بخشی از مقاله
چکیده
در پروژه های حریم یابی رودخانه ها، هدف از مطالعات هیدرولیک رودخانه، تعیین حد حریم و بستر رودخانه و ظرفیت عبور سیلاب در دوره بازگشتهای مختلف میباشد. تهیه نقشههای پهنهبندی سیلاب به عنوان اولین گام در مدیریت ریسک سیلاب محسوب میشود. این نقشهها نمایانگر مناطق پر خطر بوده که نه تنها بر اساس تجزیه وتحلیل و شبیهسازی جریان سیلاب در وضعیت فعلی محاسبه شدهاند بلکه سیلابهای تاریخی و محدودههای در معرض خطر شکست سازه های مهار سیلاب را در حالت های احتمالی نیز نمایش می دهند. این نقشهها نقش مهمی در رسیدن به مناطق پرخطر سیلاب را نیز ایفاد مینمایند.
درحال حاضر استفاده از مدل های ریاضی، حل معادلات حاکم بر جریان را آسان نموده و در جامعه مهندسی برای شبیهسازی سیلاب در تحلیلهای مدیریتی نیز کاربرد فراوانی پیدا کرده است. در این مقاله نتایج شبیهسازی هیدرولیکی در بازهای از رودخانهی اترک واقع در استان خراسانشمالی از روستای سیساب تا عشق آباد، به طول حدود 100 کیلومتر، و با درنظرگرفتن بیش از 50 شاخه ورودی به رودخانهی اترک، با بکارگیری توام مدلهای HEC_GEORAS ، HEC_RAS و ARC GIS به منظور تعیین پهنههای سیلگیر منطقه ارائه شده است به طوری که ابتدا پس از تعیین مقادیر هیدروگراف سیلاب با دوره بازگشت های مختلف، مناطق سیلابدشت هدف و رودخانهی اصلی با مقیاس مناسب نقشهبرداری گردید.
شایان ذکر است تعیین سیلابدشت هدف بر اساس نقشه های مساحت تخمینی مناطق سیلگیر و با استفاده از دادههای مربوط به سیلابهای گذشته، بدست آمده و مشتمل بر مناطقی است که احتمال آبگرفتگی آنها در سیلاب هدف وجود دارد. در گام بعد ضریب زبری سیلابدشت با استفاده از نقشه های کاربری اراضی و تعیین الگوهای موجود، برای شبیهسازی سیلاب تعیین گردید. در ادامه با توجه به دادههای توپوگرافی، پس از تهیه فایل Tin منطقه، با اجرای بسته الحاقی Hec-GeoRas ، نسبت به تهیه و استخراج Feature Class های مربوط به خط مرکزی و اصلی رودخانه، محدوده جناحین و دیواره های چپ و راست مسیر اصلی رودخانه، محدوده جناحین چپ و راست سیلابی رودخانه و مقاطع عرضی رودخانه اقدام گردید.
به دنبال آن با انتقال اطلاعات مذکور به مدلHEC-RAS و وارد نمودن مقادیر ضریب زبری مانینگ در هر یک از مقاطع عرضی و تعریف آبراههها و سرشاخههای ورودی به رودخانه اصلی - - Junctions، و همچنین تعریف شرایط مرزی، مدلHEC-RAS در شرایط غیرماندگار اجرا گردید.
در نهایت نتایج خروجی مدلHEC-RASبه تفکیک در هر دوره بازگشت سیل، مجدداً وارد بسته الحاقی Hec-GeoRas گردید. در خاتمه با پردازشهای لازم، نقشههای پهنه های سیلابی منطقه تهیه گردید و پارامترهایی نظیرمساحت مناطق آبگرفتگی، عمق سیلاب در بازههای مختلف و سایر پارامترهای هندسی وهیدرولیکی موردنیاز استخراج گردید.
نتایج نشان داد برآوردهای صحیح اولیه از مشخصات رودخانه و مقادیر ضریب زبری مانینگ، در کاهش تعداد RUN های مدل تاثیر بسزایی دارد و اعمال دقت کافی در این خصوص در کاهش زمان مطالعات و هزینه های مربوطه نقش بسزایی دارد. از آنجائیکه ضریب زبری پارامتر اصلی در افزایش و یا کاهش افت انرژی در کانال ها و رودخانه ها میباشد، براین اساس در تهیه نقشههای پهنهبندی سیل، تعیین ضریب زبری مناسب اولیه که معرف شرایط واقعی رودخانه باشد، از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
در نهایت صحت نتایج پهنه بندی سیلاب صورت گرفته، با توجه به بازدیدهای میدانی و گفتگو با روستائیان منطقه، و همچنین بررسی آثار سیلابهای قبلی اتفاق افتاده، مورد بررسی و تدقیق قرار گرفت.
1. مقدمه
دشت سیلابی رودخانه ها کانون فعالیت کشاورزی، تفرجگاهی و تفریحی بوده و باید در مقابل خطرات احتمالی محافظت شوند. از مهمترین این خطرات جاری شدن سیلاب میباشد که ممکن است تمام دشت سیلابی را فرا گرفته و خسارت زیادی به بار آورد. از اینرو، باید با شناخت دقیق هیدرولیک جریان در دشتهای سیلابی روشهای مناسب و موثری را برای مدیریت و کنترل سیلاب انتخاب نمود.
مفهوم پهنهبندی سیل بر این اصل استوار است که دشت سیلابی و کانال رودخانه یک مجموعه واحد بوده و جلگه سیلابی یک قسمت از رودخانه است که در مواقع طغیان رودخانهها، آب ممکن است کل آن و یا قسمتی از آن را فرا گیرد.
این گستره به صورت پهنشدگی و در واقع جریان یافتن آب در مقطع بزرگتر از مقطع عادی رودخانه، در اطراف آن حاصل میشود. هدف از مطالعات گستره سیل آگاهی یافتن از چگونگی رفتار رودخانه در مواقع سیلابی است. با بدست آوردن نقشههای گستره سیل برای دوره بازگشتهای مختلف می توان امکان ساخت تأسیسات مهم در محدودههای سیلگیر را بررسی نمود. همچنین این مطالعات میتواند بهترین راهحلها را جهت کنترل سیلاب در اختیار کارشناسان قرار دهد. به علاوه توسط این مطالعات میتوان یک سیستم اطلاعرسانی به وجود آورد که در آن زمان انتقال سیلاب به مناطق مورد نظر را توسط یک ایستگاه اندازهگیری در بالادست تحت کنترل درآورد.
به طور خلاصه مطالعات پهنهبندی سیل اهداف زیر را نیز تأمین میکند.
الف- تعیین ظرفیت رودخانه در بازه مورد مطالعه و روندیابی سیلاب رودخانه،
ب- به دست آوردن نقشههای گستره سیلاب با دوره برگشتهای مختلف،
ج- به وجود آوردن یک سیستم اطلاعرسانی موقت جهت آگاهی از زمان رسیدن سیلاب به مناطق مهم پاییندست،
د- تعیین حریم و بستر رودخانه ها به منظور جلوگیری از ساخت و سازهای غیر قانونی، برداشت آب غیر مجاز از رودخانه، کشت و زرع در حریم و بستر رودخانه و بالاخره مدیریت جامع منابع آبی وخاکی اطراف رودخانهها،
ه- آگاهی از بهترین روشهای کنترل سیلاب،
و- مدیریت ساخت تأسیسات مهم در حاشیه رودخانه و همچنین امکان بهرهبرداری از اراضی موجود در حریم رودخانه.
در زمینه پهنهبندی سیل نرم افزارهای متعددی ارائه شده که توانمندی های متفاوتی در زمینه برآورد خصوصیات جریان و در نتیجه سطوح سیل گیری دارند، از اینرو، جهت رسیدن به این مهم متداولترین نرم افزارهای مورد استفاده در زمینه تعیین پهنهبندی، مجموعه نرم افزارهای HEC ،MIKE11 میباشد، که در این مقاله نتایج کاربرد نرم افزار HEC-RAS با کمک ARC GIS و بسته الحاقی HEC_GeoRas ، جهت تعیین پهنههای سیل ارائه میگردد.
در این رابطه مطالعات مختلفی توسط محققین داخلی و خارجی صورت گرفته است، بهطورمثال صفری - - 1380، درمطالعه موردی روی رودخانه نکا واقع در استان مازندران، با استفاده از مدل HEC-RAS اقدام به پهنهبندی خطر سیل نمود و نتیجه گرفت که این مدل کارایی بسیار بالایی در محاسبه پروفیل آب و پهنه های سیلاب دارد. آرمان - - 1385، درمطالعه بازه ای از رودخانه کرج - سیرا-پل خواب - ، با استفاده از نرم افزار HEC-RAS به پهنهبندی سیل و تجزیه و تحلیل داده ها جهت کالیبره کردن ضریب زبری مانینگ پرداخته و به این نتیجه رسید که به علت شیب زیاد این بازه، افزایش ارتفاع سیل در این بازه تاثیر زیادی در گسترش پهنهسیل ندارد.
همچنین عامل ضریب زبری نیز تاثیر محسوسی را در افزایش ارتفاع جریان نشان نمی دهد. شکوری - - 1385، با استفاده از نرم افزارهای HEC-RAS وARCVIEW با تاکید بر صحت سنجی دادههای هیدرومتری، تاثیر روشهای مختلف تخمین ضریب زبری در میزان دقت پهنهبندی سیل را بررسی نمود و به این نتیجه رسید که از بین روش های تخمین ضریب زبری، روش مستقیم دقیق ترین روش می باشد.
باقری و همکاران - - 1385، با استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS به پهنهبندی سیلاب رودخانه گرمرود پرداخته و به این نتیجه رسیدند که دلیل افزایش خسارات و سطح سیل گیری در سیلهای 2 تا 25 ساله را می توان در رفتار طبیعی رودخانه و اعمال غیرطبیعی و سودجویانه بهره برداران جستجو نمود. James و همکاران - - 1980، اقدام به پهنهبندی سیل در ایالت یوتای آمریکا نمودند و اظهار داشتند که به علت تغییرات مناطق سیل گیر از سیلی به سیل بعدی، باید توجه نمود که در مناطق پهنهبندی شده، میزان خطرات به مقدار واقعی نشان داده شوند.
Horritt و - 2002 - Bates، در بازه ای به طول 60 کیلومتر از رودخانه Severn در کشور انگلستان مدلهای HEC-RAS ،LISFLOOD-FP وTELEMAC-2D را ارزیابی کرده و به این نتیجه رسیدند که مدلهای HEC-RASوTELEMAC-2D میتواند برای دبی یا دادههای منطقه سیل گرفته، کالیبره شود و به خوبی می تواند منطقه مورد هجوم سیل را پیش بینی کنند.
- 2003 - Adam، با استفاده از مدل HEC-RAS تغییرات سرعت و عدد فرود را در دو نوع رودخانه جنگلی وغیر جنگلی مورد بررسی قرار داده و تاثیر پوشش گیاهی بر رژیم و رفتار فیزیکی جریان را مورد مقایسه قرار داده و نتیجه گرفت که استفاده از مدل HEC-RAS می تواند مقادیر عددی مناسبی را جهت مطالعه رژیم و سایر خصوصیات هیدرولیکی جریان رودخانه در اختیار محققین قرار دهد. Pappenberger و همکاران - - 2005، با استفاده از مدل HEC-RAS تاثیر تغییرات ضریب زبری روی سیل را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که در کالیبره کردن پارامترهای ضریب زبری عدم قطعیت وجود دارد.
Knebl و همکاران - - 2004، در حوزه آبخیز رودخانه سان آنتونیو در تگزاس مرکزی در کشور ایالات متحده با استفاده از نرم افزارهای GIS،-HEC HMS،HEC-RAS وNEXRAD-RAINFALL سیلی را که در تابستان سال 2002 اتفاق افتاده بود شبیهسازی نموده، و پس از کالیبره کردن آن، به این نتیجه رسیدند که نتایج شبیه سازی جریان غیرماندگار توسط مدل HEC-RAS ، در مقایسه با عکسهای هوایی منطقه نتایج قابل قبولی ارائه میکند.
با توجه به مطالعات و تحقیقات قبلی انجام شده و کاربرد مدلهای مختلف در تعیین پهنهبندی سیلاب، در این مقاله نیز اقدام به ذکرنتایج حاصل از کاربرد مدلهای HEC-RAS و HEC_GeoRas، در شرایط جریان غیرماندگار، بمنظور تعیین پهنهبندی سیلاب حوزه رودخانه اترک گردیده است.
2. مواد و روشها
حوزه آبریز رودخانهی اترک در شمال شرق کشور و در شمال استان خراسان قرار دارد. رودخانه اترک با طول 583 کیلومتر در این حوزه که از شرق به غرب جریان داشته ونهایتاً به دریای خزر میریزد، از شمال به ترکمنستان، از جنوب به حوزههای آبریز گرگان رود و کالشور - کویر مرکزی - ، از شرق به حوزه آبریز قرهقوم و از غرب به دریای خزر محدود میگردد.
بستر رودخانهی اترک در مناطق میانی آن - محدوده مورد مطالعهدر - اثر جریان یافتن سیل دچار فرسایش شده و عموماً از بریدگیها و پیچ وخمهای ناشی از فرسایش تشکیل شده است. ضریب پیچان رودی رودخانه در این بازه 1/69 است. اگر ضریب 1/15 را به عنوان رودخانه پیچانرودی بپذیریم لذا رودخانه در این بازه بسیار پیچانرود محسوب میشود و فرسایش کناری رودخانه در وضعیت بحرانی قرار دارد.
بر اساس مطالعات فیزیوگرافی در محدوده مورد مطالعه - بازه سیساب تا روستای عشقآباد - شاخههای اصلی و فرعی زیادی به رودخانه اترک وارد میشود. شاخههای اصلی که در این بازه به رودخانه وارد میشوند عبارتند از رودخانه های چناران، بدرانلو، سملقان و شیرین دره. همچنین تعداد زیادی شاخه فرعی شناسایی شده است که به رودخانه اترک وارد میشوند، از اینرو، تنها تعدادی از آنها که دارای دبی بالای 1/5 مترمکعب در ثانیه و مؤثر در ایجاد سیلاب در رودخانه هستند برای شبیه سازی در مدل استفاده گردیدند. شکل - 1 - موقعیت حوضه و زیرحوضههای اترک را در محدوده مورد مطالعه نشان میدهد.
شکل-1 نقشه موقعیت مکانی حوضه و زیر حوضههای رودخانه اترک در منطقه مورد مطالعه
