مدل هیبریدی SNIP-ANN : رویکردی نوین جهت پیش‌بینی دقیق دبی جریان رودخانه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب-دانشکده کشاورزی-دانشگاه تبریز-تبریز-ایران

2 گروه علوم و مهندسی آب-دانشکده کشاورزی-دانشگاه تبریز- تبریز-ایران

چکیده

پیش‌بینی جریان رودخانه برای تأمین نیازهای آبی اکوسیستم‌های آبی و همچنین برنامه‌ریزی و مدیریت بهینه منابع آب، به‌ویژه در شرایط خشکسالی، بسیار حیاتی است. این پیش‌بینی‌ها به حفظ تعادل بوم‌شناختی رودخانه‌ها کمک می‌کند. مدل‌های پیش‌بینی دقیق برای ارزیابی الگوهای جریان آینده و اجرای راهبردهای مدیریتی مؤثر ضروری هستند. در این مطالعه، از یک مدل ترکیبی شامل الگوریتم حساس تکراری غیرخطی پیک (SNIP) به همراه شبکه‌های عصبی مصنوعی (ANN) و همچنین مدل‌های مستقل ANN برای پیش‌بینی جریان رودخانه‌های کلمبیا (۲۰۰۰ تا ۲۰۲۲) و نیجر (۲۰۰۰ تا ۲۰۲۳) استفاده شده است. یکی از مزایای استفاده از الگوریتم SNIP در کنار ANN، کاهش پیچیدگی مدل در عین بهبود کارایی آن است. همچنین، ترکیب تحلیل سری‌های زمانی با تکنیک‌های یادگیری ماشین، پیشرفتی چشمگیر در زمینه پیش‌بینی جریان رودخانه محسوب می‌شود. این رویکرد نه‌تنها دقت پیش‌بینی‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه توانایی مدیریت و واکنش مؤثر به نوسانات دبی رودخانه را نیز تقویت می‌کند. تحلیل کمی نتایج نشان داد که مدل ترکیبی SNIP-ANN نسبت به سایر مدل‌ها عملکرد بهتری دارد. برای رودخانه کلمبیا، مدل ANN ضریب همبستگی R=0/3249 و مقدار RMSE=1325/99 را به‌دست آورد، در حالی‌که مدل ترکیبیSNIP-ANN با بهبود قابل توجه، به R=0/7503 و RMSE=865/23 دست یافت و کاهش RMSE به میزان ۷۵/۳۴ درصد را نشان داد. به‌طور مشابه، برای رودخانه نیجر، مدل ANN به R=0/801 و RMSE=487/883 رسید، در حالی‌که مدل ترکیبی SNIP-ANN نتایج را تا R=0/9286 و RMSE=231/497 بهبود داد که کاهش RMSE به میزان 52/56 درصد را نشان می‌دهد. این نتایج بیانگر آن است که استفاده از مدل ترکیبی SNIP-ANN می‌تواند دقت پیش‌بینی را نسبت به مدل‌های مستقل ANN به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد. این مزیت، قابلیت اطمینان و اثربخشی این رویکرد را اثبات می‌کند. با بهره‌گیری از روش‌های ترکیبی، می‌توان به پیش‌بینی‌های دقیق‌تری نه‌تنها برای رودخانه‌های منتخب، بلکه برای مناطق دیگر نیز دست یافت و پتانسیل بالای این تکنیک را برای کاربردهای گسترده‌تر نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


References
 
Abdoulaye, O. O., & Lu, H. (2021). Future irrigation water requirements of the main crops cultivated in the Niger River Basin. Atmosphere. doi: 10.3390/atmos12040439.
Adnan, R., Yuan, X., et al. (2017). Improving Accuracy of River Flow Forecasting Using LSSVR with Gravitational Search Algorithm, Advances in Meteorology, 2017, 1-23. doi: 10.1155/2017/2391621
Aichouri, I., Hani, A., Bougherira, N., Djabri, L., Chaffai, H., & Lallahem, S. (2015). River flow model using artificial neural networks. Energy Procedia, 74, 1007–1014. doi: 10.1016/j.egypro.2015.07.785
Albared, M., Beise, H. P., & Stuber, M. (2024). Deep learning models for small rivers stream-flow forecasting and flood prediction. Research Square (Preprint, Version 1).
Armstrong, J. S. (2001). Evaluating forecasting methods. In Principles of forecasting: A handbook for researchers and practitioners (pp. 443–472).
Araujo, P., Astray, G., Ferrerio-Lage, J. A., Mejuto, J. C., Rodríguez-Suárez, J. A., & Soto, B. (2011). Multilayer perceptron neural network for flow prediction. Journal of Environmental Monitoring, 13(1), 35–41. doi: 10.1039/C0EM00478B
Arbic II, P. R., & Bukshtynov, V. (2024). Efficient gradient-based optimization for reconstructing binary images in applications to electrical impedance tomography. Computational Optimization and Applications, 88(1), 379–403. doi: 10.1007/s10589-024-00553-z
Bak, G., Bae, Y. (2023). Deep learning algorithm development for river flow prediction: PNP algorithm, Soft Computing, 27, 13487-13515. doi: 10.1007/s00500-023-08254-1
Bolshakov, V. (2013). Regression-based Daugava River flood forecasting and monitoring. Information Technology and Management Science, 16(1), 59–63. doi: 10.2478/itms-2013-0021
Elbeltagi, A., Di Nunno, F., Kushwaha, N. L., et al. (2022). River flow rate prediction in the Des Moines watershed (Iowa, USA): A machine learning approach. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 36(11), 3835–3855. doi: 10.1007/s00477-022-02240-3
Hamlet, A. F., & Lettenmaier, D. P. (1999). Columbia River streamflow forecasting based on ENSO and PDO climate signals. Journal of Water Resources Planning and Management, 125(6), 333–341.
Hayder, G., Solihin, M. I. (2020). Modelling of River Flow Using Particle Swarm Optimized Cascade-Forward Neural Networks: A Case Study of Kelantan River in Malaysia, Applied Sciences. doi: 10.3390/app10238670
Hsieh, B., & Bartos, C. L. (2000). Riverflow/River stage prediction for military applications using artificial neural network modeling. doi: 10.21236/ADA382991
Stanford, J. A., Thompson, A., Asher, E., Gregory, S. V., Reeves, G., Ratliff, D., Bouwes, N., Frissell, C., & Williams, R. N. (2023). Columbia River Basin. In Rivers of North America (2nd ed., pp. 558–615). Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12-818847-7.00020-3
Kedam, N., Tiwari, D., Kumar, V., Kh M., & Salem, M. A. (2024). River stream flow prediction through advanced machine learning models for enhanced accuracy. Results in Engineering, 22, 102215. doi: 10.1016/j.rineng.2024.102215
Mahaki, B., Jafari, S., Rezaei, M., & Solooki, L. (2024). Types of correlation coefficients in medical research using SPSS and R software. Isfahan Medical School Journal, 42(773), 560–573.
Morháč, M., Matoušek, V. (2008). Peak clipping algorithms for background estimation in spectroscopic data. Applied spectroscopy, 62(1), 91-106.
Ogunjo, S., Olusola, A., & Olusegun, C. (2024). Predicting river discharge in the Niger River Basin: A deep learning approach. Applied Sciences, 14(1), 12. doi: 10.3390/app14010012
Omer, M. (2013). Analysis of SNIP algorithm for background estimation in spectra measured with LaBr3:Ce detectors. In Proceedings of the XYZ Conference (pp. 123-130). Springer. doi: 10.1007/978-4-431-54264-3 27
Porporato, A., & Ridolfi, L. (2001). Multivariate nonlinear prediction of river flows. Journal of Hydrology, 248, 109–122.
Roshni, T., Jha, M. K., & Drisya, J. (2020). Neural network modeling for groundwater-level forecasting in coastal aquifers. Neural Computing and Applications, 32, 12737–12754. doi: 10.1007/s00521-020-04722-z
Wang, J., Pan, X., Li, W., & Zhang, M. (2020, December). PDSR: Optimization of SNIP pre-pruning algorithm based on dynamic sparsity rate. In 2020 2nd International Conference on Information Technology and Computer Application (ITCA) (pp. 119–124). doi: 10.1109/ITCA52113.2020.00032
Yadav, A., Prasad, B. B. V. S., Mojjada, R. K., Kothamasu, K. K., & Joshi, D. (2020). Application of artificial neural network and genetic algorithm based artificial neural network models for river flow prediction. Rev. d'Intelligence Artif. , 34(6), 745–751. doi: 10.18280/ria.340608
Zanial, W. N. C., Abdul Malek, M. B., Md Reba, M. N., Zaini, N., Ahmed, A. N., Sherif, M., & Elshafie, A. (2023).River flow prediction based on improved machine learning method: Cuckoo Search-Artificial Neural Network. Applied Water Science, 13 (28), 1–10. doi: 10.1007/s13201-022-01830-0
Zhang, Y. (2024). Application of speech recognition technology based on multimodal information in human-computer interaction. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 15(9). doi: 10.14569/IJACSA.2024.0150911