بخشی از مقاله
خلاصه
حرکت امواج سیلاب در یک آبراهه به پارامترهایی نظیر مشخصات هیدروگراف سیل در بالادست رودخانه، شکل هندسی مقطع، ضریب زبری، شیب بستر رودخانه و پارامترهای وزندهی با توجه به نوع روش عددی بستگی دارد. برآورد برخی از این پارامترها با تقریبهایی صورت میپذیرد. هدف از این مطالعه معطوف به یافتن کلیدیترین پارامتر بر تغییرات هیدروگراف سیلاب خروجی و دقت در برآورد و بهکارگیری آن در مقایسه با نتایج مشاهداتی در مرحله صحت سنجیِ و بهمنظور کاهش خطای محاسباتی در عملیات روندیابی سیلاب است. نتایج نشان داد بیشترین پارامترهایی که در تغییرات مشخصات جریان سیلاب موثر هستند به ترتیب متوسط عرض بستر و ضریب زبری میباشند. به گونهای که تغییرات متوسط عرض بستر رودخانه بیشترین تاثیر را بر سرعت و عدد فرود میگذارد. همچنین پارامتر ضریب زبری بیشترین تاثیر را در مقادیر درصد تغییرات عمق جریان و میزان تنش برشی ایجاد مینماید.
1. مقدمه
سیلاب به عنوان مهمترین جریان غیردایمی به وضعیتی اطلاق میگردد که حجم آب رودخانه ناشی از عکس العمل حوضه به طور فزاینده افزایش پیدا میکند و مناطقی که به صورت معمول متاثر از جریان نیستند را غرقاب میکند. این نوع جریان متغیر تدریجی بوده و با اصول جریانهای غیردایمی تحلیل و روندیابی میگردد .[1] روندیابی سیل مجموعه عملیاتی است که طی آن هیدروگراف جریان پاییندست سیلاب توسط هیدروگراف معلوم بالادست تعیین میشود .[2] بهطور کلی عملیات روندیابی سیل به دو دسته هیدرولوژیکی و هیدرولیکی تقسیم میگردد. در عملیات هیدرولوژیکی از معادله پیوستگی و ذخیره در بازه مطالعاتی بهره برده میشود. این روش برای رودخانه هایی مناسب است که تعداد ایستگاههای هیدرومتری در آنها کافی بوده و اطلاعات سیلابهای گذشته در آنها ثبت شده باشد. این روشها تنها قابلیت پیشبینی هیدروگراف در مقطع خاص از پاییندست را دارا بوده و تخمین سایر مشخصات جریان سیلاب نظیر سرعت، عمق، تنش برشی، عدد فرود و ... در آنها غیرممکن است. از طرف دیگر روشهای هیدرولیکی روندیابی سیلاب است که به واسطه دقت بالای آنها توسط نرم افزارهای متعددی از جمله HEC-RAS و MIKE11 مورد توجه قرار گرفته است. این روش ها از حل همزمان معادلات پیوستگی و اندازه حرکت، که اولین بار در حالت یک بعدی توسط باردی سنت ونانت - - 1871 استخراج گردید بهره میبرند .[1] در این مطالعه به حساسیتسنجی پارامترهای روندیابی مدل موج دینامیکی جریان سیل به کمک الگوی عددی تفاضل محدود، شمای پرایزمن پرداخته شده است. در این راستا در پژوهش حاصل اثرات تغییرات گام زمانی - x - ، شیب بستر رودخانه - - S0، ضریب زبری مانینگ - - n و متوسط عرض بستر - - Bave بر میزان فروکش و تاخیر سیلاب در پایین دست، درصد تغییرات سرعت جریان، عدد فرود، تنش برشی بستر، عمق جریان و نهایتا هیدروگراف سیلاب پیش بینی شده مورد ارزیابی قرار گرفته است.
2. مواد و روشها
.1-2 معادلات سنت - ونانت
این معادلات اولین بار توسط سنت-ونانت در سال 1871 که جریان یک بعدی غیردائمی و غیریکنواخت را در آبراههها تشریح میکرد مدلسازی گردید. سنت- ونانت مجموعه معادلات یک بعدی پیوستگی و اندازه حرکت میباشد که برای روندیابی هیدرولیکی جریان سیلاب، به فرم زیر نوشته میشود:[ 3 ]
- 1 - معادله پیوستگی
- 2 - معادله اندازه حرکت که در آن Q دبی جریان، A میانگین سطح مقطع عرضی آبراهه، g شتاب گرانش، S0 شیب بستر و Sf شیب خط انرژی ناشی از مقاومت جریان است. بر حسب سادهسازیهایی که در معادلات فوق صورت میگیرد دسته بندی مدلهای هیدرولیکی روندیابی سیلاب صورت میپذیرد. توجه شود که حل دسته معادلات فوق تنها به کمک روشهای مختلف عددی قابل انجام است. در این مطالعه از الگوی ضمنی پرایزمن در روش عددی تفاضلات محدود بهره برده شده است.
.2-2 شبیهسازی مدل موج دینامیکی- الگوی ضمنی پرایزمن
در طرح های تفاضل محدود ضمنی، مقادیر در مرحله زمانی n+1 و n در تقریب مشتقات مکانی و زمانی و همچنین در متغیرهای وابسته معادلات سنت ونانت استفاده می شوند. به عبارت دیگر متغیرها در مراحل زمانی معلوم و مجهول در تقریبها وجود دارند. فرض می شود که طول کل بازه مطالعاتی به N-1 بازه تقسیم شده باشد - مانند شکل . - 1 بنابراین برای هر گام زمانی محاسباتی، 2N مجهول کلی وجود دارد: Qin+1 و yin+1 برای i = 1 , 2, .3' … ' N با نوشتن معادلات پیوستگی و اندازه حرکت در شکل تفاضل محدود برای هر بازه 2N-2 معادله تشکیل خواهد شد .[4] دو معادله دیگر که برای مشخص کردن 2N مجهول لازم است از شرایط مرزی بدست میآید. در این پژوهش از طرح ضمنی چهار نقطهای شمای پرایزمن - 1961 - ، استفاده گردید. این روش میتواند در هر یک از شکلهای معادلات سنت ونانت بکار رود. در روش پرایزمن فرمولها، مشتقات جزئی و ضرایب به صورت زیر تقریب زده شدهاند :[5] در این روابط x گام مکانی، t گام زمانی، i و n به ترتیب اندیسهای مکانی و زمانی، q پارامتر وزنی و f بیان کننده دبی یا سطح مقطع در مشتقات جزئی میباشد.
.3 منطقه مورد مطالعه
رودخانه سرباز یکی از پرآب ترین رودخانههای استان سیستان و بلوچستان محسوب میگرددکه از کوههای منطقه سرباز جریان پیدا کرده و به سد پیشین منتهی میشود و از سد پیشین به بعد با اسم باهوکلات در بندر گواتر چابهار به دریای عمان میریزد. این رودخانه دارای 313 کیلومتر طول و مساحت کل حوضه آبریز آن در حدود 8000 کیلومترمربع و در ایستگاه سرباز برابر با 2193 کیلومترمربع میباشد متوسط حجم سالیانه آب رودخانه در محل ایستگاه پیردان 8/85، و در باهوکلات 5/249 میلیون مترمکعب است. موقعیت جغرافیایی حوضه این رودخانه در در شکل 2 نشان داده شده است.
.4 نتایج و بحث
.1-4 تحلیل حساسیت پارامترهای مدل موج دینامیکی
در حالت کلی تحلیل حساسیت به منظور تعیین اثر تغییر پارامترها بر روی نتایج مدل صورت می پذیرد و نقش کلیدی در تحلیلهای مربوط به سیلاب دارد. برای انجام تحلیل حساسیت مقدار پایه پارامترها تعیین می گردد، سپس پارامترها در یک محدوده قابل وقوع بزرگ و کوچک شده و عملیات روندیابی سیلاب به ازای این پارامترها انجام می گردد. در این پژوهش جهت حساسیت سنجی مدل موج دینامیکی تاثیر تغییرات گام مکانی - X - ، زبری - - n، شیب کف - S0 - و متوسط عرض آبراهه - Bave - و به ازاء پارامترهای ورودی مختلف مطابق جدول 1 بررسی گردید. جهت انجام تحلیل حساسیت از 8 گروه سیلاب استفاده شد. ابتدا هیدروگراف خروجی شماره 1، با توجه به اطلاعات ثبت شده مشاهداتی در ایستگاه پایین دست رودخانه سرباز استخراج گردید و به عنوان گروه مرجع تعریف و پارامترهای پایه آن استخراج شدند. سپس توسط گروه های 2 تا 8 مقادیر پارامترهای نظیر مطابق جدول1 به ترتیب 2 و 3 برابر گردیده و اثرات تغییر پارامترهای ورودی در خروجیهای مدل مرجع - سیلاب گروه - 1 و بر میزان دبی اوج هیدروگراف خروجی و همچنین زمان، عمق، سرعت، عدد فرود، تنش برشی، درصد تعدیل و درصد تاخیر مورد کنکاش قرار گرفت.
