مدل‌سازی هدایت هیدرولیکی بستر رودخانه‌های فصلی در مناطق خشک و نیمه‌خشک با استفاده از یادگیری ماشین: ارزیابی عملکرد و تحلیل حساسیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست دانشگاه شهید بهشتی تهران

10.22059/jwim.2026.410934.1293

چکیده

هدایت هیدرولیکی عمودی بستر رودخانه‌های فصلی یکی از پارامترهای کلیدی در تبادل جریان سطحی-زیرسطحی و مدیریت منابع آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک است، با این حال اندازه‌گیری مستقیم آن با هزینه، زمان و عدم قطعیت بالا همراه می‌باشد. هدف این پژوهش، توسعه و ارزیابی یک چارچوب مبتنی بر یادگیری ماشین برای پیش‌بینی هدایت هیدرولیکی عمودی بستر با تأکید بر نقش ناهمگنی‌های مورفولوژیکی شامل کانال اصلی و پشته‌های رسوبی با درک رفتار رودخانه‌های فصلی است. بدین منظور، مدل‌های مبتنی بر تقویت با استفاده از داده‌های دانه‌بندی، شاخص‌های ساختاری بستر و پارامترهای هیدرولیکی توسعه داده شد. عملکرد مدل‌ها با سه روش اعتبارسنجی ارزیابی شد. نتایج نشان داد که مدل منتخب در داده‌های آزمون به مقادیر ضریب تعیین بالاتر از 85/0 دست یافته است. تحلیل عدم قطعیت بیانگر آن بود که بازه‌های اطمینان ۹۵ درصد پیش‌بینی‌ها محدود بوده و نرخ برد مدل در اغلب سناریوهای اعتبارسنجی بیش از 85 درصد است. مقایسه عملکرد مدل در واحدهای مورفولوژیکی مختلف نشان داد که پیش‌بینی هدایت هیدرولیکی در پشته‌های رسوبی نسبت به کانال اصلی از پایداری بیشتری برخوردار بوده، به‌گونه‌ای که انحراف معیار نتایج آزمون بسته به روش اعتبارسنجی بین ۱۰ تا ۵۰ درصد کمتر گزارش شده است. نتایج تحلیل حساسیت حاکی از آن است که پارامترهای mp و Ar به‌همراه صدک ریز دانه‌بندی (d10) مهم‌ترین عوامل کنترل‌کننده هدایت هیدرولیکی عمودی هستند. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که تلفیق یادگیری ماشین با تحلیل مبتنی بر مورفولوژی می‌تواند رویکردی کارآمد برای برآورد هدایت هیدرولیکی بستر رودخانه‌های فصلی و کاهش عدم قطعیت در مطالعات هیدرولوژیکی فراهم کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling streambed hydraulic conductivity of ephemeral rivers in arid and semi-arid regions using machine learning: performance evaluation and sensitivity analysis

نویسندگان [English]

  • Ehsan Karrabi
  • Mohammadreza Majdzadeh Tabatabaei
Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran;
چکیده [English]

Vertical hydraulic conductivity of ephemeral streambeds is one of the key parameters in surface‑subsurface flow exchange and water resource management in arid and semi‑arid regions. However, its direct measurement is associated with high cost, time, and uncertainty. The aim of this study is to develop and evaluate a machine‑learning‑based framework for predicting vertical hydraulic conductivity of the bed, emphasizing the role of morphological heterogeneities such as the main channel and bars, to understand the behavior of ephemeral rivers. To this end, reinforcement‑based models were developed using grain‑size data, bed structural indices, and hydraulic parameters. The models performance was evaluated with three validation methods. Results show that the selected model achieved a coefficient of determination above 0.85 on the test data. Uncertainty analysis indicated that the 95 % confidence intervals of the predictions were narrow, and the model skill rate exceeded 85 % in most validation scenarios. Comparing model performance across different morphological units revealed that predicting hydraulic conductivity in bars was more stable than in the main channel, with the standard deviation of test results ranging from 10 % to 50 % lower depending on the validation method. Sensitivity analysis results indicate that the parameters mp and Ar, along with the 10th percentile grain size (d10), are the most important controlling factors for vertical hydraulic conductivity. These findings suggest that integrating machine learning with morphology‑based analysis can provide an efficient approach for estimating hydraulic conductivity of ephemeral streambeds and reducing uncertainty in hydrological studies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Machine Learning
  • Hydraulic Conductivity
  • Ephemeral Rivers
  • Sensitivity Analysis