ارزیابی رویکردهای متنوع مدل‌سازی برای فرآیندهای بارش-رواناب در مناطق نیمه‌خشک ایران

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌جوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی آبخیزداری، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس، ایران

2 دانشیار هیدرولوژی مهندسی، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس

3 دانشیار هیدروژئولوژی زیست‌محیطی، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس، ایران

4 دانشیار آمار، گروه آمار، دانشگاه گلستان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: رابطه بارش و رواناب از مفاهیم بنیادین هیدرولوژی به‌شمار می‌رود و بیانگر فرآیندهای پیچیده‌ای نظیر نفوذ، تبخیر و تعرق و تبادل آب میان جریان‌های سطحی و زیرسطحی است که منجر به شکل‌گیری رواناب می‌شوند. در مناطق خشک و نیمه‌خشک بارش‌های نامنظم و شدید، همراه با کمبود داده‌های هیدرومتری و ساختار پیچیده حوضه‌ها، چالش‌های جدی برای مدیریت منابع آب ایجاد کرده است. رودخانه‌ها به‌عنوان شریان‌های حیاتی چرخه هیدرولوژیکی، نقشی اساسی در تأمین آب، تغذیه آبخوان‌ها و پایداری زیست‌بوم‌ها دارند و به‌شدت تحت تأثیر تغییرات بارش قرار می‌گیرند. بهره‌گیری از مدل‌سازی پیشرفته رواناب، به‌ویژه استفاده از رویکردهای داده‌محور همچون یادگیری ماشین و یادگیری عمیق، امکان شناسایی الگوهای غیرخطی و پیش‌بینی دقیق رخدادهای هیدرولوژیکی را فراهم کرده و ابزاری ارزشمند برای تصمیم‌گیری هوشمندانه در مدیریت پایدار منابع آب ارائه می‌دهد. بر این اساس هدف اصلی این پژوهش، ارزیابی و مقایسه عملکرد مدل‌های آماری و داده‌محور، شامل رگرسیون چندکی(QR)، شبکه عصبی پرسپترون چندلایه (MLP)، شبکه عصبی-فازی (ANFIS) و تابع انتقال (TF)، در شبیه‌سازی فرآیند بارش–رواناب در مناطق نیمه‌خشک ایران است.
مواد و روش‌ها: در پژوهش حاضر، به منظور مدل‌سازی فرآیند بارش-رواناب در سه حوضه آبخیز زشک، دهبار و کارده واقع در استان خراسان رضوی، از داده‌های ماهانه ایستگاه‌های هیدرومتری و هواشناسی در دوره آماری 26 ساله (2022-1997) استفاده شد. در گام نخست، به‌منظور بررسی صحت و همگنی سری‌های زمانی داده‌ها، آزمون چاو به‌کار گرفته شد. با توجه به وابستگی مقادیر بارش و رواناب ماهانه به زمان، داده‌ها به‌صورت سری‌های زمانی مرتب گردیدند. برای برازش و مدل‌سازی مقادیر رواناب ماهانه با استفاده از داده‌های بارش به‌منظور پیش‌بینی ۱۲ ماه آینده، از چهار مدل شامل شبکه عصبی پرسپترون چندلایه (MLP)، شبکه عصبی–فازی (ANFIS)، تابع انتقال (TF) و رگرسیون چندکی (QR) بهره گرفته شد. با توجه به این‌که سال‌های نزدیک‌تر به زمان حال اطلاعات دقیق‌تری از شرایط کنونی ارائه می‌دهند، از سال‌ها به‌صورت فرآیند پیش‌رو در مدل‌سازی استفاده شده و تعداد سال‌های مؤثر تعیین گردید. از میان سال‌های آماری مورد بررسی، تمامی سال‌ها برای آموزش مدل‌ها و سری زمانی یک سال به‌منظور اعتبارسنجی به‌کار رفت. اعتبارسنجی مدل‌های برازش داده شده با استفاده از سه معیار استاندارد میانگین قدر مطلق خطا (MAE)، مجذور میانگین مربعات خطا (RMSE) و ضریب تعیین (R2) ارزیابی شد. شایان ذکر است که در این پژوهش به‌منظور انجام محاسبات آماری از نرم‌افزارهای R (بسته‌های quantreg و frbs)، SAS، MINITAB و SPSS استفاده شد.

یافته‌ها: بررسی روند سری‌های زمانی بارش و رواناب ماهانه در سه آبخیز مورد مطالعه نشان داد که این حوضه‌ها دارای ساختارهای متفاوتی هستند. تحلیل نمودارهای خودهمبستگی متقابل بیانگر وجود ارتباط تاخیری بین سری‌های زمانی بارش و رواناب در سه آبخیز منتخب است. بر این اساس، اثر مستقیم بارش بر رواناب در حوضه‌های آبخیز زشک و دهبار با حداکثر تأخیر یک‌ ماهه و در حوضه آبخیز کارده، به‌دلیل شرایط کوهستانی و سهم بالاتر برف در رژیم بارندگی، با حداکثر تأخیر سه‌ ماهه مشاهده شد. تعداد سال‌های مؤثر در مدل‌سازی با استفاده از فرآیند پیش‌رو برای حوضه‌ های آبخیز زشک، دهبار و کارده به‌ترتیب ۱۷، ۱۹ و ۹ سال تعیین گردید که بهترین عملکرد مدل‌ها را فراهم کرده است. بررسی نتایج اعتبارسنجی مدل‌ها با شاخص‌های MAD، RMSE و R² حاکی از آن است که مدل MLP در مقایسه با سایر مدل‌ها، دقیق‌ترین برآورد رواناب ماهانه را در آبخیزهای زشک، دهبار و کارده (به‌ترتیب RMSE=0.0032, 0.0028, 0.0123m3/s) ارائه می‌دهد. پس از آن، مدل ANFIS (RMSE=0.0146, 0.0044, 0.0186 m3/s) در رتبه دوم قرار دارد. اعتبارسنجی مدل‌ها همچنین نشان‌دهنده شباهت قابل‌توجه نتایج مدل‌سازی دو روش MLP و ANFIS است. پس از این دو مدل، رگرسیون چندکی (QR) بالاترین دقت را در آبخیزهای زشک، دهبار و کارده ارائه داد (به‌ترتیب RMSE=0.0344, 0.0293, 0.0444m3/s). مدل تابع انتقال (TF) نیز مشابه مدل QR نتایج نسبتا مناسبی در تشخیص روند و ارزیابی دقت ارائه کرده است؛ اما در مقایسه با سه مدل دیگر، ضعیف‌ترین عملکرد را در آبخیزهای زشک، دهبار و کارده داشته است (به‌ترتیب RMSE=0.0344, 0.0378, 0.0510m3/s). نتایج اعتبارسنجی همچنین بیانگر شباهت زیاد نتایج مدل‌سازی رواناب ماهانه در دو روش TF و QR بود. بر اساس ضریب تعیین (R²) برای مدل‌ها، می‌توان نتیجه گرفت که سهم قابل‌توجهی از واریانس متغیر وابسته به‌طور قابل قبولی توسط متغیرهای مستقل توضیح داده شده است؛ بنابراین، همه مدل‌ها از دقت مناسبی برخوردارند.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که چهار مدل مورد استفاده، شامل MLP، ANFIS، QR و TF، با وجود تفاوت در میزان دقت، عملکرد قابل قبولی در شناسایی الگو ها و مدل‌ سازی تغییرات سری‌های زمانی خروجی بر اساس داده‌های ورودی نشان داده‌اند. بر این اساس، می‌توان از این مدل‌ها به‌عنوان ابزارهایی کارآمد و مؤثر برای پیش‌بینی رواناب ماهانه بر مبنای میزان بارش در منطقه‌ مورد مطالعه بهره گرفت.در هیچ‌یک از مدل‌های بررسی‌شده شواهدی از بیش‌برازش یا کم‌برازش مستمر که منجر به کاهش دقت و کارایی مدل‌ها شود، مشاهده نشد. با این حال، مقایسه شاخص‌های ارزیابی نشان داد که از نظر دقت، مدل‌ها به‌ترتیب شامل MLP، ANFIS، QR و TF بوده‌اند. با توجه به نوسانات بالای بارش در استان خراسان رضوی، انتظار می‌رفت مدل QR که برای نقاط حدی سازوکار متفاوتی نسبت به مقادیر متوسط در نظر می‌گیرد، دقت بالاتری داشته باشد؛ با این حال دقت آن نسبت به دو مدل MLP و ANFIS به‌طور چشمگیری پایین‌تر بود. اگرچه مدل TF از نظر دقت نسبت به سایر مدل‌ها ضعیف‌تر عمل کرده است، اما این مدل در شناسایی تأخیر زمانی در اثرگذاری بین متغیرهای ورودی (بارش) و خروجی (رواناب) نقش قابل‌ توجهی ایفا می‌کند. علاوه‌ بر این، ساختار مدل TF چارچوب مناسبی برای تبیین فرآیندهای هیدرولوژیکی و نحوه اثرگذاری بارش بر رواناب به‌صورت یک مدل فرآیند محور فراهم کرده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Diverse Modeling Approaches for Rainfall–Runoff Processes in Semi-Arid Regions of Iran

نویسندگان [English]

  • Akram Heydari 1
  • Nader Jandaghi 2
  • Mojtaba Ghareh Mahmoodlu 3
  • Majid Azimmohseni 4
1 M.Sc. Student in Watershed Sciences and Engineering, Department of Rangeland and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Gonbad Kavous, Iran,
2 Associate Professor in Engineering Hydrology, Department of Rangeland and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Gonbad Kavous University,
3 Associate Professor in Environmental Hydrogeology, Department of Rangeland and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Gonbad Kavous, Iran
4 Associate Professor in Statistics, Department of Statistics, Faculty of Science, Golestan University, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: The relationship between rainfall and runoff is a fundamental concept in hydrology, reflecting complex processes such as infiltration, evapotranspiration, and water exchange between surface and subsurface flows that ultimately lead to runoff generation. In arid and semi-arid regions, irregular and intense rainfall events, coupled with limited hydrometric data and the intricate structure of watersheds, pose significant challenges for water resources management. Rivers, as vital components of the hydrological cycle, play a crucial role in water supply, aquifer recharge, and ecosystem sustainability, and are highly sensitive to variations in precipitation. Advanced runoff modeling, particularly through data-driven approaches such as machine learning and deep learning, has enabled the identification of nonlinear patterns and the accurate prediction of hydrological events, providing valuable tools for informed decision-making in sustainable water resources management. Accordingly, the primary objective of this study is to evaluate and compare the performance of statistical and data-driven models, including Quantile Regression (QR), Multi-Layer Perceptron (MLP), Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS), and Transfer Function (TF), in simulating the rainfall–runoff process in the semi-arid regions of Iran.
Materials and Methods: In the present study, monthly data from hydrometric and meteorological stations in three watersheds, Zoshk, Dehbar, and Kardeh, located in Khorasan Razavi Province, were used to model the rainfall–runoff process over 26 years (1997–2022). As an initial step, the Chow method was employed to assess the accuracy and homogeneity of the time series data. Given the temporal dependency of monthly rainfall and runoff data, the data were structured as a time series for further analysis. To simulate and forecast monthly runoff for the next 12 months based on rainfall data, four models were utilized: multilayer perceptron (MLP) neural network, adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), transfer function (TF), and quantile regression (QR). Considering that more recent years provide more accurate insights into current conditions, a forward selection approach was adopted to determine the effective number of years for modeling. Among the available years, all but one were used for model training, and the remaining year was reserved for validation. The performance of the calibrated models was evaluated using three standard metrics: mean absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), and the coefficient of determination (R²). It is noteworthy that statistical analyses and computations in this study were performed using R software (quantreg and frbs packages), SAS, MINITAB, and SPSS.
Results: The analysis of the monthly trend of rainfall and runoff time series in the three studied watersheds revealed that these basins exhibit distinct structural characteristics. Cross-correlation analysis indicates the presence of a lagged relationship between rainfall and runoff time series in the three selected watersheds. Specifically, the direct effect of precipitation on runoff was observed with a maximum lag of one month in the Zoshk and Dehbar watersheds, while in the Kardeh watershed—due to its mountainous conditions and the higher contribution of snow in the precipitation regime—a maximum lag of three months was identified. The effective number of years for modeling, determined through a forward selection process, was found to be 17, 19, and 9 years for the Zoshk, Dehbar, and Kardeh watersheds, respectively, providing optimal model performance. The validation results of the models using MAD, RMSE, and R² indices indicate that the MLP model provides the most accurate estimation of monthly runoff in the Zoshk, Dehbar, and Kardeh watersheds (RMSE = 0.0032, 0.0028, and 0.0123 m³/s, respectively) compared to the other models. Following MLP, the ANFIS model ranked second in performance (RMSE = 0.0146, 0.0044, and 0.0186 m³/s, respectively). The validation results further revealed considerable similarity between the simulation outputs of the MLP and ANFIS models. After these two models, the quantile regression (QR) approach exhibited the next highest accuracy in the Zoshk, Dehbar, and Kardeh watersheds (RMSE = 0.0344, 0.0293, and 0.0444 m³/s, respectively). The transfer function (TF) model also provided relatively satisfactory results in identifying trends and evaluating prediction accuracy; however, it exhibited the weakest performance among the four models in the Zoshk, Dehbar, and Kardeh watersheds (RMSE = 0.0344, 0.0378, and 0.0510 m³/s, respectively). Validation results also indicated notable similarities between the simulation outputs of the TF and QR models. Based on the coefficient of determination (R²) for the models, it can be concluded that a substantial proportion of the variance in the dependent variable was adequately explained by the independent variables. Therefore, all four models demonstrated acceptable levels of predictive accuracy.
Conclusion: The results of this study indicated that the four models employed, including MLP, ANFIS, QR, and TF, despite differences in accuracy, demonstrated satisfactory performance in identifying patterns and modeling variations in output time series based on input data. Accordingly, these models can be considered efficient and effective tools for predicting monthly runoff based on precipitation in the study area. No evidence of persistent overfitting or underfitting, which could reduce the models’ accuracy and efficiency, was observed in any of the approaches. Nevertheless, a comparison of the evaluation metrics indicated that, in terms of predictive accuracy, the models ranked in the following order: MLP, ANFIS, QR, and TF. Given the high variability of precipitation in Khorasan Razavi Province, it was initially expected that the QR model, designed to handle extreme values differently from average values, would achieve superior accuracy. However, its performance was noticeably lower than that of the MLP and ANFIS models. Although the TF model demonstrated lower accuracy compared to the other models, it played a significant role in identifying time lags in the relationship between input variables (rianfall) and output variables (runoff). Moreover, the structure of the TF model provides a suitable framework for explaining hydrological processes and representing the influence of rainfall on runoff within a process-based modeling perspective.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Khorasan Razavi Province
  • Transfer Function
  • Quantile Regression
  • Rainfall-Runoff Modeling
  • Artificial Intelligence