مقایسه روش‌های داده‌محور در ارزیابی اهمیت متغیرها و اندرکنش بین آنها در مدل‌های بارش-رواناب

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه UNSW، سیدنی، استرالیا

10.24200/j30.2026.67669.3458

چکیده

تحلیل حساسیت نقش مهمی در کاهش عدم‌قطعیت و کمک به بهبود فرایند واسنجی مدل‌ها دارد و به‌عنوان ابزاری کلیدی برای درک رفتار مدل‌ها و شناسایی پارامترهای اثرگذار آن‌ها استفاده می‌شود. مطالعه حاضر به ارزیابی عملکرد سه روش داده‌محور شامل روش جایگشتی، وابستگی جزئی و شاخص آماری H فریدمن برای تحلیل حساسیت مدل‌های بارش–رواناب می‌پردازد. در مقایسه با روش‌های سنتی، روش‌های داده‌محور با اتکا به داده‌های موجود و بدون نیاز به استراتژی‌های نمونه‌برداری ویژه، با تلاش محاسباتی کمتر می‌توانند کارایی بالایی ارائه دهند. در این مقاله، عملکرد این روش‌ها با استفاده از یک مدل ریاضی محک (تابع Sobol G) و یک مدل بارش–رواناب (HBV) ارزیابی شده است. نتایج نشان می‌دهد روش جایگشتی مبتنی بر مدل‌های یادگیری ماشین توانایی بیشتری در برآورد دقیق اهمیت و اندرکنش پارامترها، به‌ویژه در مدل‌های پیچیده و پارامترهای متعدد، دارد. همچنین برای بهبود تفسیرپذیری نتایج، انواع روش‌های گرافیکی شامل نمودار میله‌ای، شبکه‌ای، نقشه‌های حرارتی و نمودارهای وابستگی جزئی مقایسه و تحلیل شده‌اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparison of Data-Driven Methods for Assessing Variable Importance and Interactions in Rainfall-Runoff Models

نویسندگان [English]

  • Razi Sheikholeslami 1
  • Seyed Mohammad Mahdi Moezzi 2
1 Department of Civil Engineering,و Sharif University of Technology,
2 School of Civil and Environmental Engineering, University of New South Wales, Sydney, Australia
چکیده [English]

Global sensitivity analysis is a key component of hydrological modeling, enabling quantification of how changes in input variables influence simulated outcomes and supporting model development, calibration, and decision-making. Conventional sampling-based approaches, such as variance-based global sensitivity analysis, have been widely applied, yet they require substantial computational effort and very large numbers of model runs. These challenges have encouraged the development of data-driven methods that rely on available data, reduce computational burden, and avoid the need for predefined sampling schemes, making them an appealing alternative in many practical modeling situations where computational resources are limited. This study compares three data-driven global sensitivity analysis algorithms: permutation importance, partial dependence, and Friedman’s H-statistic. Each algorithm is described in terms of its underlying principles, advantages, and limitations for modeling variable importance and interactions. To evaluate their performance, the Sobol-G function, a widely used benchmark model, and the HBV rainfall–runoff model, a representative conceptual hydrological model, were employed, allowing assessment across both controlled mathematical settings and real-world hydrological conditions. The results indicate that permutation importance, when used with machine learning models such as random forests, typically obtains accurate ranking of influential variables and effective characterization of interaction effects, particularly in complex, nonlinear, and high-dimensional problems. These characteristics are especially important in hydrological applications, where identifying dominant drivers of model behavior is essential for reliable forecasting, uncertainty reduction, and system understanding. In addition to numerical measures, the role of visualization in global sensitivity analysis is highlighted. Visual tools such as bar charts, heatmaps, network diagrams, and partial dependence plots are described and compared, illustrating how they enhance interpretation and communication of findings by providing intuitive summaries of variable effects and interactions. However, caution is advised against over-reliance on visual representations without careful contextual examination, as misleading patterns may appear when graphs are misinterpreted or taken at face value. Overall, the study underscores the significance of data-driven sensitivity analysis as a flexible, efficient, and interpretable approach for improving hydrological modeling and decision support under uncertainty, particularly when computational constraints or model complexity limit the use of traditional sampling-based methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrologic modeling
  • Sensitivity analysis
  • Data-driven methods
  • Variable interaction
  • Visual representation