فهرست مطالب21-مقدمه 51-1- هدف از انجام تحقيق 71-1- نوآوري تحقيق 81-2- ساختار پاياننامه9فصل دوم102- مطالعات پيشين 142-1- مطالعات آزمایشگاهی و میدانی162-2- مطالعات عددی212-3- مطالعات انجام گرفته به كمك شبكههاي عصبي مصنوعي28فصل سوم293- معادلات حاكم293-1- معادلات جريان323-2- معادله پيوستگي رسوب34فصل چهارم354- روش انجام كار 354-1- روشهاي عددي براي حل معادلات جريان364-1-1-روش مشخصه ها 374-1-2- روش تفاضل محدود 384-1-3- روش عناصر محدود 384-1-4- روش حجم محدود394-1-4-1- روش حجم محدود براي معادلات جريان 424-1-4-1-1- حلگر ريمان براي محاسبه شار عددي در مرز سلول 444-1-4-1-2- الگوي عددي مركزي مرتبه اول براي محاسبه شار عددي در مرز سلول 474-1-4-1-3- الگوي يكنواي بالا دست براي قوانين پايستار 494-1-4-1-4- روش گراديان سطح براي در نظر گرفتن اثر جملات چشمه 504-1-4-1-5- انتگرالگيري زماني 524-1-4-1-6- پايستاري الگوي عددي 564-1-4-2- معادلات انتقال رسوب 584-1-4-3- شرايط مرزي 724-2- شبكه عصبي مصنوعي 754-2-1- شبكههاي چند لايه 754-2-2- الگوريتم آموزش پس انتشار خطا 79فصل پنجم805- نتايج و بحث 805-1- نتايج حاصل از مدلسازي جريان815-1-1- شكست سد يك بعدي855-1-2-جريان دائم بر بستر ناهموار865-1-2-1-جريان انتقالي – بحراني بدون شوك865-1-2-2- جريان انتقالي – بحراني با شوك895-1-2-3-جريان زير بحراني905-1-3- شكست سد استوانهاي955-1-4- انتشار آشفتگي كوچك965-1-4-1- انتشار آشفتگي كوچك-بررسي پايستاري الگوي عددي975-1-4-2- انتشار آشفتگي كوچك-بررسي نحوه بخش آشفتگي1005-1-5- شكست سد بر روي يك كانال با عرض متغير و بستر خشك1045-1-6- مدلسازي جريان در محل تقاطع دو كانال1075-2- نتايج حاصل از شبكه عصبي مصنوعي1155-3- نتايج مدل عددي در انتقال رسوب1165-3-1- شبيه سازي حركت Dune در جريان يك بعدي1195-3-2- شبيه سازي حركت Dune در جريان دو بعدي1225-3-3- تغيير شكل بستر در يك تقاطع آبرفتي1255-3-4- مدلسازي بستر در مواجهه با يك تل مكعب شكل رسوبي1305-3-5- شكست سد بر روي بستر خشك متحرك1345-3-6-شبيه سازي فرم بستر1375-3-7- شبيه سازي روند تغييرات بستر رسوبي در يك پيچ 90 درجه141فصل ششم1426- نتيجه گيري و پيشنهادات1426-1- نتيجه گيري1446-2- پيشنهادات145پيوست الف : فهرست برخي مطالعات آزمايشگاهي و ميداني در زمينه انتقال رسوب147منابعفهرست جدولهاعنوانصفحهجدول (2-1) عوامل موثر در ظرفيت انتقال رسوب10جدول (4-1) دامنه تغييرات پارامترهاي استفاده شده براي آموزش و آزمون شبكه عصبي77جدول (5-1) مقايسه نتايج حاصل از الگوي عددي ارائه شده در اين تحقيق، الگوي عددي (BGK)و روش LeVeque96جدول (5-2) تاثير افزايش تعداد نرونهاي لايه پنهان بر روي ضريب همبستگي108جدول (5-3) ميزان زاويه پخش تخمين زده شده به وسيله روابط تجربي مختلف122جدول (5-4) حداكثر ميزان عمق كف كني و حداكثر مقدار ارتفاع رسوبگذاري تخمين زده شده به وسيله روابط تجربي مختلف125جدول (5-5) محاسبهارتفاع Dune و طول Dune با به كار گيري روشهاي تجربي137جدول (پ1) فهرست برخي مطالعات آزمايشگاهي معروف بر روي پديده انتقال رسوب145جدول (پ2) فهرست برخي مطالعات ميداني معروف در زمينه انتقال رسوب 146فهرست شكلهاصفحهعنوان 3شكل (1-1) مقياسهاي مختلف قابل بررسي در بحث انتقال رسوب4شكل (1-2) تقابل جريان، رسوب و گياهان در رودخانه11شكل (2-1) روشهاي مختلف انتقال رسوب12شکل (2-2) نمودار شيلدز22شكل (2-3) يك شبكه عصبي واقعي23شكل (2-4) شبيه سازي شبكه عصبي23شكل (2-5) شبكه عصبي مصنوعي30شكل (3-1) متغيرهاي جريان در معادلات آب كم عمق42شكل (4-1) ابعاد حجم كنترل46شکل (4-2) مجموعهي شار هاي عددي به عنوان ترکيبي از شار لکس- فردريش (LF) و شار لکس- وندروف (LW)50شكل (4-3) رابطه h و η و zb59شکل (4-4) روش سلول برش خورده كارتزين و جداسازي مرز جامد و سيال59شکل (4-5) انواع سلولهاي محاسباتي: (a) سلول محاسباتي سيال، (b) سلول محاسباتي جامد و سيال، (c) سلول محاسباتي جامد61شکل (4-6) مرز بين سلولي و سلوهاي همسايه با سلول محاسباتي (i, j)62شکل (4-7) يافتن نقاط برخورد مرز جامد و سيال63شکل (4-8) انواع سلولهاي برش خورده با زاويه خط برش دهنده در محدوده(0°,90°]64شکل (4-9) انواع سلولهاي برش خورده با زاويه خط برش دهنده در محدوده(90°,180°]64شکل (4-10) انواع سلولهاي برش خورده با زاويه خط برش دهنده در محدوده(180°,270°]65شکل (4-11) انواع سلولهاي برش خورده با زاويه خط برش دهنده در محدوده(270°,360°]68شکل (4-12) تعيين گراديان سلول برش خورده (i, j)68شکل (4-13) سلول برش خورده (i, j) و سلول مجازي مربوطه (ig,jg)70شکل (4-14) نمونهاي از سلولهاي غير ساختاري72شکل(4-15) مدل ساده يک نرون در شبکه عصبي مصنوعي73شکل(4-16) تابع محرك خطي74شکل (4-17) تابع محرك لوگ سيگمويد74شکل (4-18) نرون مصنوعي با بيش از يك ورودي75شکل (4-19) معماري شبكه چند لايه پرسپترون78شکل (4-20) فلوچارت مدل عددي81شکل (5-1) شرايط اوليه در مسئله شكست سد يك بعدي بر روي بستر خشك84شکل (5-2) (a) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي براي مسئله شكست سد يك بعدي بر روي بستر خشك و (b) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي84شکل (5-3) شرايط اوليه در مسئله شكست سد يك بعدي بر روي بستر تر85شکل (5-4) (a) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي براي مسئله شكست سد يك بعدي بر روي بستر تر و (b) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي87شکل (5-5) (a) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي براي مسئله جريان انتقالي-بحراني بدون شوک و (b) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي88شکل (5-6) (a) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي براي مسئله جريان انتقالي-بحراني با شوک و (b) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي89شکل (5-7) (a) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي براي مسئله جريان انتقالي-بحراني بدون شوک و (b) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي95شکل (5-8) (a) پاسخ مدل عددي براي مسئله شكست سد استوانهاي 1 ثانيه پس از شكست سد، (b) خطوط تراز سطح آب درون مخزن1 ثانيه پس از شكست سد، (c) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي 1 ثانيه پس از شكست سد (d) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي1 ثانيه پس از شكست سد، (e) پاسخ مدل عددي براي مسئله شكست سد استوانهاي 5/2 ثانيه پس از شكست سد، (f) خطوط تراز سطح آب درون مخزن5/2 ثانيه پس از شكست سد، (g) پاسخ مدل عددي و جواب تحليلي 5/2 ثانيه پس از شكست سد (h) تاثير افزايش تعداد سلولهاي محاسباتي بر روي كاهش خطاي ناشي از مدلسازي1 ثانيه پس از شكست سد99شکل (5-9) (a,b) پاسخ مدل عددي براي مسئله انتشار آشفتگي كوچك درt=0.3و (c,d) پاسخ مدل عددي براي مسئله انتشار آشفتگي كوچك درt=1.2101شکل (5-10) هندسه كانال مورد مطالعه در قسمت 5-1-5. موقعيت قرار گيري ارتفاع سنجهايG1,G2,G3, G4103شکل (5-11) (a) تاريخچه زماني تغييرات سطح جريان در ارتفاع سنج G1، (b) تاريخچه زماني تغييرات سطح جريان در ارتفاع سنج G2، (c) تاريخچه زماني تغييرات سطح جريان در ارتفاع سنج G3 و (d) تاريخچه زماني تغييرات سطح جريان در ارتفاع سنج G4105شکل (5-12) هندسه كانال مورد مطالعه در قسمت 5-1-6106شکل (5-13) (a) نتايج اندازه گيريهاي ازمايشگاهي در تعيينu* (Weber et al. (2001))، (b) نتايج الگوي عددي در تعيينu*107شکل (5-14) (a) نتايج الگوي عددي در تعيينh* ، (b) نتايج اندازه گيريهاي ازمايشگاهي در تعيينh* (Weber et al. (2001))109شکل (5-15) معماري شبكه عصبي مصنوعي به كار رفته در اين تحقيق110شکل (5-16) تغييرات ميانگين مربعات خطا در شبكه با افزايش تعداد epoch111شکل (5-17) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله شبكه عصبي براي دادههاي آموزش111شکل (5-18) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله شبكه عصبي براي دادههاي آزمون112شکل(5-19) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله شبكه عصبي براي كل دادهها113شکل(5-20) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله رابطهKalinske114شکل (5-21) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله رابطهMeyer-Peter and Muller114شکل (5-22) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله رابطه Smart115شکل (5-23) مقايسه دادههاي اندازه گيري شده و تخمين زده شده به وسيله رابطهNielsen117شکل (5-24) شرايط اوليه براي مسئله 5-3-1118شکل (5-25) تغيير شكل بستر رسوبي برايq=10 m2/sپس از 238079 ثانيه119شکل (5-26) تغيير شكل بستر رسوبي براي q=50 m2/sپس از 1904 ثانيه120شکل (5-27) نحوه پخش تل رسوبي در دو بعد120شکل (5-28) شرايط اوليه شكل بستر121شکل (5-29) تغيير شكل بستر پس از 15 ساعت122شکل (5-30) نماي كانتوري شكل تغييرات بستر پس از 15 ساعت123شکل (5-31) وضعيت مدل آزمايشگاهي تقاطع آبرفتي125شکل (5-32) نتيجه بدست آمده از مدل عددي براي تقاطع آبرفتي126شکل (5-33) روش گراديان سطح در زمان وجود ناپيوستگي بستر127شکل (5-34) شرايط اوليه در مسئله تغيير شكل مكعب رسوب128شکل (5-35) پايستاري الگوي عددي در مواجهه با تغييرات ناگهاني بستر و شرايط اوليه ايستا129شکل (5-36) پاسخ الگوي عددي به جريان زير بحراني در مواجهه با تغييرات ناگهاني بستر130شکل (5-37) پاسخ الگوي عددي به جريان زير بحراني در مواجهه با تغييرات ناگهاني بستر متحرك (پس از گذشت 40 دقيقه از شروع آزمايش)131شکل (5-38) آزمايش شكست سد بر بستر خشك متحركa) t=0، b)t=0.25s ، c)t=0.5s ، d) t=0.75s و e) t=1.00s133شکل (5-39) تغييرات كف كانال با زمان در آزمايش شكست سد بر بستر خشك متحرك در فاصله 25 سانتيمتر از دريچه (سد)133شکل (5-40) تغييرات سطح جريان با زمان در آزمايش شكست سد بر بستر خشك متحرك در فاصله 25 سانتيمتر از دريچه (سد)134شکل (5-41) فرم بسترDuneدر يك آبراهه آبرفتي135شکل (5-42) شرايط اوليه براي شبيه سازي فرم بسترDuneدر يك آبراهه136شکل (5-43) شكل فرم بستر بدست آمده در آزمايشگاه137شکل (5-44) شكل فرم بستر بدست آمده از مدل عددي138شکل (5-45) شكل كانال در مسئله 5-3-7139شکل (5-46) شرايط اوليه بستر رسوبي در كانال140شکل (5-47): تغييرات بستر رسوبي در مسئله شبيه سازي روند تغييرات كف در يك پيچ 90 درجه (a) مدل عددي ارائه شده در اين تحقيق و (b) مدل عددي ارائه شده توسط فهرست نشانههاي اختصاريتوضيحعلامتمساحت المان i امAiضريب شزيCعدد کورانتشار عدديE*شار عددي FORCE در راستاي طوليشار عددي لکس- فردريش در راستاي طوليشار عددي لکس- وندروف در راستاي طوليعدد فرود جريانFrبردار شار در راستاي طوليF(U)شار عددي FORCE در راستاي جانبيشار عددي لکس- وندروف در راستاي جانبيشار عددي لکس- وندروف در راستاي جانبيبردار شار در راستاي جانبيG(U)شعاع هيدروليكي مقطعRمساحت قسمت مورد نياز از سمت چپ يك ضلع از سلول محاسباتي(غير ساختاري)S-مساحت قسمت مورد نياز از سمت راست يك ضلع از سلول محاسباتي(غير ساختاري)S+طول مرز مشترك سلولهاي محاسباتي (غير ساختاري)S0شيب طولي بستر كانالشيب جانبي بستر كانالشيب خط انرژيSfشيب خط انرژي در راستاي طوليشيب خط انرژي در راستاي جانبيسرعت موج در سمت چپ مرز يك سلول محاسباتيSLسرعت موج در سمت راست مرز يك سلول محاسباتيSRشيب سطح آبSwبردار چشمهS(U)بردار متغيرهاي جريانUبردار متغيرهاي جريان در سمت چپ مرز يك سلول محاسباتيU-بردار متغيرهاي جريان در سمت راست مرز يك سلول محاسباتيU+مقدار متغير جريان در مركز سلول محاسباتيi,jمقدار متغير جريان درسمت چپ ضلع شماره k سلول محاسباتيمقدار متغير جريان درسمت راست ضلع شماره k سلول محاسباتيگراديان محاسبه شده در تماس با مرز مايعUfگراديان محاسبه شده در تماس با مرز جامدUsبردار خروجي شبكه عصبيaجمله باياس در شبكه عصبيbسرعت موج ثقليضريب اصطكاك كفcfقطر متوسط دانههاي رسوبيخطاي موجود در پاسخ نرون شماره jejتابع تحريك شبكه عصبيfشتاب گرانشgعمق جريان از كف تا سطح آزادhعمق اوليه آبعمق جريان محاسبه شده با استفاده از الگوي عدديعمق دقيق جريانتخلخلmضريب منينگnManningمولفه راستاي x از بردار يكه عمود بر مرز سلول محاسباتيnxمولفه راستاي y از بردار يكه عمود بر مرز سلول محاسباتيnyبردار ورودي شبكه عصبيpدبي رسوب در واحد عرض كانال در راستاي طوليqsxدبي رسوب در واحد عرض كانال در راستاي عرضيqsyبردار عمود از مركز سلول محاسباتيبر ضلع شمارهkسلولجواب مطلوب براي نرون شماره jtjمولفه متوسط سرعت در راستاي طوليu سرعت برشيمولفه متوسط سرعت در راستاي جانبيvماتريس وزن شيكه عصبيwتراز كف كانال نسبت به سطح مبناzbمرز ناحيه محصور كننده المان i امiГ طول ضلع j ام از سلول محاسباتي شماره iij ГΔطول يك سلول محاسباتيxΔعرض يك سلول محاسباتيyΔطول گام زمانيtΔچگالي وزني آبچگالي وزني ذرات رسوبتراز سطح آب نسبت به خط مبناηويسكوزيته سينماتيكي آبلزجت سينماتيكي موثر تلاطمυffچگالي آبρتنش برشي بسترbτتنش برشي كف كانال در راستاي طوليbxτ تنش برشي كف كانال در راستاي جانبيbyτ تنش برشي بحرانيcτتنشهاي تلاطمyyτ و yxτ ، xyτ ، xxτگراديان سلول محاسباتيi,j 1-مقدمه مکانیک رودخانه ها یکی از پیچیده ترین مباحث موجود در مهندسی است.علم رسوب (Sedimentation) در رودخانه ها و تاثیرات برموفولوژی رودخانه و همچنین بررسی نحوه فرسایش خاک از علوم مورد بحث در مهندسی است. مطالعه پدیده انتقال رسوب هم بدلیل پیچیدگی موضوع و هم به دلیل اهمیت آن همچنان از مباحث روز علم هیدرولیک است. از آنجا که آب و خاک دو منبع اصلی حیات بشر بوده و در مسائل زیست محیطی از اهمیت زیادی برخوردارند، بررسی پدیده انتقال رسوب که با هردوی این مسائل سروکار دارد، از اهمیت به سزایی برخوردار است. کاهش منابع آب و افزایش روز افزون جمعیت باعث می شود که در طراحی منابع آب به حجم رسوبگیر آن بسیار توجه شده و میزان رسوب قابل انتقال در حوزه آبریز یک سد، قسمت مهمی از مطالعات طراحی یک سد را شامل شود. به علاوه فرسایش خاک نیز مسئله بسیار مهمی است که تاثیر زیادی در تغییر و تخریب محیط زیست یک منطقه دارد. هر چند که از گذشته های دور این مسئله مورد دقت نظر بوده اما بدلیل پچیدگی موضوع، هم اکنون نیز از موضوعات اصلی و جدید در زمینه فیزيک کاربردی محسوب میشود. برای مشخص کردن کل رفتار یک رودخانه باید به این نکته توجه کرد که سازماندهی و برقراری نظم و تعادل در مقیاسهای مختلفی در رفتار یک رودخانه وجود دارد. برای بررسی رفتارهای یک رودخانه بايد مشخص کرد که هر یک از این سطوح چه تقابلی با سطوح دیگر دارد. شکل (1-1)می تواند بازگو کننده چنین رفتاری در یک رودخانه باشد.از یک سو می توان سیستم را داراي نوعی نظم و تناوب دانست و از سوی دیگر در مقیاسهای مختلف می توان آنرا بی نظم و بسیار غیر خطی توصیف کرد. غیر خطی بودن به این معناست که به سختی می توان مدلی از رفتار رودخانه ارائه کرد که در محدوده وسیعی از مقیاس ها قابل استفاده باشد. بنابراین ساده تر آن است که سیستم رودخانه به قسمتهای کوچکتری شکسته شده و برای هر قسمت مدلی در نظر گرفته شود. البته مدلی به واقعیت نزدیک تر است که تاثیر متقابل هر یک از این قسمتهای کوچک ، بر روی یکدیگر را نیز در نظر بگیرد.شكل(1-1): مقياسهاي مختلف قابل بررسي در بحث انتقال رسوب(Glober,2009)در حالت کلی هدف از مدل سازی ایجاد یک درک مشخص از یک موضوع است. اما سیستمهای پچیده سیستمهای بازی (Open) هستند که مدلها تنها توانایی تبیین قسمتی از سیستم را دارند (Cilliers, 2001). پیچیدگی یک سیستم زمانی افزایش می یابد که تعداد فرایندهایی که در آن سیستم در حال تقابل هستند افزایش یابد Cilliers, 2001)). در رودخانه به طور کلی آب، رسوب و گیاهان در تقابل هستند. شکل(1-2) این تقابل را نشان می دهد (Jordanova and James, 2003) .