مدل‌سازی دمای آب رودخانه‌ها با استفاده از برنامه‌ریزی بیان ژن (مطالعه موردی: رودخانه محمّد‌آباد در استان گلستان)

Abstract

سابقه و هدف: با توجه به اهمیت مسائل کیفیت آب و شرایط زیست‌‌‌محیطی، دمای آب رودخانه‌ها از دو جنبۀ اقتصادی و زیست‌محیطی دارای اهمیت می‌باشد. این پارامتر تأثیر مستقیمی بر تمامی پارامترهای کیفیت آب داشته و نقش مهمی را در زندگی و زیستگاه آبزیان ایفا می‌کند. در نتیجه، با توجه به پیامدهای مهم درجه حرارت برای انجام ارزیابی اثرات زیست‌محیطی و مدیریت مؤثر شیلات، درک وضع حرارتی رودخانه و فرآیندهای تبادل حرارتی مرتبط با آن مهم است. مدل‌های قطعی و آماری بسیار زیادی برای تخمین دمای آب رودخانه‌ها توسط محققین مختلف ارائه شده است. تاکنون مدل‌سازی دمای آب رودخانه‌ها عموماً بر اساس دمای هوا بوده است. این درحالی است که احتمالاً متغیرهای هیدرولیکی رودخانه و نیز متغیرهای هواشناسی بر دمای آب رودخانه‌ها تأثیر دارند. همچنین تاکنون برای مدل‌سازی دمای آب رودخانه‌ها از الگوریتم‌های نوین و هوشمند به صورت محدودی استفاده شده است. بنابراین در این پژوهش به منظور تخمین دمای آب رودخانه محمّدآباد واقع در استان گلستان از الگوریتم برنامه‌ریزی بیان ژن (GEP) استفاده شده و در مد‌ل‌سازی علاوه بر دمای هوا، متغیرهای هیدرولیکی و هواشناسی نیز مشارکت داده شده‌اند.<br /> مواد و روش‌ها: برنامه‌ریزی بیان ژن (GEP) یک الگوریتم تکاملی است که از جمعیتی از افراد استفاده کرده و آن‌ها را مطابق برازندگی انتخاب می‌کند و تغییرات ژنتیکی را با استفاده از یک یا چند عملگر ژنتیکی اعمال می‌نماید. برای انجام این تحقیق، متغیرهای هواشناسی و هیدرولیکی شامل دمای هوا، رطوبت، سرعت وزش باد، پوشش ابر، دبی و سرعت جریان رودخانه طی یک دوره آماری 7 ساله (1391-1385) به عنوان متغیرهای ورودی و دمای آب رودخانه به عنوان متغیر خروجی انتخاب شدند.<br /> یافته‌ها: بر اساس مقایسه آماری نتایج مدل‌های مختلف GEP با 1 تا 6 متغیر ورودی، مشخص شد که الگوی 6 پارامتری نسبت به الگوهای دیگر دارای بیشترین دقت از نظر ضریب تعیین و مجذور مربعات خطا است. این مقادیر برای داده‌های آموزش به‌ترتیب 92/0 و c˚8/1 و برای داده‌های آزمون 90/0 و c˚3/2 به‌دست آمده است. میانگین خطای روش GEP در مراحل آموزش و آزمون به‌ترتیب 67/14 و 80/12 درصد می‌باشد، این در حالی است که خطای مدل رگرسیون خطی بیش از 38 درصد به‌دست آمد. همچنین نتایج نشان داد که مدل برنامه‌ریزی بیان ژن در مقایسه با مدل رگرسیون خطی چندمتغیره از کارایی بیشتری برای تخمین دمای آب رودخانه برخوردار است.<br /> نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج به‌دست آمده از این تحقیق می‌توان با دقت قابل قبولی از مدل GEP در تخمین دما رودخانه‌ها استفاده نمود. همچنین مشخص شد که علاوه بر دمای هوا که بیشترین تأثیر بر دمای آب رودخانه را دارد، متغیر دبی جریان نیز دارای تأثیر است.