بخشی از مقاله
خلاصه
نزدیکی رودخانه کن به شهر تهران و مورد توجه قرار گرفتن آن به عنوان منطقه تفرجگاهی در سالهای اخیر، منجر به افزایش ساخت و ساز پیرامون رودخانه شده است. از اینرو انجام مطالعات هیدرولیک رودخانه به منظور شناسایی رفتار هیدرولیکی آن و پیشبینی پاسخ رودخانه در شرایط مختلف به منظور ساماندهی آن امری ضروری میباشد. مدلهای ریاضی میتوانند ابزارهای مفیدی جهت شبیهسازی جریان آب در رودخانهها باشند.
مدل HEC-RAS یکی از پرکاربردترین این مدلها میباشد که برای محاسبات هیدرولیکی جریان یک بعدی رودخانهها و کانالها طراحی شده است. هدف از این مقاله تلفیق الحاقیه HEC-GeoRAS در محیط ArcGIS با مدل هیدرولیکیHEC-RAS بهمنظور شناسایی رفتار هیدرولیکی؛ رژیم غالب جریان، پدیدههای هیدرولیکی و پارامترهای هیدرولیکی جریان رودخانه کن در دبیهای با دوره بازگشت 10، 25 و 50 ساله میباشد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان میدهد که مدل HEC-RAS میتواند مقادیر عددی مناسبی را جهت مطالعه خصوصیات هیدرولیکی جریان در منطقه مطالعاتی ارائه دهد.
مقدمه
تجاوزات صورت گرفته توسط انسان در محدوده حریم و بستر رودخانههای کشور به اشکال مختلف رخ داده که شدت و ضعف آن در رودخانههای مختلف، متفاوت است. رودخانههای درون شهری به عنوان پرتوجهترین اماکن تفرجگاهی اطراف شهر به شمار میآیند. رودخانه کن نیز به علت قرارگیری در محدوده شهر تهران، در سالهای اخیر مورد توجه توسعههای عمرانی قرار گرفته است که در صورت عدم شناخت صحیح از رفتار هیدرولیکی رودخانهبعضاً، منجر به وارد آمدن خسارات جبران ناپذیری میگردد. بنابراین لازم است با مطالعه خصوصیات هیدرولیکی جریان و حریم بستر رودخانه، محدوده امن برای فعالیتهای انسان در اطراف آن تعریف گردد
مدل هیدرولیکی مورد استفاده در این مقاله مدل HEC-RAS میباشد، که از مدلهای معتبر برای محاسبات هیدرولیک آبراهههای طبیعی است. این مدل با شبیهسازی یک بعدی رودخانه، امکان محاسبات جریانهای پایدار و ناپایدار را مهیا میسازد 2]، 3 و .[4 به منظور فراهم آوردن اطلاعات هندسی مورد نیاز مدل HEC-RAS ، از طریق الحاقیه HEC-GeoRAS در محیط ArcMap از مجموعه نرمافزارهای ArcGIS استفاده و از طریق تحلیل جریان رودخانه، تراز سطح آب و تراز سطح بحرانی آب در طول مسیر رودخانه، رژیم غالب جریان، پدیدههای هیدرولیکی و همچنین پارامترهای هیدرولیکی جریان مانند تراز خط انرژی، سرعت، عمق هیدرولیکی، تنش برشی، شیب خط انرژی و ... در هر مقطع عرضی قابل دستیابی است.
هیل و همکاران در سال 2001 تواناییهای الحاقیه HEC-GeoRAS و برتریهای پیوند نرمافزار ArcGIS به HEC-RAS را بیان نمودند.[5] بار و همکاران در سال 2002 در تحقیقی تحت عنوان کاربرد ابزارهایGIS در مدلسازی هیدرولیکی، یکی از مهمترین مزایای استفاده از مدل HEC-RAS و الحاقیه HEC-GeoRAS را دقت و صرفه جویی در هزینههای مربوط به مهندسی رودخانه و اعمال بهترین روش مدیریتی در منطقه عنوان نمودند.
آندام و همکاران در سال 2003 به مقایسه رژیم جریان رودخانههای جنگلی و خارج از جنگل با استفاده از الحاقیه HEC-GeoRAS و مدل هیدرولیکی HEC-RAS پرداخته و تغییرات سرعت و عدد فرود این دو نوع رودخانه را مورد بررسی و تأثیر پوشش گیاهی بر رژیم و رفتار هیدرولیکی جریان را با این مدل مورد مقایسه قرار دادند و نتیجه گرفتند که استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS میتواند مقادیر عددی مناسبی را جهت مطالعه رژیم و سایر خصوصیات هیدرولیکی جریان رودخانه در اختیار محقین قرار دهد
در مطالعهای که در کره جنوبی توسط Jung و همکاران در سال 2012 انجام گرفت، از مدل HEC-RAS برای تحلیل هیدرولیکی جریان استفاده و در نهایت HEC-RAS به عنوان مدلی توانا در شبیهسازی جریان و رسوب رودخانهها شناسایی شد
مواد و روشها منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه در این پژوهش بخشی از رودخانه کن، از رودخانههای عبوری از درون شهر تهران میباشد. این رودخانه به طول 33 کیلومتر از رشته کوه توچال سرچشمه گرفته، از تهران گذشته و در جنوب تهران خشک میشود. این رودخانه با بده متوسط 2700 لیتر بر ثانیه، پرآبترین رود تهران و سالانه به میزان پنج میلیون متر مکعب از آب این رودخانه برای دریاچه چیتگر منطقه 22 اختصاص مییابد. حوضه آبریز رودخانه کن از حوضه های شمالی شهر تهران میباشد و از شمال و غرب به حوضه کرج و از شرق و جنوب به دشت تهران میرسد. ارتفاع متوسط این حوضه 2377 متر از سطح دریای آزاد است
منطقه مورد مطالعه در این پژوهش رودخانه کن از ابتدای ایستگاه هیدرومتری رندان تا ایستگاه سولقان به طول تقریبی 11 کیلومتر و شیب متوسط %4/1 از شمال به جنوب میباشد. آزمایشهای مکانیک خاک مصالح تشکیل دهنده رودخانه را درشتدانه و هموژن نشان میدهد
شکل 1 موقعیت حوضه مطالعاتی کن در استان تهران به همراه رودخانه اصلی و زیرشاخههای آن و شکل 2 موقعیت ایستگاههای هیدرومتری منطقه مطالعاتی را نشان می-دهد.
شکل 1 حوضه مطالعاتی کن به همراه رودخانه اصلی و زیرشاخههای آن شکل 2 موقعیت ایستگاههای هیدرومتری منطقه مطالعاتی کن
معرفی مدل
مدل عددی HEC-RAS مدلی یک بعدی با قابلیت تحلیل و آنالیز همزمان جریانهای ثابت، متغییر تدریجی و انتقال رسوب میباشد. این مدل شامل سه مولفه تحلیل هیدرولیکی یکبعدی برای:
-1 محاسبه پروفیل سطح آب در حالت جریان ماندگار، -2 شبیهسازی جریان غیرماندگار و -3 محاسبه انتقال رسوب در مرز متحرک است.
مولفه جریان ماندگار قابلیت مدلسازی پروفیلهای سطح آب در رژیمهای جریان زیر بحرانی، فوق بحرانی و مختلط را دارا است. همینطور به علت توانایی ارتباط این برنامه با سیستمهای اطلاعات جغرافیایی - GIS - میتوان در آن دادههای ورودی را با کیفیت بالا وارد کرده و نتایج خروجی را با دقت بالایی بدست آورد.
اطلاعات هندسی: اطلاعات هندسی از مهمترین اجزای مدلسازی هیدرولیکی رودخانه در برنامه HEC-RAS میباشد. به این منظور با استفاده از نقشه توپوگرافی شکل رودخانه اصلی از ایستگاه رندان تا سولقان و زیرشاخههای آن شامل کیگا و کشار، مقاطع عرضی عمود بر امتداد رودخانه و مشخصات هیدرولیکی پلهای موجود در رودخانه به مدل شناسایی گردید. به این منظور از الحاقیه HEC-GeoRAS در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی - GIS - که با محیط نرمافزار HEC-RAS انطباق کامل دارد استفاده شده است.
به کمک الحاقیه HEC-GeoRAS با استفاده از نقشه توپوگرافی منطقه، در ابتدا مسیر اصلی رودخانه و زیرشاخه های آن و سپس خطوط سواحل و جریان آب ترسیم گردید و درنهایت به تعداد 450 مقطع عرضی عمود بر امتداد رودخانه در فواصل حداکثری 50 متری از مقاطع مجاور و در نزدیکی محل پلهای موجود در مسیر رودخانه ترسیم شد. سپس با استفاده از یک فرآیند تبدیلی، مشخصات هندسی مربوط به رودخانه، به مدل HEC-RAS معرفی و جزئیات مربوط به پلها - شامل تعریف عرشه و پایهها - در مدل تعریف گردید.
مطابق شکل 3، رودخانه در بازه مطالعاتی به سه بخش upper، middle و lower تقسیم شد. بخش upper از بالادست رودخانه تا محل تقاطع با شاخه فرعی کیگا، بخش middle از محل تقاطع با شاخه فرعی کیگا تا محل تقاطع با شاخه فرعی کشار و بخش lower از محل تقاطع با شاخه فرعی کشار تا پایین دست رودخانه تعریف شده است. شکل 3 پلان رودخانه مدلسازی شده در HEC-RAS را نشان میدهد.
مطابق این شکل اکثر مقاطع عرضی در طول رودخانه اصلی و تعداد اندکی بر روی شاخههای فرعی - در نزدیکی محل اتصال آنها به رودخانه اصلی - به منظور بررسی تاثیر جریان این شاخهها بر جریان رودخانه اصلی درنظر گرفته شده است. لازم بذکر است بعد از اجرای برنامه، در بازههایی که مدل قادر به تشخیص رفتار هیدرولیکی رودخانه نبوده است، بین مقاطع موجود درونیابی انجام گرفت.
شکل 3 پلان رودخانه کن در مدل HEC-RAS
اطلاعات جریان: پس از وارد نمودن اطلاعات هندسی به منظور شناسایی رفتار هیدرولیکی رودخانه، محاسبه نیمرخ سطح آب، تعیین رژیم غالب جریان و پدیده های هیدرولیکی رودخانه بر اساس مدلسازی جریان به صورت ماندگار انجام گرفت. بنابراین دبیهای مربوط به سیلاب با دوره بازگشت 10، 25 و 50 ساله در نقاط تغییر دبی به مدل اعمال گردید و با توجه به عدم اطلاع از وضعیت جریان رودخانه و عدم وجود اطلاعات کافی، شرط مرزی عمق نرمال به عنوان شرط مرزی مناسب درنظر گرفته شد. درنهایت مدل در حالت جریان ماندگار و به صورت رژیم مختلط - فوق بحرانی و تحت بحرانی - به شبیهسازی جریان پرداخت.
