مدیریت آب و آبیاری

مدیریت آب و آبیاری

کمی‌سازی منابع عدم‌قطعیت در پیش بینی جریان رودخانه مبتنی بر مدل‌های شبکه عصبی عمیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 گروه مهندسی عمران، واحد علوم تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
10.22059/jwim.2026.418277.1323
چکیده
تحولات اقلیمی در دهه‌های اخیر ‫ضمن تغییر الگو و رژیم جریان رودخانه‌ها، باعث افزایش عدم‌قطعیت در رفتار هیدرولوژیکی حوضه‌های آبریز شده و مدل‌های پیش‌بینی جریان رودخانه را با چالش‌های زیادی مواجه کرده است. در این راستا، پژوهش حاضر به توسعه و ارزیابی دو مدل یادگیری عمیق LSTM و TCN برای پیش‌بینی و تخمین عدم‌قطعیت جریان رودخانه در حوضه آبریز شاهرود می‌پردازد. داده‌ها شامل دبی، دما، بارش در ایستگاه لوشان و عمق برف مربوط به کوه شاه‌البرز می‌باشند. در تخمین و تفکیک منابع عدم‌قطعیت از تابع زیان Gaussian Negative Log-Likelihood برای عدم‌قطعیت آلئاتوریک و روش Monte Carlo Dropout برای عدم‌قطعیت اپیستمیک در مدل‌سازی استفاده شده است. در فاز تست، مدل TCN با RMSE، R²، KGE به ترتیب 72/8، 93/0، 94/0 و مدل LSTM با 42/9، 92/0، 93/0 عملکرد خوبی در پیش‌بینی جریان دارند. بررسی توانایی مدل‌ها در شناسایی رخدادهای حدی حاکی از آن است که مدل TCN در آستانه‌های بالای جریان، با FN کمتر، توانایی بیشتری در آشکارسازی سیلاب‌ها را دارد، هر چند این برتری با افزایش FP همراه می‌باشد. نتایج شاخص‌های عدم‌قطعیت PICP و MPIW در مدل LSTM به ترتیب 9055/0 و 0558/15 پوششی نزدیک‌تر به سطح هدف (PI90) ارائه داد و مدل TCN با 9329/0 و 4160/20 پوشش بیشتری نسبت به PI90 ایجاد کرد. در مجموع، برای پیش‌بینی جریان رودخانه TCN عملکرد مناسب‌تری نشان داد و در تخمین عدم‌قطعیت، LSTM نزدیک به کالیبره‌ بود، در حالی که TCN با پوشش بیشتر از PI90 پیش‌بینی محافظه‌ کارانه‌تری ارائه داد که می‌تواند در کاربردهای تصمیم‌گیری‌ حساس به ریسک مزیت داشته باشد.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Quantifying Sources of Uncertainty in Deep Learning-Based River Discharge Prediction

نویسندگان English

Amir Mosakhani 1
Ahmad Sharafati 2
Aminreza Neshat 2
1 Department of Civil Engineering, SR.C., Islamic Azad University,Tehran, Iran.
2 Department of Civil Engineering, SR.C., Islamic Azad University,Tehran, Iran.
چکیده English

In recent decades, climate change has altered the patterns and regimes of river flow, increased uncertainty in the hydrological behavior of basins, and posed many challenges for river flow prediction models. Therefore, this study develops and evaluates two deep learning models, LSTM and TCN, for river flow prediction and uncertainty estimation in the Shahroud basin. The data included river discharge, temperature, precipitation at the Lowshan station, and snow depth in the Shah Alborz Mountains. For estimating and decomposing uncertainty, the Gaussian Negative Log-Likelihood loss function was used to quantify aleatoric uncertainty, while the Monte Carlo Dropout method was used to estimate epistemic uncertainty. During the testing phase, the TCN model achieved an RMSE, R², and KGE of 8.7238 m3/sec, 0.9370, and 0.9495, respectively, whereas the LSTM model achieved corresponding values of 9.4268 m3/sec, 0.9264, and 0.9359. The evaluation of extreme event detection showed that the TCN model outperformed the LSTM model at high streamflow thresholds by producing fewer false negatives (FN), thereby enhancing flood detection capability, although this improvement came at the cost of more false positives (FP). The uncertainty analysis indicated that the LSTM model achieved PICP and MPIW values of 0.9055 and 15.0558, respectively, providing coverage closer to the target PI90, and the TCN model achieved corresponding values of 0.9329 and 20.4160, resulting in higher-than-target coverage for PI90. Overall, the TCN model outperformed the LSTM model in river flow prediction. In terms of uncertainty estimation, the LSTM model exhibited better calibration, whereas the TCN model provided more conservative prediction intervals with coverage exceeding the target PI90, making the TCN model potentially more suitable for risk-sensitive decision-making applications.

کلیدواژه‌ها English

Aleatoric
Deep Learning Model
Epistemic
Extreme Events

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 31 شهریور 1405