طراحی هندسه مقطع پایدار رودخانه‌ با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی رقابت استعماری

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

2 استادیار دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

چکیده

یکی از چالش‌های مطالعات طراحی، برنامه‌ریزی و ساماندهی رودخانه‌ها، پیش‌بینی مشخصات هیدرولیکی مقطع پایدار (هندسه هیدرولیکی) رودخانه می‌باشد که در آن میزان فرسایش و انتقال رسوب به یک شرایط رژیم (تعادلی) رسیده است. در این تحقیق، یک مدل شبیه‌سازی- بهینه‌سازی هندسه هیدرولیکی برای پیش‌بینی هندسه پایدار و پاسخ رودخانه‌های شنی توسعه داده شده که در آن هسته شبیه‌سازی یک مدل تحلیلی هیدرولیک رودخانه و پوسته بهینه‌سازی الگوریتم رقابت استعماری می‌باشد. مدل شبیه‌ساز تحلیلی از معادلات حاکم بر انتقال جریان و رسوب در کانال، توزیع تنش برشی مرزی و پایداری کناره‌ها با در نظر گرفتن اثر پوشش گیاهی، استفاده می‌کند. برای رسیدن به یک جواب واحد برای هندسه پایدار مقطع لازم است از فرضیه‌های حدی استفاده شود. در این مقاله از دو فرضیه حداکثر ظرفیت انتقال رسوب و حداقل توان جریان استفاده شده است. با استفاده از الگوریتم رقابت استعماری علاوه بر کاهش حجم محاسبات پیچیده ریاضی، می‌توان به صورت همزمان تمامی پارامترهای مؤثر در هندسه هیدرولیکی را بهینه‌یابی کرد. صحت‌سنجی و کاربرد مدل نشان می‌دهد که مدل شبیه‌سازی- بهینه‌سازی توسعه داده شده با دقت مناسبی هندسه هیدرولیکی رودخانه‌های شنی را مدل‌سازی کرده و نتایج پیش‌بینی پاسخ کانال رودخانه با معادلات مفهومی (کیفی) و رژیم تجربی تطابق قابل قبولی دارد. نتایج بدست آمده حاکی از آنست که پایداری کناره‌ها بر هندسه هیدرولیکی کانال بیشترین تأثیر را دارد. 

کلیدواژه‌ها


کریمی حسین آبادی، م. (1394‎) "طراحی مقطع پایدار چند پارامتری جریان در رودخانه با استفاده از الگوریتم فراکاوشی رقابت استعماری"، پایان نامه کارشناسی ارشد، پردیس شهید عباسپور، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

Ackers P. (1980‎). "‎Use of sediment transport concepts in stable channel design," International Workshop on Alluvial River Problems, Roorkee, India, Mar.

Ackers, P. and Charlton, F. G. (1970‎). "‎The geometry of small meandering channels," Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Vols. Supplement XII, Paper 73285.

Atashpaz-Gargari E. and Lucas C. (2007‎). "‎Imperialist competitive algorithm: an algorithm for optimization inspired by imperialistic competition," Proceeding of IEE: Congress on evolutionary computation, pp. 4661-67, Singapore.

Bray D. I. (1982 b‎). "‎Regime equations for gravel-bed rivers," In Gravel-Bed Rivers, Hey, R. D., Bathurst, J. C., and Thorne, C. R., (Eds.). John Wiley and Sons., pp. 517-552.

Brown C. B. (1950‎). "‎Sediment transportation," Engineering Hydraulics, H. Rouse, ed. John Wiley and Sons, New York, N.Y., pp. 769-857.

Chang H. H. (1979 a‎). "‎Minimum stream power and river channel patterns.," Journal of Hydrology, Vol. 41, pp. 303-327.

Chang H. H. (1979 b‎). "‎Geometry of rivers in regime," Journal of Hydraulic Division, ASCE., Vol. 105, HY 6, pp. 691-706.

Chang H. H. (1980 a‎). "‎Stable alluvial canal design," Journal of Hydraulic Division , ASCE, Vol. 106, HY 5, pp. 873-891.

Chang H. H. (1980 b‎). "‎Geometry of gravel streams.," Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 106, HY 9, pp. 1443-1456.

Chang H. H. and Hill J. C. (1977‎). "‎Minimum stream power for rivers and deltas," Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 103, HY12, pp. 1375-1389.

Charlton F. G., Brown P. M. and Benson R. W. (1978‎). "‎The hydraulic geometry of some gravel rivers in Britain," Report IT 180, Hydraulics Research Station, Wallingford, United Kingdom.

Chow, V. T. (1959) Open Channel Hydraulics. New York: McGraw-Hill Co.

Davies T. R. H. and Sutherland (1980, A. J. "Resistance to flow past deformable boundaries," Earth Surface Processes, Vol. 5, pp. 175-179.

Farias H. D. (1995‎). "‎Physical and mathematical modelling of alluvial channels in regime," Proceedings of XXVIth Congress of the IAHR, Thomas Telford: London, Vol. 1, pp. 348-353.

Ferguson R. I.‎). "‎Hydraulics and hydraulic geometry (1986," Prog. Phys. Geogr., Vol. 10, pp. 1-31.

Flintham, T. P., and P. A. Carling. (1988). "The prediction of mean bed and wall boundary shear in uniform and compositely roughened channels." In International Conference on River Regime (W. P. White (Ed.). John Wiley and Sons), pp. 267-287.

Henderson, F. M., (1966). Open Channel Flow, 414-522. New York: Macmillan Pub. Co.

Hey R. D. and Thorne C. R. (1986‎). "‎Stable channels with mobile gravel beds," Journal of the Hydraulics Division- ASCE, Vol. 112, no. HY 8, pp. 671-689.

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, Vol. 25, pp. 1-16.

Huang H. Q. and Nanson G. C. (2002‎). "‎A stability criterion inherent in laws governing alluvial channel flow," Earth Surface Process and Landforms, Vol. 27, pp. 929-944.

Keulegan, G. H. (1938). "Laws of turbulent flow in open channels." Journal of Research of the National Bureau of Standards 21, pp. 707-741.

Kirkby M. J. (1977‎). "‎Maximum sediment efficiency as a criterion for alluvial channels.," In River Channel Changes, Gregory KJ. (ed.). Wiley: Chichester, pp. 429-442.

Knight, D. W., J. D. Demetriou, and M. E. Hamed. (1984). "Boundary shear in smooth rectangular channels." Journal of Hydraulic Division, ASCE 110, HY 4. pp.405-422.

Lane E. W. (1955‎). "‎The design of stable channels", Trans. ASCE, Vol. 120, Paper No. 2776, pp. 1234-1279.

Leopold L. B. and Maddock T. (1953‎). "‎The hydraulic geometry of stream channels and some physiographic implications.," USGS Prof. Paper, Vol. 252. U.S. Geological Society.

Leopold L. B. and Wolman M. G. (1957‎). "‎River channel patterns; braided meandering and straight.," USGS Prof. Paper, Vol. 282-B. US. Geological Society.

Lindley (1919‎). "‎Regime Canals," Proceedings, Punjab Engineering Congress. The Civil and Military Gazette Press, Lahore, Vol. 7, pp. 63-74.

Millar R. G. (2005‎). "‎Theoretical regime equations for mobile gravel-bed rivers with stable banks," Geomorphology, Vol. 64, No. 3-4, pp. 207-220.

Millar R. G. and Quick M. C (1993.‎). "‎Effect of bank stability on geometry of gravel rivers," Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 119, No. 12, pp. 1343-1363.

Parker G. (1978‎). "‎Self-formed rivers with equilibrium banks and mobile bed, II, The gravel river," Journal of Fluid Mechanic, Vol. 89, pp. 127-146.

Pickup G. (1976‎). "‎Adjustment of stream-channel shape to hydrologic regime," Journal of Hydrology, Vol. 30, pp. 365-373.

Schumm S. A. (1971‎). "‎Fluvial geomorphology. channel adjustment and river metamorphosis," In: Shen, H. W. (Ed.), River Mechanics (I). H.W. Shen, Fort Collins. 22 pp.

Song C. C. S. and Yang C. T. (1980‎). "‎Minimum stream power: theory," Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 106, HY9, pp. 1477-1487.

Song C. C. S. and Yang C. T. (1982‎). "‎Minimum energy and energy dissipation rate," Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 108, HY5, pp. 690-706.

Tahershamsi A. and Sheikholeslami R. (2011‎). "‎Optimization to identify muskingum model parameters using imperialist competitive algorithm," International Journal of Optimization in Civil Engineering, 3, pp. 473-482.

Wang S. Q., White W. R. and Bettess R. (1986‎). "‎A rational approach to river regime". Proceedings of the Third International Conference on River Sedimentation., The University of Mississippi: Jackson, Miss., pp. 167-176.

White W. R., Bettess R. and Paris E. (1982‎). "‎An analytical approach to river regime.," Journal of Hydraulic Division. ASCE, Vol. 108, HY 10, pp. 1179-1193.

Yang C. T. (1976‎). "‎Minimum unit stream power and fluvial hydraulics.," Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 102, HY 7, pp. 919-934.

Yang C. T. (1987‎). "‎Energy dissipation rate approach in river mechanics," In Sediment Transport in Gravel-Bed Rivers; Thorne, C. R., Bathurst, J. C., Hey, R. D. (eds). Wiley: Chichester, pp. 735-758.

Yang C. T. and Song C. S. (1979‎). "‎Theory of minimum rate of energy dissipation.," Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 105, HY 7, pp. 796-784.

Yang C. T., Song C. S. and Woldenberg M. J. (1981‎). "‎Hydraulic geometry and minimum rate of energy dissipation," Water Resour. Res., Vol. 17 (4), pp. 1014-1018.