انتخاب بهینه روش عددی برای مدل‌سازی آب زیرزمینی با استفاده از معیارهای آماری و تحلیل‌های مبتنی بر داده مطالعه موردی دشت درود-بروجرد

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران.

3 استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربت حیدریه، تربت حیدریه، ایران

10.22034/hyd.2026.70926.1829

چکیده

این تحقیق به ارزیابی و مقایسه عملکرد سه روش عددی (تفاضل محدود، Meshless و Meshfree) برای شبیه‌سازی سطح آب زیرزمینی در آبخوان دشت درود-بروجرد پرداخت. ابتدا ساختارهای شبکه‌ای مختلف شامل شبکه‌های منظم با تفکیک‌پذیری گوناگون (درشت، متوسط و ریز) و روش بدون شبکه مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش ریزبودن شبکه در FDM اگرچه دقت نمایش مرزها را بهبود می‌بخشد، اما به صورت نمایی بر حجم و هزینه محاسبات می‌افزاید و می‌تواند منجر به ناپایداری عددی شود. سپس، عملکرد شبیه‌سازی هر مدل با استفاده از آمار توصیفی، معیارهای خطا (مانند RMSE، NSE، KGE، R² و PBIAS) و تحلیل‌های گرافیکی (باقیمانده‌ها، باکس‌پلات و وایولین پلات) ارزیابی شد. بر اساس این ارزیابی‌ها، مدل Meshless به عنوان دقیق‌ترین و پایدارترین مدل شناسایی شد. این مدل کمترین خطای مربعات میانگین (RMSE ≈ 2.46 m) و بالاترین مقادیر شاخص کارایی نش-ساتکلیف (NSE=0.99) و ضریب تعیین (R²≈0.999) را به خود اختصاص داد. همچنین، نمودار تغییرات باقیمانده‌ها نشان داد که این مدل کمترین پراکندگی خطا و نزدیک‌ترین توزیع چگالی احتمال به داده‌های واقعی را دارد. در مقابل، مدل FDM اگرچه در برآورد میانگین موفق بود، اما خطای RMSE بالاتری (حدود 2/11 متر) و شاخص KGE پایین‌تری (76/0) داشت که حاکی از عدم تعادل در اجزای مختلف خطا بود. مدل Meshfree نیز با وجود شاخص KGE قابل قبول، دارای بیشترین انحراف سیستماتیک (بایاس) و پراکندگی در نتایج بود. مطالعه حاضر نشان داد که روش Meshless می‌تواند گزینه برتر برای شبیه‌سازی دقیق و پایدار سطح آب زیرزمینی در محیط‌های پیچیده باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimal Numerical Method Selection for Groundwater Modeling Using Statistical Criteria and Data-Driven Analyses Case Study: Doroud-Borujerd Plain

نویسندگان [English]

  • Mohammad Nazeri Tahroudi 1
  • Aliheidar Nasrolahi 2
  • Mohammad Javad Zeynali 3
1 Assistant Professor, Department of Water Engineering, Lorestan University, Khorramabad, Iran Email: nazeri.mh@lu.ac.ir
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, Lorestan University, Khorramabad, Iran, Email: nasrolahi.a@lu.ac.ir
3 Assistant Professor, Department of Water Engineering, University of Torbat Heydarieh, Torbat Heydarieh, Iran
چکیده [English]

This research evaluated and compared the performance of three numerical methods (Finite Difference, Meshless, and Meshfree) for simulating the groundwater level in the Dorud-Borujerd plain aquifer. First, various grid structures, including regular grids with different resolutions (coarse, medium, and fine) and the meshless method, were analyzed. The results showed that while increasing the fineness of the grid in the FDM improves the accuracy of boundary representation, it exponentially increases computational volume and cost and can lead to numerical instability. Subsequently, the simulation performance of each model was evaluated using descriptive statistics, error metrics (such as RMSE, NSE, KGE, R², and PBIAS), and graphical analyses (residuals, box plots, and violin plots). Based on these evaluations, the Meshless model was identified as the most accurate and stable model. This model achieved the lowest root mean square error (RMSE ≈ 2.46 m) and the highest values of the Nash-Sutcliffe efficiency index (NSE=0.99) and the coefficient of determination (R²≈0.999). Additionally, the residual plot revealed that this model has the smallest error dispersion and the closest probability density distribution to the actual data. In contrast, although the FDM model was successful in estimating the mean, it had a higher RMSE error (approximately 11.2 meters) and a lower KGE index (0.76), indicating an imbalance among the various error components. The Meshfree model, despite having an acceptable KGE index, exhibited the greatest systematic deviation (bias) and dispersion in the results. The Meshless method can be the superior choice for stable simulation of groundwater levels in complex environments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Finite Difference Method
  • Meshless Methods
  • Numerical Modeling
  • Residual Analysis

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 08 تیر 1405
  • تاریخ دریافت: 05 دی 1404
  • تاریخ بازنگری: 07 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش: 08 تیر 1405