بررسی عملکرد الگوریتم تکامل تفاضلی در برآورد پارامترهای هیدرولیکی خاک

Abstract

منحنی رطوبتی خاک یکی از مهم‌ترین شاخص‌های هیدرولیکی خاک است که علاوه بر تعیین مقدار رطوبت خاک در نقاط ظرفیت زراعی وپژمردگی خاک، نقش مؤثری در کاربرد مدل‌های آب خاک در مطالعه روابط خاک-گیاه- آب دارد. مدل‌های مختلف برای بیان این منحنی به‌صورت ریاضی ارائه شده است که میزان کارای این مدل‌ها به دقت برآورد پارامترهای تعریف‌شده در ساختار مدل‌ها بستگی دارد. در این تحقیق روند عملکرد دو الگوریتم فراابتکاری، شامل الگوریتم‌های تکامل تفاضلی و بهینه‌ساز ازدحام ذرات، دربرآرود پارامترهای هیدرولیکی منحنی رطوبتی خاک برپایه مدل ون‌گنوختن و مدل بروکز- کوری در چهار کلاس بافتی؛ لوم رس شنی، لوم شنی، لوم و سیلت لوم بررسی شد. همچنین عملکرد الگوریتم‌های فراابتکاری نسبت به نرم‌افزار RETC که دارای الگوریتم محلی غیر‌خطی حداقل مربعات است، ارزیابی گردید. از این‌رو، در سطح مزرعه کشاورزی دانشگاه بیرجند از چهار کلاس بافتی غالب، 20 نقطه به‌طور تصادفی انتخاب و نمونه‌برداری صورت گرفت. با استفاده از جعبه شن و صفحات فشاری در دامنه مکش صفر تا 15000 سانتی‌متر آب، مقدار رطوبت خاک اندازه‌گیری شد. نتایج حاصل در جهت برآرود پارامترهای هیدرولیکی برپایه دو مدل ون‌گنوختن (vG) و بروکز-کوری (BC) با استفاده از الگوریتم‌های فراابتکاری و RETC مورد استفاده قرار گرفت. از دو شاخص آماری RMSE و R2 برای مقایسه نتایج حاصل بهره گرفته‌شد. نتایج نشان داد که کمترین مقدار شاخص RMSE حاصل عملکرد الگوریتم تکامل تفاضلی در هر دو مدل مورد مطالعه است. مقدار RMSE طی کاربرد الگوریتم تکامل تفاضلی در برآورد پارامترهای مدل vG برابر با 0008/0، 0005/0، 0004/0 و 0006/0 به‌ترتیب درکلاس بافتی لوم رس شنی، لوم شنی، لوم و سیلت لوم حاصل شد. همچنین نتایج عملکرد الگوریتم تکامل تفاضلی در برآورد پارامترهای مدل BC نشان داد که کمترین مقدار شاخص RMSE به‌ترتیب برابر با 006/0، 006/0، 005/0 و 0005/0 درچهار کلاس بافتی مورد مطالعه است که نسبت به عملکرد الگوریتم بهینه‌ساز ازدحام ذرات و RETC دارای بهترین عملکرد است. همچنین بیشترین و کمترین مقدار دو شاخص آماری RMSE و R2 در همه کلاس‌های بافتی خاک در برآورد پارامترهای هر دو مدل مورد مطالعه طی کاربرد RETC مشاهده گردید. نتایج حاصل از این تحقیق از یک طرف بیانگر عملکرد ضعیف الگوریتم‌های محلی در حل مسائل چند متغیره‌ای است. از سوی دیگر بیانگر قابلیت الگوریتم‌های فراابتکاری در حل مسائل چند متغیره‌ای که دارای روابط نمایی می‌باشند. از این‌رو، الگوریتم‌های فراابتکاری می‌تواند یک گزینه مناسب در حل مدل‌های هیدرولیکی خاک در جهت برآورد پارامترهای منحنی رطوبتی خاک باشد.