طراحي هندسه مقطع پايدار رودخانه‌ با استفاده از الگوريتم بهينه‌سازي رقابت استعماري

Design of the River Stable (Regime) Flow Section by Imperialistic Competitive Algorithm

یكی از چالش­های مطالعات طراحی، برنامه­ریزی و ساماندهی رودخانه‌ها، پیش­بینی مشخصات هیدرولیكی مقطع پایدار (هندسه هیدرولیكی) رودخانه می­باشد كه در آن میزان فرسایش و انتقال رسوب به یك شرایط رژیم (تعادلی) رسیده است. در این تحقیق، یك مدل شبیه‌سازی- بهینه‌سازی هندسه هیدرولیكی برای پیش‌بینی هندسه پایدار و پاسخ رودخانه­های شنی توسعه داده شده كه در آن هسته شبیه‌سازی یك مدل تحلیلی هیدرولیك رودخانه و پوسته بهینه‌سازی الگوریتم رقابت استعماری می‌باشد. مدل شبیه‌ساز تحلیلی از معادلات حاكم بر انتقال جریان و رسوب در كانال، توزیع تنش برشی مرزی و پایداری كناره­ها با در نظر گرفتن اثر پوشش گیاهی، استفاده می‌كند. برای رسیدن به یك جواب واحد برای هندسه پایدار مقطع لازم است از فرضیه­های حدی استفاده شود. در این مقاله از دو فرضیه حداكثر ظرفیت انتقال رسوب و حداقل توان جریان استفاده شده است. با استفاده از الگوریتم رقابت استعماری علاوه بر كاهش حجم محاسبات پیچیده ریاضی، می­توان به صورت همزمان تمامی پارامترهای مؤثر در هندسه هیدرولیكی را بهینه‌یابی كرد. صحت­سنجی و كاربرد مدل نشان می‌دهد كه مدل شبیه­سازی- بهینه­سازی توسعه داده شده با دقت مناسبی هندسه هیدرولیكی رودخانه­های شنی را مدل‌سازی كرده و نتایج پیش­بینی پاسخ كانال رودخانه با معادلات مفهومی (كیفی) و رژیم تجربی تطابق قابل قبولی دارد. نتایج بدست آمده حاكی از آنست كه پایداری كناره­ها بر هندسه هیدرولیكی كانال بیشترین تأثیر را دارد. 

One of the challenges in river engineering design, planning and training is prediction of stable hydraulic cross section in which the rate of erosion and sediment transport is in a regime state. The instability problems of rivers cannot be properly evaluated without knowledge of the stable state. In this study, a simulation-optimization model of hydraulic geometry (stable geometry) was developed to predict the response and stable geometry of sand bed rivers. The model consists of an analytical model which will be solved using the Imperialistic Competitive Algorithm (ICA). Analytical simulation model is using the governing equations which describe the movement of water and sediment through a channel, calculate the distribution of the boundary shear stresses, and assesses the bank stability considering the effect of the vegetation. Two hypotheses of maximum sediment transport capacity (MSTC) and minimum stream power (MSP) are used. Simulation-optimization model of hydraulic geometry is used to determine the response of the channel geometry to variation in the bankfull discharge, sediment load, and the properties of the bank sediment. The river channel responses predicted by the model are shown to be in agreement with qualitative observations and empirical regime equations. Using the imperialist competitive algorithm in prediction of hydraulic geometry reduces computational complexity and makes it possible to take into account all parameters with reasonably good results.