تحلیل عدم قطعیت مدل‌های نفوذ آب در خاک با شبکه عصبی و روش آلفا-کات دشت کوهدشت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، گروه منابع آب، دانشکده علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

2 استاد، گروه منابع آب، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

3 دانشجوی دکتری مهندسی عمران- مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده عمران و معماری، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

چکیده

در سال‌های اخیر، بحران آب، افت سطح آب‌های زیرزمینی و کاهش پایداری کشاورزی، اهمیت برآورد دقیق نرخ نفوذ آب در خاک را دوچندان کرده است. در این پژوهش، با استفاده از داده‌های شش آزمایش نفوذسنجی، نفوذ آب در خاک با کمک پنج مدل گرین-آمپت، کوستیاکوف، هورتون، SCS و شبکه عصبی مصنوعی شبیه‌سازی شد. ارزیابی آماری نشان داد مدلSCS  با دقت بالاتر و خطای کمتر نسبت به سایر مدل‌ها، عملکرد بهتری دارد و بعد از آن مدل شبکه عصبی مصنوعی در جایگاه دوم قرار داشت. برای بررسی عدم قطعیت مدل‌ها، روش فازی α-cut به‌کار رفت. نتایج نشان داد مدل شبکه عصبی مصنوعی کمترین عدم قطعیت (۱۱٪ تا ۲۱٪) و مدلSCS  بیشترین عدم قطعیت (۶۱٪ تا ۸۸٪) را در برآورد نفوذ تجمعی دارد. نتایج تحلیل عدم قطعیت نشان می‌دهد که گرچه مدل SCS دقت بالاتری داشته است اما مدلی ناپایدارتر و حساس‌تر به پارامترهای ورودی بوده است. این نتیجه می‌تواند به عنوان یک دستاورد کلی مدنظر قرار گیرد که برای مقایسه مدل‌های مهندسی، علاوه بر دقت آماری مدل، ضروری است تحلیل عدم قطعیت و میزان اطمینان مدل نیز مورد بررسی قرار گیرد. به عنوان مثال، در این تحقیق ممکن است بدون تحلیل عدم قطعیت، روش SCS برای استفاده در اولویت باشد، اما با توجه به دقت و اطمینان‌پذیری شبکه عصبی مصنوعی انجام شده، این مدل می‌تواند در اولویت استفاده قرار گیرد. همچنین این یافته‌ها برتری مدل‌های داده‌محور را در مدیریت بهینه منابع آب تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparative Evaluation and Uncertainty Quantification of Soil Infiltration Models via Neural Networks and the α-Cut Method: Case Study of Kuhdasht Plain

نویسندگان [English]

  • maryam kabode 1
  • ali moohamad akhond ali 2
  • Heidar Zarei 2
  • Fakhreddin Moradi Kia 3
1 M.Sc. Graduate in Water Resources and Hydrology, Department of Hydrology and Water Resources, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
2 3- Associate Professor, Department of Hydrology and Water Resources, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
3 Ph.D. Student in Water Resources Engineering, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
چکیده [English]

In recent years, the water crisis, the decline in groundwater levels, and the reduced sustainability of agriculture have underscored the importance of accurately estimating water infiltration into soil. In this study, water infiltration was simulated using data from 17 infiltration tests and five models: Green-Ampt, Kostiakov, Horton, SCS (Soil Conservation Service), and an artificial neural network (ANN). Statistical evaluation indicated that the SCS model had the best performance due to higher accuracy and lower error compared to the other models, followed by the neural network model in second place.

To assess model uncertainty, the fuzzy α-cut method was applied. Results showed that the neural network model had the lowest uncertainty (11% to 21%) in estimating cumulative infiltration, while the SCS model had the highest uncertainty (88% to 61%). The uncertainty analysis revealed that although the SCS model demonstrated higher accuracy, it was more unstable and sensitive to input parameters.

This finding suggests a general principle: in the comparison of engineering models, it is essential to consider not only statistical accuracy but also uncertainty and model reliability. For instance, in this study, the SCS method might have been the preferred choice without uncertainty analysis; however, considering both the accuracy and reliability of the neural network model, it can be regarded as the better option. These results also confirm the superiority of data-driven models in the optimal management of water resources.

کلیدواژه‌ها [English]

  • infiltration tests
  • neural network
  • α-cut fuzzy method
  • Uncertainty analysis
  • Confidence level