پیش‌بینی متغیر‌های کیفی آب زیرزمینی با یادگیری ماشین و مهندسی ویژگی‌های فضایی چاه‌های همجوار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

2 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی ، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران

3 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

10.22059/jwim.2026.413821.1301

چکیده

مدل‌سازی دقیق کیفیت آب‌های زیرزمینی مستلزم درک ساختار وابستگی مکانی پارامترهای شیمیایی و بهره‌گیری از روش‌های پیش‌بینی پیشرفته است. در این پژوهش، با هدف پیش‌بینی متغبرهای (EC) و (Ca+²) در گیلان، از شش الگوریتم یادگیری ماشین شامل KNN، MLP، RF، GPR، GBR و XGBoost استفاده شد. برای لحاظ کردن ساختار فضایی، فاصله چاه‌های همجوار به‌عنوان ورودی به مدل‌ها افزوده شد و عملکرد آن‌ها در سناریوهای مختلف تعداد چاه‌های همسایه (4 تا 8 چاه) با استفاده از داده‌های سالانه دوره 2002 تا 2018 ارزیابی گردید.نتایج نشان داد که مدل‌های مبتنی بر یادگیری جمعی عملکرد برتری نسبت به سایر الگوریتم‌ها دارند، اما الگوی بهینه فضایی برای هر متغیر متفاوت است. برای EC، مدل RF در سناریوی استفاده از 8 چاه همسایه بهترین عملکرد را با مقدار R2 برابر با 0.888، RMSE برابر با 117.165 و MAE برابر با 84.173 ارائه داد که نشان‌دهنده وابستگی مکانی گسترده‌تر این متغیر در آبخوان است. در مقابل، برای Ca+2 مدل XGBoost در سناریوی 4 چاه همسایه به عملکرد بهینه با R2 برابر با 0.811 و MAE برابر با 0.820 دست یافت که بیانگر غالب بودن فرآیندهای محلی در توزیع مکانی این یون است.مقایسه نشان داد که افزایش تعداد چاه‌های همسایه الزاماً منجر به بهبود دقت پیش‌بینی برای تمامی پارامترها نمی‌شود و ساختار وابستگی مکانی هر متغیر باید جداگانه تحلیل شود. یافته‌های این مطالعه تأکید می‌کند که تلفیق یادگیری ماشین با مهندسی ویژگی‌های فضایی، چارچوبی مؤثر برای مدل‌سازی هوشمند کیفیت آب‌های زیرزمینی فراهم می‌کند و می‌تواند در بهینه‌سازی شبکه‌های پایش و تصمیم‌گیری مدیریتی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Spatially Informed Machine‑Learning Prediction of Groundwater Quality Using Feature Engineering from Proximal Observation Wells

نویسندگان [English]

  • Hossein Hadizadeh 1
  • Nima Moghaddam 2
  • Afshin Ashrafzadeh 3
1 M.Sc. Student in Water Resources Engineering, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
2 M.Sc. Student in Water Resources Engineering, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
3 Associate Professor, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
چکیده [English]

Accurate modeling of groundwater quality requires a proper understanding of the spatial dependency structure of hydrochemical parameters and the application of advanced predictive approaches. In this study, six machine learning algorithms including K Nearest Neighbors (KNN), Multi Layer Perceptron (MLP), Random Forest (RF), Gaussian Process Regression (GPR), Gradient Boosting Regression (GBR) and Extreme Gradient Boosting (XGBoost) were employed to predict electrical conductivity (EC) and calcium (Ca²⁺) concentrations in Guilan Province, Iran. To incorporate spatial dependency into the predictive framework, the distances to neighboring wells were introduced as input features, and model performance was evaluated under different neighborhood scenarios (4 to 8 neighboring wells) using annual groundwater quality data from 2002 to 2018.

The results indicate that ensemble learning models outperform the other algorithms; however, the optimal spatial configuration varies between parameters. For electrical conductivity (EC), the Random Forest model achieved the best performance when eight neighboring wells were considered, with an R‑squared value of 0.888, a root mean square error of 117.165, and a mean absolute error of 84.173. This suggests a broader spatial dependency for this parameter within the aquifer system. In contrast, for calcium ion (Ca²⁺), the XGBoost model yielded the optimal performance with four neighboring wells, achieving an R‑squared value of 0.811, a root mean square error of 1.154, and a mean absolute error of 0.820, indicating that local hydrogeochemical processes exert a stronger control on the spatial distribution of this ion.

The comparison of neighborhood scenarios further demonstrates that increasing the number of neighboring wells does not necessarily improve prediction accuracy for all parameters, highlighting the importance of parameter specific spatial dependency analysis. Overall, the findings confirm that integrating machine learning with spatial feature engineering provides an effective framework for intelligent groundwater quality modeling and can support the optimization of monitoring networks and water resources management strategies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater quality prediction
  • Machine learning
  • (EC)
  • (Ca²⁺)