مدل بهينه‌‌سازي طراحي ابعاد آبشكن‌هاي رودخانه‌اي و نقش آن در پايدارسازي مورفولوژيكي رودخانه

Optimization Modeling of Spur-dikes Dimensions by considering its Role on River Morphological Stabilization

آبشكن‌ها‌ سازه‌هایی‌ عرضی‌ هستند كه‌ در كناره‌ رودخانه‌ها اجرا شده و باعث انحراف‌ آب از محل‌ كناره‌ها می‌شوند. مدل بهینه‌سازی آبشكن­ها كه در این مقاله ارائه شده است، متشكل از سه زیرمدل مورفولوژیكی، طراحی و بهینه‌سازی است. برای بررسی پایداری رودخانه از زیرمدل مورفولوژیكی استفاده می‌شود. در این زیرمدل ابعاد مقطع پایدار با استفاده از تئوری حدی حداكثر ظرفیت انتقال رسوب محاسبه می‌‌شود. سپس با به كارگیری ضوابط طراحی مناسب برای اجزای آبشكن از قبیل طول، ارتفاع، فاصله، تعداد و عمق آبشستگی آبشكن در زیرمدل طراحی، هزینه‌های ساخت كمینه‌ خواهد شد. نتایج حاصل از دو زیرمدل مورفولوژیكی و طراحی در زیرمدل بهینه‌سازی، با استفاده از روش وزن‌دهی به صورت یك مدل بهینه‌سازی چندهدفه غیرخطی فرموله شده و مورد بررسی قرار می‌گیرد، تا به این وسیله ابعاد بهینه آبشكن محاسبه شود. به عبارتی زیرمدل بهینه­سازی از تركیب وزنی دو تابع هدف زیرمدل­ طراحی و زیرمدل مورفولوژیكی تشكیل شده است. مدل توسعه یافته، روند تغییرات هزینه ساخت سازه را نسبت به ظرفیت حمل رسوب كانال كه بیان­گر وضعیت پایدار رودخانه است، محاسبه می‌كند. این مدل با استفاده از اطلاعات رودخانه زنجان‌رود در محدوده پل سرچم، به ازای ضریب وزنی 6/0 برای تابع هزینه و 4/0 برای تابع ظرفیت انتقال رسوب، كالیبره شده است. همچنین تحلیل حساسیت در مدل فوق نسبت به معادلات بار بستر و آبشستگی صورت پذیرفت. نتایج حاصل، حاكی از آن است كه به كارگیری معادلات بار بستر و آبشستگی، نقش بسزایی در تعیین ابعاد آبشكن و هزینه‌های ساخت سازه خواهند داشت. از بین معادلات بار بستر استفاده شده معادله Englund and Fredsoe بیشترین ظرفیت انتقال رسوب و كمترین هزینه، و معادله بار بستر van Rijn كمترین ظرفیت انتقال رسوب و بیشترین هزینه را نتیجه می­دهند. 

Spur-dikes are river cross structures attached to river banks which cause flow deflection. Optimization modeling of spur-dikes is composed of three modules: morphological, design and optimization module. Morphological module is applied to investigate river stability.  Stable cross-section dimensions are computed by maximum sediment transport capacity of external hypothesis. Then, by applying appropriate design criteria for spur-dikes components, such as length, height, distance, number and scour hole depth, construction cost are minimized in design module. Finally, results obtained from morphological and design modules are formulated as a nonlinear multi objective optimization function by weighting method in optimization module to compute optimum dimensions of the spur-dikes. In other words, optimization module is a weighting combination of two objective functions of design and morphological module. The developed model computes variation of construction cost of super-dike with respect to sediment transport capacity of the canal, an indicative of river stability. By applying Zanjanrood river data near Sarcham Bridge, the model has been calibrated for weighting coefficient of 0.6 and 0.4 for cost and sediment transport capacity functions, respectively. Sensitivity analysis has also been carried out with respect to bed load and scour hole depth equations, which shows that they play an important role in determination of the super-dikes dimensions and construction cost. Among the bed load equations applied, Englund & Fredsoe’s have shown maximum sediment transport capacity and minimum cost while van Rijn’s, on the contrary, performed minimum sediment transport capacity and maximum cost.