مدل‌سازی رواناب سطحی با استفاده از اتوماتای سلولی

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 گروه عمران دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه عمران دانشگاه فردوسی مشهد

3 عضو هیئت علمی دانشکده عمران دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

رواناب سطحی از مهم‌ترین بخش‌های چرخه هیدرولوژیکی به شمار می‌رود و تخمین دقیق آن نقش مهمی در مدیریت حوضه آبریز و طراحی سازه‌های آبی دارد. از این‌رو استفاده و توسعه روش‌های دقیق و قابل اعتماد جهت مدل‌سازی رواناب حوضه‌ها ضروری است. اتوماتای سلولی یک روش بنیادی برای شبیه‌سازی سیستم‌های پیچیده است. برای مدل‌سازی رواناب سطحی با استفاده از اتوماتای سلولی، حوضه آبریز به صورت شبکه‌ای از سلول‌ها تعریف می‌شود. تراز آب به ‌عنوان حالت سلول بیان می‌شود و با استفاده از قوانین انتقال، سلول‌ها از یک حالت به حالت دیگر با گذشت زمان بروزرسانی می‌شوند. در این مقاله رواناب حاصل از بارش به روش اتوماتای سلولی شبیه‌سازی شده است. ابتدا رواناب سطحی بر روی چند مدل مستطیلی با استفاده از روش اتوماتای سلولی مد‌ل‌سازی شده و جهت صحت‌سنجی، نتایج مدل اتوماتای سلولی با روش‌های تحلیلی موجود مقایسه گردیده است. در ادامه با استفاده از مدل اتوماتای سلولی رواناب در حوضه آبریز Con واقع در کشور اسپانیا شبیه‌سازی شده و مقادیر دبی محاسباتی با مقادیر مشاهداتی مقایسه شده است. مقایسه نتایج مدل اتوماتای سلولی و روش‌های تحلیلی نشان می‌دهد که مدل اتوماتای سلولی از دقت بالایی برخوردار است. همچنین در مدل‌سازی رواناب حوضه آبریز Con مقادیر ضریب همبستگی، جذر میانگین مربعات خطا و ضریب نش-ساتکلیف به ترتیب 99/0، 11/0 و 97/0 می‌باشد. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که روش اتوماتای سلولی می‌تواند به عنوان یک روش کاربردی و دقیق برای مدل‌سازی رواناب استفاده شود.

کلیدواژه‌ها


Akan, A.O. and Houghtalen, R.J. (2003). Urban hydrology, hydraulics, and stormwater quality: engineering applications and computer modeling. John Wiley & Sons, 392p.
Antonio, P., Chiara, A. and Nicola, S. (2017). Water and Sediment Output Evaluation Using Cellular Automata on Alpine Catchment: Soana, Italy - Test Case. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 95(2), 022031.
Asadi, H., Shahedi, K., Jarihani, B. and Sidle, R.C. (2019). Rainfall-runoff modelling using hydrological connectivity index and artificial neural network approach. Water. 11(2), 212.
Cai, X., Li, Y., Guo, X. and Wu, W. (2014). Mathematical model for flood routing based on cellular automaton. Water Science and Engineering. 7(2), 133-142.
Cirbus, J. and Podhoranyi, M. (2013). Cellular Automata for the Flow Simulations on the Earth Surface, Optimization Computation Process. Applied Mathematics & Information Sciences. 7(6), 2149-2158.
Douvinet, J., Van De Wiel, M., Delahaye, D. and Cossart, E. (2015). A flash flood hazard assessment in dry valleys (northern France) by cellular automata modelling. Natural Hazards. 75(3), 2905-2929.
Folino, G., Mendicino, G., Senatore, A., Spezzano, G. and Straface, S. (2006). A model based on cellular automata for the parallel simulation of 3D unsaturated flow. Parallel Computing. 32(5-6), 357-376.
Fraga, I., Cea, L. and Puertas, J. (2019). Effect of rainfall uncertainty on the performance of physically based rainfall–runoff models. Hydrological Processes. 33(1), 160-173.
Ghimire, B., Chen, A., Guidolin, M., Keedwell, E., Djordjevic, S. and Savic, D. (2012). Formulation of a fast 2D urban pluvial flood model using a cellular automata approach. Journal of Hydroinformatics. 15(3), 676-686.
Guidolin, M., Chen, A., Ghimire, B., Keedwell, C., Djordjevic, S. and Savic, D. (2016). A weighted cellular automata 2D inundation model for rapid flood analysis. Environmental Modelling & Software. 84, 378-394.
Gregorio, S.D. and Serra R. (1999). An empirical method for modelling and simulating some complex macroscopic phenomena by cellular automata. Future Generation Computer Systems. 16(2), 259-271.
Jozefik, Z., Frechen, N., Hinz, C. and Schmidt, H. (2015). A cellular automata approach for modeling surface water runoff. EGU General Assembly Conference, Austria.
Kumar, N., Agrawal, A. and Khan, R.A. (2018). A Novel Drainage System Using Cellular Automata to Avoid Urban Flood. International Journal of Applied Evolutionary Computation (IJAEC). 9(2), 38-51.
Kocabas, V. and Dragicevic, S. (2007). Enhancing a GIS Cellular Automata Model of Land Use Change: Bayesian Networks. Influence Diagrams and Causality. 11, 681-702.
Li, Y. and Pender, G. (2013). Spatiotemporal simulation and risk analysis of dam-break flooding based on cellular automata. International Journal of Geographical Information Science. 27(10), 2043-2059.
Liu, Y. and Pender, G. (2013). Carlisle 2005 urban flood event simulation using cellular automata-based rapid flood spreading model. Soft Computing. 17(1), 29-37.
Liu, L., Liu, Y., Yu, D., Liu, K., Huang, H. and Hu, G. (2015). Developing an effective 2-D urban flood inundation model for city emergency management based on cellular automata. Natural hazards and earth system sciences. 15(3), 381-391.
Parsons, J.A. and Fonstad, M.A. (2007). A cellular automata model of surface water flow. Hydrological Processes. 21(16), 2189-2195.
Rinaldi, P., Dalponte, D., Venere, M. and Clausse, A. (2007). Cellular automata algorithm for simulation of surface flows in large plains. Simulation Modelling Practice and Theory. 15(3), 315-327.
Sitterson, J., Knightes, C., Parmar, R., Wolfe, K., Avant, B. and Muche, M. (2018). An overview of rainfall-runoff model types. 9th International Congress on Environmental Modelling and Software, Colorado, USA.
Shao, Q., Weatherley, D., Huang, L. and Baumgartl, T. (2015). RunCA: A cellular automata model for simulating surface runoff at different scales. Journal of Hydrology. 529, 816-829.
Shao, Q., Baumgartl, T., Huang, L. and Weatherley, D. (2014). A Cellular Automata-based Run-off Model and its Application in Mined Land Rehabilitation Designs. Conference: Life-of-Mine, Brisbane, Australia.
Ting, M.A.T., Zhou, C.H. and Cai, Q.G. (2009). Modeling of Hillslope Runoff and Soil Erosion at Rainfall Events Using Cellular Automata Approach. Pedosphere. 19(6), 711-718.
Wolfram, S. (1984). Computation theory of cellular automata. J Communications in Mathematical Physics. 96(1), 15-57.
Wu, H., Yi, Y. and Chen, X. (2006). HydroCA: a watershed routing model based on GIS and cellular automata. In: Remote Sensing and Space Technology for Multidisciplinary Research and Applications, 6199, 61990Q.