خانه / فنی و مهندسی / عمران / پایان نامه ارشد با عنوان شبیه سازی رواناب روزانه  با استفاده از الگوریتم PSO در بهینه سازی مدل های حوضه آبریز

دانلود پایان نامه با عنوان شبیه سازی رواناب روزانه  با استفاده از الگوریتم PSO در بهینه سازی مدل های حوضه آبریز

پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد

 رشته عمران، مهندسی آب

 (M.Sc.)

 

عنوان

شبیه سازی رواناب روزانه  با استفاده از الگوریتم PSO   در بهینه سازی مدل های حوضه آبریز

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                               صفحه

چکیده……………………………………………………………………………………………………………………………….۱

فصل اول- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………..۲

۱-۱  اهمیت و ضرورت انجام تحقیق……………………………………………………………………………………..۳

۱-۳ اهداف و سئوالات تحقیق………………………………………………………………………………………………۴

۱-۴ ساختار پایان نامه………………………………………………………………………………………………………….۵

فصل دوم- مبانی و مروری بر منابع………………………………………………………………………………………..۶

۲-۱ کلیات و تعاریف …………………………………………………………………………………………………………۷

۲-۲ انواع مدل های هیدرولوژیکی شبیه سازی…………………………………………………………………………۹

۲-۲-۱ مدل های پایه فیزیکی (جعبه سفید)…………………………………………………………………………..۱۰

۲-۲-۲ مدل های مفهومی (جعبه خاکستری)………………………………………………………………………….۱۰

۲-۲-۳ مدل های تجربی (جعبه سیاه)……………………………………………………………………………………۱۱

۲-۳ مروری بر روشهای بهینه سازی فراگیر (GO)………………………………………………………………….11

2-3-1 الگوریتم PSO……………………………………………………………………………………………………….12

2-3-2 مقایسه الگوریتم PSO با سایر روش های محاسبات تکاملی…………………………………………..۱۲

۲-۴ مروری بر منابع…………………………………………………………………………………………………………..۱۵

۲-۴-۱ مروری بر مدل های مفهومی بارش- رواناب……………………………………………………………….۱۵

۲-۴-۲ مروری بر مطالعات صورت گرفته جهت بهینه سازی مدل های هیدرولوژیکی ………………….۱۶

۲-۵ خلاصه و جمع بندی فصل ………………………………………………………………………………………….۱۸

فصل سوم- منطقه تحقیق، تئوری و روش تحقیق …………………………………………………………………..۱۹

۳-۱ معرفی منطقه تحقیق……………………………………………………………………………………………………۲۰

۳-۱-۱ حوضه آبریز سد کرج……………………………………………………………………………………………..۲۰

۳-۱-۲ آب رودخانه کرج…………………………………………………………………………………………………..۲۴

۳-۱-۳ داده­های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………..۲۶

۳-۲  معرفی مدل ARNO…………………………………………………………………………………………………..27

3-2-1 ارتباط مفاهیم اساسی مدل ARNO……………………………………………………………………………28

3-2-2 مدول توازن رطوبت خاک (soil moisture balance)…………………………………………………..30

3-2-3 مدول تبخیر و تعرق پتانسیل……………………………………………………………………………………..۳۶

۳-۲-۴  مدول آبهای زیرزمینی…………………………………………………………………………………………….۳۹

۳-۲-۵ مدول روندیابی سهموی…………………………………………………………………………………………..۴۰

۳-۲-۵-۱ روندیابی جریان رودخانه از بالادست…………………………………………………………………….۴۰

۳-۲-۵-۲ روندیابی جریان لایه ای………………………………………………………………………………………۴۱

۳-۲-۶ مدول ذوب برف (snowmelt module)…………………………………………………………………….43

3-2-7  ملزومات کالیبراسیون مدل ARNO…………………………………………………………………………..43

3-3 معرفی روش بهینه سازی PSO……………………………………………………………………………………..45

3-3-1 مفاهیم و منطق حاکم بر روش بهینه سازی PSO………………………………………………………….49

3-3-2 چارچوب تحلیلی الگوریتم بهینه سازی PSO………………………………………………………………52

3-3-3 شناخت پارامترهای کنترل کننده PSO………………………………………………………………………..56

3-3-4 ورودی های الگوریتمPSO………………………………………………………………………………………59

3-4 روش تحقیق………………………………………………………………………………………………………………۶۱

۳-۴-۱ توسعه برنامه کامپیوتری بر مبنای الگوریتم PSO………………………………………………………….62

3-5 خلاصه و جمع بندی فصل…………………………………………………………………………………………..۶۵

 

فصل چهارم- اعمال روش تحقیق بر منطقه مورد مطالعه، بحث و بررسی نتایج…………………………….۶۷

 

۴-۱ پردازش داده ها (Data processing)…………………………………………………………………………….68

4-1-1 منحنی هیپسومتری (Hypsometric curve)…………………………………..…….………………………68

4-1-2 پیشنهاد یک رابطه رگرسیونی بین دما و ارتفاع……………………………………………………………..۷۰

۴-۱-۳  محاسبه دمای میانگین حوضه بر اساس منحنی هیپسومتری.……………………………………………۷۷

۴-۱-۴ تولید سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه…………………………………………………………..۸۰

۴-۲ توسعه مدل برف…………………………………………………………………………………………………………۹۶

۴-۲-۱ نتایج حاصل از مدل برف……………………………………………………………………………………….۱۰۸

۴-۳ کالیبراسیون مدل با استفاده از الگوریتم بهینه سازی PSO………………………………………………..110

4-3-1 انتخاب پارامترهای مناسب برای الگوریتم PSO…………………………………………………………110

4-3-2  انتخاب تعداد particle ها و تعداد مراحل تکرار.………………………………………………………۱۱۱

۴-۳-۳  تولید بهترین هیدروگراف خروجی شبیه سازی………………………………………………………….۱۱۱

۴-۳-۴ اعتبار سنجی مدل………………………………………………………………………………………………….۱۱۴

۴-۴ بحث درباره پارامترهای مدل ARNO…………………………………………………………………………..115

4-4-1 پارامترهای مورد استفاده در کالیبراسیون……………………………………………………………………۱۱۵

۴-۴-۲ مقادیر برآورد شده پارامترها و بحث درباره آنها…………………………………………………………۱۱۶

۴-۵ خلاصه و جمع بندی فصل…………………………………………………………………………………………۱۲۱

 

 فصل پنجم- نتیجه گیری، جمع بندی و ارائه پیشنهاد برای تحقیقات آتی………………...……………….۱۲۲

 

۵-۱ خلاصه تحقیق………………………………………………………………………………………………………….۱۲۳

۵-۲ نتیجه گیری ها.…………………………………………………………………………………………………………۱۲۳

۵-۲-۱ محدودیت های بهینه سازی یک مدل هیدرولوژیکی …………………………………………………..۱۲۴

۵-۳ ارائه پیشنهاد برای مطالعات آتی………………………………………………………………………………….۱۲۵

 

مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………۱۲۷

پیوست …………………………………………………………………………………………………………………………۱۳۱

چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………………………….۱۴۵

 

 

 

                                               فهرست جداول

عنوان                                                                                                            صفحه

جدول (۳-۱)  مقادیر تقریبی پارامترهای انتشار و پخش در حالت های مختلف……………………………۴۲

جدول (۴-۱) اطلاعات مربوط به منحنی هیپسومتری حوضه آبریز کرج………………………………………۶۹

جدول (۴-۲) رابطه خطی بین ارتفاع و دمای ماکزیمم روزانه و درونیابی

 به ازای ارتفاع میانه حوضه ……………………………………………………………………………………………….۷۴

جدول (۴-۳) مقادیر متوسط دمای ماکزیمم، مینیمم، میانگین روزانه در بازه ۷ ساله مورد بررسی…….۷۵

جدول (۴-۴) مقادیر محاسبه شده Lapse rate برای دمای متوسط روزانه…………………………………..۷۶

جدول (۴-۵) تقسیم حوضه به ۱۰۰۰ زیر بازه با مساحت مساوی.……………………………………………..۷۸  

جدول(۴-۶) محاسبه دمای میانگین بلند مدت ماهیانه حوضه…………………………………………………….۸۱ 

جدول (۴-۷) مقادیر  در دماهای مختلف و به ازای ارتفاع های مختلف………………………………..۸۸

جدول (۴-۸) محاسبه رگرسیون خطی بین دمای میانگین ماهیانه و تبخیر و تعرق پتانسیل………………۸۹

جدول (۴-۹) جدول محاسبه رگرسیون خطی بین داده های ماهیانه…………………………………………….۹۰

جدول (۴-۱۰) اعداد حاصل از کالیبراسیون…………………………………………………………………………۱۱۷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                            صفحه

فصل دوم

شکل (۲-۱) طبقه بندی انواع روشهای بهینه سازی.…………………………………………………………………۱۳

 

فصل سوم

 

شکل (۳-۱) نمایش شبکه رودخانه ای و ایستگاههای واقع در حوضه کرج…………………………………۲۱

شکل (۳-۲) نمایش پهنه های هیدرولوژیکی حوضه رودخانه کرج…………………………………………….۲۲

شکل (۳-۳) نمایش شماتیک ریز آبه ها و رودخانه های فرعی حوضه کرج………………………………..۲۳

شکل (۳-۴) وارنگه رود از شاخه های دائمی و پرآب رودخانه کرج…………………………………………۲۴

شکل (۳-۵) سد امیر کبیر و حوضه کوهستانی رودخانه کرج……………………………………………………۲۵

شکل (۳-۶) نمایش شماتیک پروسه های موجود در حوضه آبریز……………………………………………..۲۸

شکل (۳-۷) نمایش شماتیک روندیابی………………………………………………………………………………….۲۹

شکل (۳-۸)  نمایش کمیت های معرفی شده در مدل ARNO………………………………………………….30

شکل (۳-۹) توزیع تجمعی ظرفیت اشباع خاک………………………………………………………………………۳۲

شکل (۳-۱۰) رواناب تولید شده توسط یک ورودی متئورولوژیکی مؤثر……………………………………۳۳

شکل (۳-۱۱) نمایش نحوه عملکرد مدل ARNO……………………………………………………………………36

شکل (۳-۱۲) نمایش رفتار دسته جمعی ماهیان برای یافتن غذا…………………………………………………۴۵

شکل (۳-۱۳) رفتار گروهی دسته به هنگام دفاع از خود.………………………………………………………….۴۶

شکل (۳-۱۴) جستجوی پرندگان برای یافتن غذا……………………………………………………………………۴۶

شکل (۳-۱۵) نمایش شماتیک یک مسئله بهینه سازی………………………………………………………………۴۷

شکل (۳-۱۶) اصل جدایی………………………………………………………………………………………………….۴۷

شکل (۳-۱۷) اصل هم ترازی……………………………………………………………………………………………..۴۷

شکل (۳-۱۸) اصل پیوستگی………………………………………………………………………………………………۴۸    

شکل(۳-۱۹) تمایل هر particle برای نزدیک شدن به محل آشیانه…………………………………………….۴۸

شکل (۳-۲۰) تمایل particle برای نزدیک شدن به نزدیک ترین محل به آشیانه………………………….۴۸

شکل (۳-۲۱) تبادل اطلاعات بین particle ها……………………………………………………………………….۴۹

شکل (۳-۲۲) نمایش شماتیک موقعیت و سرعت  particleها در فضای جستجو…………………………۴۹

شکل(۳-۲۳) نمایش PSO در دو حالت فراگیر و محلی…………………………………………………………..۵۱

شکل (۳-۲۴) چند نمونه از توپولوژیهای مورد استفاده در الگوریتم PSO…………………………………..51

شکل (۳-۲۵) نمایش هندسی بردار سرعت به عنوان برآیندی از سه مؤلفه

ممنتوم، شناختی و اجتماعی…………………………………………………………………………………………………۵۴

شکل (۳-۲۶) نمایش عملکرد PSO در فضای دو بعدی…………………………………………………………..۵۵

شکل (۳-۲۷) ناپایداری سرعت در صورت استفاده از ضرایب شتاب بزرگ………………………………..۵۷

شکل (۳-۲۸) تأثیر اندازه swarm……………………………………………………………………………………….60

شکل (۳-۲۹) نمایی از روش تحقیق…………………………………………………………………………………….۶۱

شکل (۳-۳۰)  فلوچارت الگوریتم PSO……………………………………………………………………………….64

شکل (۳-۳۱) نحوه عملکرد الگوریتم PSO در بهینه سازی مدل ARNO……………………………………65

شکل (۳-۳۲) تعامل اجزای مختلف مدل ARNO…………………………………………………………………..66

 

فصل چهارم

 

شکل (۴-۱) منحنی هیپسومتری حوضه آبریز رودخانه کرج………………………………………………………۷۰

شکل (۴-۲) نمایشisotherm  صفر درجه ((freezing level و خطوط هم دما

در یک محدوده کوهستانی………………………………………………………………………………………………….۷۲

شکل (۴-۳) مقادیر متوسط دمای ماکزیمم، مینیمم و میانگین روزانه سه ایستگاه

در بازه ۷ ساله مورد بررسی ……………………………………………………………………………………………….۷۵

شکل (۴-۴) مقایسه دمای پیشنهاد شده توسط مدل های خطی برازش داده شده

به دمای متوسط روزانه و مقادیر مشاهداتی دمای متوسط روزانه ایستگاه ها…………………………………۷۷

شکل (۴-۵) سری زمانی دمای میانگین روزانه حوضه……………………………………………………………..۸۰

 

شکل (۴-۶) دمای میانگین بلند مدت ماه های سال…………………………………………………………………۸۵

شکل (۴-۷) مقادیر بیشترین ساعات تابش در عرض جغرافیایی ۳۶………………………………………….۸۷

شکل (۴-۸) رابطه رگرسیونی درجه ۲ برای محاسبه …………………………………………………………۸۸

شکل (۴-۹) رگرسیون خطی بین داده های ماهیانه…………………………………………………………………..۹۰

شکل (۴-۱۰) تبخیر و تعرق پتانسیل به روش thornthwaite اصلاح نشده…………………………………۹۱

شکل(۴-۱۱) مقادیر تابش فرازمینی روزانه…………………………………………………………………………….۹۳

شکل (۴-۱۲) محاسبه تبخیر و تعرق پتانسیل در ایستگاه سینوپتیک آبعلی

 (به روش فائو پنمن- مونتیت)…………………………………………………………………………………………….۹۴

شکل (۴-۱۳) مقایسه مقادیر برآورد شده تبخیر و تعرق پتانسیل توسط

دو روش پنمن و Thornthwaite اصلاحی (بر حسب mm)…………………………………………………….95

شکل (۴-۱۴) سری زمانی مجموع ماهیانه تبخیر و تعرق پتانسیل به دو روش

فائو پنمن مونتیت و Thornthwaite اصلاح شده……………………………………………………………………۹۵

شکل (۴-۱۵) مقادیر میانگین بلند مدت مجموع تبخیر و تعرق پتانسیل ماهیانه

با دو روش پنمن و thornthwaite  اصلاح شده…………………………………………………………………….۹۵

شکل (۴-۱۶) سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه آبریز کرج…………………………………………..۹۶

شکل (۴-۱۷) سری زمانی مقادیر  روزانه………………………………………………………………………….۹۸

شکل (۴-۱۸) سری زمانی  در محل ایستگاه سینوپتیک آبعلی……………………………………………….۹۹

شکل (۴-۱۹) مقایسه سری زمانی تابش ورودی با استفاده از  

و تابش ورودی واقعی……………………………………………………………………………………………………….۹۹

شکل (۴-۲۰) نحوه محاسبه تابش خالص و میزان ذوب برف………………………………………………….۱۰۰

شکل (۴-۲۱) رابطه خطی بین اختلاف دمای ماکزیمم و ممینیموم مطلق روزانه و رطوبت نسبی……۱۰۱

شکل (۴-۲۲) مقایسه مقادیر روزانه رطوبت نسبی مشاهداتی و محاسباتی برای ایستگاه آبعلی………۱۰۱

شکل (۴-۲۳) مقایسه مقادیر  مشاهداتی و محاسباتی………………………………………………………..۱۰۲

شکل (۴-۲۴) فلوچارت مدل ذوب برف……………………………………………………………………………..۱۰۷

شکل (۴-۲۵) هیتوگراف مربوط به بارش اولیه……………………………………………………………………..۱۰۹

شکل (۴-۲۶) هیتوگراف مربوط به بارش فرضی (بارش مازاد + ذوب برف)……………………………..۱۰۹

شکل (۴-۲۷) مقایسه هیدروگراف شبیه سازی و مشاهداتی در دوره کالیبراسیون………………………..۱۱۲

شکل (۴-۲۸) مقایسه مقادیر دبی روزانه مشاهداتی و محاسباتی در دوره کالیبراسیون………………….۱۱۲

شکل (۴-۲۹) مقایسه هیدروگراف شبیه سازی و مشاهداتی در دوره صحت سنجی…………………….۱۱۴

شکل (۴-۳۰) مقایسه مقادیر دبی روزانه مشاهداتی و محاسباتی در دوره صحت سنجی………………۱۱۴

شکل (۴-۳۱) سری زمانی مقادیر رطوبت میانگین خاک ( )………………………………………………..۱۱۹

شکل (۴-۳۲) سری زمانی تبخیر و تعرق واقعی برآورد شده توسط مدل…………………………………..۱۱۹

شکل (۴-۳۳) توزیع تجمعی رطوبت خاک………………………………………………………………………….۱۲۰

 


چکیده:

یکی از چالشها و اهداف عمده در هیدرولوژی مهندسی تعیین یک مدل بارش- رواناب مناسب جهت مشخص کردن پاسخ حوضه نسبت به یک بارش مشخص با استفاده از پارامترهای موجود در مدل است. پاسخ حوضه تابعی از مشخصات حوضه آبریز و مقادیر پارامترهای مدل است. لذا ضروری است که این پارامترها به نحوی مناسب برآورد گردند. کالیبراسیون مدل مستلزم بهینه کردن یک تابع هدف است، در این تحقیق ضریب کارآیی یا ضریب Nash & Sutcliffe به عنوان تابع هدف مد نظر قرار گرفت و بیشینه آن به طور خودکار جستجو گردید.

به منظور تحقق این امر از الگوریتم بهینه سازیPSO  (Particle Swarm Optimization) برای برآورد مقادیر پارامترهای مدل مفهومی بارش- رواناب ARNO، با استفاده از داده های مشاهداتی روزانه بهره گرفته شد و توسط آنها بهترین هیدروگراف روزانه محاسباتی مشخص گردید.

در این تحقیق، حوضه آبریز رودخانه کرج در بالادست ساختگاه سد امیرکبیر مورد مطالعه قرار گرفت. ورودی های مدلARNO  به صورت دو سری زمانی بارش و تبخیر و تعرق پتانسیل هستند. از آن جا که تبخیر و تعرق پتانسیل تابع دما است و با توجه به اختلاف ارتفاع زیاد نقاط مختلف حوضه، یک مدل رگرسیونی (بر اساس بهترین ضریب تعیین) به منظور محاسبه رابطه بین دما و ارتفاع، برای محاسبه دمای میانگین در هر روز پیشنهاد گردید. هم چنین با توجه به کوهستانی بودن و زیر صفر بودن دمای هوای بخش عمده ای از حوضه در فصول بارش، سهم عمده ای از نزولات جوی به صورت برف بوده و برف به مدت طولانی در این مکانها به صورت ذخیره باقی می ماند. از این رو اصلاح فایل بارش اولیه امری ضروری است. این کار با جدا کردن سهم برف از مجموع نزولات و اضافه نمودن مجدد برف ذوب شده و تشکیل یک فایل ثانویه بارش که بتوان آن را به عنوان ورودی به مدل بارش- رواناب معرفی نمود، انجام گردید.

در نهایت با اصلاح فایل بارش به عنوان ورودی اصلی مدل و هم چنین ساختن فایل تبخیر و تعرق پتانسیل، مدل مفهومی بارش رواناب ARNO توسط الگوریتم بهینه سازی PSO به صورت خودکار کالیبره شد و ضریب کارآیی (Sutcliffe & Nash) برابر ۸۱۰۸/۰ در مرحله کالیبراسیون برای حوضه کوهستانی کرج به دست آمد.

کلمات کلیدی: PSO، ضریب کارآیی، رواناب مشاهداتی، رواناب محاسباتی، دما، تبخیر و تعرق، ذوب برف.

 

یک مدل درک ساده ای است از یک سامانه واقعی (مانند پروسه پیچیده تبدیل بارش به رواناب). می توان مدل را یک تئوری، قانون و یا یک ایده ساختاری دانست. با توسعه یک مدل امکان توضیح ساده یک سامانه پیچیده فراهم می شود. هر نوع مدل مناسب یک موقعیت و هدف خاص بوده، هیچ مدلی را نمی توان برتر از دیگری دانست، هر مدل نقاط ضعف و قوت داشته، انتخاب آن بستگی زیادی به سامانه مورد مطالعه برای مدل کردن و هیدرولوژی منطقه دارد.

از سوی دیگر به هنگام استفاده از مدل های مفهومی (مانند مدل بارش- رواناب ARNO که مبنای این تحقیق قرار گرفته است.) با تعدادی پارامتر روبرو می شویم که معرف چکیده ای از ویژگی های حوضه هستند. بیشتر این پارامترها از کمیت های قابل اندازه گیری حوضه به دست نمی آیند، لذا لازم است از طریق کالیبراسیون مدل برآورد شوند، در واقع بیشتر مدل های مفهومی بارش- رواناب، به ویژه نوع پیوسته آن ها، از شمار زیادی پارامتر برخوردارند و سری پارامترهای مناسب باید در یک فضای بزرگ چند بعدی یافت شوند. سطح پاسخ تابع هدف این مدل ها اغلب از بهینه های موضعی زیادی برخوردار هستند. لذا می توان گفت که کالیبراسیون خودکار در مورد این مدل ها امری راهگشا و ضروری است. [خزایی، ۱۳۸۸]

در میان انواع روشهای بهینه سازی تابع هدف، الگوریتم PSO (Particle Swarm Optimization) به عنوان روشی نسبتاً جدید و کاربردی از مجموعه وسیع روشهای هوش جمعی Swarm Intelligence Methods))، به منظور کالیبراسیون مدل بارش- رواناب ARNO در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است.

قیمت:   ۱۲۰۰۰ تومان

 

فرمت

مطلب مشابه

پایان نامه کارشناسی ارشد با عنوان مدلسازی حل مناقشات در بهره­برداری تلفیقی آب­های سطحی و زیرزمینی

پایان­نامه کارشناسی ارشد (مهندسی عمران – مهندسی آب) مدلسازی حل مناقشات در بهره­برداری تلفیقی آب­های …