بخشی از مقاله
خلاصه
پیشبینی زمان طغیان، دبی اوج سیلاب و فروکش آن از مسائل مهم در مهندسی هیدرولیک میباشد، که از طریق روندیابی سیل امکانپذیر است.
در این تحقیق ضرایب X و K در روش ماسکینگام که یکی از روشهاي مهم و کاربردي هیدرولوژیکی روندیابی سیل است، با استفاده از HEC-HMS با انواع توابع تعریف شده آن در رودخانه گرگانرود بهینهسازي شده و سپس هیدروگرافهاي خروجی ترسیم شدند. در مرحلهي بعد روندیابی به طریق هیدرولیکی با HEC-RAS صورت گرفت. در نهایت مشخص شد که اکثر هیدروگرافهاي خروجی بهینهسازي شده توسط HEC-HMS نتایج بهتري را نسبت به هیدروگراف حاصل از HEC-RAS نشان میدهند.
.1 مقدمه
سیل به وضعیتی گفته میشود که در آن جریان رودخانه و سطح آب بصورت غیرمنتظره افزایش پیدا کرده و باعث خسارات مالی و جانی گردد.
جریان سیل نمونهاي از جریان متغیر تدریجی ناپایدار است. جریان سیل در یک آبراهه، حرکت یک موج است. موج با تغییر مکان خود در یک آبراهه - دریاچه، مخزن، رودخانه - بر حسب شرایط، دبی و عمق جریان را از مقطعی به مقطع دیگر و از زمانی به زمان دیگر تغییر میدهد. یکی از مسائل مهم در کارهاي مهندسی آبراههها، پیشبینی چگونگی طغیان و فروکش سیل یا صعود و نزول آبنگار در محل معینی از آبراهه است. مطالعه و تحلیل اینگونه مسائل با استفاده از روشهاي روندیابی سیل انجام میشود.
روشهاي روندیابی سیل را میتوان به دو گروه روندیابی هیدرولیکی و روندیابی هیدرولوژیکی تقسیم نمود، در صورتیکه اثر برگشت آب وجود داشته و یا رودخانه خیلی پرشیب یا خیلی کمشیب باشد اثرات دینامیکی ممکن است قابل ملاحظه بوده، در چنین حالاتی روندیابی هیدرولیکی بهتر از روندیابی هیدرولوژیکی میباشد. در روندیابی هیدرولوژیکی از معادلهي اندازهي حرکت به کلی صرفنظر میشود و از معادلهي پیوستگی یک بعدي نسبت به فاصله در جهت جریان مشتق گرفته میشود، به طوريکه نتیجهي آن یک مجموعه متمرکز با ضرایب ثابت در حجم کنترل موردنظر خواهد بود. روش روندیابی هیدرولیکی شامل معادلهي کامل پیوستگی در حالت ناپایدار و تمام یا قسمتی از معادلهي اندازه حرکت به صورت زیر میباشد.
روندیابی دینامیکی شامل تمام جملات در معادلهي اندازه حرکت است، در حالی که در روندیابی پخشیدگی از جملات اینرسی - شتابهاي جابجایی و موضعی - صرفنظر گردیده، و بالاخره روندیابی کینماتیکی فقط شامل جملات ثقلی و مقاومت در معادلهي اندازه حرکت میباشد. روشهاي روندیابی کینماتیکی و پخشیدگی، روشهاي ساده هیدرولیکی هستند که هیدرولوژیستها از آنها استفاده میکنند.
روندیابی هیدرولوژیکی شامل روشهاي مختلفی است که یکی از این روشها، روش ماسکینگام میباشد، در این روش از دو معادلهي پیوستگی و ذخیره استفاده شده است. براي روندیابی سیل با استفاده از روش ماسکینگام باید ضرائب X و K موجود در معادلات به نحو مناسبی تعیین گردد. براي محاسبه مقادیر X و K لازم است تا هیدروگرافهاي ورودي و خروجی براي یک سیل معین، مشخص باشند. این ضرایب در حقیقت متغیر بوده و تابعی از خصوصیات قسمتهاي منطقه مورد مطالعه میباشد.
ضرائب X و K را میتوان با روش ترسیمی آزمون و خطا در رودخانه به دست آورد[2] که براي تولید نتایج دقیقتر میتوان آنها را بهینهسازي کرد. در زمینه روندیابی سیلاب محققین مختلف به صورت مدلهاي فرآیند و طرح مطالعاتی را به انجام رساندهاند. از تحقیقات اخیري که در زمینه روندیابی سیلاب در کشور انجام شدهاست به موارد زیر میتوان اشاره کرد.
بهآئین[4] تحقیقی در مورد روندیابی سیلاب رودخانه مرگ با استفاده از تکنیک تلویحی چهارنقطه اي روش تفاضل محدود را به انجام رساند وبه این نتیجه رسید که این روش براي گامهاي زمانی طولانی پایدار و سریع است وبه خوبی براي کاربردهاي مهندسی مربوط به جریانهاي با مدت طولانی و بازههاي طولانی کانال با هندسه پیچیده تطبیق می کند.
صمیمی [5] تحقیقی را با عنوان مطالعه کاربرد روش ماسکینگام-کونژ اصلاح شده در روندیابی سیلاب به انجام رسانید و به این نتیجه رسید که روش مذکور علاوه بر صرف وقت و هزینه کمتر نسبت به مدل هاي هیدرودینامیک، از دقت قابل قبولی نیز برخوردار است. برخلاف مدل هاي هیدرودینامیکی این روش نیاز به واسنجی و مقطع برداري متناوب در طول بازه ندارد.
همچنین سبعه[6] تحقیقی در موردتعیین ضریب بهینه روش ماسکینگام جهت روندیابی سیلاب رودخانه قره سو انجام داد. شهنی دارابی[7] نیز در زمینه بهینه سازي ضرائب ماسکینگام با استفاده از نرم افزار Lingo در رودخانه کارون - ایستگاه هیدرومتري حرمله - تحقیقی را به انجام رسانده و مقادیر ضرائب بهینه را استخراج کرده است.
در این تحقیق با داشتن هیدروگرافهاي ورودي و خروجی مشاهداتی در رودخانه گرگانرود در فاصله 36 کیلومتري بین ایستگاههاي آبسنجی آققلا تا بصیرآباد، مقادیر ضرایب X و K با استفاده از نرمافزار HEC-HMS توسط شش نوع تابع پس از مقایسه با هیدروگراف خروجی مشاهداتی در ایستگاه بصیرآباد بهینهسازي شد.
همچنین روندیابی در فاصله بین ایستگاههاي ذکر شده توسط سیستم تحلیل رودخانه انجمن مهندسین آمریکا - HEC-RAS - انجام شد و در نهایت با مقایسه هیدروگراف خروجی به دست آمده توسط نرم افزار HEC-RAS و هیدروگراف خروجی بهینهسازي شدهي به دست آمده از نرمافزار HEC-HMS با هیدروگراف خروجی مشاهداتی، بهترین روش جهت روندیابی سیل این رودخانه تعیین شد.
ازاین مطالعه دو هدف دنبال می شود، اول اینکه بتوان با روشی مناسب سیلاب خروجی را به گونه اي پیشبینی نمود تا مقدار محاسبه شده با مقدار واقعی اختلاف کمتري داشته باشد و دوم اینکه نشان داد که روشهاي هیدرولوزیکی در بعضی مواقع نسبت به روشهاي هیدرولیکی میتواند کاراتر باشد.
.2 مواد و روشها
نرم افزار HEC-HMS نسخه توسعه یافته HEC-1 تحت ویندوز براي شبیهسازي فرایند بارندگی-رواناب حوضه آبریز طراحی شده است. - براي شیبه سازي پاسخ رواناب سطحی یک حوضه آبریز نسبت به بارندگی معین میباشد - به علاوه این برنامه قابلیت تحلیل رودخانههاي حوضههاي آبریز بزرگ ذخایر آبی و هیدرولوژي سیلاب و رواناب حوضههاي طبیعی و شهري را دارا میباشد.
هیدروگرافهاي حاصل از تحلیل نرمافزار HEC-HMS یا مستقیما در مسائل طراحی به کار برده میشود یا در ارتباط با دیگر نرمافزارها براي مطالعات تکمیلی مورد استفاده قرار می گیرد. این مدل حوضه آبریز را به عنوان یک سیستم یکپارچه - Lumped - با مولفههاي هیدرولوژیکی و هیدرولیکی نمایش میدهد. این نرمافزار توسط واحد مهندسی ارتش آمریکا توسعه داده شده است.
براي بهینه سازي در نرم افزار HEC-HMS در ابتدا باید یکی از دو روش Search Metthod را براي تطبیق پارامترهاي انتخاب شده به منظور کسب برازش بهینه انتخاب شود . روش Univariate Gradient ابعاد یک پارامتر را در طول زمان شبیه سازي تغییر می دهد وابعاد سایر پارامترها را ثابت نگه می دارد و روش پیش فرض برنامه می باشد و زمانی که تنها یک پارامتر ارزیابی می شود استفاده می گردد . روش دوم ، روش Nelder Mead می باشد که ابعاد تمام پارامترهاي انتخاب شده را در هر تکرار تغییر می دهد و برازش بهتري تولید می کند . سپس باید نوع تابع به
منظور واسنجی مدل انتخاب گردد. در شکل 1 الگوریتم بهینه سازي آمده است
شکل -1 الگوریتم بهینهسازي در Hec‐Hms
همانطور که در شکل آمده بعد از مشخص نمودن مقادیر اولیه فرضی براي پارامتر موردنظر، نرم افزار هیدروگراف بهینه سازي شده و مقدار تابع هدف را محاسبه میکند. بعد در صورت ارضا نشدن تابع هدف مقادیر دیگري توسط نرم افزار براي پارامترهاي مورد نظر در سعی و خطاي بعدي در نظرگرفته میشود و تا زمانیکه تابع هدف موردنظر ارضا نگردد این مراحل تکرار می شود ودر جاییکه تابع هدف ارضا شود مقادیر به دست آمده به عنوان مقادیر بهینه شده ضرائب انتخاب میشود.
6نوع تابع در نرم افزار براي این منظور تعریف شده است، که این توابع به قرار زیر هستند:
1. Peak-Weighted RMS Error 2. Sum of Squared Residuals 3. Sum of Absolute Residuals 4. Percent Error in Peak Flow 5. Percent Error in Volume 6. Time-Weighted RMS Error
با توجه به نتایج ، مقادیر پارامترها را باید آنقدر در دامنه مجاز تغییر دهید تا اختلاف بین هیدروگراف مشاهداتی ومحاسباتی به کمترین مقدار خود برسد که پارامترها بهینه شوند وپیش بینی نسبتاً مناسبی صورت گیرد [8 ]. در این تحقیق از روش اول Search Method استفاده شد.
پس از بررسی آمار موجود در ایستگاههاي آبسنجی آققلا و بصیرآباد در سالهاي مختلف، یک سیل پنج روزه که از تاریخ 20 آبان سال1384 شروع و در تاریخ 24 آبان 1384 خاتمه یافته است، انتخاب شد. در شکل 2 محدوده مورد مطالعه مشخص شده است
