نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

مدل‌سازی ردپای آب با استفاده از رگرسیون چندکی مبتنی بر یادگیری ماشین و تحلیل عدم قطعیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه هرمزگان-بندرعباس- ایران
2 گروه مهندسی منابع طبیعی- دانشگاه هرمزگان
3 دانشگاه تهران- کرج-ایران
4 دانشگاه هرمزگان-بندرعباس-ایران
چکیده
این پژوهش با هدف مدل‌سازی ردپای آب سبز و آبی گوجه‌فرنگی در استان بوشهر با استفاده از مدل‌های ترکیبی یادگیری ماشینQXGBoost ، QRF، XGBoost و RF و تحلیل عدم قطعیت آنها انجام شد. نتایج نشان داد که ردپای آبی (۸۰%) سهم غالب در مصرف آب دارد، درحالیکه ردپای سبز تنها ۲۰% را تشکیل می‌دهد که نشان دهنده وابستگی شدید به منابع آبی و آسیب‌پذیری سیستم در برابر تغییرات اقلیمی است. تحلیل همبستگی متغیرها مشخص کرد که بارش (P) و بارش مؤثر (Peff) بیشترین تأثیر مثبت را بر ردپای سبز دارند، درحالیکه دما و تبخیروتعرق (ETc) اثر کاهنده نشان دادند. برای ردپای آبی، ETc و Tmax بیشترین همبستگی مثبت را داشتند. مدل QXGBoost با ضریب تعیین (95/0Rsq=) و خطای کم (16/0RMSE=) به‌عنوان مدل بهینه انتخاب شد. همچنین، ارزیابی عدم قطعیت با روش UNEEC نشان داد که QXGBoost با پوشش پیش‌بینی فاصله‌ای (93/0PICP=) و فاصله اطمینان متقارن، بهترین عملکرد را دارد. این مطالعه راهکارهای کاهش ردپای آب شامل بهبود آبیاری (زیرسطحی و هوشمند)، کشت ارقام مقاوم به خشکی و مدیریت رطوبت خاک (مالچ‌پاشی) را پیشنهاد می‌کند. یافته‌ها ضرورت تغییر الگوی کشت فعلی به سمت سیستم‌های پایدارتر با تکیه بر مدلسازی پیشرفته و پایش مستمر منابع آب را تأکید می‌کنند.

کلمات کلید: ردپای آب، یادگیری ماشین، رگرسیون چندکی، مدیریت آب کشاورزی، گوجه‌فرنگی، بوشهر
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Water Footprint Modeling Using Machine Learning-Based Quantile Regression with Uncertainty Analysis

نویسندگان English

mehrnaz Yahyazadeh 1
Ommolbanin bazrafshan 2
Arash Malekian 3
Hossein Zamani 4
1 University of Hormozgan
2 University of Hormozgan
3 University of Tehran
4 University of Hormozgan
چکیده English

This study aimed to model the green and blue water footprint of tomato cultivation in Bushehr province using hybrid machine learning models (QXGBoost, QRF, XGBoost, and RF) with uncertainty analysis. Results revealed that blue water footprint accounted for the majority (80%) of water consumption, while green water footprint constituted only 20%, indicating heavy reliance on water resources and climate vulnerability. Correlation analysis showed precipitation (P) and effective precipitation (Peff) had the strongest positive impact on green water footprint, whereas temperature and evapotranspiration (ETc) showed negative effects. For blue water footprint, ETc and Tmax exhibited the highest positive correlation. The QXGBoost model demonstrated optimal performance with a determination coefficient (Rsq=0.95) and low error (RMSE=0.16). Uncertainty evaluation using UNEEC method confirmed QXGBoost's superiority with prediction interval coverage (PICP=0.93) and symmetric confidence intervals. The study proposes water footprint reduction strategies including improved irrigation (subsurface/smart systems), drought-resistant cultivars, and soil moisture management (mulching). Findings emphasize transitioning to sustainable farming systems through advanced modeling and continuous water resource monitoring.

کلیدواژه‌ها English

Machine learning
Quantile regression
Agricultural water management
Tomato
Bushehr