بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
مدلسازي تبخیر-تعرق مرجع روزانه با استفاده از برنامه نویسی بیان ژن (مطالعه موردي: ایستگاه کرمان)
چکیده
تبخیر-تعرق یکی از مولفههاي مهم در چرخه هیدرولوژي است که براي مدیریت منابع آب و توسعه آنها و همچنین بمنظور برآورد بیلان آب در طرحهاي آبیاري مهم میباشد. در این مطالعه از برنامهنویسی بیان ژن (GEP) براي برآورد تبخیر-تعرق مرجع روزانه (ETo) در ایستگاه سینوپتیک کرمان و در دوره 6 ساله -2005) (2000 و استخراج فرم صریح روابط بین ETo پارامترهاي مورد بررسی، استفاده شد. مجموعه دادههاي دماي هوا، رطوبت نسبی، تابش خالص، تابش خورشیدي و سرعت باد بمنظور مدلسازي ETo بر اساس معادله فائو- پنمن-مانتیث (FAO-PM) بعنوان معادله مرجع مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج GEP نشان دهنده قابلیت مدل GEP در پیشبینی مقادیر ETo-FAO-56 PM بود و مدل داراي وروديهاي یکسان با FA0-56 PM نتایج بهتري را نسبت به سایر مدلهاي مورد بررسی نشان داد. همچنین، اهمیت بیشتر متغیرهاي تابشی نسبت به دمایی در پیشبینی مقادیر ETo تایید شد.
واژههاي کلیدي: برنامه نویسی بیان ژن، تابش خورشیدي، تبخیر- تعرق مرجع، کرمان.
مقدمه
در گذشته تصور میشد که آب ارزان و به مقدار فراوان در اختیار خواهد بود و لذا کشاورزان، مهندسان و محققان به مسئله استفاده بهینه و مطلوب از آب توجه زیادي نداشتند. اما اکنون با ظاهر شدن چهره کمآبی، خشکسالیها و نیاز فزاینده بشر به غذاي بیشتر، لازم است تا مهندسین آبیاري با اعمال شیوههاي مدیریتی نوین اقدام به صرفهجوئی در مصرف آب و افزایش بازده آبیاري نمایند. افزایش بهرهوري آب در زراعت به عنوان اساسیترین مسئله در کشاورزي آینده مطرح خواهد بود. این امر بدون برآورد دقیق نیاز آبی گیاه میسر نمی-باشد. به دلیل اثرات متقابل بین مولفههاي سیستم آب، خاك و گیاه، شاید بتوان گفت تبخیر-تعرق مشکلترین پدیده براي برآورد در بین مولفههاي چرخه هیدرولوژیکی میباشد. برآوردهاي تبخیر- تعرق(ET) 1 تقریبا در هر زمینهاي از مهندسی منابع آب مانند تامین و توزیع آب، مدیریت آبیاري، کشاورزي و عملیات هیدرولوژیکی مهم میباشد. چندین مدل ریاضی که متغیرهاي هواشناسی اندازهگیري شده را بعنوان متغیر مستقل براي پیشبینی ET بکار میبرند، بوجود آمده است (بعنوان مثال: Thornthwaite, 1948; Blaney and Criddle, 1950; Turc, 1961; Jensen and Haise, 1963; Priestley and Taylor, 1972; Makkink, 1957; .(Hargreaves and Samani, 1985; FAO-56 Penman Monteith (Allen et al., 1998) اخیرا، از معادله فائو پنمن مانتیث (FAO-56 PM) بعنوان معادلهاي مرجع در برآورد تبخیر-تعرق مرجع (ETo) 1 و کالیبره کردن معادلات دیگر ETo استفاده میشود .(Allen et al., 1998) معادله PM داراي دو مزیت مهم میباشد که عبارتند از (1) :(Landeras et al., 2008) این معادله را میتوان براي انواع متعددي از سناریوهاي اقلیمی و محیطی و بدون کالیبراسیون محلی بکار برد. (2) این معادله با استفاده از دادههاي لایسیمتري و در دامنه عریضی از شرایط اقلیمی اعتباریابی شده است. اما نیاز به تعداد زیادي از متغیرهاي هواشناسی (بعنوان مثال: دماي هوا، رطوبت نسبی، تابش خورشیدي و سرعت باد) براي محاسبه ETo بعنوان یکی از معایب معادله FAO-56 PM میباشد.
مروري بر منابع نشان میدهد که روش برنامهنویسی بیان ژن(GEP) 2 براي مدلسازي ETo در موارد محدودي بکار برده شده است. گون3 و همکاران (2008) روش GEP را براي مدلسازي ETo روزانه بصورت تابعی از تابش خورشیدي، دماي میانگین هوا، سرعت باد و رطوبت نسبی بکار بردند و کارایی این مدل را با سایر معادلات ETo مقایسه کردند. نتایج آنها نشان داد که مدل GEP با متغیرهاي هواشناسی یکسان با مدل FAO-56 PM را میتوان بطور موفقیتآمیزي در شمال، مرکز و جنوب کالیفرنیا بکار برد.
مدل GEP براي برآورد ETo روزانه در چهار ایستگاه هوشناسی در اسپانیاي شمالی در دوره 5 ساله بکار گرفته شد. از مجموعه دادههاي دماي هوا، رطوبت نسبی، سرعت باد و تابش خورشیدي براي مدلسازي ETo با استفاده از معادله FAO-56 PM بعنوان معادله مرجع استفاده شد. نتایج مدل GEP با نتایج سیستم استنتاج تطبیقی عصبی فازي (ANFIS )، پرستلی تیلور و هارگریوز- سامانی مورد مقایسه قرار گرفتند. بر اساس نتایج، مدل GEP بهتر از سایر مدلها اجرا شد .(Shiri et al., 2012)
از مدل GEP براي مدلسازي تبخیر با استفاده از دادههاي هواشناسی در ترکیه استفاده شد. متغیرهاي هواشناسی مورد استفاده در مدلسازي شامل دماي هوا، تابش خورشیدي و رطوبت نسبی بود. براي اعتباریابی نتایج خروجی مدل GEP از روش برآورد تبخیر روزانه پنمن استفاده گردید. نتایج خروجی بیانگر توانایی مدل GEP در پیشبینی مقادیر ETo بود .(Terzi and Erol Keskm, 2005)
در این تحقیق، از سه ترکیب مختلف پارامترهاي هواشناسی شامل دماي هوا، رطوبت نسبی، تابش خورشیدي و سرعت باد بمنظور برآورد ETo روزانه با استفاده از روش مدلسازي GEP در ایستگاه سینوپتیک کرمان و در دوره 6 ساله (2000-2005) استفاده و نتایج با روش مرجع FAO-56 PM مقایسه میشود.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه و دادههاي تحقیق
استان کرمان در جنوب شرقی ایران و بین 53 درجه و 26 دقیقه تا 59 درجه و 29 دقیقه طول شرقی و 25 درجه و 55 دقیقه تا 32 درجه عرض شمالی قرار دارد و با 185675 کیلومترمربع وسعت، 11 درصد از خاك کشورمان را به خود اختصاص داده است. در این تحقیق، از آمار و اطلاعات موجود از ایستگاه سینوپتیک کرمان در سازمان هواشناسی کشور و در فاصله سالهاي 2000-2005، استفاده گردید. متغیرهاي مورد استفاده در این تحقیق دماي حداقل (˚C)، دماي حداکثر (˚C)، دماي میانگین (˚C)، رطوبت نسبی (%)، سرعت باد (m/s)، شدت تابش (MJ/m2/day) و تابش خالص (MJ/m2/day) میباشد. در این تحقیق، روش F-P-M به عنوان روش استاندارد براي برآورد ETo و مقایسه نتایج در نظر گرفته شد.
برنامهنویسی بیان ژن
برنامهنویسی بیان ژن که تغییر یافته برنامهنویسی ژنتیک است، در ابتدا توسط فریرا(2001a) 1 معرفی گردید. اختلاف اساسی بین GEP و GP به دلیل طبیعت افراد میباشد. در GP، افراد وروديهاي غیرخطی از اندازهها و شکلهاي متفاوت هستند در حالیکه در GEP، افراد بصورت نوارهاي خطی از طولهاي ثابت شده (ژن یا کروموزوم) نوشته میشوند که در مرحله بعد بصورت وروديهاي غیرخطی از اندازهها و شکلهاي متفاوت بیان میشوند GEP .(Ferreira, 2001a, b) روش جستجویی است که امکان حل مسئله بوسیله تولید اتوماتیک الگوریتمها و بیانها را میدهد. این بیانها بصورت یک ساختار درختی با انتها (برگها) و گرهها (توابع) کدنویسی میشود. GEP الگوریتمهاي ژنتیک (GAs) را با جمعیتی از مسائل که اساسا بصورت ساختار درختی کدنویسی میشوند، بکار میبرد. برنامههاي آزمایشی در برابر تابع سازگاري ارزیابی میشود و برنامه-هایی با حلهاي بهتر براي اصلاح و ارزیابی مجدد، انتخاب میگردند. این چرخه اصلاح و ارزیابی تکرار میشود تا برنامهاي صحیح تولید شود .(Ferreira, 2001)
براي حل مسائل با GEP، پنج گام اساسی وجود دارد. گام اول تشخیص مجموعههاي انتهایی براي استفاده در برنامههاي کامپیوتري فردي میباشد. انواع اصلی مجموعههاي انتهایی شامل متغیرهاي غیروابسته مسئله، متغیرهاي حالت سیستم و توابع بدون شناسه میباشند. گام اصلی دوم، تعیین مجموعه توابع ex)، xa، sin(x)، cos(x)، ln(x)، log(x)، 10x و غیره) و عملگرهاي هندسی ( +، -، /، (* میباشد. گام اصلی سوم اندازه سازگاري میباشد که روشی براي ارزیابی حلهاي برنامه داده شده یک مسئله خاص را تشخیص میدهد. برگ-ها و توابع مولفههایی از برنامههایی هستند که اتصالات در درختها را تشکیل میدهند. انتخاب برگها، توابع و تابع سازگاري، فضاي جستجوي GEP را تثبیت میکند. گام چهارم انتخاب پارامترهاي خاص براي کنترل اجرا میباشد. پارامترهاي کنترل شامل اندازه جمعیت، سرعت همگرایی و غیره میباشد. گام آخر تعیین معیاري براي اتمام اجرا میباشد .(Ferreira, 2001)
زمانیکه عملگرهاي انتهایی و غیرانتهایی تعیین شدند، تولید برنامه اتوماتیک بوسیله فرآیند برگرفته از نظریه تکامل داروین2 ، بعد از تولیدهاي متوالی، اجرا میشود و درخت جدید از اجزا تشکیل دهنده از طریق همگرایی، کپی و جهش تولید میشود .(Guven et al ., 2008) بر اساس انتخاب طبیعی، بهترین درختها شانس بیشتري براي اینکه قسمتی از تولید بعدي شوند، پیدا میکنند. در شکل 1 ساختار کلی مدلسازي GEP نشان داده شده است. در تحقیق حاضر بمنظور استخراج فرم صریح توابع مورد نظر با استفاده از برنامه-نویسی بیان ژن از نرم افزار DTREG استفاده شده است.
