تخمین منحنی دبی- اشل در رودخانه‌های طبیعی با جریان غیردائمی با استفاده از روش مبتنی بر کنتورهای هم سرعت

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران-دانشکده مهندسی- دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه عمران دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

برآورد دبی بر اساس منحنی سنجه جریان دائمی است که بر اساس اندازه‌گیری همزمان تراز سطح آب و دبی می‌باشد. چنین رویکردی تنها در شرایط جریان پایدار و یا جریان ناپایداری که امواج سیل رفتار سینماتیک از خود نشان می‌دهند مناسب است، اما در اغلب موارد شیب انرژی متغیر، همراه با نیروهای فشار و اینرسی دینامیک مربوط به دبی جریان ناپایدار، منجر به تشکیل منحنی سنجه حلقوی می‌شود و استفاده از نتایج حاصل از منحنی سنجه جریان دائمی می‌تواند خطای زیادی را به همراه داشته باشد. هدف این پژوهش، پیشنهاد و صحت‌سنجی روشی جدید و مبتنی بر کنتورهای هم سرعت، در تخمین منحنی دبی-اشل و هیدروگراف‌های عمق و دبی در رودخانه‌های طبیعی با جریان غیردائمی است. در این پژوهش به کمک الگوریتم ژنتیک و با بهره‌گیری از پارامتر روش SPM و سایر پارامترهای مؤثر بر مقدار دبی، رابطه‌ای برای تخمین دبی ارائه می‌گردد که با استفاده از این رابطه و حل معادلات سنت-ونان می‌توان منحنی دبی-اشل و هیدروگراف‌های عمق و دبی را محاسبه نمود. نتایج نشان داد که مقادیر مجذور میانگین مربعات خطای نرمال شده (NRMSE) و درصد میانگین خطای مطلق (MAPE) برای هیدرگراف خروجی عمق به ترتیب 037/0 و %10/4 و برای هیدروگراف خروجی دبی به ترتیب 029/0 و %97/11 و همچنین خطای روش پیشنهادی در تخمین مقادیر دبی و تراز اوج کمتر از %4 و در مورد زمان وقوع آن‌ها در حدود %2 می‌باشد. از این روش با دقت بسیار مناسبی می­توان منحنی دبی-اشل جریان ناپایدار و همچنین هیدروگراف‌های عمق و دبی را برای رودخانه‌های طبیعی روندیابی نمود.برآورد دبی بر اساس منحنی سنجه جریان دائمی است که بر اساس اندازه‌گیری همزمان تراز سطح آب و دبی می‌باشد. چنین رویکردی تنها در شرایط جریان پایدار و یا جریان ناپایداری که امواج سیل رفتار سینماتیک از خود نشان می‌دهند مناسب است، اما در اغلب موارد شیب انرژی متغیر، همراه با نیروهای فشار و اینرسی دینامیک مربوط به دبی جریان ناپایدار، منجر به تشکیل منحنی سنجه حلقوی می‌شود و استفاده از نتایج حاصل از منحنی سنجه جریان دائمی می‌تواند خطای زیادی را به همراه داشته باشد. هدف این پژوهش، پیشنهاد و صحت‌سنجی روشی جدید و مبتنی بر کنتورهای هم سرعت، در تخمین منحنی دبی-اشل و هیدروگراف‌های عمق و دبی در رودخانه‌های طبیعی با جریان غیردائمی است. در این پژوهش به کمک الگوریتم ژنتیک و با بهره‌گیری از پارامتر روش SPM و سایر پارامترهای مؤثر بر مقدار دبی، رابطه‌ای برای تخمین دبی ارائه می‌گردد که با استفاده از این رابطه و حل معادلات سنت-ونان می‌توان منحنی دبی-اشل و هیدروگراف‌های عمق و دبی را محاسبه نمود. نتایج نشان داد که مقادیر مجذور میانگین مربعات خطای نرمال شده (NRMSE) و درصد میانگین خطای مطلق (MAPE) برای هیدرگراف خروجی عمق به ترتیب 037/0 و %10/4 و برای هیدروگراف خروجی دبی به ترتیب 029/0 و %97/11 و همچنین خطای روش پیشنهادی در تخمین مقادیر دبی و تراز اوج کمتر از %4 و در مورد زمان وقوع آن‌ها در حدود %2 می‌باشد. از این روش با دقت بسیار مناسبی می­توان منحنی دبی-اشل جریان ناپایدار و همچنین هیدروگراف‌های عمق و دبی را برای رودخانه‌های طبیعی روندیابی نمود.

کلیدواژه‌ها


Ahmadi, A. and Maghrebi, M.F. (2021). A robust approach for rating curves estimation in open channels using isovel contours. International Journal of River Basin Management, 19(3), 281-296.
Ajmera, T.K. and Goyal, M.K. (2012). Development of stage–discharge rating curve using model tree and neural networks: an application to Peachtree Creek in Atlanta. Expert Systems with Applications, 39(5), 5702-5710.
Akan, A.O. (2006). Open Channel Hydraulics. Elsevier. Canada, 384 p.
Baldassarre, G.D. and Montanari, A. (2009). Uncertainty in river discharge observations: a quantitative analysis. Hydrology and Earth System Sciences, 13(6), 913-921.
Chen, X. and Chiew, Y.M. (2004). Closure to "response of velocity and turbulence to sudden change of bed roughness in open-channel flow" by xingwei chen and yee-meng chiew. Journal of Hydraulic Engineering, 130(6), 589-590.
Di Silvio, G. (1969). Flood wave modification along prismatic channels. Journal of the Hydraulics Division, 95(5), 1589-1614.
Domeneghetti, A., Castellarin, A. and Brath, A. (2012). Assessing rating-curve uncertainty and its effects on hydraulic model calibration. Hydrology and Earth System Sciences, 16(4), 1191-1202.
Dottori, F., Martina, M.L.V. and Todini, E. (2009). A dynamic rating curve approach to indirect discharge measurement. Hydrology and Earth System Sciences, 13(6), 847-863.
Faye, R.E. and Cherry, R.N. (1980). Channel and dynamic flow characteristics of the Chattahoochee River, Buford Dam to Georgia Highway 141. US Government Printing Office. USA. 66 p.
Fenton, J.D. (1999). Calculating hydrographs from stage records. Proc. of 28th Congress of IAHR., Graz, Austria.
Fread, D.L. (1974). Numerical properties of implicit four-point finite difference equations of unsteady flow (Vol. 18). US Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration, National Weather Service, Office of Hydrology.
Fread, D.L. (1975). Computation of stage-discharge relationships affected by unsteady flow. American Water Resources Association, 11(2), 213-228.
Fread, D.L. (1993). Flow Routing, in: Handbook of Hydrology, Maidment, D.R. (Ed.), Chapter 10, McGraw Hill.
Heine, R.A. and Pinter, N. (2012). Levee effects upon flood levels: an empirical assessment. Hydrological Processes, 26(21), 3225-3240.
Henderson, F.M. (1966). Open Channel Flow, Mac Millan Publishing Co., USA, pp. 288-324.
Jackson, J.D. (1999). Classical Electrodynamics. Wiley, USA, 842 p.
Jones, B.E. (1916). A method of correcting river discharge for a changing stage. US Geological Survey (No. 375-E).
Lamberti, P. and Pilati, S. (1990). Quasi-kinematic flood wave propagation. Meccanica, 25(2), 107-114.
Maghrebi, M.F. (2006). Application of the single point measurement in discharge estimation. Advances in Water Resources, 29(10), 1504-1514.
Munson, B.R., Young, D.F. and Okiishi, T.H. (1995). Fundamentals of fluid mechanics. Oceanographic Literature Review, 10(42), 831.
Nikuradse, L. (1933). Laws of flow in rough pipes, VDI Forsch. 361. English translation. NACA TM-1292.
Perumal, M. and Moramarco, T. (2005). A reappraisal of discharge estimation methods using stage hydrographs. In: Proceedings of the International Conference on Hydrological Perspectives for Sustainable Development.
Perumal, M., Moramarco, T., Barbetta, S., Melone, F. and Sahoo, B. (2011). Real-time flood stage forecasting by Variable Parameter Muskingum Stage hydrograph routing method. Hydrology Research, 42(2-3), 150-161.
Perumal, M., Moramarco, T., Sahoo, B. and Barbetta, S. (2007). A methodology for discharge estimation and rating curve development at ungauged river sites. Water Resources Research, 43(2),  https://doi.org/10.1029/2005WR004609.
Perumal, M., Moramarco, T., Sahoo, B. and Barbetta, S. (2010). On the practical applicability of the VPMS routing method for rating curve development at ungauged river sites. Water resources research, 46(3), https://doi.org/10.1029/ 2009WR008103.
Perumal, M., Shrestha, K.B. and Chaube, U.C. (2004). Reproduction of hysteresis in rating curves. Journal of Hydraulic Engineering, 130(9), 870-878.
Prandtl, L. (1933). Recent results of turbulence research, NACA TM-720.
Reitan, T. and Petersen-Øverleir, A. (2009). Bayesian methods for estimating multi-segment discharge rating curves. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 23(5), 627-642.
Ruppert, J. (1995). A Delaunay refinement algorithm for quality 2-dimensional mesh generation. Journal of algorithms, 18(3), 548-585.
Schmidt, A.R. and Garcia, M.H. (2003). Theoretical examination of historical shifts and adjustments to stage-discharge rating curves. In World Water and Environmental Resources Congress., Pennsylvania, United States.
Shao, Q., Lerat, J., Podger, G. and Dutta, D. (2014). Uncertainty estimation with bias-correction for flow series based on rating curve. Journal of Hydrology, 510, 137-152.
Shao, Q., Dutta, D., Karim, F. and Petheram, C. (2018). A method for extending stage-discharge relationships using a hydrodynamic model and quantifying the associated uncertainty. Journal of Hydrology, 556, 154-172.
Sturm, T.W. (2001). Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill. New York. 493 p.
Szymkiewicz, R. (2010). Numerical modeling in open channel hydraulics. Springer Science and Business Media. Germany.