واسنجی مدل SWAT با تلفیق الگوریتم تکاملی PSO و روش تاگوچی - حسین شیرانی; انیس اسدی; سمیه صدر; علی اصغر بسالت پور; عیسی اسفندیار پور (Muhandisī va mudirīyyat-i ābkhīz)
مقدمه مدلSWAT، یک ابزار مناسب برای شبیه‌سازی فرایندهای هیدرولوژیکی است. این مدل به ورودی‌های زیادی نیاز دارند که غالبا به‌صورت مستقیم قابل اندازه‌گیری نیستند و یکی از اصلی‌ترین منابع عدم قطعیت در این مدل‌ها محسوب می‌شود. فرایند واسنجی می‌تواند با تعدیل و تطبیق این ورودی‌ها موجب کاهش عدم قطعیت در نتایج مدل شود. پژوهش‌ها نشان دادند که واسنجی یک مدل هیدرولوژیکی با استفاده از الگوریتم‌های متداول واسنجی خودکار رزومه، دقت مناسبی در پیش‌بینی متغیرهای هیدرولوژیکی در دوره اعتبار‌سنجی به وجود نخواهد آورد. لذا، به‌منظور واسنجی مدل SWAT از الگوریتم PSO استفاده شد. از آنجا که هیچ قانون ریاضی و منطقی برای تعیین بهترین ترکیب پارامترهای الگوریتم PSO وجود ندارد و این ترکیب‌ها به اساس آزمون و خطا و از میان ترکیب‌های بسیار متنوع انتخاب می‌شوند، لذا، روش‌های مبتنی بر آزمون و خطا بسیار وقت‌گیر و گاهی غیر‌ممکن است. در این پژوهش، از روش تاگوچی برای تعیین بهترین ترکیب حاصل از پارامترهای الگوریتم PSO مورد استفاده قرار گرفت. مواد و روش‌‌‌ها در این پژوهش، قابلیت استفاده از مدل SWAT برای شبیه‌سازی رواناب ماهانه در حوزه آبخیز جوانمردی، از زیرحوضه‌های اصلی حوزه آبخیز لردگان با مساحت 380 کیلومتر مربع بررسی شد. در این پژوهش، پارامترهای الگوریتم PSO شامل تعداد شبیه‌سازی ‌(A)، تعداد تکرار ‌(B)، وزن محاسبه سرعت ‌(C) و پارامتر حرکت (D)، در چهار سطح تعریف شدند. سپس این پارامترها، مطابق آزمایش‌های موجود در آرایه متعامد L16 (با استفاده از روش طراحی آزمایش‌های تاگوچی)، طراحی و اجرا شدند. مقیاس عملکردی مورد استفاده برای ارزیابی الگوریتم‌ها، RPD (درصد انحراف نسبی) انتخاب شد. با توجه به ماهیت متغیر پاسخ در این پژوهش، برای تحلیل نتایج آزمایش تاگوچی از شاخص S/N "هر‌چه کمتر، بهتر" استفاده شد. مرحله انتخاب آرایه‌ها و محاسبات در نرم‌افزار Minitab 16 انجام گرفت. نتایج و بحث در مرحله تحلیل حساسیت که پیش از واسنجی مدل انجام شد، از میان 28 پارامتر مورد بررسی در این پژوهش، مدل نسبت به تغییرات 22 پارامتر حساسیت نشان داده و به‌عنوان متغیرهای اثرگذار بر شبیه‌سازی رواناب در حوزه آبخیز جوانمردی مشخص شدند. نتایج نشان داد که پارامتر عدد منحنی راواناب (CN)، مهمترین عامل و پارامترهای جرم مخصوص ظاهری خاک در حالت مرطوب (SOL_BD) و متوسط آب قابل استفاده به‌وسیله گیاه (SOL_AWC) به‌ترتیب در زمره مهمترین عوامل کنترل‌کننده دبی جریان در حوضه مطالعاتی هستند. بر اساس نتایج شبیه‌سازی شده به‌وسیله الگوریتم PSO مشخص شد که مدل SWAT دقت قابل قبولی برای برآورد رواناب ماهانه در منطقه مورد مطالعه دارد. به‌طوری‌‌که در مرحله واسنجی شاخص‌های r-factor و p-factor به‌ترتیب 1.23 و 0.88 و ضرایب تبیین و نش-‌ساتکلیف نیز به‌ترتیب برابر 0.77 و 0.75 بودند. در مرحله اعتبارسنجی نیز شاخص‌های r-factor و p-factor به‌ترتیب 1.31 و 0.84 و ضرایب تبیین و نش-‌ساتکلیف نیز به‌ترتیب برابر 0.72 و 0.73 بودند. در این پژوهش، بهترین ترکیب حاصل از کاربرد روش تاگوچی برای پارامتر‌های تعداد شبیه‌سازی، تعداد تکرار، وزن محاسبه سرعت و پارامترهای مناسب در الگوریتم PSO به‌ترتیب 40، 100، 0.2 و 0.15 (A4B4C4D3) تعیین شد. نتیجه گیری نتایج گویای این است که مدل SWAT، دقت قابل قبولی برای برآورد رواناب ماهانه در حوزه آبخیز جوانمردی داشته، روش PSO الگوریتم موثری در واسنجی و تعیین عدم قطعیت مدل در این حوضه بوده است. همچنین، استفاده از روش طراحی آزمایش‌ها تاگوچی، راهی مناسب برای تعیین بهترین ترکیب پارامترهای الگوریتم PSO برای محققانی است که از این روش برای بهینه‌سازی مدل SWAT استفاده می‌کنند.