بخشی از مقاله
چکیده
اخیراً مدلهاي هیدرولوژیکی کاربردهاي موفقیت آمیزي در مسائل مربوط به مدیریت منابع آب داشته است. این مدلهاعموماً داراي پارامترهایی هستند که مقدار آنها باید محاسبه شوند. از طریق بهینه سازي میتوان به مقدار این پارامترها دست یافت. در این مقاله براي محاسبه پارامترهاي مدل هیدرولوژیکی Hymod، الگوریتم بهینه سازي DDS بکار گرفته شده است.
در این مطالعه از سه معیار NSE، R2 و RMSE براي ارزیابی مدل استفاده شده است، که مقادیر آنها به ترتیب براي دورة واسنجی 0/6 ، 0/77 و 0/12 و براي دورة اعتبارسنجی 0/56، 0/75 و 0/18 بدست آمده است. هیدروگراف مدل دبیهاي اوج بسیار زیاد را از دست داده است که احتمالا دلیل اصلی آن به داده هاي ورودي بارش حوزه بر می گردد. همچنین این مدل با ساختار ساده است که فرآیند ذوب برف را در نظر نمیگیرد. بهطور کلی این نتایج نشان دهنده کارایی و دقت خوب مدل هیدرولوژیکی است.
مقدمه
مدلهاي هیدرولوژیکی بطور گسترده توسط کارشناسان هیدرولوژي و مدیران منابع آب، به عنوان ابزاري براي فهم و مدیریت فعالیتهاي طبیعی و انسانی، که بر سیستمهاي حوزهآبخیز تاًثیرگذار هستند، به کار میروند. اما در اکثر حوزههاي آبریز اطلاعات تاریخی و بعضی پارامترها مانند میزان رطوبت خاك که یکی از این متغیرها می باشد که اطلاعات آنعموماً در دسترس نبوده و تخمین آن ضروري است. مقدار پارامترهاي تعریف شده در مدلها مشخص نبوده و باید با روشهاي توسعه داده شده و با بهینه سازي یا شبیه سازي مشخص شوند .
در گذشته تنها روش واسنجی روش دستی بوده است که براي تنظیم پارامترها از فرآیند آزمون و خطا استفاده می کردند. همچنین این روش براي افراد بی تجربه و فاقد دانش کافی، بسیار وقت گیر است . پیشرفت علوم محاسباتی به روشهاي بهینه سازي خودکار کمک بسزایی کرده است
دوئن و همکاران - - 1992بیان کردند که کاربرد موفق مدلهاي هیدرولوژیکی بستگی به روش واسنجی آن ها دارد. همچنین بویل و همکاران - - 2000 نشان دادند، می توان از روش هاي بهینه سازي خودکار در واسنجی مدلها و با تعریف تابع هدف به دسته پارامترهاي برتر دست یافت.
هدف از واسنجی به حداقل رساندن میزان اختلاف بین خروجی مشاهده شده و پیش بینی شده می باشد. عملکرد مدلهاي هیدرولوژیکی همواره با عدم قطعیت همراه است، این عدم قطعیت سبب می شود هیچ مدل بارش روانابی، بازتابی کامل و دقیق از فرآیندهاي طبیعت ارائه ندهد . در روشهایی که فرض عدم قطعیت براي مدل در نظر گرفته می شود، فقط یک سري پارامترهاي منحصر به فرد وجود دارد
آرسنولت و همکاران - 2014 - براي واسنجی مجموعه پارامترها از ده الگوریتم بهینه سازي احتمالی 1ASA، 2CMAES، 3CS، 4DDS، 5DE، GA،7HS 6، 8PS، 9PSO، 10SCE-UAبا سه مدل هیدرولوژیکی در ده حوزه متفاوت بررسی کرده اند. از مقایسه این روشها به این نتایج رسیده اند که مدلهاي ASA، CMES و DDS نسبت به سایر الگوریتم هاي بهینه سازي در پیدا کردن حداقلهاي مینیمم بهتر عمل کردند.
طبق این بررسی الگوریتم SCE در مدلهاي با پیچیدگی کمتر عملکرد بهتري داشته است در مقابل الگوریتم DDS با مدلهاي پیچیدهتر به پاسخ مناسبی رسیده اند. همچنین سه مدل ASA، CMES و DDS زمان کمتري براي رسیدن به نقطه بهینه صرف کرده اند. لسپسناس و همکاران- - 2017 - به ارزیابی عملکرد الگوریتم DDS براي واسنجی مؤلفههاي هیدرولوژیکی مدل11 VELMAپرداختند . نتایج حاصل از این بررسی نشان داده است که الگوریتم DDS قادر است به سرعت بدون درنظر گرفتن مقدار اولیه پارامتر استفاده شده به راه حل مناسبی براي واسنجی مدل برسد.
جینگ گانگ چو و همکاران - 2015 - الگوریتم جدید 12 را با مقایسه عملکرد آن با الگوریتم DDS در دو مسئله؛ واسنجی مدل حوزه و دیگري عملکرد بهینه سازي چندمخزنه ارزیابی کردند. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که الگوریتم HDDS-S از الگوریتم DDS از لحاظ توانایی جستجو و محاسباتی در دو مسئله بیان شده بهتر عمل میکند. علاوه بر این، همانند الگوریتم DDS استفاده از آن آسان است زیرا نیازي به تنظیم پارامتریک ندارد و جسجوي خود را به صورت خودکار براي رسیدن به راه حل مناسب با توجه به شرایط محاسباتی تنظیم میکند.
از آنجا که انتخاب مدلی که بتواند در عین سادگی ساختار و با استفاده از حداقل پارامترهاي ورودي، رواناب به دست آمده از بارندگی را به طور دقیق پیشبینی کند امري ضروري به نظر می رسد. لذا مدل Hymod به دلیل سادگی توسط پژوهشگران مختلف و به منظور انجام مقایسه با مدل توسعه داده شده جدید و یا مقایسه روشهاي مختلف واسنجی و یا تحلیل عدم قطعیت مورد استفاده قرار گرفته است. در این مطالعه با استفاده از الگوریتم DDS به بهینه سازي پارامترهاي مدل Hymod در حوزه جنگلی وطنا در غرب استان گلستان پرداختیم. مدل Hymodبه دلیل دقت نسبتاً بالا، سادگی و همچنین بار محاسباتی کم آن در مقالات متعددي به کار گرفته شده است
منطقه مطالعاتی
حوزه آبخیز وطنا در جنوب غربی حوزه آبخیز گرگانرود بین.٤٦„٠٠ ˚٥٣ و. ٥٩„٥٦ ˚٥٣ طول شرقی و
.١٢„٣٩ ˚٣٦ و.٢٢„٤٧ ˚٣٦ عرض شمالی قرار گرفته است. وسعت این حوزه 14 کیلومترمربع با شیب متوسط آبراهه اصلی 5/5 درصد میباشد.
%85 از منطقه مورد مطالعه توسط اراضی جنگلی پوشیده شده و مابقی آن اراضی مرتعی، کشاورزي و مسکونی می باشد. شیب متوسط وزنی حوزه آبخیز مورد مطالعه %30 می باشد. دادههاي مورد استفاده شامل مقادیر روزانه بارندگی، دبی روزانه رودخانه، و تبخیر روزانه میباشند. رودخانه مورد نظر دائمی می باشد و متوسط دبی سالیانه 0/20 متر مکعب بر ثانیه می باشد.
همچنین مقادیر بارندگی متوسط سالیانه 700 میلیمتر می باشد. بیشترین مقدار دبی، بارندگی و تبخیروتعرق به ترتیب مربوط به ماههاي فوریه، اکتبر و جولاي به میزان 0/25 - متر مکعب بر ثانیه - ، - 91/30 میلی متر - و 144/91 - میلی متر - میباشد - شکل . - 2 همچنین کمترین مقداردبی، بارندگی و تبخیرو تعرق به ترتیب مربوط به ماههاي جولاي، ژوئن و نوامبر به میزان 0/70 متر مکعب بر ثانیه، 32/74 میلی متر و 27/61 میلی متر است.
شکل -1 موقعیت جغرافیایی حوزه آبخیز وطنا در ایران
شکل:2 میانگین ماهانه پارامترهاي ورودي مدل Hymod، :P - بارش، :PET تبخیر و تعرق پتانسیل، :Q دبی -
مدل بارش-رواناب
مدل بارش-رواناب Hymod ك یک مدل بهینه گام به گام روزانه، با مولفههاي مفهومی هیدرولوژیکی است
