Optimization Modeling of Spur-dikes Dimensions by considering its Role on River Morphological Stabilization

Document Type : Research Article

Authors

Abstract

Spur-dikes are river cross structures attached to river banks which cause flow deflection. Optimization modeling of spur-dikes is composed of three modules: morphological, design and optimization module. Morphological module is applied to investigate river stability.  Stable cross-section dimensions are computed by maximum sediment transport capacity of external hypothesis. Then, by applying appropriate design criteria for spur-dikes components, such as length, height, distance, number and scour hole depth, construction cost are minimized in design module. Finally, results obtained from morphological and design modules are formulated as a nonlinear multi objective optimization function by weighting method in optimization module to compute optimum dimensions of the spur-dikes. In other words, optimization module is a weighting combination of two objective functions of design and morphological module. The developed model computes variation of construction cost of super-dike with respect to sediment transport capacity of the canal, an indicative of river stability. By applying Zanjanrood river data near Sarcham Bridge, the model has been calibrated for weighting coefficient of 0.6 and 0.4 for cost and sediment transport capacity functions, respectively. Sensitivity analysis has also been carried out with respect to bed load and scour hole depth equations, which shows that they play an important role in determination of the super-dikes dimensions and construction cost. Among the bed load equations applied, Englund & Fredsoe’s have shown maximum sediment transport capacity and minimum cost while van Rijn’s, on the contrary, performed minimum sediment transport capacity and maximum cost.

Keywords


بنی‌حبیب، م.، مستوری، ا. م. و جمالی، ف. (1387). "بررسی صحرایی فاصله بهینه بین آبشکن‌ها". اولین کنفرانس بین‌المللی بحران آب، دانشگاه ‌زابل.
ترابی‌زاده، ع. و بینا، م. (1388). "ارزیابی هیدرولیکی آبشکن‌ها و اثرات آن بر روی رودخانه زهره با استفاده از مدل MIKE11"، هشتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران، اهواز.
چوپانی، س.، عباسی، ع.، پرورش، ا. و رستگار، ح. (1386). "بررسی فاکتورهای موثر در عملکرد انواع مختلف اپی‌های موجود در رودخانه میناب".‌ پژوهش و سازندگی در منابع طبیعی، شماره 74، ص.ص. 66-78.
حسینی، الف.،‌ و همکاران (1388). "ارزیابی فنی عملکرد آب‌شکن‌های احداثی در رودخانه قزل‌اوزن". هفتمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه صنعت آب و برق (عباسپور).
حسینی، ا.، حبیبی م. و صابری، ا. (1382). "طرح تحقیقاتی ارزیابی فنی و اقتصادی آبشکن‌های احداث شده در رودخانه زنجان‌رود"، مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری.
شریفی، ف. (1384). "بهینه‌سازی بهره‌برداری از مخازن چند منظوره با استفاده از الگوریتم چند جامعه‌ای مورچه‌ها". پایان نامه کارشناسی ارشد،‌ دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران.
طاهر شمسی، ا. و ایمان‌شعار، ف. (‌1389). "تعیین معادلات رژیم رودخانه بر اساس معادله توان واحد جریان". نشریه مهندسی عمران و نقشه‌برداری-دانشکده فنی. دوره 44، شماره 1، ص.ص. 73-81.
گلرنگ، ب.، مشایخی، م. و حبیبی، م. (1383). "ارزیابی اقتصادی آبشکن‌های احداث شده بر روی رودخانه لار (استان تهران)". فصل­نامه تحقیقات جغرافیایی، شماره 85، 14379-14403.
معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی رئیس جمهور (1387). "مبانی طراحی سازه­های کنترل فرسایش در رودخانه­ها و آبراهه ها".‌ نشریه 417.
معاونت برنامه­ریزی و نظارت راهبردی رئیس جمهور (1388). "راهنمای طراحی ساخت و نگهداری آبشکن‌های رودخانه‌ای". نشریه شماره 516‌.
نظری، ب.، مجدزاده طباطبایی، م.ر. و قریشی، س.ح. (1390). "بررسی سطح مقطع پایدار کانال­های آبرفتی مستقیم با استفاده از مفهوم ضریب شکل". دهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه گیلان، رشت.
Augusto, O.B., Bennis, F. and Caro, S. (2012). "A new method for desicion making in multi-objective optimaization problems". Pesquisa Operacional 32(2): 331-369© 2012 Brazilian Operations Research Society Printed version ISSN 0101-7438 / Online version ISSN 1678-5142 www.scielo.br/pope.
Carriaga, C.C. and Mays, L.W. (2001). "Optimization approach to stable channel system design". Proceedings of the 2001 International Symposium on Environmental Hydraulics.
Chanson, H. (2004). Environmental hydraulics of open channel flow. Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, UK.
Charlton, F.G. (1982). River stabilization and training in gravel-bed rivers. In Chapter 23 of Gravel Bed Rivers. Edited by R.D. Hey, et al., John Wiley and Sons Ltd., Chichester, England, p. 875.
DuBoys, P. (1879). "Le Rhone et les rivieres a lit affouillab le", Annales des Ponts et Chaussees, 18 (Series 5): 141-195.
Englund, F., and Fredsoe, J. (1976). "A sediment transport model for straight alluvial channels". Nordic Hydrology, 7, pp. 293–306.
Gill,M.A. (1972.) "Erosion of sand beds around spur dikes", Journal Hydraulic Division, ASCE, Vol. 98, No. HY9, pp. 1587-1602.
Huang, H.Q. and Nanson, G.C. (2000). "Hydraulic geometry and maximum flow efficiency as products of the principle of least action". Earth Surface Processes and Landforms. 25, pp. 1 – 16.
Petersen, M.S. (1986). River engineering, Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J., 390p.
Richard D. Hey, Colin R. Thorne (1986). "Stable channels with mobile gravel beds". Journal of Hydrodynamic Engineering, Vol. 112, No. 8, pp. 671-689.
Richardson, E.V., Karaki, S., Mahmood, K., Simons, D. B., Stevens, M. A. (1975). Highways in the river environment, Hydraulic and environmental design considerations. Training and design manual, U.S., Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington D.C.
Rosgen, D.L. (2001). "A stream channel stability assessment methodology". In Proceedings of the Seventh Federal Interagency Sedimentation Conference. Reno, NV, USA, pp. II - 18-26.
Singh, V.P. (2003). "On the theories of hydraulic geometry". International Journal of Sediment Research. Vol. 18, No. 3, pp. 196-218.
Sobhan, S.A. and Kumar Das, S. (1999). "Spacing of straight spurs in series ". Journal of Civil Eng., The Institution of Engineers, Bangladesh, Vol. CE27, No. 2, pp. 177-181.
van Rijn, L.C. (1987). "Mathematical modeling of morphological processes in the case of suspended sediment transport". Ph.D Thesis, Delft University of Technology.
 
Wiberg, P. L. and Smith, J. D. (1989). "Model for calculating bed load transport of sediment". Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 115 (1), pp. 101–123.
Yalin, M. S. (1977). Mechanics of sediment transport. Pergamon, Oxford, UK.
Volume 9, Issue 4 - Serial Number 94
February 2015
Pages 55-72
  • Receive Date: 11 November 2014
  • Revise Date: 12 August 2015
  • Accept Date: 02 September 2015
  • First Publish Date: 02 September 2015