بخشی از مقاله
خلاصه
کانال ارتباطدهندهی دو دریاچه، در حالت کلی، میتواند دارای شیب ملایم یا تند، دارای جریان زیربحرانی یا فوق بحرانی و طولی کوتاه یا بلند باشد. در این حالت، دبی در کانال ممکن است تحت تأثیر تغییرات تراز آب دو دریاچه قرار گیرد، رسم مقادیر دبی برحسب ترازهای آب، منحنی تحویل3 نامیده میشود. در این تحقیق با استفاده از نرمافزار HEC-RAS، برای یک کانال با شیب ملایم و در سه حالت - عمق آب در انتهای بالادست کانال ثابت و طول کانال کوتاه، عمق آب در انتهای بالادست کانال ثابت و طول کانال بلند، عمق آب در انتهای پاییندست کانال ثابت و طول کانال کوتاه - ، منحنی تحویل رسم میشود. نتایج نشان میدهد که هرچه شیب کانال یا طول آن بیشتر باشد، امکان برابر بودن دبی حداکثر و دبی نرمال بیشتر است.
1. مقدمه
یکی از مسائل جالب توجه ونسبتاً پیچیده در تحلیل جریانهای متغیر تدریجی عبارت است از تعیین چگونگی شکلگیری جریان و نهایتاً تعیین میزان دبی جاریشده در کانالی که دو مخزن آب یا دو دریاچه را به یکدیگر متصل میکند. این موضوع که به مسئله دو دریاچه یا نقش شرایط انتهایی در میزان جریان موسوم است، نخستین بار به وسیلهی - 1932 - Bakhmeteff و سپس به وسیلهی - 1959 - Chow و - 1966 - Henderson مورد بررسی قرار گرفت.[1]
در حالت کلی، کانال ارتباطدهنده میتواند دارای شیب ملایم یا تند، دارای جریان زیربحرانی یا فوق بحرانی و طولی کوتاه یا بلند باشد. ارتفاع آب در ابتدا و یا انتهای کانال - تراز آب در دو دریاچه - نیز میتواند ثابت و یا متغیر فرض گردد.[2] در بحث ارائه شده در اینجا، فرض میشود افت انرژی موضعی در ابتدای ورود آب به کانال ناچیز است. بنابراین هنگامیکه جریان وارد کانال می شود، سطح آب به اندازهی مقداری برابر با ارتفاع معادل سرعت، پایین میآید.
نرمافزار HEC-RAS توسط مرکز مهندسی هیدرولوژی اداره مهندسی ارتش آمریکا تهیه شده است و بهصورت رایگان قابل استفاده برای عموم میباشد.آخرین نسخه این برنامه - v4.1.0 - که در ماه ژانویه سال 2010 میلادی منتشر شده است، علاوه بر محاسبهی نیمرخ سطح آب در حالت یکبعدی دائمی برای جریان متغیر تدریجی و همچنین دیگر قابلیتهای نسخه های قبلی این نرمافزار، توانایی تحلیل فرآیند رسوب، فرسایش و کیفیت را نیز دارا میباشد.[3] در نرم افزار HEC-RAS از روش گام به گام استاندارد استفاده شده است. اطلاعات مورد نیاز برای استفاده از این نرمافزار شامل دبی، شکل سطح مقطع، فاصلهی سطح مقطعها، ضریب زبری، شرط مرزی میباشد.[4]
3. محاسبهی پروفیل سطح آب با استفاده از نرمافزار HEC-RAS
مراحل کار با برنامه برای محاسبهی نیمرخ سطح آب عبارت اند از: -1 تعریف یک پروژه جدید - با استفاده از - File، -2 ورود دادههای هندسی - رودخانه، بازه، سطح مقطع ها با استفاده از - Edit، -3 ورود دادههای جریان - دبی، شرط مرزی با استفاده از - Edit، -4 اجرای برنامه - با استفاده از - Run، -5 مشاهده و کنترل نتایج - با استفاده از - View برای ورود اطلاعات جریان باید توجه ویژهای به شرط مرزی مربوطه داشته باشیم. در پنجرهیSteady Flow Data از فهرست اصلی Edit، با انتخاب دکمهی Reach Boundary Condition، پنجرهی Steady Flow Boundary Condition باز میشود.
در این پنجره ابتدا باید انتخاب کنیم که شرط مرزی در پایین دست اعمال میشود یا در بالادست. سپس نوع شرط مرزی را انتخاب میکنیم که یکی از این چهار حالت میباشد: -1 سطح آب معلوم یا Known Water Surfaceبا: انتخاب این گزینه باید صرفاً رقوم سطح آب مورد نظر به متر تعیین شود، -2 عمق بحرانی یا :Critical Depth با انتخاب این گزینه نیازی به ورود اطلاعات دیگر نیست، -3 عمق یکنواخت یا :Normal Depth با انتخاب این گزینه باید شیب مربوط به جریان یکنواخت تعیین شود، -4 رابطهی دبی اشل یا :Rating Curve با انتخاب این گزینه امکان معرفی مقدار عددی دبی به ازای مقادیر مختلف تراز سطح آب فراهم خواهد شد.
4. ارتباط دو دریاچه بهوسیلهی کانال با شیب ملایم
Bakhmeteff به بررسی سه حالت کلی در کانال منشوری با جریان زیربحرانی - کانال با شیب ملایم - پرداخت. این حالتها بر طبق شرایط سه متغیر دسته بندی شدند که عبارت اند از: عمق جریان در انتهای بالادست کانال - y1 - ، عمق جریان در انتهای پایین دست کانال - - y2 و دبی کانال - Q - .[1] در این حالت فرض میشود که تراز سطح آب در انتهای بالادست کانال تغییر نخواهد کرد، در حالیکه پاییندست، با سطح B - در شکل - 2 تغییر میکند. با تغییرات y2 ، مقدار دبی جاریشده در کانال تغییر میکند و نیمرخ سطح آب نیز حالات مختلفی را به خود میگیرد. همچنین در این شکل، پروفیلهای جریان برای شرایط مختلف y2 و دبی های متناطر با آن - Q - نشان داده شدهاند. طبق آنچه که در موارد زیر به آنها اشاره میشود، ممکن است شرایط جریان متفاوتی رخ دهد:
- 1 جریان یکنواخت: وقتی y1 = yn است، نمایش داده میشود.
- 2 جریان دبی ماکزیمم: هنگامی که y2 برابر عمق بحرانی yc در مقطع 2 است، دبی به حداکثر مقدار ممکن خود میرسد. چون y2 نمیتواند کمتر از yc شود، اگر سطح آب دریاچهی پاییندست از yc کمتر شود،در آن عمق، آبشار آزاد رخ میدهد.این دبی، با دبی بحرانی در مقطع 2 برابر است.
- 3 جریان پروفیل : M 1 وقتی yn < y2 باشد، جریان در جهت معکوس مییاشد و پروفیل جریان از نوع M1 است. حد بالایی پروفیل M1 ، خط oz است که روی آن دبی صفر است،چون تفاوت بین سطوح دو دریاچه، صفر است. حد پایینی این پروفیل، سطح جریان یکنواخت است که با خط on نمایش داده میشود. برای هر جریانی که بین این دو حد گفته شده قرار گیرد، عمق y2 و دبی متناظر، با یک محاسبه نهچندان دشوار، بهدست میآیند.[5]
- 4 جریان پروفیل : M 2 هنگامی که y2 . - oc در شکل -2 ب رابطهی بین Q و y2 برای یک کانال به طول 500 متر، عرض 3 متر، ضریب زبری مانینگ - n - برابر 0,015 ، شیب کف کانال 0,001 با استفاده از نرمافزار HEC-RAS رسم شده است - به این منحنی، منحنی تحویل گفته میشود.
