بررسی عملکرد مدل اتوماتای سلولی در شبیه‌سازی سیلاب‌های شهری

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشگده عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

2 عضو هیات علمی دانشکده مهندسی عمران پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران

3 دانشکده عمران دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

چکیده

افزایش فراوانی و شدت سیلاب‌ها در حوضه‌های شهری باعث ایجاد خسارات جدی به شهرها می‌شود. یکی از چالش‌های مهم در تحلیل سیلاب‌های شهری، شبیه‌سازی دو بعدی جریان‌های سطحی ناشی از پس‌زدگی رواناب از سیستم زهکشی است. بنابراین توسعه یک مدل شبیه‌سازی سیلاب که بتواند سیلاب را با دقت و سرعت قابل قبول در حوضه‌های شهری با توپوگرافی پیچیده شبیه‌سازی و بخش‌های متاثر از سیلاب را در این حوضه‌ها مشخص کند از اهمیت بالایی برخوردار است. در این تحقیق یک مدل عددی شبیه‌سازی سیلاب بر پایه روش اتوماتای سلولی با هدف کاهش زمان و حجم محاسبات نسبت به روش‌های معمول تحلیل دو بعدی سیلاب، توسعه داده شدهاست. عملکرد مدل اتوماتای سلولی توسعه داده شده در مطالعه حاضر با مدل‌های هک راس ، مدلی بر پایه معادلات آب کم عمق و مدل تیوفلو که با روش‌های معمول شبیه‌سازی هیدرولیکی جریان آب را روندیابی می‌کنند، در حالات شبیه‌سازی یک و دو بعدی مورد آزمون قرار گرفته است. همچنین شرایط پایداری با توجه به ابعاد شبکه و اندازه گام زمانی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این مدل نشان می دهد که روش پیشنهادی با استفاده از داده‌های توپوگرافی و زبری سطح به عنوان ورودی، با دقت قابل قبول جریان روان‌آب‌های سطحی را در حالات یک بعدی و دو بعدی روندیابی می‌کند. همچنین زمان شبیه‌سازی جریان در این مدل حدود 60 برابر کمتر از روش معادلات آب کم عمق است.

کلیدواژه‌ها


Alba, E. and Troya, J. (2000). Cellular Evolutionary Algorithms: Evaluating the Influence of Ratio. Lecture Note in Computer Science, Springer, 1917, 29-38.
Bradford, S.F. and Sanders, B.F. (2002). Finite-Volume Model for Shallow-Water Flooding of Arbitrary Topography. Journal of hydraulic engineering. 128(3), 289-298.
Cai, X., Li, Y. Guo X. and Wu, W. (2014). Mathematical Model for Flood Routing based on Cellular Automaton. Water Science and Engineering. 7(2), 133-142
Dottori, F. and Todini, E. (2010). A 2D Flood Inundation Model based on Cellular Automata Approach. Proceedings of International Conference on Water Resources, Cimne Barcelona, Spain.
Dottori, F. and Todini, E. (2011). Developments of a Flood Inundation Model based on the Cellular Automata Approach: Testing Different Methods to Improve Model Performance. Physics and Chemistry of the Earth. 36, 266–280.
Dottori, F., Grazzini, F., Lorenzo M., Spisni A. and Tomei F. (2014). Analysis of flash flood scenarios in an urbanized catchment using a tow-dimensional hydraulic model. Evolving in Water Resources Systems, 364, 198-203.
Jaberi, A., Ayanzadeh, R. and Zavar Mousavi, A.S. (2012). Two-layer Cellular Automata Based Cryptography. Trends in Applied Sciences Research, 7, 68-77.
Hus, M.H., Chen, S.H. and Chang, T.J. (2000). Inundation Simulation for Urban Drainage basin with Storm Sewer System. Journal of hydrology, 234(2), 21-34.
Hus, M.H., Chen, S.H. and Chang, T.J. (2002). Dynamic Inundation Simulation of Storm Water Interaction Between Sewer System and Overland Flows. Journal of the Chinese Institute of Engineers. 25(2), 171-177.
Hunter, N.M., Bates, P. D., Horritt, M. S, and Wilson, M.D. (2007). Simple Spatially Distributed Models for Predicting Flood Inundation a Review, Geomorphology. 90, 208-225.
Hunter, N.M., Bates, P.D., Neelz, S., Pender, G., Villanueva, I., Wright, N.G., Liang, D., Falconer, R.A., Lin, B., Waller, S., Crossley, A.J. and Mason, D.C. (2008). Benchmarking 2D hydraulic models for urban flooding. Proceedings of the ICE - Water Management, 161(1). 13-30.
Liu, Y. and Pender, G. (2013). Carlisle 2005 urban flood event simulation using cellular automata-based rapid flood spreading model. Soft Computing, 17(1), 29-37.
Liu L., Wang, X., Yu, D., Liu, K., Huang, H. and Hu, G. (2015). Developing an Effective 2-D Urban Flood Inundation Model for City Emergency Management based on Cellular Automata. Natural Hazards and Earth System Sciences, 15, 381-391.
NDMA. (2010). National Disaster Management Guidelines: Management of Urban Flooding. National Disaster Management Authority, Government of India.
Neelz, S. and Pender, G. (2010). Benchmarking of 2D hydraulic modelling packages. Science Report. SC080035/SR, Environment Agency, Bristol, U.K.
Paz, A.R., Meller, A. and Silva, G.B.L. (2011). Coupled 1D-2D hydraulic simulation of urban drainage system: model development and preliminary results. International Conference on Urban Drainage, Porto Alegre, Brazil.
Seyoum D.S., Vojinovic, Z., Price, R.K. and Weesakul. S. (2012). Coupled 1D and Noninertial 2D Flood Inundation Model for Simulation of Urban Flooding. Journal of Hydraulic Engineering, 138(1). 23-34.