Management of Natural Ecosystems

Management of Natural Ecosystems

Comparison of the application of time series modeling and neural networks in predicting suspended sediment in rivers (Case study of a hydrometric station in Ohio)

Document Type : Original Article

Authors
1 Associate Professor, Department of Agricultural Economic, Faculty of Agriculture & Natural Resources, Ardakan University, Ardakan, Iran.
2 Ph.D. in Watershed Management, Department of Natural Resources and Watershed Management of Khansar, Khansar, Iran
3 Associate Professor, Department of Nature Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Ardakan University, Ardakan, Iran.
Abstract
Estimation of suspended sediment in rivers is one of the important processes of river engineering and water resources and plays an important role in the design and construction of water structures and erosion and sediment management at the watershed. Predicting the sediment load of rivers is not an easy task due to their nonlinear and complex structure. So far, various modeling has been performed to predict the trend of suspended sediment load in rivers. However, this research, in order to evaluate and develop forecasting methods, examines the efficiency of time series models and artificial neural networks in simulating sediment data. Based on this, sediment data were collected at the Ohio Hydrometric Station in the United States (1992–2014) and were modeled using time series and artificial neural networks.The results of unit root test showed that the sediment series is at a static level and a suitable model for sediment prediction was identified by applying the Box-Jenkins method to these data. Using the ARMA model and artificial neural network model, suspended sediment load was predicted for the next 5 years. The results showed that the ARMA model with RMSE, 4.67 and R2 56.5 has a higher accuracy in predicting the suspended sediment load.
Keywords
Subjects

اندرس، و. (1389). اقتصادسنجی سری‏های زمانی با رویکرد کاربردی، ترجمه: مهدی صادقی و سعید شوال‏پور، چاپ دوم، نهران: انتشارات دانشگاه امام صادق (ع).
احمدی. ف.، قهرمان. ب.، داوری. ک.، و نیرومند. ح. (1386) .کاربرد مدل‌های سری زمانی در پیش بینی بارندگی ماهیانه و سالانه مشهد، علوم صنایع کشاورزی، ویژه خاک و اب و هوا، (2)21، 21-32.
بابازاده، ح.، شمس‌نیا، س. ا.، بوستانی، ف.، نوروزی، ا.، و خدادادی دهکردی، د. ( 1391). بررسی خشکسالی، ترسالی و پیش‌بینی پارامترهای اقلیمی بارش و درجه حرارت منطقه شیراز. جغرافیا و برنامه‌ریزی، (41)16، 23-47.
حکیمی‏پور، ن.، علی‏پور، م.، یزدان‏خواه، م.، و رضایی، ا. (1393). پیش‌بینی تورم با استفاده از رهیافت سری‏های زمانی. بررسی‌های آمار رسمی ایران، (1)25، 45-31.
حکمت‌زاده. ع.، و طالب بیدختی. ن. ( 1387). آنالیز فراکتالی سری زمانی جریان رودخانه‌ها (مطالعه موردی رودخانه کر). هفتمین کنفرانس هیدرولیک ایران. تهران. آبان 1387.
خزایی موغانی. س.، نجفی نژاد، ع.، عظیم محسنی، م.، و واحد بردی ش. (1393). پیش‌بینی رسوب معلق با استفاده از مدل سری زمانی تابع انتقال در ایستگاه‌های منتخب گرگانرود، پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، (3)21 ،185-202.
روشنگر،ک.، و پرهیزجوان، ف. (1393). ارزیابی عملکرد سیستم‌های هوش مصنوعی در برآورد بارکل رسوبی رودخانه آجیچای. فضای جغرافیایی، (46)14، 173-197.
رحیمی، ل.، دهقانی. ا.، قربانی، خ.،و  عبدالحسینی، م. (1393). تحلیل مقایسه‌ای مدل‌های سری‌های زمانی داده‌های دبی کل، دبی پایه و جریان سطحی)مطالعه موردی: ایستگاه هیدرومتری ارازکوسه(. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، (3)21، 77-55.
دودانگه. ا.، عابدی کوپائی، ج.، و گوهری س. ع. (1392). کاربرد مدل‌های سری زمانی به‌منظور تعیین روند پارامترهای اقلیمی در آینده در راستای مدیریت منابع آب. علوم آب و خاک، (59)16،91-۱۳.
سوری، ع. ( 1392). اقتصاد سنجی همراه با کاربرد Eviews، چاپ چهارم، تهران: انتشارات نشر فرهنگ شناسی و نشر نور علم.
شعبانی، ب.، موسوی بایگی، م.، جباری نوقابی، م.، و قهرمان، ب. (1392). مدل‌سازی و پیش‌بینی دمای حداکثر و حداقل ماهانه دشت مشهد با استفاده از مدل‌های سری زمانی. آب و خاک، (5)77، 906-896.
فتح آبادی، ا.، سلاجقه، ع.، و مهدوی، م. (1387). پیش بینی دبی رودخانه با استفاده از روش های نوروفازی و مدل های سری های زمانی. مجله علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 2(5)، 21-30.
مردوخ پور، ع.، جاماسبی، ح.، و علیپور، ا. (1398). ارزیابی میزان برآورد رسوب با بهره گیری از روش منحنی سنجه ومقایسه نتایج با روش های رگرسیونی و شبکه عصبی مصنوعی )مطالعه موردی :رودخانه بابل رود-استان مازندران(.علوم و تکنولوژی محیط زیست، (11)22.
ویسی‌پور، ح.، معصوم پور سماکوش، ج.، صحنه، ب.، و یوسفی، ی. (1389). تحلیل پیش بینی روند بارش و دما با استفاده از (ARIMA)مدل‌های سری زمانی(نمونه موردی: شهرستان کرمانشاه). جغرافیا، (12)4، 65-80.
یوسفی، م.، و برزگری، ف. (1394) . تعیین مناسب‌ترین روش منحنی سنجه و مقایسة آن با شبکة عصبی مصنوعی به منظور برآورد رسوبات معلق (مطالعة موردی: استان لرستان). منابع طبیعی. (2)68، 413-426.
Barnston, A. G. (1992). Correspondence among the correlation, RMSE, and Heidke forecast verification measures; refinement of the Heidke score. Weather and Forecasting, 7(4), 699-709.
Di Silvio, G. (1996). Underground structures of artificial basins; Interrimento e riabilitazione degli invasi artificiali. Acqua.Mahmood, K. (1987). Reservoir sedimentation: impact, extent, and mitigation.
Hornik, K., Stinchcombe, M., and White, H. (1989). Multilayer feedforward networks are universal approximators. Neural networks, 2(5), 359-366.
Melesse, A. M., Ahmad, S., McClain, M. E., Wang, X., and Lim, Y. H. (2011). Suspended sediment load prediction of river systems: An artificial neural network approach. Agricultural Water Management, 98(5), 855-866.
Naveh, H., Khalili, K., Alami, M. T., and Behmanesh, J. (2013). Forecasting river flow by bilinear nonlinear time series model (Case study: Barandoz-Chay & Shahar-Chai rivers).
Rajaee, T. (2011). Wavelet and ANN combination model for prediction of daily suspended sediment load in rivers. Science of the total environment, 409(15), 2917-2928.

  • Receive Date 20 November 2025
  • Revise Date 04 December 2025
  • Accept Date 06 December 2025