انواع مدل های شبیه ساز

مدل های شبیه سازی به دو گروه اصلی تقسیم می شوند: مدل های فیزیکی و مدل های ریاضی. مدل فیزیکی، یک ارائه فیزیکی از دنیای واقعی است به نحوی که در ساختار، ساده تر ولی خصوصیاتی مشابه با دنیای واقعی دارد. یک مثال از مدل های فیزیکی حوضه های آبخیز، شبیه سازهای باران و حوضه های آزمایشگاهی است. مدل ریاضی (حاوی) یک نگرش یا برداشت ذهنی از دنیای واقعی است که خصوصیات مهم ساختاری واقعیت را حفظ می کند. از آنجا که مدل های فیزیکی در اصل تغییرناپذیرند، در مقایسه با مدل های ریاضی از انعطاف کم تری برخوردارند. مدل های ریاضی اغلب توسط کامپیوتر اجرا می شوند و مدل های کامپیوتری نامیده می شوند. بیش تر مدل های کامپیوتری در سه دهه اخیر توسعه یافته اند. ساخت مدل های فیزیکی حوضه ها گران است و از کارایی محدودی برخوردارند. در حالی که مدل های ریاضی به آسانی در دسترس قرار می گیرند، از نظر تغییر ورودی ها به راحتی انعطاف پذیرند و نسبتا گران نیستند. بنابراین عجیب نیست که مدل های ریاضی برای حل مسایل حوضه ها بیش تر مورد استفاده قرار گیرد.

مدل های ریاضی انواع گوناگونی دارند. آگاهی از دست هبندی مدل ها به انتخاب مدل در کاربرد مورد نظر کمک می کند. معمولا یک مدل ریاضی حوضه آبخیز از چندین بخش تشکیل می شود. هر بخش اصلی، جزیی از فرآیندهای سیکل هیدرولوژیک را توصیف می کند. یک مدل ریاضی می تواند یکی از سه نوع نظری، مفهومی و یا تجربی باشد. مدل های نظری و تجربی در معنی متضاد یکدیگرند و مدل مفهومی در بین این دو قرار می گیرد. علاوه بر این مدل ریاضی می تواند، قطعی یا احتمالاتی باشد. انواع دیگر طبقه بندی مدل های ریاضی شامل خطی یا غیرخطی، ایستا یا غیرایستا یکپارچه یا توزیعی، پیوسته یا گسسته، تحلیلی یا عددی و تک واقعه ای یا فرآیند پیوسته می باشند.

مدل های یکپارچه در مقابل مدل های توزیعی

اصطلاح مدل پارامتر یکپارچه که به اختصار مدل یکپارچه نامیده می شود، به مدلی اشاره دارد که در آن پارامترها در همه نقاط داخل حوضه یکسان در نظر گرفته می شود. به عبارتی، کل حوضه به عنوان یک واحد یکپارچه و با پارامترهای یکنواخت شبیه سازی می شود، بنابراین پاسخ حوضه، تنها در خروجی حوضه برآورد می شود بدون آن که پاسخ در واحدهای کوچک تر داخل حوضه به صورت صریح به دست آید. هیدروگراف واحد نوعی از مدل های پارامتر یکپارچه است.

اصطلاح مدل با پارامتر توزیعی که به اختصار مدل توزیعی خوانده می شود، به مدلی اختصاص دارد که در آن پارامترها می توانند در فضای داخل حوضه متغیر باشند. به عبارت دیگر در این مدل می توان تغییرات مکانی پارامترها را در داخل حوضه در نظر گرفت. بنابراین یک مدل توزیعی می تواند پاسخ ها را در واحدهای داخل حوضه نیز محاسبه کند. در نتیجه یک مدل توزیعی، نسبت به یک مدل یکپارچه می تواند جزییات بیش تری از فرآیندهای هیدرولوژیکی حوضه آبریز را شبیه سازی کند و در اختیار کاربر قرار دهد. مدل های توزیعی امکان شبیه سازی تغییرات مکانی بارش و تغییرات مکانی سایر عوامل هیدرولوژیکی را فراهم م یکنند. با این حال برای آنکه شبیه سازی توزیعی معنی دار باشد، باید کیفیت و کمیت داده های در دسترس متناسب با توانایی مدل در شبیه سازی جزییات باشد.

با وجود آنکه مفاهیم مدل یکپارچه و مدل توزیعی در معنی متضاد یکدیگرند، اما لازم نیست که این مدل ها حتما جدا از هم استفاده شوند. مدل های یکپارچه می توانند به عنوان اجزای مدل های بزرگ توزیعی مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان یک مثال، یک مدل یکپارچه (مثلا هیدروگراف واحد) برای تولید هیدروگراف یک زیرحوضه به کار می رود. ترکیبی از هیدروگراف های زیرحوضه ها با روندیابی در شبکه آبراهه ها و مخازن، هیدروگراف خروجی حوضه را تشکیل می دهد. از آنجا که پارامترها از یک زیرحوضه به زیرحوضه دیگر تغییر می کنند و هیدروگراف ها در نقاط مشخصی از شبکه آبراهه با هم ترکیب می شوند، مدل شبکه ضرورتا یک ساختار نیمه توزیعی دارد. اصولا سطح شکست حوضه به اجزای مکانی، تعیین کننده نوع مدل خواهد بود. در سطح شکست به تعدادی زیرحوضه، مدل حاصل نیمه توزیعی است. ولی با شکست حوضه به وسیله یک شبکه سلولی مدل حاصل از نوع کاملا توزیعی می باشد.

مدل های تک واقعه ای در مقابل مدل های فرآیند پیوسته

مدل های حوضه می توانند، ت کواقعه ای یا فرآیند پیوسته باشند. در این طبقه بندی مدل های تک واقعه ای، کوتاه مدت 4 هستند و برای شبیه سازی وقایع منفرد بارش - رواناب طراحی شده اند. هدف مدل های تک واقعه ای برآورد رواناب مستقیم است و تأکید این مدل ها بر نفوذ و رواناب سطحی می باشد. مدل های تک واقعه ای در محاسبه جریان سیلاب به کار می روند، به خصوص در مواردی که سهم عمده رواناب کل، مربوط به رواناب مستقیم باشد. طراحی مدل های تک واقعه ای به گون های نیست که بتوانند انتقال رطوبت بین دو بارش منفرد را در نظر بگیرند. بنابراین برای شبیه سازی جریان در مواقعی که بارش اتفاق نمی افتد (مانند جریان روزانه در کل سال)، مناسب نیستند.

برخلاف مدل های تک واقعه ای، مدل های فرآیند پیوسته مولفه های جریان شامل رواناب مستقیم (رواناب سطحی) و جریان غیرمستقیم شامل جریان زیرسطحی و جریان آ بهای زیرزمینی را به صورت صریح محاسبه می کنند. مدل های فرآیند پیوسته، فرآیند درازمدت هیدرولوژیکی، مانند تبخیر و تعرق که در زمان های بدون بارش بر روی انتقال رطوبت و موازنه رطوبت موثرند را درنظر می گیرند. هدف از مدل های فرآیند پیوسته، محاسبه موازنه آب و رطوبت در کل حوضه در یک دوره طولانی مدت است. مدل های فرآیند پیوسته، برای شبیه سازی جریان های روزانه، ماهانه و فصلی مناسبند.

برای تبدیل PMP به PMF به کارگیری مدل های پیوسته و یا کاربرد مدل تک واقعه ای هیدروگراف واحد مطرح می باشد. در کشور استرالیا از مدل های پیوسته بیش تر استفاده م یگردد که دلایل آن را چنین عنوان کرده اند: 1- امکان شبیه سازی فرآیندهای پیچیده و غیرخطی تولید رواناب، 2- امکان درنظر گرفتن تغییرات مکانی خصوصیات حوضه و فرآیندهای تبدیل بارش به رواناب و 3- امکان شبیه سازی تغییرات طبیعی یا مصنوعی در حوضه. ولی در کشور آمریکا به طور وسیعی از مدل های تک واقعه ای یا رویدادی 5 مبتنی بر مدل هیدروگراف واحد برای تبدیل PMP به PMF استفاده می شود. مدل های جدیدتر هیدروگراف واحد مصنوعی مانند مدل توزیعی کلارک اصلاح شده، پس از واسنجی و اعتباریابی می تواند عمده مزایای بر شمرده بالا را که در مورد کلیه مدل های پیوسته مصداق ندارد، ارضا نماید. علاوه بر این، کاربرد گام زمانی کوچک برای شبیه سازی سیلاب ها همواره در مدل های پیوسته که براساس ذخیره بنا شده اند با دشواری روبرو است. مدل های تک واقعه ای این مزیت را دارند که روابط بین پارامتر های قابل اندازه گیری مستقیم را با رواناب برقرار کنند و یا پارامتر های کمتری به ویژه در فرآیند تلفات حوضه داشته باشند.

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح