طراحي بهينه مقطع كانال بتني براي حداقل كردن هزينه تلفات آب، پوشش و عمليات خاكي

Optimal design of concrete canal section for minimizing cost of water loss, lining and earthwork

طراحي مقطع كانال با كمترين هزينه شامل كمينه كردن مجموع هزينه‌هاي هر متر از طول كانال تحت شرايط جريان يكنواخت است. اين هزينه‌ها شامل هزينه‌هاي مربوط به پوشش هر متر از طول كانال، هزينه هر مترمكعب عمليات خاكي و هزينه مرتبط با تلفات آب (شامل تلفات نشت و تبخير) هستند كه به‌عنوان تابع هدف در اين بررسي درنظر گرفته شده است. تلفات نشت به هندسه كانال و تلفات تبخير از سطح آزاد آب بستگي دارد. در اين بررسي از معادله مانينگ به‌عنوان قيد اصلي مسيله استفاده شده است. علاوه بر اين قيد، در طراحي مقطع بهينه كانال‌ها از دو قيد فرعي شامل حداقل سرعت مجاز و عدد فرود، استفاده شده است. براي بهينه‌سازي ابعاد كانال، از الگوريتم بهينه‌سازي مبتني بر جستجوي مستقيم استفاده شد. با استخراج نتايج مدل بهينه‌سازي در قالب نمودارهاي بي‌بعد، امكان طراحي ساده ابعاد بهينه كانال در جهت حداقل كردن هزينه‌هاي هر متر از طول كانال فراهم مي‌شود. با بررسي نتايج اين پژوهش مي‌توان دريافت كه كانال ذوزنقه‌اي با دبي مشخص در شيب جانبي 75/0 داراي بيشترين و در شيب جانبي 5/1 داراي كمترين عمق نرمال است. همچنين در طراحي بهينه كانال مثلثي، عمق نرمال كانال در شيب‌هاي جانبي بيشتر داراي مقدار كمتري است در حاليكه عرض سطح آب در اين حالت افزايش مي‌يابد.

Design of a minimum cost canal section involves minimization of the sum of costs per unit length of the canal, subject to uniform flow condition. These costs are included with the costs related to covering every meter of channel length, the cost per cubic meter earthworks and costs associated with water loss (including seepage and evaporation losses) which is considered as the objective function in this study. Seepage and evaporation are forms of water loss in an irrigation canal, while the seepage loss depends on the canal geometry and the evaporation loss is proportional to the area of water free surface. In this study, the Manning’s Formula is considered as the main constraint equation. In addition, the minimum permissible velocity and Froud number are used for optimizing design canal as subsidiary constraints. The optimization algorithm based on directly search is used for optimizing the canal section. Presenting the results of optimization model in the form of the dimensionless curves, provides the possibility of easy design of optimized canal section in order to minimize costs per unit of length of canal. By analyzing the results of this study, it can be found that the trapezoidal canal with a given discharge have the maximum and minimum normal depth in side slopes of 0.75 and 1.5, respectively. Also, by increasing side slope in optimal design of triangular canals, the normal depth decreases and the width of water surface increases.