حجت الله یونسی

برآورد دقیق آبدهی رودخانه ها یکی از مهم ترین موارد کلیدی در مدیریت و برنامه ریزی منابع آب به ویژه اتخاذ تصمیمات صحیح در مواقع سیلاب و بروز خشک سالی ها است. برای برآورد میزان آبدهی رودخانه ها رویکردهای متنوعی در هیدرولوژی معرفی شده است که مدل های هوشمند از مهم ترین آن ها می باشد. در این پژوهش کاربرد مدل های هیبریدی ماشین بردار پشتیبان_ موجک و ماشین بردار پشتیبان-بیزین به منظور برآورد دبی رودخانه های حوضه آبریز کرخه براساس آمار آبدهی روزانه ایستگاههای هیدرومتری واقع در بالادست سد کرخه طی دوره آماری(1387-1397) مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. معیارهای ضریب همبستگی، ریشه میانگین مربعات خطا و میانگین قدر مطلق خطا برای ارزیابی و عملکرد مدلها مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد ساختارهای ترکیبی نتایج قابل قبولی در مدلسازی دبی رودخانه ارائه می نمایند. همچنین مقایسه مدل ها نشان داد مدل هیبریدی ماشین بردار پشتیبان-موجک دقت بهتری در پیش بینی جریان از خود نشان داده است. در مجموع نتایج نشان داد استفاده از مدل هیبریدی ماشین بردار پشتیبان می تواند در زمینه پیش بینی دبی روزانه مفید باشد .

اندازه گیری بار رسوبی در رودخانه ها معمولاً به اندازه گیری بار معلق محدود می شود؛ در نتیجه بهینه کردن منابع و کمینه کردن خسارت های ناشی از جریان در رودخانه ها از اهمیت بالایی برخوردار است. این تحقیق با هدف شبیه سازی سه بعدی جریان رودخانه کشکان در فصل بهار 1398 با استفاده از نرم افزار Mike3D.2018 انجام گرفت. برای این منظور با توجه به تهیه رقوم ارتفاعی (حاصل از نقشه برداری) از بستر و سیلاب دشت رودخانه مورد مطالعه به طول 1200 متر با مقیاس 1:1000 جهت انجام مدل سازی عددی به نرم افزار HEC-RAS5.0.7 معرفی و وارد است. از داده های ایستگاه هیدرومتری کشکان-پلدختر برای برآورد سیلاب، رسوب معلق و رسوب انتقالی طی دوره های بازگشت 25، 200، 1000 و 1250 سال مورد استفاده قرار گرفت. نتایج مدل نشان داد که سیلاب در مقاطع عرضی مختلف 1200 و 1100 به بیشترین میزان و در مقاطع عرضی 50 و 350 در کمترین میزان بوده است. رسوب کل با استفاده از رابطه یانگ 45/207 میلیون تن در روز و بار معلق را با خطای 87/11+ درصد شبیه سازی نموده و از مقایسه مقادیر با مقادیر مشاهداتی مشاهده شد که شبیه سازی در ایستگاه هیدرومتری کشکان پلدختر عملکرد بهتری نشان داد. هم چنین نتایج نشان داد که حجم رسوبات معلق انتقالی در فروردین ماه (31/5132779) نسبت به سایر ماه های دی (55/9890)، بهمن (73/41083)، اسفند(75/149629) و اردیبهشت (15/112617) زیادتر بوده و هم چنین میزان رسوب در این ماه نسبت به متوسط رسوبات انتقالی در رودخانه کشکان حجم بسیار بالایی را داشته است.

سیل از جمله پدیده های طبیعی است که هر ساله خسارات جانی و مالی زیادی را در دنیا به بار آورده و مشکلات عدیده ای را بر سر راه توسعه ی اقتصادی و اجتماعی کشورها ایجاد می نماید. از این رو جهت کاهش خسارات، کنترل و هدایت این پدیده، برآورد دبی سیلابی و شناسایی عوامل مؤثر بر آن بسیار حائز اهمیت می باشد. در این پژوهش، به منظور برآورد دبی سیلابی حوضه ی آبریز کشکان واقع در استان لرستان از مدل های هوش مصنوعی هیبریدی نوین شامل شبکه عصبی مصنوعی- تفنگدار خلاق، شبکه عصبی مصنوعی-عنکبوت بیوه سیاه و شبکه عصبی مصنوعی- ازدحام مرغ در طی دوره ی زمانی 1400-1390 استفاده شد. برای ارزیابی عملکرد شبیه سازی از شاخص های آماری ضریب تعیین (R2)، میانگین مطلق خطا (MAE)، ضریب کارایی نش- ساتکلیف (NSE) و درصد بایاس (PBIAS) استفاده گردید. نتایج نشان داد که بطور کلی مدل های هوش مصنوعی هیبریدی عملکرد بهتری نسبت به مدل منفرد در برآورد دبی سیلابی دارند. نتایج نشان داد مدل شبکه عصبی مصنوعی- تفنگدار خلاق نسبت به سایر مدل ها از دقت بیشتر و خطای کمتری برخوردار است. در مجموع نتایج نشان داد استفاده از مدل های هوش مصنوعی هیبریدی در برآورد دبی سیلابی موثر بوده و می تواند به عنوان راهکاری مناسب و سریع در مدیریت منابع آب مطرح شود.

سابقه و هدف: تعیین مقدار ضریب رواناب یکی از بزرگ ترین مشکلات و منبع اصلی فقدان اطمینان در بسیاری از پروژه های منابع آب است. در بیشتر پژوهش هایی که در زمینه منابع آب انجام می شود، مقادیر ضریب رواناب از جدول های مقادیر با توجه به شرایط منطقه مورد مطالعه برداشته می شود. نگرانی اصلی، در این روش، انتخاب مقادیری است که به صورت ذهنی طبق روشی مبهم انتخاب می شوند و قضاوتی شخصی را درباره داده های مفید منعکس می کنند؛ ازاین رو برای تعیین ضریب رواناب باید روشی مناسب انتخاب شود.مواد و روش ها: به منظور اجرای این پژوهش، از داده هایی شامل اطلاعات مدل رقومی ارتفاعی، کلاس های کاربری اراضی، بافت خاک و آمار هواشناسی و هیدرولوژیکی (بارش و رواناب) مرتبط با منطقه مورد پژوهش، طی دوره آماری بیست ساله ای (1380-1400)، استفاده شد. با استفاده از نقشه کاربری اخذ شده اراضی، نقشه کاربری اراضی محدوده در نُه کاربری طبقه بندی شد. همچنین برای تهیه نقشه گروه های هیدرولوژیکی خاک، نقشه بافت خاک در عمق 200سانتی متری محدوده مطالعاتی سلسله به کار رفت و با توجه به نوع بافت خاک، گروه هیدرولوژیکی خاک مختص هر محدوده استخراج شد. در نهایت، گروه هیدرولوژیک خاک در سه دسته (A,B,C) قرار گرفت. نقشه لایه کاربری اراضی و گروه های هیدرولوژیکی خاک وارد محیط ابزار Arc CN – Runoff شد و در نهایت، عملیات تلفیق روی دو لایه اعمال و لایه کاربری اراضی – گروه هیدرولوژیکی (Land Soil) تهیه شد؛ این لایه جدید فقط سطح پوشیده شده با دو لایه را نشان می دهد و نقشه شماره منحنی رواناب، نگهداشت سطحی خاک، حجم، ارتفاع و ضریب رواناب براساس این لایه تهیه می شود. در نهایت، مقدار ضریب رواناب در سه حالت وضعیت رطوبتی خشک، متوسط و مرطوب برآورد شد و مقایسه ای صورت گرفت.نتایج: نتایج پژوهش نشان داد، در محدوده مطالعاتی سلسله، میزان ضریب رواناب (CR) در سه حالت وضعیت رطوبتی خشک، متوسط و تر، به ترتیب برابر با 26/0، 53/0 و 77/0 است. بنابراین حالت رطوبتی خشک، در قیاس با متوسط، 68% کاهش و حالت رطوبتی تر، در مقایسه با متوسط، 37% افزایش داشته است. بررسی همبستگی بین ضریب رواناب و مشخصات محدوده مطالعاتی نشان داد که در محدوده مطالعاتی سلسله، ضریب رواناب تحت تأثیر شش ویژگی فیزیوگرافی محدوده مطالعاتی مساحت، شیب، طول آبراهه و ضریب گراولیوس، حداکثر ارتفاع و تراکم آبراهه ای است. مقدار شماره منحنی رواناب (CN) در حالت رطوبتی خشک، متوسط و تر برای کل محدوده، به ترتیب برابر با 65، 81 و 92 برآورد شد. میزان نگهداشت سطحی خاک (S) در حالت رطوبتی خشک، متوسط و تر، درمورد کل محدوده، به ترتیب برابر با 74/138، 60/59 و 42/23 میلی متر به دست آمد. میزان ارتفاع رواناب (Q) در حالت رطوبتی خشک، متوسط و تر، درمورد کل محدوده، به ترتیب 78/27، 73/55 و 31/79 میلی متر برآورد شد. میزان حجم رواناب (V) در حالت رطوبتی خشک و متوسط و تر، درمورد کل محدوده، به ترتیب 64/3710، 03/7164 و 46/10070هزار مترمکعب حاصل شد.نتیجه گیری: این شرایط نیازمند اجرای اقدامات اساسی به منظور افزایش پوشش گیاهی، شامل عملیات چاله کندن و جویچه تراز همراه با طرح های افزایش پوشش گیاهی، اغلب به صورت بوته کاری و بذرپاشی گیاهان مرتعی در محدوده است و بارش منطقه می تواند رطوبت کافی را برای موفقیت آنها فراهم کند. استقرار سامانه جمع آوری آب باران نیز، با توجه به نفوذپذیری کم خاک منطقه، می تواند مؤثر باشد و از آن در افزایش پوشش گیاهی و دیگر مصارف استفاده شود.

در این پژوهش سعی شده با تلفیق سیستم اطلاعات جغرافیایی و سیستم های تصمیم گیری چندمعیاره (MCDM)، مناطق با درجات مختلف ریسک سیلاب جهت استقرار پایدار جمعیت در سطح هر یک از شهرستان های استان خراسان رضوی شناسایی شوند. بدین منظور، ابتدا داده های 6 پارامتر موثر شامل حداکثر دبی با دوره بازگشت های 2، 3، 5، 10، 25، 50، 100 و 200 ساله حاصل از خروجی نرم افزار HEC-HMS، تراکم زهکشی، کاربری اراضی و پوشش گیاهی، CN، شیب و نفوذپذیری منطقه مورد مطالعه، در محیط نرم افزار GIS آماده سازی گردید. سپس با استفاده از روش ANP و مقایسه زوجی به ترتیب وزن هر معیار و وزن کلاس های هر لایه در نرم افزار Super Decision محاسبه شد. سپس با استفاده از توابع تحلیل نرم افزار GIS، کل محدوده برای هر یک از معیارهای تعیین شده پهنه بندی شد .در نهایت، با تلفیق نقشه های پهنه بندی شده براساس وزن از روش ANP نقشه نهایی در پنج کلاس سیلخیزی خیلی کم تا سیلخیزی خیلی زیاد تهیه شد. نتایج نشان داد مساحت شهر هایی که در معرض سیلخیزی با درجه خیلی زیاد هستند همچنین نتایج پهنه بندی ریسک سیلاب با دوره بازگشت 2 ساله در سطح کل استان نشان داد که بیش از 86 درصد مناطق دارای سیلخیزی کم و خیلی کم، 2/12 درصد مناطق متوسط و 8/1 درصد نیز از لحاظ سیل خیزی در درجه زیاد می باشد. در حالیکه نتایج پهنه سیلابی در دوره بازگشت 200 ساله نشان داد که 3/41 درصد سیلخیزی کم، 4/31 درصد سیلخیزی متوسط، 3/13 درصد سیلخیزی زیاد و 1/14 درصد سیلخیزی خیلی زیاد را در سطح کل استان شامل می شود.

یکی از روش های معمول کنترل فرسایش کناری و ساماندهی رودخانه ها استفاده از آبشکن است. در این خصوص در نظر گرفتن همزمان چندین هدف مختلف و گاها متضاد در کنار یکدیگر در مطالعات مهندسی رودخانه می تواند از اهمیت زیادی برخوردار باشد. به همین منظور در این پژوهش طراحی بهینه ی ابعاد با اهداف کمینه کردن هزینه و بیشینه کردن دبی بار بستر مدنظر قرار گرفت. در مدل مورد مطالعه از تلفیق مدل مورفولوژیکی، طراحی و الگوریتم بهینه سازی چندهدفه جستجوی هارمونی استفاده گردید. همچنین برای بررسی پایداری مقطع از روش تئوری های حدی استفاده شد. پس از آنالیز حساسیت پارامترهای دبی، شیب و عرض اولیه رودخانه، صحت سنجی مدل با استفاده از داده های زنجان رود و با درنظر گرفتن معادله بار بستر فان-راین و معادله آبشستگی گیل انجام گرفت. سپس براساس جبهه پارتو سناریوهای مختلف استخراج گردید. نتایج بدست آمده نشان داد که مدل ارائه شده در مقایسه با طراحی انجام شده توسط سایر محققین، جواب های بهینه تری را ارائه داده است. براساس کمترین فاصله اقلیدسی نسبت به نقطه ایده آل، به ترتیب 90/63 درصد هزینه کمتر و 48/25 درصد دبی انتقال بار بستر بیشتری را نسبت به طراحی انجام شده توسط حسینی و همکاران (1382) و به ترتیب 3/3 درصد هزینه کمتر و 62/16 درصد دبی انتقال بار بستر بیشتری را نسبت به مدل استادی و همکاران (1393) ارائه می دهد که نشان دهنده کارایی مطلوب و دقت بهتر مدل پیشنهادی است.

امروزه مدل های هیبریدی هوش مصنوعی به عنوان یک روش مناسب برای شبیه سازی پدیده های هیدرولوژیکی از جمله برآورد کمی جریان رودخانه ها مطرح است. بدین منظور جهت برآورد میزان آبدهی رودخانه ها رویکردهای متنوعی در هیدرولوژی وجود دارد که مدل های هوش مصنوعی از مهم ترین آن ها می باشد.  بنابراین در این پژوهش عملکرد مدل های رگرسیون بردار پشتیبان_ موجک، رگرسیون بردار پشتیبان_گرگ خاکستری و رگرسیون بردار پشتیبان_خفاش جهت شبیه سازی دبی رودخانه کشکان واقع در استان لرستان طی دوره ی آماری 1399-1389 در مقیاس زمانی روزانه ی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. معیارهای ضریب همبستگی، ریشه ی میانگین مربعات خطا و میانگین قدر مطلق خطا و بایاس برای ارزیابی و عملکرد مدل ها انتخاب شد. نتایج نشان داد الگوهای ترکیبی نتایج قابل قبولی در شبیه سازی دبی رودخانه دارند. مقایسه ی مدل ها نیز نشان داد مدل رگرسیون بردار پشتیبان-موجک در مرحله ی صحت سنجی مقادیر 960/0R2=، 045/0RMSE=، 024/0MAE =، 968/0NS= و001/0BIAS= در پیش بینی جریان روزانه ی رودخانه از خود نشان داده است. در مجموع نتایج نشان داد استفاده از مدل هیبریدی رگرسیون بردار پشتیبان-موجک می تواند در زمینه ی پیش بینی دبی روزانه مفید باشد.