مدل‌های هیدرولوژیکی به‌طور گسترده در علوم و مهندسی محیط‌زیست برای درک فرایندها و پیش‌بینی استفاده می‌شوند. مدل‌ها بسته به نحوه‌ی نمایش فرایندها (مفهومی در برابر مدل‌های مبتنی بر فیزیک) و نحوه‌ی تقسیم‌بندی حوزه‌ی فیزیکی (از پیکربندی‌های ساده‌ی تجمیعی تا مدل‌های کاملاً توزیعی دقیق) متفاوت هستند. در مقیاس حوضه، مدل‌های مفهومی پرکاربردترین نوع مدل‌ها هستند، زیرا آن‌ها توانایی ثبت پویایی‌های هیدرولوژیکی را به شیوه‌ای ساده و محاسباتی سریع دارند.

مدل‌های مفهومی

مدل‌های مفهومی پویایی‌های هیدرولوژیکی را مستقیماً در مقیاس موردنظر توصیف می‌کنند. به‌عنوان مثال، در کاربردهای مقیاس حوضه، این مدل‌ها بر اساس روابط بین ذخیره‌ی حوضه و خروجی ساخته می‌شوند. چنین مدل‌هایی معمولاً نسبتاً ساده و ارزان برای اجرا هستند. سادگی آن‌ها امکان بررسی گسترده‌ی نمایش‌های مختلف فرایند، کمّی‌سازی عدم قطعیت با روش‌های مونت‌کارلو، و موارد دیگر را فراهم می‌کند.

در طول 40 سال گذشته، مدل‌های مفهومی زیادی پیشنهاد شده‌اند. این مدل‌ها در اشتراک داشتن عناصری کلی همچون مخازن، توابع تأخیر، و اتصالات مشترک هستند. با این حال، مدل‌های موجود در جنبه‌های بزرگ و کوچک متفاوت هستند که مقایسه و انتخاب مدل را پیچیده می‌کند.

تفاوت‌های مدل می‌توانند در چند سطح ظاهر شوند:

• مفهوم‌سازی: مدل‌های مختلف ممکن است مجموعه‌ای متفاوت از فرایندهای هیدرولوژیکی را نشان دهند.
• مدل ریاضی: همان فرایند (مثلاً یک جریان) ممکن است با معادلات متفاوتی نمایش داده شود.
• مدل عددی: همان معادله ممکن است با استفاده از تکنیک‌های عددی مختلف حل شود.

در دهه‌ی گذشته، چارچوب‌های مدل‌سازی انعطاف‌پذیر متعددی برای تسهیل اجرای مدل‌های هیدرولوژیکی متنوع و مقایسه‌ی آن‌ها پیشنهاد شده‌اند.

چارچوب‌های مدل‌سازی انعطاف‌پذیر

یک چارچوب مدل‌سازی انعطاف‌پذیر را می‌توان به‌عنوان یک زبان برای ساخت مدل‌های هیدرولوژیکی مفهومی در نظر گرفت که اجازه می‌دهد یک مدل (که ممکن است پیچیده باشد) از اجزای ساده‌تر و سطح پایین‌تر ساخته شود.

هدف اصلی یک چارچوب مدل‌سازی انعطاف‌پذیر، تسهیل فرایند ساخت و مقایسه‌ی مدل است و به مدل‌سازان این امکان را می‌دهد که ساختار مدل را برای دستیابی به اهداف کاربردی خود تنظیم کنند.

با وجود پیشنهاد شدن چارچوب‌های مختلف مدل‌سازی انعطاف‌پذیر در دهه‌ی گذشته، هنوز چالش‌های قابل‌توجهی وجود دارد. برای مثال:

• محدودیت‌های اجرایی می‌توانند انعطاف‌پذیری موردنظر را محدود کنند.
• انتخاب مدل عددی ممکن است ثابت باشد.
• سازماندهی فضایی ممکن است به پیکربندی‌های تجمیعی محدود شود.
• سهولت استفاده ممکن است به دلیل طراحی پیچیده‌ی نرم‌افزار کاهش یابد.

این چالش‌ها می‌توانند بر قابلیت استفاده، کاربردی بودن، و عملکرد تأثیر بگذارند و در نهایت انواع مشکلات مدل‌سازی قابل حل را محدود کنند. چارچوب SuperflexPy برای رفع بسیاری از این چالش‌ها طراحی شده است و چارچوبی مناسب برای طیف گسترده‌ای از تحقیقات و کاربردهای عملی ارائه می‌دهد.

سازماندهی فضایی

هیدرولوژیست‌ها به‌طور فزاینده‌ای به مدل‌سازی حوضه‌های بزرگ علاقه‌مند هستند، جایی که ناهمگنی فضایی اهمیت پیدا می‌کند. دسته‌بندی‌های زیر برای سازماندهی فضایی مدل‌ها قابل تشخیص است:

پیکربندی تجمیعی (Lumped): در این حالت، کل حوزه‌ی فیزیکی یکنواخت در نظر گرفته می‌شود.

پیکربندی نیمه‌توزیعی (Semi-distributed): در این حالت، حوزه‌ی فیزیکی به بخش‌های (معمولاً درشت) تقسیم می‌شود که فرض می‌شود واکنش هیدرولوژیکی مشابهی دارند و به‌طور موازی عمل می‌کنند (معمولاً بدون اتصال بین آن‌ها).

پیکربندی کاملاً توزیعی (Fully-distributed): در این حالت، حوزه‌ی فیزیکی به یک شبکه (معمولاً ریز) تقسیم می‌شود. این پیکربندی معمولاً شامل تبادل جریان‌ها بین سلول‌های شبکه‌ی همسایه است.

• روش تجمیعی ساده‌ترین مدل‌ها را ارائه می‌دهد که تعداد پارامتر کم و معمولاً پیش‌بینی‌های به‌اندازه‌ی کافی دقیق دارند. با این حال، اگر ویژگی‌های حوضه به‌طور قابل‌توجهی در فضا متفاوت باشد، مدل تجمیعی نمی‌تواند این تغییرات را ثبت کند و پیش‌بینی‌های جریانی فضایی را ارائه دهد.
• روش کاملاً توزیعی معمولاً مدل‌هایی با تعداد پارامتر زیاد و نیازهای محاسباتی بالا ارائه می‌دهد که معمولاً به وضوح شبکه‌ی مورد استفاده مرتبط است.
• روش نیمه‌توزیعی از نظر پیچیدگی فضایی و تعداد پارامترها، بین دو روش دیگر قرار می‌گیرد. یک مثال معمول، تقسیم‌بندی حوضه به واحدهای پاسخ هیدرولوژیکی (HRUها) است که به‌عنوان مناطقی از حوضه تعریف می‌شوند که به‌طور مشابهی از نظر هیدرولوژیکی رفتار می‌کنند. تعریف HRUها یک انتخاب مدل‌سازی است و به درک فرایندهای موجود در حوضه‌ی موردنظر بستگی دارد.

SuperflexPy

SuperflexPy یک چارچوب انعطاف‌پذیر جدید برای ساخت مدل‌های هیدرولوژیکی است. این چارچوب برای تطبیق مدل‌هایی با دامنه‌ی وسیعی از پیچیدگی‌های ساختاری و پشتیبانی از پیکربندی‌های فضایی از تجمیعی تا توزیعی طراحی شده است. طراحی SuperflexPy بر اساس تجربه‌ی گسترده‌ی نویسندگان آن و همکاران‌شان در توسعه و کاربرد مدل‌های هیدرولوژیکی مفهومی شکل گرفته است.

برای ایجاد تعادل بین انعطاف‌پذیری و سهولت استفاده، SuperflexPy در چهار سطح مختلف سازماندهی شده است که با درجات مختلفی از پیچیدگی فضایی مطابقت دارند:

عناصر (Elements)

شامل مخازن، توابع تأخیر، و اتصالات است. عناصر می‌توانند کل مدل‌ها یا اجزای منفرد مدل را نشان دهند و برای نمایش فرایندهای خاصی در چرخه‌ی هیدرولوژیکی (مانند دینامیک خاک) طراحی شده‌اند.

واحدها (Units)

شامل چندین عنصر به هم متصل است. این سطح می‌تواند برای ساخت مدل‌های تجمیعی یا نمایش HRUها در یک مدل توزیعی فضایی استفاده شود.

گره‌ها (Nodes)

هر گره شامل چندین واحد است که به‌صورت موازی عمل می‌کنند. گره‌ها می‌توانند رفتار واحدهای متمایز در یک حوضه را از هم جدا کنند، مثلاً هنگام ساخت یک مدل نیمه‌توزیعی یا توزیعی که در آن واحدها برای نمایش HRUها استفاده می‌شوند (بر اساس خاک، پوشش گیاهی، توپوگرافی و غیره).

شبکه (Network)

شامل اتصال چندین گره و انتقال جریان‌ها از گره‌های بالادست به گره‌های پایین‌دست است. این سطح امکان نمایش حوضه‌های بزرگ و شبکه‌های رودخانه‌ای را که شامل زیرحوضه‌های متعدد با تأخیرهای زیاد در جریان هستند، فراهم می‌کند.

یک پیکربندی مدل SuperflexPy می‌تواند تنها شامل یک شبکه باشد.

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)

_______________________________________________________

پروژه تخصصی در لینکدین

×

 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