کاهش پارامترهای کیفی آب زاینده‌رود با استفاده از تحلیل مولفه‌های اصلی و شبیه‌سازی اثر کاربری اراضی و بارش روی برخی فاکتورهای کیفیت آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز

2 استاد گروه خاکشناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

3 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

4 دانشیار گروه آب، واحد اصفهان، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران

چکیده

کیفیت آب رودخانه‌ها و پایش آن از نظر محیط زیست و کشاورزی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش به‌منظور کاهش پارامترهای ارزیابی کیفیت آب رودخانه از تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) و برای شبیه‌سازی تاثیر کاربری اراضی و بارندگی بر برخی از خصوصیات آب رودخانه زاینده‌رود از شبکه عصبی مصنوعی (ANN) استفاده شد. برای این منظور برخی اطلاعات مربوط به کیفیت آب 12 ایستگاه در مسیر رودخانه جمع‌آوری شده و تجزیه و تحلیل مؤلفه اصلی برای کاهش آرایه‌های داده اصلی مؤثر بر کیفیت آب رودخانه زاینده‌رود اعمال شد. پس از استخراج کاربری اراضی و بارندگی در حوضه زاینده‌رود مدل‌سازی اثر این دو فاکتور روی برخی از خصوصیات آب رودخانه ( ۴۶۰۸ عدد) با استفاده از الگوریتم پس‌انتشار انجام شد و میانگین مربعات خطا محاسبه شد. نتایج آنالیز PCA نشان داد که در شش مولفه اول 78/94 درصد کل واریانس را شامل می‌شود. در نتایج با آموزش ANN ضریب تعیین کل ۷۹/۰ و مجذور متوسط مربعات خطا برابر ۲۰/0 برآورد شد. نتایج نشان داد ضریب تعیین برای SAR، TDS، EC و Na به ترتیب (۸۸/۰، ۸۴/۰، ۸۳/۰ و ۸۳/۰) است که نشان‌دهنده دقت بالای پیش‌بینی‌های شبکه است. نتایج ضریب نش ساتکلیف نشان داد برای همه فاکتورهای اندازه‌گیری شده (به جز pH، CO3 و دبی) مناسب است و بالای ۶/۰ است و این مقدار نشان می‌دهد که مدل توانسته است به خوبی تغییرات مشاهده‌شده را تبیین کند و پیش‌بینی‌های نسبتا دقیقی ارائه دهد. نتایج نشان داد مقادیر کاهش یافته در PCA همان فاکتورهای پیش‌بینی شده با بالاترین ضریب تعیین در مدل ANN است بنابراین PCA ابزاری برای تصمیم‌گیری و حل مسئله برای مدیریت بهتر کیفیت آب رودخانه به منظور کاهش اندازه‌گیری‌ها است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Reducing Water Quality Parameters of Zayandeh-Rood River Using Principal Component Analysis and Simulating the Impact of Land Use and Rainfall on Water Quality Parameters

نویسندگان [English]

  • Kamran Mohsenifar 1
  • Ebrahim Pazira 2
  • Sayyed-Hassan Tabatabaei 3
  • payam najafi 4
1 Islamic Azad University
2 Department of Soil Science, Tehran Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran.
4 Department of Soil and Water Sciences, Islamic Azad University, Khorasgan Branch, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Monitoring and ensuring the quality of river water is critical for environmental and agricultural sustainability. In this study, we aimed to reduce the parameters for assessing water quality by employing Principal Component Analysis (PCA) and simulating the impact of land use and rainfall on various water quality attributes of the Zayandeh-Rood River using Artificial Neural Networks (ANN). Water quality data from 12 stations along the river were collected and PCA was applied to reduce the dataset influencing water quality. After extracting land use and rainfall data within the watershed, we modeled the impact of these factors on certain water quality attributes (4608 data points) using the backpropagation algorithm and calculated the Mean Squared Error (MSE). PCA analysis revealed that the first six components accounted for 94.78% of the total variance. ANN training results showed a determination coefficient (R²) of 0.79 and RMSE of 0.20. The R² for SAR, TDS, EC, and Na were 0.88, 0.84, 0.83, and 0.83, respectively, demonstrating high prediction accuracy. The Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) values were above 0.6 for all measured factors except pH, CO3, and flow rate (NSE < 0.5), indicating the model’s effectiveness. The results highlighted that reduced factors in PCA matched the highest R² in ANN, establishing PCA as a useful tool for better managing river water quality with fewer measurements.

کلیدواژه‌ها [English]

  • River
  • Nash-Sutcliffe Efficiency
  • Artificial Neural Network
  • Water Quality