بخشی از مقاله
برآورد »شاخص فرسایش کناري راسگن« در رودخانهها با استفاده از مدل HEC-RAS (مطالعه موردي رودخانه خرسان)
خلاصه
رخداد سیلابهاي متعدد در رودخانهها ، یکی از مهمترین عوامل فرسایش کناري میباشـد.. بررسـی پروفیـل سـطح آب رودخانـه یکـی از اجـزاي سیستمهاي مهندسی رودخانه میباشد که با استفاده از آن میتوان شرایط هیدرولیکی جریان را شبیهسازي و با بهرهگیري از نتـایج حاصـله اقـدام بـه تدوین طرح حفاظت رودخانه، در مقابل فرسایش نمود. از جمله روشهاي بررسی فرسایش ساحلی در رودخانه، استفاده از معیار »رازجن« و شاخص »فرسایشپذیري کناره« میباشد. در این روش، با توجه به مقدار پارامترهاي »گرادیان سرعت جریـان« و »نسـبت تـنش برشـی« جـدولی تهیـه شـده و مقدار عددي »شاخص فرسایشپذیري کنارههاي رودخانه« در 6 سطح، از خیلی کم تا شدید، تعیین میگردد. در این تحقیق، هیدرولیک جریـان در رودخانه خرسان، از سرشاخههاي اصلی کارون، در محدوده ورودي به مخزن سد خرسان 3، با استفاده از مدل عـددي HEC-RAS شـبیهسـازي و مقاطع عرضی و پارامترهاي هیدرولیکی جریان از جمله سرعت و تنش برشی جریان و شاخص فرسایشپذیري کناره رودخانه محاسبه گردیده است.
کلمات کلیدي: رودخانه،فرسایش سیلاب، کناري، شاخص رازجن، مدل عددي .HEC-RAS
.1 مقدمه
رودخانهها بهعنوان یکی از با ارزشترین و مهمترین منابع آبهاي سطحی در زمینههاي کشاورزي، اقتصادي صنعتی و شـرب از جایگـاه ویـژهاي برخوردار میباشند. وقوع سیلاب و خسارات فراوان ناشی از آن و نیز تاثیر این رخداد بر روي ساختار رودخانهها بهصـورت بـروز فرسـایش یـا رسـوب- گذاري از جمله عواملی هستند که میتوان با بررسی هیدرولیکی جریان در رودخانهها، روند حاکم بر این پدیدههـا را شـبیهسـازي و بـا اسـتفاده از نتـایج حاصل از آن اقدام به اتخاذ تدابیر مدیریتی لازم به منظور بهرهبرداري و حفاظت از رودخانهها موجود نمود. مطالعـات پروفیـل سـطح آب رودخانـه، کـه نشاندهنده تغییرات طولی پارامترهاي جریان آب رودخانه در یک محـدوده خـاص اسـت، یکـی از اجـزاي اصـلی مجموعـه مطالعـات لازم در طراحـی سیستمهاي مهندسی رودخانه و مدیریت منابع آب و نیز طراحی سازههاي هیدرولیکی میباشد.
در این زمینه، مساعدي و توکلی (1382) با در نظر گرفتن بازهاي از رودخانه اترك، ضمن محاسبه ضریب مانینگ و تراز سطح آب در هر مقطـع، اقدام به ترسیم نیمرخ طولی سطح آب و پهنههاي خطر سیل براي دوره برگشتهاي مختلف نمودند.[1] شـیري و همکـاران (1387) روشهـاي مختلـف تخمین ضریب زبري را در بازهاي از رودخانه بانه مورد اجرا قرار داده و نتایج حاصل از آن را با مقـادیر بدسـت آمـده از نـرمافـزار HEC-RAS مـورد مقایسه قرار دادند. جانسون و همکاران (1999) مدل عددي HEC-RAS را بـراي پـیشبینـی و تعیـین حـدود اراضـی غرقـاب در طـول 10 کیلـومتر از رودخانه ویومینگ- گري بال در آمریکا بکار برده و با استفاده از مدل فوق، پروفیل سطح آب رودخانه را ترسیم نمودند .[2]
پیش از اقدام به بررسیهاي تفصیلی هیدرولیک رودخانه، ابتدا باید مجموعه اي از داده هاي پایه و اطلاعات مربوط به آن گردآوري و آماده شوند. از این بین می توان به مقادیر اوج آبدهی (یا هیدروگراف) سیلاب، رابطه بین تراز سطح آب و آبدهی رودخانه (رابطه دبـی- اشـل) در ایسـتگاه یـا ایستگاه هاي مستقر در داخل یا در مجاورت محدوده مطالعات، وضعیت عمومی توپـوگرافی و مشخصـات هندسـی رودخانـه و سـیلابدشـت آن (طبـق نقشه هاي توپوگرافی و مقاطع طولی و عرضی رودخانه و اراضی ساحلی)، مشخصات سازه ها و تاسیسات هیدرولیک موجود در داخل و حواشی محدوده مطالعات و سایر اطلاعات مرتبط با جزئیات هیدرولیکی رودخانه اشاره نمود.
.2 منطقه مورد مطالعه
حوضه آبریز رودخانه خرسان، که یکی از سر شاخه هاي مهم حوضه آبریز رودخانه کارون می باشد، در جنوب غربی ایرانحدوداً در محدوده اي بین عرض جغرافیایی 30-15' تا 31-30' درجه شمالی و طول جغرافیایی بین 50-55' تا 52-0' درجه شرقی در دامنه رشته کوههاي زاگرس واقع شده است. در شکل (1) موقعیت تقریبی جغرافیایی منطقه مورد مطالعه مشخص شده است.
منطقه مذکور از شمال به حوضه هاي آبریز زاینده رود، دز و کارون، از غرب به حوضه هاي دز و کرخه، از شرق به حوضه هاي کر و زاینده رود و از جنوب به حوضه هاي زهره، کارون، جراحی و مارون محدود می گردد. رودخانه خرسان از دو شاخه اصلی ماربر و گرمرود یا بشار تشکیل گردیده است این دو شاخه در نزدیکی روستاي سرسور به هم پیوسته و رودخانه خرسان را شکل می دهند. ساختگاه سـد مخزنـی خرسـان سـه، در بخـش علیـاي رودخانه خرسان در دامنه شمال شرق کوه هاي زاگرس چین خورده در ناحیه اي به طول شرقی حدود" 25 ،58 ′ ، 50œ و عرض شمالی" 50 ، 14′، 31 œ در حوالی روستاهاي طلایه و آتشگاه به فاصله تقریبی 50 کیلومتري از شهرستان لردگان واقع شده است .[3] در شکل (2) موقعیت مقـاطع انتخـاب شـده براي انجام مطالعات پروفیل سطح آب، نمایش داده شده است.
.3 دادهها و اطلاعات پایه
داده ها و اطلاعات لازم براي انجام بررسی هاي هیدرولیکی به شرح زیر میباشند 4]و-1 :.[5 آبدهی رودخانه به صـورت اوج آبـدهی سـیل (بـراي مدل هاي ماندگار) و هیدروگراف سیل (براي مدل هاي غیر ماندگار)، -2 مقاطع عرضی رودخانه و سیلاب دشت آن، در فواصل مناسب از یکدیگر براي سراسر طول مسیر منتخب، -3 ضرایب هیدرولیکی رودخانه، مشتمل بر ضریب زبري (ضریب مانینگ) و همچنین ضرایب انبسـاط و انقبـاض عرضـی در مقاطع متوالی، و -4 شرایط هیدرولیکی حاکم بر مرزهاي بالا و پایین (شرایط مرزي)
1-3 دبی سیلاب رودخانه
بر اساس مطالعات انجام شده، مقادیر دبی اوج سیلاب در محل سد خرسان 3 وتأسیسات وابسته، از جمله نیروگاه برقابی، محاسبه گردیـده کـه در جدول (1) قابل مشاهده است. همچنین هیدروگراف سیل با دوره بازگشتهاي مختلف در رودخانه خرسان در شکل 3 ، نشان داده شده است.
2-3 مقاطع عرضی
مقاطع عرضی رودخانه و سیلابدشت آن، که شامل موقعیت ایستگاه اندازهگیري و ارتفـاع آن اسـت، مهـمتـرین اطلاعـات پایـه بـراي مطالعـات پروفیل سطح آب رودخانه محسوب میگردد. مقاطع عرضی رودخانه خرسان در محدوده سد خرسـان 3، بـر اسـاس مقطـع بـرداري انجـام شـده از ایـن رودخانه و همچنین نقشه هاي 1:500 برداشت شده از محدوده طرح استخراج گردیده است. بازه مطالعاتی که مقاطع عرضی از آن برداشت شده است، از محل انتهایی رودخانه خرسان تا محل ورودي به مخزن سد خرسان 3 ، به طول 750 متر میباشد. در این بازه تعداد 25 مقطع عرضی برداشت گردیده کـه با استفاده از نرمافزار اتوکد (Auto Cad) به مدل عددي HEC-RAS معرفی میگردد.
3-3 ضرایب هیدرولیکی رودخانه
ضرایب هیدرولیکی رودخانه از جمله ضریب مقاومت بستر، دیواره ها و سیلابدشت رودخانه و همچنین ضرایب انبساط و انقباض مقاطع عرضـی رودخانه در طول مسیر مورد مطالعه، جزء دادههاي پایه با اهمیت محسوب مـیگردنـد. ضـریب زبـري مانینـگ، مهمتـرین ضـریب هیـدرولیکی در انـواع مطالعات هیدرولیک رودخانه است. در این تحقیق، برآورد ضریب مانینگ به کمک دو روش زیر صورت گرفته است: -1 بهرهگیري از تجارب عمومی بین المللی براي دست یابی به یک برآورد عمومی و اولیه از دامنه تغییرات ضریب مانینگ (بـا توجـه بـه شـرایط عمـومی و زمـینشناسـی رودخانـه) و -2
استفاده از ضرایب توصیه شده توسط سازمان حفاظت خاك و سازمان زمینشناسی آمریکا (استفاده از روش کاون) 6]و.[7
به رغم انجام اقدامات فوق بایستی اذعان داشت که نتایج حاصل را تنها می توان برآوردي از ضریب مانینگ تلقی نمود که در سطح مطالعات حاضر مورد نیاز بوده است. براي کاهش تردیدهایی که در زمینه مقدار عددي نزدیک به واقعیت این پارامتر همچنان وجود دارد، میزان ضریب مانینگ در یک طیف حداقل تا حداکثر ممکن، در نظر گرفته شده و در مطالعات مورد استفاده قرار گرفته است.
الف - تعیین ضریب زبري پایه
با توجه به جنس بستر اصلی رودخانه و دشت سیلابگیر آن (و یکنواخت بودن نسبی این دو محدوده با توجه به مقادیر دبیهاي مورد بررسی) ضریب زبري پایه بین حداقل0/020 تا حداکثر 0/025 برآورد شده است.
ب- اعمال ضرایب اصلاحی و انتخاب ضریب زبري نهایی
در این مرحله با استفاده از جداول موجود در مراجع مختلف و با توجه به ویژگـیهـاي سـاختاري و مورفولوژیـک رودخانـه، ضـرایبی بـه منظـور تعدیل مقدار اولیه ضریب زبري بر روي آن اعمال میگردد. بنابراین با توجه به رابطه کاون، میزان ضرایب اصلاحی و در نهایـت نحـوه محاسـبه ضـریب زبري کل در رودخانه خرسان را میتوان بهشرح جدول (2) خلاصه نمود. در واقع در این تحقیق، با استفاده از روش شبیهسازي جریان و با انجام سـعی و خطا و با حداقل سازي اختلاف بین سطوح آب حاصل از مقادیر مشاهداتی و محاسباتی در ایستگاههاي معرف، مقدار پارامتر n بهینه تعیین گردیده است.
همانگونه که مشهود است، نتایج روش بکار گرفته شده ضریب مانینگ را مابین اعداد 0/040 الـی 0/060 بدسـت مـیدهـد. همـواره در مطالعـات مهندسی رودخانه رسیدن به قطعیت در ارتباط با ضریب مانینگ میسر نبوده، ولی میتوان با اطمینـان مناسـب، طیفـی از میـزان ضـریب مانینـگ را بعنـوان حدود منتخب گزینش نمود. با توجه به مجموعه نتایج بدست آمده، محدوده ارائه شده براي ضرایب مانینگ در جدول (3) نشان داده شده است.
4-3 شرایط مرزي مدل
براي شرایط مرزي در محدوده پاییندست بازه مطالعاتی، از عمق نرمال (yn) رودخانه بهره گرفته شده است. شرایطمرزيِ حد بالادست مدل نیز، متناظر با عمق بحرانی (yc) با شیب 0/0025 منظور گردیده است.
.4 اجراي مدل عددي
براي انجام بررسی هاي هیدرولیکی در محدوده طرح از یک مدل ریاضی شبیهسازي پروفیل سطح آب به نام HEC-RAS اسـتفاده شـده اسـت.
