تخمين ضريب آبگذري سازه تركيبي سرريز- دريچه با استفاده از روش برنامه‌ريزي ژنتيكي

Estimation of Discharge Coefficient of Combined Weir-Gate Structure by Genetic Programming

سابقه و هدف: دريچه‌ها و سرريزها از جمله سازه‌هاي هيدروليكي پركاربرد و مهم مي‌باشند كه به‌طور گسترده به‌منظور كنترل، تنظيم جريان و تثبيت كف، در كانال‌هاي باز و رودخانه‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. به‌منظور افزايش بهره‌وري از سازه سرريز و دريچه، مي‌توان سرريز و دريچه را با هم تركيب نمود. به اين صورت كه با تركيب سرريز و دريچه مي‌توان دو مشكل عمده و اساسي رسوبگذاري در پشت سرريزها و تجمع آشغال و اجسام شناور در پشت دريچه‌ها را رفع نمود. در سازه تركيبي سرريز- دريچه شرايط هيدروليكي جديدي حاكم خواهد شد كه با شرايط هيدروليكي هر كدام از اين دو سازه به تنهايي متفاوت است. قبل از سال 1985 كه آقاي احمد مقاله خود را در زمينه ايده تركيب دو سازه سرريز و دريچه منتشر كرد اطلاعات بسيار كمي در اين زمينه وجود داشت كه داده‌ها و نتايج ايشان جهت ارايه يك رابطه عمومي كافي نبود (15). پس از ايشان پژوهشگران زيادي درجهت بررسي مشخصات هيدروليكي جريان در سازه‌هاي تركيبي برآمدند. از جمله اين مطالعات مي‌توان به كارهاي آزمايشگاهي آقايان السعيد (1995)، الحميد و همكاران (1996) و نجم و همكاران (1994) و نجم (1997) اشاره نمود (6، 2، 14 و 16). ايشان جريان تركيبي از روي سرريز V شكل و زير دريچه مستطيلي با انقباض مقطع را مطالعه نمودند. هدف از اين پژوهش، تعيين ضريب دبي جريان تركيبي سرريز- دريچه و ارايه رابطه‌اي براي برآورد ضريب دبي بر اساس پارامترهاي هيدروليكي هندسي مي‌باشد. مواد و روش‌ها: در اين پژوهش نيز با استفاده از تغيير پارامترهايي مانند دبي جريان، بازشدگي دريچه و ارتفاع سازه تركيبي در كانال آزمايشگاهي، اثرات هيدروليكي جريان و هندسه مجرا بر ميزان ضريب دبي جريان در سيستم سرريز- دريچه مورد بررسي قرار گرفت و سپس به كمك برنامه‌ريزي ژنتيك، در نهايت چند رابطه با دقت بالا براي ضريب آبگذري در سازه تركيبي سرريز- دريچه به‌دست آمد. در نهايت براي تعيين بهترين رابطه از پارامترهاي آماري ضريب تعيين (R2)، ريشه دوم ميانگين مجموع مربعات خطا (RMSE)، متوسط خطا (AE) و متوسط قدرمطلق انحراف داده‌ها (?) استفاده شد. يافته‌ها: نتايج آزمايش‌ها پس از بررسي صحت و پالايش داده‌ها تحليل گرديد و با توجه به روابط فوق‌الذكر ضريب دبي محاسبه شد. سپس با استفاده از تحليل ابعادي و برنامه‌ريزي ژنتيك يك رابطه براي ضريب دبي سيستم سرريز- دريچه به‌دست آمد كه ضريب تعيين آن براي داده‌هاي آموزش 2/84 درصد و براي داده‌هاي آزمون 1/88 درصد مي‌باشد. نتيجه‌گيري: پارامترهاي هندسي مدل سرريز- دريچه در ضريب آبگذري نقش اساسي دارند. همچنين با استفاده از برنامه‌ريزي ژنتيكي مي‌توان رابطه‌اي با دقت بالا براي تخمين ضريب دبي جريان در سازه تركيبي ارايه داد.

Background and Objectives: Weirs and gates are the common and important structures which are used for controlling and adjusting the flow in irrigation channel and rivers. In order to increase the efficiency of the weir and gate structure, the combined weir and gate structure can be used. In this case Weirs and gates can be combined together in order to pass the floating materials above weir and to move the sediments depositions in upstream of the gate simultaneously. This compound device create a new hydraulically condition in compression with weir or gate, each other alone. Before the year 1985, very little information about the use of these combined devices for flow measurements were available when Ahmed published his study on a combination of rectangular weir above a rectangular sluice without contraction. He tried to obtain a common discharge coefficient for the combined system, but his data were not enough to make generalization (15). After him Many researchers have tried to investigating of hydraulic characteristics of the combined structure such as El-saiad (1995), Alhamid et al. (1996), Negm et al. (1994) and Negm (1997) (6, 2, 14, 16). They studied combined flow over V-notch weir and below contracted rectangular gate. The objective of this research was to determine the discharge coefficient of the combined weir-gate and provide the relation for estimation of discharge coefficient based on the hydraulic and geometry parameters. Materials and Methods: In this study, the effects of hydraulic flow and chanal geometry on the discharge coefficient of weir-gate system was studied by variation of parameters such as discharge, opening the gate and height combined structure in laboratory channels. Finally several relations was obtained with high accuracy for discharge coefficient by the genetic programming. For selecting the best relation, determination coefficient (R2), root mean square error (RMSE), average error (AE) and the average absolute deviation of the data (?) were used. Results: The results of the experiments were analyzed after checking and refining data and discharge coefficient was calculated by the above-mentioned relations. Then, by dimensional analysis and genetic programming, A relation was obtained for discharge coefficient of weir-gate system that determination coefficient is for teaching data 84.2 percent and for test data 88.1 percent. Conclusion: Geometric parameters of combined model have a fundamental role on discharge coefficient. Also the genetic programming can be used for presenting a relation for estimation of discharge coefficient with high accuracy.