بررسی و مدلسازی آب شستگی پاییندست انحراف کننده تنه درختی در کانال مستقیم
محورهای موضوعی : مقاله پژوهشیهادی رشیدی 1 , محسن نجارچی 2 , سید محمد میرحسینی هزاوه 3
1 - دانشجوی دکتری، مدیریت منابع آب، گروه مهندسی عمران، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
2 - دانشیار گروه مهندسی آب، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
3 - گروه مهندسی عمران، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
کلید واژه: شبکه عصبی, آبشستگی پایین دست, منحرف کننده تنه درخت, کانال مستقیم,
چکیده مقاله :
آبشستگی، بستگی به ایجاد موانع در مقابل جریان آب ، مقاطع غیر هیدرولیکی ، پایه ها و پی ، دست خوردگی مصالح بستر، خاک نفوذپذیر یا نفوذناپذیر، غیر موازی بودن فونداسیون و جریان آب، نوع فعالیت رودخانه اعم از استاتیکی و یا دینامیکی، وجود آبشار و یا مانع ای که باعث به وجود آمدن آبشار در مصالح بستر طبیعی ، که باعث شسته شدن مصالح زیرین بستر می شود بستگی دارد. آبشستگی موضعی در اطراف پایه های پل بر اثر برخورد جریان با پایه و جدایی جریان از آن ایجاد میگردد. ابعاد حفره آبشستگی ایجاد شده در اطراف پایه پل به خصوصیات هیدرولیکی جریان، خصوصیات سیال، هندسه پایه و مشخصات مواد بستر بستگی دارد. شبکه بهینه پیش خورنده با الگوریتم آموزشی پس انتشار خطا با توابع انتقال سیگموئیدی برای چهار مدل ذکر شده در فصل چهارم، استفاده شده است.برای تعیین تعداد نرونها در لایه پنهان، یک و ده نرون در لایه پنهان بر حسب شاخص های صحت سنجی انتخاب شد. با توجه به ساختار شبکه ای یک نرون در لایه پنهان مقایسه ای بین مدل پارامترهای بعد دار و بی بعد مؤثر در ابعاد حفره آبشستگی صورت گرفت.
Abstract: Scouring depends on several factors including the obstacles in water flow, sections, piers and foundations, disturbance of bed materials, soil permeability, non-parallelism between the piers and water flow, the type of river activity (static or dynamic), existence of a waterfall or an obstacle that results in the formation of a waterfall in the natural bed materials which causes the underlying bed materials to be washed away. Local scour around the bridge piers is caused by the collision of the flow with the piers and the separation of flow. The dimensions of the scour hole created around the bridge piers depend on the hydraulic characteristics of the flow, fluid characteristics, the geometry of pier and characteristics of the bed materials. Feed forward optimal network with the error back-propagation training algorithm with sigmoid transfer functions has been used for four models mentioned in the paper. To determine the number of neurons in the hidden layer, one and ten neurons were selected in the hidden layer according to the verification indicators. Considering the network structure of one neuron in the hidden layer, a comparison was made between dimensional and dimensionless parameter models effective in the dimensions of the scour hole. The comparison of artificial neural network and nonlinear regression models shows a higher accuracy and capability of ar-tificial neural networks in the simulation of phenomenon. Also the R and RMSE values were obtain from 0.93 to 0.98 and 0.18 to .013 respectively
1. Akbari Fard, S., & Akhund Ali, A. (2017). "Simulation of Sea Wave Height Using Meta-Heuristic Algorithms in the Chabahar Region." *Scientific-Research Journal of Marine Techniques, 4(3), 73-84. (Autumn 2016).
2. *Amini, M., & Heidarpour, M. (2017). "Investigating the Application of Combined Collar and Slot Models in Controlling and Reducing Local Scour Around Cylindrical Bridge Pier Groups." *7th National Conference on Sustainable Agriculture and Natural Resources.
3. *Rajabi, D., Karami, H., Hosseini, Kh., Mousavi, F., & Hashemi, A. A. (2015). "Estimating Optimal Parameters of the Nonlinear Muskingum Routing Model Using the Imperialist Competitive Algorithm (ICA)." *Journal of Water and Soil Science (Agricultural and Natural Resources Science and Techniques), 19(73), 321-333. (Autumn 2014).
4. *Hashemi Manfar, S. A., Hosseinzadeh, F., & Pirzadeh, B. (2017). "Application of the Imperialist Competitive Algorithm (ICA) in Reservoir Operation Optimization for Maximizing Demand Supply: A Case Study of Pishin Dam." *Scientific-Research Journal of Hydraulics, 12(2), 59-67.
5. Amini. A, Mohammad. Th, (2016), "Local scour prediction around piers with complex geometry", Marine Georesources and Geotechnology Journal, p863
6. Kashani, Ali Reza, Amir Hossein Gandomi, and Mehdi Mousavi. (2016) "Imperialistic competitive algorithm: a metaheuristic algorithm for locating the critical slip surface in 2-dimensional soil slopes." Geoscience Frontiers 7, no. 1: 83-89.
7. Moussa.A.M.A, (2017), "Evaluation of local scour around bridge piers for various geometrical shapes using mathematical models", Ain Shams Engineering Journal, P10.
8. Saber, Navid Abdolhoseyni, Mahdi Salimi, and Davar Mirabbasi. (2016) "A priority list based approach for solving thermal unit commitment problem with novel hybrid genetic-imperialist competitive algorithm." Energy 117: 272-280.
9. Najafzadeh, M.; Tafarojnoruz, A.; Lim, S.Y. Prediction of local scour depth downstream of sluice gates using data-driven models. ISH J. Hydraul. Eng. 2017, 23, 195–202. [CrossRef] 30. Rajaratnam, N.; Macdougall, R.K. Erosion by Plane Wall Jets with Minimum Tailwater. J. Hydraul. Eng. 1983, 109, 1061–1064. [CrossRef]
10. Najafzadeh, M.; Lim, S.Y. Application of improved neuro-fuzzy GMDH to predict scour depth at sluice gates. Earth Sci. Inform. 2015, 8, 187–196.
11. Ali, H.M.; El Gendy, M.M.; Mirdan, A.M.H.; Ali, A.A.M.; Abdelhaleem, F.S.F. Minimizing downstream scour due to submerged hydraulic jump using corrugated aprons. Ain Shams Eng. J. 2014, 5, 1059–1069.
12. Shen, H. W., Schneider, V. R., and Karaki, S. (1969). “Local scour around bridge piers.” Proc. ASCE, 95_6_, 1919–1940.
13. Jain, S. C., and Fischer, E. E. (1979). “Scour around bridge piers at high Froude numbers.” Rep. No. FHWA-RD-79-104, Federal Highway Administration,Washington D.C.
14. Froehlich, D. C. (1989). “Local scour at bridge abutments.” Proc., 1989 National Conf. on Hydraulic Engineering, New York, 13–18.
15. Melville, B. W., and Sutherland, A. J. (1988). “Design method for local scour at bridge piers.” J. Hydraul. Eng., 114_10_, 1210–1226.
16. Jones, J. S. (1984). “Comparison of prediction equations for bridge pier and abutment scour.” Proc., Transportation Research Record, Second Bridge Engineering Conf., Vol. 2, Transportation Research Board, Washington, D.C., 202–209.
17. Johnson, P. A. (1995). “Comparison of pier-scour equations using fielddata.” J. Hydraul. Eng., 121_8_, 626–629.
18. Landers, M. N., and Mueller, D. S. (1996). “Evaluation of selected pierscour equations using field data.” Transp. Res. Rec., 1523, 186–195.
19. .Mueller, D. S. (1996). “Local scour at bridge piers in nonuniform sediment under dynamic conditions.” Ph.D. thesis, Colorado State Univ.,Fort Collins, Colo.
20. Ataie-Ashtiani, B., and Beheshti, A. A. (2006). “Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups.” J. Hydraul. Eng.,132(10), 1100–1104.
21. .Johnson, P. A., and Ayyub, B. M. (1996). “Modelling uncertainty in prediction of pier scour.” J. Hydraul. Eng., 122(2), 66–72.
Study and modeling of scouring downstream of a solitary tree deflectors in a straight channel
Hadi Rashidi1, Mohsen Najarchi21, Seyed Mohamad Mirhossinihzaveh3
1. PhD Student, Water Resources Management, Department of Civil Engineering, Arak Branch, Islamic Azad University , Arak, Iran
2. Associate Professor, Department of Water Engineering, Arak Branch, Islamic Azad University, Arak, Iran
3. Department of Civil Engineering, Arak Branch, Islamic Azad University, Arak, Iran
Abstract Introduction: Erosion is a natural phenomenon caused by water flow over erodible surfaces in rivers and channels. Local scour, a component of morphological changes in waterways, often results from human-made structures. Experimental studies demonstrate that erosion processes driven by shear stress and flow scouring at the end of protected beds can progressively destabilize riverbeds, potentially leading to structural failure. Predicting scour hole dimensions is thus critical. Scour involves a two-phase flow (water and sediment) influenced by variables such as flow conditions, bed characteristics, time, and channel geometry. Consequently, researchers have focused on experimental investigations to understand these dynamics. Methods: This study combines empirical observations of scour phenomena with analytical methods to evaluate erosion rates. A practical equation with high predictive capability was sought. A tree-trunk deflector model was tested in a straight flume (10 m length × 0.5 m width × 0.5 m height), elevated 1.3 m above the laboratory floor, with a bed slope of 0.001. The flume featured an iron bed/framework, glass walls, and a downstream triangular weir (90° apex angle) for flow measurement. A sliding gate controlled water depth. The fixed bed spanned 60 cm, with 17 cm of uniform sand (median grain size d<sub>50</sub> = 1 mm, standard deviation 3.1) over a 210 cm length. Bed profiles were measured using a 1 mm-accuracy depth gauge after each test. Results: A neural network model incorporating dimensional and dimensionless parameters was developed. Sensitivity analysis identified key variables, and a modified DOT relationship (Mahdavi-Zadeh, 20XX) with adjusted C<sub>h</sub> coefficients was proposed. Nonlinear regression equations derived from Buckingham π-theorem were compared to neural network performance. Models with 10 hidden-layer neurons outperformed single-neuron models in estimating scour depth (validated via SPSS), showing higher correlation (e.g., R<sup>2</sup> > 0.9) and lower mean squared error (MSE). Scour depth and flow depth were most influential, while time significantly affected scour width. *Conclusion:* 1. Mahdavi-Zadeh’s modified DOT method demonstrated superior correlation and lower MSE across all scour hole dimensions compared to the original DOT model. 2. Neural networks outperformed nonlinear regression in simulating scour dynamics. 3. Dimensionless models surpassed dimensional models in sensitivity analysis, highlighting scour depth and flow depth as critical factors. Time exerted the strongest influence on scour width. |
Keywords: Neural network, downstream scour, tree deflectors, straight channel, Buckingham π-theorem |
Citation:Ahmad Abedi-Sarvestani Associate Professor, Department of Water Engineering, Islamic Azad University, Arak Branch, Arak, Iran | |
[1] * Corresponding author:Mohsen Najarchi
Address: Associate Professor, Department of Water Engineering, Arak Branch, Islamic Azad University, Arak, Iran
Tel: 09188621836
Email: mohsennajarchi@yahoo.com
Extended Abstract
Introduction
Erosion is a natural phenomenon caused by water flow over erodible surfaces in rivers and channels. Localized erosion, particularly downstream of hydraulic structures, plays a crucial role in riverbed morphology. Shear stress and flow scouring at the end of protected beds can lead to progressive destruction, ultimately threatening the stability of hydraulic structures. Accurate prediction of scouring dimensions is essential for effective river management and infrastructure protection. This study investigates the scouring patterns downstream of solitary tree deflectors in a straight channel to improve understanding and modeling of erosion processes.
Materials and Methods
Experiments were conducted in a laboratory flume with a controlled flow system to analyze the scouring effects of solitary tree deflectors. The channel was straight with specific dimensions, and the deflector was placed at different locations to observe variations in scour depth and patterns. High-precision instruments were used to measure flow velocity, water depth, and sediment displacement. Different hydraulic conditions were tested, and numerical modeling was performed to compare experimental results with theoretical predictions.
Findings and Discussion
The results indicated that the presence of a solitary tree deflector significantly altered the flow pattern, leading to localized scouring downstream. The maximum scour depth was observed near the deflector’s downstream edge, where shear stress was highest. Increasing the flow velocity intensified the erosion process, confirming the direct relationship between hydraulic conditions and scouring behavior. Comparison with numerical models showed good agreement, validating the experimental setup and highlighting the importance of considering flow turbulence and sediment transport in scouring predictions.
Conclusion
The study demonstrated that solitary tree deflectors influence erosion dynamics in a straight channel by modifying flow structures and enhancing localized scouring. Understanding these effects can aid in designing more effective erosion control strategies for river management. The findings suggest that incorporating deflectors in river engineering can help mitigate uncontrolled erosion while maintaining ecological balance. Further research is recommended to explore different deflector configurations and their impact under varying hydraulic conditions.
Ethical Considerations
All experiments were conducted in compliance with ethical guidelines, and no human or animal subjects were involved in the study.
Funding
No external funding was received for this research.
Authors’ Contributions
• Conceptualization and design: Hadi Rashidi, Mohsen Najarchi, Sedmohamad Mirhossinihzaveh
• Methodology and data analysis: Hadi Rashidi, Mohsen Najarchi
• Supervision and final writing: Mohsen Najarchi
Conflicts of Interest
The authors declare no conflict of interest
بررسی و مدلسازی آب شستگی پاییندست انحراف کننده تنه درختی در کانال مستقیم
هادی رشیدی1، محسن نجارچی12، سید محمد میرحسینی هزاوه3
1. دانشجوی دکتری، مدیریت منابع آب، گروه مهندسی عمران، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
2. دانشیار گروه مهندسی آب، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
3. گروه مهندسی عمران، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
کلمات کليدي: شبکه عصبی، آبشستگی پایین دست، منحرف کننده تنه درخت، کانال مستقیم | چكيده آبشستگی، بستگی به ایجاد موانع در مقابل جریان آب ، مقاطع غیر هیدرولیکی ، پایه ها و پی ، دست خوردگی مصالح بستر، خاک نفوذپذیر یا نفوذناپذیر، غیر موازی بودن فونداسیون و جریان آب، نوع فعالیت رودخانه اعم از استاتیکی و یا دینامیکی، وجود آبشار و یا مانع ای که باعث به وجود آمدن آبشار در مصالح بستر طبیعی ، که باعث شسته شدن مصالح زیرین بستر می شود بستگی دارد. آبشستگی موضعی در اطراف پایه های پل بر اثر برخورد جریان با پایه و جدایی جریان از آن ایجاد میگردد. ابعاد حفره آبشستگی ایجاد شده در اطراف پایه پل به خصوصیات هیدرولیکی جریان، خصوصیات سیال، هندسه پایه و مشخصات مواد بستر بستگی دارد. شبكه بهينه پيش خورنده با الگوريتم آموزشي پس انتشار خطا با توابع انتقال سيگموئيدي براي چهار مدل ذكر شده در فصل چهارم، استفاده شده است.براي تعيين تعداد نرونها در لايه پنهان، يك و ده نرون در لايه پنهان بر حسب شاخص هاي صحت سنجي انتخاب شد. با توجه به ساختار شبكه اي يك نرون در لايه پنهان مقايسه اي بين مدل پارامترهاي بعد دار و بي بعد مؤثر در ابعاد حفره آبشستگي صورت گرفت.
|
[1] * نویسنده مسئول: محسن نجارچی
تلفن: 09188621836
نشانی : دانشیار گروه مهندسی آب، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران
پست الکترونیکی mohsennajarchi@yahoo.com
مقدمه
آبشستگی پدیدهای طبیعی ناشی از جریان آب روی بسترهای فرسایشی در رودخانهها و کانالهاست. آبشستگی موضعی نیز بخشی از تغییرات ریختشناسی آبراهههاست که عمدتا در اثر سازههای مختلفی رخ میدهد که به دست انسان ساخته شدهاند. آزمایشها نشان میدهد که فرآیند آبشستگی در اثر شکست برشی و تراوش جریان در انتهای بستر حفاظت شده میتواند به طور فزایندهای منجر به تخریب کفبند شود و به تدریج شرایط را برای شکست سازهی اصلی مهیا کند که بستر بخاطر آن محافظت شده است. حفاظت بستر در برابر آبشستگی، به خصوص در مواردی که عملیات حفاظت بستر باید در زیر آب انجام شود، بسیار هزینهبر است. از طرفی، طولی از بستر که به حفاظت نیاز دارد بستگی به مقدار مجاز آبشستگی دارد. بنابراین، پیشبینی ابعاد گودال آبشستگی اجتنابناپذیر و بسیار بااهمیت است. جریان در محل وقوع آبشستگی یک جریان دو فازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متاثر از متغیرهای بسیاری از جمله شرایط جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراه میباشد. به همین دلیل محققین، هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند. [1]تاکنون تحقیقات زیادی روی آبشستگی پاییندست بسترهای حفاظت شده صورت گرفته است. فرهودی و اسمیت (1985) به بررسی تشابه پروفیلهای آبشستگی در پاییندست پرش هیدرولیکی پرداختند و گودال آبشستگی را بر حسب پروفیلهای بیبعد ارائه کردند.[2] سیفی و همکاران (1392) با بررسی آبشستگی پاییندست سرریز لبه پهن دو طرف شیبدار نشان دادند که کاهش عمق پایاب باعث گسترش طولی مشخصههای آبشستگی میشود. [6] حمیدیفر و امید (1389) بر اساس نتایج آزمایشگاهی حاصل از آبشستگی رسوبات غیر چسبنده در پاییندست کفبند، مشخص شد که تاثیر عمق پایاب بر پارامترهای حفره آبشستگی به مقدار عدد فرود ذره بستگی دارد. [7] با وجود مطالعاتی که تاکنون در این زمینه صورت گرفته، تاکنون آبشستگی پاییندست این سرریز مورد بررسی قرار نگرفته و اطلاعات جامعی دربارهی مشخصات پروفیل آبشستگی پاییندست این سرریز ارائه نشده است. از آنجا که برای پیشبینی و کنترل آبشستگی که دربرگیرندهی تمام حالتهای ممکن باشد تاکنون معیار کلی کمتری ارائه شده است، روابط تجربی و آزمایشگاهی بسیار کاربردی خواهند بود.
مواد و روشها
ﻣﺤﻘﻘﯿﻦ زﯾﺎدي ﭘﺪﯾﺪه آب شستگی را ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ ﮐﺮده و رواﺑﻂ ﻣﺨﺘﻠﻔﯽ به‌منظور ﺑﺮآورد ﻣﯿﺰان آب شستگی اراﺋﻪ نموده‌اند. ﻧﺘﯿﺠﻪ ﺣﺪود نیم‌قرن ﻓﻌﺎﻟﯿﺖ ﻣﺤﻘﻘﯿﻦ و ﻣﻬﻨﺪﺳﯿﻦ در اﯾﻦ زﻣﯿﻨﻪ اراﺋﻪ ﺑﯿﺶ از ﭼﻬﻞ ﻓﺮﻣﻮل ﺑﺮاي ﺗﺨﻤﯿﻦ ﻋﻤﻖ آب شستگی ﺑﻮده اﺳﺖ. [18] رواﺑﻂ ارائه‌شده ﻋﻤﺪﺗﺎً به‌صورت ﺗﻮاﺑﻌﯽ از ﻣﺘﻐﯿﺮﻫﺎيواﺑﺴﺘﻪ ﻫﺴﺘﻨﺪ، ﮐﻪ ﺑﺎ ﭘﺮدازش دادهﻫﺎي آزﻣﺎﯾﺸﮕﺎﻫﯽ و گهگاه ﻣﯿﺪاﻧﯽ ﺑﻪ ﮐﻤﮏ روش‌های آﻣﺎري به‌دست‌آمده‌اند و ﻫﺮ ﻣﻌﺎدﻟﻪ ﻓﻘﻂ ﻧﻘﺶ ﻋﻮاﻣﻞ ﻣﺤﺪودي را ارزﯾﺎﺑﯽ می‌کند. [20] ﺑﻨﺎﺑﺮاﯾﻦ ﮐﺎرﺑﺮد اﯾﻦ ﻣﻌﺎدﻻت ﺑﺮاي ﺑﺮآورد ﻣﯿﺰان ﻋﻤﻖ آب شستگی در ﯾﮏ ﻣﻮﻗﻌﯿﺖ ﺧﺎص، ﻏﺎﻟﺒﺎً ﻧﺘﺎﯾﺞ ﮐﺎﻣﻼًﻣﺘﻔﺎوﺗﯽ داده، اﻧﺘﺨﺎب معادله‌ای ﮐﻪ ﻧﺘﺎﯾﺞ آن ﺑﺎ واﻗﻌﯿﺖ ﺗﻄﺎﺑﻖ بیشتری داشته ﺑﺎﺷﺪ اﺳﺎﺳﺎً اﮔﺮ امکان‌پذیر ﺑﺎﺷﺪ، ﮐﺎر ساده‌ای ﻧﯿﺴﺖ. [19] ﺗﻌﯿﯿﻦ راﺑﻄﻪ ﻣﯿﺎن ﭘﺎراﻣﺘﺮﻫﺎي مؤثر ﺑﺮ ﻋﻤﻖ آب شستگی و ﺣﺪاﮐﺜﺮ ﻋﻤﻖ آب شستگی و ﯾﺎﻓﺘﻦ ﺗﺎﺑﻊ ﺣﺎﮐﻢ ﺑﺮ آن‌ها از ﻣﻮﺿﻮﻋﺎت ﻣﻬﻢ در ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ ﻫﯿﺪروﻟﯿﮏ اﺳﺖ ﮐﻪ در آن ﺳﻌﯽ میشود رابط‌های رﯾﺎﺿﯽ ﻣﯿﺎن ﻋﻤﻖ آب شستگی به‌عنوان ﻣﺘﻐﯿﺮ واﺑﺴﺘﻪ و ﭘﺎراﻣﺘﺮﻫﺎي مؤثر ﺑﺮ اﯾﻦ ﭘﺪﯾﺪه ﺑﻪ دﺳﺖ آﯾﺪ. [3] ﺑﺮاي اﯾﻦ ﻣﻨﻈﻮر تابه‌حال از ﻣﻄﺎﻟﻌﺎت آزﻣﺎﯾﺸﮕﺎﻫﯽ ﮐﻪ ﻣﺴﺘﻠﺰم ﺻﺮف وﻗﺖ و ﻫﺰﯾﻨﻪ ﺑﺴﯿﺎري هست استفاده‌شده اﺳﺖ. برای انجام آزمایشهای این تحقیق از مدل انحراف کننده تنه درختی در کانال مستقیم، طرح وارهای از حفره آبشستگی در پاییندست کفبند همراه با پارامترهای مشخصه حفره در شکل (1) و نمایی از فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده در شکل (2) آورده شده است. آزمایشها در یک فلوم به طول 10متر، عرض و ارتفاع 5/0 متر انجام شده است. ارتفاع کانال از کف آزمایشگاه 3/1 متر و شیب کف کانال 001/0 است. جنس کف و اسکلت کانال آهنی و دیوارهها از جنس شیشه میباشد. برای اندازهگیری دبی جریان از یک سرریز مثلثی شکل لبهتیز با زاویه راس 90 درجه از جنس فلز در انتهای حوضچه پاییندست استفاده گردید. همچنین این فلوم در پاییندست مجهز به یک دریچه با قابلیت کنترل عمق پایاب و پرش بود. طول کفبند صلب 60 سانتیمتر، عمق رسوبات 17 سانتیمتر و طول آن 210 سانتیمتر در نظر گرفته شد. در این تحقیق از ماسه با دانهبندی یکنواخت (d50=1mm ) و انحراف معیار 3/1 استفاده شده که منحنی دانهبندی ذرات رسوبی در شکل (3) ارائه شده است. عمق پایاب به وسیله دریچه کشویی که در انتهای فلوم آزمایشگاهی تعبیه شده است تنظیم میگردید. در پایان مدت آزمایش (6 ساعت)، همزمان با بستن دریچه انتهایی، جریان قطع و بعد از زهکشی کامل بستر رسوبی، پروفیل بستر توسط عمقسنج با دقت 1 میلیمتر برداشت شده و فرآیند فوق برای انجام آزمایش بعدی تکرار میشد.
شکل 1 – طرحواره ای از حفره آبشستگی و پارامترهای مشخصه آن
تحلیل ابعادی
پارامترهای موثر بر ابعاد آبشستگی در انحراف کننده تنه درختی در کانال مستقیم را میتوان به صورت زیر نوشت:
که در آن q دبی جریان در واحد عرض سرریز، Ytعمق پایاب، H ارتفاع آب روی سرریز، L و N به ترتیب طول تاج و تعداد کلیدهای سرریز، Wiو Woعرض دهانههای ورودی و خروجی سرریز، W عرض کل سرریز، Si و So شیب کلیدهای ورودی و خروجی، T زمان تعادل، g شتاب ثقل، μ لزجت دینامیکی آب، و
به ترتیب جرم مخصوص ماسه، جرم مخصوص آب، محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی، حداکثر گسترش حفره، حداکثر عمق آبشستگی، فاصله پشته از انتهای کفبند و ارتفاع پشته میباشد. با توجه به اینکه در این تحقیق تاثیر دبی و عمق پایاب بر آبشستگی پاییندست سرریز بررسی میشود [4]، عامل زمان و پارامترهای ثابت حذف میشوند و معادله به صورت زیر خلاصه میشود:
ѱ نمایانگر ابعاد حفره آبشستگی میباشد. با استفاده از تئوری باکینگهام پارامترهای بیبعد موثر بر پدیده آبشستگی در پاییندست سرریز تعیین شدند:
شرایط جریان در همه آزمایشات آشفته میباشد، بنابراین عدد رینولدز از رابطه فوق حذف میشود. با ثابت نگه داشتن همهی پارامترها به جز دبی جریان و عمق پایاب، دو پارامتر بیبعد موثر بر پدیدهی آبشستگی در انتهای کفبند با طول ثابت به صورت زیر سرریز، L و N به ترتیب طول تاج و تعداد کلیدهای سرریز، Wiو Woعرض دهانههای ورودی و خروجی سرریز، W عرض کل سرریز، Si و So شیب کلیدهای ورودی و خروجی، T زمان تعادل، g شتاب ثقل، μ لزجت دینامیکی آب، وبه ترتیب جرم مخصوص ماسه، جرم مخصوص آب، محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی، حداکثر گسترش حفره، حداکثر عمق آبشستگی، فاصله پشته از انتهای کفبند و ارتفاع پشته میباشد. [21] با توجه به اینکه در این تحقیق تاثیر دبی و عمق پایاب بر آبشستگی پاییندست سرریز بررسی میشود، عامل زمان و پارامترهای ثابت حذف میشوند و معادله به صورت زیر خلاصه میشود:
ѱ نمایانگر ابعاد حفره آبشستگی میباشد. [15] با استفاده از تئوری باکینگهام پارامترهای بیبعد موثر بر پدیده آبشستگی در پاییندست سرریز تعیین شدند:
که با توجه به این رابطه میتوان برای حداکثر عمق آبشستگی، محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی و طول حفره آبشستگی توابعی به شکل روابط (5) و (6) و (7) ارائه کرد:
(5)
میزان و نحوه وابستگی بین پارامترها در روابط فوق را به کمک دادههای آزمایشگاهی میتوان تعیین نمود. [11] داده هايي كه در اين تحقيق استفاده شده، شامل مشاهدات آزمايشگاهي مهدوي زاده (1386) براي انحراف کننده تنه درختی غير مستغرق ناشي از كالورتهايي با مقطع دايره اي، مستطيلي، مربعي مي باشد. [9] همچنين در مورد ابعاد حفره آبشستگي با توجه به پارامترهايي كه توسط مهدوي زاده اندازه گيري شده، پارامترهاي حداكثر طول و عرض و عمق حفره آبشستگي مورد بررسي قرار گرفته است. [10] در اين فصل مشخصات شبكه بهينه و مختلف پرداخته شده و اهميت هر يك از پارامترهاي بي بعد شده با اتكا به شاخص هاي صحت سنجي بررسي شده و در نهايت روابط مربوط به هر مدل ارائه گرديده.
شاخص های صحت سنجی
شاخص هاي صحت سنجي كه در اين بخش استفاده شده شامل درجه همبستگي و مجـذور مربعـاتخطا مي باشد.روابط استفاده شده به صورت زير مي باشد.
ضريب هميستگي 1 :
X : مقدار مشاهده شده و ’X :متوسط مقادير مشاهده شده و y : مقدار پيش بيني شده توسط شبكه و ’Y متوسط مقادير پيش بيني شده توسط شبكه و n تعداد كل جفت ها مي باشند. [16] از آنجا كه ارتفاع آبشستگي نسبت به ساير ابعاد حفره آبشستگي در طراحي سازه هاي هيدروليكي اهميت بيشتري دارد، از اين رو جهت سنجش شبكه تدوين شده در تخمين ارتفاع حفره در دو مدل آخر (DOT و DOT اصلاحي) از نرم افزار SPSSنيز استفاده شده. [5]
تعداد نرونها لايه پنهان با در نظر گرفتن مشخصات شبكه اي جهت تعيين تعداد نرون ها در لايه پنهان با تابع انتقال تنسيگ ؛ در ابتدا براي يكي از مدلها بطور تصادفي با تعداد نرونهاي متغير، شبكه هايي با تعداد 1 و 2و 5 و 10 نرون در لايه پنهان در نظر گرفته شد. [17] با توجه به شاخصهاي صحت سنجي ضريب همبستگي و ريشه ميانگين مربعات خطا در شبكه هاي مختلف، نتيجه شد كه با افزايش تعداد نرونها ميزان همبستگي افزايش يافته و ريشه ميانگين مربعات خطا كاهش پيدا مي كند. همانطور كه در شکل 2 ملاحظه مي شود از 10 نرون به بعد ميزان اختلاف با نرون قبلي تفاوت محسوسي ديده نمي شود.
شکل 2 – شاخصهاي صحت سنجي براي شبكه هايي با تعداد نرونهاي مختلف
بحث و نتیجه گیری
همانطور كه قبلا گفته شد، تحقيقات در دو بخش انجام گرديد : ابتدا شبكه عصبي بوسيله پارامترهاي بعد دار و بي بعد مدل گرديد و آناليز حساسيت بر روي پارامترهاي بي بعد صورت گرفت و رابطه مناسب جهت تخمين ابعاد حفره آبشستگي ارائه گرديده است. و همچنين روابط بدون بعد رگرسيوني بدست آمد. [8] در ادامه شبكه عصبي بوسيله پارامترهاي بي بعد رابطه DOT و رابطه اصلاح شده DOT كه توسط مهدوي زاده (1386) صورت گرفته، مدل گرديد و رابطه مناسب جهت تخمين ابعاد حفره ابشستگي ارائه گرديد. [9] در بين حالتهاي مدل شده، مقايسه اي صورت گرفت و در نهايت رابطه اي كه نسبت به ساير مدلها داراي درجه همبستگي بالا و مجموع مربعات خطاي كمتري را دارا بود، ارائه گرديد. از اين رو براي مدل كردن شبكه از تعداد 1 و 10 نرون در لايه پنهان استفاده شد. حتي در بعضي مدلها شبكه با يك نرون داراي دقت مناسبي نسبت به شبكه با ده نرون در لايه پنهان بود، به علت اينكه نوع شبكه انتخابي و الگوريتم هاي آموزشي و يادگيري و تابع انتقال انتخاب شده دقت مناسبي براي شبكه در پي داشت. بدين جهت در بعضي از مدلها با توجه به اين كه تغيير چنداني در تعداد نرونها ديده نشد، جهت ارائه رابطه مناسب براي تخمين ابعاد آبشستگي به تعداد يك نرون بسنده شد.
مدل بعد دار
تحلیل این مدل سازی که ورودي هاي مسئله و محدوده داده ها مدل اول شامل پارامترهاي بعد دار جهت تخمين ارتفاع، طول، عـرض حفـره آبشسـتگي مـي باشـد. [14] نتابیج ارتفاع و عرض حفره ابشستگی در مدل سازی بعد دار اورده شده است.
شکل 3 – عملكرد مدل بعد دار در تخمين ارتفاع و عرض حفره آبشستگي در شبكه با ده نرون در لايه پنهان
مدل دوم (پارامترهاي بي بعد)
همانطور كه در همانطور در قبل اشاره شد، با استفاده از تئوري π باكينگهام [13] ، پارامترهايي كـه بدسـت آمـد. با توجه به اين كه تفاوت چنداني در پارامترهاي صحت سنجي دو شبكه مشاهده نشـد، جهـت سـهولت استفاده وزنها و بياسهاي شبكه يك نرون در لايه پنهان ارائه گرديده در شکل زیر عملكرد مدل بي بعد در تخمين ارتفاع حفره آبشستگي در شبكه با ده نرون در لايه پنهان آورده شده است
شکل 4- عملكرد مدل بي بعد در تخمين ارتفاع و عرض حفره آبشستگي در شبكه با ده نرون در لايه پنهان
مدل رگرسيوني
با توجه به اينكه اغلب محققين براي پيش بيني ابعاد حفره آبشستگي در پائين دست سازه هاي هيدروليكي از روابط تجربي استفاده كردند. [12]در ادامه نيز با استفاده از مجموعه داده هايي كه جهت آموزش شبكه عصبي استفاده شده بود، روابط غير خطي و بدون بعد رگرسيوني بين پارامترهاي بي بعد شده ابعاد حفره آبشستگي بدست آمد كه ضرائب و شاخص هاي صحت سنجي به ترتيب زير مي باشد:
جدول 1-ضرائب و شاخص هاي صحت سنجي مدل رگرسيوني
شاخص هاي صحت سنجي |
| ضرائب |
| پارامتر خروجي | ||
RMSE | R | c | b | a | k | |
1/537 | 0/845 | 0/165 | 0/128 | 0/4 | 0/224 |
|
3/181 | 0/887 | 0/03 | 0/102 | 0/389 | 0/848 |
|
3/165 | 0/939 | -0/015 | 0/096 | 0/393 | 0/682 |
|
