Prediction of Monthly Reference Evapotranspiration in Homs Using Artificial Neural Network and Fuzzy Inference System

تُعتبر القدرة على التقدير والتنبّؤ الدقيق بالظواهر الهيدرولوجيّة من العوامل الأساسيّة في تنمية وإدارة الموارد المائيّة، ووضع الخطط المائيّة المستقبليّة وفق سيناريوهات التغيّرات المناخيّة المختلفة، ويعد التبخّر نتح أحد أهم العوامل في الدورة الهيدرولوجيّة ومن أكثرها تعقيداً، كما أنّ القدرة على التنبّؤ الدقيق بقيم هذه الظاهرة هي من العوامل المهمّة في العديد من تطبيقات الموارد المائيّة. لذلك تهدف هذه الدراسة إلى التنبّؤ بقيم التبخر نتح المرجعي الشهري (ET0) في محطّة حمص المناخيّة، في المنطقة الوسطى من الجمهوريّة العربيّة السوريّة، باستخدام الشبكات العصبيّة الاصطناعيّة (ANNs) ونظام الاستدلال الضبابي (FIS)، بالاعتماد على البيانات المناخيّة المتاحة، والمقارنة بين نتائج هذه النماذج. تضمّنت البيانات المستخدمة 347 قيمة شهريّة لدرجة حرارة الهواء (T)، الرطوبة النسبيّة(RH) ، سرعة الرياح(WS) وعدد ساعات السطوع الشمسي(SS) (من تشرين الأول 1975 وحتى كانون الأول 2004)، في حين حُسبت قيم التبخّر نتح المرجعي الشهري باستخدام طريقة بنمان مونتيث، والتي هي الطريقة المرجعيّة المعتمدة من قبل المنظمة الدوليّة للزراعة والأغذية التابعة للأمم المتحدة (FAO)، واستُخدمت هذه القيم كمخرجات للنماذج. أظهرت نتائج الدراسة أنّ نماذج الشبكات العصبيّة الاصطناعيّة ذات التغذية الأماميّة والانتشار العكسي للخطأ تمكّنت من التنبّؤ بقيم التبخّر نتح المرجعي الشهري بنجاح، حيث أعطت النماذج قيماً منخفضة لجذر متوسّط مربّعات الأخطاء (RMSE) ومرتفعة لمعاملات الارتباط(R) ، وكذلك تبيّن أنّ استخدام ترتيب الشهر كمُدخل إضافي يُحسّن من دقّة التنبّؤ للشبكات العصبيّة الاصطناعيّة. أظهرت النتائج أيضاً القدرة الجيّدة لنماذج الاستدلال الضبابي على التنبّؤ بقيم التبخّر نتح المرجعي الشهري، حيث تبيّن أن عدد ساعات السطوع الشمسي هي أكثر العوامل المناخيّة المنفردة تأثيراً في عمليّة التنبّؤ، حيث بلغ معامل الارتباط 97.71% وجذر متوسّط مربّعات الأخطاء 18.08 mm/month خلال مرحلة الاختبار للنموذج، في حين كان عدد ساعات السطوع الشمسي وسرعة الرياح أكثر عاملين مؤثرين سويةً على عمليّة التنبّؤ بمعامل ارتباط 98.55% وجذر متوسّط مربّعات أخطاء 12.49 mm/month خلال مرحلة الاختبار للنموذج. أظهر هذا البحث الموثوقيّة العالية لاستخدام الشبكات العصبيّة الاصطناعيّة ونظام الاستدلال الضبابي في التنبّؤ بقيم التبخر نتح المرجعي الشهري، مع وجود أفضليّة بسيطة للشبكات العصبيّة الاصطناعيّة، والتي يمكن أن تضيف ترتيب الشهر إلى طبقة المدخلات الأمر الذي يزيد من دقّة التنبّؤات. توصي هذه الدراسة بالتوسّع في استخدام تقنيّات الذكاء الاصطناعي في نمذجة الظواهر المعقّدة واللاخطيّة المتعلقة بالموارد المائيّة.

Accurate estimating and predicting of hydrological phenomena plays an influential role in the development and management of water resources, preparing of future plans according to different scenarios of climate changes. Evapotranspiration is one of the major meteorological components of the hydrologic cycle and from the most complex of them, and the accurate prediction of this parameter is very important for many water resources applications. So, this research goals to prediction of monthly reference evapotranspiration (ET0) at Homs meteostation, in the middle of Syrian Arab Republic, using Artificial Neural Networks (ANNs), and Fuzzy Inference System (FIS), depending on available climatic data, and comparision between the results of these models. The used data contained 347 monthly values of Air Temperature (T), Relative Humidity (RH), Wind Speed (WS) and Sunshine Hours (SS) (from October 1974 to December 2004). The monthly reference evapotranspiration data were estimated by the Penman Monteith method, which is the proposed method by Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) as the standard method for the estimation of ET0, and used as outputs of the models. The results of this study showed that feed forward back propagation Artificial Neural Networks (FFBP-ANNs) pridected successfully the monthly ET0 using climatic data, with low values of root mean square errors (RMSE), and high values of correlation coefficients (R), and showed that the using of the monthly index as an additional input, improves the accurate of prediction of the artificial neural networks models. Also, the results showed good ability of Fuzzy Inference Models (FIS) in predicting of monthly reference evapotranspiration. Sunshine hours are the most influential single parameter for ET0 prediction (R= 97.71%, RMSE = 18.08 mm/month) during the test period, sunshine hours and wind speed are the most influential optimal combination of two parameters (R= 98.55%, RMSE = 12.49 mm/month) during the test period. The results showed high reliability for each of the artificial neural networks and fuzzy inference system with a little preference for artificial neural networks which can add the monthly index in the input layer, and there for improve the presicion of predictions. This study recommends the using of artificial intelligence techniques in modeling of complex and nonlinear phenomena which related of water resources.