نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

پیش‌بینی افت سطح آب زیرزمینی آبخوان نهاوند با ترکیب پیش پردازش تجزیه مد تجربی یکپارچه کامل با مدلهای LSTM وGMDH

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه آبیاری و زهکشی‌، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
2 گروه مهندسی منابع آب‌، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.
3 گروه آبیاری و زهکشی، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.
10.22125/iwe.2026.539288.1893
چکیده
کاهش بارندگی و بهره‌برداری بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی موجب افت قابل‌توجه تراز سطح آب زیرزمینی در بسیاری از مناطق جهان شده است. یکی از آبخوان‌هایی که با افت سطح آب زیرزمینی مواجه هست، آبخوان نهاوند در استان همدان و غرب ایران می‌باشد. برای مدلسازی تراز سطح آب زیرزمینی، مدل‌های حافظه کوتاه مدت طولانی LSTM)) و روش گروهی مدیریت داده (GMDH) به کار گرفته شد. به منظور افزایش دقت مدل‌ها از ابزار پیش پردازش تجزیه مد تجربی یکپارچه کامل (CEEMD) استفاده شد و در نهایت چهار مدل LSTM، GMDH، CEEMD-LSTM و CEEMD-GMDH حاصل شدند. نتایج نشان داد که مدل GMDHعملکرد بهتری نسبت به مدل LSTMداشته است. همچنین ترکیب این دو مدل با ابزارهای پیش پردازش CEEMD موجب افزایش عملکرد آنها شده است. به‌طوری‌که ضریب تعیین مدل LSTM از 867/0 به950/0 در مدل CEEMD-LSTM ارتقاء یافته است. ضریب تعیین در مدل GMDH با 885/0 به 945/0 در مدل CEEMD-GMDH رسیده است. همچنین بررسی جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) و معیاراطلاعاتی آکائیک (AIC) هم نشان می‌دهد که استفاده از ابزار پیش پردازش CEEMD موجب کاهش خطای مدل‌ها شده است. با توجه به این نتایج مدل ترکیبی CEEMD-LSTM بهترین مدل شناخته شده و از آن برای پیش‌بینی تراز سطح آب زیرزمینی برای شش ماه آتی (شش ماه اول سال آبی 1404-1403) استفاده شد. به‌طور کلی می‌توان گفت که عملکرد مدل ترکیبی CEEMD-LSTMبرای مدل‌سازی تراز سطح آب زیرزمینی آبخوان نهاوند بسیار مناسب بوده و قابلیت این را دارد که برای بررسی سطح آّب زیرزمینی آبخوان‌های دیگر نیز استفاده شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Forecasting the Groundwater Level Decline in the Nahavand Aquifer Using a Combination of Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition (CEEMD) Preprocessing with LSTM and GMDH Models

نویسندگان English

Somaye Abdi 1
Hossein Fathian 2
Mehdi Asadi Lour 3
Aslan Igdernejad 3
Ali Asare 3
1 Department of Irrigation and Drainage, Ahv.C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
2 Department of Water Resources Engineering, Ahv.C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
3 Department of Irrigation and Drainage, Ahv.C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
چکیده English

The decrease in precipitation and excessive exploitation of groundwater resources have led to a significant decline in groundwater levels in many regions worldwide. One of the aquifers experiencing groundwater level depletion is the Nahavand aquifer, located in Hamadan Province, western Iran. To model the groundwater level, the Long Short-Term Memory (LSTM) model and the Group Method of Data Handling (GMDH) were employed. In order to enhance model accuracy, the Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition (CEEMD) preprocessing technique was applied, resulting in the development of four models: LSTM, GMDH, CEEMD-LSTM, and CEEMD-GMDH. The results indicated that the GMDH model performed better than the LSTM model. Moreover, integrating these models with the CEEMD preprocessing technique improved their performance. Specifically, the coefficient of determination (R²) for the LSTM model increased from 0.867 to 0.950 in the CEEMD-LSTM model. Similarly, the R² value for the GMDH model improved from 0.885 to 0.945 in the CEEMD-GMDH model. Additionally, the analysis of Root Mean Square Error (RMSE) and Akaike Information Criterion (AIC) also demonstrated that the use of CEEMD preprocessing reduced model errors. Based on these findings, the CEEMD-LSTM hybrid model was identified as the most accurate and was therefore used to forecast groundwater levels for the next six months (the first half of the 2024–2025 water year). Overall, the CEEMD-LSTM hybrid model showed excellent performance in modeling groundwater levels in the Nahavand aquifer and has the potential to be applied to other aquifers as well.

کلیدواژه‌ها English

Groundwater level
Nahavand aquifer
CEEMD
artificial intelligence models

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 18 خرداد 1405