بخشی از مقاله
چکیده
رودخانهها از اصلیترین و در دسترسترین منبعهای تامین آب برای مصارف گوناگون میباشند، لذا بررسی شرای هیدرولیکی و رسوبی رودخانهها از اهمیت به سرازیی برخوردار است و ضرورت انجام آن کاملا احساس می شود. با توجه به روند پیچیده رسوب گذاری و فرسایش در پیچانرودها و اهمیت سرعت جریان آب و نیروهای تنش برشی بر فرسایش کنارههای رودخانه، از یک مدل عددی دو بعدی تحت عنوان CCHE2D برای شبیهسازی الگوی جریان و رسوب در بازهای از پیچانرود طبیعی - حد فاصل سد استقلال تا پل شهرستان میناب- استان هرمزگان - استفاده شد.
با این هدف، اقدام به شبیهسازی الگوی جریان آب و رسوب در یک کانال مئاندری با رژیم جریان پایدار گردید تا بتوان تغییرات الگوی جریان و رسوب و همچنین تغییرات ریخت شناسی را مورد ارزیابی قرار داد. در این بررسی پس از نقشه برداری دقیق، نقشه توپوگرافی با مقیاس مناسب از محدوده مورد مطالعه بدست آمد و سپس هندسه مدل و شبکه محاسباتی با ابعاد مختلف تهیه و در نهایت بر اساس مشخصات اندازهگیری شده جریان و رسوب رودخانه، مدل هیدرودینامیک دو بعدی متوس عمق، اجرا و نتایجی همچون تغییرات عمق، سرعت جریان، بار معلق و تغییرات بستر در رودخانه استخراج گردید. در پایان، از دو معیار آماری R.M.S.E و M.A.P.E، برای ارزیابی کارایی مدل استفاده شد. نتایج بیانگر دقت بالا و خطای ناچیز مدل در پیش بینی پارامترهای جریان و رسوب میباشد.
مقدمه
رودخانه فرآیندی پویا است و الگوی رفتاری جریان در آن بطور دائم در حال تغییر میباشد. این تغییرات موجب تحت تاثیر قرار گرفتن شرای هیدرولیکی جریان در رودخانه میگردد. این موضوع در رودخانههای پیچانرودی تاثیر بیشتری بر جای مینهد. در چنین جریانی، تغییر در میزان مشخصههای هیدرولیکی جریان مانند سرعت، دبی، تنش برشی و تغییرات پروفیل سطح آب مهم میباشد - جان اس، . - 2003 اندرکنش نیروهای هیدرودینامیکی جریان در پیچانرودها میتواند منجر به گسترش جریان به سیلابدشتها و فرسایشپذیری کنارههای رودخانه گردد.
از این رو تحلیل هیدرودینامیکی جریان و رسوب در پیچانرودها، در طراحی و اجرای طرحهای مهندسی رودخانه و سیلاب، مؤثر بوده و باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد - تلوری، . - 1383 بدین منظور، استفاده از مدلهای عددی بدلیل سهولت اجرا، انعطافپذیری بالا در تغییر پارامترهای جریان و هزینههای کمتر نسبت به مدلهای فیزیکی، جایگاه ویژهای دارند. برای تحلیل فرآیندهای هیدرودینامیک جریان و انتقال رسوب در رودخانه، مطالعات متعددی انجام شده است. برخی از این مطالعات در غالب مدلهای عددی به شرح زیر میباشد.
استفلر و بلک برن - 2002 - ، بر اساس بررسی مدلهای هیدرولیکی یک بعدی مانند HEC-RAS، به این نتیجه رسیدند که با وجود اینکه مدلهای یک بعدی به طور وسیعی مورد استفاده قرار میگیرند ولی در مواردی مثل متغیرهای هیدرولیکی و پروفیل سطح آب و همچنین الگوی فرسایش و رسوب گذاری در پیچانرودها، به دلیل شبیه سازی یک بعدی جریان و رسوب آنچنان توانمند نمیباشند. زرکفلی - 2007 - ، با بررسی مدل ریاضی دو بعدی CCHE2D و مدل یک بعدی HEC- RAS در رودخانه Merdeka، به این نتیجه رسید که اگرچه مدلهای یک بعدی به صورت گسترده استفاده میشود ولی توانایی تحلیل برخی از مشخصههای هیدرولیکی جریان مانند الگوی جریان و رسوب در پیچانرودها و محدوده سازهها در رودخانه را ندارند.
جیا و ونگ - 2008 - ، مدلدوبعدی هیدرودینامیک به نام CCHE2D، برای مطالعه تغییرات جریان در کانالهای روباز توسعه دادند. نتایج محاسبات نشان میدهد که این مدل را میتوان برای مطالعه جریانهای پایدار، ناپایدار و آشفته و همچنین فرایندهای حمل رسوب و تغییرات مورفولوژیکی کانالهای آبرفتی بکار برد. وو و ونگ - 2009 - ، در مطالعات خود به شبیهسازی جریان و انتقال رسوب در پاییندست رودخانه زرد در کشور چین پرداختند با استفاده از مدلهای عددی دوبعدی، مدلهای آشفتگی دو معادلهای - k را با مدلهای صفرمعادلهای مقایسه نمودند.
بر اساس مقایسه، این نتیجه حاصل شد که تمام مدلهای آشفتگی نتایجی واقعی در مورد جریانهای ساده ارائه میکنند؛ اما در خصوص جریانهای پیچیده، سه مدل آشفتگی - k - استاندارد، غیرتعادلی و - RNG نتایجی واقعیتر را نسبت به مدلهای صفرمعادلهای نشان میدهند. فتحی و همکاران - 1390 - ، از مدل دو بعدی CCHE2D، برای مدلسازی الگوی جریان در یک پیچان رود طبیعی واقع در رودخانه فارسان- ایران استفاده کرد. و به این نتیجه رسیدند که مدل CCHE2D، از قابلیت خوبی جهت پیش بینی مشخصات جریان در رودخانههای پیچان رودی برخوردار است.
نگاهی به مطالعات صورتگرفته، نشان میدهد که هر چند استفاده از مدلهای سهبعدی ممکن است نتایج دقیقتری نسبت به مدلهای دو بعدی داشته باشد، ولی استفاده از آنها نیاز به اندازهگیریهای میدانی دقیقتر و استفاده از وسایلی است که اغلب پرهزینه بوده و نصب و راه اندازی آنها در شرای طبیعی فوقالعاده مشکل است. از این رو استفاده از مدلی دوبعدی با توانایی بالا هم میتواند سودمند باشد. لذا با توجه به اهمیت بررسی الگوی جریان و رسوب در رودخانههای مئاندری، در این تحقیق با کمک مدل دو بعدی CCHE2D، الگوی جریان و رسوب، تغییرات بستر، هیدرولیک جریان در قوس رودخانه، تغییرات سرعت در پلان و مقاطع عرضی، در یک بازه به طول 4/5 کیلومتر از پیچانرود پایین دست سد میناب مورد بررسی و شبیه سازی قرار میگیرد.
مواد و روش ها موقعیت منطقه مورد مطالعه
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است محدوده مورد مطالعه، بازهای از رودخانه میناب از یک کیلومتر پایین دست سد استقلال تا پل شهرستان میناب واقع در استان هرمزگان است. موقعیت این بازه بین مختصات جغرافیایی̋ 08 57 ̊06 تا32 ̋ 57 ̊04 طول شرقی و33 ̋ ̊09 27 تا18 ̋ 27 ̊09 عرض شمالی قرار گرفته است. این بازه از شرق به سد استقلال و از غرب به پل شهرستان میناب محدود میشود. طول بازه حدود 4/5 کیلومتر و با توجه به تراز توپوگرافی ابتدا و انتهای بازه به ترتیب در حدود 40/5 و 32 متر بالاتر از سطح دریا است.
- روش تحقیق
- مدل CCHE2D
CCHE2D یک مدل عددی دو بعدی برای شبیهسازی جریان ماندگار و غیرماندگار آشفته و همچنین انتقال رسوب در کانالهای باز است که در مرکز بین المللی علوم هیدرولیک و مهندسی آب - NCCHE - ، دانشگاه میسیسیپی آمریکا تهیه و توسعه یافته است. برای ساخت هندسه میدان و شبکهبندی قلمرو مطالعاتی از یک نرم افزار مجزای پیش پردازنده تحت عنوان CCHE-MESH بهره میبرد و حل میدان جریان و فرآیند انتقال رسوب و همچنین مشاهده نتایج در محی گرافیکی نرم افزار، با عنوان CCHE-GUI انجام میشود.
شبیه سازی جریان آب بر اساس حل معادلات متوس عمقی ناویر- استوکس میباشد. تنش برشی متلاطم با استفاده از تخمین معادلات بوزینسک محاسبه میگردد و برای محاسبه لزجت گردابهای متلاطم از سه مدل آشفتگی مختلف میتوان استفاده نمود. مدل شبیهساز پدیده انتقال رسوب این نرمافزار، توانایی مدلسازی انتقال هر دو فاز بار معلق و بار بستر را در تمام حالات غیر تعادلی، غیر یکنواخت و رسوب چسبنده یا غیر چسبنده دارد.
