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

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

چکیده……………………………………………………………………………………………………………………………….1

فصل اول- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………..2

1-1  اهمیت و ضرورت انجام تحقیق……………………………………………………………………………………..3

1-3 اهداف و سئوالات تحقیق………………………………………………………………………………………………4

1-4 ساختار پایان نامه………………………………………………………………………………………………………….5

فصل دوم- مبانی و مروری بر منابع………………………………………………………………………………………..6

2-1 کلیات و تعاریف …………………………………………………………………………………………………………7

2-2 انواع مدل های هیدرولوژیکی شبیه سازی…………………………………………………………………………9

2-2-1 مدل های پایه فیزیکی (جعبه سفید)…………………………………………………………………………..10

2-2-2 مدل های مفهومی (جعبه خاکستری)………………………………………………………………………….10

2-2-3 مدل های تجربی (جعبه سیاه)……………………………………………………………………………………11

2-3 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…………………………………………..12

2-4 مروری بر منابع…………………………………………………………………………………………………………..15

2-4-1 مروری بر مدل های مفهومی بارش- رواناب……………………………………………………………….15

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 تحقیق……………………………………………………………………………………………………20

3-1-1 حوضه آبریز سد کرج……………………………………………………………………………………………..20

3-1-2 آب رودخانه کرج…………………………………………………………………………………………………..24

3-1-3 داده­های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………..26

3-2  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……………………………………………………………………………………..36

3-2-4  مدول آبهای زیرزمینی…………………………………………………………………………………………….39

3-2-5 مدول روندیابی سهموی…………………………………………………………………………………………..40

3-2-5-1 روندیابی جریان رودخانه از بالادست…………………………………………………………………….40

3-2-5-2 روندیابی جریان لایه ای………………………………………………………………………………………41

3-2-6 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………………………………………………………………………………………………………………61

3-4-1 توسعه برنامه کامپیوتری بر مبنای الگوریتم PSO………………………………………………………….62

3-5 خلاصه و جمع بندی فصل…………………………………………………………………………………………..65

 

فصل چهارم- اعمال روش تحقیق بر منطقه مورد مطالعه، بحث و بررسی نتایج…………………………….67

 

4-1 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……………………………………………………………..70

4-1-3  محاسبه دمای میانگین حوضه بر اساس منحنی هیپسومتری.……………………………………………77

4-1-4 تولید سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه…………………………………………………………..80

4-2 توسعه مدل برف…………………………………………………………………………………………………………96

4-2-1 نتایج حاصل از مدل برف……………………………………………………………………………………….108

4-3 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.………………………………………………………111

4-3-3  تولید بهترین هیدروگراف خروجی شبیه سازی………………………………………………………….111

4-3-4 اعتبار سنجی مدل………………………………………………………………………………………………….114

4-4 بحث درباره پارامترهای مدل ARNO…………………………………………………………………………..115

4-4-1 پارامترهای مورد استفاده در کالیبراسیون……………………………………………………………………115

4-4-2 مقادیر برآورد شده پارامترها و بحث درباره آنها…………………………………………………………116

4-5 خلاصه و جمع بندی فصل…………………………………………………………………………………………121

 

 فصل پنجم- نتیجه گیری، جمع بندی و ارائه پیشنهاد برای تحقیقات آتی………………...……………….122

 

5-1 خلاصه تحقیق………………………………………………………………………………………………………….123

5-2 نتیجه گیری ها.…………………………………………………………………………………………………………123

5-2-1 محدودیت های بهینه سازی یک مدل هیدرولوژیکی …………………………………………………..124

5-3 ارائه پیشنهاد برای مطالعات آتی………………………………………………………………………………….125

مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………127

پیوست …………………………………………………………………………………………………………………………131

چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………………………….145

 

 

                                               فهرست جداول

عنوان                                                                                                            صفحه

جدول (3-1)  مقادیر تقریبی پارامترهای انتشار و پخش در حالت های مختلف……………………………42

جدول (4-1) اطلاعات مربوط به منحنی هیپسومتری حوضه آبریز کرج………………………………………69

جدول (4-2) رابطه خطی بین ارتفاع و دمای ماکزیمم روزانه و درونیابی

 به ازای ارتفاع میانه حوضه ……………………………………………………………………………………………….74

جدول (4-3) مقادیر متوسط دمای ماکزیمم، مینیمم، میانگین روزانه در بازه 7 ساله مورد بررسی…….75

جدول (4-4) مقادیر محاسبه شده Lapse rate برای دمای متوسط روزانه…………………………………..76

جدول (4-5) تقسیم حوضه به 1000 زیر بازه با مساحت مساوی.……………………………………………..78  

جدول(4-6) محاسبه دمای میانگین بلند مدت ماهیانه حوضه…………………………………………………….81 

جدول (4-7) مقادیر  در دماهای مختلف و به ازای ارتفاع های مختلف………………………………..88

جدول (4-8) محاسبه رگرسیون خطی بین دمای میانگین ماهیانه و تبخیر و تعرق پتانسیل………………89

جدول (4-9) جدول محاسبه رگرسیون خطی بین داده های ماهیانه…………………………………………….90

جدول (4-10) اعداد حاصل از کالیبراسیون…………………………………………………………………………117

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                            صفحه

فصل دوم

شکل (2-1) طبقه بندی انواع روشهای بهینه سازی.…………………………………………………………………13

 

فصل سوم

 

شکل (3-1) نمایش شبکه رودخانه ای و ایستگاههای واقع در حوضه کرج…………………………………21

شکل (3-2) نمایش پهنه های هیدرولوژیکی حوضه رودخانه کرج…………………………………………….22

شکل (3-3) نمایش شماتیک ریز آبه ها و رودخانه های فرعی حوضه کرج………………………………..23

شکل (3-4) وارنگه رود از شاخه های دائمی و پرآب رودخانه کرج…………………………………………24

شکل (3-5) سد امیر کبیر و حوضه کوهستانی رودخانه کرج……………………………………………………25

شکل (3-6) نمایش شماتیک پروسه های موجود در حوضه آبریز……………………………………………..28

شکل (3-7) نمایش شماتیک روندیابی………………………………………………………………………………….29

شکل (3-8)  نمایش کمیت های معرفی شده در مدل ARNO………………………………………………….30

شکل (3-9) توزیع تجمعی ظرفیت اشباع خاک………………………………………………………………………32

شکل (3-10) رواناب تولید شده توسط یک ورودی متئورولوژیکی مؤثر……………………………………33

شکل (3-11) نمایش نحوه عملکرد مدل ARNO……………………………………………………………………36

شکل (3-12) نمایش رفتار دسته جمعی ماهیان برای یافتن غذا…………………………………………………45

شکل (3-13) رفتار گروهی دسته به هنگام دفاع از خود.………………………………………………………….46

شکل (3-14) جستجوی پرندگان برای یافتن غذا……………………………………………………………………46

شکل (3-15) نمایش شماتیک یک مسئله بهینه سازی………………………………………………………………47

شکل (3-16) اصل جدایی………………………………………………………………………………………………….47

شکل (3-17) اصل هم ترازی……………………………………………………………………………………………..47

شکل (3-18) اصل پیوستگی………………………………………………………………………………………………48    

شکل(3-19) تمایل هر particle برای نزدیک شدن به محل آشیانه…………………………………………….48

شکل (3-20) تمایل particle برای نزدیک شدن به نزدیک ترین محل به آشیانه………………………….48

شکل (3-21) تبادل اطلاعات بین particle ها……………………………………………………………………….49

شكل (3-22) نمایش شماتیک موقعیت و سرعت  particleها در فضای جستجو…………………………49

شکل(3-23) نمایش PSO در دو حالت فراگیر و محلی…………………………………………………………..51

شکل (3-24) چند نمونه از توپولوژیهای مورد استفاده در الگوریتم PSO…………………………………..51

شکل (3-25) نمایش هندسی بردار سرعت به عنوان برآیندی از سه مؤلفه

ممنتوم، شناختی و اجتماعی…………………………………………………………………………………………………54

شکل (3-26) نمایش عملکرد PSO در فضای دو بعدی…………………………………………………………..55

شکل (3-27) ناپایداری سرعت در صورت استفاده از ضرایب شتاب بزرگ………………………………..57

شکل (3-28) تأثیر اندازه swarm……………………………………………………………………………………….60

شکل (3-29) نمایی از روش تحقیق…………………………………………………………………………………….61

شکل (3-30)  فلوچارت الگوریتم PSO……………………………………………………………………………….64

شکل (3-31) نحوه عملکرد الگوریتم PSO در بهینه سازی مدل ARNO……………………………………65

شکل (3-32) تعامل اجزای مختلف مدل ARNO…………………………………………………………………..66

 

فصل چهارم

 

شکل (4-1) منحنی هیپسومتری حوضه آبریز رودخانه کرج………………………………………………………70

شکل (4-2) نمایشisotherm  صفر درجه ((freezing level و خطوط هم دما

در یک محدوده کوهستانی………………………………………………………………………………………………….72

شکل (4-3) مقادیر متوسط دمای ماکزیمم، مینیمم و میانگین روزانه سه ایستگاه

در بازه 7 ساله مورد بررسی ……………………………………………………………………………………………….75

شکل (4-4) مقایسه دمای پیشنهاد شده توسط مدل های خطی برازش داده شده

به دمای متوسط روزانه و مقادیر مشاهداتی دمای متوسط روزانه ایستگاه ها…………………………………77

شکل (4-5) سری زمانی دمای میانگین روزانه حوضه……………………………………………………………..80

 

شکل (4-6) دمای میانگین بلند مدت ماه های سال…………………………………………………………………85

شکل (4-7) مقادیر بیشترین ساعات تابش در عرض جغرافیایی 36………………………………………….87

شکل (4-8) رابطه رگرسیونی درجه 2 برای محاسبه …………………………………………………………88

شکل (4-9) رگرسیون خطی بین داده های ماهیانه…………………………………………………………………..90

شکل (4-10) تبخیر و تعرق پتانسیل به روش thornthwaite اصلاح نشده…………………………………91

شکل(4-11) مقادیر تابش فرازمینی روزانه…………………………………………………………………………….93

شکل (4-12) محاسبه تبخیر و تعرق پتانسیل در ایستگاه سینوپتیک آبعلی

 (به روش فائو پنمن- مونتیت)…………………………………………………………………………………………….94

شکل (4-13) مقایسه مقادیر برآورد شده تبخیر و تعرق پتانسیل توسط

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

شکل (4-14) سری زمانی مجموع ماهیانه تبخیر و تعرق پتانسیل به دو روش

فائو پنمن مونتیت و Thornthwaite اصلاح شده……………………………………………………………………95

شکل (4-15) مقادیر میانگین بلند مدت مجموع تبخیر و تعرق پتانسیل ماهیانه

با دو روش پنمن و thornthwaite  اصلاح شده…………………………………………………………………….95

شکل (4-16) سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه آبریز کرج…………………………………………..96

شکل (4-17) سری زمانی مقادیر  روزانه………………………………………………………………………….98

شکل (4-18) سری زمانی  در محل ایستگاه سینوپتیک آبعلی……………………………………………….99

شکل (4-19) مقایسه سری زمانی تابش ورودی با استفاده از  

و تابش ورودی واقعی……………………………………………………………………………………………………….99

شکل (4-20) نحوه محاسبه تابش خالص و میزان ذوب برف………………………………………………….100

شکل (4-21) رابطه خطی بین اختلاف دمای ماکزیمم و ممینیموم مطلق روزانه و رطوبت نسبی……101

شکل (4-22) مقایسه مقادیر روزانه رطوبت نسبی مشاهداتی و محاسباتی برای ایستگاه آبعلی………101

شکل (4-23) مقایسه مقادیر  مشاهداتی و محاسباتی………………………………………………………..102

شکل (4-24) فلوچارت مدل ذوب برف……………………………………………………………………………..107

شکل (4-25) هیتوگراف مربوط به بارش اولیه……………………………………………………………………..109

شکل (4-26) هیتوگراف مربوط به بارش فرضی (بارش مازاد + ذوب برف)……………………………..109

شکل (4-27) مقایسه هیدروگراف شبیه سازی و مشاهداتی در دوره کالیبراسیون………………………..112

شکل (4-28) مقایسه مقادیر دبی روزانه مشاهداتی و محاسباتی در دوره کالیبراسیون………………….112

شکل (4-29) مقایسه هیدروگراف شبیه سازی و مشاهداتی در دوره صحت سنجی…………………….114

شکل (4-30) مقایسه مقادیر دبی روزانه مشاهداتی و محاسباتی در دوره صحت سنجی………………114

شکل (4-31) سری زمانی مقادیر رطوبت میانگین خاک ( )………………………………………………..119

شکل (4-32) سری زمانی تبخیر و تعرق واقعی برآورد شده توسط مدل…………………………………..119

شکل (4-33) توزیع تجمعی رطوبت خاک………………………………………………………………………….120