مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

پیش‌بینی تغییرات سطح آب‌زیر زمینی به کمک یادگیری عمیق و عوامل تأثیرگذار برآن با استفاده از سنجش‌ازدور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، مرکز آموزش عالی میناب، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، هرمزگان، ایران
2 گروه کشاورزی، دانشگاه پیام نور، زابل، سیستان و بلوچستان، ایران
چکیده
چکیده مبسوط
مقدمه: سطح آب زیرزمینی به‌ویژه در کشورهای خشک و نیمه‌خشک از اهمیت حیاتی برخوردار است. در بسیاری از مناطق، بهره‌برداری بیش از حد از سطح آب­زیرزمینی منجر به آسیب­های جبران‌ناپذیری به منابع آب­زیرزمینی شده است. پیش‌بینی سطح آب­زیرزمینی یک چالش کلیدی در تحقیقات هیدروژئولوژیکی، مدیریت مؤثر آبخوان‌ها و ارزیابی حجم آب­زیرزمینی است. هدف از این تحقیق، بررسی و مقایسه کارایی مدل‌های یادگیری عمیق، درخت تصمیم و Gradient Boosted Tree در پیش‌بینی پارامترهای تأثیرگذار بر تراز آب­زیرزمینی آبخوان رودان است.
مواد و روش‌ها: داده‌های تراز آب زیرزمینی ماهانه آبخوان رودان و اطلاعات بارش و دما و تبخیر از ایستگاه‌های هواشناسی منطقه طی سال­های 2000 تا 2020 گردآوری شد. بخش دوم، داده‌های ماهواره‌ای در پلتفرم گوگل ارث انجین داده‌های تراز آب­زیرزمینی آبخوان و پارامترهای مهم شامل شاخص خشکسالی پالمر (PDSI)، شاخص بارش استاندارد شده (SPI)، تبخیر و تعرق پتانسیل (PET)، بارش (Pr)، و شاخص‌های پوشش گیاهی نظیر NDVI، EVI، SAVI،  NDWI وGNDVI  از داده‌های ماهواره‌ای استخراج و پردازش شدند. نرمال‌سازی داده‌ها به‌منظور بهبود عملکرد مدل‌های یادگیری ماشین، و تقسیم‌بندی داده‌ها به دو مجموعه آموزشی (80 درصد) و آزمایشی (20 درصد) برای ارزیابی عملکرد مدل‌ها و جلوگیری از بیش برازش انجام شد. به­منظور بررسی رفتار و مدل­سازی تراز آب­زیرزمینی رودان از10 پارامتر در10 سناریو در سه مدل یادگیری عمیق، درخت تصمیم و GBoost استفاده شد.
نتایج و بحث: در مدل یادگیری عمیق با افزایش تعداد پارامترها در سناریو اول تا سوم میزان دقت مدل کاهش ولی سناریوهای شماره 5 تا 9 با بالاترین همبستگی (86/0) و کمترین میزان خطا (85/0) و درصد خطا (41 درصد) مناسب­ترین سناریوها برای مدل­سازی تغییرات سطح آب­زیرزمینی رودان با متغیرهای بارش تجمعی، شاخص­های NDWI، PDSI، SAVI،NDVI ، EVI، Pr،PET، SPI مشخص نمود. مدل درخت تصمیم از سناریوی اول تا هفتم با افزایش تعداد پارامترها تا حد معینی بهبود دقت را نشان داد. بیشترین دقت مدل با استفاده از ترکیب ورودی‌های بارش تجمعی، NDWI، PDSI ، SAVI، NDVI،EVI  به­دست آمد که RMSE و MSE به­ترتیب برابر با 282/0 و 08/0، درصد خطا و همبستگی به­ترتیب 07/13 و 987/0 بود. مدل GBoost در تمامی سناریوها دقت نسبتاً ثابتی دارد. باتوجه‌به مقادیر کم خطا و درصد خطا، و میزان همبستگی بالا، برآیند معیارهای آماری در این مدل نشان داد که اضافه‌کردن پارامترهای بیشتر، حساسیت کمتری در مدل دارد و تغییرات زیادی در دقت مدل ایجاد نمی‌شود. مدل یادگیری عمیق و درخت تصمیم‌گیری حساسیت بیشتری به پارامترهای ورودی دارند. هم­چنین رفتار مدل یادگیری عمیق و درخت تصمیم­گیری پاسخ نسبتاً مشابهی در پارامترهای ورودی هر سناریو دارد. باتوجه‌به تأخیر زمانی ۴ماهه بارش بر سطح آب­زیرزمینی، مدل یادگیری عمیق پارامترهای بارش، تبخیر و تعرق و شاخص خشکسالی را جز سناریوهای منتخب خود قرار داد. ازاین‌رو می­توان گفت که این مدل باتوجه‌به در برداشتن پارامترهای محیطی بیشتر و بررسی میزان اثرگذاری آنها در مدل­سازی تغییرات سطح آب­زیرزمینی، کارایی، عملکرد و جامعیت بهتری برای آبخوان رودان دارد.
نتیجه‌گیری: نتایج خروجی مدل‌ها نشان داد مدل درخت تصمیم و یادگیری عمیق با مقادیر همبستگی بالا و مقدار خطای کمتر عملکرد بسیار دقیقی در پیش‌بینی تراز آب­زیرزمینی دارند. نمودار پراکندگی پیش‌بینی‌ها و مقادیر واقعی نشان‌دهنده تطابق بسیار نزدیک بین این دو مجموعه‌داده است که بیانگر دقت بالای مدل درخت تصمیم و یادگیری عمیق است. سناریوهای مورد قبول در هر دو مدل شامل شاخص‌های گیاهی است که بیانگر تأثیر قابل‌توجه این پارامتر بر منابع آب­زیرزمینی به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه­خشک است که اصلی‌ترین منبع رطوبتی در این مناطق است. از طرف دیگر مدل یادگیری عمیق شاخص‌های خشکسالی هواشناسی را در مجموعه سناریوهای منتخب خود دارد که بیانگر تأثیر این عوامل کلیدی در تغییرات سطح آب­زیرزمینی منطقه است. از طرفی باتوجه‌به پیچیدگی مدل یادگیری عمیق در انتخاب پارامترهای مهم اثرگذار بر نوسانات سطح آب­زیرزمینی می‌توان این مدل را ابزاری کارآمد و مناسب برای بررسی عوامل مؤثر در تغییرات سطح آب­زیرزمینی آبخوان رودان برشمرد. استفاده از این پارامترهای ورودی در سناریوهای منتخب هر دو مدل پیشنهادی پیش‌بینی می‌تواند به بهبود دقت و کارایی مدل‌ها در مدیریت منابع آب­زیرزمینی کمک نماید. داده‌های مشاهداتی زمینی برای تراز آب­زیرزمینی نیز اهمیت بالای این پارامترها را تأیید می‌نماید.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Abdi, E., Ali, M., Guimarães Santos, C. A., Olusola, A., & Ghorbani, M. A. (2024). Enhancing groundwater level prediction accuracy using interpolation techniques in deep learning models. Groundwater for Sustainable Development, 26,101213. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2024.101213
Alfarrah, N., & Walraevens, K. (2018). Groundwater overexploitation and seawater intrusion in coastal areas of arid and semi-arid regions. Water, 10(2), 143. https://doi.org/10.3390/w10020143 
Afzaal, H., Farooque, A.A., Abbas, F., Acharya, B., & Esau, T. (2020). Groundwater estimation from major physical hydrology components using artificial neural networks and deep learning. Water, 12 (1). 35- 49. https://doi.org/10.3390 /w12010005  
Alizamir, M., Kisi, O., & Zounemat-Kermani, M. (2018). Modelling long-term groundwater fluctuations by extreme learning machine using hydroclimatic data. Hydrology Science Journal. 63 (1), 63–73. https://doi.org/10.1080/02626667.2017.1410891
Bowes, B.D., Sadler, J.M., Morsy, M.M., Behl, M., & Goodall, J.L. (2019). Forecasting groundwater table in a flood prone coastal city with long short-term memory and recurrent neural networks. Water, 11 (5). 1098. https://doi.org/10.3390/w11051098
Barzegar, R., Fijani, E., Moghaddam, A.A., & Tziritis, E. (2017). Forecasting of groundwater level fluctuations using ensemble hybrid multi-wavelet neural network-based models. Science of the Total Environment, 599, 20–31. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.04.189
 Chen, T., & Guestrin, C. (2016). XGBoost: A scalable tree boosting system. Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, 785-794. https://doi.org/10.1145/2939672.2939785
Chen, Y., Chen, W., Chandra P. S.,Saha, A., Chowdhuri, I., Adeli, B., Janizadeh, S., Dineva, A. A., Wang, X., & Mosavi, A. (2021). Evaluation efficiency of hybrid deep learning algorithms with neural network decision tree and boosting methods for predicting groundwater potential. Geocarto International journal, 37(19), 5564–5584. https://doi.org/10.1080/10106049.2021.1920635
Franses, P. H., & Van Dijk, D. (2000). Non-linear time series models in empirical finance. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511754067
Gong, Y., Zhang, Y., Lan, S., & Wang, H. (2016). A comparative study of artificial neural networks, support vector machines and adaptive neuro fuzzy inference system for forecasting groundwater levels near Lake Okeechobee, Florida. Water resources management, 30(1), 375–391. https://doi.org/10.1007/s11269-015-1167-8
Ghobadi, F., & Kang, D. (2023). Application of machine learning in water resources management: a systematic literature review. Water 15(4), 620. https://doi.org/10.3390/w1504062
Ghadami, G., & Poosti, M. (2020). Geochemistry, mineralogy and petrogenesis of Rudan Ultramafics North(Groom mountain), Hormozgan province. Scientific Quarterly Journal of Geosciences, 29(115), 313-324. https://doi.org/10.22071/gsj.2018.111764.1354 (In Persian)
Planning and Budget Organization. (2019). Hormozgan Management and Planning Organization Land planning, supervision and planning affairs. Center for Development Research and Foresight. (pp. 54).
Haas.J., Metz. M., & Neteler, M. (2021). MODIS NDVI and EVI, 16-day time series for Europe at 1 km resolution. https://doi.org/10.5281/zenodo.657385
Huang, X., Gao, L., Crosbie, R.S., Zhang, N., Fu, G., & Doble, R. (2019). Groundwater recharge prediction using linear regression, multi-layer perception network, and deep learning. Water,  11(9), 1879. https://doi.org/10.3390/w11091879
Jena, M., & Dehuri, S. (2020). Decision tree for classification and regression: A state-of-the art review. Informatica Journal, 44(4). https://doi.org/10.31449/inf.v44i4.3023
Kochhar, A., Singh, H., Sahoo, S., Litoria, P.K., & Pateriya, B. (2022). Prediction and forecast of pre-monsoon and post-monsoon groundwater level: Using deep learning and statistical modelling. Modeling Earth Systems and Environment,  8(2), 2317–2329. https://doi.org/10.1007/s40808-021-01235-z
Kadra, A., Lindauer, M., Hutter, F., & Grabocka, J. (2021). Well-tuned Simple Nets Excel on Tabular Datasets. In M. Ranzato, A. Beygelzimer, Y. Dauphin, P. S. Liang, & J. W. Vaughan (Eds.). Advances in Neural Information Processing Systems. 34, pp. 23928–23941. Curran Associates, Inc. https://proceedings.neurips.cc/paper_files/paper/2021/file/c902b497eb972281fb5b4e206db38ee6-Paper.pdf
Kim,G.B. (2020). A study on the establishment of groundwater protection area around a saline waterway by combining artificial neural network and GIS-based AHP. Environmental Earth Sciences Journal, 79 (5), 1–17. https://doi.org/10.1007/s12665-020-8862-3
Khan, J., Lee, E., Balobaid, A.S., & Kim, K. (2023). A comprehensive review of conventional, machine leaning, and deep learning models for groundwater level (GWL) forecasting. Applied Sciences, 13, 2743. https://doi.org/10.3390/app13042743
Lo, W.C., Borja, R.I., Deng, J.H., & Lee, J.W. (2020). Analytical solution of soil deformation and fluid pressure change for a two-layer system with an upper unsaturated soil and a lower saturated soil under external loading. Journal of Hydrology, 588, 124997. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124997
Manna, T., & Anitha, A. (2023). Deep ensemble-based approach using randomized low-rank approximation for sustainable groundwater level prediction. Applied Sciences, 13(5), 3210. https://doi.org/ 10.3390 /app13053210
Malakar, P., Mukherjee, A., Bhanja, S. N., Ray, R. K., Sarkar, S., & Zahid, A. (2021). Machine-learning-based regional-scale groundwater level prediction using GRACE. Hydrogeology Journal, 29, 1027–1042. https://doi.org/10.1007/s10040-021-02306-2
Michael, W.J., Minsker, B.S., Tcheng, D., Valocchi, A.J., & Quinn, J.J. (2005).  Integrating data sources to improve hydraulic head predictions: A hierarchical machine learning approach. Water Resources Research, 41, 1–14. https://doi.org/10.1029/2003WR002802
Miotto, R., Wang, F., Wang, S. Jiang, X., & Dudley, J.T. (2018). Deep learning for healthcare: Review, opportunities and challenges. Brief. Bioinform, 19(6), 1236–1246. https://doi.org/10.1093/bib/bbx044
Nguyen, P.T., Ha, D.H., Jaafari, Nguyen, H.D., Van Phong, T., Al-Ansari, N., Prakash, I., Le, H.V., & Pham, B.T. (2020). Groundwater potential mapping combining artificial neural network and real adaboost ensemble technique: the daknong province case-study, Vietnam. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17 (7), 2473. https://doi.org/10.3390/ijerph17072473
Nadiri, A.A., Chitsazan, N., Tsai, F.T.C., & Moghaddam, A.A. (2014). Bayesian artificial intelligence model averaging for hydraulic conductivity estimation. Journal of Hydrologic Engineering, 19, 520–532. https://doi.org/10.1061/(asce)he.1943-5584.0000824
Paroon, S., Yavari, G., & Rezazadeh, M. (2019). Climate classification of Hormozgan province using classical methods. Geography (Regional Planning), 8(33), 115-127. (In Persian)
Priyan, K. (2021). Issues and challenges of groundwater and surface water management in semi-arid regions. Groundwater Resources Development and Planning in the Semi-Arid Region, 1–17. https://doi.org/10.1007/978-3-030-68124-11
Pham, B.T., Jaafari, A. Prakash, I., Singh, S.K., Quoc, N.K., & Bui, D.T. (2019). Hybrid computational intelligence models for groundwater potential mapping. Catena Journal, 182, 104101. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.104101
Pham, Q. B., Kumar, M.,  Nunno, F. D., Elbeltagi, A., Granata, F., Towfiqul Islam, A. R. M. d.,  Talukdar, S.,  Nguyen, X. C., Ahmed, A.N., & Duong Tran Anh, D. (2022). Groundwater level prediction using machine learning algorithms in a drought-prone area. Neural Computing and Applications, 34, 10751–10773. https://doi.org/10.1007/s00521-022-07009-7
Rahmati, O., & Melesse, A.M. (2016). Application of Dempster–Shafer theory, spatial analysis and remote sensing for groundwater potentiality and nitrate pollution analysis in the semi-arid region of Khuzestan, Iran. Science of Total Environment, 568, 1110–1123 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.06.176
Rajaee, T., Ebrahimi, H.  & Nourani, V. (2019). A review of the artificial intelligence methods in groundwater level modeling. Journal of hydrology, 572, 336–351. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.12.037
Rathinasamy, M., Khosa, R., Adamowski, J., Ch, S., Partheepan, G., & Anand, J. (2014). Wavelet-based multiscale performance analysis: an approach to assess and improve hydrological models. Water Resources Research, 50, 9721–9737. https://doi.org/10.1002/2013wr014650
Radhakrishnan, N., & Pillai, A. (2020). Comparison of Water Quality Classification Models using Machine Learning. 5th International Conference on Communication and Electronics Systems (ICCES), 1183–1188. https://doi.org/10.1109/ICCES48766 .2020.9137903
Sahoo, A. K., Pradhan, C., Barik, R. K., & Dubey, H. (2019). DeepReco: Deep Learning Based Health Recommender System Using Collaborative Filtering. Computation, 7(2), 25.  https://doi.org/10.3390/computation7020025
Sun, J., Hu, L., Li, D., Sun, K., & Yang, Z. (2022). Data-driven models for accurate groundwater level prediction and their practical significance in groundwater management. Journal of Hydrology, 608, 127630. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127630
Singh, S. K., Shirzadi, A., & Pham, B. T. (2021). Application of artificial intelligence in predicting groundwater contaminants. Water Pollut. International Journal of Management Practice, 71–105. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8358-2_4
Singh, A., Patel, S., Bhadani, V., Kumar, V., & Gaurav, K. (2024). AutoML-GWL: automated machine learning model for the prediction of groundwater level. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 127, 107405. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2023.107405
Salamat, A., Ardestani, M., & Malekmohammadi, B. (2023). Modeling Groundwater Potential Using Machine Learning Models. Watershed Management Research, 36(4), 114-132. https://doi.org/10.22092/wmrj.2023.360675.1506 (In Persian)
Tao, H., Hameed, M . M., Marhoon, H. A., Zounemat-Kermani, M., Heddam, S., Kim, S., Sulaiman, S. O., Tan, M. L., Sa’adi, Z., Danandeh Mehr, A., Allawi, M .F., Abba, S.I., Mohamad Zain, M., Falah, M.V., Jamei, M., Bokde, N. D., Bayatvarkeshi, M., Al-Mukhtar, M., Bhagat, S. K., Tiyasha, T., Khedher, K. M., Al-Ansari, N., Shahid, S., & Yaseen, Z. M. (2022b). Groundwater level prediction using machine learning models: a comprehensive review. Neurocomputing Journal, 489, 271–308. https://doi.org/10.1016/j.neucom.2022.03.014
Tran, D.H., & Wang, S.J. (2020). Land subsidence due to groundwater extraction and tectonic activity in Pingtung Plain, Taiwan. Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences, 382, 361–365. https://doi.org/10.5194/piahs-382-361-2020
Wu, T.H., Chen, P.Y., Chen, C.C., Chung, M.J., Ye, Z.K., & Li, M.H. (2024). Classification and Regression Tree (CART)-based estimation of soil water content based on meteorological inputs and explorations of hydrodynamics behind. Agricultural Water Management, 299, 108869. https://doi.org/10.1016/J.AGWAT.2024.108869
Yonghong, S. (2013). Response of NDVI to groundwater level change in the lower reaches of the Heihe River, China. Journal of Desert Research, 33(2), 574-582. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-694X.2013.00079
Zhao, R., Yan, R., Chen, Z., Mao, K., Wang, P., & Gao, R.X. (2019). Deep learning and its applications to machine health monitoring. Mechanical Systems and Signal Processing, 115, 213–237. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.05.050
Zhang, J., Zhang, X., Niu, J., Hu, B. X., Soltanian, M. R., Qiu, H., & Yang, L.( 2019). Prediction of groundwater level in seashore reclaimed land using wavelet and artificial neural network-based hybrid model, Journal of Hydrology, 577, 123948. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.123948
Zhou, Z., Zhao, L., Lin, A., Qin,W., Lu, Y., Li, J., Zhong, Y., & He, L. (2021). Exploring the potential of deep factorization machine and various gradient boosting models in modeling daily reference evapotranspiration in China. Arabian Journal of Geosciences., 13, 1287. https://doi.org/10.1007 /s12517-020-06293-8
Zarei, M., Zandi, R., & Naemitabar, M. (2022). Assessment of flood occurrence potential using data mining models of support vector machine, Chaid and Random Forest (Case study: Frizi watershed). Journal of Watershed Management Research, 13(25), 133-144. https://doi.org/10.52547/jwmr.13.25.133 (In Persian)

  • تاریخ دریافت 01 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 16 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 24 آذر 1403