تعداد نشریات | 161 |
تعداد شمارهها | 6,573 |
تعداد مقالات | 71,036 |
تعداد مشاهده مقاله | 125,508,993 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 98,772,273 |
ارزیابی کارایی مدل LSTM در پیشبینی جریان روزانه ورودی به مخازن سدها | ||
تحقیقات آب و خاک ایران | ||
دوره 55، شماره 10، دی 1403، صفحه 1863-1883 اصل مقاله (2.53 M) | ||
نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22059/ijswr.2024.378146.669738 | ||
نویسندگان | ||
معصومه زینعلی1؛ امید بزرگ حداد* 1؛ مهدی یاسی2؛ حسین علیزاده3 | ||
1گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران. | ||
2استاد، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران | ||
3گروه آب و محیط زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران | ||
چکیده | ||
پیشبینی زمان واقعی جریان روزانه ورودی به مخازن با افق پیشبینی چند گام جلوتر جهت برنامهریزی و مدیریت منابع آب اهمیت زیادی دارد. با وجود مطالعات زیاد پیشبینی جریان با روشهای یادگیری ماشین، مطالعات کمی برای بررسی قابلیتهای پیشبینی طولانی مدت (چند گام جلوتر) این روشها و به دست آوردن بینشی نسبت به مقایسه سامانمند عملکرد پیشبینی مدل در کوتاهمدت انجام شده است. در این پژوهش با استفاده از سامانه استنتاج عصبی-فازی تطبیقی (ANFIS) و شبکه حافظه کوتاه و بلند مدت (LSTM) پیشبینی جریان روزانه ورودی به مخزن سیمره تا ۷ روز آینده انجام شد. برای این کار از دادههای روزانه بارش، دما و جریان ورودی به سیمره از سال ۱۳۹1 تا ۱۳۹۷ جهت انجام مدل سازی استفاده شده است. نتایج نشان داد که در پیشبینی روزانه چند گام جلوتر، عملکرد مدل LSTM بهتر از ANFIS است بهطوریکه بیشینه و کمینه مقدار ضریب نش در افق پیشبینی تا هفت روز آینده به ترتیب برای مدل LSTM برابر 971/0 و 628/0 و برای مدل ANFIS برابر 858/0 و 393/0 میباشد. تنظیم بهینه پارامترهای مربوط به تعداد نرونها در هر لایه، تعداد تکرارها و تعداد دستهها در مدل LSTM، کلیدی برای پتانسیل بالای مدل جهت پیشبینی جریان تا افق پیشبینی هفت روز آینده میباشد. درنهایت عملکرد LSTM جهت پیشبینی جریان ورودی به سیمره در سیلاب 98 ارزیابی و مشخص شد که جریانهای سیلابی را با دقت قابل قبولی تا افق پیشبینی 7 روز آینده، پیشبینی کرده است. این یافتهها نشان میدهد که LSTM میتواند در پیشبینی جریان روزانه مناسب باشد. بنابراین برای کمک به تصمیمگیریهای راهبردی در مدیریت منابع آب بخصوص در شرایط سیلابی می توان از آن بهره گرفت | ||
کلیدواژهها | ||
افق پیشبینی بلندمدت؛ پیشبینی جریان روزانه مخزن؛ مدیریت سیلاب؛ یادگیری ماشین | ||
مراجع | ||
Babaei, M., Moeini, R., & Ehsanzadeh, E. (2019). Artificial neural network and support vector machine models for inflow prediction of dam reservoir (case study: Zayandehroud dam reservoir). Water Resources Management, 33, 2203-2218. Breiman, L. (1996). Bagging predictors. Machine learning, 24, 123-140. Breiman, L. (2001). Random forests. Machine learning, 45, 5-32. Cheng, M., Fang, F., Kinouchi, T., Navon, I. M., & Pain, C. C. (2020). Long lead-time daily and monthly streamflow forecasting using machine learning methods. Journal of Hydrology, 590, 125376. Dehghani, M., Saghafian, B., Rivaz, F., & Khodadadi, A. (2015). Monthly stream flow forecasting via dynamic spatio-temporal models. Stochastic environmental research and risk assessment, 29, 861-874. Fathian, F., Mehdizadeh, S., Sales, A. K., & Safari, M. J. S. (2019). Hybrid models to improve the monthly river flow prediction: Integrating artificial intelligence and non-linear time series models. Journal of Hydrology, 575, 1200-1213. Han, H., Choi, C., Jung, J., & Kim, H. S. (2021). Application of sequence to sequence learning based LSTM model (LSTM-s2s) for forecasting dam inflow. Journal of Korea Water Resources Association, 54(3), 157-166. Hochreiter, S., Schmidhuber, J., (1997). Long short-term memory. Neural Comput. 9, 1735–1780. Hu, C., Wu, Q., Li, H., Jian, S., Li, N., & Lou, Z. (2018). Deep learning with a long short-term memory networks approach for rainfall-runoff simulation. Water, 10(11), 1543. Hu, R., Fang, F., Pain, C. C., & Navon, I. M. (2019). Rapid spatio-temporal flood prediction and uncertainty quantification using a deep learning method. Journal of Hydrology, 575, 911-920. Khorram, S., & Jehbez, N. (2023). A hybrid CNN-LSTM approach for monthly reservoir inflow forecasting. Water Resources Management, 37(10), 4097-4121. Kişi, Ö. (2009). "Evolutionary fuzzy models for river suspended sediment concentration estimation." Journal of Hydrology. 372(1–4): 68-79. Kratzert, F., Klotz, D., Brenner, C., Schulz, K., & Herrnegger, M. (2018). Rainfall–runoff modelling using long short-term memory (LSTM) networks. Hydrology and Earth System Sciences, 22(11), 6005-6022. Kumar, S., Tiwari, M. K., Chatterjee, C., & Mishra, A. (2015). Reservoir inflow forecasting using ensemble models based on neural networks, wavelet analysis, and bootstrap method. Water resources management, 29(13), 4863-4883. Latif, S. D., Ahmed, A. N., Sathiamurthy, E., Huang, Y. F., & El-Shafie, A. (2021). Evaluation of deep learning algorithm for inflow forecasting: a case study of Durian Tunggal Reservoir, Peninsular Malaysia. Natural Hazards, 109(1), 351-369 Le, X. H., Ho, H. V., Lee, G., & Jung, S. (2019). Application of long short-term memory (LSTM) neural network for flood forecasting. Water, 11(7), 1387. Lee, S., & Kim, J. (2021). Predicting inflow rate of the Soyang river dam using deep learning techniques. Water, 13(17), 2447. Man, Y., Yang, Q., Shao, J., Wang, G., Bai, L., & Xue, Y. (2023). Enhanced LSTM model for daily runoff prediction in the upper Huai River Basin, China. Engineering, 24, 229-238. Milly, P. C., Dunne, K. A., & Vecchia, A. V. (2005). Global pattern of trends in streamflow and water availability in a changing climate. Nature, 438(7066), 347-350. Misaghi, F. (2016). Forecasting of the Alavian Dam Inflow Water Using Optimized Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (OANFIS). Iranian Journal of Soil and Water Research, 47(3), 439-448. )In Persian(. Mouatadid, S., Adamowski, J. F., Tiwari, M. K., & Quilty, J. M. (2019). Coupling the maximum overlap discrete wavelet transform and long short-term memory networks for irrigation flow forecasting. Agricultural Water Management, 219, 72-85. Mousavi Nadushni, S, S., BaniHabib, M. E., & Bandari, R. (2013). prediction of daily inflow Dez dam reservoir using time series models, 11th National Seminar on Irrigation and Evaporation Reduction, Kerman, https://civilica .com/doc/157849. )In Persian(. Mousavi, S. F., & Mahjoobi, J. (2019). Real-time streamflow prediction for optimal water resource management: Challenges and advances. Journal of Hydrology, 123(4), 567-581. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.08.015 National Flood Report Special Committee (2019), Hydrology and Water Resources Working Group, Reservoir Management Committee. (In Persian). Nayak, P. C., K. P. Sudheer, D. M. Rangan & K. S. Ramasastri, (2004). "A neuro-fuzzy computing technique for modeling hydrological time series." Journal of Hydrology 291(1–2): 52-66. Ni, L., Wang, D., Singh, V. P., Wu, J., Wang, Y., Tao, Y., & Zhang, J. (2020). Streamflow and rainfall forecasting by two long short-term memory-based models. Journal of Hydrology, 583, 124296. Noorbeh, P., Roozbahani, A., & Kardan Moghaddam, H. (2020). Annual and monthly dam inflow prediction using Bayesian networks. Water Resources Management, 34, 2933-2951. Nourani, V. & M. Komasi (2013). "A geomorphology-based ANFIS model for multi-station modeling of rainfall–runoff process." Journal of Hydrology 490: 41-55. Nourani, V. (2017). An emotional ANN (EANN) approach to modeling rainfall-runoff process. Journal of Hydrology, 544, 267-277. Nourani, V., & Komasi, M. (2013). A geomorphology-based ANFIS model for multi-station modeling of rainfall–runoff process. Journal of Hydrology, 490, 41-55. Nourani, V., & Partoviyan, A. (2018). Hybrid denoising-jittering data pre-processing approach to enhance multi-step-ahead rainfall–runoff modeling. Stochastic environmental research and risk assessment, 32(2), 545-562. Olah, C. (2015). Understanding LSTM Networks Browning KA, Collier CG (1989) Nowcasting of precipitation systems. Rev Geophys 27:345– 370. https://doi.org/10.1029/RG027i003p00345. Qi, Y., Zhou, Z., Yang, L., Quan, Y., & Miao, Q. (2019). A decomposition-ensemble learning model based on LSTM neural network for daily reservoir inflow forecasting. Water Resources Management, 33, 4123-4139. Ross, T. J. (1995). Fuzzy logic with engineering application. McGraw Hill Inc., USA,. Samadi Borojni, H. & Ostad Ali Askari, Mansour. (2008). Real-time forecasting of daily inflow to the reservoir of Karun Dam 3 by combining the autoregressive method and rainfall forecasts. Iran Water Resources Research, 4(2), 14-22. )In Persian(. Shahkarami, N., Sanikhani, H., & Moradi, M. (2016). Prediction of inflow to Kamal Saleh dam reservoir using soft calculations. Scientific Journal of Irrigation and Water Engineering of Iran, 6(2), 48-61. )In Persian(. Sun, F., & Burian, S. J. (2016). Enhancing the accuracy of daily streamflow predictions using machine learning models. Journal of Hydrology, 540, 225-237. Xiao, Z., Liang, Z., Li, B., Hou, B., Hu, Y., & Wang, J. (2019). New flood early warning and forecasting method based on similarity theory. Journal of Hydrologic Engineering, 24(8), 04019023. Yaseen, Z. M., El-Shafie, A., Jaafar, O., Afan, H. A., & Sayl, K. N. (2015). Artificial intelligence based models for stream-flow forecasting: 2000–2015. Journal of Hydrology, 530, 829-844. Zhang, X., Wang, H., Peng, A., Wang, W., Li, B., & Huang, X. (2020). Quantifying the uncertainties in data-driven models for reservoir inflow prediction. Water Resources Management, 34(4), 1479-1493. | ||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 369 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 251 |