ارزیابی تاثیر توابع هدف غیرهمسو در واسنجی چندهدفه مدل هیدرولوژیکی SWAT، مطالعه موردی: حوزه آبخیز قره سو کرمانشاه

یکی از راه های برآورد مقدار رواناب حاصل از بارش، استفاده از مدل های هیدرولوژیکی است. مدل SWAT، یکی از ابزارهای پرکاربرد در سطح حوزه آبخیز در شبیه سازی کمیت و کیفیت آب است. این مدل، یک مدل مفهومی است که قادر است حوضه های بزرگ با سناریوهای مدیریتی مختلف را شبیه سازی کند. از جمله چالش های مهم مدل مذکور و بسیاری از مدل های هیدرولوژیکی، واسنجی پارامترهای موثر و حساس در برآورد مقدار رواناب است. به طور کلی، روش های واسنجی را می توان به دو گروه دستی و خودکار تقسیم کرد. واسنجی یک مدل به صورت دستی، نیازمند این است که مدل ساز، شناخت خوبی نسبت به فیزیک مد ل داشته باشد. از سویی، به دلیل وقت گیر بودن و پیچیدگی های موجود و همچنین، توسعه الگوریتم های جدید بهینه سازی، امروزه واسنجی خودکار بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. واسنجی خودکار بر پایه سه مولفه تابع هدف، الگوریتم بهینه سازی و اطلاعات ایستگاه ها بنا شده است. استفاده از یک تابع هدف در واسنجی یک مدل ممکن است موجب افزایش خطا در برخی دیگر از جنبه های شبیه سازی شود و همچنین، تجربه های علمی در زمینه واسنجی تک هدفه نشان داده است که هیچ تابع هدفی هرچند با کارایی بالا، به تنهایی نمی تواند ویژگی ها و خصوصیات حوضه را به درستی نشان دهد. لذا، به کارگیری راه حل بهینه سازی مناسب به منظور بهبود نتایج واسنجی شامل استفاده از یک الگوریتم بهینه سازی مناسب با چندین تابع هدف، برای شناسایی مجموعه جواب های کارآمد است.

حوزه آبخیز مورد مطالعه در غرب ایران و در استان کرمانشاه، با مساحت 5467 کیلومتر مربع، واقع شده است. کمینه و بیشینه ارتفاع آن، 1275 و 3360 متر است. متوسط بارندگی حوضه، حدود 505 میلی متر بوده است که بیشترین بارش در ماه های آبان و آذر و کمترین بارش در ماه های تیر و مرداد رخ می دهد و سه رودخانه اصلی مرک، قره سو و رازآور در این حوضه جریان دارند. در این پژوهش، مدل بارش-رواناب SWAT، با استفاده از الگوریتم NSGA-II تحت سه سناریو واسنجی شد. برای واسنجی این مدل، در سناریوی اول، از تابع هدف NSE که به جریان های بیشینه توجه دارد، استفاده شد. در سناریوی دوم، برای تمرکز بر جریان های کمینه، پس از تبدیل لگاریتمی دو سری جریان رواناب شبیه سازی شده و مشاهداتی، ضریب کارایی NSE به عنوان تابع هدف اتخاذ شد که به صورت LogNSE نمایش داده می شود. سناریوی آخر، تلفیقی از دو سناریوی اول و دوم بود. به طوری که توابع هدف غیرهمسوی NSE و LogNSE به صورت همزمان مورد استفاده قرار گرفتند.

نتایج و بحث:

نتایج این پژوهش، نشان داد که با توجه به مقادیر شاخص ارزیابی NSE برابر با 0.83، 0.74 و 0.83 برای سناریوهای اول تا سوم و بیش برآوردی مدل و بررسی نمودار جریان در سناریوی اول و تمایل بیشتر برای حرکت به سمت دبی های بالا، این سناریو برای برآورد جریان های بیشینه، کارآمدتر خواهد بود. همچنین، با توجه به شاخص ارزیابی LogNSE، مقادیر 0.69، 0.74 و 0.72 برای سناریوهای اول تا سوم، سناریوی دوم با تک هدف LogNSE در دبی های کمینه، عملکرد بهتری دارد. اما مدل ساخته شده با استفاده از دو تابع هدف غیرهمسو، سعی بر ایجاد توازن داشته است و عملکرد مطلوبی در تخمین همزمان رواناب های بیشینه و کمینه دارد.

به طور کلی می توان گفت، در صورتی که هدف مطالعه بررسی دبی های بیشینه و کمینه، یعنی مطالعات سیلاب یا خشکسالی باشد، الگوریتم های تک هدفه عملکرد مطلوب تری خواهند داشت. در صورتی که با هدف کنترل بیلان آبی و عملکرد مطلوب یک مدل در دو سوی دبی های بیشینه و کمینه، مدلسازی انجام شود، سناریوی دو هدفه با رویکرد غیرهمسو می تواند نتیجه بهتری نسبت به الگوریتم های تک هدفه داشته باشد.