| تعداد نشریات | 21 |
| تعداد شمارهها | 361 |
| تعداد مقالات | 3,794 |
| تعداد مشاهده مقاله | 5,030,036 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 3,377,573 |
مقایسه مدلهای عددی و الگوریتمهای یادگیری ماشین با رویکرد پیشبینی تراز آب زیرزمینی: مطالعهای موردی در دشت بیرجند | ||
| آبخوان و قنات | ||
| دوره 6، شماره 2، آذر 1404، صفحه 257-281 اصل مقاله (1.91 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22077/jaaq.2026.10568.1133 | ||
| نویسندگان | ||
| مهران ملکی نیا1؛ امیرحسین جاوید2؛ سیده هدی رحمتی* 3؛ علیرضا جهانگیر4 | ||
| 1دانشجوی دکتری، گروه مهندسی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران. | ||
| 2استاد، گروه مهندسی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران. | ||
| 3استادیار گروه منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران | ||
| 4استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران. | ||
| چکیده | ||
| با توجه به اهمیت تعیین حجم ذخایر منابع آب زیرزمینی برای مدیریت پایدار آب در مناطق خشک و نیمهخشک، این مطالعه به بررسی رویکردهای پیشبینی و شبیهسازی تراز آب زیرزمینی با مدلهای یادگیری ماشین (LSTM، Random Forest و مدل ترکیبی Stacking Ensemble) در مقایسه با مدل عددی MODFLOW در 17 چاه مشاهدهای دشت بیرجند پرداخت. دادههای سری زمانی از مارس 2008 تا جولای 2025 (204 نمونه) با معیارهای آماری تحلیل شدند. پیشپردازش دادهها شامل نرمالسازی و فیلتر صافسازی برای حذف نویز بود. تحلیل حساسیت با روشهای SHAP و مونتکارلو چاههای کلیدی را شناسایی کرد. مدل Stacking Ensemble، با تلفیق خروجیهای کالیبرهشده MODFLOW و پیشبینیهای مدلهای یادگیری ماشین، در چاه 1 بالاترین دقت را با R²=0.9783، RMSE=0.0322 متر و MAPE=0.0017% نشان داد، در حالی که MODFLOW با R²=0.968 و RMSE=3.17 متر در چاههای 5، 10 و 15 خطای بیشتری داشت. نمودارهای تیلور برتری مدل استکینگ را با ضریب همبستگی 0.9783 و انحراف معیار نرمالشده 0.812 نسبت به LSTM (ضریب همبستگی 0.9765، انحراف معیار 0.845) و Random Forest (ضریب همبستگی 0.9398، انحراف معیار 1.344) تأیید کردند. این رویکرد ترکیبی نیاز به دادههای ورودی گسترده را کاهش میدهد، دقت پیشبینی را در آبخوانهای ناهمگن با افت سالانه 40-60 سانتیمتر بهبود میبخشد، و ابزاری کارآمد برای مدیریت پایدار منابع آب در دشت بیرجند و مناطق مشابه با شرایط هیدرولوژیکی پیچیده فراهم میکند. | ||
| کلیدواژهها | ||
| یادگیری ماشین؛ مدل ترکیبی Ensemble؛ شبکه عصبی LSTM؛ سری زمانی؛ دشت بیرجند | ||
| مراجع | ||
|
Adombi, A. V. D. P., Chesnaux, R., Boucher, M.-A., Braun, M., & Lavoie, J. (2024). A causal physics-informed deep learning formulation for groundwater flow modeling and climate change effect analysis. Journal of Hydrology, 637, 131370. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131370 Aghlmand, R., & Abbasi, A. (2019). Application of MODFLOW with Boundary Conditions Analyses Based on Limited Available Observations: A Case Study of Birjand Plain in East Iran. Water, 11(9), 1904. https://doi.org/10.3390/w11091904 Alao, J. O., Bello, A., Lawal, H., & Abdullahi, D. (2024). Assessment of groundwater challenge and the sustainable management strategies. Results in Earth Sciences, 2, 100049. https://doi.org/10.1016/j.rines.2024.100049 Boo, K.B.W., El-Shafie, A., Othman, F., Khan, M.M.H., Birima, A.H., Ahmed, A.N., 2024. Groundwater level forecasting with machine learning models: A review. Water Research 252, 121249.DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121249 Borzì, I. (2025). Modeling Groundwater Resources in Data-Scarce Regions for Sustainable Management: Methodologies and Limits. Hydrology, 12(1), 11. https://doi.org/10.3390/hydrology12010011 Chang, Y.-W., Sun, W., Kow, P.-Y., Lee, M.-H., Chang, L.-C., & Chang, F.-J. (2025). Advanced groundwater level forecasting with hybrid deep learning model: Tackling water challenges in Taiwan’s largest alluvial fan. Journal of Hydrology, 655, 132887. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.132887 Chen, C., Zhang, H., Shi, W., Zhang, W., & Xue, Y. (2023). A novel paradigm for integrating physics-based numerical and machine learning models: A case study of eco-hydrological model. Environmental Modelling & Software, 163, 105669. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2023.105669 Cui, X., Wang, Z., Xu, N., Wu, J., & Yao, Z. (2024). A secondary modal decomposition ensemble deep learning model for groundwater level prediction using multi-data. Environmental Modelling & Software, 175, 105969. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2024.105969 Di Salvo, C. (2022). Improving Results of Existing Groundwater Numerical Models Using Machine Learning Techniques: A Review. Water, 14(15), 2307. https://doi.org/10.3390/w14152307 Dunnington, D. W., Trueman, B. F., Raseman, W. J., Anderson, L. E., & Gagnon, G. A. (2021). Comparing the Predictive Performance, Interpretability, and Accessibility of Machine Learning and Physically Based Models for Water Treatment. ACS ES&T Engineering, 1(3), 348–356. https://doi.org/10.1021/acsestengg.0c00053 Ehteram, M., & Ghanbari-Adivi, E. (2023). Self-attention (SA) temporal convolutional network (SATCN)-long short-term memory neural network (SATCN-LSTM): An advanced python code for predicting groundwater level. Environmental Science and Pollution Research, 30(40), 92903–92921. https://doi.org/10.1007/s11356-023-28771-8 Ghebrehiwot, A. A., & Kozlov, D. V. (2019). Hydrological modelling for ungauged basins of arid and semi-arid regions: Review. Vestnik MGSU, 8, 1023–1036. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2019.8.1023-1036 Gupta, H. V., Kling, H., Yilmaz, K. K., & Martinez, G. F. (2009). Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: Implications for improving hydrological modelling. Journal of Hydrology, 377(1-2), 80–91. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.08.003 Igwebuike, N., Ajayi, M., Okolie, C., Kanyerere, T., & Halihan, T. (2025). Application of machine learning and deep learning for predicting groundwater levels in the West Coast Aquifer System, South Africa. Earth Science Informatics, 18(1), 6. https://doi.org/10.1007/s12145-024-01623-w Janssen, J., Tootchi, A., & Ameli, A. A. (2025). Tackling water table depth modeling via machine learning: From proxy observations to verifiability. Advances in Water Resources, 201, 104955. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2025.104955 Khan, J., Lee, E., Balobaid, A.S., Kim, K., 2023. A Comprehensive Review of Conventional, Machine Learning, and Deep Learning Models for Groundwater Level (GWL) Forecasting. Applied Sciences 13(4), 2743.DOI: https://doi.org/10.3390/app13042743 Navarro-Farfán, M. D. M., García-Romero, L., Martínez-Cinco, M. A., Hernández-Hernández, M. A., & Sánchez-Quispe, S. T. (2024). Comparison between MODFLOW Groundwater Modeling with Traditional and Distributed Recharge. Hydrology, 11(1), 9. https://doi.org/10.3390/hydrology11010009 Porhemmat, J., Sedghi, H., Babazadeh, H., & Fotovat, M. (2019). Evaluation of WEAP-MODFLOW model as integrated water resources management model for sustainable development. Civil Engineering Infrastructures Journal, Online First. https://doi.org/10.22059/ceij.2019.260084.1495 Pourmorad, S., Kabolizade, M., & Dimuccio, L. A. (2024). Artificial Intelligence Advancements for Accurate Groundwater Level Modelling: An Updated Synthesis and Review. Applied Sciences, 14(16), 7358. https://doi.org/10.3390/app14167358 Rad, M., Abtahi, A., Berndtsson, R., McKnight, U. S., & Aminifar, A. (2024). Interpretable machine learning for predicting the fate and transport of pentachlorophenol in groundwater. Environmental Pollution, 345, 123449. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.123449 Rammohan, B., Partheeban, P., Ranganathan, R., & Balaraman, S. (2024). Groundwater Quality Prediction and Analysis Using Machine Learning Models and Geospatial Technology. Sustainability, 16(22), 9848. https://doi.org/10.3390/su16229848 Sheikh Khozani, Z., Barzegari Banadkooki, F., Ehteram, M., Najah Ahmed, A., & El-Shafie, A. (2022). Combining autoregressive integrated moving average with Long Short-Term Memory neural network and optimisation algorithms for predicting ground water level. Journal of Cleaner Production, 348, 131224. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131224 Torres-Martínez, J. A., Mahlknecht, J., Kumar, M., Loge, F. J., & Kaown, D. (2024). Advancing groundwater quality predictions: Machine learning challenges and solutions. Science of The Total Environment, 949, 174973. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174973 Zarei, E., Saleh, F. N., & Dalir, A. N. (2024). Comparing the hybrid-lumped-LSTM model with a semi-distributed model for improved hydrological modeling. Journal of Water and Climate Change, 15(8), 4099–4113. https://doi.org/10.2166/wcc.2024.269 | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 83 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 30 |
||