بخشی از مقاله
چکیده
بدلیل تأثیرپذیري مدل هیدرولوژیکی از پارامترهاي مربوط به مدل همواره با عدم قطعیت همراه میباشد که میتوان این مشکل را تا حدودي از طریق الگوریتم هاي بهینه سازي بهبود بخشید. به این منظور در این مقاله پارامترهاي مدل بارش- رواناب Hymod بر مبناي الگوریتم تکامل رقابتی جوامع - SCE - بهینه سازي شده است. در این بررسی تابع هدف ضریب NSE بوده که براي دورة واسنجی و اعتبارسنجی به ترتیب 0/6 و 0/56 محاسبه شده است. بنابراین این نتیجه عملکرد مناسب بهینه سازي الگوریتم SCE را براي مدل هیدرولوژیکی مذکور نشان میدهد.
مقدمه
مدلهاي هیدرولوژیکی بطور گسترده توسط کارشناسان هیدرولوژي و مدیران منابع آب، به عنوان ابزاري براي شناخت و مدیریت فعالیتهاي - طبیعی و انسانی - که بر سیستمهاي حوزةآبخیز تاًثیرگذار هستند، به کار میروند . کاربرد موفق مدلهاي هیدرولوژیکی بستگی به روش واسنجی آنها دارد. در دهههاي اخیر به علت اهمیت برنامههاي مدیریت حوزههاي آبریز، به اطلاعات کافی و تخمین صحیح بارش و رواناب در حوزههاي آبریز نیاز است.
با توجه به اهمیت این مسئله مدلهاي مختلفی ارائه شده است که این مدلها همواره داراي پارامترهایی هستند که میبایست با توجه به دادههاي مشاهداتی مورد تخمین قرار گیرد. تخمین دقیق این پارامترها، از اهمیت بسزایی برخوردار است و مطالعات و تحقیقات مختلفی به چگونگی تخمین پارامترهاي مذکور انجام شده است
یکی از روشهاي واسنجی خودکار - الگوریتم هاي بهینه سازي - است که نسبت به روشهاي سعی و خطا سریعتر و دقیق تر است. حل بسیاري از مسائل پیچیده دشوار و پرهزینه است بنابراین امروزه محققین تلاش دارند تا با استفاده از روشهاي بهینه سازي نوین در زمان کم مسائل بهینه سازي را حل کنند. اگرچه این الگوریتمها دستیابی به بهینه مطلق را تضمین نمینمایند، اماعموماً میتوان به کسب جواب نزدیک به بهینه امیدوار بود. از معتبرترین روشهاي بهینه سازي الگوریتم تکامل رقابتی جوامع - 1SCE - است که توسط دوان و همکاران مطرح شده است. این روش در واسنجی مدلهاي بارش-رواناب بسیار قدرتمند و توانا عمل میکنند
در این خصوص [4] قادري و همکاران - 1393 - در بهینه سازي بهره برداري از سیستم چندمخزنی با استفاده از الگوریتم SCE، عملکرد و کارایی این الگوریتم در مسئله بهر برداري بهینه سیستم پیچیدة چند مخزنه حوزة کرخه بررسی کرده اند. [3] قدوسی و وکیلی تنها - 1396 - به بهینه سازي ابعاد سد برزك با استفاده از روش هاي SCE ، 2AFSAو 3SAپرداختند . براي رسیدن به ابعاد بهینه مقطع سد خاکی روش SCE نسبت به روش هاي دیگر کارایی بهتري دارد.
لرما و همکاران - 2015 - در تحقیقی که انجام داده و به این نتیجه رسیده اند که روش SCE با تعداد تکرار هاي کمتر نسبت به روش جستجوي پراکنده راه حل هاي بهتر و نزدیک به نقطه بهینه سراسري براي بهره برداري از سیستم هاي منابع آب است. در این تحقیق به منظور شبیه سازي بارش-رواناب در حوزه آبخیز وطنا مدل مفهومی- یکپارچه Hymod بکار برده شد.
همچنین پارامترهاي مدل Hymod از با الگوریتم SCE بهینه شدند. اجراي مدل در مقیاس زمانی روزانه و از سال 1996-2005 انجام شد. بهطوري که سال آبی 1996 تا 2000 به عنوان دوره واسنجی و سال آبی -2005 2001 براي دوره اعتبار سنجی - صحت سنجی - انتخاب گردید و جهت کاهش اثر خطاهاي شرایط اولیه، نیم سال دوم سال 1995 به عنوان دوره تعادل جویی در نظر گرفته شد.
مواد و روشها منطقه مطالعاتی
حوزه آبخیز وطنا به مساحت 14 کیلومتر مربع در جنوب غربی حوضه 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 - شکل . - 1 کاربري غالب منطقه - بیش از 80 درصد - 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. 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.
شکل :1 موقعیت منطقه مورد مطالعاتی در ایران و استان گلستان
مدل بارش-رواناب Hymod
مدل بارش-رواناب hymod ك یک مدل بهینه گام به گام روزانه، با مولفههاي مفهومی هیدرولوژیکی است که تحت تاثیر عملکرد رواناب است. فرایند تولید رواناب با یک مدل بارش ساده بر پایه توزیع احتمالاتی تعریف شده است .[16] دادههاي ورودي مدل شامل مقادیر روزانه بارندگی، دبی روزانه رودخانه، تبخیر روزانه و درجه حررات میباشند. این مدل به عنوان مدلی مفهومی و ساده اولین بار [6] توسط بویل - 2000 - ارایه گردید. ساختار مدل در شکل 2 نشان داده شده است. در مدل Hymod حوزه موردنظر به چندین زیرحوزه فرض می گردد که هر کدام یک ظرفیت مشخص رطوبتی c دارند. براي توصیف تنوع مکانی ظرفیت ذخیره سازي آب در حوضه، تابع توزیع تجمعی زیر استفاده می شود:
- 1 -
F مقدار تجمعی ظرفیت ذخیره سازي بعضی از نقاط حوضه است. C ظزفیت ذخیره سازي آب است. Cmax و Bexp به ترتیب معرف حداکثر ظرفیت ذخیره آب - میلی متر - و درجه تنوع مکانی در حوزه است. بخشی از بارش که بیش از ظرفیت ذخیره سازي آب است رواناب گفته می شود. اگر آب کافی در دسترس باشد تبخیر و تعرق برابر است با تبخیر و تعرق پتانسیل - PET - در غیر اینصورت برابر نیست. در شکل - 2 - ارتباط بین پارامترهاي مدل - پنج پارامتر جدول - 1 به همراه وروديهاي مدل - بارش و تبخیر و تعرق - نشان داده شده است.
طبق پارامتر آلفا، رواناب به دو جریان تند و جریان آرام تقسیم می شود که به صورت سه مخزن یکسان با جریان سریع - Q1, - Q2, Q3 یک مخزن با جریان آرام و موازي به این ترتیب قرار می گیرند - شکل . - 2 سرعت جریان در سیستم مسیریابی با زمان ماندگاري در مخزن جریان سریع Kq - روز - و مخزن جریان آرام Ks - روز - توصیف میشود. پارامترهاي مربوط به تولید رواناب - Cmax, Bexp and Alpha - در هر زیر حوزه یکسان فرض شده است. دو پارامتر مسیریابی اشاره شده از هر زیر حوزه، فرایند حرکت جریان آب از زیر حوزه تا خروجی کل حوزه را توصیف می کند. زمان پیمایش به خروجی حوزه در زیر حوزههاي مختلف متفاوت است. براي هر مرحله زمانی، خروجی Hymod تجدید نظر شده، مجموع جریان آب براي هر زیر حوزه است که در آن مرحله به خروجی حوزه رسیده است.
