ارزیابی یک روش توزیع ناپارامتری برای داده های هیدرولوژیک در مکان-زمان مبتنی بر K نزدیک ترین همسایه (مطالعه موردی: سه زیرحوضه غرب دریاچه ارومیه)

نوع مقاله : یادداشت فنی (5 صفحه)

نویسندگان

1 کاندیدای دکترای /مهندسی منابع آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه.

2 دانشیار /گروه مهندسی آب، دانشگاه ارومیه

چکیده

در هیدرولوژی، مدل های احتمالاتی توزیع داده جهت توزیع جریان و بارندگی در مکان و زمان‏ با حفظ وابستگی زمانی و مکانی به طور گسترده‏ای استفاده می شوند. از بین این مدل ها، مدل های توزیع داده ناپارامتری به دلیل سادگی و عدم نیاز به تعداد پارامترهای زیاد اخیراً بسیار مورد استقبال محققین قرار گرفته اند. در این تحقیق روش توزیع ناپارامتری لل-شارما اصلاح شده به عنوان یک روش K نزدیک ترین همسایه معرفی و سپس عملکرد آن در توزیع زمانی و مکانی مقادیر جریان رودخانه‏ای و بارش در سه حوضه آبریز در غرب دریاچه ارومیه مورد استفاده قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا مقادیر مجموع جریان و بارندگی سالیانه سامانه هیدرولوژیک مورد نظر با استفاده از مدل احتمالاتی خود بازگشتی مرتبه اول تولید گردید. در ادامه براساس مدل توزیع ناپارامتری لل-شارما اصلاح شده، ابتدا داده‏های سالیانه تولیدی از مدل خود بازگشتی مرتبه اول در سه حوضه آبریز توزیع شد. پس از آن، مقادیر سالیانه در هر حوضه به ماه‌های مختلف سال توزیع گردید. مقایسه پارامترهای آماری داده‌های تاریخی و تولیدی در دو سطح سالیانه و ماهیانه نشان می‏دهد که روش توزیع ناپارامتری لل-شارما بعنوان یک روش K نزدیک ترین همسایه اصلاح شده، در بازتولید همبستگی های زمانی بهتر از همبستگی های مکانی عمل کرده است. همچنین این روش آمارگان تاریخی در سطح سالانه را به خوبی بازتولید کرده، درصورتی که عملکرد آن در بازتولید آمارگان تاریخی در سطح ماهانه ضعیفتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Assessment of a non-parametric method for hydrologic data disaggregation in space-time based on K-Nearest Neighbors (Case Study: Three sub-basin in West of Urmia Lake)

نویسندگان [English]

  • M. M. Bateni 1
  • M. Montaseri 2
1 PhD Candidate, Water Engineering, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Associate Professor, Water Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده [English]

Stochastic parametric disaggregation models that maintain spatial and temporal correlation are widely used in hydrology. To avoid high complexity and large number of parameters, which imposes a significant amount of uncertainty to the results, use of non-parametric disaggregation methods has been widely suggested as an alternative by researchers. Among the non-parametric modeling methods, the K-nearest neighbors method proposed by Prairie et al. gains strong mathematical basis and inherent simplicity. In our work, the modified disaggregation approach of the K-nearest neighbors method is used for temporal and spatial disaggregation of rainfall and river flow values and the performance is evaluated. The exploited flow and rainfall data correspond to three stations in three sub-basins located at the west of Lake Urmia are used. The total amount of annual rainfall and flow of the three stations are generated using stochastic lag -1 autoregressive model (AR (1)). Using the non-parametric disaggregation model, the generated annual values are disaggregated into three sub-basins. The annual values for each sub-basin are then disaggregated into different months. Comparing statistics of disaggregated data with those for historical data, shows the good performance of the proposed disagreation model and its ability to disaggregate streamflow and rainfall data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-parametric models
  • K nearest neighbor
  • disaggregation models
  • Hydrological system
  • Synthetic time series
Acharya A,  Ryu JH (2013) Simple method for streamflow disaggregation. Journal of Hydrologic Engineering 19(3):509-519
Dahmen E, Hall MJ (1990) Screening of hydrological data: tests for stationarity and relative consistency. International Institute for Land Reclamation and Improvement, 58p
Ganji A, Khalili D, Homayoun-far M (2007) Impact of uncertainty on risk indices in reservoir operation. Iran-Water Resources Research 2(3):13-26
Kite GW (1988) Frequency and risk analysis in hydrology. Water Resources Publications, Fort Collins, CO, 257 p
Kottegoda NT, Rosso R (2008) Applied statistics for civil and environmental engineers. Blackwell Chichester, UK, 736 p
Lall U, Sharma A (1996) A nearest neighbor bootstrap for resampling hydrologic time series. Water resources research 32(3):679-693
Maheepala S, Perera B (1996) Monthly hydrologic data generation by disaggregation. Journal of hydrology 178(1-4):277-291
McMahon TA, Mein RG (1986) River and reservoir yield. Water Resources Publications, Fort Collins, CO, USA
Montaseri M, Adeloye AJ (2002) Effects of integrated planning on capacity-yield-performance functions. Journal of Water Resources Planning and Management 128(6):456-461
Montaseri M, Heydari J (2016) A comparison among the performance of the stochastic models in generating the monthly streamflow and rainfall data. Iran-Water Resources Research 11(3):69-84
Nowak K, Prairie J, Rajagopalan B, Lall U (2010) A nonparametric stochastic approach for multisite disaggregation of annual to daily streamflow. Water resources research 46(8):1-13
Prairie JR, Rajagopalan B, Fulp TJ, Zagona EA (2006) Modified K-NN model for stochastic streamflow simulation. Journal of Hydrologic Engineering 11(4):371-378
Prairie J, Rajagopalan B, Lall U, Fulp T (2007) A stochastic nonparametric technique for space‐time disaggregation of streamflows. Water resources research 43(3):1-10
Rajagopalan B, Lall U (1999) A k-nearest-neighbor simulator for daily precipitation and other weather variables. Water resources research 35(10):3089-3101
Salas J, Sveinsson O, Lane W,  Frevert D (2006) Stochastic streamflow simulation using SAMS-2003. Journal of irrigation and drainage engineering 132(2):112-122
Salas JD, Lee T (2010) Nonparametric simulation of single-site seasonal streamflows. Journal of Hydrologic Engineering 15(4):284-296
Savic DA, Burn DH, Zrinji Z (1989) A comparison of streamflow generation models for reservoir capacity yield analysis. Journal of the American Water Resources Association 25(5):977-983
Tarboton DG, Sharma A, Lall U (1998) Disaggregation procedures for stochastic hydrology based on nonparametric density estimation. Water resources research 34(1):107-119
Vogel RM (1986) The probability plot correlation coefficient test for the normal, lognormal, and Gumbel distributional hypotheses. Water resources research 22(4):587-590
Vogel RM, Shallcross AL (1996) The moving blocks bootstrap versus parametric time series models. Water resources research 32(6):1875-1882
Yates D, Gangopadhyay S, Rajagopalan B, Strzepek K (2003) A technique for generating regional climate scenarios using a nearest neighbor algorithm. Water resources research 39(7):1-15