برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک به روش برنامه ‌ریزی بیان ژن و مقایسه آن با توابع انتقالی

هدایت هیدرولیکی اشباع خاک یک ویژگی مهم فیزیکی خاک است که بر حرکت آب در خاک موثر است. از آنجاییکه اندازه گیری این ویژگی به روش های مستقیم مزرعه ای و آزمایشگاهی دشوار، زمانبر و هزینه بر است، از روش های غیرمستقیم استفاده می شود. هدف از این پژوهش برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع خاک از روی خصوصیات زودیافت خاک به کمک روش برنامه ریزی بیان ژن، تعدادی از توابع انتقالی و مدل روزتا و مقایسه آن ها با یکدیگر است. در این پژوهش از مجموعه داده ای با اطلاعات خاک شناسی 151 نمونه خاک که از منطقه ای در بجنورد گردآوری شده بود استفاده شد. ویژگی های خاک شامل درصد شن، سیلت، رس، درصد کربن آلی، درصد مواد خنثی شونده، هدایت الکتریکی، رطوبت اشباع، اسیدیته، جرم مخصوص ظاهری و جرم مخصوص حقیقی خاک بود. با استفاده از این ویژگی ها به عنوان پارامترهای ورودی به مدل برنامه ریزی بیان ژن، فرآیند مدل سازی انجام شد. برنامه ریزی بیان ژن از میان این ویژگی ها، تنها از چهار پارامتر درصد شن، سیلت، وزن مخصوص ظاهری و وزن مخصوص حقیقی در تابع ایجاد شده برای برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع استفاده کرد. این مدل با ریشه خطای میانگین مربعات (rmse) برابر با 84.2 سانتیمتر بر روز و r2 برابر با 91.0 بهترین عملکرد را در مقایسه با سایر توابع انتقالی نشان داد. پس از برنامه ریزی بیان ژن، تابع انتقالی جبرو (1992) با جذر میانگین مربعات خطای برابر با 4.74 سانتیمتر بر روز و مقدار r2 برابر 82.0 بهترین تابع انتقالی میان سایر توابع انتقالی و روزتا بود. مدل ساکستون و همکاران (1986) کمترین دقت برآورد هدایت هیدورلیکی اشباع را در میان روش های استفاده شده داشت. به دلیل تفاوت داده های استفاده شده برای ایجاد هر یک از توابع انتقالی و تغییرات مکانی بالای هدایت هیدرولیکی اشباع، میان روش های مختلف مورد استفاده تفاوت زیادی از نظر خطای rmse، mae و mbe بود. برای داده های مورد استفاده در این پژوهش برنامه ریزی بیان ژن عملکرد بهتری داشت و تعیین ساختار مدل و پارامترهای موثر برای برآورد هدایت هیدرولیکی اشباع توسط برنامه، از مزایای آن است.

Estimating the Saturated Hydraulic Conductivity of Soil Using Gene Expression Programming Method and Comparing It with the Pedotransfer Functions

Saturated hydraulic conductivity of soil is an important physical property of soil that affects water movement in soil, Since the measurement of saturated hydraulic conductivity by direct methods in the field or in the laboratory is hard, timeconsuming and costly, the indirect methods are being used.The aim of this study is to estimate the saturated hydraulic conductivity from other soil properties by using the Gene Expression Programming (GEP) method and some wellknown pedotransfer functions and the Rosetta model, and then to compare their performances. A dataset including 151 soil samples obtained from a site in Bojnord province was used in this study. The soil properties used were sand, silt and clay percentage, organic carbon percentage, TNV, EC, saturated moisture, pH, bulk density and particle density. Modeling process using the GEP was done by using all of these properties as input parameters. The GEP model used only four properties, sand and silt percentages, bulk density and particle density, in its developed function to estimate saturated hydraulic conductivity. This model with RMSE=2.84 (cm/d) and R2=0.91 showed the best performance in comparison to the other pedotransfer functions. After the GEP, the Jabro (1992) pedotransfer function with RMSE = 4.74 (cm/d) and R2 = 0.82 was the best model in comparison to the rest of the pedotransfer functions and the Rosetta model. Saxton et al (1986), had the least accurate ks estimation among all methods. Since different data sets had been used to develop each of the pedotransfer functions and also because of high spatial variability of ks, there was a large difference between RMSE, MAE and MBE errors of the used methods. For the dataset of this study, the GEP model showed the best performance in estimating ks among other methods and its advantages were choosing model structure and important parameters to estimate ks.