بهبود عملكرد مدل هيدرولوژيكي Hymod با استفاده از الگوريتم بهينه‌سازي نهنگ

Improving the performance of the Hymod Model using the Whale optimization algorithm

امروزه استفاده از مدل­‌هاي هيدرولوژي، عمدتاً براي شبيه‌­سازي تغييرات منبع آب و سيلان (رواناب و تبخير) ضروري به نظر مي‌­رسد. مدل­‌سازي مناسب فرايندهاي هيدرولوژيكي نيازمند تعيين پارامترهاي مدل است. در فرايندهاي واسنجي مقادير پارامترهاي مدل طوري برآورد مي‌­شوند كه مدل به‌خوبي بتواند سامانه طبيعي را شبيه‌­سازي كند. تخمين پارامترهاي اين گونه مدل‌­ها عموماً به‌صورت مستقيم به‌دليل تعداد بالاي پارامترها غيرممكن است و لازم است، به كمك ابزار­هاي بهينه‌­سازي (واسنجي مدل) آن­‌ها را برآورد كرد. در پژوهش حاضر، واسنجي پارامتر­هاي مدل بارش–رواناب روزانه Hymod (يك مدل ساده­ مفهومي بارش–رواناب) با استفاده از الگوريتم نهنگ (WOA) كه از نحوه­ جستجوي غذاي نهنگ سرچشمه گرفته است، انجام شد. ارزيابي روش واسنجي مذكور با استفاده از داده‌­هاي روزانه بارش و تبخير و تعرق براي پنج سال و صحت‌­سنجي آن نيز در پنج سال، در حوضه رودخانه ليف آمريكا انجام شد. مقادير دبي شبيه‌­سازي ­شده و مشاهده ­شده با كمك شاخص‌­هاي ضريب همبستگي (R2)، خطاي جذر ميانگين مربعات (RMSE) و ضريب ناش-ساتكليف (NS) مقايسه شدند. مقادير معيارهاي سنجش خطا به‌ترتيب 0.91، 1.2 و 0.8 براي دوره واسنجي و 0.91، 2.5 و 0.83 براي دوره صحت­‌سنجي به­‌دست آمد. همچنين، پارامترهاي محاسبه ­شده به كمك الگوريتم نهنگ، ميزان بيشترين ذخيره رطوبتي در حوضه 216.95 ميلي­‌متر، تغييرات مكاني ذخيره رطوبت خاك 0.38، عامل توزيع بين دو مخزن رطوبتي 0.98، زمان ماندگاري در مخزن جريان آرام 0.08 روز و زمان ماندگاري در مخزن جريان سريع 0.47 روز است. بررسي مقادير خطا نشان داد، الگوريتم بهينه­‌سازي نهنگ كارايي بالايي در زمينه واسنجي مدل­‌هاي بارش-رواناب دارد.

Today, the use of hydrological models is mainly necessary to simulate changes in water source and flow (runoff and evaporation). Proper modeling of hydrological processes requires the determination of model parameters. In calibration processes, the values ​​of the model parameters are estimated so that the model can simulate a natural system well. It is generally impossible to estimate the parameters of such models directly due to the large number of parameters and it is necessary to estimate them with the help of optimization tools (model calibration). In the present study, the parameters of the daily Hymod rainfall-runoff model (a simple conceptual rainfall-runoff model) were calibrated using the Whale algorithm (WOA), which is derived from the way whale food is searched. The evaluation of the mentioned calibration method was performed using daily precipitation, evapotranspiration and transpiration data for 5 years and its validation was performed in 5 years in the Leaf River Basin of the United States. The simulated and observed flow rates were compared using correlation coefficient (R2), root mean square error (RMSE) and Nash-Sutcliffe coefficient (NS). The values ​​of error measurement criteria were 0.91, 1.2 and 0.8 for the calibration period and 0.91, 2.5 and 0.83 for the validation period, respectively. Also, the parameters calculated using the whale algorithm, the maximum moisture storage in the area of 216.95 mm, spatial variation of soil moisture storage 0.38, the distribution factor between the two moisture tanks 0.98, the shelf life in the laminar tank 0.08 days and Shelf life in fast flow tank is 0.47 days. Examination of error values ​​showed that the Whale Optimization Algorithm has high efficiency in calibrating rainfall-runoff models.