طراحی بهینه کانالهای مرکب با استفاده از بهینه سازی غیر خطی

کانالهای ذوزنقه ای که در آنها از مصالح متفاوت با ضرایب زبری متفاوت برای پوشش شیبهای کناری و کف کانال استفاده می شود به عنوان کانال مرکب ذوزنقه ای شناخته می شوند. هدف این تحقیق تعیین ابعاد بهینه کانالهای ذوزنقه ای مرکب که شامل عرض کف کانال (b)، عمق کانال (y) و شیب کناره های کانال در جریان یکنواخت می باشد به گونه ای که هزینه ساخت به حداقل ممکن برسد. از طرفی دیگر پایداری شیبهای کناری کانال ذوزنقه ای نیز باید در تعیین مقدار بهینه این پارامتر منظور گردد. به همین دلیل در این مطالعه ابتدا برای شیروانیهای خاکی که چسبندگی (c)، وزن مخصوص (ɣ) و زاویه اصطکاک داخلی (φ) معلوم می باشد رابطه ای برای شیب کناری کانال (z) بر حسب عمق حفاری کانال (h) تعیین می‏گردد به طوری که شیبهای کناری از لحاظ ژئوتکنیکی پایدار باشد و در برابر نیروهای وارده دچار ریزش نشوند. سپس در فرمولها و معادلات هیدرولیکی مربوط به مدلهای بهینه سازی کانال ذوزنقه ای مرکب به جای پارامتر (z) رابطه به دست آمده بر حسب عمق حفاری کانال (h) تعیین می گردد. در این مطالعه سه نوع مدل بهینه سازی غیرخطی معرفی شده است. در دو مدل اول تابع هدف که همان هزینه ساخت طول واحد کانال ذوزنقه ای مرکب می باشد شامل هزینه های خاکبرداری و هزینه پوشش کانال می باشد. قیود مدل هم یکی معادله مانینگ که بیان کننده جریان یکنواخت است و دیگری مثبت بودن عرض کف کانال و عمق آب می باشد. در مدل اول زبری معادل سطح مقطع کانال از فرمول هورتون و در مدل دوم زبری معادل از طریق فرمول لوتر محاسبه می گردد. در مدل سوم علاوه بر هزینه های خاکبرداری و پوشش کانال هزینه تملک زمین در تابع هدف گنجانده شده است و قیود این مدل شامل معادله مانینگ و مثبت بودن عرض کف کانال و عمق آب می باشد. در نهایت سه مدل ارائه شده جهت تعیین ابعاد بهینه کانال با روش الگوریتم ژنتیک حل گردیده‏اند. طبق نتایج به دست آمده هزینه ساخت کانال در مدل بهینه سازی که در آن از فرمول لوتر برای محاسبه زبری معادل استفاده شده است بین 11 تا 29 درصد کمتر از هزینه ساخت کانالهای به دست آمده از حل مدل بهینه سازی طبق فرمول هورتون می باشد. همچنین ابعاد بهینه کانال ذوزنقه‏ای مرکب برای انواع خاکها و دبیهای مختلف طی جداولی نشان داده شده است.