علوم و مهندسی آب و فاضلاب

علوم و مهندسی آب و فاضلاب

پیش‌بینی کوتاه‌مدت خشک‌سالی هیدرولوژیک با استفاده از روش مبتنی بر یادگیری عمیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده‌ عمران، معماری و هنر، واحد علوم تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 استادیار، دانشکده عمران، معماری و هنر، واحد علوم تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ولی‎عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران
چکیده
خشک‎سالی هیدرولوژیک بر تخصیص آب و تولید برق‌آبی تأثیر می‌گذارد. از این‎جهت پیش‎بینی خشکسالی می‌تواند به مدیریت بهینه منابع آب کمک نماید. در این مقاله، خشکسالی هیدرولوژیکی کوتاه‌مدت بر اساس یادگیری عمیق پیش‌بینی شد. برای این منظور، شاخص استاندارد خشک‎سالی هیدرولوژیک (SHDI) دربازه‌های یک، سه و شش ماه محاسبه شد. سپس، سه حالت کلی برای پیش‌بینی SHDI و 36 ترکیب ورودی-خروجی استخراج شدند. در مرحله بعد، الگوریتم‌های مختلف بهینه‌سازی، ازجمله الگوریتم بهینه‌سازی ملخ، الگوریتم ازدحام نمک، بهینه‌سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی و بهینه‌سازی ازدحام ذرات ترکیب‎شده با ANN برای پیش‌بینی SHDI مورداستفاده قرار گرفتند. در این تحقیق 70% داده‌ها برای آموزش و 30% برای آزمایش مدل‎ها درنظر گرفته شدند. در نهایت عملکرد شبکه عصبی عمیق (DNN) در مقایسه با نتایج مدل‌های ترکیبی و ANN نشان داد که مدل‌های ترکیبی عملکرد بهتری داشته‌اند ولی در مقایسه با یادگیری عمیق توانایی آن‎ها کم‎تر است. یادگیری عمیق بدون نیاز به تعریف ترکیب ورودی‎ها، توانست مقدار RMSE را به 32/0 کاهش دهد.
کلیدواژه‌ها

اقتداری، م.، بذرافشان، ج.، شفیعی، م.، و  حجابی، س.، (1395)، "پیش‌بینی خشک‎سالی جریان رودخانه با استفاده از شاخص SPI  و زنجیره مارکف در حوزه آبریز کرخه"، مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 23(2)، 115-130، https://doi.org/10.22069/jwfst.2016.3058
عظیمی، م.، تجریشی، م.، و ابریشمچی، ا.، (1389)، "پیش‎بینی آورد فصلی سد دز با استفاده از سیگنال‌های بزرگ مقیاس اقلیمی"، نهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، تهران، دانشگاه تربیت مدرس.
علوی‎نیا، س.، ساداتی‎نژاد، س.ج،. و عبدالهی، خ.، (1390)، "ارائه مدلی برای پیش‎بینی خشک‎سالی هیدرولوژیکی در حوضه کارون یک"، پژوهش‌های فرسایش محیطی، 1(1)، 45-55.
علیجانی، ر.، و وفاخواه، م.، (1397)، "پیش‎بینی خشک‎سالی هیدرولوژیک با استفاده از سری‌های زمانی"، مهندسی اکوسیستم بیابان، 7(20)، 45-56.
کرمی، ف.، و برهانی داریان، ع.، (1393)، " مقایسه روش‎های جیره‌بندی در مدیریت مخازن در شرایط خشکسالی"، آب و فاضلاب، 25(3)، 76-85.
کواکبی، غ.، موسوی بایگی، م.، علیزاده، ا.، مساعدی، ا.، و جباری نوقابی، م.، (1399)، "ارائه مدل پیش‌بینی ریسک خشک‎سالی هواشناسی و هیدرولوژیک با روش‌های آماری تحت تأثیر تغییرات اقلیمی (مطالعه موردی: زیرحوضه آبریز افین)." جغرافیا و مخاطرات محیطی، 9(1)، 117-137،
. https://doi.org/10.22067/geo.v9i1.84991
مشایخی، م.ح.، و ذاکری نیری، م.، (1399). "پیش‎بینی خشک‎سالی هواشناسی، هیدرولوژیکی و کشاورزی مبتنی بر روش موجک در تهران"، تحقیقات منابع آب ایران، 16(3)، 120-132.
مفیدی پور، ن.، بردی شیخ، و.، اونق، م.، و سعدالدین، ا. ،(1391)، "بررسی رابطه خشک‎سالی هواشناسی و هیدرولوژیکی در حوزه آبخیز اترک"، پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 3(5)، 16-26.
Agana, N.A., and Homaifar, A., (2017), "A deep learning based approach for long-term drought prediction", IEEE South East Conference, Concord, NC, USA, pp. 1-8, https//doi.org/10.1109/SECON.2017.7925314.
Aghelpour, P., Bahrami-Pichaghchi, H., and Varshavian, V., (2021), "Hydrological drought forecasting using multi-scalar streamflow drought index, stochastic models and machine learning approaches, in northern Iran", Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 35(8), 1615-1635, https://doi.org/10.1007/s00477-020-01949-z.
Cui, A., Li, J., Zhou, Q., Zhu, R., Liu, H., Wu, G., and Li, Q., (2021), "Use of a multiscalar GRACE-based standardized terrestrial water storage index for assessing global hydrological droughts", Journal of Hydrology, 603, 126871, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126871.
Dehghani, M., Riahi-Madvar, H., Hooshyaripor, F., Mosavi, A., Shamshirband, S., Zavadskas, E.K., and Chau, K.-W., (2019), "Prediction of hydropower generation using grey wolf optimization adaptive neuro-fuzzy inference system", Energies, 12(2), 289, https://doi.org/10.3390/en12020289
Dehghani, M., Saghafian, B., Nasiri Saleh, F., Farokhnia, A., and Noori, R., (2014), "Uncertainty analysis of streamflow drought forecast using artificial neural networks and Monte‐Carlo simulation", International Journal of Climatology, 34(4), 1169-1180, https://doi.org/10.1002/joc.3754.
Dehghani, M., Saghafian, B., Rivaz, F., and Khodadadi, A., (2017), "Evaluation of dynamic regression and artificial neural networks models for real-time hydrological drought forecasting", Arabian Journal of Geosciences, 10(12), 1-13. https://doi.org/10.1007/s12517-017-2990-4.
Eberhart, R., and Kennedy, J., (1995), "A new optimizer using particle swarm theory", MHS'95. Proceedings of The Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science, Nagoya, Japan, https://doi.org/10.1109/MHS.1995.494215
Eghbali, A.H., Behzadian, K., Hooshyaripor, F., Farmani, R., and Duncan, A.P., (2017), "Improving prediction of dam failure peak outflow using neuroevolution combined with K-means clustering", Journal of Hydrologic Engineering, 22(6), 04017007,  https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.000150.
Felfelani, F., Movahed, A.J., and Zarghami, M., (2013). "Simulating hedging rules for effective reservoir operation by using system dynamics: A case study of Dez Reservoir, Iran", Lake and Reservoir Management, 29(2), 126-140. https://doi.org/10.1080/10402381.2013.801542.
Heim Jr, R.R., (2002), "A review of twentieth-century drought indices used in the United States", Bulletin of the American Meteorological Society, 83(8), 1149-1166. https://doi.org/10.1175/1520-0477-83.8.1149.
Hooshyaripor, F., and Yazdi, J., (2017), "A new methodology for surcharge risk management in urban areas (case study: Gonbad-e-Kavus city)", Water Science and Technology, 75(4), 823-832, https://doi.org/10.2166/wst.2016.567.
Hooshyaripor, F., Sardari, J., Dehghani, M., and Noori, R. (2022). "A new concept of drought feeling against the meteorological drought", Scientific Reports, 12(1), 16711. https://doi.org/10.1038/s41598-022-21181-9.
Khan, N., Sachindra, D., Shahid, S., Ahmed, K., Shiru, M.S., and Nawaz, N., (2020), "Prediction of droughts over Pakistan using machine learning algorithms", Advances in Water Resources, 139, 103562, https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2020.103562.
Malekmohammadi, B., Zahraie, B. and Kerachian, R., (2011), "Ranking solutions of multi-objective reservoir operation optimization models using multi-criteria decision analysis", Expert Systems and Applications, 38(6), 7851-7863, https://doi.org/10.1016/j.eswa.2010.12.119.
Mirjalili, S., Gandomi, A.H., Mirjalili, S.Z., Saremi, S., Faris, H., and Mirjalili, S.M., (2017), "Salp Swarm Algorithm: A bio-inspired optimizer for engineering design problems", Advances in Engineering software, 114, 163-191, https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2017.07.002
Nabipour, N., Dehghani, M., Mosavi, A., and Shamshirband, S., (2020), "Short-term hydrological drought forecasting based on different nature-inspired optimization algorithms hybridized with artificial neural networks", IEEE Access, 8, 15210-15222. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2964584
Rivera, J.A., Otta, S., Lauro, C., and Zazulie, N., (2021). "A decade of hydrological drought in Central-Western Argentina", Frontiers in Water, 3, 28, https://doi.org/10.3389/frwa.2021.640544.
Salimi, H., Asadi, E., and Darbandi, S., (2021), "Meteorological and hydrological drought monitoring using several drought indices", Applied Water Science, 11(2), 1-10, https://doi.org/10.1007/s13201-020-01345-6.
Simon, D., (2008), "Biogeography-based optimization", IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 12(6), 702-713, https://doi.org/10.1109/TEVC.2008.919004
Vicente-Serrano, S.M., Van der Schrier, G., Beguería, S., Azorin-Molina, C., and Lopez-Moreno, J.-I., (2015), "Contribution of precipitation and reference evapotranspiration to drought indices under different climates", Journal of Hydrology, 526, 42-54, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.11.025.
Williams, A.P., Cook, E.R., Smerdon, J.E., Cook, B. I., Abatzoglou, J.T., Bolles, K., Baek, S.H., Badger, A.M., and Livneh, B., (2020), "Large contribution from anthropogenic warming to an emerging North American megadrought", Science, 368(6488), 314-318,  https://doi.org/10.1126/science.aaz9.
Yu, Q., Wang, S., He, H., Yang, K., Ma, L., and Li, J., (2021). "Reconstructing GRACE-like TWS anomalies for the Canadian landmass using deep learning and land surface model", International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 102, 102404, https://doi.org/10.1016/j.jag.2021.102404.
دوره 9، شماره 2
تابستان 1403
صفحه 3-16

  • تاریخ دریافت 01 بهمن 1401
  • تاریخ بازنگری 09 شهریور 1402
  • تاریخ پذیرش 22 شهریور 1402