بخشی از مقاله
خلاصه
برآورد صحیح تبخیر یکی از چالشهای مهم در بحث مدیریت منابع آب است و تحت شرایط اقلیمی مختلف سهم متفاوتی از بیلان آبی را به خود اختصاص میدهد. در این پژوهش با استفاده از تئوری آنتروپی شانون از میان تمامی پارامترهای اقلیمی روزانه ثبت شده در ایستگاه سینوپتیک رودسر واقع در استان گیلان 1391 - ؛ - 94، پارامترهایی که بیشترین تاثیر در برآورد تبخیر داشتند، تعیین شدند. سپس پارامترهای منتخب مذکور تحت سناریوهای مجزا از نقطه نظر تعداد و ترکیب ورودی بهعنوان ورودیهای مدل شبکه بیزین جهت شبیهسازی مقادیر تبخیر در نظر گرفته شده و نتایج آنها با مقادیر واقعی اندازهگیری شده مقایسه شد.
برای ارزیابی نتایج از شاخصهای ضریب تعیین، ریشه میانگین مربعات خطا و میانگین خطای مطلق استفاده شد. بر اساس تئوری آنتروپی شانون، متوسط درجه حرارت، مجموع ساعات آفتابی و متوسط سرعت باد بهترتیب با اختصاص وزنهای 0/33، 0/307 و 0/268 در ایستگاه رودسر موثرترین برآورد کننده تبخیر قلمداد شدند.
نتایج نشان داد که سناریوی استفاده همزمان از سه پارامتر مذکور در مدل شبکه بیزین با کمترین خطا همراه است بطوریکه ریشه میانگین مربعات خطا در ایستگاه رودسر و برای مرحله آزمون مدل در بازه 1/18 - سناریوی استفاده از هر سه پارامتر در ورودی مدل - تا 2/2 - سناریوی استفاده از متوسط درجه حرارت - میلیمتر در روز متغیر بوده است.
.1 مقدمه
فرآیند تبخیر یکی از مهمترین اجزای چرخهی هیدرولوژیک است و این مولفه در شرایط اقلیمی مختلف، سهم متفاوتی از توازن بیلان آبی را به خود اختصاص میدهد. بر اساس آمار، سهم ایران بطور متوسط از بارندگیهای کره زمین در حدود 30 درصد 251 - میلیمتر در سال - میباشد که حدود 71 درصد آن 179 - میلیمتر - به صورت تبخیر از دست میرود
با توجه به سهم مولفه تبخیر از چرخهی هیدرولوژیک، برآورد صحیح آن ضروری به نظر میرسد. همچنین برآورد صحیح این مولفه در طراحی برنامهریزیهای آبیاری و زهکشی، حفاظت آب و خاک و بهرهبرداری بهینه از منابع آب اهمیت زیادی دارد. در مدلهای شبیهساز، انتخاب پارامترهای موثر در برآورد مولفه تبخیر معمولا بر اساس روشهای پیشرو و پسرو - تکنیک رگرسیون چندگانه - یا سعی و خطا و آموزش در به حداقل رساندن مجموع مربعات خطا میان مقادیر اندازهگیری و برآورد شده - شبکه عصبی مصنوعی - استوار است.
کوچک زاده و بهمنی - 1384 - برای کاهش پارامترهای مورد نیاز جهت محاسبه تبخیر تعرق مرجع با استفاده از دادههای روزانه ایستگاه مهرآباد تهران، عملکرد شبکههای عصبی مصنوعی را ارزیابی نمودند و به کمک پارامترهایی شامل تعداد واقعی ساعات آفتابی مشاهده شده، رطوبت نسبی بیشینه، شار تابش خالص در سطح گیاه، دمای نقطه شبنم، دمای حداقل و دمای حداکثر، 11مدل شبکه عصبی مصنوعی با ساختارهای متفاوت را طراحی کردند
آنتروپی مقیاسی برای درجهی عدم اطمینان فعالیتهای تصادفی است. همچنین مقیاسی کمی برای محتوای اطلاعات یک مجموعه داده در اثر کاهش عدم اطمینان است که با توجه به مشاهدات برابر همان میزان افزایش در اطلاعات است .[3] چیانگ و چونگ - 2014 - اصل حداکثر آنتروپی را برای مدلسازی فرایند بارش و رواناب به کار بردند. ایشان عبارت آنتروپی شرطی را براساس قیود معین برای به دست آوردن توزیع شرطی رواناب براساس رخداد بارش معین بیشینه نموده، آنگاه پارامترهای تابع توزیع مذکور را براساس اطلاعات موجود شامل میانگین سری زمانی دادههای بارش و رواناب و کوواریانس آنها تخمین زدند
معصومی و کراچیان - 1387 - برای بهینه سازی مکان یابی ایستگاههای پایش کیفی منابع آب زیرزمینی از تئوری آنتروپی استفاده نمودند. در این تحقیق با استفاده از تئوری آنتروپی گسسته، کارایی سامانه پایش کیفی منابع آب زیرزمینی دشت تهران ارزیابی شده و یک روش جدید برای بهنگام سازی موقعیت ایستگاههای پایش ارائه گردیده است. نتایج حاصل از این مطالعه نشان دهنده کارایی مناسب الگوریتم پیشنهادی در ارزیابی و بهنگام سازی سامانههای پایش کیفی منابع آب زیرزمینی بوده است
آوادالا - 2012 - برای مکانیابی ایستگاههای بارانسنجی از تئوری آنتروپی استفاده نمودند. در این پژوهش با استفاده از مفهوم آنتروپی انتقال اطلاعات، موقعیت ایستگاههای جدید باران سنجی در شبکه باران سنجی حوضه باتلاق گاو خونی با استفاده از دادههای بارندگی سالانه ایستگاهها تعیین و برای مکانیابی باران سنجها از دو الگوریتم ترتیبی و ژنتیک با دو هدف بیشینه کردن حداقل آنتروپی انتقال اطلاعات و بیشینه کردن متوسط آنتروپی انتقال اطلاعات استفاده شد. نتایج نشانگر عملکرد بهتر و برتری نسبی الگوریتم ژنتیک بر الگوریتم ترتیبی بوده است
قربانی و همکاران - 1392 - برای استخراج هیدروگراف واحد لحظهای از تئوری آنتروپی شانون در حوضه آبخیز لیقوان استفاده نمودند. ایشان با تعریف زمانهای پیمایش حوضه آبخیز به عنوان متغیر تصادفی و بیشینه نمودن تئوری آنتروپی و همچنین لحاظ نمودن قیدها، نهایتا معادلهی کاربردی هیدروگراف واحد را بدست آوردند که نتایج گویای عملکرد قابل قبول روش آنتروپی بوده است
امیری و همکاران - 1392 - ارزیابی کیفی آب زیرزمینی را براساس تئوری آنتروپی وزن دار شاخص کیفیت آب مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه برخی از نمونههای آب زیرزمینی دشت زنجان بر اساس استاندارد سازمان بهداشت جهانی از نظر کیفیت آب شرب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بیش از 75 درصد تغییرات کیفی آب زیرزمینی دشت زنجان را میتوان بهوسیله 4 عامل و با استفاده از 12 پارامتر شامل کلسیم، سدیم، منیزیم، نیترات، کروم، روی، هدایت الکتریکی، کل مواد جامد محلول، درجه اسیدی و بازی بودن، اکسیژن محلول و نیاز بیوشیمیایی به اکسیژن، مورد بررسی قرار داد و همچنین عامل روی دارای بیشترین تاثیرگذاری در کیفیت آب زیرزمینی دشت زنجان بوده است
بررسی مطالعات نشان میدهد که معمولا مولفه تبخیر در قالب مدلهای با ساختار رگرسیون چندگانه و شبکه عصبی مصنوعی برآورد شده است. قبائی سوق و همکاران - 1389 - به منظور تخمین تبخیر تعرق مرجع روزانه ایستگاه سینوپنیک شیراز، تاثیر پیش پردازش پارامترهای ورودی به شبکه عصبی مصنوعی با استفاده از روشهای رگرسیون گام به گام و آزمون گاما را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد که مدل شبکه عصبی مصنوعی- آزمون گاما نسبت به دو مدل دیگر؛ شبکه عصبی مصنوعی- رگرسیون گام به گام و شبکه عصبی مصنوعی؛ از دقت بالاتری برخوردار است
زمانیان و همکاران - 1391 - بهمنظور تخمین تبخیر روزانه ایستگاههای هواشناسی شهرکرد، از پیش پردازش پارامترهای ورودی به شبکه عصبی مصنوعی و سیستم استنتاج فازی عصبی تطبیقی با استفاده از روشهای رگرسیون گام به گام و آزمون گاما استفاده نمودند. نتایج نشان داد که سیستم استنتاج فازی عصبی تطبیقی نسبت به سایر مدلها از دقت بالاتری برخوردار بوده است اما در توانایی مشخص نمودن ترتیب اهمیت پارامترهای ورودی برای آموزش شبکه و یا یافتن بهترین ترکیب، آزمون گاما میتواند بهعنوان ابزاری مفید برای پیش پردازش پارامترهای ورودی برای مدلسازی بهتر تبخیر استفاده شود
با توجه به اهمیت مولفه تبخیر در چرخه هیدرولوژیک، هدف اصلی این تحقیق کاربرد تئوری آنتروپی شانون در تشخیص موثرترین پارامترهای اقلیمی برآوردکننده مولفه مذکور و شبیهسازی آن در قالب مدل شبکه بیزین در حد فاصل سالهای 1391-94 در ایستگاه سینوپتیک رودسر بود.
.2 مواد و روش ها
-1-2 منطقه مورد مطالعه
در این تحقیق به منظور برآورد مقادیر تبخیر روزانه در قالب شبکه بیزین از پارامترهای اقلیمی اندازهگیری شده در ایستگاه سینوپتیک رودسر طی سال های 1391-94 در مقیاس روزانه استفاده شد. پارامترهای اقلیمی مذکور به همراه دامنه تغییرات آنها در جدول - 1 - فهرست شدهاند.
ایستگاه سینوپتیک رودسر در موقعیت جغرافیایی 50 درجه و 19 دقیقه طول شرقی و 37 درجه و 7 دقیقه عرض شمالی و ارتفاع -22 متری از سطح دریا واقع شده است. متوسط درجه حرارت و ساعات آفتابی اندازهگیری شده در ایستگاه رودسر در طی سالهای مورد استفاده در این تحقیق بهترتیب 16/9 درجه سانتی گراد و 5/6 ساعت اندازهگیری شده است.
در شکل 1 نیز روند تغییرات مقادیر اندازهگیری شده تبخیر طی سالهای 1391-94 در ایستگاه مورد مطالعه نشان داده شده است. نحوه تغییرات مقادیر اندازهگیری شده تبخیر که بصورت مستقیم تابع برخی از پارامترهای اقلیمی و بصورت غیرمستقیم تابعی از زمان است، به همراه مقادیر متوسط ثبت شده این مولفه در جدول 1 بیانگر اهمیت آن در وضعیت بیلان آبی منطقه مورد مطالعه است به نحوی که در منطقه مورد مطالعه حتی مقادیر ثبت شده آن به حدود 10 میلیمتر در روز نیز میرسد و اهمیت برآورد صحیح آن را بیش از پیش نمایان میسازد.
جدول -1 مشخصات پارامترهای اقلیمی مورد استفاده در این تحقیق در ایستگاه رودسر
شکل-1 مقادیر اندازهگیری شده روزانه تبخیر - میلیمتر در روز - در ایستگاه سینوپتیک رودسر
-2-2 تئوری آنتروپی شانون
شانون در سال 1948 نشان داد که وقایع با احتمال وقوع زیاد اطلاعات کمتری در اختیار میگذارند و برعکس هرچقدر احتمال وقوع یک رخداد کمتر باشد، اطلاعات حاصل از آن بیشتر است. با به دست آوردن اطلاعات جدید، در واقع عدم قطعیتهاکاهشیافته و ارزش اطلاعات جدید برابر با مقداری است که از عدم قطعیت کاسته شده است. در نتیجه عدم قطعیت و اطلاعات پارامترها وابسته به هم هستند. بهعبارتدیگر، از تئوری آنتروپی میتوان به عنوان شاخصی برای کمی کردن میزان عدم آگاهی و دانش نسبت به مشخصات یک سامانه، استفاده نمود .[11] برای به دست آوردن وزن آنتروپی از معادله زیر استفاده میشود :
که در آن پارامتر مقدار آنتروپی انتقال اطلاعات را بیان میکند. در واقع آنتروپی انتقال اطلاعات نوعی از آنتروپی است که برابر با تفاضل مجموع آنتروپی مرزی و آنتروپیهای مشترک میباشد. هر چقدر مقدار آنتروپی کمتر باشد، تأثیر j بیشتر خواهد بود.
