ارزیابی نرم افزارهای مهندسی آب

1. ارزیابی نرم افزارهای مهندسی آب تهیه کننده: وحید باقریه استاد راهنما: دکتر علی سررشته داری واحد درسی سمینار

2. به علت طبيعت پيچيده فرآيندها و اندركنش ها در حجم هاي آبي، مدل هاي رياضي عمدتا مي توانند مولفه هاي اساسي محيطي كه بر فرآيندهاي مختلف پخش و انتقال رسوب يا آلاينده ها تاثيرگذار هستند را در نظر بگيرند مدل سازي تمام مكانيزم ها و فرآيند هاي موجود در طبيعت در يك مد ل رياضي مشكل و در برخي موارد غيرضروري است درجات مختلفي از سادگي يا پيچيدگي درمدل هاي رياضي در نظر گرفته شده كه باعث توسعه مدل هاي زيادي در زمينه هاي مختلف شده است از قبیل: • هيدروديناميك • انتقال رسوب • كيفيت آب

3. براي مدل سازي يك يا چند پارامتر خاص در منطقه مورد مطالعه، گزينه هاي مختلفي از مدل ها پيش روي يك مهندس طراح قرار دارد كه بايد از بين آنها يك مدل مناسب را انتخاب نمايد انتخاب يك مدل مناسب شامل سه مرحله مي باشد • تعيين ليستي از مدل هاي موجود براي ارزيابي پديده هاي مختلف • توسعه مجموعه اي از معيارها براي ارزيابي مدل هاي كانديدا جهت ارزيابي نهايي • توسعه مجموعه اي از معيارها براي دسته بندي توانايي هاي مدل ها درون هر طبقه از آنها

4. در تمامي مدل ها اگر مدل سازي در محدوده ي تعريف شده براي اين مدل ها صورت گيرد، نتايج قابل قبولي عايد مي شود و خطاهاي ناشي از مدل سازي به حداقل رسيده و در هزينه و زمان مدل سازي صرفه جويي زيادي مي شود بنابراين يكي از معيارهاي انتخاب مدل مي تواند معادلات حاكم به كار رفته در مدل هاي رياضي باشد معادلات حاكم بر ميدان جريان شامل معادلات بقاي جرم و بقاي مومنتوم هستند كه در حالت كلي سه بعدي مي باشند در شرایطی با فرض تغییرات ناچیز برخی از پارامترهای موثر ( مانند سرعت ) در یک یا دو راستا، می توان با انجام متوسط گیری پدیده های سه بعدی را بصورت یک یا دوبعدی تحلیل نمود باید به شرایط و محدودیت های موجود در راستای تبدیل مدل های سه بعدی توجه ویژه نمود

5. کاربردهای مدل های ریاضی یک بعدی و دو بعدی:

6. مدل های دو بعدی افقی: در اين مدل ها با فرض آب كم عمق معادلات پيوستگي و مومنتوم ساد ه سازي شده و با روش هاي مختلف عددي حل مي شوند از اين مدل ها نمي توان براي مناطقي كه نقش مولفه قائم سرعت قابل صر ف نظر كردن نيست، استفاده نمود این مدل ها کاربرد وسیعی در مدل سازي جريان در رودخانه ها، خورها و سواحل دارند • مدل هاي دو بعدي عمقي: این مدل ها براي شرايطي قابل استفاده مي باشد كه فرض تغييرات ناچيز در عرض صادق باشد در مخازن باريك و كانال هاي دسترسي كه تغييرات سرعت در عرض قابل صرف نظر كردن باشد، مي توان از اين مدل ها استفاده نمود

7. مدل های یک بعدی: اين مدل ها شامل مدل هاي يك بعدي طولي و يك بعدي عمقي مي باشند در مدل هاي يك بعدي طولي فرض مي شود كه جريان غالب در جهت طول مي باشد مدل های یک بعدی طولی ابزار مناسبي براي مطالعات ريخت شناسي رودخانه ها مي باشند مدل هاي يك بعدي عمقي نيز معمولا براي محاسبه لايه بندي و نيز سرعت سقوط ذرات مورد استفاده قرار مي گيرند

8. ويژگي هاي موثر در انتخاب مدل هاي رياضي

9. دسترسي به ليست برنامه و امكان افزودن قابليت هاي مورد نظر • وجود مرجع علمي و راهنماي مدل • توانايي مدل جهت شبيه سازي هندسه هاي پيچيده • امكان حمايت و پشتيباني فني و علمي از مدل • توانايي انعطاف پذيري شبكه بندي در مناطق مختلف ميدان جريان • كاربردوست بودن مدل • سهولت دسترسي به مدل و نسخه به روز آن • صحت سنجي و كاربرد در موارد مشابه • اطلاعات خروجي مناسب و به شكل مطلوب

10. قابليت كاربرد در سخت افزارها و برنامه هاي معمول • ميزان موفقيت در كاربردهاي قبلي توسط ديگران (داخل و خارج از كشور) • عموميت فرض ها و حالت هاي پيش بيني شده در مدل • امكان ارتباط با سامانه اطلاعات جغرافيايي و تبادل اطلاعات با آن*

11. دسترسي به ليست برنامه و امكان افزودن قابليت هاي مورد نظر متاسفانه بسياري از مدل هاي موجود فاقد اين ويژگي مي باشند و بيشتر مدل ها به صورت يك جعبه سياه ارائه مي شوند که در اين صورت كاربر هيچگونهامكاني براي تغيير يا افزودن قابليت هاي مورد نظر به مدل را ندارد اگر ليست برنامه اي نيز موجود باشد استفا ده از آن نياز به تجربه زيادي در زمينه برنامه نويسي و آشنايي كافي به زبان برنامه نويسي مورد استفاده در مدل دارد اين ويژگي زماني حايز اهميت مي باشد كه كاربر بخواهد از آن براي توسعه مدل براي اهداف مورد نظر استفاده نمايد

12. وجود مرجع علمي و راهنماي مدل به علت اين كه اكثر مدل هاي موجود به صورت يك جعبه سياه مي باشند، وجود يك مرجع علمي براي آن اجتناب ناپذير مي باشد مراجع علمي قابل دسترس براي مدل هاي مختلف داراي طيف وسيعي، شامل گزارش هاي علمي ساده تا گزارش هاي فني بسيار خوب توسعه داده شده مي باشند اين محدوده را به سه قسمت كلي مستندسازي ضعيف، متوسط و قوي تقسيم بندي نمود توصيه مي شود از مدلي که حداقل داراي مستندسازي متوسط باشد استفاده شود

13. توانايي مدل جهت شبيه سازي هندسه هاي پيچيده برخي از مدل ها براي هندسه هاي ساده توسعه داده شد ه اند بنابر اين فقط براي شرايط خاصي قابل استفاده هستند اين مدل ها بيشتر براي كارهاي تحقيقا تي مورد استفاده قرار مي گيرند بسياري از مدل هاي تجاري كه امروزه توسعه داده مي شوند، داراي قابليت شبيه سازي هندسه هاي پيچيده با دقت هاي مختلف مي باشند

14. امكان حمايت و پشتيباني فني و علمي از مدل بسياري از مدل هاي در دسترس، امكان حمايت و پشتيباني فني و علمي از مدل را دارا نمي باشند بر اي برخي ازمدل ها فضايي اينترنتي مهيا شده است كه در آن كاربران (كاربران جديد و كاربران كارآزموده ) و توسعه دهندگان مدل داراي ارتباط مستقيم با يكديگر مي باشند حمايت و پشتيباني مدل مي تواند شامل مراحل زير باشد: • حمايت و پشتيباني از مدل قبل از پردازش اطلاعات • حمايت و پشتيباني از مدل در هنگام پردازش اطلاعات • حمايت و پشتيباني از مدل بعد از پردازش اطلاعات

15. توانايي انعطاف پذيري شبكه بندي در مناطق مختلف ميدان جريان برخي از مدل هاي تجاري براي شبكه بندي محيط مورد نظر براي رسيدن به سرعت بالايي در محاسبات صرفا از شبكه هاي مستطيلي بهره مي گيرند اين مدل ها قادر به شبكه بندي مناسب مناطق پيچيده (مانند سواحل رودخانه ) نمي باشند، زيرا باعث كاهش دقت محاسبات مي گردد بسته به اهداف مطالعات مي توان نسبت به انتخاب مدلي با توانايي هاي مختلف شبكه بندي اقدام نمود در برخي موارد نياز به ريز و درشت كردن شبكه در مناطق با گراديان هاي مختلف مي باشد امكان شبكه بندي با المان هاي مثلثي، چهارضلعي و نيز شبكه هاي با قاعده و بي قاعده نيز مي تواند در زمره قابليت هاي مهم يك مدل انعطا ف پذير باشد

16. كاربردوست بودن مدل بسياري از مدل هاي موجود داراي اين قابليت نيستند و براي مدل سازي پديده مورد نظر نياز به مهارت زيادي در مدل سازي و استفاده از مدل مي باشد این ویژگی باعث صرفه جويي در هزينه و زمان در فرآيند شبيه سازي مي شود به عنوان مثال مدل HEC-RAS به واسطه استفاده از رابط گرافيكي مناسب (و تحت ويندوز) در مقايسه با مدل Fluvial که تحت DOS بوده و رابط گرافيكي خاصي ندارد از كاربران بيشتري برخوردار است

17. سهولت دسترسي به مدل و نسخه به روز آن بسياري از مدل هاي موجود و توسعه داده شده در زمينه هاي مختلف قابل برداشت آزاد از طريق اينترنت نيستند بمنظور استفاده باید آن را از موسسه توسعه دهنده آن خريداري نموده و يا بايد مجوز استفاده از آن را تهيه نمود بنابراين در بيشتر موارد براي استفاده از نسخه به روز شده يك مدل بايد هزينه زيادي براي خريد مدل مورد نظر پرداخت شود

18. صحت سنجي و كاربرد در موارد مشابه قبل از استفاده از يك مدل بايد از صحت نتايج و قابل اعتماد بودن مدل و نتايج به دست آمده از آن اطمينان حاصل كرد در فرآيند مدل سازي توسعه دهندگان مدل پس از توسعه، مدل را با استفاده از آزمايش هاي مرجع صحت سنجي كرده و نتايج به دست آمده مستندسازي مي شوند از ديگر راه هاي بررسي صحت مدل، ارزيابي نتايج حاصل شده از مدل در موارد به كار رفته در پروژه هاي مختلف مي باشد

19. اطلاعات خروجي مناسب و به شكل مطلوب نتايج خروجي يك مدل اگر به صورت مطلوبي ارائه شود، تاثير زيادي روي درك و شناخت از پديده مورد نظر دارد مدل هايي داراي اين قابليت هستند كه از لحا ظ گرافيكي در سطح مطلوبي باشند، به طوري كه نيازي به استفاده از نرم افزارهاي گرافيكي كمكي نداشته باشند برخي از مدل ها نيز با توجه به فرمت هاي نتايج خروجي، قابل اتصال به سامانه هاي جغرافيايي مي باشند كه مزيت خوبي براي اين مدل ها محسوب مي شود این قابلیت نهايتا باعث صرفه جويي در زمان و هزينه مدل سازي مي شو د بعنوان مثال می توان مدل هاي MIKE و HEC-RAS ،CCHE را بعنوان مدل های بهره مند از این قابلیت نام برد

20. قابليت كاربرد در سخت افزارها و برنامه هاي معمول نسخه هاي قبلي برخي از مدل ها براي انواع خاصي از سخت افزارها و سيستم هاي عامل طراحي و توسعه داده شده اند در مدل هايي كه در حال تكامل هستند، توسعه دهندگان آنها سعي مي كنند مدل خود را با شرايط و سيستم هاي عامل جديد تطبيق دهند اين امرباعث محبوبيت و موفقيت بيشتر مدل مي گردد اغلب مدل های توسعه یافته قابل كاربرد در كامپيوترهاي شخصي مي باشند و برخي ديگر علاوه بر آن، قابليت استفاده در سامانه هاي شبكه اي را نيز دارند برخي از اين مدل ها براي سيستم عامل خاصي طراحي مي شوند كه بايد در انتخاب مدل، مدنظر قرار گيرد

21. ميزان موفقيت در كاربردهاي قبلي توسط ديگران (داخل و خارج از كشور) اگر مدلي براي اولين بار در داخل كشور مورد استفاده قرار گيرد، بايد به سوابق مدل رجوع كرده و ميزان موفقيت آ ن را در پروژه هاي بين المللي بررسي و ارزيابي نمود ميزان موفقيت مدل در كاربردهاي مختلف عامل مهمي در انتخاب يك مدل قلمداد مي شود يكي از مواردي كه مي توان از آن طريق قابليت هاي مدل را ارزيابي نمود، بررسي سوابق كاربرد مدل در پروژ ه هاي انجام شده در داخل كشور مي باشد با بررسي و جستجو در اسناد و مدارك موجود پروژه هاي انجام شده و همچنين تحقيق از كاربراني كه مدل مورد نظر را مورد استفاده قرار داده اند، مي توان شناخت نسبتا مناسبي از ويژگي ها و مشخصات مدل، خصوصا در مورد تطابق روابط تجربي مورد استفاده با شرايط داخل كشور به دست آورد

22. عموميت فرض ها و حالت هاي پيش بيني شده در مدل به علت استفاده مدل ها از فرضيات يا حالاتي كه باعث ساده تر شدن معادلات مي شوند، اين مدل ها در سطوح مختلف پيچيدگي تقسيم بندي مي شوند مدل هايي كه خيلي ساده مي باشند داراي عموميت خيلي كمتر ي بوده و استفاده از آنها در حالات خاصي امكان پذير مي باشد با افزايش پيچيدگي مدل ها اين فرضيات عموميت بيش تري يافته و از اين مدل ها در موارد بيشتر ي استفاده مي شود استفاده از مدل هاي با ميزان متفاوت فرضيات، بستگي به اهداف مطالعات داشته و در انتخاب بايد يك نقطه بهينه بين هزينه ها و دقت ها مد نظر قرار گيرد

23. امكان ارتباط با سامانه اطلاعات جغرافيايي و تبادل اطلاعات با آن از امكانات بسيار مفيد و كاربردي در بررسي و تحليل فرآيندهايي كه با طبيعت و جغرافياي منطقه سر و كار دارند، استفاده از سامانه اطلاعات جغرافيايي مي باشد بسياري از مدل ها فاقد اين امكان مي باشند تنها در بعضی از مدل هايي كه اخيرا توسعه داده شد ه اند، امكان ارتباط با اين سامانه در نظر گرفته شده است اين ويژگي مي تواند يكي از پارامترهاي مطرح در انتخاب مدل باشد

24. نتیجه گیری در مرحله اول با در نظر گرفتن چند معیار عمده که در ذیل آورده شده می توان دامنه انتخاب را محدود نمود • اهداف مدل سازي • ابعاد مكاني ( يك بعدي، دو بعدي يا سه بعدي ) • ابعاد زمانی ( پايدار يا ناپايدار) • قابليت و نحوه دسترسي به مدل ها

25. در مرحله دوم کاربر پس از انتخاب چند مدل برتر می تواند بکمک معیارهای ذیل انتخاب خود را نهایی نماید: • اهميت مدل سازي • مقدار هز ينه در نظر گرفته شده برا ي انجام شبيه سازي • دقت مورد نياز برا ي مدل سازي ها • اطلاعات قابل دسترس برا ي اجر اي مدل هاي مورد نظر • اطلاعات خروجي مورد نياز • قابليت دسترسي به مدل مورد نظر توسط كاربر*

26. با تشکر فراوان از توجه شما

27. بررسی کاربردی نرم افزارهای مشهور

28. رونديابي سيلاب CCHE 1D, CCHE 2D, HEC-RAS, HEC-HMS, FLUVIAL 12, MIKE 11, SMS 8 • پنج مدل ابتدايي دار اي قابليت دسترسي آسان مي باشند • دو مدل آخر اختصاصي بوده و برا ي استفاده از آنها بايد به موسسه توسعه دهنده آنها سفارش داده شود • هر كدام از ا ين مدل ها دار اي دقت هاي متفاو تي می باشد • لازم است كه كاربر با توجه به اطلاعات قابل دسترس و دقت مورد نياز مدل مناسب را انتخاب نمايد

29. مدل سازي اثر الگوي جريان بر ريخت شناسي CCHE1D, MIKE11, CCHE2D, MIKE21, FLOW3D, SSIIM, HEC-RAS • در اين مدل ها پس از انجام مدل سازي جر يان ، انتقال رسوب مدل شده و سپس تاثير تغييرات نيمرخ بستر مدل مي شود • بين مدل سازي جر يان و انتقال رسوب، حالت رفت و برگشتي وجود داشته و اندركنش بين آنها در نظر گرفته مي شود

30. مدل سازي اثر سازه هاي هيدروليكي بر الگوي جريان و ريخت شناسي CCHE1D, CCHE2D, FLOW3D, MIKE11 • در بسياري از مدل هاي يك بعد ي اثر سازه هاي هيدروليكي مختلف بر رو ي الگو ي جر يان شبيه سازي مي شود • تعداد كمي از مدل ها ريخت شناسي را مدل كرده و اثر سازه ها را بر رو ي آن در نظر مي گيرند • HEC-RAS علیرغم شبيه سازي يك بعدي اثر سازه هاي هيدروليكي مختلف بر رو ي الگو ي جر يان و انتقال رسوب بدلیل عدم بررسي جريان هاي عرضي در آن، قادر به برآورد تاثير اين سازه ها بر تغييرات عر ضي و ريخت شناسي نمي باشد

31. مدل سازي الگوي جريان و آبشستگي و رسوب گذاري اطراف سازه هاي هيدروليكي CCHE1D, FLOW3D, HEC - RAS, MIKE11 • این مدل ها مطرح ترین مدل ها براي مدل سازي الگوي جريان، آبشستگي و رسوب گذاري در اطراف سازه هاي هيدروليكي می باشند

32. مدل سازي كيفيت آب در رودخانه و مسايل زيست محيطي MIKE11, QUAL2E • به علت پخش سر يع پارامترهاي كيفي آب در جهات عمقي و عرضي، معمولا مدل سازي كيفيت آب در رودخانه ها به صورت يك بعدي انجام مي گيرد • از مدل هاي دو بعد ي و سه بعدي بيشتر در مطالعات تحقيقاتي استفاده مي شود

33. FLOW3D • مدل قوي در زمينه هيدروديناميك محاسباتي براي مسايل يك بعدي، دوبعدي و سه بعدي • شبيه سازي پديده هاي فيزيكي آب هاي كم عمق، كاويتاسيون، تلاطم، آبشستگي، كشش سطحي، جريان محيط هاي متخلخل و سطح آزاد آب • شبيه سازي فرسايش و ته نشيني رسوبات • شبيه سازي سازه هاي مختلف هيدروليكي نظير پايه هاي پل، سرريزها، سيفون، دريچه كشويي و پارشال فلوم • كاربرد مدل در مطالعات هوادهي در سرريزها، شكست سد، جريان بر روي پلكان، موج هاي كم ارتفاع • محدودیت با توجه به نوع مدل هاي آشفتگي به كار رفته در آن، نتايج در مجاورت موانع از دقت كافي برخوردار نيست

34. FLUENT • شبيه سازي جريان سيال و انتقال حرارت در هندسه هاي پيچيده به صورت دو بعدي و سه بعدي • امكان تغيير شبكه و تحليل جريان با شبكه هاي غيرساختار يافته • استفاده از شبكه هاي با المان هاي مثلثي و چهار ضلعي (براي هندسه هاي دو بعد ي) و چهارضلعي، شش وجهي، هرمي يا گوه اي (براي هندسه هاي سه بعدي) • به دست آوردن نتايج دقيق در ناحيه هاي با گراديان هاي شديد با بهينه سازي حل و بهبود شبكه • محدودیت توانايي شبيه سازي انتقال رسوب را ندارد شبيه سازي سطح آزاد در اين مدل بسيار وقت گير است

35. HEC - RAS • مدل يك بعدي براي شبيه سازي جريان و انتقال رسوب • محاسبه نيمرخ سطح آب • شبيه سازي جريان هاي زير بحراني، فوق بحراني و تركيبي و پايدار و ناپايدار • ارتباط با سامانه اطلاعات جغرافيايي و استفاده وسيع از قابليت هاي آن • شبيه سازي انواع پلها، آبگذرها، سرريزها، سازه هاي موجود در سيلابدشت و انواع كانال ها با شكل هاي مختلف • محدودیت با توجه به اين كه مدل يك بعدي مي باشد، توانايي شبيه سازي توزيع رسوب درعرض رودخانه وساير پديده هايي با ماهيت دو بعدي و يا سه بعدي را ندارد