مقایسه الگوریتم ازدحام ذرات و الگوریتم ژنتیک در واسنجی پارامتر ضریب ذخیره آب نمود واحد لحظه ای کلارک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نور، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، نور، ایران

2 استادیار بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان خراسان رضوی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، مشهد، ایران

چکیده

ارزیابی آب‌نمود حوزه آبخیز پیش‌نیاز طرح‌ریزی برنامه‌های مدیریت صحیح منابع آب و خاک در سطح آبخیز می‌باشد. بنابراین شبیه‌سازی آب‌نمود در آبخیزهای فاقد آمار برای طراحی سازه‌های کنترل سیل، تعیین محدوده‌های سیل‌خیز و مدیریت آبخیز از مسایل مهم در هیدرولوژی می‌باشد. روش آب‌نمود واحد لحظه‌ای کلارک به‌عنوان یک روش مهم و کاربردی در زمینه برآورد آب‌نمود سیل حوزه‌های آبخیز فاقد آمار شناخته می‌شود با این حال کارایی و دقت شبیه‌سازی آن به‌شدت تحت تاثیر برآورد مقدار عددی پارامتر ضریب ذخیره (K) می‌باشد. این درحالی است که تحقیقات اندکی در زمینه برآورد این پارامتر از طریق استفاده روش‌های بهینه‌سازی گزارش شده است. بنابراین تحقیق حاضر با هدف تعیین مقدار بهینه پارامتر ضریب ذخیره با استفاده از الگوریتم‌ ازدحام ذرات و الگوریتم ژنتیکو مقایسه نتایج آن با روش معمول ترسیمی طرح‌ریزی شد. بدین‌منظور حوزه آبخیز تمر با مساحت 1515 کیلومتر مربع واقع در استان گلستان انتخاب گردید. پس از جمع‌آوری اطلاعات فیزیوگرافی و داده‌های بارش و رواناب در 8 واقعه متناظر، مدل زمان مساحت کلارک اجرا و آب‌نمود سیل، شبیه‌سازی شد. نتایج تحقیق نشان‌ داد که الگوریتم اجتماع ذرات مورد استفاده در شبیه‌سازی آب‌نمود با ضریب کارایی 64/0 نسبت به 60/0 و 52/0 به‌ترتیب در روش‌های الگوریتم ژنتیک و  ترسیمی از دقت بالاتری برخوردار است. هم‌چنین نتایج دلالت بر شبیه‌سازی خوب مولفه‌های آب‌نمود سیلاب توسط مدل کلارک دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of PSO and GA in Calibration of Clark’s IUH Storage Coefficient

نویسندگان [English]

  • Hamze Noor 1
  • Somayeh Fazli 2
1 Young researchers and elite club, Islamic Azad University, Nour Branch, , Nour, Iran and Soil Conservation and Watershed Management Department, Agricultural and Natural Resources Research Center of Khorasan Razavi, AREEO, Mashhad, Iran
2 Young researchers and elite club, Islamic Azad University, Nour Branch, , Nour, Iran and Soil Conservation and Watershed Management Department, Agricultural and Natural Resources Research Center of Khorasan Razavi, AREEO, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Evaluation of watershed hydrograph is prerequisites for the appropriate design of soil and water resources management programs in the watershed. Therefore, in ungauged watershed, simulation of storm water hydrograph is important for designing flood control measures, determining flood-plain boundaries and watershed management plan. The Clark method is one of the most applicable techniques for simulation direct hydrograph whose efficacy depends upon the accuracy in estimating storage coefficient. However, very limited studies have been conducted to using optimization method for Clark parameter estimation. Therefore, this study is focused on parameter estimation methods of GA and PSO for estimating the k parameter (storage coefficient of Clark model) and compare with graphical method. The Tamar watershed located in Golestan Province with 1515 km2 selected for this purpose. After collected physiographic, rainfall and runoff data for eight storms, the Clark's time-area model was employed for simulation of flow hydrograph and routed tothe watershed outlet. The results of study revealed that the Clark’s IUH resulted from PSO optimization method for estimation storage coefficient (K) has better performance with efficiency coefficient of 0.64 than GA and graphical method (efficiency coefficient of 0.60 and 0.52, respectively). The results also, showed that Clark IUH model predicted all hydrograph component with good accuracy.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Inverse modeling
  • IUH
  • Optimization algorithm
  • parameter estimation
اسدی،ه.، مرادی،ح.ر.، تلوری،ع.ر.، صادقی،س.ح.ر. 1389. ارزیابی روش­های تخمین ضریب ذخیره آب نمود واحد لحظه­ای کلارک در شبیه­سازی آب نمود واحد سیل. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. 14 .53: 41-50.
شکوهی ع،ر.، ثقفیان،ب. 1385. مقایسه روش­های استخراج خطوط هم­زمان پیمایش برای استفاده در روش روندیابی زمان-مساحت. فصل­نامه تحقیقات منابع آب ایران. 2.3: 50-39.
صادقی.، س.ح.ر.، دهقانی. ،م. ١٣٨٥ . دقت روش­های تخمین ضریب ذخیره آبنمود واحد لحظه­ای در بازسازی آبنمود واحد مطالعه موردی: حوزه آبخیز بازفت. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی 3: ١٦٠-١٥٢.
صفوی،م.ر. 1385. هیدرولوژی مهندسی، انتشارات ارکان.
علیزاده،ا. ١٣٨٥.  اصول هیدرولوژی کاربردی.  انتشارات دانشگاه امام رضا، مشهد.
کابلی،ح.، آخوندعلی،ع.م. 1388. ارزیابی روش­های تلفات باران در شبیه­سازی هیدروگراف سیل (مطالعه موردی:  حوضه آبریز کسیلیان). نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 23 .3: 98-109.
گرمه­ای،ر.، فریدحسینی،ع.ر.، هاشمی­نیا،س.م.، حجتی،ع. 1394. واسنجی و اعتباریابی پارامترهای مدل HEC-HMS  با الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) رویکرد تک هدفه.  آب و خاک. 29.3: 626-615.
مصطفی­زاده،ر.، بهرمند،ع،ر.، سعدالدین،ا. 1388.  شبیه­سازی هیدروگراف رواناب مستقیم با مدل هیدروگراف واحد لحظه­ای کلارک (مطالعه موردی: آبخیز جعفرآباد استان گلستان). مجله پژوهش­های حفاظت آب و خاک. 16.3: 105-122.
نساجیان زواره،ح.، وفاخواه،م.، تلوری،ع.ر. ١٣٨٩. تجزیه و تحلیل منطقه­ای سیلاب در بخشی از حوزه آبخیز مرکزی. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران. 4.11: 52-49.
نوجوان،م.، اکبرپور،ا. 1389. طرح بهینه هیدروگراف واحد با استفاده از الگوریتم های SA و ژنتیک و مقایسه نتایج آن‌ها با یکدیگر (مطالعه موردی: حوضه آبریز کامه). فصل­نامه زمین­شناسی ایران. 4.14: 31-23.
وفاخواه،م.، دستورانی،ع.، مقدم‌نیا،ع.ر. 1393. بهینه­سازی پارامترهای مدل ماسکینگام غیرخطی با استفاده از الگوریتم کلونی زنبورعسل. پژوهش­های حفاظت آب و خاک. ‌21.3: 253-267.
یقینی،م.، اخوان کاظم‌زاده،م. 1390. الگوریتم­های بهینه‌سازی فرا­ابتکاری. انتشارات جهاد دانشگاهی، 448 ص.
Ahmad,M.M., Ghumman,A.R., Ahmad,S., Hashmi,H.N. 2010. Estimation of a unique pair of Nash model parameters: an optimization approach. Water resources management. 24.12: 2971-2989.
Ahmad,M.M., Ghumman,A.R., Ahmad,S. 2009. Estimation of Clark’s instantaneous unit hydrograph parameters and development of direct surface runoff hydrograph. Water resources management. 23.12: 2417-2435.
Aksoy,H., Kurt,I., Eris,E. 2009. Filtered smoothed minima base-flow separation method. Hydrology. 372:94-101.
Al-Smadi,M. 1998. Incorporating spatial and temporal variation of watershed response in a GIS-based hydrologic model. M.Sc. Thesis in Biological Systems Engineering, Virginia, Blacksburg, 148p.
Bourletsikas,A., Baltas,E and Mimikou,M. 2006. Rainfall - runoff modeling for an experimental watershed of Western Greece using extended time-area method and GIS. Journal of Spatial Hydrology. 6.1: 93-104.
Chen,J., Yang,X. 2007. Optimal parameter estimation for Muskingum model based on Gray-encoded accelerating genetic algorithm. Communality Nonlinear Science Numerical Simulation. 12: 849-858.
Chu,H.J., Chang,L.Ch. 2009. Applying particle swarm optimization to parameter estimation of the nonlinear Muskingum model. Journal of Hydrologic Engineering. 9: 1024-1027.
Dong,S.H. 2007. Genetic algorithm based parameter estimation of Nash model. Journal of Water Resource Management. 22 .4:525-533.
Hosseini,S.M., Zahraie,B., Hourfar,A. 2006. Parameter Estimation of Nash Conceptual Model Using Genetic Algorithm and Ordinary Least Square Methods, Iran-Water Resources Research. 2.2: 10-12.
Kumar,R., Chatterjee,C., Singh,R.D., Lohani,A.K., Kumar,S. 2007. Runoff estimation for an ungauged catchment using geomorphological instantaneous unit hydrograph (GIUH) models.  Hydrological Processes. 21:1829-1840.
Mohan,S., Loucks,D.P. 1995. Genetic algorithms for estimating model parameters. Proc. 22 Annu. Integrated Water Resources Planning for the 21st Century, p 460-463.
Noorbakhsh,M.E.,  Rahnama,M.B., Montazeri,S. 2005: Estimation of Instantaneous Unit Hydrograph with Clark`s Method Using GIS Techniques. Journal of Applied Sciences. 5 3: 455-458
Sabol,G.V. 1988. Clark unit hydrograph and R-parameter estimation. Hydraulic Engineering. 114.1:103-111.
Saghafian,B., Julien.P.Y., Rajaie,H. 2002. Runoff hydrograph simulation based on time variable isochrone technique. Journal of Hydrology. 261:193-203.
Seong,K.W., Ball,J.E., Lee,Y.K. 2008. Application of a regionalized Clark IUH model with limited hydrologic data availability.  Hydrological Processes. 22: 3651-3660.
Singh,V.P. 1988. Hydrologic Systems, Prentice Hall, Englewood Cliffs.
Subramanya,K. 2000: Engineering Hydrology. 2nd edition, New Delhi, India, 391pp.
Vafakhah,M., Dastorani,A., Moghaddam nia,A. 2015. Optimal Parameter Estimation for Nonlinear Muskingum Model based on Artificial Bee Colony Algorithm. Ecopersia. 3.1: 847-865.‏
Wang,Q.J. 1991. The genetic algorithm and its application to calibrating conceptual rainfall-runoff models. Water Resources Researches. 27. 9: 2467-2471.
Wang,W., Xu,Z., Qiu,L., Xu,D. 2009. Hybrid chaotic genetic algorithms for optimal parameter estimation of Muskingum flood routing model, P 215-218. In: Proceeding of International Joint Conference on Computational Sciences and Optimization, Sanya, Hainan, China.
Zhao,B., Tung,Y.K., Yang,J.C. 1995. Estimation of unit hydrograph by ridge least squares method. Journal Irrigation and Drainage Engineering. 121.3:253-259.