بررسی عدم قطعیت پارامترهای مدل هیدرولوژیکی SWAT با استفاده از الگوریتم تکامل تفاضلی تطبیقی متروپولیس (DREAM-ZS)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تبریز- دانشکده مهندسی عمران-گروه مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی

2 گروه مهندسی آب، قطب علمی هیدروانفورماتیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 دستیار پژوهشی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد مشهد، مشهد، ایران

چکیده

سابقه و هدف: کمی سازی عدم قطعیت های پارامترهای مدل های هیدرولوژیکی نقش اساسی در مدیریت منابع آب ایفا می کنند و امری چالش برانگیز می باشد که به علت تعداد زیاد پارامترها و نبود درک فیزیکی مناسبی از آنها، این مدل ها در مرحله واسنجی با مشکل مواجه می شوند. با توجه به اهمیت منابع آبی در کشور و ضرورت بررسی عدم قطعیت به منظور دستیابی به نتایج قابل اعتماد، هدف از این تحقیق، بررسی، شناسایی و کمی سازی عدم قطعیت پارامترها ابزار ارزیابی خاک و آب (SWAT) و عملکرد آنها جهت پیش بینی رواناب حوضه آبخیز رودخانه کشف رود به عنوان یک حوضه بزرگ مقیاس نیمه خشک در شمال شرق ایران با استفاده از یک روش شبیه سازی مبتنی بر زنجیره مونت کارلو زنجیر مارکف بنام الگوریتم تکامل تفاضلی تطبیقی متروپولیس (DREAM-ZS) می باشد.
مواد و روش ها: جهت ارزیابی عدم قطعیت از میان ۲۹ پارامتر موجود تنها ۲۰ پارامتر بر مبنای روش تحلیل حساسیت منطقه ای (RSA) به عنوان پارامترهای حساس انتخاب و بررسی شدند. به منظور بهینه سازی مدل و کمی سازی عدم قطعیت پارامترها، از سناریوهای S1 (سناریوی اول) و S2 (سناریوی دوم) که متعلق به الگوریتم DREAM-ZS می باشند، استفاده گردید. در بررسی انجام شده محدوده های پارامترهای پیشین در سناریوی S1 به کمک واسنجی نهایی محدوده پارامترها در نرم افزار SWAT-CUP و الگوریتم SUFI-2 تعیین گردید و محدوده های پیشین در سناریوی S2 با استفاده از یک رویکرد ترکیبی بین محدوده های پارامترهای پیشین در برنامه SWAT-CUP و محدوده های پسین در سناریوی S1 تعیین گردید. در این تحقیق، تابع درست نمایی حداقل مربعات استاندارد (SLS)، جهت واسنجی مدل هیدرولوژیکی SWAT مورد استفاده قرار گرفت. همچنین، جهت بررسی عملکرد عدم قطعیت مدل در دو سناریوی اشاره شده از معیارهای ارزیابی شامل فاکتور P، فاکتور d، ناش-ساتکلیف (NS)، شاخص عدم قطعیت کل (TUI) و دامنه انحراف میانگین (ADA) استفاده گردید.
یافته ها: نتایج معیارهای ارزیابی P، d، NS، TUI و ADA نشان داد که سناریوی S2 نسبت به سناریوی S1 در کاهش عدم قطعیت های پیش بینی از عملکرد بهتری برخوردار است. براساس سناریوی S1، ضریب NS از 0.54 تا 0.72 حاصل گردید، در حالیکه در سناریوی S2مقدار این ضریب از 0.63 تا 0.78 بدست آمده است. شاخص TUI برای عدم قطعیت کل محدوده 0.2 تا 0.6 و 0.22 تا 0.66 به ترتیب برای سناریوهای S1 و S2 حاصل گردید. در ادامه نتایج شبیه سازی های S1 و S2 نشان داد که برای عدم قطعیت پارامترها ضریب ارزیابی TUI در محدوده های 0.63 تا 0.94 برای سناریوی S1 و از 0.74 تا 1.22 برای سناریوی S2 می باشد. در نهایت شاخص ADA نیز برای عدم قطعیت کل برابر 0.098 و 0.445 به ترتیب برای سناریوهای S1 و S2 حاصل گردید، در حالیکه با توجه به شبیه سازی های S1 و S2، شاخص ADA برای عدم قطعیت پارامترها به ترتیب برابر 0.098 و 0.451 برای سناریوهای S1 و S2 بدست آمد.
نتیجه گیری: الگوریتم DREAM-ZS راندمان واسنجی مدل را بهبود بخشید و منجر به ارائه مقادیر واقعی تری از پارامترهای شبیه سازی رواناب توسط مدل SWAT در حوضه رودخانه کشف رود می گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study uncertainty of parameters of hydrological model (SWAT) by Differential Evolution Adaptive Metropolis algorithm ‎(DREAM-ZS)‎

نویسندگان [English]

  • Amirhosein Aghakhani Afshar 1
  • Yousef Hassanzadeh 2
  • Ali Farrokhi 3
1 Department of Water Engineering and Hydraulic Structures- Civil Engineering College- Tabriz University
2 Department of Water Engineering, Center of Excellence in Hydroinformatics, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Research Assistant, Dept. of Civil Engineering, Azad Islamic University of Iran, Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Quantifying the uncertainties of the parameters of hydrological models are the role of great importance in water resource management and is a challenge that due to the large number of parameters and lack of proper physical understanding of them, these models face problems in the calibration stage. Considering the importance of water resources in Iran and the need to investigate uncertainty in order to achieve reliable results, the purpose of this study is to investigate, identify and quantify parameters uncertainty of Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and their performance to predict watershed runoff. The Kashfrood river is a semi-arid large-scale basin in northeastern Iran using a Monte Carlo chain-based Markov chain simulation method called the Differential Evolution Adaptive Metropolis algorithm (DREAM-ZS).
Material and Methods: With the purpose of assess the uncetainty in this study only 20 out of 29 available parameters were selected and evaluated based on Regional Sensitivity Analysis (RSA) as sensitive parameters. In order to optimize the model and quantify the parameters uncertainty, scenarios S1 (first scenario) and S2 (second scenario), which belong to the DREAM-ZS algorithm, have been defined. The prior parameter ranges of the S1 scenario were determined using the final calibration of parameter ranges in SWAT-Calibration and Uncertainty Program (SWAT-CUP) software and Sequential Uncertainty Fitting version 2 (SUFI 2) algorithm, and the prior ranges of the S2 scenario were determined using a compromising approach between the prior ranges of the SWAT-CUP and posterior ranges from S1 scenario. In this study, the parameters, uncertainties and statistical analysis have to be computed via an appropriate likelihood function. Therefore, the Differential Evolution Adaptive Metropolis (DREAM-ZS) combined with the standard least squares (SLS) as a simple formal likelihood function. Also, to evaluate the performance of the model uncertainty in the two mentioned scenarios, evaluation criteria including P-factor, d-factor, Nash–Sutcliffe (NS), Total Uncertainty Index (TUI) and Average Deviation Amplitude (ADA) were used.
Results: P-factor, d-factor, Nash–Sutcliffe (NS), Total Uncertainty Index (TUI) and Average Deviation Amplitude (ADA) showed that the S2 scenario has a better performance than scenario S1 in reducing forecast uncertainties. According to S1 simulation, the NS coefficient ranged from 0.54 to 0.72, while in S2 simulation, it ranged from 0.63 to 0.78. The TUI for total uncertainty was in a range of 0.2–0.6 and 0.22–0.66 for S1 and S2 scenarios, respectively. The S1 and S2 simulations led to the TUI of 0.63–0.94 and 0.74–1.22 for parameter uncertainty, respectively. Finally, ADA index for total uncertainty was 0.098 and 0.445 for S1 and S2 scenarios, while in accordance to S1 and S2 simulations, the ADA index for parameter uncertainty was 0.098 and 0.451, respectively.
Conclusion: The DREAM-ZS algorithm improved the calibration efficiency of the model and led to the presentation of more real values of runoff simulation parameters by the SWAT model in the Kashafrood River Basin.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Uncertainty analysis
  • Multi-station calibration
  • DREAM-ZS
  • SWAT
1.Abbaspour, K.C. 2011. User Manual for SWAT-CUP: SWAT Calibration and Uncertainty Analysis Programs. Eawag: Swiss Fed. Inst. of Aquat. Sci. and Technol. Duebendorf, Switzerland. 103p.
2.Afshar, A.A., Hassanzadeh, Y., Pourreza-Bilondi, M., and Ahmadi, A. 2018. Analyzing long-term spatial variability of blue and green water footprints in a semi-arid mountainous basin with MIROC-ESM model (case study: Kashafrood River Basin, Iran). J. Theor Appl. Climatol. 134: 3-4. 885-899.
3.Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S., and Williams, J.R. 1998. Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development 1. J. Am. Water Resour. Assoc. 34: 1. 73-89.
4.Athira, P., Nanda, C., and Sudheer, K.P. 2018. A computationally efficient method for uncertainty analysis of SWAT model simulations. J. Stoch Environ. Res. Risk Assess. 32: 6. 1479-1492.
5.Box, G.E., and Tiao, G.C. 2011. Bayesian inference in statistical analysis. John Wiley and Sons. 40.
6.Gelman, A., and Rubin, D.B. 1992. Inference from iterative simulation using multiple sequences. J. Stat Sci.7: 4. 457-472.
7.Han, F., and Zheng, Y. 2018. Joint analysis of input and parametric uncertainties in watershed water quality modeling: A formal Bayesian approach. J. Adv. Water Resour. 116: 77-94.
8.Jafarzadeh, M.S., Rouhani, H., Salmani, H., and Fathabadi, A. 2016. Reducing uncertainty in a semi distributed hydrological modeling within the GLUE framework. J. Water Soil Cons. 23: 1. 83-100. (In Persian)
9.Kabir, A., and Bahremand, A.R. 2013. Study uncertainty of parameters of rainfall-runoff model (wetspa) by Mont Carlo method. J. Water Soil Cons.20: 5. 81-97. (In Persian)
10.Kumar, N., Singh, S.K., Srivastava, P.K., and Narsimlu, B. 2017. SWAT Model calibration and uncertainty analysis for streamflow prediction of the Tons River Basin, India, using Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) algorithm. J. Model Earth Syst Environ. 3: 1. 30.
11.Laloy, E., Fasbender, D., and Bielders, C.L. 2010. Parameter optimization and uncertainty analysis for plot-scale continuous modeling of runoff using a formal Bayesian approach. J. Hydrol. 380: 1-2. 82-93.
12.Laloy, E., and Vrugt, J.A. 2012. High‐dimensional posterior exploration of hydrologic models using multiple‐try DREAM (ZS) and high‐performance computing. J. Water Resour. Res. 48: 1.
13.Leta, O.T., Nossent, J., Velez, C., Shrestha, N.K., van Griensven, A., and Bauwens, W. 2015. Assessment of the different sources of uncertainty in a SWAT model of the River Senne (Belgium). J. Environ. Modell. Software. 68. 129-146.
14.Li, B., Liang, Z., He, Y., Hu, L., Zhao, W., and Acharya, K. 2017. Comparison of parameter uncertainty analysis techniques for a TOPMODEL application. J. Stochastic Environ. Res. Risk Assess. 31: 5. 1045-1059.
15.Moriasi, D.N., Arnold, J.G., Van Liew, M.W., Bingner, R.L., Harmel, R.D., and Veith, T.L. 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. J. Trans. ASABE. 50: 3. 885-900.
16.Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., and Williams, J.R. 2011. Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2009. Texas Water Resources Institute, USA. 647p.
17.Nash, J.E., and Sutcliffe, J.V. 1970. River flow forecasting through conceptual models part I-A discussion of principles. J. Hydrol. 10: 3. 282-290.
18.Nourali, M., Ghahraman, B., Pourreza-Bilondi, M., and Davary, K. 2016. Effect of formal and informal likelihood functions on uncertainty assessment in a single event rainfall-runoff model. J. Hydrol. 540. 549-564.
19.Pourreza-Bilondi, M., Samadi, S.Z., Akhoond-Ali, A.M., and Ghahraman, B. 2016. Reliability of semiarid flash flood modeling using Bayesian framework. J. Hydrol. Eng. 22: 4. 05016039.
20.Pourreza-Bilondi, M., Akhoond-Ali, A.M., Gharaman B., and Telvari, A.R. 2015. Uncertainty analysis of a single event distributed rainfall-runoff model by using two different Markov Chain Monte Carlo methods. J. Water Soil Cons. 21: 5. 1-26. (In Persian)
21.Schoups, G., and Vrugt, J.A. 2010. A formal likelihood function for parameter and predictive inference of hydrologic models with correlated, heteroscedastic, and non‐Gaussian errors. J. Water Resour. Res. 46: 10.
22.USDA-SCS. 1986. US Department of Agriculture-soil Conservation Service (USDASCS): Urban Hydrology for Small Watersheds. USDA, Washington, DC. USA.
23.Vrugt, J.A., Ter Braak, C.J., Clark, M.P., Hyman, J.M., and Robinson, B.A. 2008. Treatment of input uncertainty in hydrologic modeling: Doing hydrology backward with Markov chain Monte Carlo simulation. J. Water Resour. Res. 44: 12. 1-15.
24.Vrugt, J.A., Ter Braak, C.J.F., Diks, C.G.H., Robinson, B.A., Hyman, J.M., and Higdon, D. 2009a. Accelerating Markov chain Monte Carlo simulation by differential evolution with self-adaptive randomized subspace sampling. J. Int. J. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 10: 3. 273-290.
25.Vrugt, J.A., Ter Braak, C.J., Gupta, H.V., and Robinson, B.A. 2009b. Equifinality of formal (DREAM) and informal (GLUE) Bayesian approaches in hydrologic modeling?. J. Stochastic Environ. Res. Risk Assess. 23: 7. 1011-1026.
26.Zheng, Y., and Han, F. 2016.Markov Chain Monte Carlo (MCMC) uncertainty analysis for watershed water quality modeling and management. J. Stochastic Environ. Res. Risk Assess. 30: 1. 293-308.