تخمین دبی جریان و توزیع عرضی سرعت رودخانه در شرایط سیلاب با پردازش تصاویر پهپادی

چکیدهسابقه و هدف: طغیان رودخانه ها یک پدیده طبیعی است که اثرات مخربی بر زندگی انسان داشته و زیان های اقتصادی زیادی به بار می-آورد. تعیین دبی جریان سیلاب در مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و نیز طراحی سازه های آبی در مسیر رودخانه از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مختلفی در مطالعه طغیان رودخانه ها و همچنین تعیین دبی سیلاب وجود دارد که هرکدام از آنها دارای خطاها و محدودیت هایی هستند. تخمین دبی جریان در ایستگاه های هیدرومتری با استفاده از منحنی دبی-اشل همواره یکی از بارزترین روش های تعیین دبی جریان رودخانه ها است، اما محدودیت اساسی و مهم این روش این است که برای دبی های سیلابی باید از منحنی، برونیابی شود که این روند با خطا و عدم قطعیت همراه است. همچنین روش های دیگر، مانند دستگاه سرعت سنج مولینه و دستگاه آگوستیک داپلر در شرایط جریان طبیعی رودخانه و به ویژه در مواقع سیلابی، علاوه بر مخاطره آمیز بودن، بسیار پر هزینه و زمانبر می باشد. استفاده از روش های سرعت سنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان از جمله رویکردهایی است که اخیرا به عنوان یک روش غیرتماسی در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از تکنیک جدید سرعت سنجی تصویری ذرات (PIV) با استفاده از تصاویر پهپادی استفاده شده است که با دقتی مناسب، سریع و بدون تماس با جریان و اختلال در الگوی جریان آب، توزیع عرضی سرعت و همچنین دبی جریان را در مواقع سیلابی رودخانه محاسبه می کند.مواد و روش ها: برای دستیابی به اهداف پژوهش، اقدام به فیلم برداری با استفاده از پهپاد از مقطع رودخانه زیارت در محل تلاقی با رودخانه قره تپه (استان گلستان) در سیلاب اردیبهشت ۱۴۰۳ شد. بدین ترتیب که تصویربرداری از سطح جریان رودخانه در ارتفاع ۴۰ متری به وسیله پهپاد و به صورت کاملا عمودی به مدت ۴۰ ثانیه با فرکانس ۳۰ فریم بر ثانیه صورت گرفت. پس از انجام عملیات پردازش تصاویر در نرم افزارPIVLAB در محیط MATLAB، سرعت سطحی جریان در مقطع عرضی رودخانه محاسبه شد و درنهایت توزیع عرضی سرعت و دبی جریان رودخانه در شرایط سیلابی با استفاده از روش سرعت- مساحت محاسبه و با داده های اندازه-گیری شده مقایسه شد. یافته ها: در این مطالعه برای اندازه گیری دبی و تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع با روش های ردیابی مبتنی بر تصویر، از شاخص سرعت (k) استفاده گردید. به کمک این روش توزیع عرضی سرعت و دبی جریان در رودخانه در شرایط سیلابی بدون تماس با جریان در یک مقطع با استفاده از دو الگوریتم تعریف شده درPIVLAB مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن نشان دهنده دقت بالای هر دو الگوریتم در برآورد دبی جریان و توزیع عرضی سرعت در مقطع مورد مطالعه بود به طوری که دبی و سرعت متوسط جریان به ترتیب با خطای نسبی حدود ۵/۳ و ۷ درصد برآورد و محاسبه گردیدند.نتیجه گیری: براساس نتایج به دست آمده و با توجه به اینکه اندازه گیری دقیق دبی جریان سیلابی رودخانه ها در زمان کوتاه از اهمیت ویژه-ای برخوردار است، عملیات پردازش تصاویر پهپادی جهت تخمین دبی جریان رودخانه و همچنین توزیع عرضی سرعت رودخانه، می-تواند اقدام موثری در این زمینه باشد.چکیدهسابقه و هدف: طغیان رودخانه ها یک پدیده طبیعی است که اثرات مخربی بر زندگی انسان داشته و زیان های اقتصادی زیادی به بار می-آورد. تعیین دبی جریان سیلاب در مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و نیز طراحی سازه های آبی در مسیر رودخانه از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مختلفی در مطالعه طغیان رودخانه ها و همچنین تعیین دبی سیلاب وجود دارد که هرکدام از آنها دارای خطاها و محدودیت هایی هستند. تخمین دبی جریان در ایستگاه های هیدرومتری با استفاده از منحنی دبی-اشل همواره یکی از بارزترین روش های تعیین دبی جریان رودخانه ها است، اما محدودیت اساسی و مهم این روش این است که برای دبی های سیلابی باید از منحنی، برونیابی شود که این روند با خطا و عدم قطعیت همراه است. همچنین روش های دیگر، مانند دستگاه سرعت سنج مولینه و دستگاه آگوستیک داپلر در شرایط جریان طبیعی رودخانه و به ویژه در مواقع سیلابی، علاوه بر مخاطره آمیز بودن، بسیار پر هزینه و زمانبر می باشد. استفاده از روش های سرعت سنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان از جمله رویکردهایی است که اخیرا به عنوان یک روش غیرتماسی در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از تکنیک جدید سرعت سنجی تصویری ذرات (PIV) با استفاده از تصاویر پهپادی استفاده شده است که با دقتی مناسب، سریع و بدون تماس با جریان و اختلال در الگوی جریان آب، توزیع عرضی سرعت و همچنین دبی جریان را در مواقع سیلابی رودخانه محاسبه می کند.مواد و روش ها: برای دستیابی به اهداف پژوهش، اقدام به فیلم برداری با استفاده از پهپاد از مقطع رودخانه زیارت در محل تلاقی با رودخانه قره تپه (استان گلستان) در سیلاب اردیبهشت ۱۴۰۳ شد. بدین ترتیب که تصویربرداری از سطح جریان رودخانه در ارتفاع ۴۰ متری به وسیله پهپاد و به صورت کاملا عمودی به مدت ۴۰ ثانیه با فرکانس ۳۰ فریم بر ثانیه صورت گرفت. پس از انجام عملیات پردازش تصاویر در نرم افزارPIVLAB در محیط MATLAB، سرعت سطحی جریان در مقطع عرضی رودخانه محاسبه شد و درنهایت توزیع عرضی سرعت و دبی جریان رودخانه در شرایط سیلابی با استفاده از روش سرعت- مساحت محاسبه و با داده های اندازه-گیری شده مقایسه شد. یافته ها: در این مطالعه برای اندازه گیری دبی و تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع با روش های ردیابی مبتنی بر تصویر، از شاخص سرعت (k) استفاده گردید. به کمک این روش توزیع عرضی سرعت و دبی جریان در رودخانه در شرایط سیلابی بدون تماس با جریان در یک مقطع با استفاده از دو الگوریتم تعریف شده درPIVLAB مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن نشان دهنده دقت بالای هر دو الگوریتم در برآورد دبی جریان و توزیع عرضی سرعت در مقطع مورد مطالعه بود به طوری که دبی و سرعت متوسط جریان به ترتیب با خطای نسبی حدود ۵/۳ و ۷ درصد برآورد و محاسبه گردیدند.نتیجه گیری: براساس نتایج به دست آمده و با توجه به اینکه اندازه گیری دقیق دبی جریان سیلابی رودخانه ها در زمان کوتاه از اهمیت ویژه-ای برخوردار است، عملیات پردازش تصاویر پهپادی جهت تخمین دبی جریان رودخانه و همچنین توزیع عرضی سرعت رودخانه، می-تواند اقدام موثری در این زمینه باشد.

کلیدواژه ها:

دبی سیلاب ، PIVLAB ، توزیع عرضی سرعت ، پردازش تصاویر ، پهپاد