شماره مدرك :
20076
شماره راهنما :
2298 دكتري
پديد آورنده :
خواجه علي چالشتري، مرضيه
عنوان :

توسعه شاخص تركيبي ريسك سيلاب تحت اثر سناريوهاي اقليمي بر مبناي پيش‌بيني با يادگيري ماشين

مقطع تحصيلي :
دكتري
گرايش تحصيلي :
مهندسي و مديريت منابع آب
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1403
صفحه شمار :
دوازده، 136ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
پيش‌بيني سيلاب , ديدگاه تركيبي , ريسك سيلاب , يادگيري ماشين , تغيير اقليم , ريزمقياس نمايي , كاپيولا
تاريخ ورود اطلاعات :
1403/10/25
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
عمران
دانشكده :
مهندسي عمران
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1403/11/02
كد ايرانداك :
23096663
چكيده فارسي :
سيلاب يكي از مهم‌ترين و مخرب‌ترين مخاطرات طبيعي است كه سالانه امنيت جاني، اقتصادي، اجتماعي، زيست‌محيطي و رواني ساكنين زمين را به خطر مي‌اندازد. الگوي رفتاري اين پديده در سال‌هاي اخير در اثر عوامل بسياري همچون تغييرات اقليم دستخوش تغييرات شده ‌است. بنابراين پيش‌بيني سيلاب و ارزيابي ريسك اين پديده تحت عامل ناپايداري هم‌چون تغيير اقليم مي‌‌تواند نقشي حياتي در بسياري از ابعاد زندگي ايفا كند. به همين منظور در اين مطالعه به ارزيابي دو هدف مهم شامل پيش‌بيني سيلاب و ارزيابي ريسك سيلاب درحوضـة آبريـز رودخانه‌ي كن واقع در شمال استان تهران به عنوان مطالعه‌ي موردي پرداخته شده‌است. اين حوضه به دليل داشتن موقعيت و شرايط خاص يكي از حوضه‌هاي مهم و بحراني براي مطالعه‌ي رفتار سيلاب محسوب مي‌شود. در فاز اول اين مطالعه يك چارچوب جديد همجوشي براي پيش‌بيني سيل بر اساس مدل‌هاي يادگيري ماشين، مدل‌هاي آماري و زمين‌آماري معرفي شده‌است. بدين منظور در ابتدا يك مدل يادگيري ماشين به منظور پركردن شكاف داده‌هاي مشاهداتي زميني دوره تاريخي(2020-2000) بر اساس داده‌هاي بارش سنجش از راه دور شامل ERA5، CHIRPS و PERSIANN-CDR مورد استفاده قرار گرفت. سپس چهار مدل يادگيري ماشين، از جمله جنگل تصادفي، پرسپترون چند لايه، ماشين بردار پشتيبان وماشين يادگيري افراطي، به منظور شبيه‌سازي جريان روزانه در مقياس بلند مدت توسعه داده شده است. در مرحله بعد سه مدل تركيبي، از جمله جنگل تصادفي، ميانگين‌گيري مدل بيزي، و حداكثر آنتروپي بيزي، براي تركيب خروجي‌هاي مدل‌هاي يادگيري ماشين منفرد گام قبل و به منظور بهبود نتايج به خصوص در پيش‌بيني گام‌هاي زماني دورتر استفاده شده است. چارچوب پيشنهادي همچنين براي ريز مقياس نمايي متغيرهاي بارش روزانه‌ي سه مدل گردش عمومي آب و هوايي (GCMs) تحت دو سناريوي انتشار اجرا شده است. نتايج اين گام نشان داد كه مدل‌هاي منفرد عملكرد ضعيفي را به‌ويژه در پيش‌بيني جريان روزانه‌ي گام‌هاي زماني دور نشان مي‌دهند، بنابراين لازم است از يك تكنيك همجوشي براي بهبود نتايج استفاده شود. در اين گام مدل جنگل تصادفي كارايي بالايي را در مرحله همجوشي در مقايسه با ساير مدل‌هاي مبتني بر همجوشي نشان داده است. از طرفي اين تكنيك همچنين عملكرد موثري در ريزمقياس نمايي داده‌هاي بارش روزانه GCM ها نشان داده است. در گام دوم پژوهش، ريسك سيلاب منطقه مورد مطالعه تحت مدل‌ها و سناريوهاي مختلف تغيير اقليم بر اساس ديدگاه كاپيولا ارزيابي شده است. تحقيقات سنتي اغلب از يك چارچوب دو متغيره با تكيه بر داده‌هاي تاريخي استفاده مي‌كنند، حال آن كه رويكرد دو متغيره‌ي سيلاب مي‌تواند به كاهش دقت تخمين منجر شود، كمااين كه انتظار مي‌رود تغييرات اقليم بر تجزيه و تحليل فركانس سيل و طراحي سيستم سيل در آينده تأثير بگذارد. بنابراين گام دوم اين مطالعه به ارزيابي تغييرات پيش‌بيني‌شده در سه ويژگي مهم سيل شامل تداوم، حجم سيلاب و دبي حداكثر جريان و دوره بازگشت هاي مشترك سيلاب با استفاده از توابع مفصل بر اساس هشت مدل گردش عمومي ريزمقياس نمايي شده پرداخته است. در اين فاز مطالعه تجزيه و تحليل بر اساس دو سناريوي انتشار شامل SSP2-4.5 و SSP5-8.5 براي سه دوره‌ي 31 ساله شامل آينده دور (2070-2100)، آينده ميان مدت (2040-2070) و تاريخي (1982-2012) صورت‌گرفته‌است. در اين گام خروجي‌هاي بارش و دماي حداقل و حداكثر مدل‌هاي تغيير اقليم ريزمقياس نمايي شده به عنوان پيش‌بيني‌كننده‌هاي مدل يادگيري ماشين فاز اول براي شبيه‌سازي جريان روزانه استفاده شده‌اند. سپس، يك چارچوب سه متغيره مبتني بر توابع مفصل، رويدادهاي سيل را به صورت سه متغيره در حوضه‌ي اشاره شده ارزيابي كرده است. اين تحليل‌ها با استفاده از كاپيولاي ارشميدسي سلسله مراتبي در سه ساختار شامل كاپيولاي متقارن، همگن نامتقارن و ناهمگن نامتقارن ارائه شده است و در نهايت عملكرد آن‌ها در تخمين فركانس‌هاي سيل مورد ارزيابي قرار گرفته‌است.
چكيده انگليسي :
Flood is one of the most important and destructive natural hazards that endangers the life, economic, social, environmental and psychological security of the earth's inhabitants every year. The pattern of this phenomenon has changed in recent years due to many factors such as climate change. Therefore, flood forecasting and risk assessment of this phenomenon under the factor of nonstationry such as climate change can play a vital role. For this purpose, in this study, the eva‎luation of two important goals, including flood forecasting and flood risk assessment in the watershed of the Ken River, located in the north of Tehran province, has been done as a case study. Due to its location and special conditions, this basin is considered one of the important and critical basins for the study of flood behavior. In the first phase of this study, a new fusion framework for flood forecasting based on machine learning, statistical and geostatistical models has been introduced. For this purpose, at first, a machine learning model was used to fill the gap of ground observation data of the historical period based on remote sensing precipitation data including ERA5, CHIRPS and PERSIANN-CDR. Then, four individual machine learning models, including Random forest, Multi-layer perceptron, Support vector machine and Extreme learning machine, are developed to simulate the daily flow on a long-term scale. In the next step, three hybrid models, including Random forest, Bayesian model averaging, and Bayesian maximum entropy, have been used to combine the outputs of the individual machine learning models of the previous step and to improve the results, especially in the prediction of further steps. The proposed framework has also been implemented for daily variables downscaling of three climate general circulation models (GCMs) under two emission scenarios. The results of flood forecasting step showed that the individual models demonstrate weak performance, especially in predicting the daily flow of long time steps, so it is necessary to use a fusion technique to improve the results. Also, in this step, the random forest model has shown high efficiency in the fusion step compared to other fusion models. On the other hand, this technique has also shown an effective performance in the biased correction of daily precipitation data of GCMs. In the second step of the research, the flood risk of the study area has been eva‎luated under different climate change models and scenarios based on Copula's approach. As we know, flood is a multidimensional event and requires the analysis of many factors. Most of the research often uses a bivariate framework relying on historical data, while the bivariate flood approach can lead to a decrease in estimation accuracy, especially as climate change is expected to affect flood frequency analysis and flood system design in the future. Therefore, the second step of this study is to eva‎luate the predicted changes in three important characteristics of floods, including duration, flood volume and flood peak, and the joint return period of floods using copula functions based on eight general circulation models. In this phase of the study, analysis has been done based on two emission scenarios including SSP2-4.5 and SSP5-8.5 for three 31-year periods including the far future (2070-2100), the mid-term future (2070-2040), and the historical period (1982-2012). In this step, the outputs of precipitation and minimum and maximum temperature of biased corrected climate change models have been used as predictors of the machine learning model for daily flow simulation. Then, a trivariate framework based on copula functions has eva‎luated the trivariate flood frequency. These analyzes have been presented using hierarchical Archimedean copula in three structures including symmetric, asymmetric homogeneous and asymmetric heterogeneous copula, and finally their performance in estimating flood frequencies has been eva‎luated.
استاد راهنما :
حميدرضا صفوي , محمد رضا نيكو
استاد مشاور :
محمدرضا نجفي
استاد داور :
محمدحسين گل محمدي , رامتين معيني , ناصر طالب بيدختي
لينک به اين مدرک :

بازگشت