با همکاری انجمن هیدرولیک ایران

مقایسه عملکرد مدل‌های هوش مصنوعی در پیش‌بینی تراز آب زیرزمینی: آبخوان زاوه-تربت‌حیدریه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه تربت حیدریه، تربت حیدریه، ایران.

2 گروه علمی مهندسی برق و رایانه، واحد تربت حیدریه، دانشگاه آزاد اسلامی، تربت حیدریه، ایران.

3 گروه علمی مهندسی کشاورزی، واحد تربت حیدریه، دانشگاه آزاد اسلامی، تربت حیدریه، ایران.

10.22077/jaaq.2026.11594.1148
چکیده
منابع آب زیرزمینی از حیاتی‌ترین و راهبُردی‌ترین منابع آب شیرین در اقلیم‌های خشک و نیمه‌خشک محسوب می‌شوند. برداشت بی‌رویه از این منابع، افت شدید تراز آب و پیامدهای زیست‌محیطی ناگواری را به همراه داشته است. پژوهش حاضر با هدف به‌کارگیری و ارزیابی کارایی سیستم‌های هوشمند برای پیش‌بینی دقیق تغییرات تراز سطح آب زیرزمینی در آبخوان زاوه - تربت حیدریه با رویکرد مدیریت بهینه منابع آب انجام شده است.
در این تحقیق، از داده‌های ماهانه تراز سطح آب زیرزمینی ۱۸ چاه مشاهداتی (پیزومتر) در یک دوره ۲۰ساله (۱۳۷۵ تا ۱۳۹۵) استفاده شد. بدین منظور، مدل‌های داده‌محور شامل شبکه عصبی پرسپترون چندلایه (MLP)، شبکه تابع پایه شعاعی (RBF) و سامانه استنتاج عصبی-فازی تطبیقی (ANFIS) توسعه یافتند. برای تضمین استحکام مدل‌ها و جلوگیری از بیش‌برازش، روش اعتبارسنجی متقاطع K-(K-fold) با k=5 به کار گرفته شد. متغیرهای ورودی مدل شامل پارامترهای اقلیمی تبخیر، حداکثر و حداقل دما، بارندگی کل، میانگین رطوبت نسبی، گام زمانی (ماه) و تراز آب زیرزمینی با تأخیر زمانی (ماه قبل) و متغیر خروجی، تراز فعلی سطح آب تعیین شد.
یافته‌های پژوهش نشان داد که هر سه مدل هوشمند از دقت قابل‌ قبولی در پیش‌بینی نوسانات برخوردارند؛ بااین‌حال، الگوریتم عصبی-فازی (ANFIS) عملکرد برتری در تخمین تراز ماهانه آب زیرزمینی دارد. میزان میانگین مربعات خطا (RMSE) برای مدل‌های MLP،RBF وANFIS به ترتیب 026/0، 062/0 و 003/0 متر به دست آمد. نتایج این پژوهش کارایی بالای مدل‌های ترکیبی هوش مصنوعی، به‌ویژه سامانه ANFIS را در تحلیل سیستم‌های هیدرولوژیکی پیچیده و غیرخطی تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Comparative Performance of Artificial Intelligence Models for Groundwater Level Prediction: The Zaveh–Torbat Heydarieh Aquifer

نویسندگان English

Ehsan Bahrami Jovein 1
Iman Zabbah 2
Marjan Hosseini 3
alireza Roshani 3
1 1. Assistant Professor, Civil Engineering Department, University of Torbat Heydarieh, Torbat Heydarieh, Iran.
2 Department of Electrical and Computer Engineering, ToH.C., Islamic Azad University, Torbat Heydarieh, Iran.
3 Department of Water Engineering, ToH.C., Islamic Azad University, Torbat Heydarieh, Iran.
چکیده English

Groundwater resources are considered among the most vital and cost-effective sources of freshwater in arid and semi-arid climates. Excessive extraction from these resources has led to a severe drop in the water table and adverse environmental consequences. The present study was conducted to apply and evaluate the efficiency of neuro-fuzzy inference systems at a local scale to accurately predict groundwater level fluctuations in the Zaveh-Torbat-e Heydarieh aquifer with an approach toward the optimal management of water resources.

In this research, monthly groundwater level data from 18 observation wells (piezometers) over a 20-year period (1996–2016) were utilized. For this purpose, data-driven models including Multilayer Perceptron (MLP) neural network, Radial Basis Function (RBF) network, and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) were developed. To guarantee model robustness and prevent overfitting, the $k$-fold cross-validation method (with $k=5$) was employed. The input variables of the model included climatic parameters of evaporation, maximum and minimum temperatures, total rainfall, average relative humidity, time step (month), and time-lagged groundwater level (previous month), while the current water level was defined as the output variable.

The research findings indicated that all three intelligent models possess acceptable accuracy in predicting fluctuations; however, the neuro-fuzzy algorithm (ANFIS) demonstrated highly superior performance in estimating the monthly groundwater level. (RMSE) values for the MLP, RBF, and ANFIS models were obtained as 0.026, 0.062, and 0.003 m, respectively.

The results of this study confirm the high efficiency of hybrid artificial intelligence models, particularly the ANFIS system, in analyzing complex and non-linear hydrological systems.

کلیدواژه‌ها English

Artificial intelligence
data-driven models
groundwater level
Zaveh-Torbat Heydariyeh aquifer