بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تخمین تبخیر از سطح دریاچه ارومیه با استفاده از مدل ANFIS
خلاصه
تخمین میزان پتانسیل تبخیر از سطح دریاچهها نقش مهمی در مدیریت هیدرولوژیکی حوضهها ایفا میکند. علیرغم اهمیت تبخیر آب تاکنون رابطه دقیقی برای محاسبه آن ارائه نشده است و فرمولهای تجربی ارائـه شده چندان دقیق نمیباشند. در این تحقیق مدل هوشمند سیستم فازی- عصبی تطبیقی جهت تخمین تبخیر ماهانه از سطح دریاچه ارومیه که با خطر خشکسالی روبرو میباشد، توسعه یافته است. ورودیهـای مـدل شامل مقادیر دما در زمان t و t-1 و خروجی، تبخیر از سطح دریاچه در زمان t میباشد. مقایسه نتایج مدل با مقادیر مشاهداتی بر اساس معیارهای ارزیابی ( ضریب همبستگی، نش-ساتکلیف و کمترین مربعات خطا) نشان میدهد ANFISقابلیت بالایی برای تخمین نسبتاً دقیق تبخیر دارد. نتایج مدلسازی با توجه به احداث جاده میان گذر دریاچه ارومیه که باعث تقسیم دریاچه به 2 قسمت و ساکنشدن آب دریاچـه شـده، مـورد تحلیل قرار گرفته است. مقایسه میزان تبخیر از سطح دریاچه در سالهای بعد از احداث پل میانگـذر نشـان دهنده تبخیر سریع نسبت به سالهای قبل از احداث پل بوده است.
کلمات کلیدی: تخمین تبخیر، سیستم فازی- عصبی تطبیقی، حوضه آبریز دریاچه ارومیه
-1 مقدمه
تبخیر از سطح دریاچه هر موقع که کمبود فشار بخار آب بین سطح آب و اتمسفر وجود داشته باشـد، اتفـاق می افتد. مهمترین عوامل موثر بر تبخیر، تابش خورشیدی، دما، رطوبت نسبی، کمبود فشار بخار، فشار اتمسفر و باد است. در مناطق کم بارش، تلفات تبخیر بخش قابل توجهی از بودجه آب در مخازن دریاچـه هـا را شـامل بوده و منجر به کاهش سطح آب خواهد شد. تبخیر و تعرق یکی از اجزای اصلی چرخه هیدرولوژی است که تعیین صحیح آن در علوم آب از قبیل مطالعات توازن هیدرولوژیکی و طراحی و مدیریت سیستمهای آبیاری از اهمیت بالایی برخودار است. در این راستا مطالعه تغییرات مخازن دریاچهها ناشی از تبخیر سبب جلب توجـه محققان نقاط مختلف دنیا گردیده است.
ایرول کشین و همکاران (2009) در تحقیقی برای مدل سازی تبخیر ، از مجموعه های فازی و عصبی مبتنـی بر سیستم استنتاج تطبیقی فازی (ANFIS) استفاده کرده اند. ANFIS و مجموعه های فازی برای انطباق خود به منظور برآورد تبخیر از داده های هواشناسی از جمله آب و هوا، درجه حرارت، تشعشع خورشیدی، و فشـار هوا به دست آمده از ایستگاه هواشناسی خودکار GroWheather واقع در نزدیکی دریاچـه Eğirdir بـوده است. نتایج مدل ANFIS و روشهای منطق فازی در مقایسه با مقادیر اندازهگیری تبخیر روزانه نشان میدهد که این روش ها را با موفقیت میتوان در مدل سازی فرآیند تبخیر از مجموعههای فازی استفاده کرد.
چانگ و همکاران در سال 2012 مدل ترکیبی شبکه نروفـازی و روش کریجینـگ را بـرای تخمـین تبخیـر از تشتک در مکانهایی که شبکههای اندازهگیری وجود ندارد به کار بردهانـد. روش کریجینـگ بـه عنـوان روش درونیابی زمین آماری در این تحقیق بوده است، نتایج روی دادههای روزانه 19 ایستگاه در تایوان نشان دهنده این است که مدل ترکیبی (AK) دقت تخمین Epan که از روابط تجربی بدست میآید را بهبود داده است.
کومار و همکاران در سال 2012 ، مدلهای شبکههای عصبی و نروفازی را برای تخمین پتانسیل تبخیر ماهانـه در پانتاقار هند توسعه داده اند. در این تحقیق رطوبت نسبی، تابش خورشیدی، دما، سرعت باد و تبخیر برای 19 سال 236) ماه) مدلسازی گردیده است. نتایج حاکی از دقت بالای ضرایب همبستگی و پـایین بـودن میـانگین مربعات خطا است. در مقایسه روشهای ANN و ANFIS ، مدل ANFIS به مقدار جزئی نتایج بهتری را در تخمین تبخیر نشان داده است.
-2 سیستم استنتاج فازی- عصبی تطبیقی
در مدلسازی پارامترهای اقلیمی، دادههای دما، تبخیر و ... بصورت نقطهای مورد اندازهگیری قرار گرفته، اما واضح است که آن عدد تقریبی از مقدار واقعی میباشد، خطای شخص اندازه گیر و همچنین دستگاه اندازهگیری نیز باعث ایجاد عدم قطعیت در میزان تبخیر مشاهده شده می گردد. لذا مجموعههای فازی ابزار مناسبی جهت مدلسازی چنین سیستمهایی است. مدل فازی عصبی تطبیقی همانند مدل فازی از دانش تجربی بهره گرفته و نیز همانند مدل شبکه عصبی میتواند آموزش ببیند [4] و .[5] مدل فازی عصبی تطبیقی بر اساس تغییر در میزان مقادیر مرکز و دامنه توابع عضویت در تکرارهای مختلف جهت رسیدن به شبکه مناسب بر اساس حداقل خطای موجود رفتار میکند. در مدل ANFIS از روش استنتاجی تاکاگی سوگنواستفاده میشود. برای مدل سوگنو درجه اول با دو ورودی x و y و یک خروجی z، مجموعه قوانین فازی با دو قانون اگر-آنگاه به صورت زیر بیان میشود.
ساختار مدل ANFIS در شکل (1) نشان داده شده است.
همانطور که از شکل (1) پیداست ساختار مدل ANFIS شامل 5 لایه میباشد:
لایه اول: پس از اینکه دادههای ورودی به صورت ماتریسی x) و(y وارد سیستم شدند در این لایه با استفاده از توابع عضویت عمل فازیسازی انجام میگیرد.
لایه دوم: در این مرحله نیز مشابه با سیستم استنتاج فازی با توجه به عملگر مورد استفاده در موتور استنتاج قواعد مربوط به قسمت مقدمه حاصل میآید.
لایه سوم: در این لایه وزن نسبی قوانین از رابطه زیر محاسبه میشود:
n تعداد گرههای این لایه است. درجه فعالیت نرمال شده قانون iام است.
لایه چهارم: این لایه، لایه قوانین نامیده میشود و خروجی قوانین از عملیات زیر بدست میآیند:
که pi , qi , ri پارامترهای نتیجه نامیده میشوند.
لایه پنجم: این لایه از یک گره تشکیل شده است و وظیفه آن جمعبندی تمامی خروجیهای لایه چهارم و نمایش خروجی نهایی است.
زمانی عمل شبیهسازی به درستی انجام شده است که تمامی پارامترهای موثر در ساختار مدل طوری تعیین گردند که مقدار خطای مدل به حداقل مقدار خود برسد و همچنین مقادیر کارایی بیشترین مقدار را داشته باشند. تعداد و نوع ورودیها، شکل تابع عضویت همانند مدل فازی از عوامل تاثیرگذار بر مدل نروفازی نیز میباشند.
3 منطقه مورد مطالعه
حوضه آبریز دریاچه ارومیه با وسعتی معادل 51460 کیلومتر مربع در شمالغرب ایران بین مختصات 44-07 تا 47-53 طول شرقی و 35-40 تا 38-30 عرض شمالی واقع شده است. حوضه دریاچه ارومیه یـک حوضـه کوهستانی بسته است و تنها منبع آب آن بارندگی و عمده ترین عامل تلفات آن تبخیر است. متوسط بارنـدگی حوضه آبریز 245 میلیمتر بوده که 75 درصد آن به صورت تبخیر از دسترس خارج و مابقی پتانسیل منابع آب تجدید شونده می باشد. حوضه آبریز دریاچه ارومیه یـک محـدوده کـم و بـیش مسـطح در بخـش شـمالی و ارتفاعات گسترده در شرق، جنوب و غرب محصور شده است. دریاچه ارومیه که دریاچه ای کم عمـق وسـیع است، در پایین ترین نقطه حوضه واقع گردیده و تمام روانابهای حوضه به دریاچه می ریزد و در تراز نرمال مساحتی در حدود 5000 کیلومتر را شامل می گردد. مقدار متوسط تبخیر از سطح آزاد دریاچه 1277 میلیمتـر در سال است. تراز آب دریاچه در طی دوره آماری 43 ساله بین 1277/8 و 1271/6 در نوسـان بـوده اسـت و سطح دریاچه ارومیه در تراز 1271/6 حدود 3750 کیلومترمربع و در تراز 1277/8 به حدود 6061 کیلومترمربع میرسد.
دادههای تبخیر از سطح دریاچه ارومیه در ایستگاه گلمانخانه مربوط به تبخیر از آب شور در سالهای ( 1368 تا (1389مجموعاً 21 سال از شرکت آب منطقهای استان آذربایجانشرقی جمعآوری شده است. متوسط دمـا در حوضه آبریز دریاچه ارومیه 10/3 درجه سانتیگراد میباشد. بیشترین تبخیر از سطح دریاچه مربوط به ماههای گرم سال است که در حدود 50 درصد از تبخیر سطح دریاچه در این ماهها رخ میدهد و 50 درصد مابقی در ماههای دیگر سال خواهد بود. در شکل 2 موقعیت و وسعت حوضه آبریز دریاچه ارومیه نشان داده شده است.
