مقاله تحلیل حساسیت مدل MIKE BASIN نسبت به پارامترهای ورودی در شبیه سازی جریانهای سطحی

بخشی از مقاله

چکیده

برنامهریزی منابع آب به منظور بررسی وضعیت منابع و مصارف کشور که در منطقه خشک و نیمه خشک جهان واقع شده، یکی از مسائل مهم و مورد توجه است. رشد سریع جمعیت، توسعه فعالیتهای وابسته به آب و رقابت شدید بین بخش های مصرف-کننده از سویی و محدودیت روز افزون منابع آبِ در دسترس و توسعهی روند آلودهسازی منابع آب و محیط زیست از سویی دیگر، تأمینِ مصارف یک حوضه را با مشکلات جدی روبرو کرده که سبب افزایش تقاضا برای آب شده است.

لذا برنامهریزی تخصیص عادلانه آب با استفاده از مدل ها این فرصت را فراهم میکند که با پیادهسازی ساختار شماتیکی از یک حوضه واقعی، فرآیندهای طبیعی و هیدرولوژیکی مرتبط با سیستم منابع آب و روابط حاکم بین بخشهای عرضه و تقاضا، شبیهسازی و نحوه حصول به اهداف مدیریت منابع آب ارزیابی گردد. از مدلهای مطرح در زمینه مدیریت منابع آب، مدل MIKE BASIN میباشد. در این تحقیق خصوصیات مدل مذکور بررسی شد و شبیهسازی در رودخانه بابلرود از زیرحوضه شبکه البرز توسط مدل مورد ارزیابی قرار گرفت. هدف اصلی این پژوهش بررسی حساسیت مدل مذکور نسب به دادههای ورودی میباشد که با توجه به نتایج چنین استنباط میشود که هر گونه تغییری در سری زمانی جریان ورودی حوضه آبریز تاثیر شایانی بر نتایج دارد.

کلمات کلیدی: تخصیص آب، MIKE BASIN، آنالیز حساسیت، برنامه ریزی منابع آب.

مقدمه

برنامهریزی منابع آب به منظور بررسی وضعیت منابع و مصارف کشور که در منطقه خشک و نیمه خشک جهان واقع شده، یکی از مسائل مهم و مورد توجه است. رشد سریع جمعیت، توسعه فعالیتهای وابسته به آب و رقابت شدید بین بخشهای مصرفکننده از سویی و محدودیت روز افزون منابع آبِ در دسترس و توسعهی روند آلودهسازی منابع آب و محیط زیست از سویی دیگر، تأمینِ مصارف یک حوضه را با مشکلات جدی روبرو کرده که سبب افزایش تقاضا برای آب شده است. مهمترین راهکار در مدیریت منابع آب، تدوین نظام یکپارچه تخصیص است، تخصیص عبارتست از اشتراک گذاشتن منابع آب بین گره-های مصرف، که در واقع مجموعهای از عملیاتی است بر مبنای اولویتها و حقابههای موجود شرایط دریافت و برداشت آب را ایجاد میکند - وانگ، - 2005

این اهداف به مفهوم جامع آن زمانی محقق میشود که کارایی مصرف و تخصیص آب در کنار یگدیگر ارتقاء یابد - یونسکو، . - 2000در این راستا مدلهای مختلفی توسعه یافته که در انتخاب مدل مناسب، توجه به امکانات و دادههای موجود و ساختار مدل قابل توجه است. بعلاوه مقایسه وارزیابی آن، با توجه به اهداف مدیریتی بسیار حائز اهمیت است. تحقیقات انجام شده در این زمینه عموماً به بررسی و توصیف ویژگیها و قابلیتهای کلی آنها - آسف و همکاران - 2008 و در مواردی نیز به بررسی عملکرد مدلها و روشهای محاسباتی آنها، پرداخته است - نیابز و همکاران، - 2007، - سچی و سولیس - . علاوه بر اینکه استفاده از شاخصها و معیارهای ارزیابی، در شناخت بهتر آن موثر بوده است.

از رایجترین شاخصها در این خصوص، شاخص اطمینان-پذیری میباشد که اغلب تحقیقات بر اساس آن صورت گرفته است - وربز، - 2001، - کوچ و گرانوالد، . - 2009 لذا برنامهریزی تخصیص عادلانه آب با استفاده از مدل ها این فرصت را فراهم میکند که با پیادهسازی ساختار شماتیکی از یک حوضه واقعی،فرآیندهای طبیعی و هیدرولوژیکی مرتبط با سیستم منابع آب و روابط حاکم بین بخشهای عرضه و تقاضا، شبیهسازی و نحوه حصول به اهداف مدیریت منابع آب ارزیابی گردد.مدلهای برنامهریزی عددی را همچنین میتوان با توجه به مکانیسم تخصیص آب به دو بخش عمده تقسیم نمود - کوکزرا، : - 1992 گروه اول با روندی ابتکاری کاربر را به اهداف تخصیص هدایت میکند که شامل مدل شبیهسازی هدایت میکند که شامل مدلهای شبیهسازی HEC-5 - مرکز مهندسی هیدرولوژیکی، - 1979، HEC-3 - مرکز مهندسی هیدرولوژیکی - 1971، IQQM - دپارتمان حفاظت آب و خاک، - 1999، IRIS - لاکس و همکاران، - 1987 و دسته دوم از برنامهریزی ریاضی و با استفاده از شبکه خطی تخصیص را مدلسازی مینماید که شامل - WATHNETکوکزرا و دیمنت، - 1987، - MODSIM لابادیه و همکاران، - 1979، - REALM دیمنت، 1991 و پررا جیمز، - 2003، - WEAP اس ای آی، - 2007 و MIKEBASIN - دی اچ آی، . - 2003

طی چندین دهه اخیر مطالعات متعددی بمنظور کاربرد مدلهای شبیهسازی در بررسی مسائل تخصیص انجام شده است که از آن جمله آسف و همکاران - 2008 - در زمینه مقایسه مدلهای مختلف، 5 مدل WEAP، MODSIM، MIKEBASIN، RIBASIM و WBalMo مدلهای مطرحی دانسته و با بر شمردن خصوصیات کلی مدلها اعم از ورودی و خروجیهای مدل، موارد کاربرد مدل، هزینه مدل، پیچیدگیهای آنها، نوع الگوریتم مدلسازی و قابلیت توسعهپذیری مقایسه نمودند که در نهایت مدل MIKEBASIN نسبت به سایر مدلها از برتری نسبی برخوردار بود. در سال 1388 نیز مدلهای WEAP، MIKE BASIN، MODSIM،RIBASIM و WBalMo بعنوان مدلهای مطرح در طرح جامع کشور انتخاب شدند که از روش تحلیل سلسله مراتب - AHP - مورد ارزیابی قرار میگیرند - وزارت نیرو، . - 1388

علیرغم استفاده گسترده از مدلهای تخصیص منابع آبی، دامنه حساسیت پارامترهای ورودی در آنها مشخص نشده است که تأثیر دقت اندازهگیری آنها بر کاهش یا افزایش تخصیص مشخص نیست. از اینرو آنالیز حساسیت روش ارزیابی مدلسازی است که میتواند تأثیرپذیری مدل را از دادههای ورودی مورد بررسی قرار دهد، اگر تغییرات پارامتر ورودی، تأثیر کمی در مقدار داده خروجی داشته باشد میتوان اینطور استنباط نمود که این پارامتر تأثیر ناچیزی روی نتایج دارد و بر عکس در صورت تأثیرپذیری زیاد مقادیر خروجی، آن پارامتر را باید با دقت بیشتری اندازهگیری یا پیشبینی نمود. در غیر این صورت باید خطای قابل قبولی را پذیرفت - لاکس و بیک، . - 2005

اساس تحلیل حساسیت، سنجش میزان حساسیت مدل به تغییرات متغیرهای ورودی است که راهکارهای مختلفی در بررسی اثرات تغییر در مقدار یک پارامتر مجزا یا متغیر ورودی را با فرض اینکه هیچ تغییری در ورودیهای دیگر ایجاد نشود، وجود دارد. از آن جمله میتوان به روش فولادمند و سپاسخواه - 1386 - اشاره نمود که %10 یکی از پارامترهای ورودی مدل با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها استفاده نمودند. دلیل استفاده از - 10 درصد پارامترها آن است که بتوان تعیین نمود کدام پارامترها در مدل دارای حساسیت بیشتری هستند تا در اندازه گیری و یا تخمین آنها برای استفاده در مدل دقت بیشتری انجام داد.

همچنین پوریان و برومندنسب در سال 1388 بمنظور روندیابی جریان جزر و مدی در حوزه رودخانه زهره با استفاده از مدل MIKE21 تحلیل حساسیتی بر خروجیهای مدل انجام دادهاند که نتایج نشان میدهد که ضریب تعیین، جزر میانگین مربع خطا و خطای نسبی به ترتیب برابر 0/95، 0/032 و 0/27 است نشاندهنده کارایی خوب مدل برای شبیهسازی پارامترهای مختلف جریان از جمله سرعت، دبی و پروفیل سطح آب میباشد.از جمله مطالعات دیگر، تحلیل حساسیت در روندیابی جزر و مد کانال رودخانه از خلیج تیگنموت انگلستان است که توسط David در سال 2003 انجام شد که نتیجه تحلیل حساسیت مدل Mike11 پس از واسنجی برنامه نشان داد که مجموع مربعات خطایی حدود 0/009 دارد. در این تحقیق مقادیر پروفیل سرعت آب در طول و عرض رودخانه، شیب سطح آب و همچنین جهت جریان برای شرایط مرزی مختلف و برای موقعیتهای مختلف تعیین گردد.در تحقیق حاضر، با هدف ارزیابی کارآیی MIKEBASIN، آنالیز حساسیت مدل در رودخانه بابلرود که از مهمترین منابع تأمین کننده آب در شبکه البرز است، انجام شده تا اهمیت دادههای ورودی آن شناسایی و بررسی گردد.

مواد و روشها

منطقه مورد مطالعه
در این پژوهش بابل رود یکی از سرشاخههای اصلی شبکه البرز گزینش شد، که مهمترین منبع تأمینکننده آب سد مخزنی است. دبی سالانه این رودخانه در ایستگاه بابل 3 میلیون متر مکعب است. سیستم آبیاری و زهکشی البرز در حوضه آبریز پائیندست میان بابلرود و سیاهرود واقع شده است که موقعیت آن در شکل 1 نمایش داده شده است. سد البرز نیز در حوضه بالادست رودخانه بابلرود در حال ساخت است که بخش اعظمی از آب رودخانه بابلک را که از طریق یک تونل به سد البرز منتقل می شود تنظیم خواهد کرد.

ساختار مدل MIKE BASIN و اجرای مدل

مدل - DHI Water & Environment, 2003 - Mike Basin یک سیستم مدلسازی هیدرولوژیکی است که میتواند در طراحی سناریوها و مدیریت منابع آب مورد استفاده قرار گیرد. روابط ریاضی بین اجزای مختلف سیستم را بخوبی نمایش می-دهد و قادر است توزیع آب را بر اساس اولویت زمانی مصرفکنندگان شبیهسازی کند.اساس این مدل بر مبنای بیلان آب است، یعنی ورودی به سیستم - Inflow - برابر خواهد بود با مجموع خروجی - Outflow - از سیستم و آب ذخیره شده در سیستم 6WRUDJH - - و آبی که در مجموعه سیستم مصرف میشود. این مدل قادر است توزیع آب را بر اساس اولویت زمانی مصرفکنندگان شبیهسازی نماید که در قالب حل معادلات بیلان جرمی آب و بر اساس برنامه-ریزی مطابق معادله زیر خواهد بود - . - Eugene Water & Electric Board, 2008