بخشی از مقاله
خلاصه
در مطالعه آبشستگی و رسوبگذاری رودخانهها به دلایل طبیعی و مصنوعی، مدلهای کامپیوتری به طور فزایندهای برای شبیهسازی فرایندها به کار گرفته میشوند. نتایج شبیهسازی، نسبت به انتخاب معادلات انتقال رسوب بهکار رفته در مدل کامپیوتری، حساس است.
یک روش غیر مستقیم برای قضاوت در باره دقت یک معادله انتقال رسوب، محاسبه نتایج شبیهسازی با استفاده از آن معادله و مقایسه آن با میزان آبشستگی و رسوب-گذاری اندازهگیری شده میباشد. در این مقاله، با استفاده از مدل 4GSTARS4، فرسایش و رسوب رودخانه تجن، واقع در استان مازندران، مدل-سازی گردید. با بررسی 11 معادله انتقال رسوب و مقایسه نتایج آنها با مقادیر اندازهگیری شده رسوب، و براساس معیارهای میانگین مطلق خطاها و میانگین نسبت ناجوری، معادله دوبویز - 1879 - بهعنوان رابطه مناسب برای پیشبینی انتقال رسوب رودخاته تجن انتخاب گردید.
1. مقدمه
شناسایی، رفتارسنجی و تحلیل جریان در رودخانهها، در برآورده ساختن اهداف در مهندسی منابع آب کمک شایانی خواهد کرد. از جمله اهداف مهم در منابع آب، کم کردن خسارتهای ناشی از جریان سیلاب در رودخانهها است. دستیابی به چنین هدفی مستلزم این است که فرایند حرکت جریان، فرسایش بستر، انتقال مواد جامد و تهنشینی مواد رسوبی مورد مطالعه کامل قرار گیرد .
حرکت رسوب در رودخانهها به لحاظ اهمیت آن در درک هیدرولیک رودخانه، مهندسی رودخانه، مورفولوژی رودخانه و موضوعات وابسته، قرنهاست که توسط مهندسین هیدرولیک و زمینشناسان مورد مطالعه قرار گرفته است.
انتقال رسوب موضوع پیچیدهای است وغالباً با روشهای نیمهتجربی یا تجربی بررسی میشود. اغلب بررسیهای نظری بر اساس برخی فرضیات آرمانی و ساده کننده بنا شدهاند. در این زمینه، معادلات متعددی عرضه شدهاند. نتایج معادلات مختلف غالباً بطور فاحشی با یکدیگر و با دادههای اندازهگیری شده متفاوت هستند. بدین جهت هیچیک از معادلات عرضه شده انتقال رسوب، برای پیشبینی مطمئن نرخ انتقال رسوب، به ویژه در رودخانهها، مقبولیت عمومی کسب نکردهاند. لذا ضروری است این معادلات به طور موردی برای شرایط متفاوت مورد بررسی قرار گیرند.
2. مدل GSTARS
مدل کامپیوتری GSTARS اولین بار در سال 1986 توسط مولیناس و یانگ برای USBR تهیه شد .[2] این مدل از مفهوم لولههای جریان برای شبیه-سازی رفتار رودخانههای آبرفتی استفاده میکند. محاسبات پروفیل سطح آب در این مدل با استفاده از روش گام به گام استاندارد و بر اساس معادلات انرژی و مومنتم انجام میشود. برای محاسبه شیب خط انرژی در این مدل میتوان از معادلات مانینگ، شزی و یا دارسی- وایسباخ استفاده کرد. این مدل قادر به کار با رژیمهای جریان زیربحرانی یا فوق بحرانی و یا هر دو میباشد. در این مدل، مسیر حرکت به چند لوله جریان تقسیم شده، محاسبات هیدرولیک و انتقال رسوب طولی در لولههای جریان به صورت مجزا انجام میگیرد و به این نحو تغییرات تراز بستر در عرض مقطع شبیهسازی میشود
GSTARS یک مدل جریان شبهدائمی است که در آن هیدروگراف سیل بهوسیله دبیهای ثابت در هر گام زمانی - هیدروگراف پلهای - مشخص میشود. این مدل قادر به پیشبینی تغییرات در عرض آبراهه مطابق با تئوری کمینه سازی توان جریان کل میباشد. باید توجه داشت که تغییرات عرض فقط میتواند در لولههای جریان مجاور دیوارهها اعمال شود و در لولههای داخلی تنظیمات بستر فقط در جهت عمودی اتفاق میافتد. کاهش توان جریان کل در طول فرایند تغییرات در مسیر آبراهه اساس تعیین تغییرات عرض یا عمق را در GSTARS تشکیل میدهد
تئوریهای استفاده شده برای انتقال رسوب در این مدل عبارتند از:
روش دوبویز - 1879 - ، روش میر- پیتر و مولر - 1948 - ، روش لارسن - 1958 - ، روش اصلاح شده لارسن توسط مادن - 1993 - ، روش توفالتی - 1969 - ، روش انگلوند و هانسن - 1972 - ، روش ایکرز و وایت - 1973 - ، روش اصلاح شده ایکرز و وایت - 1990 - ، روش یانگ برای انتقال ماسه - 1973 - و شن - 1984 - ، روش یانگ برای انتقال ماسه - 1979 - و شن - - 1984، روش پارکر - 1990 - ، روش اصلاح شده یانگ برای غلظتهای زیاد بار شسته - 1996 - ، روش آشیدا و میچیو - 1972 - ، روش دانشگاه تسینگهوا - 1985 - ، روش کرون - 1962 - و روش آریتورای و کرون - 1976 - برای انتقال رسوبات چسبنده
GSTARS4 جدیدترین نسخه از سری مدلهای عددی برای شبیهسازی جریان آب و انتقال رسوبات در رودخانههای آبرفتی میباشد که در مرکز آموزش دانشگاه ایالتی کلرادو توسعه داده شده است. این یک نسخه بهبود یافته از مدل GSTARS3 است
3. منطقه مورد مطالعه
رودخانه تجن یکی از پرآبترین رودخانههای استان مازندران است که از ارتفاعات جنوب شهرستان ساری سرچشمه میگیرد. حوضه آبریز تجن در حدود 4147/22 کیلومتر مربع وسعت دارد و شیب متوسط آن 0/85 درصد است. این حوضه آبریز در موقعیت جغرافیایی 53° 7´ الی 53° 42´ طول شرقی و 35° 56´ الی 36° 17´ عرض شمالی قرار دارد - شکل . - 1 طول رودخانه اصلی 151/57 کیلومتر بوده و شیب بستر آن از 5 تا 17 در هزار تغییر میکند. در این رودخانه 9 ایستگاه هیدرومتری قرار دارد.
شکل -1 موقعیت جغرافیایی حوضه آبریز تجن
بازه مطالعاتی محدوده 17/3 کیلومتری بین ایستگاه هیدرومتری سلیمان تنگه واقع در بالادست و ایستگاه هیدرومتری ریگ چشمه واقع در پاییندست میباشد - شکل . - 2 دو شاخه فرعی ورند و واستان هم وارد بازه مطالعاتی میشوند که با استفاده از ایستگاههای هیدرومتری واقع در ورودی این شاخهها، اطالاعات دبی آب و رسوب ورودی به محدوده مطالعاتی به مدل معرفی میشود.
شکل -2 محدوده مطالعاتی رودخانه تجن
.4 مدل سازی
برای بهره بردن از مدل کامپیوتری GSTARS4 نیاز به استفاده از دادههای مناسب است. از نقطه نظر مفهومی، در GSTARS4 برای حل معادلات حاکم، کاربر دادههای هندسی، هیدرولوژیک و اطلاعات مرزی را فراهم میکند. درجه تقریب نمایش فیزیکی و عددی اجرا شده در برنامه کامپیوتری به دقت و کامل بودن دادهها بستگی دارد.
برای معرفی هندسه آبراهه از 106 مقطع عرضی که در طول مسیر انتخاب شد، استفاده گردید. ضرایب زبری در بستر رودخانه و سیلابدشتها با استفاده از بازدیدهای میدانی، قضاوت مهندسی و با کمک کتابهای مرجع در 5 تیپ مطابق جدول 1 انتخاب گردید و در نقاط مشخص به مدل معرفی شد. سپس دادههای هیدرولوژی و رسوب برای 192 ماه از سال 1375 تا سال 1391 در ایستگاههای هیدرومتری سلیمان تنگه، ورند و واستان به مدل معرفی گردید. لازم به ذکر است که آزمون همگنی و یکنواختی دادهها، آزمون تصادفی بودن دادهها و آزمون تشخیص دادههای پرت برای بررسی دادههای جمعآوری شده انجام پذیرفت و برای دادههای ناقص، با استفاده از روشهای رگرسیونی، دادهسازی صورت گرفت.
مدلسازی با یک لوله جریان انجام گرفت. برای مدلسازی رسوب، دانهبندی ذرات بستر رودخانه ضروری میباشد. از آنجایی که این دادهها برای طول مسیر محدوده مورد مطاله در رودخانه تجن در آرشیو شرکت آب منطقهای استان مازندران وجود نداشت، لذا نمونهبرداری از مصالح بستر رودخانه در یازده نقطه انجام گردید. نمونههای برداشت شده در آزمایشگاه دانهبندی شده و منحنی دانهبندی برای آنها ترسیم گردید و به مدل معرفی گردید. برای مقاطع مابین نقاط برداشت مصالح، نرمافزار از درونیابی استفاده میکند.
در نهایت مدل برای یازده معاله انتقال رسوب اجرا گردید که عبارتند از: معادلات دوبویز - 1879 - ، میر-پیتر و مولر - 1948 - ، لارسن - 1958 - ، اصلاح شده لارسن توسط مادن - 1993 - ، انگلوند و هانسن - 1972 - ، ایکرز و وایت - 1973 - ، اصلاح شده ایکرز و وایت - 1990 - ، یانگ 1973 - ، - 1984، یانگ 1979 - ، - 1984، اصلاح شده یانگ برای غلظتهای زیاد بار شسته - 1996 - و آشیدا و میچیو . - 1972 - نتایج بدست آمده از اجرای مدل مورد تجزیه وتحلیل قرار گرفت
