بخشی از مقاله

خلاصه
امروزه ارزیابی سطوح ایمنی سدهای موجود در دنیا بر اساس تحلیل ریسک و عدم قطعیت با روشهای ریاضی و آمار به صورت فزایندهای در حال انجام است. از بین تمام عواملی که باعث شکست سدها میشوند، روگذری خصوصاً در سدهای خاکی و سنگریزهای از اهمیت ویژهای برخوردار است، به طوریکه بیش از یک سوم شکست سدها در جهان به علت روگذری رخ دادهاست. این مطالعه یک روش مبتنی بر احتمال برای برآورد ریسک روگذری سد تبارکآباد واقع در خراسان رضوی با در نظرگرفتن عدم قطعیت ناشی ازدبی اوج، سطح اولیهآب و ضریب تخلیه سرریز میباشد. بدینمنظور با بهرهگیری از تکنیک روندیابی مخزن، بالاترین تراز آب در مخزن محاسبه شده و سپس از روشهای مونتکارلو و لاتین هایپرکیوب، برای انجام تحلیل عدم قطعیت استفاده شده است. نتایج نشان میدهد با افزایش تراز اولیه سطح آب در مخزن در دوره بازگشت ثابت، مقدار ریسک افزایش مییابد، همچنین ریسک روگذری محاسبه شده در روش لاتین هایپرکیوب بیشتر از روش مونتکارلو میباشد.

کلمات کلیدی: آنالیز عدم قطعیت، تحلیل ریسک، روگذری، مونتکارلو، لاتین هایپرکیوب

1.مقدمه

در کنار تمام منافعی که سدها دارند، خطر شکست آنها همواره تهدیدی برای جان و مال انسان محسوب میشود. اگر در ایمنی ساختاری سد، شک و تردیدی وجود داشته باشد، نمی توان ضمانتی برای جان مردمی که در پاییندست آن زندگی میکنند، داشت. لذا تعیین و توجه به ایمنی سد در اولویت میباشد .[1] از بین تمام عواملی که باعث شکست سدها میشوند، روگذری از مهمترین آنهاست به طوریکه بیش از یک سوم شکست سدها در جهان به علت روگذری رخ داده است .[2] روگذری زمانی رخ میدهد که سطح آب مخزن تا لبه سد بالا بیاید. این ممکن است ناشی از عدم تطبیق زمانی خارج شدن سیل از طریق سرریزها و خروجیها باشد. از آن جاییکه طراحی و عملکرد سدها همیشه تحت تاثیر عدم قطعیت و پتانسیل شکست هستند، محاسبه ریسک شکست با در نظر گرفتن عدم قطعیتها لازم و ضروری خواهد بود. در این راستا محاسبه ریسک روگذری درسدها برای بدست آوردن ایمنی سد، از اهمیت ویژهای برخوردار است .[3]

در گذشته مطالعاتی جهت لحاظ نمودن آنالیز ریسک وقابلیت اعتماد در ایمنی سدها انجام شده است؟ وود ریسک روگذری را برای یک سد خاکی با استفاده از روش تبدیل انتگرال ارزیابی نمود .[4] چنگ و همکاران ریسک روگذری سد را با استفاده از روشهای مختلف از جمله روش انتگرال مستقیم، شبیهسازی مونتکارلو - MCS - 1، روش مقدار میانگین گشتاوردوم مرتبهی اول - MFOSM - 2 و روش گشتاوردوم مرتبهی اول پیشرفته - AFOSM - 3 ارزیابی کردند، و سپس نتایج را با یکدیگر مقایسه نمودند .[2] تامپسون و همکاران ریسک شکست سد را تحت تاثیر عدم قطعیتهای هیدرولیکی - سیستم تخلیه سیلاب - و عدم قطعیتهای هیدرولوژیکی ناشی از مدل بارش - رواناب با استفاده از روش مونتکارلو بررسیکردند .[5]

ژاو و همکاران ریسک روگذری یک سد تاخیری را با در نظرگرفتن عدم قطعیتهای ناشی از سیلاب ورودی به مخزن با در نظرگرفتن اثر روندیابی ارزیابیکردند .[6] کوون و موون ریسک روگذری آب از سد - ریسک هیدرولوژیکی - را بررسی کردند. در این تحقیق عوامل مهم در تحلیل ریسک، عدم قطعیت پارامترهای تصادفی، نوع روش تحلیل عدم قطعیت و نوع توزیع احتمالاتی پارامترهای تصادفی فرض شده بود. همچنین برای تحلیل ریسک روگذری سه روش جدید ارائه کردند که عبارتند از روشهای تقریب چگالی ناپارامتریک، استفاده از روش لاتین هایپرکیوب برای بهبود روش مونت کارلو و استفاده از نمونهسازی خودکار برای تعیین سطح اولیه آب مخزن .[7] کوویو و همکاران با در نظر گرفتن پنج روش که عبارتند از روش تقریبی روزنبلت - RPEM - 1، روش تقریبی نقطهای هار - HPEM - 2 و روش مقدار میانگین گشتاور دوم مرتبه اول - MFOSM - ، روش شبیهسازی مونتکارلو - MCS - و روش شبیه سازی لاتین هایپرکیوب - LHS - 3 و چهار تراز اولیه سطح آب در مخزن سد فیتسوهی، تحلیل ریسک را برای پنج دوره بازگشت انجام دادند.

فاکتورهای عدم قطعیت در آن مطالعه شامل ارتفاع سد، تراز اولیه آب، هندسه مخزن، روندیابی مخزن، آزادسازی مخزن و دبی پیک سیلاب و زمان اوج میباشد .[1] هسو و همکاران بر اساس یک روش آماری، توزیع احتمالاتی روگذری سد را با در نظرگرفتن عدم قطعیتهای پیک سیلاب و موج ناشی از باد ارائه کردند. در آن تحقیق با استفاده از آنالیز فراوانی پیک سیلاب و ارتفاع موج، احتمال روگذری سد شهمین در تایوان محاسبه شد .[8]گودرزی و همکاران ریسک شکست سد بر اثر متغیرهای دبی ورودی و سرعت باد در مخزن را برای سد خاکی درودزن در جنوب ایران ارائه کردند. در آن پژوهش از دو روش مونتکارلو و لاتین هایپرکیوب در تحلیل عدم قطعیت استفاده شده است.

نتایج نشان داد که در هر دو روش مذکور، ریسک شکست سد با بالارفتن سطح اولیه آب و دبی ورودی به مخزن و سرعت باد در مخزن، افزایش مییابد. همچنین باد اثر مهمی بر ریسک شکست سد دارد به طوریکه این فاکتور، احتمال شکست را افزایش میدهد.[9] در مطالعهای دیگر گودرزی و همکاران با استفاده از تحلیل فراوانی سیلاب تک متغیره و توزیع احتمالاتی گامبل لاجستیک دو متغیره و شبیهسازی مونتکارلو و لاتین هایپرکیوب، احتمال روگذری سد درودزن در جنوب ایران را بررسی کردند. در آن تحقیق متغیرهای تصادفی، پیک سیلاب، تراز اولیه مخزن و ضریب آبگذری سرریز بودند .[10]هدف مقاله حاضر محاسبه حداکثر ارتفاع آب حین وقوع سیلاب با مدنظر قرار دادن سه فاکتور غیرقطعی تراز اولیه سطح آب، هیدروگراف ورودی مخزن و ضریب دبی سرریز است. بدین منظور روشهای شبیهسازی مونتکارلو - MCS - و نمونهگیری لاتین هایپرکیوب - LHS - برای تحلیل عدم قطعیت و همچنین احتمال وقوع شکست ناشی از سرریز شدن آب از بدنه سد به کار گرفته شده است. به منظور ارزیابی کاربرد روشهای یاد شده نیز، سد تبارکآباد به عنوان مطالعه موردی انتخاب شده است.

2.مواد و روشها

1.2 مدلسازی ریسک سد

شکست یک سیستم زمانی به وقوع میپیوندد که سیستم قادر به انجام عملکرد قابل انتظار نباشد، شکست میتواند باری - L - تعریف شود که از مقاومت و یا ظرفیت سیستم - R - فراتر رود. شناسایی بار وارده و مقاومت، اساس آنالیز ریسک بوده و به نوع ساختار هیدرولیکی و فیزیک مساله بستگی دارد. احتمال شکست به شرح زیرتعریف میشود:که در آن، P - [.] - احتمال شکست است .[11]ریسک نیز می تواند به شرح زیر نشان داده شود:که در آن، Z تابع عملکرد است که تابعی از اجزا متغیرهای مقاومت و فشار میباشد. این تابع می تواند اشکال متفاوتی داشته باشد که در زیر آمده است که در آن انتخاب هر فرم بستگی به نوع توزیع تابع عملکرد دارد، بیان شود.[12]

1.1.2 مدلسازی ریسک برای روگذری سیل

روگذری به حالتی گفته میشودکه بخش خروجی سیلاب قادر به تخلیه آب با سرعت کافی نباشد و سطح آب از ارتفاع تاج سد بالاتر بیاید. در تجزیه و تحلیل روگذری، حداکثر ارتفاع آب در مخزن - Hmax - و ارتفاع سد - HR - به ترتیب می توان بار و مقاومت سیستم درنظرگرفته شوند. اگر Hf ارتفاع بالا آمده آب مخزن به وسیله نیروی سیل - F - و HR ارتفاع تاج سد و H0 ارتفاع سطح اولیه آب مخزن قبل از وقوع F باشد آنگاه روگذری زمانی رخ می-دهد که    Hf +H0 >HR  شود .[3] لذا ریسک روگذری Pf به صورت زیر خواهد بود: ازاینرو تابع عملکرد - Z - به صورت زیر نوشته میشود:                        
که در آنها Zf تابع عملکرد سیل و Hmax بالاترین سطح آب در طول یک رویداد سیل، بر اساس روندیابی مخزن محاسبه شده است. در نهایت، ریسک روگذری به صورت زیر محاسبه میشود:            که در آن  نشان دهنده شاخص اطمینانپذیری است و به عنوان نسبت میانگین تابع عملکرد z - - احتمال نرمال تجمعی مربوط به  است .[7]

2.2 روندیابی مخزن
به انحراف معیار استانداردzتعریف میشود. همچنین هدف اصلی از تحلیل پدیده شکست ناشی از سرریز شدن آب از بدنه یک سد خاکی، تخمین ارتفاع آب در مخزن با توجه به دبی ورودی و مقایسه با ارتفاع تاج است. در این راستا سیلاب درون مخزن روندیابی میشود که سادهترین فرم آن به صورت زیر نوشته میشود:که در آن - I - t دبی ورودی به مخزن، - Q - t دبی خروجی از مخزن،حجم آب در مخزن و  t زمان میباشد. میتوان با حل معادله 7 با استفاده از  روش رانگ-کوتا مرتبه چهارم، حداکثر ارتفاع آب در مخزن را محاسبه کرد.  میدانیم: A - H -  dH    d که در آن - A - H  سطح پلان مخزن در رقوم H میباشد. با جایگزینی آن در معادله پیوستگی نتیجه میشود:        
حال با استفاده ازگام زمانی 1i که در آن: ضرایب رانگ-کوتاه که به صورت زیر است و معلوم بودن بدست آورد :[13]

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید