مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مقایسه عملکرد مدل‌های XBeach، LightGBM و DBN به‌منظور پیش‌بینی سیلاب (مطالعه موردی: حوزه‌آبخیز طالقان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
چکیده
چکیده مبسوط
مقدمه: در دهه‌های اخیر، افزایش شدت و فراوانی رخدادهای سیلابی به‌دلیل تغییرات اقلیمی، رشد شهرنشینی و تخریب اراضی به یکی از چالش‌های اصلی در مدیریت جامع حوزه­های آبخیز و آبخیزداری شهری تبدیل شده است. وقوع سیلاب‌های ناگهانی در حوزه‌های کوهستانی کشور ازجمله حوزه آبخیز طالقان، پیامدهایی نظیر فرسایش خاک، آسیب به زیرساخت‌ها و تهدید منابع آبی را در پی دارد. در این میان، پیش‌بینی دقیق دبی سیلاب و رفتار هیدرولوژیکی حوزه‌های آبخیز، لازمه تصمیم‌گیری به‌موقع در سامانه‌های هشدار سریع و مدیریت ریسک است. در این راستا. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی و مقایسه عملکرد سه مدل XBeach،DBN و LightGBM به‌مظور پیش‌بینی دبی بیشینه ماهانه سیلاب در حوزه آبخیز طالقان انجام گرفت.
موادوروش‌ها: داده‌های مورد استفاده شامل سری‌های زمانی دبی ماهانه ایستگاه‌های هیدرومتری منطقه طی دوره ۳۰ ساله (1400–1371) بود. برای ارزیابی اثر حافظه زمانی، چهار ترکیب فصلی مختلف طراحی شد که به‌ترتیب شامل تأخیرهای یک تا چهار فصل (هر فصل سه ماهه) در مدل‌سازی دبی بودند. داده‌ها پس از پیش‌پردازش، استانداردسازی و تفکیک به مجموعه‌های آموزش (80 درصد) و آزمون (20 درصد) در قالب سه مدل در نرم‌افزار برنامه نویسیR مورد بررسی قرار گرفتند. مدل فیزیکی XBeach به‌عنوان پایه فرآیندی تحلیل شد درحالی‌که مدل DBN با استفاده از ساختار شبکه‌های بیزین دینامیکی و لایه‌های پنهان احتمالاتی به‌منظور بازنمایی وابستگی‌های زمانی داده‌ها پیاده‌سازی گردید. مدل LightGBM نیز به‌صورت گرادیان تقویتی درختی و با بهینه‌سازی پارامترهای یادگیری و رشد غیرسطحی درختان طراحی شد. ارزیابی عملکرد مدل‌ها با استفاده از شاخص‌های آماری NSE، RMSE، MAE و ضریب همبستگی (R) انجام پذیرفت.
نتایج و بحث: نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که مدل LightGBM در تمامی ایستگاه‌ها و در تمام ترکیب‌های زمانی به‌طور محسوس عملکرد بهتری نسبت به دو مدل دیگر داشته است. این مدل با ثبت مقادیر شاخص نش- ساتکلیف در بازه 908/0 تا 931/0 و ضریب همبستگی بین 896/0 تا 918/0، بالاترین میزان انطباق با داده‌های مشاهده‌شده را نشان داد. همچنین مقادیر خطای RMSE برای مدل LightGBM در ایستگاه‌های مورد مطالعه در بازه 079/0 تا 131/0 قرار داشت که بیان‌گر دقت بالای مدل در پیش‌بینی دبی بیشینه ماهانه است. مدل DBN عملکرد خوبی با مقادیر نش-ساتکلیف بین 864/0 تا 896/0 و ضریب همبستگی 816/0 تا 832/0 ارائه داد در حالی که مدل عددی XBeach با ثبت مقادیر نش- ساتکلیف 834/0 تا 862/0 و همبستگی 807/0 تا 823/0 دقت پایین‌تری نسبت به دو مدل داده‌محور داشت. با وجود برتری نسبی مدل DBN نسبت به XBeach، اختلاف عملکرد این دو مدل در اغلب ترکیب‌های زمانی از نظر آماری معنی­دار نبود. علاوه بر این، توانایی مدل LightGBM در بازتولید نوسانات فصلی و روندهای شدید جریان نسبت به سایر مدل‌ها چشم‌گیرتر بود. مدل DBNنیز در مقایسه با XBeach عملکرد بهتری داشت اما اختلاف آماری حاصل از معیارهایِ ارزیابیِ میان این دو مدل در اکثر ترکیب‌ها قابل‌توجه نبود. با توجه به پیچیدگی ساختار شبکه‌ای، زمان محاسبات بالا و هزینه تنظیم پارامترهای DBN، استفاده از مدل عددی XBeach به‌عنوان گزینه‌ای کارآمدتر از نظر اقتصادی و اجرایی توصیه می‌شود. در مقابل، توانایی LightGBM در ترکیب ویژگی‌های غیرخطی داده‌های ورودی و یادگیری الگوهای پیچیده سبب شد تا این مدل به‌عنوان دقیق‌ترین و پایدارترین گزینه برای پیش‌بینی جریان معرفی گردد.
نتیجه‌گیری: بررسی‌های همبستگی میان داده‌های مشاهداتی و پیش‌بینی‌شده نشان داد که نقاط حاصل از مدل LightGBM بیش‌ترین تراکم را در امتداد خط همبستگی یک‌به‌یک داشته و کم‌ترین پراکندگی را نشان می‌دهند در حالی‌که مدل‌های XBeach و DBN انحراف بیش‌تری از خط همبستگی داشتند. این یافته‌ها با نتایج مطالعات اخیر که کارایی الگوریتم‌های گرادیان تقویتی در پیش‌بینی جریان و سیلاب را گزارش کرده‌اند، مطابقت دارد. در مجموع، یافته‌های پژوهش حاضر بیان‌گر آن است که با بهره‌گیری از مدل‌های داده‌محور سبک و سریع مانند LightGBM می‌توان باعث توسعه سامانه‌هایِ پیش‌بینیِ سیلاب در حوضه‌های کوهستانی نظیر طالقان شد. دقت بالا، قابلیت به‌روزرسانی سریع، نیاز محاسباتی پایین و امکان ادغام با داده‌های سنجش‌‌ازدور این مدل را به گزینه‌ای مناسب برای کاربرد در سامانه‌هایِ هشدارِ سریع و مدیریتِ هوشمندِ منابع آب تبدیل کرده است. با توجه به پیچیدگی ساختار شبکه‌ای و هزینه محاسباتی بالاتر DBN، استفاده از مدل XBeach به‌عنوان گزینه‌ای اجرایی‌تر در رتبه دوم پیشنهاد می‌شود. نوآوری اصلی این پژوهش در ارائه یک مقایسه کمی و سیستماتیک بین مدل‌های داده‌محور سبک، یادگیری عمیق و مدل فرآیندی فیزیکی برای پیش‌بینی دبی بیشینه ماهانه و همچنین تحلیل حساسیت عملکرد آن‌ها نسبت به طول حافظه زمانی ورودی‌ها است که منجر به ارائه یک چارچوب تصمیم‌گیری عملیاتی مبتنی بر دقت و هزینه محاسباتی می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

Alizadeh, Z., Yazdi, J., Kim, J. H., & Al-Shamiri, A. K. (2018). Assessment of Machine Learning Techniques for Monthly Flow Prediction. Water, 10(11), 1676. https://doi.org/10.3390/w10111676
Al-Rawas, G., Nikoo, M. R., Al-Wardy, M., & Etri, T. (2024). A Critical Review of Emerging Technologies for Flash Flood Prediction: Examining Artificial Intelligence, Machine Learning, Internet of Things, Cloud Computing, and Robotics Techniques. Water, 16(14), 2069. https://doi.org/10.3390/w16142069
Brunner, M.I., Slater, L., M.Tallaksen, L., & Clark, M. (2021). Challenges in modeling and predicting floods and droughts: A review. WIREs Water, 8(3), 2049-1948. https://doi.org/10.1002/wat2.1520
Chang, L., Bai, Y., Xue, J., Gong, L., Zeng, F., Sun, H., Hu, Y., Huang, H., & Ma, Y. (2023). Dynamic Bayesian networks with application in environmental modeling and management: A review. Environmental Modelling & Software, 170, 105835, ISSN 1364-8152. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2023.105835.
Chen, J., Zhong, P., An, R., Zhu, F., & Xu, B. (2019). Risk analysis for real-time flood control operation of a multi-reservoir system using a dynamic Bayesian network. Environmental Modelling & Software, 111, 409-420, ISSN 1364-8152. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2018.10.007
Ebrahimi, P., Salamti, A., Mohseni Saravi, M., Malekian, A., & Saedodin, A. (2020). Prediction of Environmental Health by Using Gene Expression and Bayesian Network Techniques in Taleghan Watershed. Pasture and watershed management.73(1), 1-18. (In Persian) https://doi:10.22059/jrwm.2018.250908.1221
Ebrahimi, A., Roozbahani, A., & BaniHabib, M.A. (2018). Groundwater Level Prediction Using Dynamic Bayesian Networks Based on Sensitivity Analysis (Case Study: Birjand Plain). Iranian Water, 12(2), 91-100. (In Persian)
Gan, M., Pan, S., Chen, Y., Cheng, C., Pan, H., & Zhu, X. (2021). Application of the Machine Learning LightGBM Model to the Prediction of the Water Levels of the Lower Columbia River. Journal of Marine Science and Engineering, 9(5), 496. https://doi.org/10.3390/jmse9050496
Gai, Y., Li, L., Li, Z., & Shi, H. (2025). The Optimization of Four Key Parameters in the XBeach Model by GLUE Method: Taking Chudao South Beach as an Example. Journal of Marine Science and Engineering, 13(3), 555. https://doi.org/10.3390/jmse13030555
Goodarzi, L., E.Banihabib, M., Roozbahani, A., & Dietric, J. (2019). Bayesian network model for flood forecasting based on atmospheric ensemble forecasts. Nat. Hazards Earth Syst. Sci, 19, 2513-2524. https://doi.org/10.5194/nhess-19-2513-2019
Ke, G., Meng, Q., Finley, Th., Wang, T., Chen, W., Ma, W., Ye, Q., & Liu, TY. (2017). LightGBM: A Highly Efficient Gradient Boosting Decision Tree. 31st Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 2017), Long Beach, CA, USA. https://doi.org/10.5555/3294996.3295074
Kuhaneswaran, B., Sorwar, G., Alaei, A. R., & Tong, F. (2025). Evolution of Data-Driven Flood Forecasting: Trends, Technologies, and Gaps—A Systematic Mapping Study. Water, 17(15), 2281. https://doi.org/10.3390/w17152281
Kungurtsev, V., Rysavy, P., Idlahcen, F., Rytir, P., & Wodecki, A. (2024). Learning Dynamic Bayesian Networks from Data: Foundations, First Principles and Numerical Comparisons. https://10.48550/arXiv.2406.17585
Kisi, O., Choubin, B., Deo, R. C., & Yaseen, Z. M. (2019). Incorporating synoptic-scale climate signals for streamflow modelling over the Mediterranean region using machine learning models. Hydrological Sciences Journal, 64(10), 1240-1252. https://doi.org/10.1080/02626667.2019.1632460
Mahmood, MQ., Wang, X., Aziz, F., & Dogulu, N. (2025). Urban flood modelling: Challenges and opportunities - A stakeholder-informed analysis. Environmental Modelling & Software, 191, 106507, ISSN 1364-8152. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2025.106507
Murphy, K., & Weiss, Y. (2013). The Factored Frontier Algorithm for Approximate Inference in DBNs. Appears in Proceedings of the Seventeenth Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence. https://doi.org/10.48550/arXiv.1301.2296
Nayak, M., Das, S., & Senapati, M. R. (2022). Improving Flood Prediction with Deep Learning Methods. Journal of The Institution of Engineers (India), Series B. 103. https://doi.org/10.1007/s40031-022-00720-y
Nakhaei, M., Zanjanian, H., Nakhaei, P., Gheibi, M., Moezzi, R., Behzadian, K., & Campos, L. C. (2024). Comparative Evaluation of Deep Learning Techniques in Streamflow Monthly Prediction of the Zarrine River Basin. Water, 16(2), 208. https://doi.org/10.3390/w16020208
Okacha, A., Salhi, A., Bouchouou, M., & Fattasse, M. (2024). Enhancing flood forecasting accuracy in Data-Scarce regions through advanced modeling approaches. Journal of Hydrology, 645, Part B, 132283, ISSN 0022-1694. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.132283
Pala, A., Mutlu, S., & Guven, A. (2025). Evaluation of machine learning models for streamflow projections under different greenhouse gas emission scenarios. Engineering Research, ISSN 2307-1877. https://doi.org/10.1016/j.jer.2025.06.006
Roohi, M., Ghafouri, H. R., Ashrafi, S. M., Motagh, M., & Haghshenas Haghighi, M. (2025). A hybrid approach for enhanced flood prediction and assessment: Leveraging physical models, deep learning and satellite remote sensing. Big Earth Data, 9(3), 439–472. https://doi.org/10.1080/20964471.2025.2530850
Roelvink, D., Reiners, A., Van Dongeren, a., Thiel de Veris, J., McCall, R., & Lescinski, J. (2009). Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands. Coastal Engineering, 56, 1133-1152. doi:10.1016/j.coastaleng.2009.08.006
Roelvink, D., Reiners, A.D., Van Dongeren, AP., Van Thiel de Veries, J., Lescinski, J., & McCall, R. (2010). XBeach Model Description and Manual. Unesco-IHE Institute for Water Education, Deltares and Delft University of Technology. Page: 3
Szczepanek, R. (2022). Daily Streamflow Forecasting in Mountainous Catchment Using XGBoost, LightGBM and CatBoost. Hydrology, 9(12), 226. https://doi.org/10.3390/hydrology9120226
Yu, J., Li, Y., Huang, X., & Ye, X. (2025). Data quality and uncertainty issues in flood prediction: a systematic review. International Journal of Digital Earth, 18(1), 1-30. https://doi.org/10.1080/17538947.2025.2495738
Zhao, J., Wang, X., Ke, E., & Zhao, Y. (2025). Enhancing urban flood resilience: a LightGBM-NSGA2 hybrid model for impervious surface optimization. Habitat International, 163, 103475, ISSN: 0197-3975. https://doi.org/10.1016/j.habitatint.2025.103475

  • تاریخ دریافت 24 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 03 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 26 بهمن 1404