بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق میزان تاثیر افزایش و یا کاهش ضریب زبری مانینگ بر تراز سطح آب مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور ابتدا لایه TIN ساخته شد و سپس با کمک اکستنشن HEC-GEORAS اطلاعات مورد نیاز تعیین و استخراج شد. آنگاه از طریق مشاهدات صحرایی، اقدام به برآورد ضریب زبری گردید و در ادامه ضریب زبری بهدست آمده از طریق مدل HEC-RAS کالیبره شد. سپس به منظور میزان تاثیر ضریب زبری بر تراز سطح آب، به میزان 5، 10، 25 درصد، ضریب زبری کالیبره شده افزایش و کاهش داده شد و سپس با هر یک از این حالات مدل اجرا گردید. نتایج تحقیق بیانگر این واقعیت است که با افزایش ضریب زبری، تراز سطح آب افزایش و با کاهش ضریب زبری، کاهش مییابد. در ضمن باید در نظر داشت که کالیبره کردن ضریب زبری مهمترین تاثیر را بر روی تغییرات تراز سطح آب و ویژگیهای جریان داشته و مدل هم بیشترین حساسیت را به ضریب زبری دارد.
مقدمه
بررسی آمار و اطلاعات خسارات سالانه ناشی ازوقوع سیلابها در ایران و جهان بیانگر گستردگی صدمات ناشی از سیلاب به منابع طبیعی، انسانی و اقتصادی مناطق مختلف میباشد. لذا تدوین برنامهای جامع باهدف مهار، کنترل و بهرهبرداری بهینه با اعمال اقدامات مدیریتی، متناسب با کلیه عوامل دخیل در ایجاد و طغیان سیلابهای منطقهای ضروری میباشد - وهابی،. - 1385 وضعیت زبری بستر و جدارههای رودخانه یکی از پارامترهای مهم در انتقال جریان بوده و عوامل مختلفی نظیر، جنس بستر، پوشش گیاهی، دانهبندی و اندازه ذرات بستر، نحوهی تغییر مقطع رودخانه و ... در مقدار آن تاثیر دارد - نجمایی،1363، ابریشمی و حسینی،. - 1376 با توجه به اینکه مقدار زبری یکی از پارامترهای عمده افت انرژی در کانالها و رودخانهها میباشد، تعیین ضریب زبری مناسبی که بیانگر وضعیت واقعی رودخانه باشد، نقش موثری در برآورد دقیقتر تراز آب و سرعت جریان در هر مقطع داشته و از اهمیت ویژهای برخوردار است - نجمایی،. - 1375 که در این زمینه تحقیقات گوناگونی صورت پذیرفته که برخی از آنها به شرح زیر میباشند: هادیانی و همکاران - 1388 - ، در بازهای از رودخانه هراز به بررسی تاثیر تغییرات فصلی ضریب زبری مانینگ در پیشبینی رفتار هیدرولیکی سیلاب پرداختند.
در این تحقیق به بررسی تاثیر تغییرات فصلی ضریب زبری مانینگ در پیشبینی رفتار هیدرولیکی سیلاب، متناسب با تغییرات حاصل در وضعیت پوشش گیاهی بازهای از رودخانه هراز با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی - الحاقیه - HEC-GEORAS، نرمافزار HEC-RAS و نقشههای پلان رودخانه با مقیاس 1:500 و ضریب زبری مانینگ با روش کاون در دو فصل زمستان و تابستان در مسیر مورد مطالعه پرداخته شد. نتایج حاکی از آن است که زمان تعیین ضریب زبری، به دلیل تغییرات در وضعیت پوشش گیاهی منطقه در مقادیر محاسباتی ضریب زبری برای سواحل رودخانه و دشت سیلابی آن موثر بوده و در نتیجه موجب تغییراتی در پهنههای سیلاب، سرعت و عمق آب، نیروی تنش برشی و توزیع حجم سیلاب در سطح دشت سیلابی در دورهبازگشتهای مختلف میشود.
افزایش پوشش گیاهی و به تبع آن ازدیاد ضریب زبری مانینگ در فصل تابستان سبب میشود در سواحل و دشت سیلابی تمام مقاطع مورد مطالعه سرعت، قدرت و دبی جریان به مقدار زیادی نسبت به شرایط مشابه در فصل زمستان کاهش یابد. این امر در پیشبینی رفتار هیدرولیکی رودخانه در بازههای زمانی متفاوت، بخصوص در طرحهای سازهای و هیدرولیکی موثر و حایز اهمیت است. افتخاری و همکاران - 1390 - ، به ارزیابی پهنهبندی سیل با تغییرات ضریب زبری در رودخانه اترک پرداختند.
در این تحقیق میزان تاثیر افزایش و یا کاهش ضریب زبری مانینگ بر پهنه سیل و تراز سطح آب مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور با استفاده از اکستنشن HEC-GEORAS اطلاعات مورد نیاز تعیین و استخراج شد و از طریق مشاهدات صحرایی، اقدام به برآورد ضریب زبری مانینگ گردید و در ادامه ضریب زبری بدست آمده از طریق مدل HEC-RAS کالیبره شد. سپس به منظور میزان تاثیر ضریب زبری مانینگ در گستره پهنه سیلابی، ضریب زبری کالیبره به میزان مشخصی افزایش و کاهش داده شد و با هر یک از این حالات مدل اجرا گردید. نتایج تحقیق بیانگر این واقعیت است که با افزایش ضریب زبری، گستره پهنه سیل افزایش مییابد. بارنز - 1967 - 1 به ترتیب جداول توصیفی و اشکال تصویری برای برآورد ضریب زبری مانینگ پوششهای گیاهی در رودخانهها و مجاری طبیعی بر مبنای تجارب سیلابهای اتفاق افتاده در رودخانههای ایالات متحده ارائه نمودند.
فیلیپس - 1988 - 2 در تحقیقات خود میزان دبی و تصمیمات مدیریتی منابع و کاربری اراضی را در سواحل کارولینای شمالی مورد بحث قرار داد. در این مطالعه تغییرات ضریب زبری در کانال مصنوعی نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که با افزایش ضریب زبری، پهنه سیل گسترش مییابد. هدف از این تحقیق ارزیابی و بررسی تراز سطح آب در دوره بازگشتهای مختلف، با تغییرات ضریب زبری در بازه بالادست رودخانه گرگانرود از تمر تا حاجیقوشان می-باشد.
مواد و روش
محدوده مورد مطالعه بخشی از رودخانه گرگانرود را شامل میشود. این منطقه در شرق استان گلستان قرار دارد و از نظر جغرافیایی بین عرضهای 37 25 5 تا 37 47 33 شمالی و طولهای 55 26 30 تا 56 04 35 شرقی واقع شده است. ابتدای گرگانرود محل اتصال زاو و ساریسو در بالاتر از ایستگاه هیدرومتری تمر میباشد و از این نقطه به بعد بستر رودخانه عریضتر و عمیقتر شده و این رودخانه در انتهای مسیر خود به دریای خزر میریزد.
در این تحقیق جهت بررسی ضریب زبری، بازه بالادست رودخانه گرگانرود از بازه تمر تا حاجیقوشان به طول 34 کیلومتر مورد بررسی قرار گرفت. به طوری که روشهای متعدد تعیین مقدار ضریب زبری، که پارامتر مهمی در مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازههای مهندسی میباشد، مورد بررسی قرار گرفته و بهترین روش انتخاب گردید. همچنین سعی گردید که اثر تغییرات ضریب زبری، که پارامتر مهمی در مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازههای مهندسی میباشد، بر تراز سطح آب در دوره بازگشتهای مختلف مورد بررسی قرار گیرد.
بهطور کلی روشهای تعیین ضریب مانینگ به دو گروه تقسیمبندی میشوند. گروه اول روشهایی هستند که با استفاده از بعضی روابط تجربی که اکثرا براساس دانهبندی رسوبات و مواد بستر رودخانه میباشد، فرمولبندی شدهاند. گروه دوم نیز روشهایی هستند که از طریق انجام عملیات میدانی و یادداشت مشخصات رودخانه و سیلابدشتها و نهایتا مقایسه مشخصات و عکسهای تهیه شده با عکسها و جداولی که همراه با توضیحات لازم در کتب و منابع علمی وجود دارند، مقدار ضریب زبری را تعیین مینمایند - نجمایی، . - 1375 در این تحقیق جهت تعیین ضریب مانینگ براساس روشهایی که مبتنی بر استفاده از جداول و عکسهای مرتبط با تعیین ضریب مانینگ هستند - شریفیمنش و ابوالقاسمی، - 1378، عمل شده است.
بدین منظور ابتدا با انجام عملیات میدانی، تمامی خصوصیات مقاطع عرضی در بستر اصلی رودخانه بهطور جداگانه یادداشت و از آنها عکسبرداری گردید - جیمز و همکاران، . - 1980 سپس برای هر مقطع یک ضریب زبری برای کانال اصلی، به سه روش مختلف کاون، چاو، سازمان مدیریت و برنامهریزی و تعیین گردید. و در نهایت برای مقایسه و بررسی صحت برآورد ضریب زبری، براساس دادههای اندازهگیری شده آبسنجی ضریب زبری برآورد گردید. واسنجی ضریب زبری در این تحقیق براساس تغییرات آن درعمق جریان انجام گردید، که برای واسنجی تغییرات ضریب زبری در عمق جریان نیاز به منحنی سنجه - بده- اشل - و شیب سطح آب است. - راهنما وزارت نیرو، - 1390
با توجه به اینکه یکی از قابلیتهای نرمافزار HEC-RAS، محاسبه تراز سطح آب در هر مقطع است، در این تحقیق به منظور شبیه سازی رفتار هیدرولیکی رودخانه ابتدا با استفاده از نرمافزار HEC-GEORAS که یکی از ضمائم ArcViewGIS ، جهت پردازش داده-های زمینی در سیستم تحلیل رودخانه - HEC-RAS - میباشد - مرکز مهندسی ارتش آمریکا، - 2002، از نقشههای اتوکدی 1/2000 باند رودخانه در محدودهی مورد مطالعه جهت تهیهی لایه TIN - شبکه نامنظم مثلثی - رودخانه استفاده گردید. در نهایت لایههای ورودی به HEC-RAS مانند: مشخصات رودخانه، محل قرارگیری مقاطع عرضی و طول بازهی پایین دست برای ساحل چپ، کانال اصلی و ساحل راست با دقت زیادی استخراج گردید
. در این تحقیق برای معرفی مقاطع عرضی به مدل نیز با استفاده از نقشههای اتوکدی 1:100 تهیه شده توسط وزارت نیرو خصوصیات دو مقطع واقع در محل ایستگاههای هیدرومتری تمر و حاجیقوشان که به ترتیب در بالادست و پائین-دست کانال اصلی واقع شده است، استخراج گردید. سپس برای کالیبراسیون، از آمار دبی و اشل چهار سیل اندازهگیری شده به طور همزمان در محل ایستگاه هیدرومتری تمر و حاجیقوشان استفاده شد.
لازم به توضیح است که برای کالیبره کردن مدل به این صورت عمل شد که مقادیر دبی هر یک از چهار سیل در محل ایستگاههای هیدرومتری تمر و حاجیقوشان به طور جداگانه به همراه ضرایب زبری مشاهداتی که از جداول کاون، چاو، سازمان مدیریت و برنامهریزی در طی عملیات صحرایی بدست آمده بود به مدل داده شد، و رژیم جریان نیز، مختلط در نظر گرفته شد و از عمق نرمال به عنوان شرایط مرزی مدل استفاده گردید - هیل،. - 2001 سپس با تمرکز بر روی ضریب زبری و استفاده از روش سعی و خطا، به ازای یک دبی مشخص در هر مقطع، تراز محاسبهای منطبق بر تراز مشاهدهای در ایستگاه هیدرومتری مربوطه گردید. سپس میانگین ضرایب تعیین شده برای هر دبی به عنوان ضریب کالیبره شده بازه مورد مطالعه در نظر گرفته شد.
با توجه به عنوان تحقیق که در مورد تغییرات ضریب زبری میباشد، پس از برآورد ضریب زبری واقعی از طریق کالیبراسیون، به میزان 5، 10 و 25 درصد از ضریب زبری کاسته و اضافه شد تا میزان تاثیر ضریب زبری در تغییرات تراز سطح آب در دوره بازگشتهای مختلف مشخص شود. بدین منظور ابتدا آمار دبی حداکثر لحظهای سالانه ایستگاههای مورد مطالعه از مرکز تحقیقات منابع آب وزارت نیرو اخذ شد و پس از تعیین طول دوره آماری مشترک از لحاظ صحت، همگنی، نرمال بودن و... با استفاده از نرمافزار آماری R تجزیه و تحلیل و تائید شدند.
