پژوهش های کاربردی مهندسی آب

پژوهش های کاربردی مهندسی آب

پیش‌بینی سطح تراز آب زیرزمینی دشت کرمان-باغین مبتنی بر مدل‌های شبکه عصبی و الگوریتم‌های بهینه‌ساز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش‌آموخته ‌کارشناسی ارشد مدیریت منابع آب،دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی شریف.
2 دانش آموخته‌ دکتری آب‌های زیرزمینی،دفتر مطالعات پایه و تخصیص حوضه آبریز فلات مرکزی و شرقی، شرکت مدیریت منابع آب ایران، تهران، ایران
3 دانش‌ آموخته‌ دکتری سازه های آبی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
4 دانش آموخته دکتری تخصصی، سازمان مدیریت و برنامه ریزی استان البرز، البرز، ایران.
10.22034/arwe.2026.2104467.1056
چکیده
آب‌های زیرزمینی در تأمین امنیت آبی مناطق خشک و نیمه‌خشک نقش حیاتی ایفا می‌کنند. عمده مطالعات پیشین، پیش‌بینی تراز سطح آب زیرزمینی را به عنوان تابعی از پارامترهای هیدرولوژیکی نظیر بارندگی، دما و دبی جریان سطحی ارائه داده‌اند؛ لیکن محدودیت در دسترسی به این داده‌ها در مناطق خشک، کارایی چنین رویکردهایی را محدود می‌سازد. این مطالعه رویکردی نوین ارائه می‌دهد که در آن صرفاً از سری زمانی تاریخی تراز سطح آب زیرزمینی به عنوان داده ورودی استفاده می‌شود؛ بدین ترتیب، مقدار تراز آب زیرزمینی در هر گام زمانی از مقادیر مشاهده‌شده در گام‌های قبلی (با تأخیرهای زمانی مناسب تا پنج ماه پیشین) پیش‌بینی می‌شود. مدل‌های پیش‌بینی با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و شبکه عصبی مصنوعی-موجک (WNN) برای پیش‌بینی میانگین ماهانه سطح آب زیرزمینی دشت کرمان در بازه زمانی مهر ۱۳۶۶ تا اسفند ۱۴۰۲ توسعه داده و ارزیابی شدند. نتایج نشان داد مدل WNN با مقادیر MSE=۰/۰۱۳۹ متر مربع در مرحله آزمون، دقت و قابلیت تعمیم بسیار بالاتری نسبت به مدل ANN (با MSE=۰/۴۲۱ متر مربع) ارائه می‌دهد. در میان سه الگوریتم بهینه‌سازی اعمال‌شده (GA، ICA و PSO)، الگوریتم رقابت استعماری (ICA) با دستیابی به MSE=۰/۰۰۰۰۹۳۲ بهترین عملکرد را نشان داد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که تلفیق تجزیه موجک گسسته با شبکه عصبی مصنوعی، با استفاده صرف از داده‌های تاریخی سطح آب زیرزمینی، رویکردی عملی و قابل‌اتکا برای پیش‌بینی در مناطق خشک و نیمه‌خشک با کمبود داده هیدرولوژیکی است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Forecasting Groundwater Levels in the Kerman-Baghin Plain Using Neural Network Models and Optimization Algorithms

نویسندگان English

Hamed Azizi 1
Ali Mirarabi 2
Hossein Khalili Shayan 3
Hamidreza Azizi 4
1 MSc Graduate in Water Resources Management,Civil engineering Sharif University of Technology
2 PhD graduate in Groundwater Hydrology, Office of Basic Studies and Water Allocation of the Central and Eastern Plateau Catchment, Iran Water Resources Management Company, Tehran, Iran
3 PhD graduate in Hydraulic Structures, University of Tehran, Tehran, Iran.
4 PhD graduate, Management and Planning Organization of Alborz Province, Alborz, Iran.
چکیده English

Groundwater plays a vital role in securing water supply in arid and semi-arid regions. Most previous studies have forecast groundwater level as a function of hydrological parameters such as rainfall, temperature, and streamflow; however, limited access to such data in arid regions constrains the applicability of these approaches. This study presents a novel approach in which only the historical time series of groundwater level itself is used as input data, so that the groundwater level at each time step is forecast from observed values at previous time steps (with lags of up to five months). Forecasting models based on an artificial neural network (ANN) and a wavelet neural network (WNN) were developed and evaluated for forecasting the monthly average groundwater level of the Kerman plain over the period October 1987 to March 2024. Results showed that the WNN model, with a test-stage MSE of 0.0139 m², provided substantially higher accuracy and generalization than the ANN model (MSE = 0.421 m²). Among the three optimization algorithms applied (GA, ICA, and PSO), the imperialist competitive algorithm (ICA) achieved the best performance, with MSE = 9.328×10⁻⁵. These findings indicate that coupling discrete wavelet decomposition with an artificial neural network, using only historical groundwater-level data, is a practical and reliable approach for groundwater-level forecasting in arid and semi-arid regions with limited hydrological data.

کلیدواژه‌ها English

Artificial Intelligence
Discrete Wavelet Transform
Imperialist Competitive Algorithm
Machine Learning
Semi-Arid Aquifer

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 17 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 16 شهریور 1405
  • تاریخ بازنگری 02 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 17 مهر 1405