تأثیر موجک بر افزایش دقت مدل‌های تخمینی در مدل‌سازی بارش-رواناب (مطالعۀ موردی: حوضۀ صوفی‌چای)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد/ گروه علوم و مهندسی آب، دانشکدة کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استادیار/ گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرند، مرند، ایران

چکیده

فرآیند بارش-رواناب از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین پدیده‌ها در چرخه هیدرولوژی بوده و در مدل‌سازی آن، دیدگاه‌های متفاوتی برای توسعه و بهبود مدل‌های پیش‌بینی‌کننده ارائه شده است. لذا، بر حسب استفاده از روش‌های گوناگون، انواع مدل‌ها توسعه یافته‌اند. در این تحقیق فرآیند بارش-رواناب در حوضه صوفی‌چای با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و هیبرید موجک-شبکۀ عصبی (WANN) مورد مطالعه قرارگرفته است. داده‌های بارش-رواناب در طول دورة آماری (98-1380) برای آموزش و صحت‌سنجی مدل‌ها مورد استفاده قرار گرفت و شش سناریو برای هر مدل در نظر گرفته شد. نتایج این سناریو‌ها نشان داد که بهترین ورودی‌ها برای مدل‌ها، مربوط به سناریوی پنج است که در آن از دبی با یک تأخیر، بارش ماه مورد نظر و بارش با یک تأخیر استفاده شده است. در حالت کلی نتایج حاکی از دقت قابل قبول هر دو مدل است. از لحاظ اولویت نیز مدل WANN با بیش‌ترین دقت ضریب همبستگی (r)، جذر میانگین مربع خطاها (RMSE) و ضریب نش-ساتکلیف (NSE) به‌ترتیب برابر 0.97، 23.99 و 0.95 برای مرحله آموزش و 0.82، 62.33 و 0.68 برای مرحله آزمون کمترین خطا در اولویت اول و مدل ANN در اولویت بعدی با مقادیر ضریب همبستگی (R)، جذر میانگین مربع خطاها (RMSE) و ضریب نش-ساتکلیف (NSE) به‌ترتیب برابر 0.93، 40.41 و 0.87 برای بخش آموزش و 0.81، 73.40 و 0.56 برای بخش آزمون قرار گرفتند و نتایج گویای این بود که موجک باعث بهبود نتایج و پیش‌بینی در مدل‌سازی بارش-رواناب شده است.

کلیدواژه‌ها


شافعی‎ زاده، م.، فتحیان، ح.، نیکبخت شهبازی، ع.ر. (1398). شبیه‌سازی پیوسته بارش- رواناب با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی بر مبنای انتخاب متغیرهای موثر ورودی با الگوریتم اطلاعات متقابل جزئی (PMI). تحقیقات منابع آب ایران، 15(2)، 144-161.
عفیفی، م.ا. (1398). شبیه‌سازی بارش- رواناب و پتانسیل سیل­ خیزی با استفاده از مدل HEC-HMS و منطق فازی مطالعۀ موردی حوضۀ آبریز رودبال در استان فارس. جغرافیای طبیعی، 12(46)، 111-127.
قربانی، م.ع.، ازانی، ع.، و محمودی وان ­علیا، س. مدل‌سازی بارش-رواناب با استفاده از مدل‌های هوشمند هیبریدی. تحقیقات منابع آب ایران، 11(2)، 146- 150.
کاووسی، م.، و خزیمه‌نژاد، ح. (1400). بررسی و مقایسه عملکرد 4 روش مدل‌سازی LS-SVM ،NN ، GEP و ANFIS-PSO در شبیه‌سازی بارش – رواناب (منطقۀ مورد مطالعه: هلیل رود - سد جیرفت). ایران مهندسی آبیاری و آب، 11(43)، 96- 110.
نوری، م، میرحسینی، س.م.، زینال‌زاده، ک.، و رهنما، م.ب. (1386). الگوی جدید بارش-رواناب حوضۀ آبریز هلیل ­رود با استفاده از مدل هیبرید شبکۀ عصبی-موجک. زمین‌شناسی مهندسی. 2(2)، 451-472.
 
Afifi, M.E. (2020). Simulation of rainfall-runoff and flood potential using model HEC-HMS and fuzzy logic (Case study of Rudbal Watershed in Fars Province). Physical Geography Quarterly, 12(46), 111-127 (in Persian).
Alizadeh, M.J., Kavianpour, M.R., Kisi, O., & Nourani, V. (2017). A new approach for simulating and forecasting the rainfall-runoff process within the next two months. Journal of Hydrology, 548, 588-597.
Beale, M., & Demuth, H. (1998). Neural network toolbox for use with MATLAB, User's Guide, The Math Works, Natick, 1-6.
Chen, X., Chau, K., Busari, A. (2015). A comparative study of population-based optimization algorithms for downstream river flow forecasting by a hybrid neural network model. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 46, 258-268.
Dumka, B.B., & Kumar, P. (2021). Modeling rainfall-runoff using Artificial Neural Network (ANNs) and Wavelet based ANNs (WANNs) for Haripura am, Uttarakhand. Indian Journal of Ecology, 48(1), 271-274.
Ghorbani, M.A., Azani, A., & Mahmoudi Vanolya, S. (2015). Rainfall-Runoff Modeling Using Hybrid Intelligent Models. Iran-Water Resources Research, 11(2), 146-150 (in Persian).
Jeong, D.I., & Kim, Y.O. (2005). Rainfall-runoff models using artificial neural networks for ensemble streamflow prediction Hydrological processes. Hydrological Processes, 19(19), 3819-3835.
Kavusi, M., & Khozeymeh Nejad, H. (2021). Review and compare performance of 4 modeling methods LS-SVM, NN, GEP and ANFIS-PSO in Simulation of Rainfall - Runoff (Study Area: Halil River - Jiroft Dam). Irrigation &Water Engineering, 11(43), 96-110 (in Persian).
Kim, T.W., & Valdés, J.B. (2003). Nonlinear Model for Drought Forecasting Based on a Conjunction of Wavelet Transforms and Neural Networks. Journal of Hydrologic Engineering, 8(6), 319–328.
Nourani, V., Khanghah, T.R., & Baghanam, A.H. (2015). Application of entropy concept for input selection of wavelet-ANN based rainfall-runoff modeling. Journal of Environmental Informatics, 26, 52–70.
Nourani, V., Tajbakhsh, A.D., Molajou, A., & Gokcekus, H. (2019). Hybrid Wavelet-M5 Model Tree for Rainfall-Runoff Modeling. Journal of Hydrologic Engineering, 24(5).
Nouri, M., Mirhosseini, S.M., Zeynalzadeh, K., & Rahnama, M.B. (2008). New pattern of Halil River Basin’s rainfall-runoff by using of hybrid neural wavelet network model. Journal of Engineering Geology, 2(2), 451-472 (in Persian).
Riad, S., Mania, J., Bouchaou, L., & Najjar, Y. (2019). Rainfall-runoff model usingan artificial neural network approach. Mathematical and Computer Modelling, 40(7-8), 839-846.
Shafeizadeh, M., Fathian, H., & Nikbakht Shahbazi, A. (2019). Continuous Rainfall-Runoff Simulation by Artificial Neural Networks Based on Selection of Effective Input Variables Using Partial Mutual Information (PMI) Algorithm. Iran-Water Resources Research, 15(2), 144-161 (in Persian).
Sharghi, E., Nourani, V., Molajou, A., & Najafi, H. (2019). Conjunction of emotional ANN (EANN) and wavelet transform for rainfall-runoff modeling. Journal of Hydroinformatics, 21(1), 136–152.
Sharghi, E., Nourani, V., Najafi, H., & Molajou, A. (2018). Emotional ANN (EANN) and Wavelet-ANN (WANN) approaches for markovian and seasonal based modeling of rainfall-runoff process. Water Resources Management, 32, 3441–3456.
Tikhamarine, Y., Souag-Gamane, D., Ahmed, A.N., Sammen, S.SH., Kisi, O., Huang, Y.F., & El-Shafie, A. (2020). Rainfall-runoff modelling using improved machine learning methods: Harris hawks optimizer vs. particle swarm optimization. Journal of Hydrology, 589 (11–12),125133
Vapnik, V.N. (1988). Statistical Learning Theory. John Wiley, New York.