Abstract
This study aims to investigate and classify water pollution in the Groundwater in Iraq by employing a combination of penalized statistical methods and modern artificial intelligence techniques. The study is based on real environmental data provided by the Iraqi Ministry of Environment, in addition to simulated data generated using the Monte Carlo simulation approach. The research focuses on penalized logistic regression models, including LASSO, Adaptive LASSO, SCAD, and Elastic Net, alongside gradient boosting algorithms, particularly the Extreme Gradient Boosting (XGBoost) algorithm, in order to evaluate their interpretative and predictive performance when dealing with high-dimensional and highly correlated environmental data.
The Mean Squared Error (MSE) criterion was adopted to compare the performance of the proposed methods. Simulation results demonstrated that the Elastic Net method achieved the best performance among penalized logistic regression models, yielding the lowest MSE values across all sample sizes. Moreover, the results indicated that the XGBoost algorithm outperformed the traditional Gradient Boosting algorithm, showing superior predictive accuracy and stability. In the practical application to real water quality data from the Tigris River, all studied environmental variables were found to be statistically significant in both the Elastic Net model and the XGBoost algorithm. While the two approaches showed general agreement in the direction of variable effects, XGBoost exhibited a greater ability to capture nonlinear and complex relationships among variables.
The comparative analysis revealed that the Elastic Net model is more suitable for interpretative purposes and identifying the most influential environmental factors, whereas XGBoost provides higher predictive accuracy. These findings confirm that integrating penalized statistical models with artificial intelligence techniques offers a comprehensive and effective analytical framework for studying water pollution.
The Mean Squared Error (MSE) criterion was adopted to compare the performance of the proposed methods. Simulation results demonstrated that the Elastic Net method achieved the best performance among penalized logistic regression models, yielding the lowest MSE values across all sample sizes. Moreover, the results indicated that the XGBoost algorithm outperformed the traditional Gradient Boosting algorithm, showing superior predictive accuracy and stability. In the practical application to real water quality data from the Tigris River, all studied environmental variables were found to be statistically significant in both the Elastic Net model and the XGBoost algorithm. While the two approaches showed general agreement in the direction of variable effects, XGBoost exhibited a greater ability to capture nonlinear and complex relationships among variables.
The comparative analysis revealed that the Elastic Net model is more suitable for interpretative purposes and identifying the most influential environmental factors, whereas XGBoost provides higher predictive accuracy. These findings confirm that integrating penalized statistical models with artificial intelligence techniques offers a comprehensive and effective analytical framework for studying water pollution.
Keywords
binary classification.
Elastic net
lasso
Penalized Logistic Regression
SCAD
Water Pollution
Abstract
تهدف هذه الدراسة الى تصنيف تلوث مياه الأبار(المياه الجوفية) في العراق من خلال توظيف مجموعة من الأساليب الإحصائية المنتظمة وتقنيات الذكاء الاصطناعي الحديثة، اعتمادًا على بيانات بيئية حقيقية مقدمة من وزارة البيئة العراقية، إضافة إلى بيانات محاكاة مولدة باستخدام أسلوب مونت كارلو. وتم التركيز على نماذج الانحدار اللوجستي الجزائي، ولا سيما طرائق LASSO وAdaptive LASSO وSCAD وNet Elastic، إلى جانب خوارزميات التعزيز التدريجي، وبخاصة خوارزمية XGBoost، بهدف تقييم كفاءتها التفسيرية والتنبؤية عند التعامل مع بيانات بيئية متعددة المتغيرات وذات ارتباطات عالية.
اعتمدت الدراسة على معيار متوسط مربع الخطأ (MSE) للمقارنة بين الطرائق المختلفة، حيث أظهرت نتائج المحاكاة تفوق طريقة Net Elastic بين نماذج الانحدار اللوجستي المنتظم، محققةً أقل قيم لمعيار الخطأ عند مختلف أحجام العينات. كما بينت النتائج تفوق خوارزمية XGBoost على خوارزمية Gradient Boosting من حيث الدقة التنبؤية والاستقرار الإحصائي. وفي التطبيق العملي على بيانات تلوث مياه نهر دجلة، أظهرت جميع المتغيرات البيئية المدروسة دلالة إحصائية عالية في كل من نموذج Net Elastic وخوارزمية XGBoost، مع تقارب عام في اتجاه تأثير المتغيرات، وتميز XGBoost بقدرتها الأعلى على تمثيل العلاقات غير الخطية والتفاعلية.
أظهرت نتائج المقارنة أن نموذج Net Elastic أكثر ملاءمة للأغراض التفسيرية وتحديد المتغيرات المؤثرة في تلوث المياه، في حين تتميز خوارزمية XGBoost بكفاءة تنبؤية أعلى، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية في التنبؤ. وتؤكد الدراسة أن الدمج بين الأساليب الإحصائية المنتظمة وتقنيات الذكاء الاصطناعي يوفر إطارًا تحليليًا متكاملًا وفعالًا لدراسة تلوث المياه، ويسهم في دعم صناع القرار في مجال إدارة الموارد المائية وحماية البيئة.
اعتمدت الدراسة على معيار متوسط مربع الخطأ (MSE) للمقارنة بين الطرائق المختلفة، حيث أظهرت نتائج المحاكاة تفوق طريقة Net Elastic بين نماذج الانحدار اللوجستي المنتظم، محققةً أقل قيم لمعيار الخطأ عند مختلف أحجام العينات. كما بينت النتائج تفوق خوارزمية XGBoost على خوارزمية Gradient Boosting من حيث الدقة التنبؤية والاستقرار الإحصائي. وفي التطبيق العملي على بيانات تلوث مياه نهر دجلة، أظهرت جميع المتغيرات البيئية المدروسة دلالة إحصائية عالية في كل من نموذج Net Elastic وخوارزمية XGBoost، مع تقارب عام في اتجاه تأثير المتغيرات، وتميز XGBoost بقدرتها الأعلى على تمثيل العلاقات غير الخطية والتفاعلية.
أظهرت نتائج المقارنة أن نموذج Net Elastic أكثر ملاءمة للأغراض التفسيرية وتحديد المتغيرات المؤثرة في تلوث المياه، في حين تتميز خوارزمية XGBoost بكفاءة تنبؤية أعلى، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية في التنبؤ. وتؤكد الدراسة أن الدمج بين الأساليب الإحصائية المنتظمة وتقنيات الذكاء الاصطناعي يوفر إطارًا تحليليًا متكاملًا وفعالًا لدراسة تلوث المياه، ويسهم في دعم صناع القرار في مجال إدارة الموارد المائية وحماية البيئة.
Keywords
تلوث المياه، الانحدار اللوجستي الجزائي، لاسو، سكاد، الشبكة المرنة، التصنيف الثنائي