
• 比較モデル評価： SCCTおよびKTCCTを用いてWSA、SPR、AHP-TOPSISを統計的に比較することにより、本研究は、この特定の地質学的文脈においてAHP-TOPSISが優れたモデルであることを特定し、従来の加重和法に対する妥当性を検証した。
• 行動のための優先順位付け： 本研究は、一般的な流域レベルの評価を超え、標的を絞った土壌保全介入を導くための具体的なランク付けされたサブ流域リスト（高優先ゾーンとしてのSW3、SW1、SW2）を提供した。

意義と主張
著者らは、本研究が高度なMCDM技術を用いてカルマナサ川流域の最初の系統的なサブ流域優先順位付けを提供することにより、重要な研究上の空白を埋めるものであると主張している。知見は、他のヴィンディヤンおよびガンジス川支流域にも適用可能な、コスト効率の高い実用的な河川流域管理の枠組みを提供している。優先ゾーンを特定することで、本研究は、土壌侵食を軽減するための修復措置および戦略の開発を支援し、持続可能な土地管理の達成に寄与する。本研究は、現場ベースの侵食データが限られている場合において、統合的な地理空間および形態学的アプローチが効果的な流域評価に不可欠であることを強調している。