کاربرد آنالیز بیز و فیلتر ذره‌ای در مدل‌های بارش-رواناب و تحلیل عدم قطعیت

سابقه و هدف: استفاده از مدل‌های هیدرولوژیکی و انجام پیش‌بینی در مطالعات مختلف منابع آب یک ضرورت می‌باشد. پیش‌بینی جریان خروجی از حوضه‌های آبریز با توجه به پیچیدگی‌های موجود در چرخه هیدرولوژیکی همواره با انجام فرض‌هایی همراه است. با توجه به ساده‌سازی در روابط توسعه داده شده در ساختار مدل‌های بارش-رواناب و فرضیات بکار رفته در آن‌ها، پیش‌بینی‌ها همواره با عدم قطعیت همراه می‌باشند. منابع عدم قطعیت در این مدل‌ها را می‌توان در سه دسته که ناشی از بکارگیری پارامترها، ساختار مدل و داده‌های مورد استفاده می‌باشند، دسته‌بندی نمود. لزوم تدقیق پیش‌بینی‌ها و ارائه عدم قطعیت مدل‌ها بایستی مورد توجه قرار گرفته و برای تحلیل این موضوع روش‌های مختلفی ارائه شده است. از جمله روش‌های پیشنهادی شیوه بروزرسانی داده‌ها می‌باشد و فیلتر ذره‌ای از روش‌های توسعه داده شده در این خصوص می‌باشد. هدف از این پژوهش استفاده از روش فیلتر ذره‌ای در بروزرسانی و بهبود پیش‌بینی جریان آب شبیه‌سازی شده توسط مدل‌ بارش-رواناب HYMOD با لحاظ جریان مشاهداتی می‌باشد. همچنین با کاربرد این روش کمی‌سازی عدم قطعیت و کاهش آن با توجه به منابع مختلف خطا مورد ارزیابی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: در این مطالعه، برای تدقیق پیش‌بینی‌ها از شیوه بروزرسانی داده‌ها استفاده گردید. این روش با بکارگیری فیلتر ذره‌ای، تخمین متوالی بیز و تابع توزیع پسین مقدار رطوبت مدل Hymod و پارامترهای آن را در حوضه آبریز کسیلیان با مساحت حدود 67 کیلومتر مربع در مقیاس روزانه محاسبه شد. فیلتر ذرهای بر پایه معادله بیز و تابع حداکثر درستنمایی خطاها در بازه زمانی مورد نظر می‌باشد. ضمناً در بکارگیری این شیوه باید از روش ترکیبی بازنمونه‌گیری احتمالاتی نیز استفاده کرد. این روش از واگرایی تحلیل‌ها جلوگیری کرده و همچنین مشکلاتی نظیر تبهگنی و پدیده غنی‌سازی دسته ذرات و میل نمودن وزن دسته ذرات به عدد واحد را تصحیح می‌نماید. یافته‌ها : روش فیلتر ذره‌ای استفاده از پارامترهای مدل در شبیه‌سازی و پیش‌بینی جریان با تولید دسته پارامترهای تصادفی و ایجاد توزیع پیشین را امکان‌پذیر می‌نماید. این شیوه در تدقیق پیش‌بینی‌ها و استفاده توأمان از متغیر رطوبت خاک و پارامترها در تحلیل‌ها مؤثر است. همچنین با تعریف تابع درستنمایی خطای اولیه و بکار بردن تئوری بیز نسبت به اصلاح پیش‌بینی‌ها کمک می‌نماید. بعلاوه این روش تابع چگالی احتمال پسین پارامترها را نیز ارائه نموده و تابع چگالی اولیه را اصلاح می‌کند. نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که استفاده از روش فیلتر ذره‌ای در ترکیب با شیوه بازنمونه‌گیری آماری در بروزرسانی هیدرولوژیکی سبب تدقیق پیش‌بینی‌ها در حوضه آبریز کسیلیان می‌گردد. همچنین روش فیلتر ذره‌ای سبب می‌گردد که شاخص نش- ساتکلیف در مقایسه با شیوه متداول در شبیه‌سازی و پیش‌بینی جریان، 22 درصد افزایش داشته و مقدار آن از 55/0 به 67/0 برسد.