بخشی از مقاله
خلاصه
خصوصیات جزر و مدی در محدوده تاثیر جزر و مد در رودخانه های جزر و مدی - سرعت مد، سرعت جزر و تغییرات تراز سطح آب رودخانه ناشی از جریانهای جزر و مدی - تابعی از خصوصیات دو عامل حاکم بر این رودخانه ها یعنی دامنه جزر و مد و دبی جریان رودخانه ایی می باشند. روشهای تحلیلی و عددی به تنهایی قادر به تعیین این خصوصیات نمی باشند زیرا در این محدوده دو نوع جریان - جریان جزر و مدی و رودخانه اییوجود - دارند که معمولاً مجزا از یکدیگرند.
بنابراین برای تعیین این خصوصیات باید از ابزارهای مناسبی مانند شبکه عصبی و ژنتیک الگوریتم استفاده نمود. در این تحقیق برای تعیین خصوصیات جزر و مدی در رودخانه کارون در بازه اهواز تا سه شاخه خرمشهر از روش جداسازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی استفاده گردیده است و سه رابطه رگراسیونی برای این خصوصیات بر اساس فاصله از دهانه رودخانه، دامنه سیکل جزر و مد و دبی جریان رودخانه ایی استخراج گردید.
برای صحت سنجی این روابط از روش شبکه عصبی استفاده گردید که در یک حالت این شبکه به صورت معمولی آموزش داده شد و در حالت دیگر آموزش این شبکه به وسیله ژنتیک الگوریتم بهینه سازی گردید. با مشاهده نتایج این دو شبکه مشخص شد که روش شبکه عصبی آموزش داده شده به وسیله ژنتیک الگوریتم به مراتب دقیقتر از روش شبکه عصبی معمولی است.
1. مقدمه
تعیین خصوصیات جزر و مدی در رودخانه های جزر و مدی امر بسیار مهمی می باشد . این خصوصیات شامل سرعت جزر و مد و نوسانات سطح آب ناشی از تغییرات سیکل جزر و مدی می باشد . این خصوصیات برای انجام عملیات کنترل سیل ، کنترل کیفیت آب ، تعیین بهترین زمان تردد کشتی ها و نیز تعیین میزان رسوباتی که رودخانه می تواند حمل یا ته نشین سازد مورد استفاده قرار می گیرند .
در رودخانه های جزر و مدی بعلت تاثیر همزمان جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی، بررسی خصوصیات رودخانه پیچیده تر می شود و باید از روش مناسبی برای تحقیق در مورد اندر کنش این دو عامل استفاده نمود . در ابتدا محققان از روشهای تحلیلی برای این مهم استفاده کردند که بدلیل در نظر گرفتن فرضیات ساده کننده در این روشها و نیز پیچیده بودن آنها ، کارایی چندانی نداشتند و چندان مورد استقبال واقع نشدند . در این زمینه می توان به تحقیقات Godin - 1985 - و - Vongvisessomjai & Rojanakamthorn, 1989 - اشاره نمود.
با گذشت زمان و بعلت پیشرفت سریع رایانه ها ، روشهای عددی جایگزین روشهای تحلیلی شدند . روشهای عددی با و جود تمام مزایایی که دارند ولی باز دارای نواقصی هستند این مدلها قادر به در نظر گرفتن اندرکنش جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی نبوده و دو جریان را در حکم یک جریان واحد مورد بررسی قرار می دهند. در این زمینه می توان به مدلهای عددی ابداع شده توسط Sobey - 2001 - و Sanders et al. - 2001 - اشاره نمود.
هر چند مدلهای عددی از لحاظ هیدرولیکی و با استفاده از روش جداسازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی می توانند الگوی جریان و خصوصیات جزر و مدی را در محدوده تاثیر جزر و مد تعیین نمایند، ولی به دلیل زمانبر بودن اجرای آنها و تعدا بسیار زیاد شرایط مرزی که مدل به ازاء آنها باید اجراء گردد، استفاده از آنها مقرون به صرفه نیست و می بایستی از روشهایی که سرعت اجراء آنها بالاست و قادرند در هر اجراء تعداد بیشماری از شرایط مرزی را در نظر بگیرند استفاده نمود. از جمله این روشها می توان از روش شبکه عصبی نام برد.
روش شبکه عصبی از جمله روشهای پر کاربرد در مسائل مهندسی رودخانه و منابع آب می باشد که تاریخچه شروع استفاده از آن چندان نیست و به سال 1982 برمی گردد و هم اکنون با سرعت زیادی در حال گسترش می باشد. کارهای پایه برای ابداع این روش در اواسط قرن 19 میلادی توسط Parlov & Luria انجام شده است .
از کاربردهای شبکه عصبی در مهندسی آب می توان به استفاده از آن در مدلهای بارش B رواناب ، مدلهای هیدرودینامیکی رودخانه ، کنترل سطح آب و ... اشاره نمود. در رودخانه های جزر و مدی در سال 2008 ادیب با استفاده از روش شبکه عصبی به استخراج تراز سطح آب ناشی از اندرکنش جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی پرداخت.
در سال 1387 نیز ادیب جداسازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی در رودخانه های جزر و مدی کارون در ایران و سورن در انگلستان - یدون استفاده از روش شبکه عصبی - را مورد بررسی قرار داد و در سال 1388 به استخراج روابط رگراسیونی ساختاری و منحنی های ساختاری در مقاطع جزر و مدی رودخانه کارون پرداخت.
2. روش تحقیق
در این تحقیق از روند زیر برای جداسازی جریانهای جزر و مدی از رودخانه ایی به وسیله روش شبکه عصبی و ژنتیک الگوریتم استفاده شد: الف: تعیین شکل هیدروگراف سیلاب و سیکل جزر و مدی برای این منظور هیدروگرافهای سیلابهای مختلف در حوضه آبریز مورد نظر باید بررسی گردد و به نوع رژیم سیلابهای حوضه آبریز توجه شود و در نهایت هیدروگرافی انتخاب گردد که حالت پوش بر کلیه هیدروگرافهای موجود داشته باشد و از لحاظ شکل ، زمان تداوم ، زمان اوج و حجم سیلاب نماینده مناسبی برای هیدروگرافهای موجود باشد.
در مورد شکل هیدروگراف اشل مربوط به تغییرات جزر و مدی به چند مورد باید توجه کرد که یک مورد آن نوع سیکل جزر و مدی است که در دهانه رودخانه حاکم است این سیکل می تواند نیم روزانه با پریود 12/5 ساعته باشد. این سیکلها دارای یک مد بلند و یک جزر کوتاه بوده و سرعت امواج جزر و مدی در آنها بالاست و تغییرات ارتفاع جزر و مد در آنها سریع است. ممکن است که نوع این سیکلها، روزانه با پریود 24 ساعته باشد که این سیکلها دارای یک مد بلند ،یک مد کوتاه ،یک جزر بلند و یک جزر کوتاه بوده و سرعت امواج جزر و مدی در آنها پایین است و تغییرات ارتفاع جزر و مد در آنها کند است.
برای تعیین زمان تداوم سیکل جزر و مدی باید به بررسی آمار ارتفاع جزر و مد پرداخت و مشخص نمود که مدهای با تداوم چند روز دارای حداکثر ارتفاع می باشند در این حالت زمان تداوم سیکل جزر و مدی برابر با این چند روز می باشد.
ب :جداسازی جریانهای جزر و مدی از رودخانه ای در این قسمت به جداسازی جریانهای جزر و مدی از جریان رودخانه ای پرداخته می شود و با این کار می توان سرعت امواج جزر و مدی و تغییرات ارتفاع سطح آب ناشی از این امواج را در مقاطع مختلف رودخانه و زمانهای مختلف نشان داد. برای این امر در یک مرحله از مقدار متوسط سیکل جزر و مدی در دهانه رودخانه استفاده می شود و در مرز بالادست هیدروگراف سیلاب اعمال می شود. در مرحله بعد هم در مرز بالادست و هم در مرز پاییندست هیدروگرافهای سیلاب و اشل اعمال می گردد . اختلاف بین نتایج مدل در این دو حالت، اثرات جزر و مد بر روی رودخانه را نشان می دهد.
جداسازی جریان جزر و مدی از جریان رودخانه ای وسیله بسیار مناسبی برای بررسی اثرات جزر و مدی می باشد . به این وسیله می توان مشاهده نمود که محدوده تاثیر جزر و مد در رودخانه های جزر و مدی تا کجا است . همچنین می توان نشان داد که بر حسب بزرگی مد و یا دبی رودخانه هر مقطعی تا چه محدوده ایی از دبی تحت تاثیر مد می باشد و این امر برای تحلیل جریان در مقاطع میانی رودخانه بسیار مهم است چون این مقاطع تحت تاثیر هر دو عامل هستند .
ج: تهیه روابط رگراسیونی ساختاری نتایجی که از جداسازی جریانهای جزر و مدی از رودخانه ای حاصل می شود در واقع حالت خام دارند و با استفاده از آنها باید به ارائه قابلیت های مناسبی پرداخت که بتوان در کاربردهای عملی از آن قابلیتها استفاده نمود. این قابلیتها باید به گونه ایی باشند که به راحتی و در اسرع وقت بتوان از آنها استفاده نمود و توسط عوامل اجرایی که ممکن است چندان تسلطی بر موضوع نداشته باشند هم قابل کاربرد باشد. برای این منظور از روابط رگراسیونی ساختاری استفاده می شود.در ادامه درباره چگونگی استخراج این روابط توضیح داده می شود.
در این روش بر اساس دبی ماکزیمم سیلاب و دامنه سیکل جزر و مدی و فاصله از دهانه رودخانه، برای مقاطع موجود در محدوده تاثیر جزر و مد رابطه رگراسیونی بدست می آید که با استفاده از آن می توان بیشترین تغییرات سطح آب ، بیشترین سرعت جزر و بیشترین سرعت مد را در آن مقاطع مشخص نمود. برای تهیه این روابط رگراسیونی می بایستی ترکیبات مختلفی از سیکل جزر و مدی و سیلاب را با مقادیر متفاوت تولید کرد و بهترین رابطه ای که بر نتایج آنها قابل انطباق است را تعیین نمود.
رابطه رگراسیونی ساختاری، رابطه ای است که در محدوده تاثیر جزر و مد در رودخانه های جزر و مدی حاکم است. این رابطه بر اساس روش حداقل مربعات خطاها استخراج گردیده است. برای تهیه رابطه رگراسیونی ساختاری روابط گوناگون رگراسیونی خطی، لگاریتمی، نمائی و توانی مورد بررسی قرار میگیرد . ورودیهای این روابط عبارتند از دبی ماکزیمم سیلاب ، دامنه سیکل جزر و مدی و فاصله از دهانه رودخانه.
در هر رابطه رگراسیونی از فرمهای مختلف این داده ها استفاده می گردد به عنوان مثال در یک فرم یکی از داده ها را لگاریتمی و داده دیگر را نمائی و داده سوم را توانی در نظر می گیرد و در مرحله بعد هر سه داده را به فرم لگاریتمی در نظر می گیرد و الی آخر. در هر مرحله مدل به مقایسه ارتفاع سطح آب ، سرعت جزر و سرعت مد حاصل از رابطه رگراسیونی و نیز داده های حاصل از جداسازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی می پردازد و از طریق روش حداقل مربعات خطاها ، خطای رابطه را تعیین می نماید و پس از بررسی کلیه روابط رگراسیونی آن رابطه ای انتخاب می شود که کمترین خطا را ایجاد کرده است.
برای استخراج رابطه رگراسیونی و به منظور اینکه بتوان به سهولت از این رابطه استفاده نمود، فرم ساده ای از ترکیب سه داده ورودی به عنوان فرم حاکم بر رابطه رگراسیونی در نظر گرفته شد به گونه ای که تنها سه ضریب در این رابطه به کار می رود.
رابطه رگراسیونی ساختاری حاکم در محدوده تاثیر جزر و مد رودخانه های جزر و مدی را می توان به فرم زیر نشان داد:
: H تغییرات تراز سطح آب ناشی از اثر جزر و مد - متر -
: Vebb سرعت جزر - متر بر ثانیه -
:Vflood سرعت مد - متر بر ثانیه -
:X فاصله از دهانه رودخانه - کیلومتر -
: A دامنه سیکل جزر و مدی - متر -
:Q دبی جریان رودخانه ایی - مترمکعب بر ثانیه -
د: استفاده از روش شبکه عصبی و ژنتیک الگوریتم
همانگونه که مشاهده شد روابط رگراسیونی ساختاری از نتایج جداسازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی استخراج می گردند. با توجه به اینکه برای استخراج این روابط تعداد محدودی از ترکیبات جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی در نظر گرفته می شوند و استخراج نتایج به ازاء تعداد نامحدودی از ترکیبات یک فرایند بسیار زمانبر است باید صحت رابطه بدست آمده برای سایر ترکیبات اثبات شود.
برای این امر نیاز به یک روش مناسب است که بیشترین تغییرات سطح آب ، بیشترین سرعت جزر و بیشترین سرعت مد را به ازاء ترکیبات گوناگون را نشان دهد. این روش مناسب همان روش شبکه عصبی است که ابتدا به ازاء همان تعداد محدود ترکیبات آموزش می بیند و سپس به ازاء سایر ترکیبات ارزیابی می گردد و جوابهای حاصل از آن با جوابهای رابطه رگراسیونی ساختاری مقایسه می گردد و مشاهده می شود که جوابهای این رابطه نیز دارای دقت بالایی است.از طرفی روش شبکه عصبی خود یک ابزار مناسب و ساده برای تعیین خصوصیات جزر و مدی در مقاطع مختلف رودخانه در محدوده تاثیر جزر و مد است .
چون به وسیله جدا سازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی و برای ترکیبات مختلف آنها می توان اختلاف ارتفاع سطح آب و سرعت جزر و مد را در محدوده تاثیر جزر و مد تعیین نمود و حجم این نتایج زیاد است می توان این نتایج را با روش شبکه عصبی تست نمود زیرا شرط استفاده از روش شبکه عصبی زیاد بودن تعداد داده ها است. در این تحقیق برای استفاده از روش شبکه عصبی از نرم افزار Nero solutions استفاده شد و برای آموزش آن از نتایج جداسازی جریانهای جزر و مدی و رودخانه ایی استفاده شد همچنین این نرم افزار برای شبیه سازی مسئله اندرکنش جزر و مد و سیلاب در رودخانه های جزر و مدی ، بهترین توپولوژی شبکه عصبی را تعیین می نماید.
پس از آموزش شبکه و تعیین توپولوژی شبکه عصبی از شبکه آموزش دیده می توان برای تعیین تغییرات سطح آب ، بیشترین سرعت جزر و مد در محدوده تاثیر جزر و مد استفاده نمود که برای این امر دبی جریان رودخانه ایی ، دامنه سیکل جزر و مدی و فاصله از دهانه رودخانه باید به شبکه عصبی معرفی گردد. توانایی روش شبکه عصبی در این تحقیق در مقایسه با سایر شبکه های عصبی به کار رفته در مهندسی رودخانه این است که این شبکه خصوصیات جزر و مدی رودخانه را بر اساس سه داده - دبی جریان رودخانه ایی ، دامنه سیکل جزر و مدی و فاصله از دهانه رودخانه - مشخص می کند
