Estimation of Inlet Flow and Water Reservoir Level of Dez Dam Using Fuzzy Systems and Artificial Neural Networks
نسخه کامل Research منتشر نشده است و در دسترس نیست.
Estimation of Inlet Flow and Water Reservoir Level of Dez Dam Using Fuzzy Systems and Artificial Neural Networks abstract
One of important aspects of the management of river basins is the management of flood events occurring with its boundaries. The importance of flood management is highlighted by the magnitude of economic losses associated with floods. Flood forecasting is undoubtedly a challenging field of operational hydrology, and a huge literature has been developed in years. Since flood warning systems do not aim at providing an explicit knowledge of the rainfall-runoff process, and the main concern is making accurate and timely predictions at specific locations, a simple black-box model is then preferred in identifying a direct mapping between inputs and outputs.
This study presents the development of artificial neural network (ANN) and fuzzy logic (FL) models for prediction of daily reservoir inflow. Furthermore, adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) technique was used to construct a water level forecasting system during flood periods. For comparison the results, a linear regression model was developed as the benchmark for comparison in flood forecasting. Dez dam reservoir was used as a case study. In this study, the precipitation, evaporation and discharge data of upstream stations were used to forecast the Dez dam reservoir inflow. The Talezang gauging station data was intended as the output data and the Dez dam reservoir inflow indication. The original data consists of 6 years (1993-1999) which 1363 input-output pairs were intended for training set and 313 and 314 data set were used for validation and test set, respectively. The emphasis in this study is to improve the short-term (1 to 4-day-ahead) forecast of reservoir inflows. In addition, The hourly water level of the reservoir and the upstream five stations for floods during 2001 to 2003 years were gathered to forecast the water level 3 to 60 hours ahead. To investigate whether ANFIS can deal with human knowledge, two ANFIS models were developed, one with a human decision of reservoir outflow as input variables, another without that.
Results demonstrated that ANNs can predict the reservoir inflow for 1-day-ahead, especially in training period with %93.9 correlation, RMSE=4.13 better than fuzzy systems (%93 correlation, RMSE=5.17) and regression model (% 89.7 correlation, RMSE=4.73). As the prediction time go ahead, fuzzy systems and regression model revealed the better results and ANN model results deteriorated. The results showed that the ANFIS can provide high accuracy and reliability for reservoir water level forecasting. In models with human decision as input variables, ANFIS demonstrated better results in short periods (1 to 12 hours).
پیش گفتار Research
سازههای کنترلکننده آب مثل سدها، سیلبندها و … نقش موثری در کاهش یا حذف خسارات ناشی از سیلاب ایفاء میکنند. اما در بسیاری از شرایط، فاکتورهای توپوگرافیک یا اقتصادی موجب غیرعملی بودن کنترل سیلاب میشوند. در این شرایط، پیشبینی دبی رودخانه ابزارهای جایگزینی را جهت کاهش خسارات سیلاب فراهم میکند. هشدار قبل از یک سیلاب پیشرو، اجازه تخلیه افراد، دامها و ابزارآلات را میدهد. جهت تخمین دبی ورودی به مخازن، پیشبینی دبی رودخانه مورد نیاز میباشد تا کنترل سیلاب یا کاربردهای دیگر مخازن با راندمان بالا انجام گردد. علاوه بر این، امروزه جهت ناوبری، تامین آب، آلودگی آب و بسیاری دیگر از مسائل مرتبط، پیشبینی دبی رودخانه مورد نیاز میباشد. پیشبینی جریان ورودی به مخزن، در بهینهسازی مدیریت مخازن آب بسیار موثر میباشند. اما فاکتورها و عوامل مختلفی بر روی این پدیدهها تاثیرگذارند که تحلیل آنها را مشکل میسازد. مدلهای آماری از معمولترین روشهای تحلیلی میباشند که غالبا با توجه به حل خطی این پدیدهها، نتایجی همراه با خطا ارائه داده و نمیتوانند تغییرات زمانی پدیده مورد نظر را مدل کنند. امروزه سیستمهای هوشمند فازی و عصبی با توجه به توانایی در حل پدیدههای غیرخطی و پیچیده، کاربردهای فراوانی در مسائل مختلف مهندسی آب از جمله هیدرولوژی پیدا کردهاند، که در این تحقیق نیز به ارزیابی این سیستمها در پیشبینی جریان ورودی و سطح آب مخزن پرداخته میشود.
در ایران کمکم کاربرد شبکههای عصبی در مسائل مختلف مهندسی و از جمله علوم آب شناخته شدهتر می شوند. برآورد رسوب، سدهای خاکی، تخمین شیب پایدار و همچنین پیشبینی جریان رودخانهها و شبیهسازی فرایند بارش رواناب از جمله مسائلی هستند که اخیرا مورد توجه قرار گرفتهاند. اما سیستمهای فازی در ایران و در مسائل مختلف مهندسی آب کمتر مورد استفاده قرار گرفتهاند. از تحقیقات انجام شده میتوان به کارهایی که در زمینه تعیین بار رسوبی رودخانهها، برآورد مصرف آب شهری و بهرهبرداری بهینه مخزن اشاره کرد.
تحقیقات بسیار زیادی در جهان در مورد کاربرد شبکههای عصبی در مهندسی علوم آب صورت گرفته است که میتوان به پیشبینی بارندگی، مدلسازی آبهای زیرزمینی و پیشبینی جریان رودخانه [1] اشاره کرد.
از زمانیکه تئوری مجموعههای فازی، اولین بار در سال 1965 توسط پروفسور لطفی عسگرزاده پایه گذاری شد، تحقیقات نسبتا زیادی در مورد کاربرد سیستمهای فازی در علوم مهندسی صورت گرفته است. همچنین کارهای نسبتا خوبی در زمینه علوم آب و جهت پیشبینی سیلاب [2]، فرایند بارش-رواناب [3] و جریان رودخانه [4] صورت گرفته است.
همچنین ANFIS با توجه به توانایی در ترکیب قدرت زبانی یک سیستم فازی با قدرت عددی یک شبکه عصبی، نشان داده است که در مدلسازی فرایندهای همچون مدیریت مخازن، سریهای زمانی هیدرولوژیکی و برآورد رسوب بسیار قدرتمند میباشند.
هدف اصلی این تحقیق، بررسی توانایی سیستمهای فازی و شبکههای عصبی در پیشبینی جریان روزانه ورودی به سد دز و مقایسه آن با روش رگرسیون میباشد. به این منظور با استفاده از اطلاعات 8 ایستگاه هیدرومتری، 4 ایستگاه بارانسنجی و 2 ایستگاه تبخیرسنجی در بالادست سد دز به پیشبینی جریان ورودی به سد، برای 1 تا 4 روز آینده پرداخته شد. بالطبع نتایج کاربردی این تحقیق میتوانند برای سیستمهای هشدار سیل بهکار گرفته شوند.
فهرست مطالب Research
Estimation of Inlet Flow and Water Reservoir Level of Dez Dam Using Fuzzy Systems and Artificial Neural Networks authors