مدل‌سازی و تخمین تراز سطح آب زیرزمینی با استفاده مدل دسته‌بندی گروهی داده‌ها (مطالعه موردی: چاه های پری و بوندویل دشت ایلینوی آمریکا)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشگاه فردوسی مشهد

2 گروه آب، دانشکده مهندسی عمران و نقشه برداری، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته کرمان

چکیده

در این تحقیق به توسعه مدل دسته‌بندی گروهی داده‌ها جهت تخمین سطح آب زیرزمینی پرداخته شد. بدین منظور از اطلاعات روزانه (21 سال اخیر) دو چاه مشاهده‌ای حفرشده در دشت ایلینوی آمریکا استفاده گردید. توسعه مدل GMDH بر اساس دو رهیافت مدل مرسوم و مدل دسته‌بندی فازی عصبی گروهی داده‌ها NF-GMDH انجام گرفت. آموزش مدل‌های ذکرشده با استفاده از الگوریتم کمترین مربعات خطا و همچنین الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) انجام شد. در طراحی الگوی متغیرهای ورودی از تأخیرهای زمانی (تا پنج واحد) داده‌های مربوط به سطح آب زیرزمینی در این چاه‌ها استفاده شد. نتایج این تحقیق نشان داد که مدل GMDH سطح آب زیرزمینی در چاه بوندویل را با شاخص‌های آماری خطا شاملR^2=0.98 و ریشه میانگین مربعات خطا RMSE=0.333 و متوسط درصد خطای مطلق MAPE=9.9% و در چاه پری متوسط با R^2=0.99 ، RMSE=0.64 و MAPE=12% در مرحله صحت سنجی پیش‌بینی نماید. نتایج توسعه مدل NF-GMDH نشان داد که دقت توسعه مدل GMDH بر مبنای رهیافت عصبی فازی نیز دارای دقتی مناسب و در حد مدل GMDH است. دقت هر دو مدل GMDH و NF-GMDH با افزایش سطح سطح آب زیرزمینی افزایش می‌یابد به‌طوری‌که مقادیر حداکثر سطح آب زیرزمینی دقیق پیش‌بینی می‌شود حال‌آنکه هر دو مدل در تخمین مقادیر کم سطح آب زیرزمینی دارای خاصیت بیش پیش‌بینی هستند

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling and estimating groundwater level using a data classification model (Case Study: Perry and Bondville Wells, Illinois, USA)

نویسندگان [English]

  • Amirabbas Jahanara 1
  • Saeed Reza Khodashenas 1
  • Mohammad Najafzadeh 2
1 Water Engunering department, Ferdowsi University of Mashhad,
2 Kerman University
چکیده [English]

In this research, a group data classification model was developed to model and estimate the groundwater level. For this purpose, daily data (twenty-one years ago) of two observation wells drilled in the Illinois plain of the United States were used. The development of the GMDH model was based on two approaches: the conventional GMDH model and the NF-GMDH data group neural fuzzy classification model. The training of the mentioned models was performed using the least squares error algorithm and also the particle swarm optimization (PSO) algorithm. In designing the pattern of input variables, time delays (up to five units) of data related to groundwater level in these wells were used. The results of this study showed that the GMDH model can measure the level of groundwater level in Bondville well with statistical error indicators including in the experimental stage are R ^ 2 = 0.98 and the root mean square error RMSE = 0.333 and the average absolute error percentage MAPE = 9.9% and Predict in medium filling well with R ^ 2 = 0.99, RMSE = 0.64 and MAPE = 12% in the validation modeling stage. The results of the development of the NF-GMDH model showed that the accuracy of the development of the GMDH model based on the fuzzy neural approach is also of the same accuracy as the GMDH model. The accuracy of both GMDH and NF-GMDH models increases with increasing groundwater level so that the maximum values ​​of groundwater level are accurately predicted,

کلیدواژه‌ها [English]

  • Time series
  • Kerman field
  • Illinois field
  • in USA
  • soft computing
باقری, ی. عباس نوین پور, ا. ندیری, ع. نادری, ک. پیش‌بینی نوسانات سطح آب زیرزمینی در آبخوان باروق با استفاده از مدل SOM-AI, علوم زمین, 28(
جبالبارزی, ب. ملکیان, آ. (1398) مقایسه کارایی روش‌های شبکه عصبی مصنوعی و برنامه ریزی بیان ژن برای پیش‌بینی سطح ایستابی در مناطق خشک و نیمه‌خشک ( مطالعه موردی: دشت جیرفت), تحقیقات مرتع و بیابان ایران, 26-2، 292-301
جنگ‌چی‌کاشانی, س. حکمت, م. (1396)مدیریت منابع آب در توسعه پایدار کشاورزی, مرکز نشر آکادمیک,.
چوپان, ی. امامی, س. خیری قوجه بیگلو, م. (1399)ارزیابی الگوریتمهای انتخابات، رقابت استعماری و روش شبکه عصبی مصنوعی در بررسی روند افت سطح  سطح ایستابی دشت رشتخوار, نشریه مهندسی عمران امیرکبیر, 52(6) 1-1.
دهقانی, ر. پورحقی, ا. ترابی, ح. (1395)پیش‌بینی نوسانات سطح آب زیرزمینی با استفاده از شبکه‌های بیزین (مطالعه موردی: دشت نورآباد-لرستان), فضای جغرافیایی, 16(56) -.
رجائی, ط. پوراصلان, ف. (1394)پیش‌بینی زمانی و مکانی سطح  آب زیرزمینی دشت داورزن, هیدروژئومورفولوژی, 2(4) 1-19.
زارع ابیانه, ح. بیات ورکشی, م. معروفی, ص. ایلدرومی, ع. (1390)شبیه‌سازی سطح ایستابی دشت ملایر براساس داده‌های هواشناسی با استفاده از شبکه‎ی عصبی مصنوعی, پژوهش های جغرافیای طبیعی, 43(78) 17-28.
محتشم, م. دهقانی, ا.ا. اکبرپور, ا. مفتاح هلقی, م. (1396)ارزیابی شبکه عصبی مصنوعی و مدل عددی MODFLOW در پیش‌بینی سطح ایستابی (مطالعه موردی: خراسان جنوبی - دشت بیرجند), نشریه آبیاری و زهکشی ایران, 11(1) 1-10.
ملکزاده, م. کاردار, س. شعبانلو, س. (1400)شبیه‌سازی سطح  آب زیرزمینی با استفاده از مدل ترکیبی موجک-ماشین آموزش نیرومند خودتطبیقی, تحقیقات آب و خاک ایران, 51(4) 975-986.
نخعی, م. صابری نصر, ا. (1391) پیش‌بینی نوسانات سطح آب زیرزمینی دشت قروه با استفاده از شبکه عصبی- موجکی و مقایسه آن با مدل عددی MODFLOW, زمین شناسی کاربردی پیشرفته, 1(4).
نوروزی قوشبلاغ, ح. ندیری, ع. (1396)پیش‌بینی سطح آب زیرزمینی دشت بوکان با استفاده از مدل‌های منطق فازی، جنگل تصادفی و شبکة عصبی, مرتع و آبخیزداری, 71(3) 829-845.
Emamgholizadeh, S. Moslemi, K. Karami, G. (2014) Prediction the groundwater level of bastam plain (Iran) by artificial neural network (ANN) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), Water resources management, 28(15) 5433-5446
Khalili Naft Chali, A. Shahidi, A. khashei siuki, A. (2017) Comparison of Lazy Algorithms and M5 Model to Estimate Groundwater Level (Case Study: Plain Neyshabur), Journal of Water and Soil Science, 21(3) 15-26.
Kisi, O. Shiri, J. (2012) Wavelet and neuro-fuzzy conjunction model for predicting water table depth fluctuations, Hydrology Research, 43(3) 286-300.
Mohtashami, A., Monfared, S. A. H., Azizyan, G., & Akbarpour, A. (2022). Numerical simulation of groundwater in an unconfined aquifer with a novel hybrid model (case study: Birjand Aquifer, Iran). Journal of Hydroinformatics, 24(1), 160-178.
Najafzadeh, M. Mahmoudi-Rad, M. (2019) Estimation of the Maximum Scour Depth at Bridge Pier under Effects of Debris Accumulations using NF-GMDH Model and Evolutionary Algorithms, Environment and Water Engineering, 5(3) 213-225.
Sahoo, S. Jha, M.K. (2015) On the statistical forecasting of groundwater levels in unconfined aquifer systems, Environmental Earth Sciences, 73(7) 3119-3136
Seifi, A. Ehteram, M. Singh, V.P. Mosavi, A. (2020)  Modeling and uncertainty analysis of groundwater level using six evolutionary optimization algorithms hybridized with ANFIS, SVM, and ANN, Sustainability, 12(10) 4023
Shiri, J. Kişi, Ö. (2011) Comparison of genetic programming with neuro-fuzzy systems for predicting short-term water table depth fluctuations, Computers & Geosciences, 37(10) 16