نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

پیش‌بینی عمق و طول آبشستگی اطراف خطوط لوله مدفون با استفاده از روش‌های یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکترا، مهندسی عمران -آب و سازه‌های هیدرولیکی-دانشگاه مراغه، مراغه، ایران.
2 دانشیار گروه مهندسی عمران-دانشگاه مراغه
3 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی عمران -آب و سازه‌های هیدرولیکی-دانشگاه مراغه، مراغه، ایران.
4 گروه عمران. واحد ملکان. دانشگاه آزاد اسلامی. ملکان. ایران
چکیده
آبشستگی موضعی پیرامون خطوط لوله مدفون در بستر رودخانه‌ها یکی از عوامل مهم ناپایداری بستر و آسیب‌پذیری زیرساخت‌های انتقال سیال به شمار می‌رود که در صورت برآورد نادرست می‌تواند منجر به خسارات فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی قابل توجه شود. ازاین‌رو، توسعه روش‌های دقیق برای پیش‌بینی هندسه چاله آبشستگی نقش مهمی در طراحی ایمن و اقتصادی این سازه‌ها دارد. پژوهش‌های اخیر نشان داده‌اند که روش‌های یادگیری ماشین و الگوریتم‌های هوش مصنوعی به عنوان ابزارهای کارآمد برای تحلیل و پیش‌بینی پدیده‌های پیچیده هیدرولیکی مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این پژوهش، عملکرد سه روش یادگیری ماشین شامل شبکه عصبی مصنوعی (ANN)، ماشین بردار پشتیبان (SVM) و الگوریتم k-نزدیک‌ترین همسایه (KNN) در پیش‌بینی هندسه چاله آبشستگی موضعی شامل عمق حداکثر و طول حداکثر در حضور تیغه غیرقابل نفوذ بررسی شد. تحلیل‌ها بر پایه ۶۴ سری داده آزمایشگاهی انجام گرفت. پارامترهای هیدرولیکی و هندسی مورد استفاده شامل عدد فرود جریان، نسبت دفن اولیه لوله به عرض کانال و نسبت قطر لوله به عرض کانال بود. نتایج نشان داد که مدل شبکه عصبی مصنوعی با ضریب تعیین بیش از 96/0 در پیش‌بینی عمق و طول چاله آبشستگی، عملکرد دقیق‌تر و پایدارتری نسبت به دو روش دیگر ارائه می‌دهد، در حالی که مدل‌های SVM و KNN دقت کمتری نشان دادند. همچنین نتایج تحلیل حساسیت مشخص کرد که نسبت دفن اولیه لوله به عرض کانال مهم‌ترین پارامتر مؤثر در تعیین هندسه آبشستگی موضعی است. در مجموع، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که روش‌های یادگیری ماشین، به‌ویژه شبکه عصبی مصنوعی، می‌توانند به عنوان ابزاری مؤثر برای پیش‌بینی آبشستگی و بهبود طراحی و ایمنی خطوط لوله مدفون در بستر رودخانه‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Prediction of Scour Depth and Length Around Buried Pipelines Using Machine Learning Methods

نویسندگان English

Tohid Omidpour Alavian 1
Mahdi Majedi Asl 2
Meysam Golinejad Sham Asbi 3
Mehdi Kouhdaragh 4
1 Ph.D. Student, Civil Engineering - Water and Hydraulic Structures, Maragheh University, Maragheh, IranMaster's student, Civil Engineering - Water and Hydraulic Structures - Maragheh University, Maragheh, Iran
2 Dr. Mahdi Majedi Asl - associate university of Maragheh - - university of Maragheh - mehdi.majedi@gmail.com
3 Master's Student, Civil Engineering - Water and Hydraulic Structures, Maragheh University, Maragheh, Iran.
4 Civil Engineering Department, Engineering Faculty, Malekan Branch, Islamic Azad University, Malekan, Iran
چکیده English

Local scour around buried pipelines in riverbeds is one of the major factors contributing to bed instability and the vulnerability of fluid‑transport infrastructure. Incorrect estimation of scour geometry can lead to significant technical, economic, and environmental damages. Therefore, the development of reliable methods for predicting scour hole geometry plays an important role in the safe and economical design of such structures. Recent studies have shown that machine learning techniques and artificial intelligence algorithms have attracted considerable attention as effective tools for analyzing and predicting complex hydraulic phenomena. In this study, the performance of three machine learning approaches, namely Artificial Neural Networks (ANN), Support Vector Machines (SVM), and the k‑Nearest Neighbors (KNN) algorithm, was evaluated for predicting the geometry of local scour holes, including maximum scour depth and maximum scour length, around buried pipelines in the presence of an impermeable plate. The analysis was conducted using 64 sets of laboratory experimental data. The hydraulic and geometric input parameters included the flow Froude number, the ratio of initial burial depth of the pipeline to channel width (e/B), and the ratio of pipeline diameter to channel width (D/B). The results indicated that the ANN model achieved more accurate and stable predictions than the other methods, with coefficients of determination greater than 0.96 for predicting both scour depth and scour length, while the SVM and KNN models showed comparatively lower accuracy. Sensitivity analysis also revealed that the ratio of initial burial depth to channel width (e/B) is the most influential parameter affecting local scour geometry. Overall, the findings demonstrate that machine learning approaches, particularly artificial neural networks, can serve as effective tools for predicting scour and improving the design and safety of buried pipelines in riverbeds.

کلیدواژه‌ها English

Local scour
Buried Pipeline
Impermeable Blade
Machine Learning
Artificial Neural Network

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 27 اردیبهشت 1405