ارزیابی چندین مدل برنامه‌ریزی بیان ژنی و سری‌های زمانی برای تنظیم سناریوهای تعدیل سطح آب زیرزمینی دشت شبستر (حاشیه دریاچه ارومیه)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی آذربایجان شرقی

چکیده

با توجه به شرایط و وضعیت موجود دریاچه ارومیه، بهره‌برداری بهینه و پایدار از منابع آب زیرزمینی در حاشیه این دریاچه، از رویکرد مدیریت منابع آب، ضروری و مهم است. اولین گام برای آغاز استفاده پایدار، مدل‏بندی کمی وضعیت موجود مصرف و گام بعدی آینده‌نگاری بهره‌برداری از این منبع آب است. با توجه به قابلیت و توانمندی روش‌های مدل‏بندی و پیش‌بینی رفتار پدیده‌های مهندسی آب، این پژوهش با هدف تحلیل نوسانات سطح آب زیرزمینی و آینده‏پژوهی آن در حاشیه دریاچه ارومیه با 20 مدل برنامه‌ریزی بیان ژنی و سری‌های زمانی انجام گردید. برای مدل‏بندی و آزمون از داده‌های 35 سال استفاده گردید و آینده‏پژوهی برای 10 سال از 1400 تا 1410 صورت گرفت. پس از ارزیابی کارآیی مدل‌ها با آماره‌های معتبر، برنامه‌ریزی بیان‌ژنی با سه زیردرخت (ژن) به عنوان مناسب‏ترین مدل تشخیص داده شد. آماره‌های سنجش مدل بهینه به صورت RMSE برابر 26/،0MSE برابر 07/0، RAE برابر 58/0، RSE برابر 28/0، RRSE برابر 52/0 و ضریب همبستگی برابر 87/0 و ضریب تعیین برابر 76/0 بود. نتایج نشان داد سطح آب زیرزمینی از سال 1365 تاکنون حدود 2/11 متر کاهش داشته است. برای کاهش اثرات روند نزولی سطح آب و مدیریت بهینه مصرف آب زیرزمینی، سناریوهای مختلف تعدیل و صرفه‏جویی با شروع از سال 1400 در نظر گرفته شد. افت تجمعی سطح آب در انتهای سال هدف (1410) نسبت به سال 1365 در صورت تداوم روند کنونی مصرف، 6/12 متر (معادل 241 میلیون مترمکعب) و در صورت اجرایی نمودن برنامه صرفه‏جویی 10 درصد، افت تجمعی برابر 4/11 متر، 15 درصد 7/10 متر و سناریوی 20 درصد برابر 1/10 متر خواهد بود. اصلاح الگوی کشت در دشت با رویکرد استفاده از گیاهان با نیاز آبی نسبتا کم، تسطیح اراضی زراعی و استفاده از برنامه‏ریزی مناسب کم آبیاری از راهکارهایی است که می‌تواند افت سطح ایستابی در دشت را تعدیل نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Several models of Genetic Expression Programming and Time Series to Provide Groundwater Balancing Scenarios in Shabestar Plain (East of Urmia Lake)

نویسنده [English]

  • Abolfazl Nasseri
AREEO
چکیده [English]

The optimal and sustainable application of groundwater resources in east the Urmia Lake is essential and important from the view point of water resource management. Quantifying the current and projecting consumption are the first step for the initiation of sustainable utilization of groundwater. Due to the potential of modeling and projecting behavior of phenomena in water engineering, this study aimed to analyze the fluctuation of groundwater level in the east of the Urmia Lake. In this study, groundwater levels for 45 years with methods of genetic expression programming (GEP) and time series (TS) were modeled and evaluated. Groundwater level data during 1986-2021 was applied for modeling and testing; during 2022-2031 applied for future study, respectively. Then, the model of GEP with three genes was recognized as the most appropriate model. Evaluation criterion for optimum model were as RMSE= 0.26, MSE= 0.07, RAE= 0.58, RSE=0.26, RRSE=0.52, r=0.87 and R2= 0.76. Results showed that since 1986, the groundwater level was reduced about 11.2 m. Several scenarios for groundwater balancing scenarios starting from 2021 were considered to reduce the effects of the decreasing trend of water level and optimal management of groundwater consumption. Relative to the 1986, the cumulative reduction of the water levels at the end of year 1410 will be 12.6 m in case of current trend of consumption; and 11.4m, 10.7 m, 10.1 m in case of water balancing as 10%, 15% and 20%, respectively. Improving cultivation patterns with crops having relatively low water requirement, leveling of lands and suitable deficit-irrigation scheduling are the solutions that could balance the water levels in the region.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Genetic expression
  • Groundwater fluctuations
  • Shabestar plain
  • Groundwater Resources
احمدی، ک.، عبادزاده، حاتمی. ف.، عبدشاه، ه. و کاظمیان، آ. 1399. آمارنامه کشاورزی سال زراعی 98-1397. جلد اوّل: محصولات زراعی وزارت جهاد کشاورزی، معاونت برنامه­ریزی و اقتصادی، مرکز فناوری اطلاعات و ارتباطات. 97 ص.
بی‌نام، 1398. بررسی وضعیت منابع آب زیرزمینی کشور. شرکت مدیریت منابع آب ایران، معاونت مطالعات پایه و مدیریت حوضه‌های آبریز، وزارت نیرو. ایران
چیت‌سازان، م، میرزائی، س. ی. و چینی‌پرداز، ر. 1386. منطقه‌بندی آبخوان شهرکرد با استفاده از تحلیل سری‌های زمانی. مجله علوم. دانشگاه شهید چمران اهواز. ب:1-15.
حسین‌آبادی، س.، خزیمه نژاد، ح. و خاشعی سیوکی، ع. 1400. ارزیابی مدل بیان ژن در پیش‌بینی مکانی شوری آب زیرزمینی و مقایسۀ آن با مدل‌های زمین‌آماری (مطالعۀ موردی: دشت مشهد). اکوهیدرولوژی. 8(3): 855-866.
سازمان هواشناسی کشور. 1400. گزارش‌ سالانه. آمار هواشناسی ایستگاه‌های سینوپتیک آذربایجان شرقی. 20 ص.
عزیزی، ا.، رجبی، ا.، یعقوبی، ب. و شعبانلو، س. 1400. تخمین نوسانات تراز آب زیرزمینی توسط مدل بهینه موجک-برنامه‌نویسی بیان ژن . هیدروژئولوژی. 6 (1): 68-83.
کاوه‌کار، ش.، قربانی، مع.، اشرف زاده، ا. و دربندی، ص. 1392. شبیه سازی نوسانات تزازآب با استفاده از برنامه‌ریزی بیان ژن. نشریه مهندسی عمران و محیط زیست. 43(3): 72-79.
محمدرضا پور، ا.، سراوانی، ز. و سیاسر، ه. 1401. پیش‌بینی پارامترهای کیفی آب‌های زیرزمینی استان گلستان با مدل‌های هوش مصنوعی. هیدروژئولوژی. 7 (2): آماده انتشار.
مهندسین مشاور جاماب. 1372. طرح جامع آب کشور، سیمای توسعه دشت‌های ایران، حوزه‌های آبریز شمال و آذربایجان. جلد اول، 288 ص.
ناصری، 1. 1398. مقایسه کاربرد چهارده الگوی سری‌های زمانی برای تحلیل و پیش‌بینی تغییرات سطح آب زیرزمینی دشت مرند (حاشیه شمالی دریاچه ارومیه).‎ مجله آبیاری و زهکشی ایران. 13 (1): 58-68.
ناصری، ا. 1383. تجزیه‌وتحلیل سری‌های زمانی نفوذ و توزیع زمانی مکانی جریان سطحی در آبیاری جویچه‌ای. پایان‌نامه دکتری علوم و مهندسی آبیاری. دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز.
ناصری، ا. و حسن اقلی، ع. 1397. تحلیل تغییرات سطح آب زیرزمینی دشت عجب‌شیر با کاربرد الگوی اتورگرسیو تلفیقی میانگین متحرک فصلی (SARIMA).‎ نشریه مهندسی آبیاری و آب ایران. 9(34): 96-107.
ناصری، ا. و ناصری، ا. 1400. پیش‌بینی تغییرات سطح آب زیرزمینی دامنه شمالی سهند با کاربرد روش‌های سامانه استنتاج فازی–عصبی، سری‌های زمانی و رگرسیونی. مجله آبیاری و زهکشی ایران, 14(6):2188-2209.‎
نور، ح. 1396. ارزیابی روند مصرف آب زیرزمینی و وضعیت کنونی آن در ایران، سامانه های سطوح آبگیر باران. 5 (15): 29-38.
نیرومند، ح. 1376. تحلیل سری‌های زمانی، روش‌های یک متغیری و چند متغیری (ترجمه). دانشگاه فردوسی مشهد.
ویسی‏پور، ح.، معصوم‌پور سماکش، ج. ف.، صحنه، ب، و یوسفی، ی.1389. تحلیل پیش‏بینی روند بارش و دما با استفاده از مدل‏های سری‌های زمانی (ARIMA) نمونه موردی: شهرستان کرمانشاه. مجله علوم و مهندسی آبخیزداری ایران. 8(2):21-30
 
 
Adhikary, S.K., Rahman, M. and Gupta, A.D. 2012. A stochastic modelling technique for predicting groundwater table fluctuations with time series analysis. International Journal of Applied Science and Engineering Research. 1(2): 238-249.
Chatfield, C. 1996. The analysis of time series: an introduction. 5th edition. Chapman and Hall. UK.
Cirkel, D.G., Witte, J.P.M. and van der Zee S.E. 2010. Estimating seepage intensities from groundwater level time series by inverse modelling: A sensitivity analysis on wet meadow scenarios. Journal of hydrology. 385(1-4):132-142.
Cuthbert, M.O. 2010. An improved time series approach for estimating groundwater recharge from groundwater level fluctuations. Water resources research. 46.9:1-11.
Fathabadi, A., Salajegheh, A. and Mahdavi M. 2008. Forecasting River discharges by Neuro-Fazy and time series models. Iran-Watershed Management Science & Engineering. 2(5): 21-30.
Ghahraman, N. and Gharekhani, A., 2011. Evaluation of Stochastic time series models in estimation of pan evaporation: case study in Shiraz station. (1): 75-81.
Ghorbani, M. A., Khatibi, R., Aytek, A., Makarynskyy, O. and Shiri, J. 2010a. Sea Water Level Forecasting Using Genetic Programming and Comparing the Performance with Artificial Neural Networks, Accepted for publication in Computers & Geosciences. 36: 620-627.
Ghorbani, M. A., Makarynskyy, O., Shiri, J., and Makarynska, D. 2010b. Genetic Programming for Sea Level Prediction in an Island Environment, International Journal of Ocean and Climate Systems.1: 27-35.
Guven, A. 2009. Linear genetic programming for time-series modeling of daily flow rate. J. Earth Syst. Sci. 118: 157-173.
Hatch, C.E., Fisher, A.T., Ruehl, C.R. and Stemler, G. 2010. Spatial and temporal variations in streambed hydraulic conductivity quantified with time-series thermal methods. Journal of Hydrology. 389(3-4):276-288.
Irvine, D.J., Cranswick, R.H., Simmons, C.T., Shanafield, M.A. and Lautz, L.K. 2015. The effect of streambed heterogeneity on groundwater‐surface water exchange fluxes inferred from temperature time series. Water Resources Research. 51(1): 198-212.
Johnson, T.C., Slater L.D., Ntarlagiannis, D., Day‐Lewis, F.D. and Elwaseif, M., 2012. Monitoring groundwater‐surface water interaction using time‐series and time‐frequency analysis of transient three‐dimensional electrical resistivity changes. Water Resources Research. 48(7).
Parasuraman, K., Elshorbagy, A. and Carey, S. K. 2007a. Modeling the dynamics of the evapotranspiration process using genetic programming. Hydrological Sciences Journal. 52: 563–578.
Parasuraman, K., Elshorbagy, A. and Si, B. C. 2007b. Estimating Saturated Hydraulic Conductivity Using Genetic Programming. Soil Science Society of America Journal. 71: 1676–1684.
Peterson, R.N., Santos I.R. and Burnett W.C. 2010. Evaluating groundwater discharge to tidal rivers based on a Rn-222 time-series approach. Estuarine, coastal and shelf science. 86.2:165-178.
Rahimi, D. and Gayoor, H. 2010. Analysis of Karoon discharge with Box-Cox transformation and time series. Geographical Research. 25(4): 135-151.
Rakhshandehroo, G.R. and Amiri, S.M. 2012. Evaluating fractal behavior in groundwater level fluctuations time series. Journal of hydrology. 464:550-556.
Rau, G.C., Andersen, M.S. and Acworth R.I. 2012. Experimental investigation of the thermal time‐series method for surface water‐groundwater interactions. Water Resources Research. 48(3).
Salas, J.D., Delleur, J.W., Yevjevich, V.M. and Lane, W.L. 1980. Applied modeling of hydrologic time series. Water Resources publications. Littleton, Co.
Samadianfard, S., Asadi E., Jarhan, S. and Kazemi, H., Kheshtgar, S., Kisi, O., Sajjadi, Sh., Abdul Manaf, A. 2018. Wavelet neural networks and gene expression programming models to predict short-term soil temperature at different depths. Soil & Tillage Research. 175: 37-50
Sen, Z. 1998. Small sample estimation of the time average in climate time series. International Journal of Climatology. 18: 1725-1732.
Siadat, H. 2000. Iranian agriculture and salinity. Soil and Water Research Institute of Iran, Tehran, Iran.
Vandersteen, G., Schneidewind, U., Anibas, C., Schmidt, C., Seuntjens, P. and Batelaan, O. 2015. Determining groundwater‐surface water exchange from temperature‐time series: Combining a local polynomial method with a maximum likelihood estimator. Water Resources Research. 51(2): 922-939.
Zahedi, M. and Ghavidel Rahimi, Y. 2002. Recognition, classification and forecasting drought in Urmia watershed by time series model of Holt-Winters. Geographical Space. 6:19-48