| تعداد نشریات | 14 |
| تعداد شمارهها | 680 |
| تعداد مقالات | 7,068 |
| تعداد مشاهده مقاله | 10,684,884 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 9,779,485 |
تخمین دبی جریان و توزیع عرضی سرعت رودخانه در شرایط سیلاب با پردازش تصاویر پهپادی | ||
| مجله پژوهشهای حفاظت آب و خاک | ||
| دوره 32، شماره 3، مهر 1404، صفحه 89-111 اصل مقاله (7.77 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22069/jwsc.2026.22912.3769 | ||
| نویسندگان | ||
| احسان قاسمی1؛ عبدالرضا ظهیری* 2؛ محسن لشکربلوک3؛ خلیل قربانی4؛ فرهاد اکبرپور5 | ||
| 1دانشجوی دکتری سازههای آبی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران | ||
| 2نویسنده مسئول، دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. | ||
| 3استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران. | ||
| 4استاد گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران | ||
| 5مدیر امور آب شهریار، شرکت آب منطقهای تهران، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| چکیده سابقه و هدف: طغیان رودخانهها یک پدیده طبیعی است که اثرات مخربی بر زندگی انسان داشته و زیانهای اقتصادی زیادی بهبار می-آورد. تعیین دبی جریان سیلاب در مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و نیز طراحی سازههای آبی در مسیر رودخانه از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مختلفی در مطالعه طغیان رودخانهها و همچنین تعیین دبی سیلاب وجود دارد که هرکدام از آنها دارای خطاها و محدودیتهایی هستند. تخمین دبی جریان در ایستگاههای هیدرومتری با استفاده از منحنی دبی-اشل همواره یکی از بارزترین روشهای تعیین دبی جریان رودخانهها است، اما محدودیت اساسی و مهم این روش این است که برای دبیهای سیلابی باید از منحنی، برونیابی شود که این روند با خطا و عدم قطعیت همراه است. همچنین روشهای دیگر، مانند دستگاه سرعتسنج مولینه و دستگاه آگوستیک داپلر در شرایط جریان طبیعی رودخانه و بهویژه در مواقع سیلابی، علاوه بر مخاطره آمیز بودن، بسیار پرهزینه و زمانبر میباشد. استفاده از روشهای سرعتسنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان از جمله رویکردهایی است که اخیراً به عنوان یک روش غیرتماسی در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از تکنیک جدید سرعتسنجی 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 میکند. مواد و روشها: برای دستیابی به اهداف پژوهش، اقدام به فیلمبرداری با استفاده از پهپاد از مقطع رودخانه زیارت در محل تلاقی با رودخانه قرهتپه (استان گلستان) در سیلاب اردیبهشت 1403 شد. بدین ترتیب که تصویربرداری از سطح جریان رودخانه در ارتفاع 40 متری به وسیله پهپاد و به صورت کاملاً عمودی به مدت 40 ثانیه با فرکانس 30 فریم بر ثانیه صورت گرفت. پس از انجام عملیات پردازش تصاویر در نرمافزارPIVLAB 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 دادههای اندازه-گیری شده مقایسه شد. یافتهها: در این مطالعه برای اندازهگیری دبی و تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع با روشهای 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 نشاندهنده دقت بالای هر دو الگوریتم در برآورد دبی جریان و توزیع عرضی سرعت در مقطع مورد مطالعه بود بهطوریکه دبی و سرعت متوسط جریان به ترتیب با خطای نسبی حدود 5/3 و 7 درصد برآورد و محاسبه گردیدند. نتیجهگیری: براساس نتایج به دست آمده و با توجه به اینکه اندازهگیری دقیق دبی جریان سیلابی رودخانهها 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. چکیده سابقه و هدف: طغیان رودخانهها یک پدیده طبیعی است که اثرات مخربی بر زندگی انسان داشته و زیانهای اقتصادی زیادی بهبار می-آورد. تعیین دبی جریان سیلاب در مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و نیز طراحی سازههای آبی در مسیر رودخانه از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مختلفی در مطالعه طغیان رودخانهها و همچنین تعیین دبی سیلاب وجود دارد که هرکدام از آنها دارای خطاها و محدودیتهایی هستند. تخمین دبی جریان در ایستگاههای هیدرومتری با استفاده از منحنی دبی-اشل همواره یکی از بارزترین روشهای تعیین دبی جریان رودخانهها است، اما محدودیت اساسی و مهم این روش این است که برای دبیهای سیلابی باید از منحنی، برونیابی شود که این روند با خطا و عدم قطعیت همراه است. همچنین روشهای دیگر، مانند دستگاه سرعتسنج مولینه و دستگاه آگوستیک داپلر در شرایط جریان طبیعی رودخانه و بهویژه در مواقع سیلابی، علاوه بر مخاطره آمیز بودن، بسیار پرهزینه و زمانبر میباشد. استفاده از روشهای سرعتسنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان از جمله رویکردهایی است که اخیراً به عنوان یک روش غیرتماسی در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از تکنیک جدید سرعتسنجی 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 میکند. مواد و روشها: برای دستیابی به اهداف پژوهش، اقدام به فیلمبرداری با استفاده از پهپاد از مقطع رودخانه زیارت در محل تلاقی با رودخانه قرهتپه (استان گلستان) در سیلاب اردیبهشت 1403 شد. بدین ترتیب که تصویربرداری از سطح جریان رودخانه در ارتفاع 40 متری به وسیله پهپاد و به صورت کاملاً عمودی به مدت 40 ثانیه با فرکانس 30 فریم بر ثانیه صورت گرفت. پس از انجام عملیات پردازش تصاویر در نرمافزارPIVLAB 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 دادههای اندازه-گیری شده مقایسه شد. یافتهها: در این مطالعه برای اندازهگیری دبی و تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع با روشهای 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 نشاندهنده دقت بالای هر دو الگوریتم در برآورد دبی جریان و توزیع عرضی سرعت در مقطع مورد مطالعه بود بهطوریکه دبی و سرعت متوسط جریان به ترتیب با خطای نسبی حدود 5/3 و 7 درصد برآورد و محاسبه گردیدند. نتیجهگیری: براساس نتایج به دست آمده و با توجه به اینکه اندازهگیری دقیق دبی جریان سیلابی رودخانهها 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. | ||
| کلیدواژهها | ||
| دبی سیلاب؛ PIVLAB؛ توزیع عرضی سرعت؛ پردازش تصاویر؛ پهپاد | ||
| مراجع | ||
|
1.Khosro Aghaei, M., & Ayub-zadeh, S. A. (2011). Development of two-dimensional velocity field measurement method and vertical distribution of turbulent shear stress using image processing technique and particle tracking algorithm, master's thesis in the field of water structures engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran. [In Persian] 2.Le Coz, J., Camenen, B., Peyrard, X., & Dramais, G. (2012). Uncertainty in open-channel discharges measured with the velocity–area method. Flow Measurement and Instrumentation, 26, 18-29. 3.Tauro, F., Piscopia, R., & Grimaldi, S. (2017). Streamflow observations from cameras: Large-scale particle image velocimetry or particle tracking velocimetry. Water Resources Research, 53 (12), 10374-10394. 4.Kavetski, D., Kuczera, G., & Franks, S. W. )2006(. Bayesian analysis of input uncertainty in hydrological modeling: 2. Application. Water Resources Research, 42(3), W03408. 5.McMillan, H., Freer, J., Pappenberger, F., Krueger, T., & Clark, M. )2010(. Impacts of uncertain river flow data on rainfall-runoff model calibration and discharge predictions. Hydrological Processes: International Journal, 24(10). 1270-1284. 6.Fread, D. L. )1975(. Computation of stage-discharge relationships affected by unsteady flow. American Water Resources Association, 11(2), 213-228. 7.Baldassarre, G. D., & Montanari, A. )2009(. Uncertainty in river discharge observations: a quantitative analysis. Hydrology and Earth System Sciences, 13(6), 913-921. 8.Bieri, M., Jenzer, J., Kantoush, S. A., & Boillat, J. L. )2009(. Large scale particle image velocimetry applications for complex free surface flows in river and dam engineering. 33rd IAHR Congress Proc. British Columbia, Vancouver, 604-611. 9.Merz, J. )2010(. Discharge Measurements in Low Flow Conditions with ADCP Technology First Experiences in Nepal. Journal of Hydrology and Meteorology, 7(1), 40-48. 10.Welber, M., Le Coz, J., Laronne, J., Zolezzi, G., Zamler, D., Dramais, G., Hauet, A., & Salvaro, M. )2016(. Field assessment of noncontact stream gauging using portable surface velocity radars (SVR), Water Resources Research, 52(2), 1108-1126. 11.Melcher, N., Costa, J., Haeni, F., Cheng, R., Thurman, E., Buursink, M., et al. )2002(. River discharge measurements by using helicoptermounted radar. Geophysical Research Letters, 29(22), 2084. 12.Costa, J. E., Cheng, R. T., Haeni, F. P., Melcher, N., Spicer, K. R., Hayes, E., et al. )2006(. Use of radars to monitor stream discharge by noncontact methods. Water Resources Research, 42(7), W07422. 13.Garambois, P. A., & Monnier, J. )2015(. Inference of effective river properties from remotely sensed observations of water surface. Adv. Water Research, 79, 103-120. 14.Gleason, C. J., & Smith, L. C. (2014). Toward global mapping of river discharge using satellite images and at-many-stations hydraulic geometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111(13), 4788-4791. 15.Wang, S., Zhou, F., & Russell, H. (2017). Estimating Snow Mass and Peak River Flows for the Mackenzie River Basin Using GRACE Satellite Observations. Rem. Sens. 9(3), 256-258. 16.Yang, S., Wang, P., Wang, J., Lou, H., & Gong, T. (2021). River Flow Estimation Method Based on UAV Aerial Photogrammetry. Natl. Rem. Sens. Bull, 25(6), 1284-1293. 17.Muste, M., Fujita, I., & Hauet, A. (2008). Large-scale particle image velocimetry for measurements in riverine environments. Water Resources Research, 44(4), 1-14. 18.Puleo, J. A., Mckenna, T. E., Holland, K. T., & Calantoni, J., (2012). Quantifying riverine surface currents from time sequences of thermal infrared imagery. Water Resources, 48, W01527. 19.Thielicke, W., & Stamhuis, E. (2014). PIVlab–towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software, 2(1), e30. 20.Tauro, F., Tosi, F., Mattoccia, S., Toth, E., Piscopia, R., & Grimaldi, S. (2018). Optical tracking velocimetry (OTV): Leveraging optical flow and trajectory-based filtering for surface streamflow observations. Remote Sensing, 10(12), 2010. 21.Khosro Aghaei, M., & Ayub-Zadeh, S. A. (2011). Development of two-dimensional velocity field measurement method and vertical distribution of turbulent shear stress using image processing technique and particle tracking algorithm, master's thesis in the field of water structures engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran. [In Persian] 22.Fujita, I., Muste, M., & Kruger, A. (1998). Large-scale particle image velocimetry for flow analysis in hydraulic engineering applications. Journal of Hydraulic Research, 36(3), 397-414. 23.Fujita, I., Watanabe, H., & Tsubaki, R. (2007). Development of a non-intrusive and efficient flow monitoring technique: The space-time image velocimetry (STIV). International Journal of River Basin Management, 5(2), 105-114. 24.Costa, J. E., Spicer, K. R., Cheng, R. T., Haeni, P. F., Melcher, N. B., Thurman, E. M., Plant, W. J., & Keller, W. C. (2000). Measuring stream discharge by non-contact methods: A proof-of-concept experiment, Geophys. Res. Lett. 27(4), 553-556. 25.Welber, M., Le Coz, J., Laronne, J., Zolezzi, G., Zamler, D., Dramais, G., Hauet, A., & Salvaro, M. (2016). Field assessment of noncontact stream gauging using portable surface velocity radars (SVR). Water Resources Research, 52(2), 1108-1126. 26.Shin, S. S., Park, S. D., & Lee, S. K. (2016). Measurement of flow velocity using video image of spherical float. Procedia Engineering, 154, 885-889. 27.Lee, J. S., & Julien, P. Y. (2006). Electromagnetic wave surface velocimetry. J. Hydraul. Eng. 132(2), 146-153. 28.Cao, B., Guan, W., Li, K., Pan, B., & Sun, X. (2021). High-Resolution Monitoring of Glacier Mass Balance and Dynamics with Unmanned Aerial Vehicles on the Ningchan No. 1 Glacier in the Qilian Mountains, China. Remote Sens. 13(14), 2735. 29.Chandler, B. M. P., Lovell, H., Boston, C. M., Lukas, S., Barr, I. D., Benediktsson, Í. Ö., Benn, D. I., Clark, C. D., Darvill, C. M., Evans, D. J. A., et al. (2018). Glacial geomorphological mapping: A review of approaches and frameworks for best practice. Earth-Sci. Rev. 185, 806-846. 30.Colomina, I., & Molina, P. (2014). Unmanned aerial systems for photogrammetry and remote sensing: A review. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 92, 79-97. 31.Sledz, S., Ewertowski, M. W., & Piekarczyk, J. (2021). Applications of unmanned aerial vehicle (UAV) surveys and Structure from Motion photogrammetry in glacial and periglacial geomorphology. Geomorphology, 378, 107620. 32.Lu, Q., Si, W., Wei, L., Li, Z., Xia, Z., Ye, S., & Xia, Y. (2021). Retrieval of Water Quality from UAV-Borne Hyperspectral Imagery: A Comparative Study of Machine Learning Algorithms. Remote Sens. 13(19), 3928. 33.Cui, M., Sun, Y., Huang, C., & Li, M. (2022). Water Turbidity Retrieval Based on UAV Hyperspectral Remote Sensing. Water, 14(1), 128. 34.Turner, I. L., Harley, M. D., & Drummond, C. D. (2016). UAVs for coastal surveying. Coast. Eng. 35.Creutin, J. D., Muste, M., Bradley, A. A., Kim, S. C., & Kruger, A. (2003). River gauging using PIV techniques: a proof of concept experiment on the Iowa River. Journal of Hydrology, 277(3-4), 182-194. 36.Le Coz, J., Hauet, A., Pierrefeu, G., Dramais, G., & Camenen, B. (2010). Performance of image-based velocimetry (LSPIV) applied to flash-flood discharge measurements in Mediterranean rivers. Journal of Hydrology, 394(1-2), 42-52. 37.Dramais, G., Le Coz, J., Camenen, B., & Hauet, A. (2011). Advantages of a mobile LSPIV method for measuring flood discharges and improving stage-discharge curves. Journal of Hydro-Environment Research, 5(4), 301-312. 38.Muste, M., Fujita, I., & Hauet, A. (2008). Large-scale particle image velocimetry for measurements in riverine environments, Water Resour Research, 44(4), 1-14. 39.Genç, O., Ardıçlıog˘lu, M., & Necati, A. (2015). Calculation of mean velocity and discharge using water surface velocity in small streams. Flow Measurement and Instrumentation, 41, 115-120. 40.Weitbrecht, V., Kühn, G., & Jirka, G. H. (2002). Large scale PIV-measurements at the surface of shallow water flows. Journal of Flow Measurement and Instrumentation, 13(5-6), 237-245. 41.Hauet, A., Morlot, & Daubagnan, L. (2018). Velocity profile and depth-averaged to surface velocitynatural streams: A review over a large sample of rivers. E3S Web of Conferences,40, 06015. 42.Polatel, C. (2006). Large-scale roughness effect on freesurface and bulk flow characteristics in openchannel flows. Ph.D. Thesis. Iowa Institute of Hydraulic Research. The University of Iowa, Ames, Iowa. 43.Le Coz, J., Hauet, A., Pierrefeu, G., Dramais, G., & Camenen, B. (2010). Performance of image-based velocimetry (LSPIV) applied to flash-flood discharge measurements in Mediterranean rivers. Journal of Hydrology, 394(1-2), 42-52. 44.Gunawan, B., Sun, X., Sterling, M., Shiono, K., Tsubaki, R., Rameshwaran, P., & Knight, D.W. (2012). The application of LS-PIV to a small irregular river for in bank and overbank flows. Flow Measurement and Instrumentation, 24, 1-12. 45.Fujita, I. (2018). Principles of surface velocity gaugings. The 4th IAHR-WMO-IAHS Training Course on Stream Gauging, 2. 46.Osorio-Cano, J. D., Osorio, A. F., & Medina, R. (2013). A method for extracting surface flow velocities and discharge volumes from video images in laboratory. Journal of Flow Measurement and Instrumentation, 33, 188-196. 47.Moramarco, T., Barbetta, S., & Tarpanelli, A. (2017). From Surface Flow Velocity Measurements to Discharge Assessment by the Entropy Theory. Journal of water. 9(2), 1-12. 48.Santiago J. G., Wereley S. T., Meinhart C. D., Beebe D. J., & Adrian R. J. (1998). A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids, 25, 316-319. 49.Daneshfaraz, R., Norouzi, R., & Ebadzadeh, P. (2022). Experimental and numerical study of sluice gate flow pattern with non-suppressed sill and its effect on discharge coefficient in free-flow conditions. J. Hydraul. Struct. 8(1), 1-20. DOI: 10.22055/jhs.2022. 40089.1201. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 148 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 156 |
||