کاربرد آنالیز بیز و فیلتر ذره ای در مدل های بارش-رواناب و تحلیل عدم قطعیت

استفاده از مدل های هیدرولوژیکی و انجام پیش بینی در مطالعات مختلف منابع آب یک ضرورت می باشد. پیش بینی جریان خروجی از حوضه های آبریز با توجه به پیچیدگی های موجود در چرخه هیدرولوژیکی همواره با انجام فرض هایی همراه است. با توجه به ساده سازی در روابط توسعه داده شده در ساختار مدل های بارش-رواناب و فرضیات بکار رفته در آن ها، پیش بینی ها همواره با عدم قطعیت همراه می باشند. منابع عدم قطعیت در این مدل ها را می توان در سه دسته که ناشی از بکارگیری پارامترها، ساختار مدل و داده های مورد استفاده می باشند، دسته بندی نمود. لزوم تدقیق پیش بینی ها و ارائه عدم قطعیت مدل ها بایستی مورد توجه قرار گرفته و برای تحلیل این موضوع روش های مختلفی ارائه شده است. از جمله روش های پیشنهادی شیوه بروزرسانی داده ها می باشد و فیلتر ذره ای از روش های توسعه داده شده در این خصوص می باشد. هدف از این پژوهش استفاده از روش فیلتر ذره ای در بروزرسانی و بهبود پیش بینی جریان آب شبیه سازی شده توسط مدل بارش-رواناب HYMOD با لحاظ جریان مشاهداتی می باشد. همچنین با کاربرد این روش کمی سازی عدم قطعیت و کاهش آن با توجه به منابع مختلف خطا مورد ارزیابی قرار گرفت.
در این مطالعه، برای تدقیق پیش بینی ها از شیوه بروزرسانی داده ها استفاده گردید. این روش با بکارگیری فیلتر ذره ای، 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 می باشد. ضمنا در بکارگیری این شیوه باید از روش ترکیبی بازنمونه گیری احتمالاتی نیز استفاده کرد. این روش از واگرایی تحلیل ها جلوگیری کرده و همچنین مشکلاتی نظیر تبهگنی و پدیده غنی سازی دسته ذرات و میل نمودن وزن دسته ذرات به عدد واحد را تصحیح می نماید.
روش فیلتر ذره ای استفاده از پارامترهای مدل در شبیه سازی و پیش بینی جریان با تولید دسته پارامترهای تصادفی و ایجاد توزیع پیشین را امکان پذیر می نماید. این شیوه در تدقیق پیش بینی ها و استفاده توامان از متغیر رطوبت خاک و پارامترها در تحلیل ها موثر است. همچنین با تعریف تابع درستنمایی خطای اولیه و بکار بردن تئوری بیز نسبت به اصلاح پیش بینی ها کمک می نماید. بعلاوه این روش تابع چگالی احتمال پسین پارامترها را نیز ارائه نموده و تابع چگالی اولیه را اصلاح می کند.
نتایج نشان داد که استفاده از روش فیلتر ذره ای در ترکیب با شیوه بازنمونه گیری آماری در بروزرسانی هیدرولوژیکی سبب تدقیق پیش بینی ها در حوضه آبریز کسیلیان می گردد. همچنین روش فیلتر ذره ای سبب می گردد که شاخص نش- ساتکلیف در مقایسه با شیوه متداول در شبیه سازی و پیش بینی جریان، 22 درصد افزایش داشته و مقدار آن از 55/0 به 67/0 برسد.