مطالعه آزمایشگاهی مقاومت جریان در حضور پوشش گیاهی صلب و پیش‌بینی آن با مدل‌های هوشمند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

تعیین ضرایب مقاومت و کاهش عدم قطعیت در انتخاب این پارامتر یکی از مهمترین عوامل دستیابی به مشخصات جریان در رودخانه‌ها و مجاری روباز است. از این رو، انتخاب مطلوب ضریب زبری در شرایط مختلف مانند وجود پوشش گیاهی از جمله موضوعات موردتوجه پژوهشگران بوده است. در این پژوهش، ابتدا ضریب زبری مانینگ در یک فلوم آزمایشگاهی با حضور آرایش‌های مختلف پوشش گیاهی تعیین شد. سپس توانایی پنج مدل هوشمند شامل GMDH، ANN-RBF،RT ، ANFIS و ANFIS-PSO در پیش‌بینی ضریب زبری مانینگ ارزیابی شد. مدل‌ها در محیط نرم‌افزار MATLAB کدنویسی شد. با توجه به ایجاد جریان متغیر تدریجی در کانال آزمایشگاهی، نیمرخ سطح آب به دست آمده از طریق حل به روش اویلر، با مقادیر اندازه گیری شده در آزمایشگاه مقایسه شد. نتایج نشان داد که تطابق قابل قبول بین پروفیل سطح آب آزمایشگاهی و برآوردهای انجام شده با روش اویلر وجود دارد. ارزیابی نتایج مدل‌ها بر اساس تحلیل آماری به‌کار رفته نشان‌داد که مدل ANFIS - PSO عملکرد بهتری نسبت به سایر مدل‌ها در پیش‌بینی ضریب مانینگ دارد، به‌طوری که نتایج این مدل RMSE=0.0096، R2=0.9984 و KGE=0.9922 در مرحله آموزش و RMSE=0.0099، R2=0.9982 و KGE=0.9873 در مرحله آزمون است. در مراتب بعد، از لحاظ دقت به‌ترتیب مدل‌های‌ ANN-RBF، GMDH، ANFIS و RT قرار می‌گیرند. با ارزیابی نتایج ترکیب‌های مختلف در مدلسازی مشخص شد، سه پارامتر تراکم پوشش گیاهی (D)، آرایش پوشش گیاهی (N) و عدد رینولدز (Re) به‌ترتیب تاثیر بیشتری در ارائه نتایج درست داشتند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental study of flow resistance in the presence of rigid vegetation and its prediction with intelligent models

نویسندگان [English]

  • yaser mehri 1
  • Mohammad Hosein Omid 1
  • Salah Kouchakzadeh 1
  • Mohsen Nasrabadi 2
1 Depratment of Irrigation and Reclamation Engineering, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Department of Water Science and Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده [English]

Determining the resistance coefficients and reducing the uncertainty in selecting this parameter is one of the most essential factors in achieving the flow characteristics in rivers and open channels. Therefore, the appropriate selection of roughness coefficient in different conditions, such as vegetation, has been one of the important research topics. This research first determined the Manning’s roughness coefficient in a laboratory flume with different vegetation arrangements. Then, the ability of five intelligent models, including GMDH, ANN-RBF, RT, ANFIS, and ANFIS-PSO, to predict the Manning’s roughness coefficient was evaluated. The models were coded in the MATLAB software. Due to the creation of a gradually varied flow in the laboratory flume, the water level profile obtained through Euler's method was compared with the experimental values. The results showed an acceptable agreement between the experimental water level profiles and the estimates made by Euler's method. The evaluation of the results based on the statistics showed that the ANFIS-PSO model performs better than other models in predicting the Manning’s coefficient. Hence, the results of this model are RMSE=0.0096, R2=0.9984 and KGE=0.9922 in the training phase and RMSE=0.0099, R2= 0.9982 and KGE=0.9873 in the test phase. The ANN-RBF, GMDH, ANFIS, and RT models are in the next ranks. By evaluating the results of different combinations in modeling, it was found that three parameters of vegetation density (D), vegetation arrangement (N) and Reynolds number (Re) had, respectively, significant effect in estimating the correct results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • machine learning
  • laboratory investigation
  • modeling
  • gradually varied flow
  • roughness