طراحی بهینه مقطع کانال‌های مرکب با در نظر گرفتن تغییرات ضرایب زبری و محدودیت‌های هیدرولیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه آب دانشکده عمران دانشگاه تبریز

2 استاد گروه آب، دانشکده عمران، دانشگاه تبریز

3 دانشجوی دکتری عمران، سازه های هیدرولیکی دانشگاه تبریز

چکیده

کانال­ها به عنوان یکی از مهمترین سیستم­های انتقال آب برای اهداف آبیاری، مصارف آب شرب و کنترل سیل به شمار می­رود. بنابراین با طراحی بهینه مقطع کانال می­توان مجموع هزینه­های ساخت کانال را کم کرد. در این تحقیق تابع هدف بر اساس هزینه­ ساخت کانال در نظر گرفته شده و معادله­ مانینگ به عنوان تابع قید تساوی استفاده گردیده است. آبراه­های طبیعی بازسازی شده معمولا دارای مقطع عرضی معمولی نیستند. این آبراهه­ها معمولا کانال­های ترکیبی هستند. برای این منظور، طراحی بهینه شده در یک سناریو برای دو نوع کانال مرکب انجام شد بدین منظور طراحی بهینه­ در دو سناریو برای دو نوع مقطع کانال مرکب، نوع اول کانال ذوزنقه­­ای با شیب­های کناری متفاوت و ضرایب زبری مختلف و نوع دوم به صورت کانال اصلی همراه مقاطع کناری با ضرایب زبری متفاوت با استفاده ازالگوریتم ژنتیک با متغیرهای عمق، عرض کف و شیب­های کناری انجام گرفت. تغییرات ضرایب زبری مانینگ و تاثیر آن در هزینه ساخت برای دو نوع مقطع کانال مورد تحلیل قرار گرفت که افزایش ضرایب زبری قسمت­های مختلف کانال، سبب افزایش هزینه گردید و دو مدل با محدودیت اضافی عدد فرود و سرعت جریان برای نوع اول کانال مورد بررسی قرار گرفت که نتایج بدست آمده نشان داد با محدودیت عدد فرود و سرعت، سطح مقطع و در نتیجه هزینه ساخت مقطع کانال زیاد شدند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The optimal design of compound channel section considering changes of roughness coefficient and hydraulic restrictions

نویسندگان [English]

  • Kiyoumars Roushangar 1
  • Mohammad Taghi Alami 2
  • Ayda Nouri 3
1 Department Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Engineering, Tabriz University, Iran
2 Professor, Department of Civil Engineering, University of Tabriz
3 Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, University of Tabriz
چکیده [English]

Channels are considered as one of the most important system of water transporting for irrigation purposes, drinking water consumption and flood control. Hence optimizing the design of channel structures can reduce the total cost of a channel. The objective function referred to the costs of channel structures. For this end, Manning equation has been used as an equality constraint. The optimization process was applied in various scenarios for two types of compound channel. The first type of trapezoidal channels had different side slopes, roughness coefficients and the second type was the main channel with side sections having different roughness coefficients. The optimizations were performed using genetic algorithm with depth, bottom width and a side slope variable. The influence of Manning roughness coefficients variation on construction costs for the two types of channel were analyzed. It was inferred that by increasing the roughness coefficients, the cost was increased. Several models with additional restrictions of Froude number, velocity of flow and the top width for the first type of channel were investigated. The results indicated that, Restriction of velocity and Froude number caused increasing cross section area and the cost construction.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compound channel
  • Cost
  • Design
  • Optimization‌‌
  • Roughness Coefficient

Adarsh,S and Janga Reddy,M. 2010. Use of Particle Swarm Optimization for Optimal Design of Composite Channels. Journal of Intelligent Systems. In Press, 19.3: 227-248.

Babaeyan-Koopaei,K., Valentine,E.M and Swailes,D.C. 2000. Optimal design of parabolic-bottomed triangle canals, Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 126.6: 408–411.

Bhattacharjya,R.K. 2006. Optimal design of open channel section incorporating critical flow condition. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE Library. 132.5: 513-518.

Das,A. 2007. Optimal design of channel having horizontal bottom and parabolic side. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 133.2:192-197.

Dupuis,V., Proust,S., Berni,C., Paquier,A. 2017. Compound channel flow with a longitudinal transition in hydraulic roughness over the floodplains. Environmental Fluid Mechanics. 17.5: 903–928.

Einstein,H.A. 1934. Der hydraulische oder Profilradius [The hydraulic or cross-sectional radius]. Schweizerische Bauzeitung. 103.8:89–91 [in German].

Goldberg,D.E. 1989. Genetic Algorithms in Search Optimization and Machine Learning, Addison Wesley Reading Mass 412p.

Horton,R.E. 1933. Separate roughness coefficients for channel bottom and sides. Engineering News-Record. 111-22:652–653.

Nourani,V., Talatahari,S., Monadjemi,P  and Shahradfar,S. 2009. Application of ant colony optimization to optimal design of open channels. Journal of Hydraulic Research. 47.5: 656-665.

Parsaie,A., Najafian,Sh., Yonesi,H.A. 2016. Flow discharge estimation in compound open channel using theoretical approaches. Water Resource management. 2:359–367

Roushangar,K., Alami,M.T., Nourani,V., Nouri,A. 2017. A cost model with several hydraulic constraints for optimizing in practice a trapezoidal cross section. Journal of Hydroinformatics. 19.3: 456-468.

Sahu,M., Khatua,K.K., Mahapatra,S.S. 2011. A neural network approach for prediction of discharge in straight compound open channel flow. Flow Measurement and Instrumentation. 22.5:438–446.

Swamee,P­K., Mishra,G­C and Chahar,R. 2000. Comprehensive design of minimum cost irrigation canal sections, Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE Library.126.5: 322-327.

Unal,B., Mamak,M., Seckin,G and Cobaner,M. 2010. Comparison of an ANN approach with 1-D and 2-D methods for estimating discharge capacity of straight compound channels. Advances in Engineering Software. 41: 120-129.