پیش‌بینی سطح آب زیرزمینی مناطق با کمبود داده با استفاده از مدل LSTM (مطالعه موردی: محدوده مطالعاتی سعادت آباد، استان فارس)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی و مدیریت آب، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

10.22059/jwim.2025.389999.1208

چکیده

پیش‌بینی سطح‌آب‌زیرزمینی برای استفاده‌پایدار از منابع‌آب، اهمیت زیادی دارد. این پیش‌بینی می‌تواند در مناطقی که با بحران‌های آبی مواجه هستند، به بهبود مدیریت منابع‌آب کمک کند. در سال‌های اخیر، استفاده از هوش‌مصنوعی برای پیش‌بینی سطح آب‌زیرزمینی توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. این مدل‌ها می‌توانند وابستگی‌های پیچیده و غیرخطی میان داده‌ها را شبیه‌سازی کنند و در مناطقی که داده‌های‌هیدرولوژیکی دقیق‌و‌جامع دردسترس نیست، کاربرد فراوانی دارند. در این مطالعه، از مدل LSTM برای پیش‌بینی سطح آب‌زیرزمینی در محدوده‌مطالعاتی سعادت‌آباد در حوضه‌آبریز طشک-بختگان استان‌فارس استفاده شد. هدف اصلی این مطالعه، ارزیابی عملکرد مدل LSTM در مقایسه با مدل‌های سنتی و تحلیل تأثیر توابع فعال‌ساز مختلف بر دقت پیش‌بینی سطح آب زیرزمینی بود. برای بهینه‌سازی هایپرپارامترهای مدل از بهینه‌سازبیزین (Bayesian optimization) بهره گرفته شد که باعث بهبود دقت پیش‌بینی و شبیه‌سازی وابستگی‌های بلندمدت میان داده‌های ورودی گردید. نتایج نشان داد که مدل LSTM قادر است نوسانات و روندهای بلندمدت سطح آب‌زیرزمینی را با دقت پیش‌بینی کند. همچنین، مقایسه عملکرد توابع‌فعال‌ساز مختلف نشان داد که تابع‌فعال‌ساز ReLU توانست با مقدار NSE برابر با 0.99، R² برابر با 0.97 و RMSE برابر با 0.67 متر، روند تغییرات سطح آب‌زیرزمینی را شبیه‌سازی کند. همچنین، مشاهده شد که استفاده از GPU به‌طور قابل‌توجهی زمان‌پردازش را کاهش داد. به‌طور خاص، زمان‌اجرا برای مدل با CPU برابر با 31دقیقه و با GPU برابر با 9دقیقه بود. این مدل توانایی بالایی در شبیه‌سازی الگوهای زمانی پیچیده و پیش‌بینی دقیق سطح آب‌زیرزمینی دارد و می‌تواند به‌عنوان ابزاری کارآمد برای مدیریت منابع آب‌زیرزمینی در مناطق مختلف با کمبودداده، استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Groundwater Level Forecasting of Data-Scare areas using a Deep Learning Long-Short Term Memory (LSTM) Model (Case Study: Saadatabad study area, Fars Province)

نویسندگان [English]

  • Mohammad Javad Aghaei
  • Hamed Ketabchi
Department of Water Engineering and Management, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Groundwater level forecasting is a crucial approach in water resource management and planning. This forecasting can assist in improving water resource management, especially in regions facing water crises. In recent years, the use of artificial intelligence for forecasting groundwater levels has gained significant attention. These models can simulate complex and nonlinear relationships between data and are widely used in areas where accurate and comprehensive hydrological data is not available. In this study, the Long Short-Term Memory (LSTM) model was used to forecast groundwater levels in the Saadat Abad area of the Tashk-Bakhtegan Basin in Fars Province. The main objective of this study was to evaluate the performance of the LSTM model compared to traditional models and to analyze the impact of different activation functions on the accuracy of groundwater level forecasting. Bayesian optimization was employed to optimize the model's hyperparameters, which significantly improved the forecasting accuracy and the simulation of long-term dependencies between input data.The results of this study showed that the LSTM model is capable of forecasting groundwater level fluctuations and long-term trends with high accuracy. Additionally, a comparison of different activation functions revealed that the ReLU activation function with NSE value of 0.99, an R² value of 0.97, and an RMSE of 0.67 m, simulated the changes in groundwater levels. Furthermore, it was observed that using GPU significantly reduced processing time. Specifically, the execution time with CPU was 31 minutes, while with GPU it was only 9 minutes. This model demonstrated a high ability to simulate complex temporal patterns and accurately forecast groundwater levels, making it an efficient tool for groundwater resource management in regions with limited data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bayesian optimization
  • activation function
  • simulation
  • water resource management