طراحی بهینه و بهبود عملکرد هیدرولیکی سرریز کنگرهای با استفاده از الگوریتم جستجوی فاخته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

2 استاد گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

3 استادیار گروه مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، ایران

4 استادیار گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

5 دانشجوی دکترای مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

6 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

چکیده

از راه­کارهای مناسب برای افزایش ظرفیت آبگذری سرریز در سدها، مخصوصا در شرایطی که افزایش دهانه سرریز امکان­پذیر نباشد، استفاده از سرریز کنگره­ای است. چون ساخت سرریزها بخش قابل­توجهی از هزینه­های اجرایی سدها را به خود اختصاص می­دهد، یافتن راه­های بهینه­سازی این سازه­ها اهمیت ویژه­ای پیدا می­کند. در پژوهش حاضر، از الگوریتم فراکاوشی جستجوی فاخته، جهت یافتن بهترین هندسه سرریز کنگره­ای ذوزنقه­ای، استفاده شد. بدین منظور، حجم بتن مصرفی سرریز به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شد. همچنین، طراحی سرریز با توجه به محدودیت­های هیدرولیکی مختلف صورت گرفت. با انجام تحلیل حساسیت، پارامتر­های بهینه این الگوریتم انتخاب شد. سپس، الگوریتم جستجوی فاخته به صورت تصادفی 15 مرتبه اجرا شد. مقدار ضریب تغییرات و سرعت همگرایی حاصل از اجراهای تصادفی برای الگوریتم پیشنهادی به ترتیب برابر با 00001/0 و 1000 تکرار می­باشد. در نهایت، مقدار کمینه تابع هدف الگوریتم پیشنهادی با نمونه مورد مطالعه واقعی و همچنین با نتایج الگوریتم­های ژنتیک (GA) و تکامل تفاضلی (DE) در تحقیقات پیشین مورد مقایسه قرار گرفت. مشخص گردید که ابعاد سرریز پیشنهادی با استفاده از الگوریتم جستجوی فاخته، منجر به کاهش بتن مصرفی در ساخت سرریز به میزان 9/38 درصد نسبت به نمونه واقعی می­شود. در مدل ارایه شده، علاوه بر کاهش حجم بتن سرریز، مقدار ظرفیت دبی عبوری سرریز نیز افزایش یافت. از سوی دیگر، کاهش حجم بتن­ریزی در ساخت سرریز با استفاده از الگوریتم مذکور در مقایسه با الگوریتم­های بهینه­سازی کلاسیک (GA و DE) در حدود 12% بیش­تر است. کاهش چشم­گیر (بیش از یک سوم) در حجم بتن­ریزی سرریز پیشنهادی نسبت به نمونه واقعی، نشان­دهنده توان­مندی الگوریتم فراکاوشی جستجوی فاخته در حل مسایل بهینه­سازی سرریزها و ضرورت استفاده از آن می­باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Design and Hydraulic Performance Improvement of Labyrinth Spillway using Cuckoo Search Algorithm

نویسندگان [English]

  • Ahmad Ferdowsi 1
  • seyed Farhad Mousavi 2
  • Saeed Farzin 3
  • Hojat Karami 4
  • Mohammad Karami 5
  • Mehdi Valikhan Anaraki 6
1 M.Sc. Student of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 Assistant Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
4 Assistant Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
5 Ph.D. Student of Water Resources Engineering and Management, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
6 M.Sc. Student of Water Resources Engineering and Management, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

One of the appropriate procedures to increase discharge capacity of spillway in dams, particularly when increase of overflow width is not possible, is using labyrinth spillways. Due to the fact that a considerable portion of costs of dams is allocated for construction of spillways, the search for methods to optimize these structures becomes important. In the present research, the Cuckoo Search (CS) algorithm has been used to find the best geometry of the trapezoidal labyrinth spillway. For this purpose, concrete volume of the spillway was considered as objective function. Aslo, the spillway design considered different hydraulic constraints. Optimal parameters of this algorithm were selected by performing sensitivity analysis. Then, CS was run randomly for 15 iterations. The coefficient of variation and convergence speed obtained from random runs for the proposed algorithm were equal to 0.00001 and 1000 iterations, respectively. Finally, minimum value of the objective function of the proposed algorithm was compared to the results obtained from spillway design and the results of Genetic Algorithm (GA) and Differential Evolution (DE) proposed in the previous studies. It was found that the proposed spillway dimentions using CS resulted to 38.91% less concrete with respect to the real prototype. In the proposed model, other than reduction of the spillway concrete volume, the overflow discharge of the spillway was increased. On the other side, concrete volume reduction obtained by CS was 12% less than classic optimization algorithms (GA and DE). Considerable decrease (more than 1/3) in the volume of concrete in the proposed spillway indicates high ability of CS in solving the problems of optimizing spillways and the necessity of using it.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Concrete volume
  • Cuckoo search algorithm
  • Optimization
  • Hydraulic performance
  • Trapezoidal labyrinth spillways
اژدری مقدم،م.، امانیان،ن،ا و جعفری ندوشن،ا. 1388. بهینه­یابی هندسه سرریز کنگره‌ای مثلثی با استفاده از مدل فازی- عصبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سدHyrum  در ایالت یوتای آمریکا). مدل­سازی در مهندسی. 7.19: 57-68.‎
اژدری مقدم،م و جعفری ندوشن،ا. 1392. بهینه­یابی هندسه سرریز کنگره‌ای ذوزنقه­ای با استفاده از مدل فازی- عصبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سدUte  در ایالات متحده امریکا). مهندسی عمران فردوسی. 24.2: 129-138.
رضایی،م.، عمادی،ع و آقاجانی مازندرانی،ق. 1394. مطالعه آزمایشگاهی سرریز کنگره­ای مستطیلی. آب و خاک. 29.6: 1438-1446.
شریف­زاده،ح و امجدی،ن. 1393. مروری بر الگوریتم­های فراکاوشی در بهینه­سازی، مدل­سازی در مهندسی. 12.38: 27-43.
ضمیری،ا.، فرزین،س و کرمی،ح. 1396. مطالعه عددی عوامل موثر بر عملکرد هیدرولیکی جریان عبوری از سرریز کنگره­ای. آبیاری و زهکشی ایران. 11.5: 865-875.
شفاعت طلب دهقانی،ح.، اسمعیلی ورکی،م و اشرف‌زاده،ا. 1395. مطالعه آزمایشگاهی تاثیر هندسه و تراز کف کانال بالادست بر ضریب دبی جریان در سرریز پلان کنگره‌ای- ذوزنقه‌ای. هیدرولیک. 11.2: 61-76.
کشته­گر،ب و اعتدالی،ص. 1395. مدل­های ریاضی جدید مبتنی بر رویه تحلیل رگرسیون برای تنظیم پارامترهای TMD، مکانیک سازه­ها و شاره­ها. 6.4: 59-79.
حیدرپور،م.، موسوی،س.ف و روشنی زرمهری،ع. 1385. بررسی سرریزهای چندوجهی با پلان مستطیلی و U شکل. علوم آب و خاک. 10.3: 1-12.
یوسفیان،ح. 1375. طراحی هیدرولیکی سرریزهای منقاری بر اساس مدل­های فیزیکی. پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی اصفهان.
Abrishamchi,A., Afshar,A and Kerachian,R. 2003. Spillway capacity optimization under hydrologic uncertainties and flood routing. Iranian Journal of Science and Technology. 27.B1: 111–121.
Afshar,A and Mariño,M.A. 1990. Optimizing spillway capacity with uncertainty in flood estimator. Journal of Water Resources Planning and Management. 116.1: 71-84.
Ahmed,J and Salam,Z. 2014. A maximum power point tracking (MPPT) for PV system using cuckoo search with partial shading capability. Applied Energy 119:118–130.
Chen,S.H. 2015. Hydraulic structures. Springer.
Civicioglu,P and Besdok,E. 2013. A conceptual comparison of the Cuckoo-search, particle swarm optimization, differential evolution and artificial bee colony algorithms. Artificial Intelligence Review. 39.4: 315-346.
Crookston,B.M. 2010. Labyrinth weirs. Ph.D. dissertation, Utah State University., Logan, Utah.
Crookston,B.M. and Tullis,B.P. 2012. Labyrinth weirs: Nappe interference and local submergence. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138.8: 757-765.
Crookston,B.M and Tullis,B.P. 2013. Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs. I: Discharge relationships. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 139.5: 363-370.
Falvey,H.T. 2003. Hydraulic design of labyrinth weirs. ASCE Press. Reston, Virginia, USA. 84-86.
Gandomi,A.H., Yang,X.S and Alavi,A.H. 2011. Cuckoo search algorithm: a metaheuristic approach to solve structural optimization problems. Engineering with computers. 29.1:17–35.
Gentilini,B. 1941. Stramazzi con cresta a pianta obliqua e a zig-zag (Weirs with oblique and zig-zag crests). L’Energia Elettrica 18.10: 653-664 (in Italian).
Haddad,O.B., Sharifi,F and Naderi,M. 2005. Optimum design of stepped spillways using genetic algorithm. In Proceedings of the 6th WSEAS Int. Conference on Evolutionary Computing. World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS).
Haddad,O.B., Mirmomeni,M and Mariño, M.A. 2010. Optimal design of stepped spillways using the HBMO algorithm. Civil Engineering and Environmental Systems. 27.1: 81-94.
Hager,W.H., Pfister,M  and Tullis,B.P. 2015. Labyrinth weirs: Developments until 1985. In E-Proceedings of the 36th IAHR World Congress. IAHR.
Hepler,T. 1992. Innovative Spillway Designs.
Hosseini,K., Nodoushan,E.J., Barati,R and Shahheydari,H. 2016. Optimal design of labyrinth spillways using meta-heuristic algorithms. KSCE Journal of Civil Engineering. 20.1: 468- 477.
Houston,K.L. 1982. Hydraulic model study of Ute Dam labyrinth spillway.Report GR-82-7 August 1982. 47 p, 30 Fig, 2 Tab, 4 Ref, 1 Append.
Kanagaraj,G., Ponnambalam,S.G and Jawahar,N. 2013. A hybrid cuckoo search and genetic algorithm for reliability–redundancy allocation problems. Computers and Industial Engineering. 66.4:1115–1124.
Kardan,N., Hassanzadeh,Y and Bonab,B.S. 2017. Shape optimization of trapezoidal labyrinth weirs using genetic algorithm. Arabian Journal for Science and Engineering. 42.3: 1219-1229.
Khatsuria,R.M. 2004. Hydraulics of spillways and energy dissipators. CRC Press.
Khode,B.V and Tembhurkar,A.R. 2010. Evaluation and analysis of crest coefficient for labyrinth weir. World Applied Sciences Journal. 11.7: 835-839.
Khode,B.V., Tembhurkar,A.R., Porey,P.D and Ingle,R.N. 2011. Determination of crest coefficient for flow over trapezoidal labyrinth weir. World Applied Sciences Journal. 12.3: 324-329.
Ming,B., Chang,J.X., Huang,Q., Wang,Y.M and Huang,S.Z. 2015. Optimal operation of multi-reservoir system based-on cuckoo search algorithm. Water Resources Management. 29.15: 5671-5687.
Mirnaseri,M and Emadi,A. 2014. Hydraulic performance of combined flow labyrinth weir-gate.Advance in Agriculture and Biology. 2.2: 54-60.
Murphy,D.W. 1909. A reinforced-concrete spillway with concentrated crest length. Engineering News. 62.11: 278-279.
Resendiz‐Carrillo,D and Lave,L.B. 1987. Optimizing spillway capacity with an estimated distribution of floods. Water Resources Research. 23.11: 2043-2049.
Taylor,G. 1968. The performance of labyrinth weirs, Ph.D. dissertation, University of Nottingham.
Tullis,J.P., Amanian,N and Waldron,D. 1995. Design of labyrinth spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 121.3: 247-255.
Waldron,D.R. 1994. Design of labyrinth weirs. MSc. Thesis, Utah State University, Logan, Utah.
Willmore,C.M. 2004. Hydraulic characteristics of labyrinth weirs. MSc. Thesis, Utah State University, Logan, Utah.
Yang,X.S and Deb,S. 2009. Cuckoo search via Lévy flights. IEEE World Congress on InNature and Biologically Inspired Computing. 210-214.
Yang,X.S and Deb,S. 2010. Engineering optimisation by cuckoo search. International Journal of Mathematical Modelling and Numerical Optimisation 1.4: 330–343.
Yang,X.S and Deb,S. 2013. Multiobjective cuckoo search for design optimization. Comput Oper Res 40.6: 1616–1624.