بخشی از مقاله
خلاصه
چنانچه میزان جریان آب رودخانه بیش از ظرفیت آبگذری مقطع اصلی رودخانه باشد، مناطق همجوار رودخانه در معرض سیلاب قرار میگیرند. سد پارهسنگی یک روش سازهای کنترل سیل است که بخشی از جریان سیلابی در مخزن آن ذخیره شده و با گذشت زمان بتدریج و با دبی کمتری از میان بدنه سد تخلیه میشود. خاکریزساحلی نیز به عنوان یک روش سازهای کنترل سیل، بدون تغییر موثر در دبی اوج سیلاب، باعث جلوگیری از سیلبردگی میشود. در تحقیق حاضر، مجموع هزینههای اجرایی سد پارهسنگی بالادست و خاکریز ساحلی پاییندست به ازای مقادیر مختلف ارتفاع سد تعیین گردید.
نتایج حاصله بیانگر آن بود که با افزایش ارتفاع سد ابتدا جریان روگذری اتفاق میافتد و پس از یک ارتفاع مشخص، جریان کاملا درونگذر خواهد بود. با افزایش ارتفاع سد، هزینه سد افزایش مییابد ولی، حجم و هزینه خاکریز کاهش مییابد. در یک ارتفاع خاص سد پارهسنگی، هیدروگراف جریان درونگذر از سد پارهسنگی و متعاقبا هزینه خاکریز ساحلی پاییندست نیز بدون تغییر باقی میماند. هدف از تحقیق حاضر تعیین ارتفاعی از سد پارهسنگی است که به ازای آن مجموع هزینههای سد و خاکریز حداقل گردد.
1. مقدمه
چنانچه میزان جریان آب رودخانه بیش از ظرفیت آبگذری مقطع اصلی رودخانه باشد، سیل بوقوع میپیوندد که ممکن است همراه با خسارات جانی و مالی باشد. در روشهای سازهای کنترل سیل همچون انحراف سیلاب1 و احداث مخازن و حوضچههای تاخیری 2، هدف کاهش شدت و دبی اوج جریان سیلابی میباشد. از آنجا که مهمترین عامل در بروز خسارات ناشی از یک سیل، حداکثر دبی هیدروگراف آن است، در صورتی که بتوان با ایجاد تغییر در مشخصات هیدروگراف، نقطه اوج آن را کمتر و زمان پایه آن را طولانیتر کرد، خسارت ناشی از سیلاب تا حد زیادی کاهش خواهد یافت.
احداث بند در سرشاخه های حوضه آبریز از جمله راهکارهای رایج در افزایش زمان تمرکز حوضه آبریز و بهتبع آن کاهش حداکثر دبی هیدروگراف سیلاب میباشد. این موضوع اساس ایده استفاده از مخازن کندکننده - تأخیری - در کنترل سیلاب خروجی از حوضه رودخانه است - نامقی و رجایی، . - 2007 شکوهی و دانشور در سال 2007، تاثیر احداث مخازن تاخیری در حوضه آبریز آبخروار را در مقایسه با عملیات موضعی مهندسی رودخانه برای کنترل سیل در محدوده شهر بهبهان مورد بررسی قرار دادند.
نتایج حاصله بیانگر آن بود که کنترل سیلاب توسط مخازن تاخیری در حوضه آبریز منتهی به شهر، در مقابل گزینههای کنترل سیل در محدوده شهری و عملیات مهندسی رودخانه، چه به لحاظ اقتصادی و چه به لحاظ امنیت روانی از اولویت ویژهای برخوردار است - شکوهی و دانشور، . - 2007 در ارزیابی روشهای کنترل و مدیریت سیلاب، Green و همکاران، گزینه استفاده از سدهای مخزنی و تأخیری را گزینهای مناسب و با کارایی بالا برای کنترل سیلاب معرفی کرده اند . - Green et al., 2000 -
سدهای پارهسنگی1 نوعی از سدهای تاخیری هستند که در تحقیق حاضر از آن استفاده میشود. در این سدها، بخشی از حجم سیلاب درون مخزن سد ذخیره شده و با گذشت زمان بتدریج و با دبی کمتری از میان بدنه سد تخلیه میشود. این امر، منجر به افزایش زمان عبور و کاهش دبی حداکثر لحظهای سیلاب، میگردد. علاوه بر این بهعلت تاثیر سریع و خودکاری که این سدها در مقایسه با دیگر سدهای تاخیری دارند، تسکین سیلاب با سرعت بیشتری اتفاق میافتد. از دیگر مزیتهای اینگونه سدها میتوان به طراحی ساده، ساخت سریع و پایداری بالای آنها اشاره کرد . موارد مذکور و ارزان بودن مصالح برای ساخت سدهای تاخیری پارهسنگی، باعث شده که استفاده از آنها یکی از مناسبترین گزینههای کنترل سیل بهخصوص در مناطق دور افتاده باشد . - Stephenson, 1979
نکته مهم در رابطه با این سدها تعیین ارتفاع بهینه آنها میباشد. چرا که با انتخاب ارتفاع مناسب، علاوه بر تسکین قابل قبول هیدروگراف سیل، هزینههای اجرایی نیز کاهش مییابد. در تحقیق دیگری، Roashani نشان داد که چگونه با استفاده از سدهای تأخیری و اثرگذاری روی شیب آبراههها و با افزایش زمان تمرکز، میتوان دبی اوج سیلاب را مدیریت نمود. وی مدعی تعیین بهترین شیب و نهایتا بهترین موقعیت سدهای تأخیری برای کاهش دبی پیک میباشد . - Roashani, 2003 - بهینهسازی حوضچه تاخیری و طرح کاربری اراضی توسط الگوریتم ژنتیک برای تولید موثرترین حوضچه تاخیری از نظر قیمت در حوضه City Lake واقع در شمال Carolina انجام گرفت. نتایج بیانگر آن بود که با در نظر گرفتن همزمان مدیریت اراضی سیلگیر و تصمیم در مورد مکان و اندازه حوضچههای تاخیری، اثرات تخریبی سیلاب تا حد زیادی کاهش خواهد یافت . - Harrell and Ranjithan, 2003 -
بر خلاف روشهای تاخیری کنترل سیل که مبتنی بر کاهش شدت و قدرت سیلاب می باشند، روشهایی وجود دارند که بدون تغییر موثر در دبی اوج سیلاب، عمق جریان را تحت تاثیر قرار داده و از وارد آمدن خسارت به اراضی و مستحدثات کنار رودخانه جلوگیری می کنند. احداث دیوار سیلبند2، خاکریزساحلی - گوره - 3 و اصلاح مسیر رودخانه4 نمونه ای از این روشها است. در سال Yen 1995 به بررسی نقش خاکریزساحلی در کنترل سیلاب رودخانه میسیسیپی پرداخت. نتیجه بررسیها نشان داد که هزینه ایجاد خاکریز در اغلب اوقات نسبت به سایر راههای مهار سیلاب، ارزانتر و قابل اطمینانتر است.
علاوهبراین، هزینههای تعمیر و نگهداری، تبعات زیستمحیطی و اجتماعی و در پارهای موارد اثراث سیاسی حاصل از اجرای خاکریزساحلی در مقایسه با دیوار سیلبند و لایروبی نیز کمتر میباشد. کارایی خاکریزساحلی بستگی زیادی به محل احداث آن دارد و بهتر است که خاکریزساحلی همراه با دیگر روشهای سازهای و یا غیرسازهای کنترل سیلاب بهکار برده شود . - Yen, 1995 - سیمونویچ پیشنهاد میکند که بهمنظور دستیابی به موفقیت بیشتر در عملیات مهار سیلاب، از عملیات سازهای کنترل سیلاب، بهصورت تلفیقی استفاده شود . - Simonovic, 2002 - برایناساس و در راستای بهبود روشهای کنترل و مدیریت سیلاب، تعیین روشی که علاوه بر دستیابی به هدف اصلی کنترل سیلاب، کاستی های موجود در هر یک از روشها نیز در آن رفع شده باشد ضرورت مییابد. این امر میتواند با استفاده تلفیقی از روشهای کنترل سیلاب صورت پذیرد.
در مقاله حاضر، گزینه سد پارهسنگی در حوضه آبریز بالادست و خاکریزساحلی در محدوده مسکونی پاییندست بهعنوان گزینههای کنترل سیل انتخاب شدهاند. در شرایطی که هیچ سدی در بالادست وجود ندارد، کل دبی سیلاب به پاییندست منتقل شده و این امر موجب بالا رفتن هزینههای اجرایی خاکریز ساحلی پاییندست میگردد. با احداث سد تاخیری و افزایش ارتفاع آن، به تدریج تسکین سیل در حوضه آبریز انجام شده و هیدروگراف سیل در محدوده مسکونی پاییندست متعادلتر میگردد.
این امر موجب افزایش هزینههای اجرایی سد پارهسنگی و کاهش هزینههای اجرایی خاکریز ساحلی پاییندست میگردد. هدف از تحقیق حاضر تعیین ارتفاع بهینه سد پارهسنگی است، بطوری که هزینه کل مجموعه کنترل سیلاب - سد و خاکریز - با توجه به محدودیتهای هیدرولیکی و هیدرولوژیکی ناشی از روندیابی و حرکت سیلاب در سطح حوضه کمترین مقدار ممکن شود. لازم به ذکر است که بحث روگذری جریان از سدهای پارهسنگی نیز در این تحقیق دیده شده است.
2. روندیابی سیلاب در مخزن و بدنه سد پارهسنگی
روندیابی سیلاب، روشی ریاضی برای پیشبینی تغییرات اندازه و سرعت موج سیلابی منتشر شده به سمت پاییندست مجرای جریان میباشد. در تحقیق حاضر برای روندیابی در مخزن و بدنه سد پارهسنگی از روش پالس و برای روندیابی در آبراهه پاییندست سد پارهسنگی از روش ماسکینگام - کونژ استفاده میشود. روش پالس بر تعادل بین دبی ورودی، دبی خروجی و مقدار آب ذخیره شده در مخزن استوار است.
از جمله ضروریات لازم برای انجام روندیابی سیلاب به روش پالس، رابطه دبی - اشل و حجم - اشل برای هر سد پارهسنگی میباشد. به-عبارتدیگر، برای هر تراز ارتفاعی، میبایست دبی خروجی از بدنه این سدها و همچنین حجم آب ذخیره شده در مخزن هر سد مشخص باشد. این در حالی است که بر خلاف دیگر سدها، جریان آب از داخل بدنه سدهای پارهسنگی نیز عبور کرده و در محاسبات دبی اشل بایستی مد نظر قرار گیرد. ازاینرو، لازم است که هیدرولیک جریان در محیط متخلخل درشتدانه این سدها مورد بررسی قرار گیرد. جریان عبوری از داخل سدهای پارهسنگی از نوع جریان آشفته بوده و رابطه بین سرعت و گرادیان هیدرولیکی غیرخطی خواهد بود . - Li et al., 1998 -
