این سایت در حال حاضر پشتیبانی نمی شود و امکان دارد داده های نشریات بروز نباشند
پژوهش های فرسایش محیطی، جلد ۱۰، شماره ۴، صفحات ۹۰-۱۱۰

عنوان فارسی استفاده از HydroPSO در واسنجی مدل هیدرولوژی KINEROS۲ جهت شبیه‌سازی رواناب در حوزه‌های آبخیز مناطق نیمه خشک (مطالعه موردی: حوزه آبخیز بار نیشابور)
چکیده فارسی مقاله شبیه­‌سازی بارش ـ رواناب به­‌منظور برنامه­ریزی و مدیریت منابع آب در حوضه­‌های آبخیز صورت می­‌گیرد که نیازمند استفاده از مدل­‌های هیدرولوژیکی بهینه­ است. در این تحقیق از بسته­‌ی بهینه­‌سازی hydroPSO به­‌منظور واسنجی و بهینه­‌سازی پارامترهای مدل بارش ـ رواناب (2K) 2KINEROS در حوزه آبخیز بار نیشابور در استان خراسان رضوی استفاده شد. به‌­همین منظور، پنج واقعه­­‌ی رگباری با هیدروگراف­‌های متناظر انتخاب شد. براساس نتایج، این مدل کارآیی بهتری در شبیه‌­سازی هیدرولوژیک حوضه بر اساس واقعه‌­ی رگباری 11/01/71 نشان داد. در این شبیه­‌سازی، ضریب تبیین (2R) و نش (NSE) مدل در شبیه­‌سازی دبی آب برابر با 96/0 و 96/0 به­‌دست آمد. مدل‌­سازی براساس وقایع رگباری تاریخ­های 16/12/69، 21/02/70، 26/12/70 و 13/09/73 به ترتیب با ضرایب NSE برابر با 90/0، 90/0، 89/0 و 43/0، توانست به نیکویی برازش عالی، عالی، عالی و خوب هیدروگراف شبیه‌­سازی شده بر هیدروگراف مشاهداتی منجر شود. تحلیل حساسیت مدل نشان داد که پارامترهای هدایت هیدرولیکی اشباع ـ کانال (ks_c)، ضریب زبری مانینگ ـ کانال(n_c)، ضریب حجمی سنگ و سنگ­ریزه (Rock)، میانگین نیروی کاپیلاری ـ دامنه (G_p)، هدایت هیدرولیکی اشباع ـ دامنه (ks_p) و تخلخل ـ دامنه (Por_p)، به ترتیب مهم­ترین و مؤثرترین پارامترها در فرآیند واسنجی مدل 2K به شمار می­‌رود. توزیع فراوانی برخی از پارامترها مانند n_c و Smax، دارای شکل زنگوله­ای با اوج تیزتر است که این خود فقدان قطعیت کمتر تحمیل شده از جانب این پارامترها را بر مدل نشان می­‌دهند؛ اما برخی از پارامترها مانند Por_c و Dist_، توزیع فراوانی یکنواختی را نشان می­‌دهند. تفسیر بصری نمودارهای جعبه­‌ای نشان می­‌دهد که در پارامترهایی مثل  Ks_p، n_c، G_p، In، Rock، Por_p، Por_c وSat  ، ارزش بهینه­‌ی پارامتر به‌­دست آمده در فرایند واسنجی تقریباً منطبق بر میانه ارزش­های نمونه­‌برداری شده­‌است و بیشتر ذرات به سمت یک منطقه­‌ی کوچک از فضای پاسخ هدایت شده­‌اند. نمودار نقطه‌­ای نشان می‌­دهد که کارآیی مدل بیشتر تحت­‌تأثیر اندرکنش پارامترهای Ks وn  است. بر اساس تحلیل همبستگی نیز بالاترین ضریب همبستگی NSE با پارامترهای Ks_p، Ks_c، n_p، CV_p، G_c، In، cov،Por_p ،Dist_p ، Dist_c، Smax و Sat به­دست آمد. مقایسه‌­ی نتایج این تحقیق با یافته­‌های حاصل از واسنجی دستی نشان داد که بسته‌­ی بهینه‌­سازی hydroPSO می­‌تواند با موفقیت با مدل 2K تلفیق شود و با سرعت و کارآیی بالایی پارامترهای مدل را واسنجی و بهینه­‌سازی کند.
کلیدواژه‌های فارسی مقاله hydroPSO، 2KINEROS، بارش ـ رواناب، بهینه‌سازی انبوه ذرات، دبی آب، شبیه‌سازی.

عنوان انگلیسی Use of HydroPSO in calibration of KINEROS2 hydrologic model to simulate runoff in semi-arid watersheds (Case study: Bar watershed, Neyshabour, Iran)
چکیده انگلیسی مقاله Extended abstract 1- Introduction Simulation of the rainfall-runoff process for planning and management of water resources and watersheds requires using a conceptual optimized hydrological model. Models of different types provide a means of quantitative extrapolation or prediction that will hopefully be helpful in decision-making. Recently, the application of models has become an essential tool for understanding the natural processes that have occurred in the watershed. KINEROS2 (Kinematic runoff and Erosion), or K2, originated at the USDA Agricultural Research Service (ARS) in the late 1960s as a model that routed runoff from hillslopes is represented by a cascade of overland-flow planes using the stream path analogy proposed by Onstad and Brakensiek (1968), laterally into channels. Manual calibration of hydrological models has been used since the early 1960s, but due to its complexity and being time-consuming, automatic calibration has been available since the end of the 1960s. Auto-calibration needs an appropriate objective function, search algorithm, and a criterion to complete the algorithm. The particle swarm optimization (PSO) algorithm, due to its flexibility, easy implementation, and high performance, has been favored by many researchers in recent years. This method has a high rate of convergence and suitable computational cost. 2- Methodology In this study, the hydroPSO package was employed to optimize KINEROS2 (K2) parameters applied in the Bar watershed, Neyshabour, Iran. The hydroPSO package in R software environment was utilized to implement the PSO optimization algorithm. The possibility to develop R capabilities by adding the produced packages by the users is one of the most important specifications of this software. The statistical measures used in model validation analysis were model bias (MB), modified correlation coefficient (rmod), and Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE). These metrics are the most common evaluation criteria in the literature. The capability of the model in water discharge estimation can be assessed by MB, while rmod signifies the differences both in hydrograph size and shape. In this work, 16 parameters have been introduced as the effective parameters on flood simulation by K2. These parameters were calibrated using the hydroPSO optimization package within R environment, which benefits from a parallel processing capability and a higher speed of computations, as compared with other software environments like MATLAB. The common parameters in the calibration process involved in the main code of K2 program include Ks, n, CV, G, and In. In this study, by changing some codes in K2 through the FORTRAN programming language, calibration parameters were increased by 16 parameters. Therefore, the response of a watershed to the variations of these parameters, separated for channel and plane, can be well evaluated. Due to semi-distributed simulation of K2, changing the amount of each parameter was done through "relative changes" in the initial value using a multiplier approach. Five storm events were utilized in hydrograph simulation, as well. 3- Results Results indicated the better efficiency of K2 based on the event 1992/03/31 with the coefficient of determination and Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) of 0.96 and 0.96, respectively. The events dated 1991/03/07, 1991/05/11,1992/03/16,1994/12/04, respectively, with the NSEs of 0.90, 0.90,0.89, and 0.43, showed the excellent, excellent, excellent, and good fitness of simulated flow compared to observed flow, respectively. Sensitivity analysis established that the parameters Ks_c, n_c, Rock, G_p, Ks_p, Por_p, and Sat were the most effective parameters in K2 calibration, respectively. The posterior distributions of some parameters such as n_c and Smax appeared to be more sharply peaked than other parameters which established less uncertainty in hydrological modeling. Visual inspection of boxplots showed that for 8 out of 16 parameters (Ks_p, n_c, G_p, In, Rock, Por_p, Por_c, and Sat), the optimum values found during the optimization coincided with the median of all the sampled values; confirming that most of the particles converged into a small region of the solution space. Dotty plots showed that the optimum values found for n_c define a narrow range of the parameter space with a high model performance. On the other hand, the model performance was more impacted by the interaction of Ks and n parameters. Correlation analysis revealed that the highest linear correlation between NSE and K2 parameters was obtained for the parameters Ks_p, Ks_c, n_p, CV_p, G_c, In, Por_p, Dist_p, Dist_c, Smax, and Sat. 4- Discussion & Conclusions In comparison with manual calibration, the HydroPSO R package could compensate for the shortage of K2 proficiency, due to the lack of enough observed rainfall records, in hydrologic modeling of semi-arid watersheds. Thus, it can be successfully integrated with the K2 model to harness the combined benefits of a distributed hydrological model and flexible computing capability of the open-source R software. However, the performance of HydroPSO in K2 calibration should be assessed for several semi-arid watersheds which have the similar conditions to Bar watershed. 
کلیدواژه‌های انگلیسی مقاله hydroPSO, KINEROS2, Particle Swarm Optimization (PSO), rainfall-runoff, Simulation, Water discharge.

نویسندگان مقاله فاطمه پورحق وردی | fatemeh pourhaghverdi
Natural Resources Department, Faculty of Agriculture & Natural Resources, University of Hormozgan, BandarAbbas , Iran
گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده‌ی کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس

هادی معماریان | Hadi Memarian
Watershed Management Department, Faculty of Natural Resources and Environment, University of Birjand , Southern Khorasan, Iran
گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده‌ی منابع طبیعی و محیط زیست دانشگاه بیرجند، خراسان جنوبی

محسن پوررضا بیلندی | Mohsen Pourreza Bailondi
WaterEngineering Department, Faculty of Agriculture, University of Birjand , southern Khorasan. Iran
گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده‌ی کشاورزی، دانشگاه بیرجند، خراسان جنوبی

محمد تاجبخش | Mohamad Tajbakhsh
Watershed Management Department, Faculty of Natural Resources and Environment, University of Birjand , Southern Khorasan, Iran
گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده‌ی منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه بیرجند، خراسان جنوبی

میثم مجیدی | Meysam Majidi
Water Engineering Department, Kashmar Higher Education Institute, Southern Khorasan, Iran
گروه مهندسی آب، مرکز آموزش عالی کاشمر، خراسان رضوی


نشانی اینترنتی http://magazine.hormozgan.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-627-1&slc_lang=fa&sid=1
فایل مقاله فایلی برای مقاله ذخیره نشده است
کد مقاله (doi)
زبان مقاله منتشر شده fa
موضوعات مقاله منتشر شده مدلسازی و تحلیل زمانی و مکانی رخداد انواع مختلف فرسایش محیطی
نوع مقاله منتشر شده مستخرج از پایان‌نامه / رساله / طرح پژوهشی
برگشت به: صفحه اول پایگاه   |   نسخه مرتبط   |   نشریه مرتبط   |   فهرست نشریات