بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به استفاده روزافزون از مدلهای عددی در طراحی سدهای خاکی، همیشه این سوال مطرح بوده است که چگونه این مدلسازیها انجام شود تا همگرایی حداکثری بین نتایج پیشبینی شده و شرایط واقعی بهوجود آید. بدین‌منظور در این مقاله با در نظر گرفتن عدمقطعیت پارامترهای هیدرولیکی خاک و تراز آب مخزن سد خاکی علویان، مدل غیرقطعی پیشبینی تراوش برمبنای استفاده از روش المان محدود، شبیهسازی مونتکارلو و مدل احتمالاتی شبکه بیزی تدوین شدهاست. بعد از کالیبراسیون و صحتسنجی مدل مذکور، از نتایج آن یک مدل شبکه بیزی برای تعیین تراوش سد در شرایط واقعی، ساخته شده است.
-1 مقدمه
در بیشتر مواقع سد های خاکی جهت برطرف کردن نیاز آبی برای کشاورزان و یا تولید انرژی برق و کنترل سیلابهای فصلی و ذخیره آب در فصول کم باران احداث میشوند. جهت رفع نیازهای مذکور آبگیری و رهاسازی در مواقعی از سال اجتناب ناپذیر است. این افت ناگهانی رقوم آب مخزن بواسطه آبگیری و رهاسازی و همچنین عدم قطعیت1 پارامترهای هیدرولیکی خاک در صورت نادیده گرفته شدن در طراحی، باعث تغیرات ناگهانی شرایط مرزی سدهای خاکی از نظر فشار آب منفذی ودرجه اشباع میگردد که این خود باعث ایجاد شرایط ناپایدار کننده سد خاکی میشود.
در سال های گذشته پدیده روگذری2 یکی از دلایل مهم و اصلی تخریب سدهای خاکی گزارش شده بود ولی در سالهای اخیر علاوه بر مورد مذکور پدیده تراوش هم یکی از مسائلی است که طراحان اینگونه سدها توجه خاصی به آن معطوف داشتهاند - جمال و همکاران، . - 1390 از جمله مطالعات اخیر در ضمینه کاربرد مدلهای هوشمند در پیشبینی عملکرد سدهای خاکی میتوان به Peng and Tian - 2010 - اشاره نمود. ایشان به تخمین میزان تراوش از فونداسیون سد خاکی با استفاده از مدل ANNs3 اقدام نمودند و بهترین مدل از نظر دقت را انتخاب نمودند. مطالعات صورتپذیرفته در ضمینه تأثیر عدم قطعیتها بر عملکرد سدهای خاکی، بسیار محدود میباشند.
از جمله این تحقیقات، میتوان از کار تحقیقی صورتپذیرفته توسط Fredlund et al. - 2011 - نام برد. ایشان از ترکیب روشهای احتمالاتی و شبیهسازی مونتکارلو4 برای بررسی تراوش در خاکهای غیر اشباع و آنالیز پایداری شیروانیها استفاده نمودند و با استفاده از روش تقرب نقاط متناوب5 تعداد اجراهای مدل اجزای محدود را به حداقل رساندند. Rohaninejad and Zarghami - 2011 - کد نرمافزاری نوینی را با ترکیب شبیهسازی مونتکارلو و روش تفاضل محدود برای پیشبینی رفتار سدهای خاکی در شرایط بعد از آبگیری مخزن سد، توسعه دادند. نتایج کاربرد متدولوژی ایشان در سدهای چاهنیمه، نشاندهنده کارایی بسیار مناسب مدل ایشان و همگرایی بسیار زیاد با نتایج ابزار دقیق سد بوده است.
- جمال و همکاران، - 1390 به بررسی شیب هسته رسی بر پدیده تراوش ناپایدار در سدهای خاکی پرداخته اند. نتایج این تحقیق نشان داد که با کاهش شیب هسته رسی میزان گرادیان هیدرولیکی به طور قابل ملاحضهای کاهش مییابد که این امر در بالا دست سد باعث کاهش حجم آب تراوش یافته به بدنه سد میشود ودر پاییندست باعث به تعویق افتادن پدیدههای مخربی همچون جوشش و رگاب خواهد شد. Lohr and Mueller - 2002 - از شبیهسازی مونتکارلو برای مدلسازی هیدروگراف و شبیهسازی سیستم مخزن سد با در نظر گرفتن یک تابع توزیع احتمالاتی برای سطح ماکزیمم مخزن، استفاده کردند. ایشان به این نتیجه رسیدند که با انجام ارزیابی احتمالاتی، میتوان اثرات عدم قطعیتهای موجود را کاهش داد.
در این مقاله با در نظر گرفتن نوسانات تراز آب مخزن وتغییرات پارامترهای هیدرولیکی خاک، ساختار نوینی به منظور تدوین مدل شبیهسازی تراوش در سدهای خاکی در شرایط عدم قطعیت ارائه شده است. بدینترتیب، با استفاده از نتایج حاصله از شبیهسازی مونتکارلو و روش المان محدود، مدل شبکه بیزی، آموزش و صحتسنجی گردیده است. استفاده از مدل اجزا محدود که نسبت به مدلهای تفاضل محدود از سرعت محاسباتی بیشتری برخوردار هستند، منجر به کاهش زمان اجرای مدل استوکستیک تدوینشده بر مبنای مدل اجزای محدود شده است.
علاوه بر آن، رویکرد اصلی این تحقیق، تدوین مدل احتمالاتی هوشمندی بوده است که ضمن داشتن سرعت عمل برای کاربرد در شرایط بهرهبرداری در زمان واقعی از سدها، از دقت عمل مناسبی برخوردار باشد. نتایج حاصله از کابرد متدولوژی پیشنهادی در پیشبینی تراوش از سد خاکی علویان در استان آذربایجان شرقی، حاکی از کارایی و دقت مناسب آن در پیشبینی مقدار جریان تراوش در سدهای خاکی با در نظر گرفتن تغییرات محتمل موجود در پارامترها و خصوصیات هیدرولیکی مصالح بوده است.
-2 مواد و روشها
همانگونه که ذکر گردید، در این تحقیق، متدولوژی جدیدی به منظور پیشبینی تراوش در سد های خاکی در شرایط عدم قطعیت تدوین شده است. متدولوژی مذکور متشکل از مدل المان محدود، مدل شبیهسازی مونتکارلو و مدل هوشمند احتمالاتی شبکه بیزی میباشد. در این مقاله پس جمعآوری اطلاعات سد مورد مطالعه، با بررسی اطلاعات، پارامترهای غیرقطعی تأثیرگذار در تراوش، تعیین شده و ضمن انتخاب، تابع توزیع احتمالاتی مناسب، پارامترهای محتمل قابل رخداد پارامترهای غیرقطعی، تولید شدهاند.
در ادامه، با استفاده از پارامترهای تولیدشده، مدل المان محدود استوکستیک بر مبنای روش شبیهسازی مونتکارلو تدوینشده و مقدار دبی تراوشیافته در سد به ازای تغییرات ممکن تراز مخزن سد و با در نظر گرفتن عدم قطعیت پارامترهای غیرقطعی درنظر گرفتهشده، تعیین شده است. در نهایت با استفاده از نتایج حاصل از روش المان محدود و شبیهسازی مونتکارلو، مدل شبکه بیزی، آموزش ساختاری و پارامتری داده شده است. در این تحقیق، از 70 درصد اطلاعات برای آموزش و از 30 درصد برای صحتسنجی مدل شبکه بیزی استفاده شده است.
در نهایت، جهت انتخاب بهینه تعداد کلاس بندی سری اطلاعات مورد استفاده در آموزش مدل شبکه بیزی، دقت مدل شبکه بیزی در پیشبینی احتمالاتی مقدار تراوش به ازای تعداد 5، 8، 10، 15، 20و 25کلاس برای متغیرهای ورودی-خروجی مدل شبکه بیزی بررسی شده و بهترین کلاسهبندی انتخاب شده است. در نهایت، با در نظر گرفتن تعداد کلاس منتخب با حداقل مقدار متوسط قدرمطلق خطای نسبی، مدل شبکه بیزی برای تعیین احتمالاتی مقدار تراوش از سد در شرایط واقعی به کار برده شده است. در زیربخشهای بعد، به ترتیب مدل المان محدود تراوش تدوینشده و مدل شبکه بیزی، به اختصار شرح داده شدهاند.
.1-2 مدل المان محدود تراوش
با استفاده از باقیمانده وزندار از روش گالرکین میتوان معادلات حاکم بر جریان تراوش را بهصورت زیر نوشت - جمال و همکاران، : - 1390 که در معادله بالا، [B]، [C]، [H] و <N> به ترتیب ماتریس گرادیان، ماتریس شرایط هیدرولیکی المان، بردار فشار در هر گره و بردار توابع درونیابی هستند. همچنین، t، q، وA بهترتیب، نشاندهنده زمان، مقدار دبی عبوری در واحد عرض هر المان، ضخامت المان و تابعی جهت محاسبه مجموع مساحتهای المانها میباشند.
.2-2 شبکههای بیزی - BNs - 6
شبکههای بیزی، مدل های گرافیکی احتمالی هستند که یک مجموعه از متغیرها و استقلال احتمالی آنها را نشان میدهند. مثلا" یک شبکه بیزی میتواند ارتباط احتمالی بین یک بیماری و علائم آن بیماری را نشان دهد و با فرض داشتن علائم بیماری شبکه میتواند احتمال بیماریهای گوناگون را محاسبه نماید. شبکه های بیزی، گرافهای بدون دور جهتداری - DAG - 7 هستند که در آن، گرهها نشاندهنده متغیرهای تصادفی و کمانها جهتدار بین گره ها، وابستگی احتمالی بین متغیرها را نمایش میدهند. مقادیر احتمال شرطی متناظر با هر متغیر تصادفی در جدول هایی ذخیره میشود که به آنها جدول احتمال شرطی8 یا - CPT - گفته می شود.
