سید احمد حسینی؛ محمودرضا طباطبایی
چکیده
مقدمه
شبیهسازی رسوب معلق در سیستمهای هیدرولوژیکی بهدلیل پیچیدگیها و عدم قطعیتهای ذاتی، همواره چالشبرانگیز بوده است. این مسأله موجب شده تا استفاده از مدلهای هوشمند مانند شبکههای عصبی مصنوعی بهعنوان راهکاری مناسب برای پیشبینی بار رسوب معلق مطرح شود. به همین دلیل، استفاده از مدلهای هوشمند نظیر شبکههای عصبی مصنوعی ...
بیشتر
مقدمه
شبیهسازی رسوب معلق در سیستمهای هیدرولوژیکی بهدلیل پیچیدگیها و عدم قطعیتهای ذاتی، همواره چالشبرانگیز بوده است. این مسأله موجب شده تا استفاده از مدلهای هوشمند مانند شبکههای عصبی مصنوعی بهعنوان راهکاری مناسب برای پیشبینی بار رسوب معلق مطرح شود. به همین دلیل، استفاده از مدلهای هوشمند نظیر شبکههای عصبی مصنوعی (ANN) در این زمینه گسترش یافته است. با این حال، تعیین ساختار بهینه شبکه (شامل تعداد نورونها، لایهها، وزنها و بایاسها) معمولاً به روش آزمون و خطا انجام میشود که هم زمانبر و هم ناکارآمد است. در این پژوهش، بهمنظور شبیهسازی بار رسوب معلق روزانه در حوزه آبخیز سراب قرهسو (رودخانههای قوریچای و هیرچای) واقع در استان اردبیل، از شبکه عصبی پرسپترون چندلایه بهره گرفته شد.
مواد و روشها
در این پژوهش، بهمنظور شبیهسازی بار رسوب معلق روزانه در حوزه آبخیز سراب قرهسو (رودخانههای قوریچای و هیرچای) در استان اردبیل، از شبکه عصبی مصنوعی پرسپترون چندلایه بهره گرفته شد. آموزش مدلهای شبکه عصبی علاوه بر روش متداول پسانتشار خطا، با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات (PSO) برای بهینهسازی وزنها و بایاسهای نورونها انجام شد. همچنین بهمنظور افزایش قدرت تعمیمدهی مدلها، از خوشهبندی نگاشت خودسازمانده (SOM) استفاده شد. برای بهینهسازی وزنها و بایاسهای شبکه، علاوه بر روش پسانتشار خطا، الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات (PSO) نیز به کار رفت. همچنین جهت افزایش قدرت تعمیم مدلها، از خوشهبندی نگاشت خودسازمانده (SOM) استفاده شد. استفاده از الگوریتمهای تکاملی نظیر PSO در آموزش شبکههای عصبی، راهکاری مؤثر برای بهبود دقت مدلهای هوشمند و بهخصوص در شبیهسازی رسوب معلق رودخانهها و کاربردهای منابع آبی و سازههای آبخیزداری است.
نتایج و بحث
با استفاده از خوشهبندی SOM و شاخص دیویس-بولدین، تعداد بهینه خوشهها برای ایستگاه کوزه توپراقی 12 و برای ایستگاه هیرچای 15 تعیین شد. تحلیل آماری و آزمون KS نشان داد دادهها در مجموعههای آموزش، اعتبارسنجی و آزمون، از توزیع مشابهی برخوردارند که باعث افزایش قدرت تعمیمدهی مدلها میشود.آموزش مدلهای شبکه عصبی با الگوریتم PSO نسبت به پسانتشار خطا، عملکرد بهتری داشت و خطاهای پیشبینی کاهش یافت. مدلهای ANN-PSO-Sig و ANN-PSO-Tan بهترین عملکرد را در ایستگاههای کوزه توپراقی و هیرچای بهترتیب داشتند. بررسی بایاس مدلها نیز نشان داد مدلهای آموزش دیده با PSO خطای کمتری در برآورد کل رسوب دارند. بهطورکلی نتایج نشان داد، آموزش شبکههای عصبی با الگوریتم PSO عملکرد بهتری نسبت به روش آموزش صرف با پسانتشار خطا دارد. در ایستگاه کوزه توپراقی، مدل هیبرید شبکه عصبی و PSO با تابع فعالسازی سیگموئیدی (ANN-PSO-Sig) و در ایستگاه هیر-هیرچای توپراقی مدل مشابه با تابع فعالسازی تانژانت هیپربولیک (ANN-PSO-Tan) بهترتیب با بایاسهای 25.5 و 2.19- درصد و شاخص RMSE برابر با 86.28 و 89.2 تن در روز بهعنوان مدلهای بهینه انتخاب شدند. این نتایج، نشاندهنده بهبود دقت پیشبینی بار رسوب معلق با استفاده از الگوریتم PSO در آموزش شبکه عصبی است.
نتیجهگیری
استفاده از الگوریتم فراابتکاری PSO در آموزش مدلهای شبکه عصبی، عملکرد آنها را در شبیهسازی بار رسوب معلق بهبود بخشیده است. این روش نسبت به الگوریتمهای مبتنی بر گرادیان خطا برتری دارد و میتواند بهینهسازی وزنها را با دقت بالاتری انجام دهد. نتایج نشان داد که دقت برآورد شاخص بایاس در مدلهای آموزشدیده با PSOبهتر است که این امر در طراحی سازههای آبی و مدیریت منابع آب اهمیت زیادی دارد. همچنین خوشهبندی دادهها با الگوریتمSOM باعث انتخاب مجموعه دادههای همگن و نماینده برای آموزش مدلها شده است که به افزایش قابلیت تعمیم مدلها کمک کرده است. بهطور کلی، با توجه به پیچیدگیهای سیستمهای هیدرولوژیکی و عدم قطعیتهای موجود، به کارگیری مدلهای هوشمند همراه با الگوریتمهای بهینهسازی تکاملی مانند PSO راهکاری مؤثر در شبیهسازی و پایش بار رسوب معلق است. نتایج حاصل میتواند در برنامهریزی و اجرای اقدامات سازهای آبخیزداری و مدیریت منابع آبی کاربرد داشته باشد.
سید احمد حسینی
چکیده
بندهای رسوبگیر، با اهداف چند منظوره مشتمل بر کنترل سیلاب، فرسایش، رسوب و تغذیه آبخوان احداث میشوند. این بندها، با هدف کنترل رسوب از انتقال بخشی از آن به مخازن سدها در پاییندست جلوگیری و با ایجاد تاخیر در رواناب سطحی، بخشی از سیل را کنترل و آبخوان منطقه را نیز تغذیه میکنند. طراحی نامناسب و یا عدم اجرای بهینه این سازهها، سبب کاهش ...
بیشتر
بندهای رسوبگیر، با اهداف چند منظوره مشتمل بر کنترل سیلاب، فرسایش، رسوب و تغذیه آبخوان احداث میشوند. این بندها، با هدف کنترل رسوب از انتقال بخشی از آن به مخازن سدها در پاییندست جلوگیری و با ایجاد تاخیر در رواناب سطحی، بخشی از سیل را کنترل و آبخوان منطقه را نیز تغذیه میکنند. طراحی نامناسب و یا عدم اجرای بهینه این سازهها، سبب کاهش عمر مفید و گاهی تخریب زودهنگام این سازهها میشود. ارزیابی کارکرد و عملکرد فنی چنین طرحهایی با هدف اصلاح و مدیریت سامانه از اهمیت ویژهای برخوردار است. به همین دلیل، در این مقاله، تعدادی از بندهای رسوبگیر اجرا شده در شهرستان آبدانان استان ایلام مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفتند. این پژوهش، در قالب مقایسه و شبیهسازی هیدرولیکی وضع موجود با شرایط قبل از اجرای طرح، در بازهای از آبراهه به طول حدود هفت کیلومتر انجام شد. گفتنی است در این بازه، تعداد شش بند سنگ و ملاتی طی یک دهه گذشته احداث شده است. نتایج شبیهسازی هیدرولیکی سیلاب آبراهه و سازههای احداث شده نشان داد، با استناد به دبی با دوره بازگشت 100 ساله، بهطور متوسط عرض سرریز بندهای احداثی حدود 25 درصد بزرگتر از مقدار مورد نیاز و طول حوضچههای آرامش حدود 40 درصد کمتر از مقدار مورد نیاز اجرا شده است. بهطورکلی، در تمامی بندهای احداثی طول حوضچه آرامش بهدرستی انتخاب نشده است، بهطوریکه کم بودن طول حوضچه آرامش باعث شده است، پرش هیدرولیکی از حوضچه خارج شود و یا در قسمت پایانی آن تشکیل شود. بهواسطه بالا بودن سرعت جریان در محدوده پرش هیدرولیکی، فرسایش و تخریب در ناحیه انتهایی حوضچه آرامش تشدید شده، که به مرور تخریبها به سمت بالادست و سازه اصلی بند رسوبگیر کشیده شده است. با استناد به شبیهسازی هیدرولیکی سیلاب و مقایسه نسبی نتایج در شرایط قبل و پس از احداث بندها، مشخص شد که بندهای احداثی بهطور متوسط بر روی پارامترهای سرعت جریان، قدرت جریان و تنش برشی جریان که همگی از عوامل تشدید فرسایش در آبراهه هستند، تاثیر مثبت داشتهاند. بهطوریکه برای دبی با دوره بازگشت 25 ساله پارامترهای سرعت، قدرت و تنش برشی جریان در طول بازه مورد پژوهش، بهترتیب حدود 23، 29 و 27 درصد کاهش پیدا کرده است. لذا، میزان متوسط کاهش این پارامترها بهصورت موضعی و در محل احداث بندهای ششگانه، بهترتیب برابر با 73، 85 و 82 درصد برآورد شد. بهطورکلی، با توجه به بازدیدهای میدانی و بررسیهای بهعمل آمده، اجرای طرح در کنترل سیل و رسوب موثر بوده است و در صورت حفاظت و ترمیم سالانه، تاثیرات آن مضاعف خواهد شد.
منصور جهان تیغ؛ سید احمد حسینی
چکیده
هدف از اجرای این پژوهش شناخت ویژگیهای فرسایش و لیتولوژی مسیر حاشیه رودخانهها و مسیلهای منطقه سیستان بود. بدین منظور وضعیت رودخانههای منطقه براساس حوزههای آبخیز مشخص و اقدام به جمعآوری آمار و اطلاعات، تهیه و رقومیسازی نقشههای توپوگرافی1:250000 سیستان و استخراج اطلاعات مکانی و توصیفی و همچنین جمعآوری آمار و ...
بیشتر
هدف از اجرای این پژوهش شناخت ویژگیهای فرسایش و لیتولوژی مسیر حاشیه رودخانهها و مسیلهای منطقه سیستان بود. بدین منظور وضعیت رودخانههای منطقه براساس حوزههای آبخیز مشخص و اقدام به جمعآوری آمار و اطلاعات، تهیه و رقومیسازی نقشههای توپوگرافی1:250000 سیستان و استخراج اطلاعات مکانی و توصیفی و همچنین جمعآوری آمار و اطلاعات مربوط به انواع فرسایش در رودخانهها و مسیلهای استان با استفاده از دادههای موجود در گزارشات قابل دسترس و بازدیدهای میدانی گردید. اطلاعات مربوط به انواع سازندهای زمین شناسی نیز با استفاده از نقشههای 1:250000 سازمان زمین شناسی جمعآوری شد. مناطق حساس به فرسایش در طول مسیر رودخانه با استفاده از نقشههای حساس به فرسایش و نقشههای 1:250000 زمینشناسی، حساسیت سازندها نسبت به فرسایش در کناره آبراههها ارزیابی شد. از مهمترین عوامل موثر ایجاد فرسایش در این حوضه شرایط زمین شناسی آن میباشد. بخش عمدهای از ابتدای حوضههای آبخیز مورد بررسی توسط نهشته های رسوبی(ناپیوسته) کواترنر پوشیده شده است که حساسیت زیادی نسبت به فرسایش آبی دارد. همچنین دشت سیستان پوشیده از رسوبات دریاچهای نئوژن و آبرفتهای کواترنر است. طبقه بندی بستر رودخانههای منطقه سیستان نشان میدهد که سنگ، مخروطافکنه و سایر واحدها بهترتیب 7/20، 1/38 و 2/41 درصد طول مسیر آنها را تشکیل میدهد. 2/7 درصد رودخانههای مورد بررسی تحت تاثیر فرسایش قرار گرفته که سهم نوع کناری و کفبستر 1/85 و 9/14 درصد بوده است.
سیداحمد حسینی؛ محمود رائینی سرجاز؛ فرود شریفی؛ محمدعلی غلامی سفیدکوهی
چکیده
یکی از دلایل مهم فرسایندگی خاک و تولید رسوب در شبکههای فرعی آبیاری و زهکشی ناپایداری خاک کانالها است. مکانیسم فرسایش در این نوع کانالها ابتدا در اثر برخورد قطرات باران و شکسته شدن خاکدانهها شروع میشود، بهطوری که ذرات ریز شکسته شده باعث انسداد منافذ خاک میشود. در این حالت، نفوذپذیری خاک نسبت به حالت اولیه کاهش یافته، ...
بیشتر
یکی از دلایل مهم فرسایندگی خاک و تولید رسوب در شبکههای فرعی آبیاری و زهکشی ناپایداری خاک کانالها است. مکانیسم فرسایش در این نوع کانالها ابتدا در اثر برخورد قطرات باران و شکسته شدن خاکدانهها شروع میشود، بهطوری که ذرات ریز شکسته شده باعث انسداد منافذ خاک میشود. در این حالت، نفوذپذیری خاک نسبت به حالت اولیه کاهش یافته، باعث افزایش رواناب میشود. افزایش رواناب در شیبهای متوسط تا تند، تنش برشی را به شدت افزایش داده و موجب تخریب خاک و تولید رسوب میشود. برای جلوگیری از این معضل استقرار پوشش گیاهی راهکاری مناسب است، اما در مواردی استقرار پوشش گیاهی بهعلت شرایط ویژه بهسادگی امکانپذیر نیست و در کوتاهمدت نیز به نتیجه نمیرسد. یکی از راههای مهار فرسایش در اراضی شیبدار، استفاده از سازههای مختلف مکانیکی است که معمولا در پروژههای مهندسی مورد استفاده قرار میگیرد که با هزینههای بسیار زیادی همراه است. راهحل دیگری که در این پروژه مورد بررسی و آزمون قرار گرفت، استفاده از مواد اصلاحکننده طبیعی مانند انواع مالچهای زیستی است. در این پژوهش سازوکار استفاده از چهار نوع مالچ زیستی مختلف بر پارامترهای مختلف مقاومت فرسایشی خاک روی دیواره کانالهای زهکش، بهصورت آزمایشگاهی با استفاده از شبیهسازی بارش، مورد بررسی قرار گرفت. این پژوهش با هدف تعیین نوع و مناسبترین تراکم از مالچهای مختلف در کاهش فرسایش جداره جانبی کانالهای شبکه آبیاری و زهکشی دشت ارایض خوزستان، در آزمایشگاه شبیهساز باران پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری با استفاده از خاک و سایر مشخصات فیزیکی منطقه انجام شد. بهطوری که با استفاده از چهار نوع مالچ زیستی، که در سه غلظت مورد استفاده قرار گرفت، حداقل 40 آزمایش بر روی نمونه خاک منطقه مورد پژوهش انجام شد و ویژگیهای مختلف اندازهگیری شد. برای همه آزمایشها مقدار 25 کیلوگرم نمونه خاک در داخل تشتکهای فلزی قرار داده شد و بهصورت دستی با اعمال فشردگی لازم تا رساندن به جرم مخصوص ظاهری خاک در طبیعت، فشرده شد. تیمارهای آزمایشی در فلومهایی با شیب یک به 1.25 مشابه شیب جانبی زهکشها، در دو شدت بارندگی 30 و 80 میلیمتر بر ساعت شبیهسازی شدند. نتایج نشان داد که همه تیمارهای مالچ در مقایسه با نمونه شاهد تأثیر معنیداری در کاهش رسوب داشتند و تأئید نمود، مالچهای زیستی نقش مؤثری در کنترل فرسایش از جداره جانبی کانالهای زهکش دارند. نتایج مشخص نمود که حضور پوشش مالچ تا بیش از 90 درصد منجر به کاهش رسوب ناشی از باران میشود، لذا مالچهای 1 و 4 دارای بیشترین تأثیر در کاهش میزان فرسایش از جداره کانالهای زهکش بودند. همچنین، مشخص شد افزایش غلظت مالچهای مورد استفاده در تمامی تراکمها، در کاهش میزان رسوب خروجی تأثیر زیادی داشته است.
ابراهیم بروشکه؛ سید احمد حسینی
چکیده
انجام فعالیتهای عمرانی در سرشاخهها و بخش میانی حوزههای آبخیز تغییرات مورفولوژی بستر در بخش انتهایی را بهدنبال دارد. شناخت تغییرات حادث شده و اثرات آن بر موفولوژی بستر و اراضی مجاور رودخانه برای ساماندهی و تثبیت بستر، ضروری است. این پژوهش با هدف شناخت مورفولوژی رودخانه و روند تغییرات حریم بستر طی 50 سال گذشته در بازهای ...
بیشتر
انجام فعالیتهای عمرانی در سرشاخهها و بخش میانی حوزههای آبخیز تغییرات مورفولوژی بستر در بخش انتهایی را بهدنبال دارد. شناخت تغییرات حادث شده و اثرات آن بر موفولوژی بستر و اراضی مجاور رودخانه برای ساماندهی و تثبیت بستر، ضروری است. این پژوهش با هدف شناخت مورفولوژی رودخانه و روند تغییرات حریم بستر طی 50 سال گذشته در بازهای به طول 25 کیلومتر در بخش انتهایی رودخانه زرینهرود و استان آذربایجان غربی انجام شد. برای این کار از عکسهای هوایی سالهای 1334 و 1346 به مقیاس 50000: 1 و 20000: 1، نقشههای توپوگرافی سال 1375 به مقیاس 50000: 1 و تصاویر SPOT سال 1382 استفاده شد. بررسیها نشان داد که وسعت حریم بستر از 561.1 هکتار به 221.3 هکتار کاهش یافته و مورفولوژی بستر و شکل ظاهری قوسها متحول شده است. وسعت سدهای ماسهای در داخل بستر در سالهای 1346 و 1382 بهترتیب 13.68 و 2.86 هکتار بوده که نشاندهنده نوسانات زیاد آبدهی و تغییر شرایط هیدرولوژیکی و هیدرولیکی رودخانه است. تعداد پیچانرودها از چهار مورد به سه مورد تقلیل یافته و بستر رودخانه در ابتدای بازه از حالت پیچانرودی خارج و حالت مستقیم و شریانی پیدا کرده است. بیشترین عامل تاثیرگذار در تغییرات مورفولوژی، تغییر در رژیم هیدرولوژیکی بهدلیل احداث سد، کاهش قابل ملاحظه رواناب در رودخانه و انباشت بار رسوبی در مسیر بستر است.
