ارزیابی و تحلیل عدم قطعیت معادلات نفوذ آب در خاک با استفاده از شبکه عصبی و روش آلفاکات (مطالعه موردی: دشت کوهدشت)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید چمران اهواز گروه کشاورزی_منابع آب

2 دانشگاه شهید چمران اهواز دانشکده عمران گروه منابع آب

3 استاد گروه منابع آب و هیدرولوژی، دانشکده علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

در سال‌های اخیر بحران آب، افت سطح آب‌های زیرزمینی و کاهش پایداری کشاورزی، اهمیت برآورد دقیق به نفوذ آب در خاک را دوچندان کرده است. در این پژوهش، با استفاده از داده‌های 6 آزمایش نفوذسنجی، نفوذ آب در خاک کمک پنج مدل گرین-آمپ، کوستیاکوف، هورتون، SCS و شبکه عصبی شبیه‌سازی شد. ارزیابی آماری نشان داد مدل SCS با دقت بالاتر و خطای کمتر نسبت به سایر مدل‌ها، عملکرد بهتری دارد و بعد از آن مدل شبکه عصبی در جایگاه دوم قرار داشت. برای بررسی عدم قطعیت مدل‌ها، روش فازی α-cut به‌کار رفت. نتایج نشان داد مدل شبکه عصبی کمترین عدم قطعیت (۱۱٪ تا ۲۱٪) و مدل SCS بیشترین عدم قطعیت (61٪ تا 88٪) را در برآورد نفوذ تجمعی دارد. نتایج تحلیل عدم قطعیت نشان می دهد که گرچه مدل مانند SCS دقت بالاتری داشته است اما مدلی ناپایدارتر و حساس تر به پارامترهای ورودی بوده است. این نتیجه می تواند به عنوان یک دستاورد کلی مد نظر قرار گیرد که برای مقایسه مدل های 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 اطمینان پذیری شبکه عصبی انجام شده، این مدل می تواند در اولویت اسفاده 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
  • Fakhreddin Moradi Kia 2
  • ali moohamad akhond ali 3
1 Shahid Chamran University of Ahvaz, Department of Agriculture_Water Resources
2 Shahid Chamran University of Ahvaz, Faculty of Civil Engineering, Department of Water Resources
3 Professor, Department of Water Resources and Hydrology, Faculty of Water Sciences, Shahid Chamran University of Ahvaz
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