توصيفگر ها :
وقايع حدي , سيلاب , توابع كوپلا , توزيع حاشيهاي , تحليل چند متغيره فراواني , بهينهسازي , احتمالات توأم
چكيده فارسي :
سيلاب ها پديده اي ذاتا پيچيده و چند متغيره هستند كه امروزه به دليل افزايش مخاطرات طبيعي و مصنوعي و خساراتي كه با خود به همراه دارند، اهميت ويژهاي پيدا كردند. تك متغيرهكردن پارامترها و انتخاب يك نوع توزيع آماري باعث دستبالا يا دستپايين محاسبه كردن اثرات سيلاب شده است. مدلهايكوپلا (مفصل) به واسطه وجود ويژگيهايي چون توانايي شبيهسازي متغيرها بدون نياز به فرض استقلال متغيرها از قابليت بالايي در تحليل وقايع حدي برخوردار هستند. متغيرهاي مهم سيل دبي اوج ، تداوم وحجم سيلاب ميباشد. بنابراين در اين پژوهش از توابع كوپلا براي مدلسازي ساختار همبستگي و برآورد توزيع احتمال توأم دو متغيره و سه متغيره سيلاب در حوضه آبريز سد شهيد عباسپور استفاده شده است. به منظور تحليل چند متغيره فراواني سيلاب، سه متغير دبي اوج، حجم وتداوم سيلاب هاي ورودي به سد شهيد عباسپور در نظر گرفته شد و با استفاده از پنج نوع تابع كوپلاي معروف خانواده ارشميدسي( تابع كلايتون، فرانك، گامبل- هوگارد، علي ميخائيل حق و جو) مدلسازي هاي تك متغيره،دو متغيره و سه متغيره اي ارائه شدهاست. پارامترهاي كوپلا و توابع توزيع حاشيهاي از دو روش حداكثردرستنمايي(MLE) و روشي مبتني بر بهينه سازي برآورد ميشوند و با يكديگر مقايسه ميشوند. روش حداكثر درستنمايي از روشهاي متداول تخمين پارامترهاست و روش بهينه سازي، روشي نوظهور است. در اين تحقيق از الگوريتمي فراكاوشي و جديدي به نام الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات جستجوي تطبيقي هدايتشدهGuASPSO)) كه نسخه جديدي از الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات(PSO) مي باشد، جهت بهينهسازي پارامترهاي توابع كوپلا استفاده شدهاست. در اين الگوريتم كليه ذرات بهينه انفرادي به كلاسترهايي كه تعداد آنها در طول تكرارهاي الگوريتم روندي كاهشي دارد، تقسيم ميشود. سپس بهترين ذره هر كلاستر انتخاب ميشود. هر ذره از يك سو به سمت ميانگين وزني بهترين ذرات كلاسترهاي مخالف و از سوي ديگر به سمت ذره بهينه انفرادي خود حركت ميكند. در نتيجه ميتواند در حل مسائل تك حالته و چند حالته بهينهسازي عملكرد خوبي داشته باشد. سد شهيد عباسپور يكي از بزرگترين سدهاي ايران است كه داراي سابقه وقوع ساليانه سيلاب طولاني و همچنين آمار مشاهداتي قابل اعتماد ميباشد. در اين تحقيق ضرايب همبستگي بين سه متغير سيلاب با استفاده از ضرايب تاو كندال، پيرسون و اسپيرمن محاسبهشده است. كه نتايج آن همبستگي معكوسي ميان دبي اوج- تداوم سيلاب و همبستگي مستقيمي را ميان متغيرهاي دبي اوج-حجم و حجم-تداوم سيلاب نشان ميدهد. توزيع احتمال حاشيهاي متغيرها از ميان توابع توزيع احتمالاتي گاما، گامبل، لاگ نرمال، لاگ پيرسون نوع سه و توزيع حدي نوع دوم انتخاب شدند. با در نظرگرفتن معيارهاي نيكوئي برازش ضريب همبستگي، اطلاعات آكائيكه، ريشه ميانگين مربعات خطا، بيشينه درستنمايي و كلموگروف اسميرنف، تابع توزيع احتمال لاگ نرمال به عنوان بهترين توزيع تك متغيره كوپلا انتخاب ميشود. تحليل دو متغيره سيلاب نيز به روش مشابه انجام ميشود كه كوپلاي دو متغيره كلايتون بهترين برازش را در بين كوپلاهاي خانواده ارشميدسي دارد. تحليل سه متغيره سيلاب به دو صورت درختي و همزمان انجام ميشود. كه در اين تحقيق هر دو روش تحليل بررسي شدند. در تحليل سه متغيره سيلاب به دو صورت درختي و همزمان نيز تابع كوپلاي سه متغيره كلايتون انتخاب ميشود. نتايج تحليل دو متغيره و سه متغيره سيلاب نشان ميدهد كه روش بهينهسازي عملكرد بهتري نسبت به روشهاي كلاسيك تخمين پارامترها دارد. همچنين احتمالات كوپلاي دو متغيره( QD QV و (VD و سه متغيره Q-DV) ، V-QD ،D-QV وQDV) ناشي از دو روش MLE و GuASPSO براي سري زماني دادههاي سيلاب محاسبه واستخراج شدند. كه منظور از Q دبي اوج سيلاب، منظور از D تداوم و منظور از V حجم سيلاب ميباشد. مقادير آنها جهت تحليل سيلاب در جداول مربوطه ارائه شده است. ميتوان از احتمالات بدستآمده براي استخراج دورهبازگشتهاي توأم و شرطي دو و سه متغيره سيلاب استفاده كرد.
چكيده انگليسي :
Flood as an intrinsically complex and multivariate event is of high importance, especially in these days when the world witnesses its increased natural and anthropogenic hazards and damages. Assuming the flood as a univariate event can make all the calculations done to estimate its possibly negative impacts on the upstream and/or downstream of the event imprecise and invalid to be taken into consideration for water resources planning at the future. Having the ability to be free from some fundamental assumptions for the joint probabilities such as the independence of the variables, the multivariate copula models can be so desirable to predict the probability of the extreme events to occur. In this thesis, copula functions were applied to modeling and estimating the joint probability distribution functions of the flood as an extreme event. To analyze the flood frequency in the multivariate mode, three major variables of peak discharge, volume and duration of the entering floods to Shahid Abbaspour Dam were provided as the main inputs of this study. Thereafter, five popular copula functions derived from the Archimedean copula family (Clayton, Ali-Mikhail-Haq, Gumbel-Houggard, Frank, and Joe) were chosen for the flood frequency analysis. The internal parameters of the marginal probability distribution functions and also the copula functions were tuned through two methods: Maximum Likelihood Estimation (MLE) and Optimization-Based Method (OBM). In this thesis, a newly proposed Particle Swarm Optimizer (PSO), named the Guided Adaptive Search based PSO (GuASPSO) algorithm was employed to fine tuning/optimizing the parameters of copula functions. In this algorithm, the personal best (Pbest) particles are all divided into a number of clusters. Then the best fitted particle located at each cluster is appointed as the cluster best (Cbest) particle of that cluster. In GuASPSO, each particle partly moves towards the weighted average of the Cbests of the opposite clusters to the cluster the focused particle is located in, and partly goes towards its Pbest particle. The major feature of the GuASPSO is its enhanced exploration capability that highly improves its performance while causing this algorithm to experience the least disruptions in its exploitation capability. In this study, the correlation coefficients between every couple of three major flood variables were first evaluated. The results showed there are strict correlations between each couple of the flood variables for the flood data recorded in the study area. The marginal probability distribution functions were assumed to be of types Gamma, Gumbel, Lognormal, Pearson type III and Extreme value type II. The Lognormal function was found to be the best marginal distribution, resulting in the best overall correlation coefficient, Akaike information, Root Mean Square Error, and Kolmogorov-Smirnov goodness-of-fit criteria. In addition, the Clayton copula function was figured out to be the best–fitting bivariate copula. For trivariate flood analysis, the three major flood variables were modeled once in a Vine structure and once again when taken together, in both of which the Clayton copula was found to be the best function. Furthermore, the Vine structure yielded the best modeling accuracy compared to the other structure. The results also revealed the higher accuracy of the predictions made by the copulas modeled through the GuASPSO algorithm as an OBM, compared to that of the copulas modeled by the classical MLE method. Finally, the flood joint probabilities were calculated by the best copula functions and applied to derive the joint and joint conditional flood return periods for the study area.