هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

بررسی میزان اکسیژن محلول در آب رودخانه کارون با مدلهای هیبریدی مبتنی بر رگرسیون بردار پشتیبان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد خرم آباد، لرستان، ایران
2 استادیارگروه عمران، مرکز تحقیقات مواد و انرژی، واحد دزفول، دانشگاه آزاد اسلامی، دزفول، ایران.
3 دکترای علوم ومهندسی آب، بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان لرستان، سازمان تحقیقات،
چکیده
اکسیژن برای حفظ تعادل چرخه زندگی در هر جنبه بسیار مهم است. زندگی آبزیان به شدت تحت تأثیر سطوح اکسیژن محلول (DO) است. این امر نه تنها مستلزم نظارت مداوم DO در سیستم‌های آبی است، بلکه نیاز به ایجاد یک مدل پیش‌بینی دقیق برای سطوح آتی DO دارد. هدف این مطالعه ارائه یک مدل پیش‌بینی دقیق برای غلظت DO است. بدین منظور در این پژوهش یک مدل هوشمند ترکیبی جدید مبتنی بر رویکرد مدل رگرسیون بردار پشتیبان برای پیش‌بینی اکسیژن محلول در آب رودخانه توسعه داده شد. بدین منظور در این پژوهش از سه الگوریتم بهینه‌سازی شامل کرم شب‌تاب، گرگ خاکستری و خفاش برای مدل‌سازی اکسیژن محلول در آب رودخانه بکار برده شد. جهت مدل‌سازی از آمار و اطلاعات ایستگاه هیدرومتری ملاثانی واقع در رودخانه کارون استان خوزستان بعنوان مطالعه موردی طی 5 سناریو ترکیبی از پارامترهای ورودی در سال‌های 1392-1402 استفاده شد. به منظور ارزیابی عملکرد مدل‌ها از معیارهای ارزیابی ضریب همبستگی، ریشه میانگین مربعات خطا، میانگین قدر مطلق خطا و ضریب نش ساتکلیف استفاده شد. نتایج نشان داد سناریو‌های ترکیبی در مدل‌های مورد بررسی باعث بهبود عملکرد مدل می‌شود. همچنین نتایج حاصل از معیار ارزیابی نشان داد مدل رگرسیون بردار پشتیبان‌ـ‌کرم شب‌تاب دارای ضریب همبستگی 970/0 ، ریشه میانگین مرعات خطا (mg/l) 668/0 ، میانگین قدر مطلق خطا (mg/l)  520/0 و ضریب نش ساتکلیف 975/0  در مرحله صحت سنجی برخوردار است. در مجموع نتایج نشان داد استفاده از مدل‌های هوشمند مبتنی بر رویکرد رگرسیون بردار پشتیبان می‌تواند رویکردی موثر در پایداری مهندسی رودخانه باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of Dissolved Oxygen Levels in the Karun River Water Using Hybrid Models Based on Support Vector Regression

نویسندگان English

Hamidreza Babaali 1
Ebrahim Nohani 2
Reza Dehghani 3
1 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Khorramabad branch, Islamic Azad University, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Materials and Energy Research Center, Dezful Branch, Islamic Azad University, Dezful, Iran.
3 PhD in Water Sciences and Engineering, Department of Soil Conservation and Watershed Management, Lorestan Province Agriculture and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Khorramab
چکیده English

Oxygen plays a vital role in maintaining the balance of life cycles in all ecosystems. Aquatic life is highly sensitive to dissolved oxygen (DO) levels. This necessitates not only continuous monitoring of DO in aquatic environments but also the development of accurate predictive models for future DO concentrations. The aim of this study is to develop a precise prediction model for DO concentration in river water. To this end, a novel hybrid intelligent model based on the support vector regression (SVR) approach was developed to predict dissolved oxygen levels. Three optimization algorithms—Firefly, Gray Wolf, and Bat—were employed to enhance the modeling of DO in river water. The study utilized hydrometric data from the Molasani station on the Karun River in Khuzestan Province as a case study, covering five combined input parameter scenarios over the period 2012–2022. Model performance was evaluated using correlation coefficient (R), root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), and Nash–Sutcliffe efficiency coefficient (NSE). Results demonstrated that combined input scenarios improved model performance across all models. Among them, the SVR-Firefly hybrid model achieved the best validation results with a correlation coefficient of 0.970, RMSE of 0.668 mg/L, MAE of 0.520 mg/L, and NSE of 0.975. Overall, the findings indicate that intelligent models based on the support vector regression approach provide an effective tool for sustainable river engineering management.
 

کلیدواژه‌ها English

Dissolved Oxygen
Support Vector Regression
Karun
Modeling
  1. Zhang X, Zhang Y, Zhang Q, Liu P, Guo R, Jin S, Liu Y. Evaluation and analysis of water quality of marine aquaculture area. Int. journal of Environmental. Research Public Health. 2020; 17: 144-62.
  2. Wei Y, Wei Q, An D. Intelligent monitoring and control technologies of open sea cage culture: A review. Computers and Electronics in Agriculture. 2020; 169(3): 105-19.
  3. Mai C. Transforming the Growth Mode is the Only Way for the Sustainable Development of Aquaculture in China. Fish. Inf. Strategy. 2012; 27: 1–6.
  4. Jiang X, Dong S, Liu R, Huang M, Dong K, Ge J, Zhou Y. Effects of temperature, dissolved oxygen, and their interaction on the growth performance and condition of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Journal of Thermal Biology. 2021;98(3): 105-22.
  5. Reddythota D, Timotewos MT. Evaluation of Pollution Status and Detection of the Reason for the Death of Fish in Chamo Lake, Ethiopia. J. Environ. Public Health. 2022; 24(2):332-46.
  6. Loos S, Shin CM, Sumihar J, Kim K, Cho J, Weerts AH. Ensemble data assimilation methods for improving river water quality forecasting accuracy. Water Research. 2020; 171: 115-72.
  7. Asadollah SBHS, Sharafati A, Motta D, Motta D, Yaseen ZM. River water quality index prediction and uncertainty analysis: A comparative study of machine learning models. Journal of Environmental Cheminal Engineering. 2021; 9: 104-22.
  8. Azma A, Liu Y, Azma M,Saadat M, Zhang D, Cho J, Rezania S. Hybrid machine learning models for prediction of daily dissolved oxygen.Journal of Water Process Engineering.2023;54(2):145-56.
  9. Dehghani R, Farhadinejad T, Veyskarami I, Chamanpira R.Concentration prediction of dissolved oxygen using meta-heuristic models.Environmental Resources Research.2024; 12(1):31-46.
  10. Bao X, Jiang Y, Zhang L, Liu B, Chen L, Zhang W, Xie L, Liu X, Qu F, Wu R . Accurate Prediction of Dissolved Oxygen in Perch Aquaculture Water by DE-GWO-SVR Hybrid Optimization Model.Applied Sciences.2024; 14(2):856-69.
  11. Nacar S, Mete B, Bayram A.Comparing Artificial Neural Networks and Regression-based Methods for Modeling Daily Dissolved Oxygen Concentration: A Study Based on Long-term Monitored Data. KSCE Journal of Civil 2024; 28: 4813–24.
  12. Vapnik VN. The nature of statistical learning theory. Springer, New York.1995; 3(1):250-320.
  13. Vapnik VN. Statistical learning theory. Wiley, New York, 1998; 4(1): 250-320.
  14. Vapnik V, Chervonenkis A. The necessary and sufficient conditions for consistency in the empirical risk minimization method. Pattern Recognition and Image Analysis,1991;1(3): 283-305.
  15. Basak D, Pal S, and Patranabis DC. Support vector regression. Neural Inf Process.2007; 11(2): 203-25.
  16. Ostu N. A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms [J]. IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics.1979; 9(1): 62-6.
  17. Yang XS. Firefly algorithm, nature-inspired meta-heuristic algorithms. Wiley Online Libr .2008;20:79–90.
  18. Yan X, Zhu Y, Wu J, Chen H. An improved firefly algorithm with adaptive strategies. Advance Science Letter .2012;16(1):249–54.
  19. Amuda A, Brest J, Mezura-Montes E. Structured Population Size Reduction Differential Evolution with Multiple Mutation Strategies on CEC 2013 real parameter optimization. In Proceedings of the IEEE Congress on Evolutionary Computation, Cancun, Mexico.2013;8:1925–1931
  20. Nagy H, Watanabe K, Hirano M. Prediction of sediment load concentration in rivers using artificial neural network model, Journal of Hydraulics Engineering.2002; 128: 558-9.
  21. Kisi O, Karahan M, Sen Z. River suspended sediment modeling using fuzzy logic approach. Hydrol Process.2006; 20(2): 4351-62.
  22. Dehghani R, Torabi Poudeh H, Younesi H, Shahinejad B. Daily Streamflow Prediction Using Support Vector Machine-Artificial Flora (SVM-AF) Hybrid Model. Acta Geophysica. 2020;68(6):51-66. https://doi.org/10.1007/s11600-020-00472-7
  23. Dehghani R, Torabi H. Dissolved oxygen concentration predictions for running waters with using hybrid machine learning techniques. Modeling Earth Systems and Environment.2021;6(2):64-78. https://doi.org/10.1007/s40808-021-01253-x
  24. Zeidalinejad N, Dehghani R. Use of meta-heuristic approach in the estimation of aquifer's response to climate change under shared socioeconomic pathways. Groundwater for Sustainable Development.2023;20(4):112-32. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2022.100882
  25. Dehghani R, Babaali H. Evaluation of Statistical Models and Modern Hybrid Artificial Intelligence in Simulation of Runoff Precipitation Process. Sustain. Water Resour. Manag.2002; 8: 154-72. https://doi.org/10.1007/s40899-022-00743-9.

  • تاریخ دریافت 29 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 25 آذر 1403
  • تاریخ پذیرش 10 دی 1403