بخشی از مقاله
چکیده
پیش بینی بهترین دبی یکی از ابزارهای مهم در مدیریت منابع آب مانند آبخیزداری، مهار بحران کمبود آب و مدیریت سیلابها به شمار می رود. به دلیل روابط غیرخطی و عدم قطعی ت در سیستم آبی ، محققین سعی در توسعه روش های پیش بینی دارند . ایستائی یک فرض مهم برای مدل سازی سری های زمانی است. اغلب سری های هیدرولوژیک به خاطر پیچیدگی عوامل فیزیکی و تغییرات مکانی و زمانی، عموماً ایستا نیستند.
یکی از روشهایی که در سالها ی اخیر در زمینه هیدرولوژی مورد توجه قرار گرفته است ، استفاده از آنالیز موجک- آنفیس به عنوان روشی موثر در زمینه تحلیل سیگنال ها و سری های زمانی ناایستا است .در این تحقیق با استفاده از داده های ایستگاه ها به تخمین دبی رودخانه تالار قائمشهر در ایستگاه کیاکلا پرداختیم . بازه زمانی مورد استفاده از سال 1361 تا سال 1392 به صورت روزانه ، ماهانه و سالانه می باشد. بعد از مدل نمودن داده های اصلاحی بهترین داده از مدل موجک را استخراج و در مدل انفیس با هم تلفیق نموده و خروجی محاسباتی از مدل دریافت که در اکسل خروجی واقعی با خروجی محاسباتی بر روی نمودار آورده شده است.
واژه های کلیدی:دبی رودخانه - ایستگاه هیدرومتری - تالار قائمشهر- آنالیز موجک-آنالیز آنفیس
مقدمه
رودخانه ها جریان طبیعی آبهای سطحی هستند که در بستر معین بصورت فصلی یا دائمی جریان می یابند. رودخانه ها محدوده وسیعی از آبراهه های های کم عرض و با شیب تند کوهستانی تا رود های آرام و عریض جاری در دشتها را شامل می شوند. کلیه رودخانه ها در معرض تغییر و تحول قرار دارند و کارهای مهندسی رودخانه برای تغییر دبی، مطالعه دبی رسوبی، مسیر رودخانه، عمق آبراهه، پهنه سیل گیر و کیفیت آب مورد نیاز می باشد.
روش های معمول در راه رسیدن به این اهداف استفاده از سازه های مختلف به تنهایی یا ترکیبی از آنها مثل سد، سیل بند خاکی یا بتنی، پوشش بدنه، آبشکن یا به کار گرفتن راه حل های قدیمی مثل لایروبی می باشد. از جمله مباحث مهم و اصلی در مهندسی رودخانه تعیین حوضه آبریز، شناخت شکل رودخانه - مرفولوژی - ، بررسی فرسایش در رودخانه، تثبیت سواحل و بستر رودخانه، کانالیزه کردن و کنترل سیلاب می باشد.
همچنین پیش بینی مطلوب دبی یکی از ابزارهای مهم در مدیریت منابع آب مانند آبخیزداری، مهار بحران کمبود آب و مدیریت سیلابها به شمار می رود. به دلیل روابط غیرخطی و عدم قطعیت در سیستم آبی ، محققین سعی در توسعه روش ها ی پیش بینی دارند . ایستائی یک فرض مهم برای مدل سازی سری های زمانی است. اغلب سری های هیدرولوژیک به خاطر پیچیدگی عوامل فیزیکی و تغییرات مکانی وزمانی ، عموماً ایستا نیستند.
وجود پستی و بلندیها در سطح زمین باعث میشود که هنگام نزول باران و ایجاد جریان سطحی ، آب از قلل ارتفاعات در امتداد شیب زمین جریان پیدا کرده و به سمت نقاط پست زمین حرکت کند .خط الراس ارتفاعات در واقع خطوط تقسیم آب بین طرفین ارتفاعات بوده و خط القعرها محل تمرکز رواناب می باشد . یک حوزه آبریز به مساحتی از زمین گفته می شود که اطراف آن را ارتفاعات در بر گرفته و لذا رواناب حاصله از بارندگی روی این سطح در گودترین نقطه آن تمرکز پیدا کرده و از نقطه ای که پایین ترین ارتفاع را دارا می باشد از حوضه خارج میگردد.
به عبارت دیگر، حوضه آبریز مساحتی است که رواناب سطحی در آن بطور طبیعی به نقطه واحدی به نام نقطه تمرکز هدایت میشود . امروزه مدیریت جامع منابع آب، با تأکید بر بهره برداری مشترک یا تلفیقی از منابع آب های سطحی و زیرزمینی، در دستور کار کلیه سازمان های بهره برداری قرارگرفته است که در این نوع از بهره برداری ، نیاز های آبی به وسیله دو منبع سطحی و زیر زمینی به طور توأم تأمین می شو ند.
استفاده از مدل های شبیه سازی-بهینه سازی یک روش قدرتمند در مدیریت و طراحی بهینه از سیستم آب های سطحی و زیرزمینی محسوب می شود. اما در این میان، نیاز به روش های شبیه سازی با سرعت بالا و البته دقت مناسب که به راحتی قابل تلفیق با مدل های بهینه سازی باشند، احساس می شود. همچنین موجک یا ویولت نیز دستهای از توابع ریاضی هستند که برای تجزیه سیگنال پیوسته به مؤلفههای فرکانسی آن بکار میرود که رزولوشن هر مؤلفه برابر با مقیاس آن است. تبدیل موجک تجزیه یک تابع بر مبنای توابع موجک میباشد. موجکها - که به عنوان موجکهای دختر شناخته میشوند - نمونههای انتقال یافته و مقیاس شده یک تابع - موجک مادر - با طول متناهی و نوسانی شداًی میرا هستند.
نظریه موجک یکی از روشهای علم ریاضی است که ایده اصلی آن برگرفته از تبدیل فوریه میباشد. آنالیز موجک ، تکنیکی کارا برای آنالیز و تقریب سازی امواج ناپایدار میباشد. هر تابعی که بر مبنای تبدیل سریع فوریه قابل تجزیه باشد را میتوان با استفاده از موجکها فرمولبندی کرد و اطلاعات مکانی یا زمانی بیشتری به دست آورد. مزیت اصلی موجکها در پیشبینی، نشان دادن توانائی آنها در بیان وقایع آتی توسط مقیاسهای هم پوشانی شده است که این امر استخراج اطلاعات دورهای در مقیاسهای مختلف را به خصوص در مدلهای شبکه عصبی آسانتر می نماید. تبدیل موجک از طریق تجزیه امواج به زمان و مقیاس همچون روش آنالیز فوریه شیوه نوینی را برای پردازش موج ارائه میدهد.
تدوین طرح مقابله اضطراری با سیل و مشخص کردن اراضی سیل گی ر در سامانه های هشدار سیلاب ، کمک رسانی و تخلیه مناطق در خطر سیلاب ، تعیین نرخ بیمه سیلاب پهنه بندی با خطر های متفاوت و تحلیل های اقتصادی طرح های مهار سیلاب ، تعیین حد بستر و حریم رودخانه ها، امکان حفاظت بستر رودخانه در مقابل آشغال و احداث هر گونه تأسیسات غیر مجاز در آن را فراهم می سازد. برنامه ریزی دراز مدتی برای تعیین حد بستر و حریم رودخانه، به منظور صیانت از منابع ملی و کاهش خسارت سیل وجود دارد.
کارهای مهندسی رودخانه برای تغییر دبی، مطالعه دبی رسوبی، مسیر رودخانه، عمق آبراهه، پهنه سیل گیر و کیفیت آب مورد نیاز می باشد. محاسبه دبی رسوبات منتقل شده یک رودخانه به جهت ساماندهی مسیر رودخانه و طراحی و بهره برداری از سیستم انتقال آب و بررسی روند دبی رودخانه در شناخت تغییر اقلیم و در مدیریت منابع آب کاربرد دارد. تخمین دبی جریان در رودخانه، به دلیل تاثیر آن در مدیریت منابع آب، می تواند نقش اقتصادی مهمی داشته باشد.
با روش های مختلفی می توان رواناب خروجی از حوزه را محاسبه نمود . معیارهایی که به منظور ارزیابی کارآیی مدلها مورد استفاده قرار میگیرد: ضریب تعیین ، جذر میانگین مربعات خطا ،درصد خطای حجم هیدروگراف ،درصد خطاهای مربوط به پیشبینی دبی اوج و زمان رسیدن به دبی اوج می باشد که کاربرد اساسی در این تحقیق دارند. همچنین پس از مدل نمودن داده های اصلاحی بهترین داده از مدل موجک را استخراج نموده و داده های اصلاحی را مجدد در مدل انفیس اجرا و مدل های به وجود آمده را با هم تلفیق میکنیم.
رودخانه تالار طی سد ریزانه اصلی از دامنه کوههای شاه محمد قله، آسمانلو، چال میش و قدمگاه در 80 کیلومتری جنوب شرقی قائم شهر سرچشمه می گیرد و پس از عبور از دره جاش و سرلش و دور زدن کوههای کرکس واورم به نام کبیررود با رودهای آریم و دلاور رود مخلوط می گردد. و بعد از 2 کیلومتر با رودخانه سرخاب درهم می آمیزد و به رودخانه تلار تغییر نام می دهد. و بعد از تلاقی با رودخانه بزلا از طریق دره غربی کوه الواط بسوی پل سفید روان می گردد و پس از عبور از روستای استخر سد با رودخانه چرات در هم می آمیزد و رو به شمال غرب بسوی شمال جریان می یابد.
و پس از عبور از دامنه شرقی کوه ترز وارد منطقه شیرگاه می شود. و با رودخانه کسیلیان مخلوط میشود. و رو بسوی شمال غربی روان می شود و بعد از عبور از روستاهای چامی و آبرنگ سر با رودخانه تجون مخلوط و بسوی شمال شرقی روان و از غرب قائم شهر عبور و سرانجام در 3 کیلومتری شمال غربی عرب خیل به دریا می ریزد.رژیم رودخانه تالار در سه شاخه دشت سفید، چران - شش رودبار - ، کسیلیان برفی و در شاخه های تجون و ترجی و برنجستانک و بخشی از حوزه کسیلیان بارانی می باشد. بطوریکه در ورود به دشت رودخانه دارای دوره پر آبی بهاره ولی در وسط دشت در ایستگاه کیاکلا، حجم عمده جریان سالانه ناشی از سیلابهای حاصل از بارندگی است .
تقریبا کلیه آب رودخانه در فصل زراعی به مصرف میرسد. حوزه بالادست رودخانه تالار 2905/38 کیلومتر مربع است.در رودخانه تالار 11 ایستگاه هیدرومتری فعال یک ایستگاه هیدرومتری غیرفعال دو سد و 7 نقطه پیشنهادی که اطلاعات فیزیوگرافی آن محاسبه گردیده است. ایستگاه کیاکلا بر روی رودخانه تالار با حوزه ای به مساحت 2386/79 کیلومتر مربع می باشد.
آنالیز موجک آنالیز موجک روشی برای تجزیه داده ها به مولفه های فرکانسی
موجود در آن است و نموداری به صورت زمان - چگالی از یک سیگنال ارائه می دهد . موجک یا ویولت : دستهای از توابع ریاضی هستند که برای تجزیه سیگنال پیوسته به مؤلفههای فرکانسی آن بکار میرود که رزولوشن هر مؤلفه برابر با مقیاس آن است. تبدیل موجک تجزیه یک تابع بر مبنای توابع موجک میباشد. موجکها - که به عنوان موجکهای دختر شناخته میشوند - نمونههای انتقال یافته و مقیاس شده یک تابع - موجک مادر - با طول متناهی و نوسانی شدیداً میرا هستند.
انتقال سیگنال از یک مبنا به مبنای دیگر به هر منظور که باشد به روشهای مختلف امکان پذیر است. یکی از این روشها تبدیل سیگنال زمان مبنا 2 به فرکانس مبناست 3 که به تبدیل فوریه معروف است. روش دیگر، روش موجک است که مورد نظر این فصل است ولی سرآغاز سخن با مقدم های بر تبدیل فوریه خواهد بود.مشابه تبدیل فوریه، تبدیل پیوسته موجک یک تابع با جمع حاصلضرب تابع مزبور در تابع موجک مقیاس شده و شیفت یافته در کل بازه زمانی تعریف می شود.
نکته قابل توجه آنست که مقیاس بزرگ موجک معادل فرکانسهای پایین و مقیاس کوچک معادل فرکانسهای بالاست. هر تابعی که به عنوان موجک به کار گرفته میشود، دارای میانگین صفر و انرژی واحد است. سیگنالهایی که ما اغلب علاقه مند به آنالیز آنها هستیم، معمولا به صورت گسسته می باشند. در نتیجه گسسته سازی تبدیل موجک اجتناب ناپذیر است . تجزیه موجکی قادر است که تجزیه ی ک سیگنال را در سه بعد فرکانس ، زمان و دامنه را در یک تصویر نشان دهد و برخلاف تبدیل فوریه قادر است زمان رخ دادن هر فرکانس را تعیین کند . تبدیل موجک پیوسته بصورت رابطه بیان می شود .
سوگنو می باشد. این شیوه در اوایل 1990 ایجاد شده است. از آنجایی که این سیستم، شبکه های عصبی و مفاهیم منطق فازی را یکی می کند، می تواند از امکانات هر دو آنها در یک قاب بهره برد.سیستم سازگار آن مطابق با مجموعه قوانین فازی اگر آنگاه است که قابلیت یادگیری توابع تقریباً غیرخطی را دارد. از این رو، انفیس به عنوان یک برآورد جهانی مطرح شده است. شبکه های عصبی مصنوعی یا به زبان سادهتر شبکههای عصبی سیستمها و روشهای محاسباتی نوینی هستند.
برای یادگیری ماشینی، نمایش دانش، و در انتها اعمال دانش به دست آمده در جهت بیشبینی پاسخهای خروجی از سامانههای پیچیده. ایده اصلی این گونه شبکهها - تا حدودی - الهامگرفته از شیوه کارکرد سیستم عصبی زیستی، برای پردازش دادهها، و اطلاعات به منظور یادگیری و ایجاد دانش قرار دارد. عنصر کلیدی این ایده، ایجاد ساختارهایی جدید برای سامانه پردازش اطلاعات است. این سیستم از شمار زیادی عناصر پردازشی فوقالعاده بهمپیوسته با نام نورون تشکیل شده که برای حل یک مسئله با هم هماهنگ عمل میکنند و توسط سیناپسها - ارتباطات الکترومغناطیسی - اطلاعات را منتقل میکنند.
در این شبکهها اگر یک سلول آسیب ببیند بقیه سلولها میتوانند نبود آنرا جبران کرده، و نیز در بازسازی آن سهیم باشند. این شبکهها قادر به یادگیریاند. مثلاً با اعمال سوزش به سلولهای عصبی لامسه، سلولها یاد میگیرند که به طرف جسم داغ نروند و با این الگوریتم سیستم میآموزد که خطای خود را اصلاح کند. یادگیری در این سیستمها به صورت تطبیقی صورت میگیرد، یعنی با استفاده ازمثالها وزن سیناپسها به گونهای تغییر میکند که در صورت دادن ورودیهای جدید، سیستم پاسخ درستی تولید کند.
توافق دقیقی بر تعریف شبکه عصبی در میان محققان وجود ندارد؛ اما اغلب آنها موافقند که شبکه عصبی شامل شبکهای از عناصر پردازش ساده - نورونها - است، که میتواند رفتار پیچیده کلی تعیین شدهای از ارتباط بین عناصر پردازش و پارامترهای عنصر را نمایش دهد. منبع اصلی و الهام بخش برای این تکنیک، از آزمایش سیستم مرکزی عصبی و نورونها - آکسونها، شاخههای متعدد سلولهای عصبی و محلهای تماس دو عصب - نشأت گرفتهاست، که یکی از قابل توجهترین عناصر پردازش اطلاعات سیستم عصبی را تشکیل میدهد.
در یک مدل شبکه عصبی، گرههای ساده - بطور گسترده نورون، نئورونها، - عناصر پردازش - یا واحدها برای تشکیل شبکهای از گرهها، به هم متصل شدهاند به همین دلیل به آن شبکههای عصبی اطلاق میشود. در حالی که یک شبکه عصبی نباید به خودی خود سازگارپذیر باشد، استفاده عملی از آن بواسطه الگوریتمهایی امکانپذیر است، که جهت تغییر وزن ارتباطات در شبکه - به منظور تولید سیگنال موردنظر - طراحی شده باشد.
با استفاده از دانش برنامهنویسی رایانه میتوان ساختار دادهای طراحی کرد که همانند یک نرون عمل نماید. سپس با ایجاد شبکهای از این نورونهای مصنوعی به هم پیوسته، ایجاد یک الگوریتم آموزشی برای شبکه و اعمال این الگوریتم به شبکه آن را آموزش داد. نتیجه این مدل اجرای توابع ساده بود .مجموعه فازی به هر عضو یک درجه عضویت میدهد که تابع عضویت بین صفر و یک می باشد. این شبکهها برای تخمین و تقریب کارایی بسیار بالایی از خود نشان دادهاند. گستره کاربرد این مدلهای ریاضی بر گرفته از عملکرد مغز انسان، بسیار وسیع میباشد که به عنوان چند نمونه کوچک میتوان استفاده از این ابزار ریاضی در پردازش سیگنالهای بیولوییکی، مخابراتی و الکترونیکی تا کمک در نجوم و فضا نوردی را نام برد.
