بخشی از مقاله
چکیده
هدف از مطالعه کنونی توسعه مدلی براي تعیین ضریب زبري کانال آبیاري به روش مهندسی معکوس و استفاده از الگوریتم ژنتیک می باشد. بدین منظور و براي مطالعه ي دقیق تر 420 مترازکانال بتنی فرسوده سه آسیاب سنقر انتخاب و 15مقطع عرضی از آن برداشت شد. سرعت جریان آب با استفاده از دستگاه مولینه در همه مقاطع مقاطع به دقت اندازه گیري شد. سپس یک کد کامپیوتري تهیه شدکه شامل دو زیر برنامه بهینه سازي با روش الگوریتم ژنتیک و هیدرولیکی براساس روش گام استاندارد براي محاسبه نیمرخ جریان می باشد. با مقایسه نیمرخ سطح آب محاسباتی و اندازه گیري شده مقادیر ضریب زبري مانینگ در 15 مقطع برداشت شده محاسبه شد.
به منظور صحت سنجی مدل الگوریتم از حل مسایل بهینه سازي غیرخطی مقید که داراي راه حل هاي تحلیلی هستند استفاده شد و معلوم شدکه نتایج به دست آمده از مدل با نتایج حل تحلیلیکاملاً برابر است. به منظور صحتسنجی مدل هیدرودینامیک، نتایج آن با نتایج مدل HEC-RAS مقایسه شد. نتایج این تحقیق نشان داد پس از بهینه یابی ضریب زبري مانینگ نیمرخ سطح آب محاسباتی با نیمرخ اندازه گیري خطاي کمتر از 1/41 درصد دارد. در حالیکه براي سایر روش هاي بررسی شده در این تحقیق خطا به مراتب بیشتر است.
واژه هاي کلیدي :ضریب زبري ، کانال سه آسیاب، شبیهسازي عددي، جریان ماندگار، الگوریتم ژنتیک
مقدمه
از مشهورترین روابط مقاومت جریان در مجاري روباز که ارتباط بین سرعت متوسط جریان و پارامترهاي هندسی، هیدرولیکی و مقاومتی آبراهه را بیان مینمایند رابطه مانینگ است. مهمترین مسئله در بکارگیري این رابطه برآوردصحیح ضریب زبري مانینگ - - n می باشد. شیوه محاسبه این ضرایب براي برآورد مقاومت جریان از نکات مهم در مطالعات کانال ها می باشد که مورد توجه مهندسین مشاور و متخصصین هیدرولیک قرار گرفته است - قدیمخانی، . - 1384 فلاحتگر و همکاران - 1389 - از طریق اندازه گیري میدانی، تاثیر پوشش گیاهی را بر ضریب زبري مانینگ در مراتع آق قالا مورد بررسی قرار دادند.
نتایج تحقیقات آنها نشان داد که پوشش گیاهی حتی به میزان کم، افزایش معنی داري در ضریب زبري مانینگ دارد. . حیدري و همکاران - - 1386 روش هاي مختلف عملی و دانه بندي را براي تعیین ضریب زبري مانینگ در رودخانه شاوور مورد مطالعه قرار دادند. آنها در پژوهش خود به این نتیجه رسیدند که معادلات میر پیتر -مولر و لین و کارلسون بهترین برآورد را خواهند داشت. کپلند - 2000 - 1 نشان داد زبري هیدرولیکی پوشش کانال تابعی از استحکام گیاهان در حال رشد در کانال، عمق، سرعت و شعاع هیدرولیکی کانال، تراکم گیاه می باشد، و اگر عمق جریان مشخص شده باشد زبري می تواند مستقیم برآورد گردد.
سپسخواه و بندار - - 2002 نشان دادند مقدار ضریب زبريn رابطه مستقیمی با درصد پوشش گیاهی دارد، به طوري که پوشش گیاهی بیش ترین تأثیر را بر روي مقدار ضریب زبري n نشان می دهد. حاتمی و لشته نشایی - - 1386 عوامل مؤثر بر روابط تعیین کننده ضریب زبري را مورد بررسی قرار دادند و پس از مقایسه نتایج روابط مختلف تخمین ضریب زﺑﺮي مشاهده کردند که رابطه استرکلر2 با وجود سادگی، جواب هاينسبتاً قابل قبولی میدهد. ابراهیمی و همکاران - - 1390 بررسی رابطه ضریب زبري مانینگ با عمق و سرعت نسبی جریان تحت تاثیر تراکم پوشش گیاهی را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج بررسی آنها نشان میدهد که ضریب زبري ثابت نبوده بلکه با افزایش تراکم پوشش گیاهی افزایش و با افزایش سرعت و عمق جریان کاهش می یابد. با توجه به اینکه ضریب مانینگ یکی از پارامتر هاي عمده افت انرژي در کانال ها و رو دخانه ها می باشد و در تراز سطح آب وسرعت جریان در هر مقطع نقش موثري دارد، تعیین مقدار مناسب این ضرایب که بیانگر شرایط واقعی رودخانه باشد، از اهمیت ویژه اي برخوردار است که بایستی در انتخاب آن دقت کافی به عمل آید. تاکنون رابط متعددي براي تخمین ضریب زب ري مانینگ ارایه شده است:کاون3 - به نقل از فرنچ، - 1986 براي تعیین میزان ضریب زبري بر اساس شرایط مختلف رابطه - 1 - را که مورد تأیید اداره کشاورزي ایالات متحده می باشد، ارائه نمود.
که در آن n ضریب زبري ترکیبی، nb ضریب زبري پایه با توجه به جنس بستر و دانه بندي، n1 ضریب زبري ناشی ازنامنظمی هاي سطح کانال، n2 ضریب زبري ناشی از تغییرات شکل و اندازه مقطع عرضی کانال، n3 ضریب زبري ناشی از موانع در برابر جریان، n4 ضریب زبري ناشی از پوشش گیاهی، m ضریب اصلاح براي مئاندري بودن کانال می باشند. چاو - 1959 - 4 مطالعات جامعی را در مورد مقادیر n انجام داد که نتایج تحقیقات او مرجع کاملی براي مسایل مهندسی است که در اکثر کتب هیدرولیک جدول تنظیم شده توسط وي قابل دسترسی است. اداره زمین شناسی ایالات متحده با توجه به تحقیقات بارنز - 1967 - 5 عکس هاي رنگی و داده هاي توصیفی مربوط به تعیین ضریب زﺑﺮي 50 نوع مجرا را منتشر کرد.
این نشریه در برآورد مقادیرn رودخانه هاي طبیعی ابزار مفیدي براي کمک به مهندسین در کارهاي صحرایی می باشد . در این روش ضرایب مقاومت با استفاده ازمقادیر دبی جریان، نیمرخ هاي سطح آب و مشخصات بازه مورد نظر برآورد می شود. به این نحو که در هر بازه مشخصات هندسی و هیدرولیکی بیش از دو مقطع بایستی اندازه گیري شود. ضریب زبري بین مقطع - 1 - و مقطع - N - از رابطه - 2 - قابل محاسبه خواهد بود:که درآن Q دبی جریان، R شعاع هیدرولیکی، K نظر گرفته می شود.h عمق جریان، hu هد سرعت، L j-1,j فاصله مقطع j-1 تا مقطع jام ،A سطح مقطع جریان، ضریبی است که براي حالت جریان یکنواخت برابر صفر و براي حالت غیریکنواخت برابر0/5دراز جمله روش هاي دیگر براي تخمین ضریب زبري مانیگ روش شیب است.
در این روش شیب سطح آب در بازه مورد مطالعه اندازه گیري سپس براي مقادیر متوسط سطح مقطع جریان و شعاع هیدرولیکی و استفاده از رابطه مانینگ ضریب زبري محاسبه می شود:فرنچ - - 1986 روش دیگري براي محاسبه مقدار ضریب زبري مانینگ در آبراهه هاي طبیعی ارائه نمود. بر این اساس بااندازه گیري سرعت در - u - 0/2 - 0/2 d و سرعت در - u0/8 - 0/8 d مقدار ضریب زبري مانینگ از رابطه زیر محاسبه می شود:این رابطه براي برآورد مقدار n در کانال هاي عریض که داراي توزیع لگاریتمی سرعت در امتداد قائم هستند ، مفید است. در کانال هاي طبیعی مقدار d را می توان میانگین عمق جریان در نظر گرفت.
تجربه نشان داده است که حساسیت مدلهاي پیش بینی کننده مشخصات جریان درمجاري روبازنسبت به ضریب مانینگ زیاد بوده ولذا انتخاب صحیح آن درپروژه هاي مهندسی رودخانه ازاهمیت بسزایی برخورداراست. از اینرو در تحقیق حاضر از یکی از پیشرفته ترین روش هاي بهینه سازي یعنی روش الگوریتم ژنتیک براي تخمین ضریب زبري مانینگ در کانال هاي روباز و رودخانه ها استفاده شده است که در ادامه جرئیات آن تشریح شده است.
مواد و روش ها
محدوده مورد مطالعه
در این مطالعه کانال آب سه آسیاب منطقه لیمانج شهرستان سنقر کرمانشاه براي مطالعه انتخاب شده است. کانال آب سه آسیاب از حدود 30کیلومتري شرق سنقر از آبهاي زیرزمینی تپه رش و مارنگاز سرچشمه گرفته در نهایت به باغات وزمین هاي کشاورزي منطقه سه آسیاب وارد میشود. با توجه به برداشت ها متعدد در طول مسیر دبی کانال از نوسانات قابل توجهی برخوردار است. بنابراین تنها 450 متر از طول کانال مذکور که از دبی نسبتا ثابتی برخوردا ر بود انتخاب شد. بدلیل عدم توجه مناسب شکل مقطع کانال در طول مسیر دراثر تجمع رسوب در بستر آن بصورت نامنظم درآمده است. پلان مسیر، رقم زمین طبیعی و سطح آب در محل مقاطع با دستگاه توتال استیشن برداشت گردید. علاوه
