mohammad isazadeh
-
تولید چند برابری محصولات کشاورزی در محیط گلخانه نسبت به محیط باز به ازای مصرف آب برابر یکی از راه کارهای مهم در استفاده بهینه از منابع آب می باشد. در این تحقیق سه سناریو بدبینانه، عادی و ایده آل جهت توسعه شهرک های گلخانه ای در حوضه آبریز آجی چای تنظیم گردید. جهت ارزیابی اثرات اجرای سناریوهای توسعه شهرک های گلخانه ای از مدل ابزار ارزیابی آب و خاک (SWAT) در بازه زمانی 2016- 1987استفاده گردید. شاخص های آماری حاکی از دقت بالای شبیه سازی در کلیه ده ایستگاه آب سنجی می باشد، به طورری که در ایستگاه آخولا (خروجی حوضه) آماره های همبستگی، نش-ساتکلیف و جذر میانگین مربعات خطا در دوره واسنجی به ترتیب برابر با 92/0، 83/0 و 48/6 مترمکعب بر ثانیه و در دوره صحت سنجی به ترتیب برابر با 86/0، 73/0 و 23/3 مترمکعب بر ثانیه بوده است. توسعه شهرک های گلخانه ای با مساحت 1875 هکتار در حوضه آجی چای به ازای سناریو اول و دوم به ترتیب موجب افت متوسط 68/11 و 41/4 متری و به ازای سناریو سوم موجب افزایش 86/3 متری متوسط تراز آب زیرزمینی آبخوان های حوضه آجی چای نسبت به شرایط اولیه گردیده است. در انتهای دوره شبیه سازی سناریو سوم، افزایش حجم جریان در ایستگاه آب سنجی آخولا به میزان 5/28 میلیون مترمکعب در سال بوده است. نتایج سناریو سوم نشان داد که از کل حجم کاهش یافته از برداشت آب های زیرزمینی، 24 درصد آن از طریق رودخانه ها به دریاچه ارومیه تخلیه گردیده، 38 درصد آن مربوط به آب برگشتی آبیاری سنتی بوده و بخش دیگر آن صرف افزایش برداشت بخش کشاورزی از آب های زیرزمینی و رودخانه ها گردیده است.
کلید واژگان: آب زیرزمینی، تغذیه رودخانه، حوضه آبریز آجی چای، شهرک گلخانه ای، مدل SWATBackground and ObjectivesIn arid and semi-arid regions, meeting the environmental need of rivers and natural lakes is drastically diminished due to the climate changes, drought, and mismanagement of the water supply and distribution in agricultural activities. The closed basins, like Lake Urmia, are more sensitive to reducing the environmental need, climate change and drought. In Lake Urmia basin with arid and semi-arid climate, water shortage and high demand for water consumption in agricultural activities have caused to increase the free accessibility of the extraction of the surface water and groundwater resources. Therefore, in arid and semi-arid regions, it is necessary to implement an integrated dynamic system (IDS) for water consumption management in all sectors of water consumption, including drinking, industrial, and agriculture needs to stabilize the groundwater resources; hence, the optimal use of water resources to increase production capacity per unit of water consumption is a fundamental solution to meet the nutritional needs of humans and improve the economic conditions of operators. The multiplication of greenhouse agricultural products compared to the open-field cultivation for the same water consumption is one of the crucial solutions in the optimal use of water resources.
MethodologyThe Ajichay basin with an area of 12600 km2 is one of the greatest sub-basins of Lake Urmia. The average annual temperature of this basin is 11.3oC and the average annual precipitation is 320 mm. The soil and water assessment tool (SWAT) model was used to evaluate the impacts of the implementation of development scenarios of greenhouse towns. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is considered as a comprehensive hydrological model to evaluate the impacts of different factors such as climate changes, land use variations, changes in irrigation methods, agricultural management, and greenhouse development on runoff volume and groundwater level fluctuations. In this study, the SWAT model has been calibrated and verified using a 30 m digital elevation model (DEM), a soil map with 217 homogeneous zones, 5 land use maps from 1987 to 2016, data gathered from 10 hydrometric stations and more than 50 meteorological stations, hydrological studies and field measurements. In the present study, two scenarios were adopted according to the current policies of greenhouse towns development in Iran and an ideal scenario (third scenario) was also considered for the development of greenhouse towns. The first scenario for the development of greenhouse settlements was adjusted using new water resources with the aim of increasing the production of agricultural products in the region. The second scenario is based on the removal of part of the arable lands of each aquifer and the use of harvested water from the removed lands in the development of greenhouse settlements. The third scenario was based on the average production statistics in open and closed environment in Ajichay catchment, in order to maintain the current production per hectare. In modelling the Ajichay basin, the time periods of 1987-1991, 1992-2009, and 2010-2016 have been assigned to the model adaptation to the basin conditions, calibration, and verification, respectively. The statistical criteria comprising correlation coefficient (CC), Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), and root mean square error (RMSE) have been utilized to evaluate model performance for stream flow simulation in hydrometric stations.
FindingsStatistical criteria indicated the high accuracy of simulation for all ten hydrometric stations. At Akhula station (watershed outlet), the statistics including correlation coefficient (R), Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), and root mean square error (RMSE) were 0.92, 0.83 and 6.48 m3 s-1, respectively, during calibration, and 0.86, 0.73 and 3.23 m3 s-1, respectively, during verification periods. Development of 1875 hectares of greenhouse towns in the Ajichay watershed caused an average depletion of 11.68 m and 4.41 m within the first and second scenarios, respectively; in contrast, for the third scenario, an increase of 3.86 m for the average groundwater level of the aquifers of the Ajichay watershed was acquired rather than the initial condition. At the end of the simulation period of the third scenario, the flow volume increase of 28.5 MCM y-1 was observed at the Akhula hydrometric station. The results revealed that the development of greenhouse towns using new water resources can increase agricultural crop production and also intensify the downward trend in groundwater levels. The second scenario has caused a negative balance in the aquifers due to the eliminating the water withdrawal under the traditional irrigation system from the hydrological cycle. Only in the third scenario, the removal of nearly ten hectares of farmlands for the development of one hectare of greenhouse has caused the aquifers of Ajichay basin to have an increasing trend of groundwater level. The results of the third scenario revealed that 24% of the total reduced volume of groundwater abstraction, was discharged into Lake Urmia through rivers, and 38% was related to the water withdrawal of the traditional irrigation, and the other part was spent on increasing the water abstraction from groundwater and rivers for the agricultural purposes.
ConclusionThe results of the implementation of the scenarios to develop greenhouse towns revealed that the type of policies and how to implement the development of greenhouse towns can enhance agricultural production capacity as well as decrease/increase the flow of rivers in the Ajichay basin. The adverse effect on the groundwater resources occurs when the administrative institutions' approach is focused only on the increasing production capacity. Furthermore, when the ratio of replacing traditional farmlands with greenhouse towns is not commensurate with the corresponding irrigation efficiencies, it applies more stress to the groundwater resources to meet the evapotranspiration need of the greenhouse plants. The positive effect on aquifers and increased river flow occurs when the actual evapotranspiration of the plants cultivated in greenhouse towns is less than the eliminated traditional farmland.
Keywords: Ajichay watershed, Greenhouse town, Groundwater, River discharged, SWAT model -
کشت محصولات کشاورزی در محیط گلخانه به علت ایجاد شرایط مناسب رشد گیاه در طول سال، افزایش چند برابری تولید و کاهش آب مصرفی یکی از راه کارهای اصلی استفاده بهینه از منابع آب می باشد. در این تحقیق دو سناریو با توجه به سیاست های فعلی توسعه شهرک های گلخانه ای در کشور ایران و یک سناریو ایده آل (سناریو سوم) جهت توسعه شهرک های گلخانه ای تنظیم گردیده است. جهت ارزیابی اثرات اجرای سناریوهای توسعه شهرک های گلخانه ای از مدل ابزار ارزیابی آب و خاک (SWAT) استفاده گردید. شاخص های آماری حاکی از دقت بسیار بالای شبیه سازی ایستگاه های آب سنجی مورد مطالعه می باشد، بطورریکه در ایستگاه آب سنجی آخولا (خروجی حوضه) آماره های همبستگی، نش-ساتکلیف و مجذور میانگین مربعات خطا در دوره واسنجی به ترتیب برابر با 92/0، 83/0 و 48/6 مترمکعب بر ثانیه و در دوره صحت سنجی به ترتیب برابر با 86/0، 73/0 و 23/3 مترمکعب بر ثانیه بوده است. توسعه شهرک های گلخانه ای با مساحت 1875 هکتار در حوضه آجی چای به ازای سناریو اول و دوم به ترتیب موجب افت متوسط 68/11 و 41/4 متری تراز آب زیرزمینی آبخوان های حوضه آجی چای نسبت به شرایط اولیه گردیده است. شبیه سازی سناریو سوم باعث افزایش تراز آب زیرزمینی آبخوان های تبریز، آذرشهر، دامنه شمالی سهند، بستان آباد، دوزدوزان، مهربان، بیلوردی، اسب فروشان و سراب به ترتیب برابر با 12/4، 73/2، 45/1، 88/8، 93/10، 90/2، 79/4، 99/2 و 31/3 متر و جبران حجم زیادی از بیلان منفی آن ها شده است. نتایج نشان دادند که توسعه شهرک های گلخانه ای با استفاده از منابع آبی جدید می تواند باعث افزایش تولید محصولات کشاورزی و همچنین تشدید روند کاهشی تراز آب زیرزمینی گردد.کلید واژگان: آب زیرزمینی، حوضه آبریز آجی چای، شهرک گلخانه ای، مدل SWATGreenhouse crops production is one of the major strategies for managing optimum use of water resources due to creating desirable conditions for plant growth over the year, multiplying production and reducing water usage. In the present study, two scenarios were adopted according to the current policies for the development of greenhouse towns in Iran and an ideal scenario (third scenario) was also considered for the development of greenhouse towns. The soil and water assessment tool (SWAT) model was used to evaluate the impacts of the implementation of development scenarios of greenhouse towns. Statistical indicators showed very high accuracy in simulating hydrometric stations of study area, as for Akhola hydrometric station (basin outlet), the statistics of correlation factor, Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), and root mean squared error (RMSE) in the calibration period were 0.77, 0.62, and 6.21 m3 s-1, respectively, and in the validation period were 0.83, 0.66, and 3.09 m3 s-1, respectively. The development of greenhouse towns with an area of 1875 ha in Ajichay basin for the first and second scenarios resulted in an average drop of 11.68 m and 4.41 m in the groundwater level of the aquifers in Ajichay basin compared to the initial conditions. Simulation of the third scenario increases the groundwater level of aquifers of Tabriz, Azarshahr, Damaneh Shomali Sahand, Bostanabad, Duzduzan, Mehraban, Bilverdi, Asbforoshan and Sarab by 4.12, 2.73, 1.45, 8.88, 10.93, 2.90, 4.79, 2.99, and 3.31 m, respectively, and also has compensated a large amount of their negative balance. The results revealed that the development of greenhouse towns using new water resources can increase agricultural crop production and also intensify the downward trend in groundwater levels.Keywords: Ajichay basin, Greenhouse town, Groundwater, SWAT model
-
دریاچه ارومیه به عنوان یکی از مهم ترین دریاچه های کشور به علت مصرف بیش از حد آب و تغییر اقلیم دارای وضعیت نامناسب زیست محیطی شده است. بررسی تغییرات اقلیمی و نحوه توزیع بارش در این منطقه می تواند در جهت مدیریت بهتر این حوضه آبریز به کار رود. در این مطالعه، برای پهنه بندی نواحی بارش حوضه دریاچه ارومیه از اطلاعات 65 ایستگاه هواشناسی در دوره آماری 1395-1376 استفاده شد. برای این منظور، داده های هر ماه استاندارد شده است و در ماتریس با ابعاد (n*m) که در آن n تعداد ایستگاه ها (65) و m تعداد ما ه ها (12) است، نوشته شدند. تجزیه مولفه های اصلی (PCA) روی ماتریس داده ها انجام شد و با توجه به معیار دارا بودن مقدار ویژه بالای یک، مولفه های اصلی انتخاب شدند. آنگاه مقادیر امتیازات مولفه های اصلی (PCS) برای مولفه های منتخب محاسبه شد. این مقادیر به عنوان ورودی روش تجزیه خوشه ای با روش وارد استفاده شدند. سپس جهت تعیین ایستگاه های شاخص از روش پروکراستس استفاده شد. نتایج نشان داد که دو مولفه اصلی اول، 87 درصد واریانس کل داده ها را توجیه می کنند. براساس مولفه های منتخب، در کل حوضه، شش ناحیه بارشی متمایز تشخیص داده شد. همچنین معلوم شد که چهار ایستگاه واقع در نقاط مختلف حوضه آبریز دریاچه ارومیه شامل مهماندار، سراب، بابارود و سنته می توانند به عنوان ایستگاه های شاخص در نظر گرفته شوند. این ایستگاه ها بیش از %84 واریانس کل داده های ایستگاه های حوضه را در بر داشتند. آزمون روند من-کندال نشان داد که بارش در فصل پاییز دارای روند افزایشی معنی دار می باشد، درحالی که بارش سالانه فقط در یکی از خوشه ها دارای روند افزایشی معنی دار می باشد.کلید واژگان: تجزیه به مولفه های اصلی، تجزیه خوشه ای، دریاچه ارومیه، روش های چند متغیره، من-کندالLake Urmia, as one of the most important lakes in the country, has an inappropriate environmental condition due to excessive consumption of water and climate change. The study of climate change and rainfall distribution in this area can improve water management in this basin. In this study, the information of 65 weather stations in the period of 1997-2016 were used for precipitation zoning of Urmia lake basin. For this purpose, the data of each month were standardized and arranged in a matrix with dimensions of (n*m) in which n is the number of stations (65) and m is the number of months (12). Principal Component Analysis (PCA) was performed on data matrix and the main components were determined according to their Eigen values greater than one. Then the principal component score (PCS) values were calculated for the selected components. These values were used as inputs in the Ward cluster analysis method. Then, the Procrustes method was used to determine the index stations. The results showed that the first two main components incorporated more than 87% of the all data variances. Based on the selected components, six distinct precipitation regions were identified throughout the basin. Moreover, it was found that four stations located in different points of the Urmia lake basin namely Mehmandar, Sarab, Babaroud and Santeh can be considered as indicator stations. These stations incorporated more than 84% of the all data variances of basin stations. The Mann-Kendall trend test showed that the rainfall in the autumn season has a significant increase trend, while annual precipitation has only a significant increase trend in one of the clusters.Keywords: Cluster Analysis, Mann-Kendall, Multivariate Methods, Principal component analysis, Urmia Lake
-
Pure anatase TiO2 nanoparticles with various Ag and Sn contents were synthesized by hydrothermal and sol-gel low-temperature methods. Structural and morphological characterizations of synthesized nanoparticles were performed by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and N2 adsorption/desorption isotherm and brunauer-emmett-teller (BET) techniques. The effect of synthesis procedure on the crystalline structure, crystal size, surface area, pore size distribution and photocatalytic activity of synthesized samples were studied. The photocatalytic activity was tested vs. degradation of methylene blue (MB) under black light radiation. Ag/Sn-TiO2 nanoparticles synthesized by hydrothermal method showed higher photoactivity during the degradation of MB under black light irradiation because of being enhanced in the specific surface area, total pore volume, and its reduction in the crystallite size. An artificial neural network (ANN) comprising four input variables (mol% of dopant ions, photocatalyst dosage, initial dye concentration, and pH of the solution), eight neurons and an output variable (degradation efficiency %) was optimized, tested and validated for MB degradation by Ag/Sn-TiO2 nanoparticles synthesized via hydrothermal method. The results showed that the predicted data from the designed ANN model are in good agreement with the experimental data with a correlation coefficient (R2) of 0.979. A 98.9% photodegradation efficiency of MB was achieved by utilizing 0.07 mol% Ag and 0.03 mol% Sn co-doped TiO2 at pH = 12.Keywords: Ag, Sn-TiO2 nanoparticles, Sol-gel low-temperature method, Photocatalytic activity, Artificial Neural Network
-
زمینه و هدفاطلاع از نحوه توزیع پارامترهای کیفی و کمی از مهم ترین پارامترهای اولیه مدیریت جامع منابع آب زیرزمینی می باشد. بنابراین در این تحقیق سعی گردید، مدل و ترکیب ورودی مناسب جهت تخمین پارامترهای کیفی هدایت الکتریکی (EC)، یون کلسیم (Ca) و یون سدیم (Na) آب خوان های دشت گیلان تعیین گردد.روش بررسیدر این تحقیق از داده های 132 چاهک مشاهداتی در دوره آماری 1381 تا 1393 و مدل های شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) استفاده گردیده است. در رویکرد اول، تخمین ها به ازای پنج ترکیب مختلف حاصل از پارامترهای تراز آب، فاصله از دریا، مجموع بارش های شش ماه و مختصات چاهک های مشاهداتی انجام گرفته است. در رویکرد دوم، تخمین ها براساس ترکیب پارامترهای کیفی منتخب آزمون گاما با ترکیب های ورودی برتر بخش اول صورت گرفته است.یافته هامقایسه نتایج بخش اول نشان داد که مدل SVM در تخمین هر یک از پارامترهای Ca، Na و EC عملکرد بهتری نسبت به مدل ANN داشته است. مقادیر خطای ماشین بردار پشتیبان برای تخمین متغیرهای Ca، Na و EC در دوره تست به ترتیب برابر با (meq/l) 218/1، (meq/l) 867/0 و (μmos/cm) 742/175 بوده است و این مقادیر برای مدل شبکه عصبی مصنوعی به ترتیب برابر با (meq/l) 268/1، (meq/l) 933/0 و (μmos/cm) 448/186 می باشد. نتایج این بخش نشان داد اضافه شدن ورودی فاصله از دریا در کلیه موارد باعث بهبود نتایج مدل ها گردیده است. در بخش دوم با استفاده از آزمون گاما از بین نه پارامتر کیفی اندازه گیری شده ، بهترین ترکیب پارامترهای کیفی برای تخمین هر یک سه پارامتر Ca، Na و EC تعیین گردید. نتایج تخمین ها در بخش دوم نشان داد که هر یک از دو مدل ANN و SVM عملکرد بسیار مناسبی در تخمین هر سه پارامتر کیفی داشته اند. مقدار خطای مدل ANN برای متغیرهای Ca، Na و EC در دوره صحت سنجی به ترتیب برابر با (meq/l) 662/0، (meq/l) 305/0 و (μmos/cm) 346/47 بوده است و این مقادیر برای مدل SVM به ترتیب برابر با (meq/l) 671/0، (meq/l) 356/0 و (μmos/cm) 412/55 می باشد. البته در این بخش نتایج مدل ANN نسبت به مدل SVM بهتر بوده است.بحث و نتیجه گیرینتایج نشان داد که هر یک از دو مدل SVM و ANN توانایی بسیار زیادی در تخمین پارامترهای کیفی آب خوان ها دارند. همچنین عملکرد مدل SVM نسبت به مدل ANN، به ازای تعداد ورودی کمتر بهتر است و در تعداد ورودی بیشتر برعکس می باشد. نتایج بخش دوم نشان داد که آزمون گاما می تواند به صورت کاملا کابردی و دقیق در تعیین ترکیب های ورودی موثر مورد استفاده قرار گیرد.کلید واژگان: آزمون گاما، تخمین پارامترهای کیفی، دشت گیلان، شبکه عصبی مصنوعی، ماشین بردار پشتیبانBackground and ObjectiveHaving information about qualitative and quantitative parameters distribution of groundwater supplies is one of most important parameters in integrated groundwater management. Thus, in this study it has been attempted to determine a proper model and input combination for estimation of quality parameters including electrical conductivity (EC), calcium (Ca) and sodium (Na) ions in aquifers of Guilans plain.MethodIn this study, the data from 132 observation wells during 2001 to 2013 were used and artificial neural network (ANN) and support vector model (SVM) were applied. In the first approach, estimations were conducted according to five different combinations, including water level, distance from see, total precipitation of six months and coordinates of observation wells. In the second approach, estimations were conducted based on combination of the selected qualitative parameters of gamma test with combinations of the best input in the first part.FindingsComparison of the results from the first part indicated that SVM model outperformed the ANN mode in the estimation of Ca, Na and EC parameters. Support vector machine error values for estimating Ca, Na and EC variables at the test period were 1.218 (meq/l), 0.867(meq/l), and 175.742 (µmos/cm), while for artificial neural network these values were 1.268 (meq/l), 0.933 (meq/l), and 186/448 (µmos/cm) respectively. The results from this part showed that adding the distance from see input improves the estimation of models in all cases. In the second part, using gamma test for measuring the nine quality parameters, the best combination of quality parameters was determined to estimate the three parameters: Ca, Na and EC. The results from the second part show that both ANN and SVM models have an excellent performance in the estimation of the three qualitative parameters. ANN model error values in estimating Ca, Na and EC variables in validation period were 0.662 (meq/l), 0.305(meq/l), and 47.346 (µmos/cm), while these values were 0.671 (meq/l), 0.356 (meq/l), and 55.412 (µmos/cm) for SVM model respectively. Obviously, the results from ANN model in this section were better than those from SVM model.Discussion and ConclusionResults showed that both ANN and SVM models have a great ability in predicting qualitative parameters in the aquifers. Also, in less inputs, the results of SVM model are better than those of ANN model and in more inputs it is vice versa. Results of the second section showed that gamma test is fully practical and accurate in determining the effective input combinations.Keywords: Artificial Neural Network, Gamma Test, Guilan Plains, Qualitative Parameters Prediction, Support Vector Machine
-
تخمین دقیق مقدار رواناب رودخانه ها از اقدامات اساسی در مدیریت منابع آب حوزه ها می باشد. شبکه عصبی مصنوعیANN)) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) از مهم ترین مدل های داده کاوی هستند که میتوانند برای این منظور مدنظر قرار گیرند. با توجه به مبتنی بودن این مدل ها به داده ها ، نوع توزیع احتمالاتی داده ها می تواند تاثیر چشمگیری بر عملکرد آن ها در شبیه سازی جریان داشته باشد. برای بررسی این موضوع حوزه زرینه رود به عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شده و ارزیابی های مورد نظر در سه ایستگاه آب سنجی واقع در آن صورت گرفت. در این راستا در ابتدا با استفاده از آزمون شاپیرو-ویلک تبعیت نمودن توزیع احتمالاتی داده های مشاهداتی اولیه از نرمال مورد بررسی قرار گرفته و سپس نرمالسازی توزیع داده ها انجام شد. در ادامه کارایی هر یک از مدل های ANN و SVM در شبیه سازی رواناب ماهانه سه ایستگاه آب سنجی برای داده های مشاهداتی و نرمال شده جریان مورد ارزیابی قرار گرفت. براساس نتایج این تحقیق مقادیر شاخص های ضریب همبستگی(CC) و جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) در دوره صحت سنجی برای ایستگاه های صفاخانه، سنته و پل آنیان در مدل ANN به ترتیب 71/0، (m3/sec) 93/5، 80/0، (m3/sec) 58/6 و 82/0، (m3/sec) 90/22 بدست آمد. در مدل SVM برای این شاخص ها در ایستگاه های مذکور به ترتیب مقادیر 70/0، (m3/sec)34/6، 78/0، (m3/sec)02/7 و 79/0، (m3/sec)31/24 حاصل شد. نتایج نشان داد که در مدل ANN استفاده از جریان نرمال شده در ایستگاه های پل آنیان، سنته و صفاخانه مقادیر CC را در دوره صحت سنجی به ترتیب 6، 14 و 11 درصد افزایش و مقادیر RMSE را به ترتیب 9، 19 و 6 درصد کاهش می دهد. در مدل SVM پس از نرمال سازی داده ها مقادیر CC و RMSE فقط برای ایستگاه سنته به میزان 10 و 16 درصد به ترتیب افزایش و کاهش می یابد. همچنین نتایج نشان داد که مدل ANN با ورودی های نرمال شده در هر سه ایستگاه آب سنجی عملکرد بهتری نسبت به مدل SVM دارد.کلید واژگان: رواناب ماهانه، ANN، SVM، توزیع احتمالاتی نرمال، حوزه زرینه رودAccurate estimation of river flows is one of the fundamental activities in water resources management of river basins. Artificial neural network (ANN) and support vector machine (SVM) are the most important data mining models that can be considered for this purpose. Due to the data-based attribute of these models, probability distribution of data may have a considerable effects on their performance in river flow simulation. In order to, Zarrineh Rud River basin was selected as a study area and the investigations were done for three hydrometric stations located in this basin. In this regard, first monthly runoff probability distribution of stations were studies based on Shapiro- Wilk test and then normalization of data distribution were done. Then the performance of ANN and SVM models in monthly river flow simulation of three stations was evaluated for initial observed and normal data. Based on the results of this study, the values of 0.71, 5.93 (m3/sec), 0.80, 6.58 (m3/sec) and 0.82, 22.9 (m3/sec) were obtained for correlation coefficient (CC) and root mean square errors (RMSE) indicators in the ANN model for Safakhaneh, Santeh and Polanian stations respectively in the testing period. In the SVM model, the values of 0.70, 6.34 (m3/sec), 0.78, 7.02 (m3/sec) and 0.79, 24.31 (m3/sec) were obtained for these indicators in the mentioned stations respectively. The results showed that in river flow simulation by ANN model values of CC increase 6%, 14% and 11% and RMSE values decrease 9%, 19% and 6% for Polanian, Santeh and Safakhaneh stations respectively in the testing period due to normalization of data probability distribution. For SVM model, due to normalization of data probability, CC value increases 10% and RMSE value decrease 16% only for Santeh station. Also the results showed that the ANN model with normal input data has high performance in estimation of monthly river flow compared to the SVM model in each of the three hydrometric stations.Keywords: ANN, Monthly River Flow, Normal Probabilistic Distribution, SVM, Zarrineh Rud Basin
-
افزایش دقت تخمین رواناب در حوضه های فاقد داده های هواشناسی نقش مهمی در مدیریت صحیح منابع آب این حوضه ها دارد. در این راستا شبیه سازی خود همبسته می تواند مفید واقع گردد. در مطالعه حاضر، کارایی سه مدل داده کاوی شامل شبکه عصبی مصنوعی، برنامه ریزی بیان ژن و ماشین بردار پشتیبان در کنار مدل های سری زمانی برای پیش بینی رواناب ماهانه در حوضه خرخره چای مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور، در ابتدا ترکیب های مختلف ورودی به مدل ها که باید در تخمین جریان رودخانه در نظر گرفته شوند، تعیین شدند. همچنین تاثیر ساختار مختلف مدل ها بر شبیه سازی جریان از طریق به کار گیری آنها و مقایسه نتایج به دست آمده، مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا، مدل های خطی خود همبسته، خود همبسته با میانگین متحرک و خود همبسته میانگین متحرک یکپارچه، شبکه عصبی پرسپترون چند لایه، برنامه ریزی بیان ژن با چهار و سیزده تابع ریاضی و مدل ماشین بردار پشتیبان با سه تابع کرنل به منظور شبیه سازی خودهمبسته جریان ماهانه (طی دوره 90- 1367) به کار گرفته شدند. نتایج نشان داد مدل پرسپترون چند لایه (3،5) با مقادیر ضریب همبستگی و جذر میانگین مربعات خطا به ترتیب برابر با 84/0 و 21/8 متر مکعب بر ثانیه در دوره واسنجی و مقادیر 86/0 و 66/5 متر مکعب بر ثانیه در دوره صحت سنجی بیشترین دقت را در شبیه سازی رواناب ماهانه نسبت به سایر مدل ها داشتند.کلید واژگان: شبیه سازی خودهمبسته رواناب، مدل های سری زمانی، پرسپترون چند لایه، حوضه خرخره چایSelecting a model that simulate the runoff with high accuracy and less error, can be helpful in favorable management of water resources plans and increasing the performance of these plans. Also, increasing the accuracy of runoff simulation in the basins with no meteorological data, is of great significance in efficient management of water resources in these basins.Keywords: Autoregressive Runoff simulation, Time series models, Multilayer perceptron, Kherkherehchai basin
-
پیش بینی جریان رودخانه ها در حوضه های آبریز نقش مهمی در بهره برداری و مدیریت صحیح منابع آبی دارد. تعیین نوع و تعداد ورودی مدل های تخمین گر، یکی از مهم ترین مراحل در پیش بینی جریان رودخانه ها می باشد. بنابراین از روش تجزیه پروکراستس (PA) برای تعیین تعداد ورودی های موثر استفاده شده است. در این تحقیق پیش بینی جریان با استفاده از داده های جریان ماهانه ایستگاه های آب سنجی صفاخانه و سنته انجام گرفته است. مدل شبکه عصبی مصنوعی (MLP) و مدل ماشین بردار پشتیبان (SVM) برای پیش بینی جریان مورد استفاده قرار گرفته اند. بهترین تخمین جریان با استفاده از مدل های MLP و PA-MLP در ایستگاه آب سنجی صفاخانه به ترتیب با RMSE برابر با (m3/s) 68/5 و (m3/s) 85/4 و CC برابر با 73/0 و 78/0 و در ایستگاه آب سنجی سنته به ترتیب با RMSE برابر با (m3/s) 44/6 و (m3/s) 36/6 و CC برابر با 78/0 و 79/0 انجام شده است. مدل PA-SVM نیز به ترتیب با RMSE و CC برابر با (m3/s) 45/5 و 73/0 در دوره صحت سنجی نتایج بهتری را نسبت مدل SVM در تخمین جریان ایستگاه آب سنجی صفاخانه داشته است. همچنین نتایج نشان داد که مدلهای SVM و PA-SVM جریان ایستگاه سنته را با RMSE به ترتیب برابر با (m3/s) 85/6 و (m3/s) 03/7 تخمین زدهاند. در حالت کلی نتایج نشان داد که روش تجزیه پروکراستس می تواند به عنوان یکی از روش های کارآمد و مناسب جهت تعیین تعداد ورودی موثر مورد استفاده قرار گیرد. مقایسه نتایج مدل های MLP و SVM نیز نشان داد که مدل MLP از دقت بیشتری نسبت به مدل SVM برخوردار است.کلید واژگان: پیش بینی جریان، تجزیه پروکراستس، شبکه عصبی مصنوعی، ماشین بردار پشتیبانRivers flow prediction in river basins has an important role in the operation and correct management of water resources. Determining type and number of estimator models inputs is one of the important steps in rivers flow prediction. Therefore, The Procrustes analysis (PA) method for determining the number of effective inputs was used. In this study, flow prediction was done using the flow data obtained from the Safakhaneh and Santeh hydrometric stations. The Artificial Neural Network (ANN) and The Support Vector Machine (SVM) models was used for flow prediction. The best estimation of flow is done using the MLP and SVM models in Safakhaneh hydrometric station with RMSE equal to 5.68 (m3/s) and 4.85 (m3/s), respectively, and CC equal to 0.73 and 0.78, respectively. While in Santeh hydrometric station RMSE was equal to 6.44 (m3/s) and 6.36 (m3/s) respectively, and CC was equal to 0.78 and 0.79 respectively for MLP and SVM models. PA-SVM model showed better results than SVM model in estimating Safakhaneh hydrometric stations flow with RMSE equal to 5.45 (m3/s) and CC equal to 0.73 during the test period. The results also indicated that SVM and PA-SVM models estimated the flow of Santeh station with RMSE equal to 6.85 (m3/s) and 7.03 (m3/s) respectively. Basically, results indicated that the Procrustes analysis method can be used as one of the Efficient and suitable methods for determining the number of effective inputs. Comparison of the ANN and SVM results indicated that ANN model has more accuracy than SVM model.Keywords: Artificial neural network, flow prediction, Procrustes analysis, support vector machine
-
تبخیر مولفهای اساسی در چرخه هیدرولوژی است و نقش مهمی در مدیریت منابع آب دارد. در این تحقیق عملکرد مدلهای شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) در تخمین تبخیر روزانه ارزیابی شده است. داده های روزانه هواشناسی میانگین دما، سرعت باد، فشار هوا، رطوبت نسبی، بارش، دمای نقطه شبنم، و ساعت آفتابی ایستگاه های سینوپتیک تبریز و مراغه، به منزله ورودی مدلهای ANN و SVM، برای تخمین تبخیر روزانه استفاده شد. نخست ده ترکیب مختلف از هفت ورودی و سپس ورودی های منفرد به منظور تخمین تبخیر بهکار گرفته شدند. نتایج مدلهای استفادهشده نشان داد که هر دو مدل ANN و SVM عملکرد قابل قبولی در تخمین تبخیر دارند. ارزیابی نتایج استفاده از ورودی های تکی نشان داد که بهترتیب کاربرد پارامترهای میانگین دما و ساعت آفتابی نسبت به پارامترهای دیگر نتایج بهتری در تخمین تبخیر هر یک از ایستگاه ها داشته است. بررسی های این تحقیق نشان میدهد که اگرچه تفاوت معنیداری بین نتایج سه تابع کرنل ماشین بردار پشتیبان وجود ندارد، تابع کرنل پایه شعاعی در مقایسه با توابع کرنل دیگر از دقت زیاد و عملکرد بهتری در تخمین تبخیر روزانه برخوردار است.کلید واژگان: تبریز، تخمین تبخیر، شبکه عصبی مصنوعی، ماشین بردار پشتیبان، مراغهIntroductionEvaporation is a fundamental component of the hydrology cycle and has an important role in water resources management. Daily evaporation is an important variable in reservior capacity, rainfall-runoff modeling, crop management and water balance. Measurement of actual evaporation is almost impossible, but evaporation can be estimated using several methods. There are two general viewpoint to estimation of evaporation: direct and indirect methods (Tezel 2015, Terzi 2013). It is inoperative to measure the evaporation by direct methods in all locations. Direct methods usually used proximate reservoirs or irrigation projects. The indirect methods of evaporation estimation need to various input data that are not easily available. Moreover, the evaporation have very complex and nonlinear process that simulation of its complex process using simple methods is impractical. In recent years, the artificial intelligent methods such as Artificial Neural Network (ANN) and Support Vector Machine (SVM) have been successfully utilized to modeling the hydrological nonlinear process such as rainfall, precipitation, rainfall-runoff, evaporation, temperature, water quality, stream flow, water level and suspended sediment, etc (Tezel 2015). Therefore this research evaluates the performance of ANN and SVM models in daily evaporation estimation.Materials And MethodsThe daily climatic data, air temperature, wind speed, air pressure, relative humidity, rainfall, dew point temperature and sun shine hours of Tabriz and Maragheh synoptic stations are used as inputs to the ANN and SVM models to estimate the daily evaporation. For this purpose, 75 percent of the daily evaporation data were selected to calibrate the models and 25 percent of the data were used to validate the models. Different combinations of seven input and then individual inputs applied in order to evaporation estimation.
ANNs are parallel information processing systems consisting of a set of neurons arranged in layers. These neurons provide suitable conversion functions for weighted inputs. In this study, we used Multilayer feed-forward perceptron (MLP) network. The MLP trained with the use of back propagation learning algorithm. The back-propagation training algorithm is a supervised training mechanism and is normally adopted in most of the engineering applications. The neurons in the input layer have no transfer function. The logarithmic sigmoid transfer function was used in the hidden layer and linear transfer function was employed as an activation function from the hidden layer to the output layer, because the linear function is known to be robust for a continuous output variable. The optimal number of neuron in the hidden layer was identified using a trial and error procedure by varying the number of hidden neurons from 1 to 20. In recent years, SVM as one of the most important data-driven models, has been considered in this regards. This model is a useful learning system based on constrained optimization theory that uses induction of structural error minimization principle and results a general optimized answer. The SVM is a computer algorithm that learns by example to find the best function of classifier/hyperplane to separate the two classes in the input space. The SVM analyzes two kinds of data, i.e. linearly and non-linearly separable data. For a given training data with N number of samples, represented by (x_1,y_1 ), ,(x_N,y_N) , where x is an input vector and y is a corresponding output value, SVM estimator (f) on regression can be represented by: f(x)=w.∅(x)
Where w is a weight vector, b is a bias, . denotes the dot product and ∅ is a non-linear mapping function. Typically, three kernel functions, radial basis, polynomial and linear are applied in SVM that use of each function with various parameters for evaporation estimation may have different results. Therefore, it is necessary to evaluate the accuracy of each of these functions and select the appropriate kernel function for evaporation estimation. Two performance criteria are used in this study to assess the goodness of models fit, which are: Correlation Coefficient (CC) and Root Mean Square Error (RMSE).Results And DiscussionIn this paper, ten different combinations of seven inputs and then individual inputs applied in order to estimate the evaporation. Results of evaporation estimation in Tabriz station indicate that the first and eighth combinations have minimum RMSE and maximum CC in test period of ANN and SVM models, respectively. Also results of evaporation estimation in Maragheh station indicate that the first and Seventh combinations have minimum RMSE and maximum CC in test period of ANN and SVM models, respectively. The ANN model using first combination including air temperature, wind speed, air pressure, relative humidity, rainfall, dew point temperature and sun shine hours climate data, achieves to the amount of 2.12 (mm) and 0.78 for RMSE and R statistics in test period for Tabriz station. The SVM model using eighth combination including wind speed, air pressure, relative humidity, rainfall, dew point temperature and sun shine hours climate data, achieves to the amount of 2.17 (mm) and 0.78 for RMSE and R statistics in test period for Tabriz station. Evaporation estimation of Maragheh station using ANN and SVM models, respectively achive to 1.62 (mm) and 1.43 (mm) for RMSE statistic in test period. In next step, individual input results show that ANN model has better estimation of evaporation values in Tabriz station and SVM model in Maragheh station. Also results indicate that the SVM and ANN models have better estimation of evaporation values using individual inputs including average temperature and sun shine hours compaired to other inputs, respectively.ConclusionThe results of used models indicate that both ANN and SVM models have acceptable performance in evaporation estimation. Evaluation results show that the average temperature is better input than other six parameters in estimation of evaporation. The investigations of this study indicate that although there is no significant difference in the results of three kernel functions of support vector machine, but the Radial Basis kernel function has high accuracy and better performance in estimation of daily evaporation in comparison to other kernel functions.Keywords: Artificial neural network, Evaporation Estimation, Maragheh, Support Vector Machine, Tabriz -
سابقه و هدفپیش بینی دقیق رواناب رودخانه ها نقش مهمی در مدیریت بهینه منابع آب در دسترس دارد. در سال های اخیر، ماشین بردار پشتیبان (SVM) که یکی از مهمترین مدل های داده کاوی است برای این منظور مورد توجه قرار گرفته است. این مدل یک سیستم یادگیری کارآمد بر مبنای تئوری بهینه سازی مقید است که از اصل استقرای کمینه سازی خطای ساختاری استفاده کرده و منجر به یک جواب بهینه کلی می گردد. همانند مدل های داده کاوی دیگر مدل SVM نیز می تواند در مواقعی که فقط داده های رواناب در دسترس می باشد جهت شبیه سازی رواناب مورد استفاده قرار گیرد (مدل سازی خودهمبسته). به طور معمول سه تابع کرنل پایه شعاعی (RBF)، چند جمله ای درجه d و خطی در ماشین بردار پشتیبان مورد استفاده قرار می گیرند که کاربرد هر یک از این توابع با پارامترهای مختلف در تخمین رواناب رودخانه ها ممکن است منجر به نتایج متفاوتی شود. بنابراین ارزیابی کارایی و دقت هر یک از این توابع و انتخاب تابع کرنل مناسب در پیش بینی جریان رودخانه ضروری است. همچنین از آنجا که مدل های سری زمانی AR، ARMA و ARIMA از مدل های اصلی در شبیه سازی خودهمبسته رواناب می باشند لذا می توان از طریق مقایسه عملکرد هر یک از توابع کرنل با این مدل ها، دقت نسبی این توابع در این زمینه را مورد بررسی قرار داد. بنابراین ارزیابی دقت هر یک از توابع کرنل در شبیه سازی رواناب ماهانه و مقایسه عملکرد آنها با مدل های سری زمانی هدف اصلی این تحقیق را رقم می زند.مواد و روش هادر این تحقیق حوضه خرخره چای به عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شده و جریان ماهانه مشاهداتی این حوضه در ایستگاه آب سنجی سنته جهت واسنجی و اعتبارسنجی مدل ها بکار گرفته شد. برای این منظور، در ابتدا 75 درصد از داده های جریان ماهانه (1384-1367) برای واسنجی مدل ها انتخاب شده و 25 درصد داده ها (1390-1385) جهت اعتبارسنجی مدل ها استفاده شد. سپس توزیع احتمالاتی داده های جریان ماهانه در ایستگاه آب سنجی سنته براساس آزمون-های کلموگروف- اسمیرنوف و شاپیرو- ویلک مورد بررسی قرار گرفته و نرمال سازی توزیع داده ها انجام گرفت. پس از بهینه سازی پارامترهای مربوط به هر یک از توابع کرنل، مقادیر جریان ماهانه در ایستگاه آب سنجی سنته پیش بینی شده و عملکرد این توابع با استفاده از جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) و ضریب همبستگی (CC) مورد ارزیابی قرار گرفت.یافته هابررسی های این تحقیق نشان داد که اگرچه تفاوت معنی دار بین نتایج سه تابع کرنل وجود ندارد، ولی تابع کرنل چند جمله ای درجه 4 با مقادیر ضریب همبستگی و جذر میانگین مربعات خطا به ترتیب برابر با 86/0 و 88/5 (مترمکعب در ثانیه) در دوره تست، در مقایسه با توابع کرنل دیگر از دقت بالا و عملکرد بهتری در پیش بینی جریان ماهانه برخوردار است. همچنین نتایج نشان داد که مدل (6،2)ARMA با مقادیر ضریب همبستگی و مجذور میانگین مربعات خطا به ترتیب برابر با 82/0 و 47/6 (مترمکعب در ثانیه) در دوره تست، نسبت به سایر مدل های سری زمانی عملکرد خوبی را در پیش بینی جریان ماهانه حوضه خرخره چای دارا می باشد.نتیجه گیریدر نهایت مقادیر جریان ماهانه پیش بینی شده با استفاده از تابع کرنل چند جمله ای درجه 4 (به عنوان نماینده مدل SVM) با نتایج مدل (6،2)ARMA (به عنوان نماینده مدل های سری زمانی) مقایسه گردید و این نتیجه حاصل شد که مدل SVM از کارایی بهتری نسبت به مدل های سری زمانی در پیش بینی جریان ماهانه حوضه خرخره چای برخوردار است.کلید واژگان: پیش بینی جریان رودخانه، ماشین بردار پشتیبان، توابع کرنل، مدل های سری زمانی، حوضه خرخره چایBackground And ObjectivesAccurate prediction of river flow has an important role in the optimum management of available water resources. In recent years, support vector machine (SVM) that is one of the most important data-driven models, has been considered in this regards. This model is a useful learning system based on constrained optimization theory that uses induction of structural error minimization principle and results a general optimized answer. Such as other data mining models, the SVM model can also be used for runoff simulation when the only available data is runoff (autoregressive simulation). Typically, three kernel functions, namely, radial basis, polynomial of degree d and linear are applied in SVM that use of each function with various parameters for river flow estimation may have different results. Therefore, it is necessary to evaluate the accuracy of each of these functions and select the appropriate kernel function for runoff simulation. Since time series models, namely, AR, ARMA and ARIMA are the main models for autoregressive simulation of runoff, relative accuracy of kernel functions can be investigated by comparing their performance with these models. Therefore, assessment of the accuracy of kernel functions for monthly river flow simulation and comparison of their performance with time series models is main aim of this study.Materials And MethodsIn this study Kherkherehchiy river basin was selected as the study area and observed monthly river flow of this basin in the Santeh gauging station were applied for calibration and validation of models. For this purpose, first 75 percent of monthly river flow data (1367-1384) were selected to calibrate models and 25 percent of data (1385-1390) were used to validate models. Next, probability distribution of monthly river flow data in Santeh station were studies based on Kolmogorov-Smirnov and Shapiro- Wilk test and then normalization of data distribution were done. After optimization of parameters for each kernel functions the monthly flow values were predicted in Santeh station and the performance of these functions were evaluated using root mean square errors (RMSE) and the correlation coefficient (CC).ResultsThe investigations of this study indicated that although there is no significant difference in the results of three kernel functions, but the polynomial kernel function of degree 4 with CC and RMSE values of 0.86 and 5.88 (m3/sec) respectively in the testing period, has high accuracy and better performance in prediction of monthly flow in comparison to other kernel functions. Also the results showed that ARMA(6,2) with CC and RMSE values of 0.82 and 6.47 (m3/sec) respectively in the testing period, has good performance in prediction of Kherkherehchiy monthly flow compared to the other time series models.ConclusionFinally, the predicted monthly river flow using polynomial kernel function of degree 4 (as a representative of SVM model) was compared with the results of ARMA(6,2) (as a representative of time series model) and this conclusion was obtained that the SVM model has a better performance than time series models in the monthly river flow prediction of the Kherkherehchiy basinKeywords: River Flow Prediction, Support Vector Machine, Kernel functions, Time Series Models, Kherkherehchiy River Basin
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.