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

پایان نامه شبیه سازی رواناب روزانه با استفاده از الگوریتم PSO در بهینه سازی مدل های حوضه آبریز
پایان نامه کارشناسی ارشد – عمران -آب
–
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 8108/0 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.

فهرست مطالب

چکیده1
فصل اول- مقدمه2
1-1 اهمیت و ضرورت انجام تحقیق3
1-3 اهداف و سئوالات تحقیق4
1-4 ساختار پایان نامه5
فصل دوم- مبانی و مروری بر منابع6
2-1 کلیات و تعاریف 7
2-2 انواع مدل های هیدرولوژیکی شبیه سازی9
2-2-1 مدل های پایه فیزیکی (جعبه سفید10
2-2-2 مدل های مفهومی (جعبه خاکستری10
2-2-3 مدل های تجربی (جعبه سیاه11
2-3 مروری بر روشهای بهینه سازی فراگیر (GO11
2-3-1 الگوریتم PSO12
2-3-2 مقایسه الگوریتم PSO با سایر روش های محاسبات تکاملی12
2-4 مروری بر منابع15
2-4-1 مروری بر مدل های مفهومی بارش- رواناب15
2-4-2 مروری بر مطالعات صورت گرفته جهت بهینه سازی مدل های هیدرولوژیکی 16
2-5 خلاصه و جمع بندی فصل 18
فصل سوم- منطقه تحقیق، تئوری و روش تحقیق 19
3-1 معرفی منطقه تحقیق20
3-1-1 حوضه آبریز سد کرج20
3-1-2 آب رودخانه کرج24
3-1-3 داده¬های مورد استفاده26
3-2 معرفی مدل ARNO27
3-2-1 ارتباط مفاهیم اساسی مدل ARNO28
3-2-2 مدول توازن رطوبت خاک (soil moisture balance30
3-2-3 مدول تبخیر و تعرق پتانسیل36
3-2-4 مدول آبهای زیرزمینی39
3-2-5 مدول روندیابی سهموی40
3-2-5-1 روندیابی جریان رودخانه از بالادست40
3-2-5-2 روندیابی جریان لایه ای41
3-2-6 مدول ذوب برف (snowmelt module43
3-2-7 ملزومات کالیبراسیون مدل ARNO43
3-3 معرفی روش بهینه سازی PSO45
3-3-1 مفاهیم و مطق حاکم بر روش بهینه سازی PSO49
3-3-2 چارچوب تحلیلی الگوریتم بهینه سازی PSO52
3-3-3 شناخت پارامترهای کنترل کننده PSO56
3-3-4 ورودی های الگوریتمPSO59
3-4 روش تحقیق61
3-4-1 توسعه برنامه کامپیوتری بر مبنای الگوریتم PSO62
3-5 خلاصه و جمع بندی فصل65

فصل چهارم- اعمال روش تحقیق بر منطقه مورد مطالعه، بحث و بررسی نتایج67

4-1 پردازش داده ها (Data processing68
4-1-1 منحنی هیپسومتری (Hypsometric curve68
4-1-2 پیشنهاد یک رابطه رگرسیونی بین دما و ارتفاع70
4-1-3 محاسبه دمای میانگین حوضه بر اساس منحنی هیپسومتری77
4-1-4 تولید سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه80
4-2 توسعه مدل برف96
4-2-1 نتایج حاصل از مدل برف108
4-3 کالیبراسیون مدل با استفاده از الگوریتم بهینه سازی PSO110
4-3-1 انتخاب پارامترهای مناسب برای الگوریتم PSO110
4-3-2 انتخاب تعداد particle ها و تعداد مراحل تکرار111
4-3-3 تولید بهترین هیدروگراف خروجی شبیه سازی111
4-3-4 اعتبار سنجی مدل114
4-4 بحث درباره پارامترهای مدل ARNO115
4-4-1 پارامترهای مورد استفاده در کالیبراسیون115
4-4-2 مقادیر برآورد شده پارامترها و بحث درباره آنها116
4-5 خلاصه و جمع بندی فصل121

فصل پنجم- نتیجه گیری، جمع بندی و ارائه پیشنهاد برای تحقیقات آتی122

5-1 خلاصه تحقیق123
5-2 نتیجه گیری ها123
5-2-1 محدودیت های بهینه سازی یک مدل هیدرولوژیکی 124
5-3 ارائه پیشنهاد برای مطالعات آتی125

مراجع127
پیوست 131
چکیده انگلیسی145

توجه :

عناوین پروژه های موجود در سایت فقط به عنوان معرفی در سایت قرار گرفته اند و هیچ گونه فروش و یا لینک دانلودی ندارند