ارزیابی دقت مدل‌های هم‌زمان سری زمانی و شبکه عصبی در مدل‌سازی بارش-رواناب (مطالعه موردی: حوضه آبریز نازلو چای)

Abstract

سابقه و هدف: مدل‌سازی بارش-رواناب یک فرآیند ضروری و پیچیده می‌باشد که در بهره‌برداری مناسب از مخازن و مدیریت و برنامه ریزی صحیح منابع آب نقش عمده‌ای دارد. مدل‌سازی این فرآیند با استفاده از روش‌های مختلفی امکانپذیر است. ازنظر تئوری، در مدل‌سازی یک سیستم می‌بایست روابط صریح بین متغیرهای ورودی و خروجی معلوم باشند. در حالیکه به علت معلوم نبودن روابط صریح بین متغیرها و عدم قطعیت‌های ذاتی آن‌ها، استخراج چنین مدلی بسیار مشکل می‌باشد. برای مدل‌سازی بارش-رواناب تا کنون کارایی مدل‌هایی نظیر شبکه عصبی، مدل-های چند‌متغیره خود همبسته با میانگین متحرک مورد بررسی قرار گرفته است لذا در این تحقیق میزان دقت مدل-های CARMA و ANN در مدل‌سازی بارش-رواناب مورد بررسی قرار گرفته است.<br /> مواد و روش‌ها: در این مطالعه، مدل‌های چند‌متغیره خود همبسته با میانگین متحرک هم‌زمان (CARMA) و شبکه عصبی مصنوعی جهت مدل‌سازی بارش-رواناب مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای مدل ANN سه سناریو در نظر گرفته شد. جهت استفاده از مدل‌های فوق، از سری زمانی مجموع بارش و رواناب ماهانه در دوره آماری (1394-1353) مربوط به حوضه آبریز نازلو چای واقع در ´49 °44 طول جغرافیایی و ´40 °37 عرض جغرافیایی واقع در استان آذربایجان غربی استفاده شد. در ابتدا، داده‌ها ازنظر تصادفی بودن، روند و همگنی، به ترتیب با استفاده از آزمون‌های ران-تست، من-کندال و ویلکاکسون مورد بررسی قرار گرفتند و پس از آن داده‌ها به دو گروه تقسیم شدند. 80 درصد داده‌ها به آموزش مدل و 20 درصد از داده‌ها به آزمون مدل اختصاص داده شد. معیارهای عملکرد به کار برده شده نیز معیارهای ریشه میانگین مربعات خطا، نش-ساتکلیف و ضریب همبستگی بوده است.<br /> یافته‌ها: نتایج نشان داد که مدل CARMA دقت به‌مراتب مناسب‌تری نسبت به مدل ANN داشته است به‌طوری‌که معیار ریشه میانگین مربعات خطا در مدل CARMA برابر با 7/7 و در مدل ANN برابر با 50/9 متر مکعب بر ثانیه بود. همچنین معیارهای نش-ساتکلیف و R2 در مدل CARMA به ترتیب برابر با 41/0 و 54/0 در حالی که مقادیر این معیارها در مدل ANN برابر با 45/0 و 80/0 بوده است. لذا مدل CARMA برای مدل‌سازی بارش-رواناب از دقت بیشتری نسبت به مدل ANN برخوردار بوده است.<br /> نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق، استفاده از مدل‌های چند‌متغیره خانواده ARMA سبب کاهش میزان خطای مدل به‌میزان 18 درصد نسبت به مدل ANN شده است لذا مدل CARMA نسبت به مدل ANN از عملکرد مناسب‌تری برخوردار بوده است و این موضوع اهمیت در نظر گرفتن جزء تصادفی در مدل‌سازی را نشان می‌دهد.