hojjatollah ghasemi
-
در این پژوهش، در گام اول مقادیر تبخیر و تعرق حوضه آبریز کارون، در سه سال خشک، نرمال و تر به ترتیب 2015، 2019، 2022، با استفاده از مدل SWAT واسنجی شده بر اساس رواناب و عملکرد محصول و الگوریتم SEBAL به دست آمده است. مدل SWAT با استفاده از 6 ایستگاه هیدرومتری برای دوره های 2016-2000 و 2020-2017، به ترتیب واسنجی و اعتبارسنجی شد که برای دوره واسنجی، مقادیر ضریب تبیین (R2) بین 54/0 تا 71/0، ضریب نش - ساتکلیف (NS) بین 52/0 تا 68/0 و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) بین 50/12 تا (m3/s) 00/32 و برای دوره اعتبارسنجی، مقادیر R2 بین 51/0 تا 65/0، NS بین 50/0 تا 65/0 و RMSE بین 03/12تا (m3/s) 23/23 بوده است. همچنین متوسط عملکرد مشاهداتی و شبیه سازی شده محصول استراتژیک حوضه آبریز، به ترتیب برابر با 68/4 و 98/4 تن در هکتار بوده است. در ادامه، نتایج الگوریتم SEBAL و مدل SWAT براساس وضعیت سال آبی، با یکدیگر تحت مقایسه قرار گرفتند که همگرایی میان نتایج این دو روش، برای سه سال نرمال، خشک و تر به ترتیب برابر با 72/0، 58/0 و 49/0 بوده است. در مرحله دوم از این تحقیق، با توجه به داده های زمینی و با استفاده از تصاویر سنجنده MODIS از ماهواره Terra که دارای قدرت تفکیک زمانی مناسب است و سنجنده OLI از ماهواره Landsat8 که دارای قدرت تفکیک مکانی مناسب است، نتایج الگوریتم SEBAL و محدوده تغییرات پارامترهای اصلی این الگوریتم در دشت های حوضه های اهوازملاثانی و الباجی، ارائه شد. دشت اهوازملاثانی دارای سطح زیرکشت بالاتر و تغییرات توپوگرافی کمتر است. شبیه سازی عملکرد محصول توسط نرم افزار SWAT، در دشت الباجی نتیجه بهتری به دست داده است. با توجه به نتایج این تحقیق، مقادیر تبخیر و تعرق استخراجی از الگوریتم SEBAL و مدل SWAT می توانند نزدیک به مقادیر واقعی تبخیر و تعرق در حوضه باشند.کلید واژگان: تبخیر و تعرق, SEBAL, رواناب, عملکرد محصول, MODISEvaporation and Transpiration (including soil water evaporation and transpiration in plants) account for about 60% of the annual atmospheric precipitation on the earth. This process is the backbone of the hydrological cycle and a key element in Water Resources Management and the agricultural sector. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) are specialized models that address this problem. A SEBAL model is a tool for estimating the spatial distribution of actual evaporation and transpiration using satellite images such as MODIS, and Landsat 8. Although Landsat 8 images have a higher Spatioal resolution than MODIS images (30 m vs. 1000 m), their Tempoural resolution is lower than that of MODIS images (every 16 days vs. every day). On the other hand, daily MODIS images may not always be usable because of problems such as cloudiness. In addition, the interpretation of numerous satellite images is very time-consuming. In the current study, the evaporation and transpiration values in the catchment area of Karun River were obtained in three dry, normal and wet years (2019, 2020, 2021) using the recalibrated SWAT model based on runoff and crop yield and the SEBAL algorithm. Then the results of the SEBAL algorithm and SWAT model were compared with each other based on the water year conditions. In the second stage of the research, the results of the SEBAL algorithm and the range of changes of the main parameters of this algorithm in the plains of Ahvaz-Mlathani and Al-Baji basins were presented according to the ground data and using the MODIS images from the Terra satellite with a suitable time resolution and OLI sensor from Landsat8 satellite, which has a good spatial resolution.Keywords: SEBAL, evapotranspiration, runoff, crop yield, MODIS
-
مدل های بارش رواناب مفهومی، از جمله ابزارهای ساده و در عین حال کارآمد در مدل سازی هیدرولوژیکی است. این مدل ها با درنظرگرفتن اطلاعات ورودی از قبیل بارش، تبخیر تعرق، دمای اندازه گیری شده و اطلاعات توپوگرافی حوضه، سیستم جریان را با استفاده از روابط پیچیده ریاضی شبیه سازی می کند. در این مقاله، از مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa برای شبیه سازی رواناب حوضه زشک استفاده شد. این پژوهش، قابلیت الگوریتم های بهینه سازی عنکبوت اجتماعی و عنکبوت اجتماعی بیوه سیاه را در واسنجی مدل هیدرولوژیکی WetSpa به منظور شبیه سازی بارش رواناب حوضه زشک بیان می کند. از الگوریتم های بهینه سازی بالا به صورت چند هدفه برای واسنجی یازده پارامتر سراسری مدل WetSpa استفاده شد. در این تحقیق از معیار نش ساتکلیف و نش ساتکلیف لگاریتمی نیز به عنوان تابع هدف استفاده شد تا به وسیله آنها، عملکرد مدل در پیش بینی دبی های حداکثری و حداقلی بهبود یابد. نتایج نشان داد که هر دو الگوریتم عنکبوت اجتماعی (SSO) و عنکبوت بیوه سیاه (BWO) به ترتیب با ضریب رگرسیون 0.71 و 0.76، عملکردهای مناسبی را در واسنجی مدل از خود نشان دادند. مقدار شاخص RMSE در دوره واسنجی نیز به طور متوسط برابر با 123.6 و 160.1 بود. همچنین، تجزیه و تحلیل حساسیت پارامترهای موثر نشان داد که 10K (ضریب رواناب سطحی) با 36% تاثیر بر مقدار دبی جریان، حساس ترین پارامتر سراسری مدل WetSpa بود.
کلید واژگان: الگوریتم عنکبوت اجتماعی, الگوریتم عنکبوت بیوه سیاه, حوضه زشک مشهد, مدل بارش رواناب WetSpa و کالیبراسیونIntroductionBy developing GIS and remote sensing technology, the widespread access possibility and local distribution of hydrological management parameters and variables have become practical. Runoff rainfall modeling is always an important and continuous need for practical issues in the fields of water resources evaluation, flood forecasting, engineering canals designing, and many other goals (Bone, 2001). Calculation of runoff-rainfall results has been made practical and operationalized by using GIS techniques and a distributed hydrological model. The WetSpa runoff-rainfall model is a hydrological-distribution model that was developed in Brussels in 1997 (Wange et al, 1997) and also, had been used in various research and executive projects by developing in various models. This hydrological model has the capability of performing simulations at the pixel level and because of this, it provides the possibility of using aerial and satellite images with accurate information measured at the basin level, which has a local distribution (Hooshyarypor at el, 1397). Due to the high uncertainties of hydrological parameters, the calibration model is one of the most important part of modeling whose optimization techniques are mainly are used for such purposes. There are various methods for optimization, sensitivity analysis, and also evaluation of uncertainty of models. Accordingly, this paper’s purpose is to calibrate the WetSpa hydrological model with a multi-objective optimization approach that uses the Social Spider Algorithm (SSA) and the Black Widow Spider (BWO) techniques. By this point of view, to achieve a reliable prediction, in addition to the usual discharges, the model must be able to predict high and low discharges accurately (including maximum and minimum), so the objective functions are selected in a way that the best match between observational and computational values can be achieved during the Vasanji process.
Materials and MethodsWetSpa Model: WetSpa is a continuous local and temporal model in which all of the simulations are conducted continuously. The WetSpa model displays the water and energy balance for each calculation cell, considers rainfall processes, vegetation, snowmelt, wetting, infiltration, evapotranspiration, leakage, surface runoff, wall flow, and groundwater flow. The hydrological system simulated by this model consists of four layers: vegetation, soil surface, root zone, and saturated groundwater table.The Optimization algorithms: The Social Spider Optimization (SSO) algorithm is a new optimization approach which is proposed in 2013 by Kause et al. Another optimization approach used in this paper is the Black Widow Spider (BWO) optimization algorithm. During the day, the black widow spider is out of sight and is mostly nocturnal, and rotates its network during the night. Generally, the widow spends most of her adult life on the same site (Andrite and Banta, 2002).Objective functions and model evaluation: In this paper, to evaluate the model, five statistical indices have been used of correlation coefficient (r), Root Mean Square Error (RMSE), mean absolute error (MAE), Nash-Sutcliffe index, and Nash-Sutcliffe logarithmic index. To increase the accuracy of the model in predicting the minimum and maximum flows, two alogarithm Nash-Sutcliffe and Nash-Sutcliffe logarithmic criteria were used.Zashk basin and model data: Zashk Basin is located in Khorasan Razavi province and in the west of Mashhad with an area of 65.56 square kilometers.
Result and DiscussionIn this part of the paper, the calibration results of the WetSpa model using social spider and black widow spider algorithms are presented. The problem decision variables are the 11 global parameters illustrated in Table 1. Objective functions must be selected in a way that at the end of the calibration process the best match between the observed and computational values can be obtained. Some of these functions give more weight in high flows, while others consider more weight in low flows and have more emphasis on them. In this regard, Nash-Sutcliffe (NS) criterion and its logarithmic form (NS-Log) have been used. In this paper, the results obtained based on these two functions are illustrated. After determining all the necessary local networks in basin modeling, precipitation, evaporation, temperature, and discharge information from 2009 to 2011 were used to calibrate the model and 2012 to 2014 data were used to validate the results. Each of the optimization algorithms was conducted with an initial population size of 100 people and over 100 generations (number of times the optimization model was executed). As it was observed, the answers obtained by BWO are better than the answers of SSO due to its higher NS values. According to the obtained results, NS and NS-Log values are generally from -2.3 to 0.75 and from -0.165 to -0.01, respectively. This problem illustrates that the calibrated model has been more successful in simulating low discharges. In fact, since the model has been executed continuously, the simulation results in 2008 are considered as the Warm-Up period.
ConclusionThis paper calibrated the WetSpa distributed rainfall-runoff model. To calibrate the model, two evolutionary optimization algorithms of social spider (SSO) and black widow spider (BWO) were used in the Zashk basin of Mashhad. The results obtained from the usage of the model in this basin illustrated the satisfactory capability of these algorithms in calibrating the WetSpa model. Comparing the results obtained from the SSO and BWO algorithms illustrated that in the multi-objective calibration problem, the BWO algorithm was slightly more successful than the SSO model. Also, the results indicated that the simulation quality of low discharges was higher than the high ones. The reason for this problem, firstly, can be due to the lower abundance of high discharges in the evaluated data set and secondly, the relatively slow response of the model to changes in hydrological conditions in flood conditions in the catchment basin, because the temporary groundwater storage coefficient (K5) allocated a large amount for itself that can directly affect the reduction of surface runoff. On the other hand, the weakness of the results in predicting some low discharges can be related to the optimal value of groundwater recession coefficient (K2), which has taken a small amount in the calibration process. The results of this study illustrated that the effect of the surface runoff coefficient on the model results is much greater than other parameters (about 36%).
Keywords: The Social Spider algorithm, Black Widow Spider algorithm, the Zask-Mashhad catchment basin, the WetSpa rainfall-runoff model, calibration -
مدلهای بارش - رواناب به عنوان یکی از ابزارهای ساده و در عین حال کارآمد، در مدلسازیهای هیدرولوژیکی کاربرد فراوان دارند. این مدلها با در نظر گرفتن اطلاعات ورودی از قبیل دما، بارش، تبخیر - تعرق و اطلاعات توپوگرافی حوضه، رژیم جریان را با استفاده از روابط ریاضی شبیه سازی میکنند. در پژوهش حاضر، قابلیت الگوریتمهای بهینه سازی عنکبوت اجتماعی و عملیات جستجو و نجات در واسنجی مدل هیدرولوژیکی IHACRES به منظور شبیه سازی بارش - رواناب حوضهی رودخانه ی اعظم هرات در استان یزد مورد ارزیابی قرار گرفته است. الگوریتمهای بهینه سازی فوق به صورت چندهدفه برای واسنجی شش پارامتر سراسری مدل IHACRES استفاده شدند. توابع هدف در نظر گرفته شده در این پژوهش شامل دو شاخص نش - ساتکلیف و نش - ساتکلیف لگاریتمی بوده تا به وسیله ی آنها عملکرد مدل در پیش بینی دبیهای حداکثری و حداقلی مشخص گردند. پس از واسنجی و صحت سنجی مدل، از آن برای شبیه سازی سیلاب برای دوره ی زمانی 2005- 2004 در حوضه ی مذکور استفاده گردید و قابلیت مدل ارزیابی شد. نتایج نشان داد که الگوریتمهای بهینه سازی عنکبوت اجتماعی و عملیات جستجو و نجات به ترتیب معادل 81/0 و 69/0، عملکرد خوب و قابل قبولی را در واسنجی مدل داشتهاند. در نهایت مشاهده شد که الگوریتم بهینه سازی عملیات جستجو و نجات برای واسنجی مدل فوق مناسب تر می باشد. همچنین، آنالیز حساسیت پارامترهای موثر نشان داد که ضریب رواناب سطحی، حساسترین پارامتر سراسری مدل IHACRES بوده است.کلید واژگان: واسنجی, الگوریتم بهینه سازی عنکبوت اجتماعی, الگوریتم بهینه سازی عملیات جستجو و نجات, مدل بارش - رواناب IHACRES, حوضه رودخانه اعظم هرات یزد
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.