تعیین حوزه‌‏های آبخیز همگن با استفاده از الگوریتم جستجوی موجودات هم‌‏زیست

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اصفهان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، اصفهان، ایران

چکیده

استفاده از الگوریتم‏‌های فرا‌ ابتکاری در علوم مختلف به‌طور روز افزون در حال گسترش است. کاربرد آن‏‌ها در شناخت و مدل‏‌سازی پدیده‏‌های طبیعی نظیر سیل و خشکسالی به لحاظ طبیعت و مکانیسم پیچیده و تعامل غیر‏خطی عوامل موثر بر آن نمونه‏‌ای از توانایی و پتانسیل این الگوریتم‌‏ها در هیدرولوژی می‌‏باشد. در این مقاله، نخست به معرفی الگوریتم جستجوی موجودات هم‏‌زیست پرداخته می‌‏شود و در ادامه کاربرد آن در بهینه‌‏سازی سامانه‏‌های فازی و با هدف یافتن ناحیه اثر ایستگاه‌‏های واقع در حاشیه جنوبی دریای خزر مورد بحث قرار می‏‌گیرد. این حوضه سالیانه شاهد وقوع سیلاب‏‌های مخرب بوده و متعاقبا صدمات جانی و مالی بوده است. یافته‏‌های این پژوهش برای برآورد سیلاب حوضه و متعاقبا طراحی سازه‌‏های کنترل سیلاب استفاده می‌‏شود. تعداد 61 ایستگاه آب­‌سنجی واقع در این منطقه در ‏نظر گرفته شده، مشخصات فیزیکی، اقلیمی و هیدرولوژیک آن‏‌ها شامل مساحت، محیط، ارتفاع کمینه، ارتفاع بیشینه، ارتفاع متوسط، شیب متوسط، طول آبراهه اصلی، شیب آبراهه اصلی، طول مستطیل معادل، عرض مستطیل معادل، عامل فرم، ضریب شکل، ضریب گراولیوس، ضریب گردی، ضریب فشردگی و بارش متوسط سالیانه تعیین شده است. طبق نتایج حاصل از آزمون تحلیل مولفه‌­های اصلی از بین 16 پارامتر مورد بررسی، مساحت، ارتفاع متوسط، ضریب شکل و ضریب گراولیوس حوضه به­‌همراه بارندگی متوسط حوضه به‌‏عنوان مهمترین عوامل برای آزمون همگنی هستند. این عوامل به‌‏عنوان ورودی سامانه فازی استفاده شد که منجر به تولید نواحی همگن شد. الگوریتم جستجوی موجودات هم‌‏زیست برای بهینه‌‏سازی این گروه‌های همگن و طی فرایند‏های تکراری به‌­کار گرفته شد. در نهایت، عملکرد الگوریتم و صحت و سقم این نتایج به‌­دست آمده با استفاده از آماره ناهمگنی گشتاور خطی ارزیابی شد. بدین‌­ترتیب، تعداد 61 ناحیه اثر که بیانگر نواحی همگن برای هر یک از 61 حوضه مورد مطالعه است، به­‌دست آمد. نتایج این مطالعه بیانگر کارایی روش پیشنهادی در تعیین ناحیه اثر حوزه‏‌های آبخیز منطقه دارد. پراکنش جغرافیایی ناحیه اثر ایستگاه‏‌ها (ایستگاه‏‌های همگن با ایستگاه هدف) نشان می‌‏دهد که مجاورت جغرافیایی الزاما دلالت بر همگنی حوضه‏‌ها ندارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Determination of homogenous catchments using Symbiotic Organism Search Algorithm

نویسنده [English]

  • Sattar Chavoshi
Assistant Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Department, Isfahan Agricultural and Natural Resources, Research and Education Center, AREEO, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Metaheuristic algorithms have been increasingly used in different fields. The application of these algorithms for identifying and modelling natural phenomena such as flood and drought in terms of complexity and non-linear interactions can be considered as their capability in hydrology. In this paper, Symbiotic Organism Search (SOS) algorithm was first introduced, then its application in tuning fuzzy expert system, aiming to find the region of influence area of hydrometric stations in the Southern Caspian Sea Basin. This basin has regularly experienced flood events, causing human loss and properties damages every year. The outcome of this research is used to estimate floods, and subsequently, to design flood control structures. A total of 61 hydrometric stations were selected in the study area and their physical, climatic and hydrologic characteristics including area, perimeter, minimum elevation, maximum elevation, mean slope, stream length, slope of main stream, equivalent rectangle length, equivalent rectangle width, form factor, shape coefficient, Gravelious factor, round coefficient, and mean annual precipitation were determined. Results indicated that out of 16 parameters, area, mean elevation, form factor, Gravelious factor, and mean annual rainfall, were the most significant parameters in relation to flood by employing the SOS. These variables were used as the input variables into the fuzzy system and SOS algorithm to tune the fuzzy system. Finally, the efficiency of the SOS algorithm was evaluated using the linear torque heterogeneity statistic. Therefore, 61 influence areas were determined that show homogenous areas in 61 watersheds. Results indicated the performance of SOS in determining region of influence of the sub-basins in the study area. In addition, the geographical vicinity is not a suitable criterion for finding homogenous areas.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Catchment similarity
  • Meta-heuristic Algorithm
  • optimization
  • Region of Influence
  • Regional flood frequency analysis