بخشی از مقاله
خلاصه
رودخانه کاکاشرف یکی از محلهای برداشت مصالح رودخانه ای مانند شن و ماسه در استان لرستان می باشد . با توجه به اینکه برداشت بی رویه و مازاد بر ظرفیت مصالح رودخانه ای اثرات نامطلوبی بر بستر رودخانه ،ایمنی سازه های متقاطع و پایداری تاسیسات آبی واقع در سواحل رودخانه ای را به دنبال داشته است .لذا لازم است برای جلوگیری از این پیامدها بازه های فرسایشی و رسوبگذار و مکانهای مجاز برداشت مصالح مشخص گردد و برای انجام این مطالعات به شبیه سازی بازه ای از رودخانه، به کمک دو مدل ریاضی GSTARS , HEC-RAS پرداخته شده است .
-1 مقدمه
تجزیه و تحلیل و پیش بینی میزان فرسایش و رسوبگذاری در رودخانه ها از مباحث پیچیده هیدرولیک رسوب و رودخانه ها می باشد . با توجه به اینکه دبی متوسط دراز مدت بار کل رسوبی در رودخانه کاکاشرف برابر 111793/26 تن می باشد، مقدار رسوبات قابل برداشت سالانه در این رودخانه برابر با 76000 خواهد بود. این در حالی است که حجم شن و ماسه برداشت شده از بستر رودخانه 268000 متر مکعب بوده است. - در حدود 3.5 برابر - در اثر این فرسایش شدید، سازه های موجود در مسیر رودخانه کاکاشرف که عمده آنها پلها می باشند، در آستانه تخریب قرار گرفته اند. شریانی شدن بستر رودخانه کاکاشرف به خصوص در بازه های پایینی و پایین افتادن سطح آب نیز از دیگر جنبه های منفی برداشت مصالح از این رودخانه است.
با توجه به آنچه که گفته شد لازم است مکانهای پیشنهادی برداشت شن و ماسه در این رودخانه مشخص شود به نحوی که اثرات منفی حداقل مقدار ممکن را داشته و اثرات مثبت به حداکثر مقدار خود برسد این مطالعات می تواند از طریق مدل فیزیکی و ریاضی و یا هر دو انجام گیرد ،ولی به دلیل وقت گیر و پر هزینه تر بودن مدلهای فیزیکی ،مدل های ریاضی عمومی تر بوده و اغلب مورد استفاده قرار می گیرند . در حال حاضر مدلهای یک بعدی ،دو بعدی و سه بعدی برای کاربرد در مسائل مهندسی رودخانه وجود دارد .
مدلهای یک بعدی اگر چه دارای فرضیات ساده کننده بیشتری می باشند و معادلات آنها برای تعریف فرآیندها و مکانیزم های پیچیده موجود در رودخانه ها کافی نیست ولی در صورت اجرا و واسنجی دقیق ،در عین سادگی می توانند اطلاعات مناسبی را در اختیار قرار دهنددر این مقاله به تعیین بازه های رسوبگذار و فرسایشی رودخانه پرداخته وبرای شبیه سازی از مدلهای ریاضی GSTARS2.1 , HEC-RASاستفاده شده است.
-1-1 منطقه مورد مطالعه
این رودخانه از ارتفاعات 2430 متری کوههای یاسین سرچشمه گرفته و ابتدا مسیری شرقی - غربی و سپس با تغییر جهت مشخص به سمت جنوب جریان می یابد. این زیرشاخه رودخانه خرم آباد، پس از طی مسافتی چند کیلومتری 32/5 - کیلومتر - ، آرام آرام به سمت غرب متمایل شده و به محل ایستگاه هیدرومتری چنارخشکه می رسد. منطقه مورد مطالعه از محل برخورد رودخانه کاکاشرف به رودخانه خرم آباد تا 30 کیلومتری بالادست آن واقع شده است. حوزه رودخانه کاکاشرف دارای وسعتی برابر 659/73 کیلومترمربع و محیطی برابر 142/3 کیلومتر می باشد. طول آبراهه اصلی رودخانه کاکاشرف 59/44 کیلومتر است و ارتفاع متوسط حوزه از سطح دریا 2272 متر میباشد.
-2 معرفی مدلها
-2-1 مدل - GSTARS -
- GSTARS - مدل تعمیم یافته لوله های جریان برای رودخانه های آبرفتی اولین بار در سال 1986 توسط مولیناس و یانگ1 برای کار با کامپیوترهای بزرگ توسعه داده شده ،یانگ و همکاران در سال - GSTARS - 1989 را برای شبیه سازی و پیش بینی عمق آبشستگی و الگویی در محل جایگزینی آببند و سد شماره 26 برروی رودخانه می سی سی پی به کار بردند . عمق آبشستگی محاسبه شده توسط - GSTARS - مانند اندازه گیریهای صحرایی در حدود یک فوت بود. - GSTARS - در سال 1989 توسط لی و همکاران2 اصلاح شد تا توانایی روند یابی سیل در یک شبکه کانال را با نوسان رقوم سطح آب پایین دست در اثر جزرو مد داشته باشد .
دفتر عمران ایالات متحده - U.S.B.R - از موقعی که GSTARS 2.0 - - در سال 1998 منتشر شد دیگر از - - GSTARS استفاده نکرد . - GSTARS2.0 - اولین مدل از مدلهای - GSTARS - برای کامپیوترهای شخصی است . این مدل در سال 1998 توسط یانگ و همکاران توسعه داده شد. این مدل با هدف روندیابی آب و رسوب در آبراهه تهیه شده و از جمله توانایی های این مدل می تواند به موارد زیر اشاره نمود.
▪ تعیین میزان و نحوه ته نشین شدن رسوبات در مخزن سدها با معرفی شکل مخزن و میزان رسوبات ورودی به مدل
▪ محاسبه پروفیل سطح آب در رژیمهای جریان فوق بحرانی و زیر بحرانی و مختلط
▪ شبیه سازی جریان آب و رسوب در رودخانه های آبرفتی و پیش بینی کاهش یا افزایش تراز بستر در قسمتهای مختلف مقاطع عرضی و پرفیل طولی رودخانه
▪ پیش بینی فرسایش و رسوب گذاری در کانالهای انتقال آب و شبکه های با داشتن مشخصات کانالهای یک شبکه وهمچنین مشخصات رسوبات ورودی
▪ اعمال شرایط مخصوص محل ، مانند پایداری کناره های رودخانه و محدود فرسایش.
2.1 - - GSTARS یک مدل ارتقاء یافته و اصلاح شده از مدل - GSTARS 2.0 - می باشد - GSTARS2.1 - جایگزین - GSTARS 2.0 - شد ،از این رو دفتر عمران ایالات متحده
2.0 - - GSTARS را به مدت زیادی مورد حمایت قرار نداد. اتمان و وانق در سال GSTARS 2004 - 2.1 - را برای شبیه سازی پروژ های تراز کاهی و فرآیند سپر شدن رودخانه تیقریس در پایین دست سد موصل در عراق بکار بردند و نشان دادند که GSTARS 2.1 - - در مقایسه با نتایج اندازه گیری با موفقیت و به درستی می تواند عمق آبشستگی و تغییرات قطر ذرات رسوب راشبیه سازی و پیش بینی کند . یانگ و سمیوس 3 در سال 2000، - GSTARS 2.1 - رابرای پیش بینی تغییرات هندسه کانال سرریز بدون پوشش مخزن مسکالرو4 در ایالات نیومکزیکو بکار بردند که با نتایج حاصل از اندازه گیری تطابق و هم خوانی داشت. - حسن احمدی عباسی -
-2-2 مدل - HEC-RAS -
بسته نرمافزاری HEC-RAS برای تحلیل سیستم رودخانهای1 توسط مرکز مهندسی هیدرولوژی 2 وابسته به گروه مهندسی ارتش آمریکا تهیه شده است. در حقیقت این نرم افزار از توسعه یافتن نرم افزار HEC2 به دست آمده است. نرم افزار HEC2 برای محاسبه پروفیل سطح آب در جریانهای دائمی با روش گامبهگام استاندارد تهیه شده است. این نرم افزار از یک سری پارامترها ی ورودی برای تحلیل هیدرولیکی استفاده میکند این مدل برای محاسبه پروفیلهای سطح آب قابلیت برخورداری یک شبکه کامل از کانالها، یک سیستم شاخهای یا یک بازه واحد از رودخانه را داشته و می تواند پروفیلهای سطح آب در رژیمهای جریان زیر بحرانی، فوق بحرانی و مختلط را محاسبه کند.
روند اصلی محاسباتی بر پایه حل یکبعدی معادله انرژی استوار میباشد. افتهای انرژی براساس افت اصطکاک - معادله مانینگ - ، بازشدگی و تنگشدگی جریان - ضریبی که در تغییرات بار سرعت اعمال میشود - ارزیابی میشوند. با استفاده از این مدل می توان اثرات سازههای مختلف نظیر پلها، کالورتها، سرریزها، سازه های موجود در پهنه سیلابگیر و نیز ویژگیهای خاص مولفه جریان ماندگار مانند: تحلیل پلانهای چندگانه، محاسبات پروفیلهای متعدد، تحلیل بازشدگی پلها و یا کالورتهای متعدد و بهینهسازی جریان انشعابی را مورد بررسی قرار داد. همچنین این مدل توانایی انجام محاسبات پروفیل سطح آب در جریان یک بعدی ماندگار را به روش گام به گام استاندارد - همچنین غیر ماندگار - در طبیعت و آبراهه های مصنوعی در حالات جریان زیر بحرانی ، فوق بحرانی و مختلط را دارد .
-3داده های مورد نیاز برای شبیه سازی جریان در رودخانه در هر دو مدل
1. تهیه پلان شبکه رودخانه ای اعم از شاخه های اصلی و فرعی - هر دو مدل -
2. جمع آوری اطلاعات مقاطع عرضی و پلان رودخانه - هر دو مدل -
3. ضریب زبری کانال اصلی و سیلابدشت - هر دو مدل -
4. دبی سیلاب - هر دو مدل -
5. شرایط مرزی شبیهسازی - هر دو مدل -
6. نوع رژیم جریان در رودخانه - - Hec-ras
7. منحنی دانه بندی - Gstars -
✓ منطقه مورد مطالعه از محل برخورد رودخانه کاکاشرف به رودخانه خرم آباد تا 30 کیلومتری بالادست آن واقع شده است.
✓ اطلاعات هندسی و مقاطع عرضی رودخانه کاکاشرف شامل 53 مقطع عرضی با فاصله تقریبی 600 متری می باشدو در قسمتهایی از رودخانه که تغییر جهت یا تغییر شکل ناگهانی در مسیر رودخانه وجود داشته باشد، مقاطع بیشتری برداشت شده تا شبیهسازی رودخانه دقیقتر انجام شود.
✓ به دلیل کاربری تقریبا" یکنواخت رودخانه کاکاشرف، نتایج حاکی از آن است که ضریب زبری در سواحل چپ و راست 0/04 و برای بستر رودخانه 0/03 در نظر گرفته شده است.
✓ مقدار منتخب سیلاب برای دوره برگشت 25 ساله بر اساس دبی های حداکثر لحظه ای، برای ایستگاه چنارخشکه 133 متر مکعب بر ثانیه در کیلومتراژ و برای ایستگاه چم انجیر خرم آباد 448 متر مکعب بر ثانیه تعیین شده است.
✓ برای معرفی شرایط مرزی بالادست و پاییندست، در این طرح از روش عمق نرمال استفاده شده است. برای این منظور باید شیب خط انرژی رودخانه در بالادست و پاییندست به مدل معرفی شود. در صورتیکه شیب خط انرژی در دسترس نباشد با تقریب مناسب، میتوان از شیب کف رودخانه استفاده کرد. شیب رودخانه در بالادست رودخانه کاکاشرف معادل 0/01186 در نظر گرفته شد. همچنین برای رودخانه خرم آباد نیز از محل برخورد این رودخانه و رودخانه کاکاشرف به سمت بالا شیب 0/018 و به سمت پایین دست 0.005 منظور شده است.
✓ بر اساس خروجی های مدل HEC-RAS منحنی دبی- اشل به عنوان اطلاعات هیدرولیکی مورد نیاز مدل GSTARS معرفی میگردد .
